CN112008693B - 腰部助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种腰部助力外骨骼，包括：肩部组件、腰部组件及助力机构，助力机构连接肩部组件和腰部组件，助力机构包括第一弹性件活塞缸、活塞件及活塞轴，活塞轴穿设活塞缸，活塞件固定连接活塞轴，第一弹性件连接于所述活塞件及活塞缸，活塞缸内填充有变阻尼体，驱动件能够驱动变阻尼体对活塞件施加阻尼力，使得阻尼力和第一弹性件施加于活塞件的弹性回复力配合向用户提供助动力。本发明提供的腰部助力外骨骼，有利于达到良好的助力效果。

Description

腰部助力外骨骼

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种腰部助力外骨骼。

背景技术

腰部助力外骨骼用于协助搬运人员进行搬运作业，其能够减小搬运物对搬运人员腰部的施力，进而减小搬运人员腰部劳损，从根本上降低劳动损伤的可能性，保证搬运人员健康工作。但现有大部分腰部助力外骨骼在搬运过程中提供的助力趋于恒定，使用过程中舒适度欠佳，且不能达到良好的助力效果。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种腰部助力外骨骼，其能够达到良好的助力效果。

本发明提供一种腰部助力外骨骼，包括：肩部组件、腰部组件及助力机构，其中所述肩部组件用以穿戴于用户的肩部，所述腰部组件用以穿戴于用户的腰部；

所述助力机构包括第一弹性件和阻尼组件，所述阻尼组件包括活塞缸、活塞件以及活塞轴，所述活塞轴穿设于所述活塞缸，所述活塞件设于所述活塞缸内且套设于所述活塞轴处于所述活塞缸内的部分，所述第一弹性件分别连接所述活塞件和所述活塞缸，所述活塞轴连接于所述肩部组件，所述活塞缸连接于所述腰部组件，其中随用户弯腰的动作使得所述活塞件带动所述第一弹性件产生弹性形变，而随用户弯腰后起身的动作使得所述第一弹性件向初始状态回复；

所述活塞缸内填充有变阻尼体，所述阻尼组件还包括驱动件，用于驱使所述变阻尼体向所述活塞件施加可调的阻尼力，以通过所述阻尼力和所述第一弹性件施加于所述活塞件的弹性回复力配合向用户提供助动力。

在其中一种实施方式中，所述助动力为所述变阻尼体施加于所述活塞件的所述阻尼力与所述第一弹性件施加于所述活塞件的所述弹性回复力的合力；

在用户弯腰的过程中，所述阻尼力与所述弹性回复力的方向相同，而在用户弯腰后起身的过程中，所述阻尼力与所述弹性回复力的方向相反，并且所述阻尼力小于所述弹性回复力。

在其中一种实施方式中，所述腰部助力外骨骼还包括控制组件，所述控制组件连接所述驱动件；

在用户弯腰的过程中，所述控制组件使得所述变阻尼体不向所述活塞件施加所述阻尼力，而在用户弯腰后起身的过程中，所述控制组件用于控制所述变阻尼体向所述活塞件施加与所述弹性回复力反向且小于所述弹性回复力的所述阻尼力；或

在用户弯腰的过程中，所述控制组件用于控制所述变阻尼体向所述活塞件施加与所述弹性回复力同向的所述阻尼力，而在用户弯腰后起身的过程中，所述控制组件用于控制所述变阻尼体向所述活塞件施加与所述弹性回复力反向且小于所述弹性回复力的所述阻尼力。

在其中一种实施方式中，所述控制组件包括控制单元及连接于所述控制单元的检测单元，所述控制单元连接于所述驱动件，所述检测单元用于检测人体姿态，进而通过所述控制单元控制所述驱动件以调节所述变阻尼体向所述活塞件施加的所述阻尼力的大小。

在其中一种实施方式中，所述第一弹性件为弹簧；

所述第一弹性件套设于所述活塞件靠近所述肩部组件一侧的所述活塞轴上，以在用户弯腰的过程中所述活塞件压缩所述第一弹性件而使得所述第一弹性件产生弹性形变；或

所述第一弹性件套设于所述活塞件靠近所述腰部组件一侧的所述活塞轴上，以在用户弯腰的过程中所述活塞件拉伸所述第一弹性件而使得所述第一弹性件产生弹性形变。

在其中一种实施方式中，所述变阻尼体为磁流变液，则所述驱动件为电磁线圈，所述变阻尼体用于在所述驱动件提供的磁场作用下向所述活塞件施加所述阻尼力；或

所述变阻尼体为电流变液，所述变阻尼体用于在所述驱动件提供的电场作用下向所述活塞件施加所述阻尼力。

在其中一种实施方式中，所述活塞缸的内壁与所述活塞件的外壁之间具有间隙，所述间隙中填充有所述变阻尼体。

在其中一种实施方式中，当用户弯腰至预定幅度时，所述阻尼力被设置为不小于所述弹性回复力且与所述弹性回复力的方向相反。

在其中一种实施方式中，所述腰部助力外骨骼还包括腿部组件及第二弹性件，所述第二弹性件连接所述腰部组件及所述腿部组件。

在其中一种实施方式中，所述肩部组件上设有转接件，所述活塞轴通过铰接所述转接件进而与所述肩部组件连接。

本发明提供的腰部助力外骨骼，其助力机构连接肩部组件及腰部组件，在弯腰过程中，助力机构中的第一弹性件产生弹性形变、储存弹性势能，并在弯腰后的起身过程中，第一弹性件的弹性势能得到释放并向用户提供助动力，能够减少用户腰部受力，有利于用户健康工作；同时在搬运过程中，驱动件能够驱动变阻尼体向活塞件施加可调的阻尼力，进而阻尼力与第一弹性件施加于活塞件的弹性回复力能够配合向用户提供助动力，当用户处于不同弯腰程度时，腰部助力外骨骼通过阻尼力大小的调控可提供相应合适的助动力，避免因助动力恒定而导致的助力尺度不可控，有利于达到更好的助力效果，同时消除因助动力恒定可能带给用户的僵硬感与不适，提升用户搬运操作的舒适度。

附图说明

图1为本发明腰部助力外骨骼一实施例的结构示意图；

图2为图1所示腰部助力外骨骼中助力机构的结构示意图；

图3为用户穿戴图1所示腰部助力外骨骼的示意图；

图4为用户穿戴图1所示腰部助力外骨骼自上而下搬运过程的示意图；

图5为用户穿戴图1所示腰部助力外骨骼自下而上搬运过程的示意图；

图6为本发明腰部助力外骨骼的控制方法一实施例的流程示意图。

附图标记说明：

100、腰部助力外骨骼；10、肩部组件；11、肩带；12、转接件；20、腰部组件；21、腰带；22、固定板；30、助力机构；31、第一弹性件；32、阻尼组件；321、活塞缸；322、活塞轴；323、活塞件；324、端盖；325、驱动件；326、密封件；327、止挡件；40、腿部组件；41、腿环；50、第二弹性件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为解决现有技术中腰部助力外骨骼助力效果欠佳的技术问题，本发明的一实施例提供一种腰部助力外骨骼。该腰部助力外骨骼，包括：肩部组件、腰部组件及助力机构，其中肩部组件用以穿戴于用户的肩部，腰部组件用以穿戴于用户的腰部；助力机构包括第一弹性件和阻尼组件，阻尼组件包括活塞缸、活塞件以及活塞轴，活塞轴穿设于活塞缸，活塞件设于活塞缸内且套设于活塞轴处于活塞缸内的部分，第一弹性件分别连接活塞件和活塞缸，活塞轴连接于肩部组件，活塞缸连接于腰部组件，其中随用户弯腰的动作使得活塞件带动第一弹性件产生弹性形变，而随用户弯腰后起身的动作使得第一弹性件向初始状态回复；活塞缸内填充有变阻尼体，阻尼组件还包括驱动件，用于驱使变阻尼体向活塞件施加可调的阻尼力，以通过阻尼力和第一弹性件施加于活塞件的弹性回复力配合向用户提供助动力。以下进行详细阐述。

请参阅图1，图1为本发明腰部助力外骨骼100一实施例的结构示意图。本发明提供一种腰部助力外骨骼100，腰部助力外骨骼100穿戴于人体，用于方便用户进行搬运作业，其能够减小用户搬运过程中的施力，并保护用户的腰部肌群，防止用户劳损，进而保证用户健康工作。

在本实施方式中，腰部助力外骨骼100单独进行使用；可以理解，在其他实施方式中，腰部助力外骨骼100也可与外骨骼机器人或其他助力设备相结合，从而达到更加全面的助力效果。

腰部助力外骨骼100包括肩部组件10、腰部组件20、助力机构30及腿部组件40，助力机构30连接肩部组件10及腰部组件20，腿部组件40连接于腰部组件20；肩部组件10用于连接用户肩部，能够与用户的肩部发生力的相互作用，腰部组件20用于连接用户的腰部，能够与用户的腰部发生力的相互作用，助力机构30用于向用户提供转动力，腿部组件40连接于用户腿部，能够与用户的腿部发生力的相互作用。

肩部组件10包括肩带11，肩带11的两端均固定连接于腰部组件20，介于肩带11的两端之间的部分连接于助力组件，从而形成肩带11的三点式连接，便于腰部助力外骨骼100套设于用户的肩部，以便肩部组件10与用户的肩部肌群更好地发生力的作用。肩带11上还是设有转接件12，转接件12用于连接助力机构30，在本实施方式中，转接件12与肩带11通过胶粘连接进行固定；可以理解，在其他实施方式中，转接件12与肩带11也可为一体成型结构或通过螺栓连接等其他连接方式固定。

腰部组件20包括腰带21，腰带21的形状大致为环形，从而腰带21能够顺利套合用户腰部，进一步保证腰部组件20与用户腰部肌群能够正常发生力的作用，确保腰部助力外骨骼100能够正常工作。腰带21所形成的环形尺寸可调，具体可通过针扣或扳扣等方式实现腰带21的可伸缩固定，从而使得腰部助力外骨骼100能够适应不同用户的腰围，扩大腰部助力外骨骼100的使用范围。

请一并参阅图2，图2为图1所示腰部助力外骨骼100中助力机构30的结构示意图。助力机构30包括第一弹性件31及阻尼组件32，第一弹性件31与阻尼组件32相连接，第一弹性件31用于发生弹性形变，且其弹性势能能够协助用户进行搬运作业，阻尼组件32用于向肩部组件10提供阻力，同时能够使得第一弹性件31发生弹性形变或阻碍第一弹性件31释放弹性势能，从而第一弹性件31在进行弹性形变或释放弹性势能时能够逐渐进行，结合阻尼组件32反馈至肩部组件10的阻力，使得的助动力实现可调，在搬运过程中，用户处于不同的弯腰角度时，在第一弹性件31及阻尼组件32的共同作用下，助力机构30能够提供相应合适的助动力，有益于达到更好的助力效果。

在一实施例中，第一弹性件31设置于阻尼组件32中，肩部组件10能够通过阻尼组件32带动第一弹性件31运动，使得第一弹性件31能够被挤压或拉伸以发生弹性形变，进一步在用户弯腰后起身时，第一弹性件31的弹性势能能够被释放，通过肩部组件10及阻尼组件32对用户肩部的肌群施力，减轻用户的负担，使得用户搬运操作更加省力。

在另一实施例中，第一弹性件31也可设置于阻尼组件32之外，阻尼组件32与第一弹性件31直接连接，阻尼组件32通过机械或其他方式能够阻碍第一弹性件31产生弹性形变或阻碍第一弹性件向初始状态回复，同样能够达到上述效果。

在本实施方式中，第一弹性件31为弹簧，弹簧的弹性系数可根据不同的工况进行调整，当进行较轻的搬运作业时，弹簧的弹性系数可设置相对较小，当进行较重的搬运作业时，弹簧的弹性系数可设置相对较大，只要能够在相应工况下起到助力需求即可；可以理解，在其他实施方式中，第一弹性件31也可为橡胶等弹性材质制成的弹性件，只要能够达到上述效果即可。

阻尼组件32包括活塞缸321、活塞轴322及活塞件323，活塞轴322及活塞件323均与活塞缸321相连接，活塞缸321用于安置活塞轴322及活塞件323，活塞轴322用于实现肩部组件10与阻尼组件32之间的传动，活塞件323用于带动第一弹性件31及调整阻尼组件32的阻尼。

活塞缸321与腰部组件20相连接。具体地，腰部助力外骨骼100还设有固定板22，固定板22连接于腰部组件20，活塞缸321的一端伸入固定板22中并与固定板22固定连接，从而实现阻尼组件32于腰部组件20之间的连接。在本实施方式中，活塞缸321与固定板22之间通过螺栓固定连接，从而保证活塞缸321与固定板22之间具有良好的连接稳定性，同时便于活塞缸321拆卸更换；可以理解，在其他实施方式中，活塞缸321与固定板22之间也可通过卡接等其他方式固定。

在本实施方式中，活塞缸321的形状大致为圆柱状，可以理解，在其他实施方式中，活塞缸321也可为棱柱状等其他形状。

活塞轴322穿设于活塞缸321，且活塞轴322远离固定板22的一端连接于转接件12，从而实现阻尼组件32与肩部组件10的连接，用户在弯腰过程中通过肩带11能够带动活塞轴322相对活塞缸321滑动。具体地，活塞轴322与转接件12之间通过铰接固定，如此设置能够使得用户在弯腰过程中，活塞轴322与转接件12之间能够允许角度转变，进一步防止活塞轴322影响用户正常弯腰，有利于保证用户正常进行搬运操作。

活塞件323设置于活塞缸321的内部，活塞件323套设并固定于活塞轴322，从而活塞轴322相对活塞缸321滑动时能够带动活塞件323一同滑动。第一弹性件31设置于活塞缸321内，第一弹性件31的两端分别连接活塞缸321及活塞件323，活塞件323滑动能够带动第一弹性件31共同运动，使得第一弹性件31能够发生弹性形变，便于第一弹性件31能够在用户搬运过程中提供助动力。

在本实施方式中，第一弹性件31套设于活塞件323靠近肩部组件10一侧的活塞轴322上，第一弹性件31的两端分别能够与活塞缸321及活塞件323相抵；进而用户弯腰过程中，肩部肌群能够通过肩带11带动活塞轴322相对活塞缸321移动，活塞轴322带动活塞件323沿活塞缸321内壁滑动，活塞件323与活塞缸321进一步挤压第一弹性件31，从而实现第一弹性件31发生弹性形变，以便在用户弯腰后起身，第一弹性件31的弹性势能能够被释放为用户提供助动力，使得用户进行搬运作业时更省力，同时有利于减少用户腰部肌群受力，防止用户劳损，有利于用户健康；

可以理解，在其他实施方式中，第一弹性件31也可套设于活塞件323靠近腰部组件20一侧的活塞轴322上，第一弹性件31的两端分别连接活塞缸321及活塞件323；同样，用户在弯腰过程中，肩部肌群能够通过肩带11带动活塞轴322相对活塞缸321移动，活塞轴322带动活塞件323沿活塞缸321内壁滑动，活塞件323能够拉伸第一弹性件31，使得第一弹性件31发生弹性形变，用户在弯腰后起身，第一弹性件31的弹性势能同样能够被释放并为用户提供助动力。

阻尼组件32还包括端盖324，端盖324用户保护活塞缸321内部的第一弹性件31及活塞件323，端盖324连接于活塞缸321的端部，第一弹性件31设置在端盖324与活塞件323之间。在本实施方式中，端盖324与活塞缸321之间通过螺纹紧固件固定连接；可以理解，在其他实施方式中，端盖324与活塞缸321之间也可通过卡接等其他方式固定。

端盖324上开设有通孔，活塞轴322穿设通孔，通孔的尺寸与活塞轴322的尺寸大致相同，从而防止活塞轴322相对端盖324发生晃动，有利于活塞轴322带动活塞件323及第一弹性件31稳定运动，保证腰部助力外骨骼100具有较好的运动稳定性。

端盖324的数量为两个，两个端盖324分别固定连接于活塞缸321的两端，当活塞轴322带动活塞件323及第一弹性件31在活塞缸321内移动时，两个端盖324能够分别与第一弹性件31及活塞件323相抵，从而限制活塞轴322相对活塞缸321的滑动距离，防止活塞轴322脱离活塞缸321而导致的阻尼组件32被破坏，有利于保证腰部助力外骨骼100正常工作。

阻尼组件32还包括驱动件325及变阻尼体，驱动件325与变阻尼体相连接，驱动件325及变阻尼体用于为阻尼组件32提供阻尼力。具体地，变阻尼体填充至活塞缸321内，驱动件325能够使得变阻尼体在牛顿流体特性与宾汉体特性之间转换，即变阻尼体的粘度发生改变，变阻尼体通过粘度的改变能够向活塞件323提供阻尼力，活塞件323移动受阻使得活塞件323向肩带11提供阻力，同时能够使得第一弹性件31向初始状态回复受到阻碍，从而第一弹性件31在释放弹性势能时能够缓慢逐渐释放，进而阻尼力与第一弹性件31施加于活塞件323的弹性回复力能够配合向用户提供助动力，并使得助动力实现可调，避免助动力立刻全部释放带来的僵硬感与不适，提升用户使用时的舒适度，同时能够达到更好的助力效果。

活塞件323的外壁与活塞缸321的内壁之间具有间隙，间隙中填充有变阻尼体，从而保证变阻尼体能够稳定地为活塞件323提供阻尼力，保证腰部助力外骨骼100正常工作。在本实施方式中，变阻尼体大致充满活塞缸321内部；可以理解，在其他实施方式中，变阻尼体也可填充活塞缸321内部的部分，只要能够达到上效果即可。

在本实施方式中，变阻尼体为磁流变液，驱动件325为电磁线圈，电磁线圈嵌入活塞件323中，从而电磁线圈能够改变活塞件323周围的磁场，使得活塞件323周围的磁流变液能够提供相应的阻尼力，具体地，电磁线圈产生的磁场强度越强，磁流变液的粘度越高，即磁流变液所形成的阻力越大。

可以理解，在另一实施方式中，变阻尼体也可设置为电流变液，驱动件325可设置为电源，驱动件325通过改变覆盖电流变液的电场的大小，同样能够改变电流变液的粘度，进而改变电流变液向活塞件323提供的阻尼力的大小；具体地，电流变液周围的电场强度越强，电流变液的粘度越高，即电流变液所形成的阻力越大，同样能够达到上述的效果。

阻尼组件32还包括密封件326，端盖324上开设有安装槽，密封件326设置于安装槽内，密封件326能够对活塞缸321进行密封，防止活塞缸321内的变阻尼体泄露，保证阻尼组件32能够正常工作。

密封件326的数量为两个，两个密封圈分别安装于两个不同的端盖324中，从而进一步加强对活塞缸321的密封。在本实施方式中，密封件326为密封圈，密封圈接触变阻尼体部分不易溶胀及热收缩，从而能够实现较好的密封效果，同时密封件326安装空间较小，密封圈易加工成型，能够保持精密的尺寸，有利于精准安装及密封；可以理解，在其他实施方式中，密封件326也可为其他密封结构，只要能够达到上述的密封效果即可。

阻尼组件32还包括止挡件327，止挡件327围设活塞轴322并与端盖324相连接，止挡件327用于止挡密封圈，防止密封圈脱离而导致的阻尼组件32被破坏，有利于腰部助力外骨骼100正常使用。同样止挡件327的数量为两个，两个止挡件327分别与两个端盖324相连接，进而分别止挡不同的密封圈。在本实施方式中，止挡件327与端盖324之间通过螺纹紧固件固定连接；可以理解，在其他实施方式中，止挡件327与端盖324之间也可通过卡接等其他方式固定。

腿部组件40包括腿环41，腿环41套设于用户的腿部，并与腰带21相连接，进而实现腿部肌群与腰部肌群之间动作传动，确保用户在弯腰或起身的过程中，腿部肌群能够分担腰部肌群的负荷，有利于进一步防止用户发生劳损，保证用户健康工作。

腿环41具有一定弹性，从而确保腿环41能够适应不同用户的腿部，扩大腰部助力外骨骼100的使用范围。在本实施方式中，腿环41的数量为两个，两个腿环41分别套设用户的两条腿，从而保证腿部能够更好地分担腰部的受力；可以理解，在其他实施方式中，根据不同工况，腿环41的数量也可为一个，只要能够满足相应工况下，腿部分担腰部的受力即可。

腰带21与腿环41之间还设有第二弹性件50，第二弹性件50的两端分别连接腰带21和腿环41，第二弹性件50能够更好地传动腰部与腿部之间的力，使得腿部能够更好地分担腰部负荷，进一步减小劳损的可能。在本实施方式中，第二弹性件50为弹性带，弹性带具有取材方便，且弹性性能出众等优点；可以理解，在其他实施方式中，第二弹性件50也可采用橡胶材质制成的其他类型的弹性件。

腰部助力外骨骼100还包括控制组件，控制组件包括检测单元和控制单元，检测单元与控制单元相连接，同时，控制单元连接于驱动件325，检测单元能够检测人体姿态，控制单元能够根据检测单元的检测结果控制驱动件325调整变阻尼体的阻尼力，进而调整第一弹性件31提供的助动力大小，提升助力效果。

在本实施方式中，检测单元为柔性角度传感器，柔性角度传感器设置于人体躯干，能够检测人体弯腰时的角度；可以理解，在其他实施方式中，检测单元也可设置为惯性传感器或位移传感器等其他检测单元，只要能够达到检测用户弯腰角度即可。

值得说明的是，控制单元中预先设有相应的人体运动学模型，具体地，人体运动学模型是一种关节角度-阻尼力大小的数学模型，该模型包含了关节角度(即用户弯腰程度)与输出阻尼力之间的关系，控制单元能够根据检测单元反应的弯腰角度信息确定输出的阻尼力大小，从而实现不同弯腰角度输出不同大小的阻尼力，使得腰部助力外骨骼100提供的助动力时机及助动力尺度实现可调。

进一步地，控制单元中可包含多种人体运动学模型，多种人体运动学模型可适配多种搬运场景，例如，多种人体运动学模型可分别适用于仓储、物流、酒店及机场等搬运场景，不同搬运场景下关节角度(即用户弯腰程度)与输出阻尼力之间的关系会有一定调整，从而提高该场景下的助力效果；同时，针对用户自上而下地进行搬运作业(放下重物)、自下而上地进行搬运作业(抬起重物)也可设置不同的人体运动学模型，在不同模型下，即使弯腰角度相同，由于搬运作业的不同，输出阻尼力也可相应地进行改变，进一步精细调整助动力的提供，提升腰部助力外骨骼100的助力效果。

控制单元能够根据角度传感器检测的角度确定调控参数，进而确定阻尼组件32的阻尼力大小，从而实现相应的阻尼力的调节。

请一并参阅图3，图3为用户穿戴图1所示腰部助力外骨骼100的示意图。腰部助力外骨骼100的工作过程大致如下：

请一并参阅图4，图4为用户穿戴图1所示腰部助力装100自上而下搬运过程图。用户穿戴腰部助力外骨骼100自上而下地进行搬运作业(放下重物)：

用户弯腰过程中(放下重物)，阻尼组件32进行工作，具体地，自上而下搬运属于弯腰过程，检测单元实时检测用户弯腰过程中的角度，控制单元根据检测单元检测的角度值及预设的人体运动学模型控制驱动件325，使得驱动件325能够驱动变阻尼体提供合适的助力时机以及助力尺度，用户通过肩带11带动活塞轴322相对活塞缸321滑动，进而活塞轴322带动活塞件323沿活塞缸321滑动，活塞件323使得第一弹性件31发生弹性形变，相反第一弹性件31同样对活塞件323施加弹性回复力，且在此过程中，驱动件能够驱动变阻尼体对活塞件323施加可变的阻尼力，阻尼力与弹性回复力的方向相同，由于活塞件323固定连接活塞轴322，肩带11带动活塞轴滑动，从而阻尼力和第一弹性件31施加于活塞件323的弹性回复力配合向用户提供助动力，此助动力能够通过用户肩部肌群抵消部分搬运重量，从而使得用户能够更加省力地进行搬运作业，同时由于阻尼力的大小可变，即反馈至肩部组件10的助动力可调，进一步地，肩部组件10通过阻尼组件32与腰部组件20进行力的传导，腿部组件40通过第二弹性件50能够与腰部组件20进行力的传导，由此肩部肌群、腿部肌群及腰部肌群能够共同承担搬运重量，避免腰部肌群受力集中，减小用户腰部肌群的受力，从而达到保护用户健康的目的；

用户在起身过程中(重物已放下)，阻尼组件32进行工作，具体地，用户弯腰时第一弹性件31储存弹性势能，在用户起身时弹性势能能够被释放以协助用户起身，此过程阻尼组件32继续工作，检测单元检测用户起身角度，控制单元根据检测单元检测的角度值控制驱动件325，驱动件325能够依据控制单元调整变阻尼体的阻尼力大小，且阻尼力与第一弹性件31作用于活塞件323的弹性回复力的方向相反，并且阻尼力小于弹性回复力，进而第一弹性件31释放弹性势能得到阻碍，即第一弹性件31能够逐渐释放弹性势能，第一弹性件31推动活塞件323，活塞件323通过活塞轴322拉动肩带11，从而为用户起身提供较为舒适的助力。

请一并参阅图5，图5为用户穿戴图1所示腰部助力装100自下而上搬运过程图。用户穿戴腰部助力外骨骼100自下而上地进行搬运作业(抬起重物)：

用户弯腰过程中，驱动件325不进行工作，具体地，自上而下搬运属于弯腰过程，用户通过肩带11带动活塞轴322相对活塞缸321滑动，由于驱动件325不工作，进而变阻尼体不会阻碍活塞件323滑动，进而活塞轴322能够顺畅带动活塞件323沿活塞缸321滑动，活塞件323使得第一弹性件31发生弹性形变以储存弹性势能，同时腿部组件40及腰部组件20使得第二弹性件50发生弹性形变，检测单元检测用户弯腰角度，当检测单元检测用户处于最低弯腰幅度时，控制单元依据检测单元的检测角度控制驱动件325调整变阻尼体的阻尼力大小，并使得阻尼力不小于所述第一弹性件31施加于所述阻尼组件32的弹性回复力，即在阻尼力的作用下，活塞件323被锁住，第一弹性件31的弹性势能被锁住，在此状态下，用户不承受多余的外力，进而便于用户在起身搬运前调整搬运姿势；

用户在起身过程中(抬起重物)，驱动件325进行工作，具体地，检测单元检测用户的起身角度，控制单元根据检测单元的检测角度控制驱动件325调整变阻尼体的阻尼力大小，使得阻尼力小于第一弹性件31施加于所述阻尼组件32的弹性回复力，即第一弹性件31的弹性势能逐渐被释放，第一弹性件31抵压活塞件323，活塞件323通过活塞轴322向与肩带11进行力的传导，从而减轻用户肩部肌群的负荷，同时第二弹性件50的弹性势能逐渐被释放，肩部肌群、腿部肌群及腰部肌群能够共同承担搬运重量，用户能够更加省力地进行搬运作业的同时，腰部肌群的受力减小，从而有利于用户健康工作。

本发明提供的腰部助力外骨骼，其助力机构连接肩部组件及腰部组件，在弯腰过程中，助力机构中的第一弹性件产生弹性形变、储存弹性势能，并在弯腰后的起身过程中，第一弹性件的弹性势能得到释放并向用户提供助动力，能够减少用户腰部受力，有利于用户健康工作；同时在搬运过程中，驱动件能够驱动变阻尼体向活塞件施加可调的阻尼力，进而阻尼力与第一弹性件施加于活塞件的弹性回复力能够配合向用户提供助动力，当用户处于不同弯腰程度时，腰部助力外骨骼通过阻尼力大小的调控可提供相应合适的助动力，避免因助动力恒定而导致的助力尺度不可控，有利于达到更好的助力效果，同时消除因助动力恒定可能带给用户的僵硬感与不适，提升用户搬运操作的舒适度。

请一并参阅图6，图6为本发明腰部助力外骨骼的控制方法一实施例的流程示意图。本发明还提供一种腰部助力外骨骼的控制方法，该控制方法基于上述实施例阐述的腰部助力外骨骼；活塞轴穿设于活塞缸，活塞件设于活塞缸内且套设于活塞轴处于活塞缸内的部分，第一弹性件分别连接活塞件和活塞缸，活塞轴连接于肩部组件，活塞缸连接于腰部组件；活塞缸内填充有变阻尼体，阻尼组件还包括驱动件，驱动件驱使变阻尼体向活塞件施加可调的阻尼力。

腰部助力外骨骼的控制方法包括：

S101：判断当前的助力模式是第一模式还是第二模式；

在本实施例中，若判定当前的助力模式是第一模式，则执行步骤S102；若判定当前的助力模式是第二模式，则执行步骤S104；

在本实施方式中，腰部助力外骨骼可以设有开关件，用户可通过搬掷开关件选取不同的助力模式；具体地第一模式为自下而上搬运物体的模式，第二模式为自上而下搬运物体的模式。

在替代实施方式中，腰部助力外骨骼也可通过感测元件自行确定模式，只要能够判定并选取相应助力模式即可。

S102：在用户弯腰的过程中，驱动件控制变阻尼体不向活塞件施加阻尼力，活塞件向第一弹性件施加形变力，检测用户的弯腰角度是否达到最大弯腰角度，以在达到最大弯腰角度时控制变阻尼体向活塞件施加阻尼力，且阻尼力不小于第一弹性件的弹性回复力；

在本实施方式中，当判定当前的助力模式是第一模式时，用户需要先弯腰抱持所需搬运的物体，而后保持抱持物体的状态起身。其中，在用户弯腰的过程中，驱动件未工作，即变阻尼体不会阻碍活塞件运动，但在此过程中，腰部助力外骨骼实时检测用户的弯腰角度，以在达到最大弯腰角度时控制阻尼组件向活塞件施加阻尼力，且阻尼力不小于第一弹性件施加于活塞件的弹性回复力，进而使得活塞件能够锁止第一弹性件。

阻尼组件可直接连接第一弹性件或间接连接第一弹性件，只要阻尼组件能够向第一弹性件施加阻尼力即可；其中，在最大弯腰角度时阻尼力不小于第一弹性件的弹性回复力，能够便于用户在起身搬运前调整搬运姿势，使得用户能够以较为舒适的姿势进行搬运作业。

S103：在用户弯腰起身的过程中，根据用户的弯腰角度，驱动件调节变阻尼体向活塞件施加的阻尼力大小，使得第一弹性件逐渐释放弹性势能；

在用户弯腰起身的过程中，用户需抱持重物起身，变阻尼体向活塞件施加阻尼力，且阻尼力的大小小于第一弹性件施加于活塞件上的弹性回复力，从而第一弹性件逐渐释放弹性势能，第一弹性件以此能够协助用户起身，进而通过合适的助力时机提供合适大小的助动力，达到良好的助力效果。

阻尼力的大小可根据人体运动学模型进行调节，人体运行学模型反映为关节角度与阻尼力大小之间的关系，用户处于不同的弯腰角度，对应反映为不同大小的阻尼力，进而实现第一弹性件助动力可调，具体地在合适的助力时机提供合适大小的助动力。

S104：在用户弯腰的过程中，驱动件控制变阻尼体向活塞件施加阻尼力，活塞件向第一弹性件施加形变力，检测用户的弯腰角度，驱动件调节变阻尼体向活塞件施加阻尼力大小，并使得第一弹性件逐渐发生弹性形变；

在本实施方式中，当判定当前的助力模式是第二模式时，用户先抱持搬运的物体弯腰，而放下物体后再起身。其中，在用户弯腰的过程中，驱动件工作，驱动件通过变阻尼体向活塞件施加阻尼力，同时在此过程中，活塞件运动并带动第一弹性件发生弹性形变，腰部助力外骨骼实时检测用户的弯腰角度，依据人体运动学模型，驱动件调整变阻尼体对活塞件施加阻尼力的大小，进而实现助动力可调，具体地在合适的助力时机提供合适大小的助动力。

值得说明的是，此人体运动学模型可与步骤S103中的人体运动学模型不同，进而实现助动力在不同搬运模式下的细微调整，提高助力效果。

S105：在用户弯腰起身的过程中，根据用户的弯腰角度，驱动件调节变阻尼体向活塞件施加的阻尼力大小，使得第一弹性件逐渐释放弹性势能；

在用户弯腰起身的过程中，用户已卸载重物，驱动件控制变阻尼体向活塞件施加阻尼力，阻尼力小于第一弹性件施加于活塞件的弹性回复力，从而第一弹性件逐渐释放弹性势能，第一弹性件以此能够协助用户起身，进而通过合适的助力时机提供合适大小的助动力，达到良好的助力效果。

阻尼力的大小同样可根据人体运动学模型进行调节，人体运行学模型反映为关节角度与阻尼力大小之间的关系，用户处于不同的弯腰角度，对应反映为不同大小的阻尼力，第一弹性件能够逐渐释放弹性势能，进而实现助动力可调；需要说明的是，此人体运动学模型可与步骤S103及步骤S104中的人体运动学模型不同，进而实现助动力在不同搬运模式下的细微调整，提高助力效果。

本发明提供的腰部助力外骨骼的控制方法，驱动件能够调控变阻尼体对活塞件施加的阻尼力大小，使得阻尼力与第一弹性件作用于活塞件上的弹性回复力配合向用户提供可调的助动力，克服了传动腰部助力外骨骼助力效果不佳的弊端。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种腰部助力外骨骼，其特征在于，包括：肩部组件、腰部组件及助力机构，其中所述肩部组件用以穿戴于用户的肩部，所述腰部组件用以穿戴于用户的腰部；

所述助力机构包括第一弹性件和阻尼组件，所述阻尼组件包括活塞缸、活塞件以及活塞轴，所述活塞轴穿设于所述活塞缸，所述活塞件设于所述活塞缸内且套设于所述活塞轴处于所述活塞缸内的部分，所述第一弹性件分别连接所述活塞件和所述活塞缸，所述活塞轴连接于所述肩部组件，所述活塞缸连接于所述腰部组件，其中随用户弯腰的动作使得所述活塞件带动所述第一弹性件产生弹性形变，而随用户弯腰后起身的动作使得所述第一弹性件向初始状态回复；

所述活塞缸内填充有变阻尼体，所述阻尼组件还包括驱动件，用于驱使所述变阻尼体向所述活塞件施加可调的阻尼力，以通过所述阻尼力和所述第一弹性件施加于所述活塞件的弹性回复力配合向用户提供助动力；

所述腰部助力外骨骼还包括控制组件，所述控制组件连接所述驱动件；

用户自下而上搬运物体，则在用户弯腰的过程中，所述控制组件使得所述变阻尼体不向所述活塞件施加所述阻尼力，而在用户弯腰后起身的过程中，所述控制组件用于控制所述变阻尼体向所述活塞件施加与所述弹性回复力反向且小于所述弹性回复力的所述阻尼力；或，

用户自上而下搬运物体，则在用户弯腰的过程中，所述控制组件用于控制所述变阻尼体向所述活塞件施加与所述弹性回复力同向的所述阻尼力，而在用户弯腰后起身的过程中，所述控制组件用于控制所述变阻尼体向所述活塞件施加与所述弹性回复力反向且小于所述弹性回复力的所述阻尼力；

当用户弯腰至预定幅度时，所述阻尼力被设置为不小于所述弹性回复力且与所述弹性回复力的方向相反。

2.根据权利要求1所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，

所述助动力为所述变阻尼体施加于所述活塞件的所述阻尼力与所述第一弹性件施加于所述活塞件的所述弹性回复力的合力；

在用户弯腰的过程中，所述阻尼力与所述弹性回复力的方向相同。

3.根据权利要求2所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述控制组件包括控制单元及连接于所述控制单元的检测单元，所述控制单元连接于所述驱动件，所述检测单元用于检测人体姿态，进而通过所述控制单元控制所述驱动件以调节所述变阻尼体向所述活塞件施加的所述阻尼力的大小。

4.根据权利要求1至3任一项所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，

所述第一弹性件为弹簧；

所述第一弹性件套设于所述活塞件靠近所述肩部组件一侧的所述活塞轴上，以在用户弯腰的过程中所述活塞件压缩所述第一弹性件而使得所述第一弹性件产生弹性形变；或

所述第一弹性件套设于所述活塞件靠近所述腰部组件一侧的所述活塞轴上，以在用户弯腰的过程中所述活塞件拉伸所述第一弹性件而使得所述第一弹性件产生弹性形变。

5.根据权利要求1至3任一项所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，

所述变阻尼体为磁流变液，则所述驱动件为电磁线圈，所述变阻尼体用于在所述驱动件提供的磁场作用下向所述活塞件施加所述阻尼力；或，

所述变阻尼体为电流变液，所述变阻尼体用于在所述驱动件提供的电场作用下向所述活塞件施加所述阻尼力。

6.根据权利要求1至3任一项所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述活塞缸的内壁与所述活塞件的外壁之间具有间隙，所述间隙中填充有所述变阻尼体。

7.根据权利要求1至3任一项所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述腰部助力外骨骼还包括腿部组件及第二弹性件，所述第二弹性件连接所述腰部组件及所述腿部组件。

8.根据权利要求1至3任一项所述的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述肩部组件上设有转接件，所述活塞轴通过铰接所述转接件进而与所述肩部组件连接。

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