CN109940592A - 弹性外骨骼背架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性外骨骼背架，包括：背部支撑单元，穿戴支撑于用户背部；弹性连接装置，包括传动连接杆与弹性元件，所述传动连接杆一端滑动连接于所述背部支撑单元，另一端连接于用户髋部，所述传动连接杆的滑动端之两端分别通过所述弹性元件与所述背部支撑单元连接，所述弹性元件的弹性力方向沿所述滑动端的滑动方向。该弹性外骨骼背架具有弹性特性而可跟随人体动作姿态实现自适应变换，具有穿戴舒适、运动灵活性高、人机协同性佳的优点。

Description

弹性外骨骼背架

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体地来说，是一种弹性外骨骼背架。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体机能、辅助运动方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。

近年来，随着研究的不断深入，外骨骼机器人在应用领域取得了重大进展。然而，目前的外骨骼机器人由于设计不合理，仍然存在自重大、能耗高、穿戴舒适性差、运动灵活性低等问题，严重制约了其产业化应用与发展。

受限于现有结构带来的种种弊端，于行走与弯腰过程，外骨骼机器人与人体的人机运动协调性不足，造成动作变形而无法实现运动助力目的，甚至对使用者造成额外负担而带来意外损伤。以上种种不足，现有技术尚难有效解决。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种弹性外骨骼背架，具有弹性特性而可跟随人体动作姿态实现自适应变换，具有穿戴舒适、运动灵活性高、人机协同性佳的优点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种弹性外骨骼背架，包括：

背部支撑单元，穿戴支撑于用户背部；

弹性连接装置，包括传动连接杆与弹性元件，所述传动连接杆一端滑动连接于所述背部支撑单元，另一端连接于用户髋部，所述传动连接杆的滑动端之两端分别通过所述弹性元件与所述背部支撑单元连接，所述弹性元件的弹性力方向沿所述滑动端的滑动方向。

作为上述技术方案的改进，所述背部支撑单元包括背部支撑件与滑动座，所述背部支撑件穿戴于用户背部，所述滑动座设置于所述背部支撑件远离所述用户背部的一侧表面，所述滑动端滑动连接于所述滑动座，所述滑动端之两端分别通过所述弹性元件与所述滑动座连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑动座具有导向部与位于所述导向部两端的限位端部，所述滑动端可滑动地保持于所述导向部上并位于所述限位端部之间，所述滑动端沿其滑动方向的两端分别通过所述弹性元件与所述限位端部连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述滑动端可滑动地铰接于所述导向部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述导向部为导向杆，所述滑动端具有球面滑动轴承构造而套设于所述导向杆上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述导向杆为复数个并相互平行设置，所述限位端部具有与所述导向杆对应的复数个安装孔，所述安装孔与所述导向杆具有间隙配合，相邻的安装孔之间通过调节缝隙贯通连接，所述调节缝隙上设置用于调节其开度的调节螺栓。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动连接杆与所述导向部均为复数个，二者保持一一对应地设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述背部支撑单元接近所述用户背部的一侧表面设置柔性软衬。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传动连接杆为刚性杆。

作为上述技术方案的进一步改进，所述弹性外骨骼背架还包括穿戴肩带，所述穿戴肩带至少一端连接于所述背部支撑单元上。

本发明的有益效果是：

基于传动连接杆与背部支撑单元的连接端具有的滑动连接关系，传动连接杆的滑动端可跟随人体行走及弯曲姿态变化而实现自适应的位置调节，使背部支撑单元不发生上下窜动而始终贴合保持于人体背部，用户髋部的助力得以可靠地传递至人体背部而减轻腰部肌肉群的负担，保证理想的穿戴舒适性与可靠助力支撑，人际协同性佳；

传动连接杆的滑动端之两端分别通过弹性元件连接于背部支撑单元，使滑动端于自适应运动过程始终受到缓冲吸能作用，以弹性连接吸收人体行走及弯曲过程的冲击动能，保护背部支撑单元及人体背部免受冲击伤害，增强穿戴舒适性与传动可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1提供的弹性外骨骼背架的整体结构的第一轴测示意图；

图2是本发明实施例1提供的弹性外骨骼背架的整体结构的第二轴测示意图；

图3是图2中弹性外骨骼背架的M处局部放大示意图；

图4是本发明实施例1提供的弹性外骨骼背架的滑动座的局部分解示意图。

主要元件符号说明：

1000-弹性外骨骼背架，1100-背部支撑单元，1110-背部支撑件，1120-滑动座，1121-导向部，1122-限位端部，1122a-安装孔，1122b-调节缝隙，1130-柔性软衬，1140-调节螺栓，1200-弹性连接装置，1210-传动连接杆，1211-滑动端，1220-弹性元件，1300-穿戴肩带，1400-穿戴胸带。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对弹性外骨骼背架进行更全面的描述。附图中给出了弹性外骨骼背架的优选实施例。但是，弹性外骨骼背架可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对弹性外骨骼背架的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在弹性外骨骼背架的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～3，本实施例公开一种弹性外骨骼背架1000，该弹性外骨骼背架1000包括背部支撑单元1100与弹性连接装置1200，具有穿戴舒适性佳、力学传递稳定与助力支撑可靠的优点。

背部支撑单元1100穿戴支撑于用户背部，与用户背部保持贴合连接。示范性地，背部支撑单元1100的表面适应人体背部的形状曲线特性，提供可靠的支撑作用。示范性地，背部支撑单元1100可采背板、背托、背心等结构形式。

示范性地，背部支撑单元1100接近用户背部的一侧表面设置柔性软衬1130。柔性软衬1130具有柔性变形能力，使客户穿戴更为舒适。柔性软衬1130由柔软材料制成，触感柔软舒适，包括柔软塑料、硅胶、橡胶等不同的材料类型。

弹性连接装置1200用于实现背部支撑单元1100与用户髋部(或设置于用户髋部的动力设备)之间的弹性连接，由弹性连接装置1200自适应地跟随人体姿态变化而实现自适应的位置调节，使背部支撑单元1100始终保持贴合于用户背部而不发生位置变动。

其中，弹性连接装置1200包括传动连接杆1210与弹性元件1220。传动连接杆1210一端滑动连接于背部支撑单元1100，该端形成滑动端1211；另一端连接于用户髋部，该连接关系可为固定连接或活动连接，示范性地可为固定端。基于传动连接杆1210的传动作用，背部支撑单元1100与用户髋部(或髋部动力设备)之间得以实现力/力矩传递。

基于滑动连接关系，当用户的人体发生姿态变化(例如自直立状态变换为弯腰状态或反向变换)时，于用户髋部作用下，传动连接杆1210发生位置变动，该位置变动由传动连接杆1210的滑动端1211相对于背部支撑单元1100的滑动而实现，从而保证用户髋部与背部支撑单元1100于人体上的相对位置保持不变，背部支撑单元1100不发生上下窜动而始终贴合保持于人体背部的理想位置(该理想位置可由初始穿戴时调节达到)，用户髋部的助力得以可靠地传递至人体背部而减轻腰部肌肉群的负担，保证理想的穿戴舒适性与可靠助力支撑。

其中，传动连接杆1210的滑动端1211之两端分别通过弹性元件1220与背部支撑单元1100连接，且弹性元件1220的弹性力方向沿滑动端1211的滑动方向。换言之，弹性元件1220成对地分居滑动端1211的两端，形成对顶分布构造，共同作用于滑动端1211。

当人体发生姿态变化而使滑动端1211往复滑动时，滑动端1211始终受到弹性元件1220的弹性力作用，使滑动端1211与背部支撑单元1100之间具有弹性连接关系。滑动端1211的滑动动能由弹性元件1220吸收而使运动冲击动能传递阻断于弹性元件1220，避免对背部支撑单元1100与人体背部造成运动冲击，背部支撑单元1100平稳地保持于当前位置而不发生窜动，人体背部具有良好的穿戴舒适性，用户髋部的助力亦得以可靠地传递至人体背部。

其中，弹性元件1220具有弹性变形能力，包括各类弹簧、弹丝、弹片等类型。示范性地，弹性元件1220为拉压弹簧，一端连接于背部支撑单元1100，另一端连接于传动连接杆1210的滑动端1211。

背部支撑单元1100可采用多种结构形式实现。示范性地，背部支撑单元1100包括背部支撑件1110与滑动座1120。背部支撑件1110穿戴于用户背部，可采背板、背心等结构形式。滑动座1120设置于背部支撑件1110远离用户背部的一侧表面，滑动端1211滑动连接于滑动座1120。滑动端1211之两端分别通过弹性元件1220与滑动座1120连接，形成于弹性作用下的滑动结构。

滑动座1120可采用不同的结构形式实现。示范性地，滑动座1120具有导向部1121与位于导向部1121两端的限位端部1122。其中，滑动端1211可滑动地保持于导向部1121上并位于限位端部1122之间，滑动端1211沿其滑动方向的两端分别通过弹性元件1220与限位端部1122实现弹性连接。换言之，滑动端1211始终滑动地保持于分居导向部1121两端的限位端部1122之间。

可以理解，导向部1121与限位端部1122可直接相连，亦可相距设置地分别安装于背部支撑件1110上。示范性地，滑动座1120具有C型构造，限位端部1122为位于C型构造的开口部两侧的构件。

示范性地，传动连接杆1210与导向部1121均为复数个，二者保持一一对应地设置。换言之，传动连接杆1210的滑动端1211与导向部1121一一对应地滑动连接，保证各传动连接杆1210的独立调节，并适应多支撑杆的多点连接支撑结构。

其中，滑动端1211与导向部1121之间的连接方式多种多样，包括导轨-滑块、导杆-导套等类型。示范性地，滑动端1211可滑动地铰接于导向部1121，进一步增加滑动端1211与导向部1121之间的自由度，使传动连接杆1210兼具转动调节能力，传动连接杆1210与导向部1121之间的连接更为柔顺，避免发生运动干涉。

导向部1121的数量根据实际需要而决定。示范性地，导向部1121为复数个，且该复数个导向部1121相互平行设置。进而，导向部1121与滑动端1211一一对应地滑动连接。

其中，导向部1121可采用导轨、导杆等结构形式。示范性地，导向部1121为导向杆，滑动端1211套设于导向杆上。进一步地，滑动端1211具有球面滑动轴承构造(例如关节轴承)而套设于导向杆上。相应地，滑动端1211一方面具有沿导向部1121的延伸方向的滑动自由度，另一方面具有多向转动自由度，自适应调节能力更为突出。示范性地，具有弹簧构造的弹性元件1220套设于导向杆上。

示范性地，导向杆为复数个，且该复数个导向杆相互平行设置，保证各滑动端1211的运动方向一致。同时，滑动端1211一一对应地套设于导向杆上，实现各自的滑动连接。

请参阅图4，示范性地，限位端部1122具有与导向杆对应的复数个安装孔1122a。导向杆一一对应地穿设于安装孔1122a内，受到导向杆两端的限位端部1122的承载支持。其中，安装孔1122a与导向杆之间具有间隙配合，使导向杆轻易地置入于安装孔1122a内。

进一步地，相邻的安装孔1122a之间通过调节缝隙1122b贯通连接，使各安装孔1122a具有局部开口构造。调节缝隙1122b上设置调节螺栓1140，通过调节螺栓1140的松紧调节而实现对调节缝隙1122b的开度调节，进而实现对安装孔1122a与导向杆之间的松紧程度的调节，使导向杆的安装精度与紧固力达到预设要求。其中，导向杆的安装精度一般包括位置公差与配合精度。

补充说明，传动连接杆1210可为弹性杆件或刚性杆件。示范性地，传动连接杆1210为刚性杆件，具有足够的刚强度、抗变形能力与力传递灵敏度。示范性地，在另一个实施例中，传动连接杆1210尚可具有弹性变形能力，可沿切向微弹变形而增强传动连接杆1210与用户髋部(或髋部动力设备)之间的紧密作用。

示范性地，弹性外骨骼背架1000还包括穿戴肩带1300，穿戴肩带1300至少一端连接于背部支撑单元1100上。穿戴肩带1300可贴合地保持于人体的肩部，可采塑料、织物纤维等材料制成。

示范性地，弹性外骨骼背架1000还包括穿戴胸带1400，穿戴胸带1400至少一端连接于背部支撑单元1100上。穿戴胸带1400可贴合地保持于人体的肩部，可采塑料、织物纤维等材料制成。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种弹性外骨骼背架，其特征在于，包括：

背部支撑单元，穿戴支撑于用户背部；

弹性连接装置，包括传动连接杆与弹性元件，所述传动连接杆一端滑动连接于所述背部支撑单元，另一端连接于用户髋部，所述传动连接杆的滑动端之两端分别通过所述弹性元件与所述背部支撑单元连接，所述弹性元件的弹性力方向沿所述滑动端的滑动方向。

2.根据权利要求1所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述背部支撑单元包括背部支撑件与滑动座，所述背部支撑件穿戴于用户背部，所述滑动座设置于所述背部支撑件远离所述用户背部的一侧表面，所述滑动端滑动连接于所述滑动座，所述滑动端之两端分别通过所述弹性元件与所述滑动座连接。

3.根据权利要求2所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述滑动座具有导向部与位于所述导向部两端的限位端部，所述滑动端可滑动地保持于所述导向部上并位于所述限位端部之间，所述滑动端沿其滑动方向的两端分别通过所述弹性元件与所述限位端部连接。

4.根据权利要求3所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述滑动端可滑动地铰接于所述导向部。

5.根据权利要求4所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述导向部为导向杆，所述滑动端具有球面滑动轴承构造而套设于所述导向杆上。

6.根据权利要求5所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述导向杆为复数个并相互平行设置，所述限位端部具有与所述导向杆对应的复数个安装孔，所述安装孔与所述导向杆具有间隙配合，相邻的安装孔之间通过调节缝隙贯通连接，所述调节缝隙上设置用于调节其开度的调节螺栓。

7.根据权利要求3所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述传动连接杆与所述导向部均为复数个，二者保持一一对应地设置。

8.根据权利要求1所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述背部支撑单元接近所述用户背部的一侧表面设置柔性软衬。

9.根据权利要求1所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，所述传动连接杆为刚性杆。

10.根据权利要求1所述的弹性外骨骼背架，其特征在于，还包括穿戴肩带，所述穿戴肩带至少一端连接于所述背部支撑单元上。