CN110385692B - 一种气动腰部助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种气动腰部助力外骨骼机器人，包括脊架、背部固定架、弹簧架、肩轴、气缸、气缸接头、多根弹簧、连接架、轴承、髋轴、腿挡和绑带，脊架包括脊杆和轴承环；轴承环的外侧壁与脊杆的一端一体连接；轴承环的内侧两端分别开有轴承槽；背部固定架和弹簧架分别与脊杆的另一端固定连接；肩轴设于通孔内，且两端均伸出通孔外；肩轴的两端分别与一个气缸的无杆侧端盖固定连接；气缸接头的一端与气缸的活塞杆固定连接；多根弹簧的两端分别固定在弹簧架和气缸接头上；连接架的一端与气缸接头铰接，另一端固定套设于髋轴上；每个轴承槽内安装一个轴承；髋轴的一端设置于轴承内，另一端与腿挡固定连接；绑带设置在背部固定架上。

Description

一种气动腰部助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及可穿戴的外骨骼助力机器人技术领域，尤其涉及一种气动腰部助力外骨骼机器人。

背景技术

近些年来，穿戴式外骨骼的研究逐渐兴起。可穿戴式外骨骼是一类模仿人体生理构造的辅助穿戴者的智能机械装置，其结构类似昆虫的外骨骼那样，能被人穿戴，协同穿戴者运动，从而为穿戴者提供保护、额外的动力或能力，提高穿戴者行走过程中的耐久性、负重能力等，增强人体机能，主要运用在医疗康复、军事、个人能力提升等领域。

目前，已公布的各种人体穿戴式外骨骼系统有很多，其功能包括提高负重行走能力，重型物资搬运助力，人体上、下肢运动障碍康复等，功能多集中于人体助力行走，其共同的特点均是在动力源的支持下，通过传感器采集人体信号反馈给控制单元，经过控制单元的逻辑处理后，下达指令使动力执行单元完成动作，以实现相应功能。但是现有技术中的外骨骼机器人结构复杂，导致装置较重，当应用于搬运作业时不利于作业的进行，且成本较高，昂贵的制造成本也使其仅仅停留在科学研究阶段，无法广泛应用于工业生产中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单、成本低的气动腰部助力外骨骼机器人。

为实现上述目的，本发明提供了一种气动腰部助力外骨骼机器人，所述气动腰部助力外骨骼机器人包括：

脊架，所述脊架包括脊杆和轴承环；

所述脊杆包括依次连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；所述脊杆上开有通孔，所述通孔穿设所述第二侧面与所述第四侧面；

所述轴承环的外侧壁与所述脊杆的一端一体连接，且所述轴承环的中心轴线与所述通孔的中心轴线平行；所述轴承环的内侧两端分别开有轴承槽；

背部固定架，与所述脊杆的另一端的所述第一侧面固定连接；

弹簧架，与所述脊杆的另一端的所述第三侧面固定连接；

肩轴，所述肩轴设于所述通孔内，且所述肩轴的两端均伸出所述通孔外；

气缸，所述气缸具有活塞杆和无杆侧端盖，所述肩轴的两端分别与一个所述气缸的所述无杆侧端盖固定连接；

气缸接头，所述气缸接头的一端与所述气缸的所述活塞杆固定连接；

多根弹簧，多根所述弹簧的一端固定在所述弹簧架上，多根所述弹簧的另一端固定在所述气缸接头上；

连接架，所述连接架的一端与所述气缸接头的另一端铰接；

轴承，每个所述轴承槽内安装一个所述轴承；

髋轴，所述髋轴的一端设置于所述轴承内；所述连接架的另一端固定套设于所述髋轴上；

腿挡，所述腿挡与所述髋轴的另一端固定连接，所述腿挡随所述髋轴的转动而转动；

绑带，设置在所述背部固定架上，用于将所述背部固定架固定于穿戴者的背部；

当所述穿戴者弯腰时，所述活塞杆伸出所述气缸，所述弹簧拉伸，当所述穿戴者直腰时，所述气缸工作，所述活塞杆压入所述气缸内，拉动所述连接架的一端，从而所述连接架的另一端带动所述髋轴和所述腿挡转动，所述弹簧恢复，使所述腿挡始终压紧所述穿戴者的大腿，所述绑带向后拉动所述穿戴者的背部，从而完成直腰动作。

优选的，所述气动腰部助力外骨骼机器人还包括两个回环，每个所述回环与所述轴承环固定连接。

进一步优选的，所述回环包括主体部、安装环和两个连接杆；每个所述连接杆的一端与所述安装环固定连接，每个所述连接杆的另一端与所述主体部固定连接；所述安装环与所述轴承环连接。

再进一步优选的，所述轴承环的两端均连接有安装板，所述安装环安装在所述安装板上，所述髋轴穿设所述安装板和所述安装环。

优选的，所述气动腰部助力外骨骼机器人还包括腰带，所述腰带固定安装在所述轴承环上，用于将所述轴承环固定于所述穿戴者的腰部。

优选的，所述背部固定架包括背板和固定部；所述背板通过所述固定部安装在所述脊杆的另一端的所述第一侧面上。

优选的，所述弹簧架包括弹簧固定杆和安装部；所述弹簧固定杆通过所述安装部安装在所述脊杆的另一端的所述第三侧面上，所述弹簧的一端固定在所述弹簧固定杆上。

进一步优选的，所述安装部的横截面为L形。

优选的，所述连接架包括第一连接部、第二连接部和第三连接部；

所述第一连接部的横截面为U字形，与所述气缸接头轴连接；

所述第二连接部用于连接所述第一连接部与所述第三连接部；

所述第三连接部固定套设于所述髋轴上。

进一步优选的，所述连接架的所述第三连接部与所述髋轴之间通过平键连接。

本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人，采用气动技术的动力源，由于气动技术具有高速高效、清洁安全、低成本、易于维护等优点，使得该气动腰部助力外骨骼机器人结构简单且轻便灵活，成本较低，能够广泛应用于工业生产中，同时，该气动腰部助力外骨骼机器人采用气缸与弹簧相结合，弹簧起到自动回位的作用，使得腿挡部分能够始终贴合在穿戴者的大腿上，便于行走，此外，该机器人上还设有回环，起到了防护作用，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人安装绑带和腰带的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的连接安装板的脊架的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的背部固定架的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的弹簧架的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的气缸接头的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的连接架的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的连接架与髋轴连接的局部剖视图；

图10为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的回环的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的直腰状态图；

图12为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的弯腰状态图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例涉及提供的气动腰部助力外骨骼机器人，腿挡部分始终与穿戴者的大腿贴合，便于行走，且该机器人具有起防护作用的回环，安全性高，结构简单且轻便灵活，成本较低，能够广泛应用于工业生产中，具有负重行走、搬运重物、医疗辅助康复等功能，其主要应用于长期从事弯腰搬运重物的环境。

图1、图2和图3分别为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的结构示意图、局部放大图和安装绑带和腰带的结构示意图。结合图1、图2和图3所示：

本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人具体包括：脊架1、背部固定架8、弹簧架9、肩轴10、气缸11、气缸接头14、弹簧15、连接架16、轴承(图中未示出)、髋轴17、腿挡18、绑带46、回环19和腰带47。

具体的，脊架1包括脊杆2和轴承环3，轴承环3的外侧壁与脊杆2的一端一体连接；背部固定架8和弹簧架9分别设置在脊杆2的另一端的相对两侧面上；肩轴10穿设脊杆2；气缸11具有活塞杆12和无杆侧端盖13，肩轴10的两端分别与一个气缸11的无杆侧端盖13固定连接；气缸接头14的一端与气缸11的活塞杆12固定连接；多根弹簧15的两端分别固定在弹簧架9和气缸接头14上；连接架16的一端与气缸接头14的另一端铰接；轴承环3内两端分别设置一个轴承；髋轴17的一端设置于轴承内；连接架16的另一端固定套设于髋轴17上；腿挡18与髋轴17的另一端固定连接，腿挡18随髋轴17的转动而转动；绑带46设置在背部固定架8上，用于将背部固定架8固定于穿戴者的背部；回环19固定连接在轴承环3上；腰带47固定安装在轴承环3上，用于将轴承环3固定于穿戴者的腰部，穿戴者通过绑带46和腰带47穿戴该气动腰部助力外骨骼机器人。

当穿戴者弯腰时，活塞杆12伸出气缸11，弹簧15拉伸，当穿戴者直腰时，气缸11工作，活塞杆12压入气缸11内，拉动连接架16的一端，从而连接架16的另一端带动髋轴17和腿挡18转动，弹簧15恢复，使腿挡18始终压紧穿戴者的大腿，绑带46向后拉动穿戴者的背部，从而完成直腰动作。

本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人可以通过多种操作方式进行操作，具体的，第一种情况：气动腰部助力外骨骼机器人可以外接控制设备，从而由外接控制设备人为的发射控制信号驱动气缸作业，并使气缸收缩指定的位置，从而控制穿戴者的弯腰程度；第二种情况：气动腰部助力外骨骼机器人上还可以设置陀螺仪和压力传感器，从而通过陀螺仪和压力传感器监测并判断人体的弯曲位置及弯曲趋势，当感测到人体有直腰趋势时，气缸11的活塞杆12收缩，带动人体肩部向上，完成直腰动作。

通过图1、图2和图3可知，本发明实施例气动腰部助力外骨骼机器人的整体连接关系及工作原理。下面结合图4-图10，对气动腰部助力外骨骼机器人中的部件进行详细介绍。

图4为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的连接安装板的脊架的结构示意图。结合图4所示：

脊架包括脊杆2和轴承环3，轴承环3的外侧壁与脊杆2的一端一体连接。其中，脊杆2包括第一侧面4、第二侧面5、第三侧面(图中未示出)和第四侧面(图中未示出)，第一侧面4、第二侧面5、第三侧面和第四侧面之间依次连接，脊杆2上开有通孔6，通孔6穿设第二侧面5与第四侧面，此外，脊杆2的另一端上还开有第一安装孔32，第一安装孔32穿设第一侧面4和第三侧面，同时，为了使得穿戴者穿戴时能更舒适，优选的，脊杆2与轴承环3连接的一端设计为曲线形，在保证脊杆2抗弯曲强度的前提下，可以通过在脊杆2的第二侧面5与第四侧面上开槽减轻脊杆2的重量，从而使得穿戴者穿戴该气动腰部助力外骨骼机器人时更加灵活。

轴承环3的中心轴线与通孔6的中心轴线平行，轴承环3的内侧两端分别开有轴承槽7，此外，轴承环3的相对两侧面上均通过弧形连接杆33固定连接有安装板23，且安装板23上开有第一支撑孔34。弧形连接杆33的设置既实现了安装板23与轴承环3之间的连接，又保证了连接架(图中未示出)能够在设定的转动范围内自由转动。

图5为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的背部固定架的结构示意图。结合图5所示：

背部固定架包括背板24和固定部25。其中，背板24通过固定部25安装在脊杆(图中未示出)的另一端的第一侧面(图中未示出)上。为方便绑带(图中未示出)的安装并减轻整体装置的重量，背板24上开有多个通槽(图中未示出)。固定部25上开有与脊杆上的第一安装孔(图中未示出)相对应的第三安装孔(图中未示出)。

图6为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的弹簧架的结构示意图。结合图6所示：

弹簧架包括弹簧固定杆26和安装部27，弹簧固定杆26通过安装部27安装在脊杆(图中未示出)的另一端上。为强化弹簧架与脊杆之间的固定效果，安装部27的横截面呈L形，安装部27的竖直部上开有多个第二安装孔45，第二安装孔45与脊杆上的第一安装孔(图中未示出)相对应，从而通过多个第二安装孔45将弹簧架安装在脊杆上，安装部27的横向部一端与竖直部连接，另一端与弹簧固定杆26的中心连接，弹簧固定杆26上开有多个第一弹簧固定孔44，弹簧(图中未示出)的一端通过将弹簧的弹簧钩卡在第一弹簧固定孔44内固定在弹簧固定杆26上。

图7为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的气缸接头的结构示意图。结合图7所示：

气缸接头包括气缸连接部39、弹簧连接部40和连接架连接部42，气缸连接部39、弹簧连接部40和连接架连接部42之间两两固定连接，气缸连接部39用于与气缸(图中未示出)的活塞杆(图中未示出)固定连接，弹簧连接部40上开有多个第二弹簧固定孔41，弹簧(图中未示出)通过将弹簧的弹簧钩卡在第二弹簧固定孔41内与气缸接头的弹簧连接部40固定连接，连接架连接部42上开有轴孔43，从而连接架连接部42通过将轴孔43与连接架(图中未示出)轴连接。

图8、图9分别为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的连接架的结构示意图和连接架与髋轴连接的局部剖视图。结合图8和图9所示：

连接架16包括第一连接部28、第二连接部29和第三连接部30，第一连接部28、第二连接部29和第三连接部30依次固定连接。第一连接部28的横截面为U字形，与气缸接头(图中未示出)的连接架连接部(图中未示出)轴连接。第二连接部29呈竖直杆状，用于连接第一连接部28与第三连接部30。第三连接部30上开有髋轴孔36，第三连接部30通过髋轴孔36固定套设于髋轴17上，优选的，髋轴孔36内开有第一键槽37，第一键槽37穿设第三连接部30的相对两侧面，从而便于安装，与此同时，髋轴17上与第一键槽37对应的位置上开有第二键槽38，第二键槽38的形状大小与平键31的形状大小相匹配，连接架的第三连接部与髋轴17之间通过平键31连接。

图10为本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的回环的结构示意图。结合图10所示：

回环包括主体部20、安装环21和两个连接杆22，主体部20与安装环21之间通过两个连接杆22固定连接，具体的，每个连接杆22的一端与安装环21固定连接，每个连接杆22的另一端与主体部20固定连接。安装环21上开有第二支撑孔35，回环通过安装环21安装在安装板(图中未示出)上与轴承环3固定连接。

以上是对本实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人的各个部件、它们之间的连接关系进行了介绍，下面结合图1-图12，对气动腰部助力外骨骼机器人的完整结构和工作原理进行详述。

在本实施例中，背部固定架8通过固定部25固定连接在脊杆2的第一侧面4上，弹簧架9通过安装部27固定连接在脊杆2的第三侧面(图中未示出)上，由于第一安装孔32的个数过多会影响脊杆2的强度，故需尽量减少第一安装孔32的个数，因此，背部固定架8与弹簧架9共用第一安装孔32，即安装时使用螺栓或螺钉依次通过弹簧架9安装部27上的第二安装孔45、脊杆2上的第一安装孔32和背部固定架8固定部25上的第三安装孔(图中未示出)，从而将背部固定架8与弹簧架9同时固定在脊杆2的相对两侧面上。轴承环3内侧两端的轴承槽7内分别安装上轴承(图中未示出)，再将连接架16的第三连接部30置于轴承环3与安装板23之间的弧形连接杆33内，并使第一支撑孔34和髋轴孔36的中心轴线和轴承的中心轴线重合，之后将平键31放置于髋轴17的第二键槽38内，使髋轴17靠近第二键槽38的一端依次穿设第一支撑孔34与髋轴孔36，并固定安装在轴承上，同时，平键31设置于髋轴17的第二键槽38与髋轴孔36的第一键槽37内，从而使得髋轴10与连接架16之间通过平键31固定连接，连接架16转动能够带动髋轴17转动。肩轴10穿设通孔6，之后肩轴10的两端分别穿设一个气缸11无杆侧端盖13上的孔，两侧加装端盖(图中未示出)并用螺栓固定连接，从而将气缸11的一端通过肩轴10固定在脊杆2上，然后，将气缸11的活塞杆12固定连接在气缸接头14的气缸连接部39上。而气缸接头14的连接架连接部42与连接架16的第一连接部28之间轴连接，并使弹簧连接部40与弹簧固定杆26的位置相对应，将弹簧15一端的弹簧钩卡入弹簧连接部40的第二弹簧固定孔41内，将弹簧15另一端的弹簧钩卡入弹簧固定杆26的第一弹簧固定孔44内，且由于整体弹簧固定杆26的个数为一个，弹簧连接部40的个数为两个，故弹簧固定杆26第一弹簧固定孔44的个数为每个弹簧连接部40第二弹簧固定孔41的个数的二倍。之后，将回环19的安装环21安装在安装板23上，髋轴17穿过第二支撑孔35。最后，将腿挡18固定安装在髋轴17的另一端上，并将绑带46固定在背部固定架8上，腰带47固定安装在轴承环3上，从而完成整个气动腰部助力外骨骼机器人的安装过程。

当穿戴者处于直立状态时，此时气动腰部助力外骨骼机器人处于直腰状态，如图11所示，背部固定架8通过绑带46固定于穿戴者的背部，并将髋轴17部分通过腰带47固定于穿戴者的腰部，腿挡18贴合于穿戴者的大腿前部，此时气缸11不工作，当穿戴者做出弯腰动作时，气缸11的活塞杆12伸出气缸11，弹簧15拉伸，活塞杆12推动连接架16转动，从而带动髋轴17及腿挡18转动，从而使得人体的大腿部分始终保持直立状态，穿戴者完成弯腰动作之后，气动腰部助力外骨骼机器人处于弯腰状态，如图12所示。而当穿戴者直腰时，驱动气缸11作业，活塞杆12压入气缸11内，使得连接架16转动，带动髋轴17及腿挡18转动，由于人体腿部始终处于直立状态，故此过程中绑带46向后拉动穿戴者的背部，从而辅助穿戴者完成直腰动作。同时，由于在弯腰过程中弹簧15处于拉伸状态，故弹簧15具有一定的恢复力，会带动连接架16的转动，从而使得腿挡18始终贴合人体的大腿，防止腿挡18过松，而影响穿戴者的行走。此外，在作业过程中回环19使气

缸11的活塞杆12伸缩或连接架16的转动处于安全区域内，不会碰触到任何其他妨碍物，从而起到了防护的作用，使得使用更安全可靠。

本发明实施例提供的气动腰部助力外骨骼机器人，采用气动技术的动力源，由于气动技术具有高速高效、清洁安全、低成本、易于维护等优点，使得该气动腰部助力外骨骼机器人结构简单且轻便灵活，成本较低，能够广泛应用于工业生产中，同时，该气动腰部助力外骨骼机器人采用气缸与弹簧相结合，弹簧起到自动回位的作用，使得腿挡部分能够始终贴合在穿戴者的大腿上，便于行走，此外，该机器人上还设有回环，起到了防护作用，安全性高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述气动腰部助力外骨骼机器人包括：

脊架，所述脊架包括脊杆和轴承环；

所述脊杆包括依次连接的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；所述脊杆上开有通孔，所述通孔穿设所述第二侧面与所述第四侧面；

所述轴承环的外侧壁与所述脊杆的一端一体连接，且所述轴承环的中心轴线与所述通孔的中心轴线平行；所述轴承环的内侧两端分别开有轴承槽；

背部固定架，与所述脊杆的另一端的所述第一侧面固定连接；

弹簧架，与所述脊杆的另一端的所述第三侧面固定连接；

肩轴，所述肩轴设于所述通孔内，且所述肩轴的两端均伸出所述通孔外；

气缸，所述气缸具有活塞杆和无杆侧端盖，所述肩轴的两端分别与一个所述气缸的所述无杆侧端盖固定连接；

气缸接头，所述气缸接头的一端与所述气缸的所述活塞杆固定连接；

多根弹簧，多根所述弹簧的一端固定在所述弹簧架上，多根所述弹簧的另一端固定在所述气缸接头上；

连接架，所述连接架的一端与所述气缸接头的另一端铰接；

轴承，每个所述轴承槽内安装一个所述轴承；

髋轴，所述髋轴的一端设置于所述轴承内；所述连接架的另一端固定套设于所述髋轴上；

腿挡，所述腿挡与所述髋轴的另一端固定连接，所述腿挡随所述髋轴的转动而转动；

绑带，设置在所述背部固定架上，用于将所述背部固定架固定于穿戴者的背部；

当所述穿戴者弯腰时，所述活塞杆伸出所述气缸，所述弹簧拉伸，当所述穿戴者直腰时，所述气缸工作，所述活塞杆压入所述气缸内，拉动所述连接架的一端，从而所述连接架的另一端带动所述髋轴和所述腿挡转动，所述弹簧恢复，使所述腿挡始终压紧所述穿戴者的大腿，所述绑带向后拉动所述穿戴者的背部，从而完成直腰动作。

2.根据权利要求1所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述气动腰部助力外骨骼机器人还包括两个回环，每个所述回环与所述轴承环固定连接。

3.根据权利要求2所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述回环包括主体部、安装环和两个连接杆；每个所述连接杆的一端与所述安装环固定连接，每个所述连接杆的另一端与所述主体部固定连接；所述安装环与所述轴承环连接。

4.根据权利要求3所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述轴承环的两端均连接有安装板，所述安装环安装在所述安装板上，所述髋轴穿设所述安装板和所述安装环。

5.根据权利要求1所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述气动腰部助力外骨骼机器人还包括腰带，所述腰带固定安装在所述轴承环上，用于将所述轴承环固定于所述穿戴者的腰部。

6.根据权利要求1所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述背部固定架包括背板和固定部；所述背板通过所述固定部安装在所述脊杆的另一端的所述第一侧面上。

7.根据权利要求1所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述弹簧架包括弹簧固定杆和安装部；所述弹簧固定杆通过所述安装部安装在所述脊杆的另一端的所述第三侧面上，多根所述弹簧的一端固定在所述弹簧固定杆上。

8.根据权利要求7所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述安装部的横截面为L形。

9.根据权利要求1所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述连接架包括第一连接部、第二连接部和第三连接部；

所述第一连接部的横截面为U字形，与所述气缸接头另一端轴连接；

所述第二连接部用于连接所述第一连接部与所述第三连接部；

所述第三连接部固定套设于所述髋轴上。

10.根据权利要求9所述的气动腰部助力外骨骼机器人，其特征在于，所述连接架的所述第三连接部与所述髋轴之间通过平键连接。

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