CN112476416A - 主被动结合的腰部助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主被动结合的腰部助力外骨骼，包括腰部固定件及其上左右各一套支撑杆、腿部连杆和动力单元；动力单元固定于腰部固定件上，腿部连杆与动力单元固定连接位于人体大腿前侧，支撑杆位于人体前肩部或胸部，所述动力单元包括主动助力单元和被动助力单元，所述支撑杆的下端与动力单元连接且可以动力单元为旋转中心进行转动，本发明通过结构设计将主动驱动和被动驱动结合为一体，其输出力矩可根据搬运物体的重量实时调节；也可以存储人弯腰时的能量，在本发明中当输出总力矩不变的情况下，主动助力单元所需提供的扭矩可以相比于仅仅安装有主动驱动系统的腰部助力外骨骼小很多，从而可以极大的降低生产成本和产品的重量和体积，可以做到结构轻巧，便于使用。

Description

主被动结合的腰部助力外骨骼

技术领域

本发明属于腰部助力技术领域，涉及一种腰部助力外骨骼，尤其涉及一种主被动结合的腰部助力外骨骼。

背景技术

生活中我们总是需要弯腰搬东西，如果频繁弯腰搬运或者搬运的物体过重，总会造成腰部疼痛或损伤。尤其是对于需要经常搬东西的建筑工人、物流人员等，腰部疼痛似乎是不可避免的，并且极其容易患腰部劳损等很难治愈的腰部疾病，严重的甚至会卧床不起。

因此，人们急需要能够预防腰部损伤的外骨骼辅助装置。现在已经有一些腰部助力外骨骼，但多采用单一的助力方式，如：采用弹簧/阻尼器等被动储能进行被动助力，或者采用电机或气缸等装置进行主动助力。其中被动助力，往往通过存储人弯腰的能量减小起身时腰部受力，该力在弯腰后一般不可调节，每次弯腰提供的力相同，不会根据所搬物体重量调节。而主动助力，多通过电机和减速器提供动力，可以根据所搬重物提供可变化的辅助力，但是由于腰部所受力矩较大，需要的电机输出的扭矩需求较大，导致产品重量和成本增加，不适宜推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种主被动结合的腰部助力外骨骼，该外骨骼通过结构设计，将主动助力单元和被动助力单元设置于一体，不仅能同时发挥作用提供较大的力矩，而且可根据所搬重物在一定范围内通过主动单元调节所提供的辅助力，此外该装置结构轻巧、适宜穿戴。

本发明采用的技术方案如下：

一种主被动结合的腰部助力外骨骼，包括腰部固定件及其上左右各一套支撑杆、腿部连杆和动力单元；所述腰部固定件用于将整个装置固定于腰部，动力单元固定于腰部固定件上，腿部连杆与动力单元固定连接位于人体大腿前侧，支撑杆位于人体前肩部或胸部，所述动力单元包括主动助力单元和被动助力单元，所述支撑杆的下端与动力单元连接且可以动力单元为旋转中心进行转动，动力单元在人体弯腰时储能在人体起身时释放能量给腰部助力。

上述技术方案中，进一步的，所述的被动助力单元包括储能件、旋转单元、固定单元，固定单元固定于腰部固定件上，并与腿部连杆固定，所述旋转单元相对固定单元可进行旋转，支撑杆与旋转单元固定，所述储能件两端分别与旋转单元、固定单元连接；当人体弯腰时储能件随着旋转单元旋转发生形变存储能量，当人体起身时，储能件恢复释放能量给腰部助力。

更进一步的，所述的主动助力单元包括动力输出件，所述的动力输出件的输出端与所述被动助力单元的旋转单元固定。

更进一步的，所述的外骨骼上还设置有用于检测人体弯腰或起身状态变化的传感器，当检测到人体弯腰时，主动助力单元中动力输出件带动所述旋转单元顺着人体弯腰方向转动以减小阻力，当检测到人体起身时，动力输出件带动所述旋转单元顺着人体起身方向转动以提供助力。

更进一步的，所述主动助力单元中的动力输出件可以包括电机或液压驱动装置或气动装置等；

更进一步的，所述被动助力单元中的储能件主要包括弹簧、弹力带、柔性绳、阻尼器或其他通过形变储存能量的装置。

更进一步的，所述被动助力单元中的固定单元包括内板、外板、主轴和若干支撑柱；内板固定于腰部固定件，外板与内板相对设置，主轴设于内外板之间且与内板垂直固定，所述旋转单元套设于所述主轴上，从而可相对主轴转动；外板与内板之间通过若干支撑柱及螺钉固定。所述储能件的一端可与旋转单元连接，另一端可与任一支撑柱连接。

更进一步的，所述被动助力单元中的旋转单元包括旋转架、内张紧盘、外张紧盘、若干张紧柱；旋转架通过轴套套设于固定单元上并可相对固定单元转动，内张紧盘、外张紧盘分别固定于旋转架的两侧，张紧柱的两端分别与内张紧盘、外张紧盘垂直固定；支撑杆与所述旋转架固连；所述储能件的一端可与固定单元连接，另一端可与任一张紧柱连接。

进一步的，所述的支撑杆上设置有肩/胸部护套，所述的腿部连杆上设置有腿部护套，以增大接触面积。

本发明的有益效果是：

本发明的技术方案通过结构设计将主动驱动和被动驱动结合为一体，其输出力矩可根据搬运物体的重量实时调节；也可以存储人弯腰时的能量，在本发明中主动助力单元所需提供的扭矩可以相比于仅仅安装有主动驱动系统的腰部助力外骨骼小很多，从而可以极大的降低生产成本和产品的重量和体积，可以做到结构轻巧，便于使用。

附图说明

图1是本发明外骨骼的一种具体结构示意图；

图2是本发明中动力单元的一种具体结构示意图；

图3是图2中另一侧动力单元的剖面结构示意图；

图4是本发明被动助力单元中旋转单元的一种具体结构示意图。

图中：1肩/胸部护套，2支撑杆，3后侧绑带/连杆，4前侧绑带，5内板，6旋转单元，7主动助力单元，8外板，9电池，10固定块，11腿部连杆，12腿部护套，13限位柱，14传递销，15支撑柱，16主轴，17轴套，6-1旋转架，6-2内张紧盘，6-3外张紧盘，6-4张紧柱，6-5传递孔；

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的显示控制方法及系统的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

本发明的一种主被动结合的腰部助力外骨骼整体结构如图1所示，包括腰部固定件及其上左右各一套支撑杆2、腿部连杆11和动力单元；所述腰部固定件用于将整个装置固定于腰部，如图1可通过后侧绑带/连杆3和前侧绑带4固定于腰部，动力单元固定于腰部固定件上，腿部连杆11与动力单元固定连接位于人体大腿前侧，支撑杆2位于人体前肩部或胸部，所述动力单元包括主动助力单元7和被动助力单元，所述支撑杆2的下端与动力单元连接且可以动力单元为旋转中心进行转动，当人弯腰时支撑杆随着进行旋转，动力单元限制腿部连杆11使其无法转动，于是通过动力单元储存能量，当人起身时，能量释放，通过腿部护套12和肩/胸部护套1与人体接触并提供作用力，减轻腰部受力。

其中动力单元中的被动助力单元和主动助力单元两部分，由于左右两个动力单元结构相同，以下均以单侧为例说明，其一侧动力单元的侧视图和另一侧动力单元的剖视图分别如图2和图3所示。

图2、图3实例中的被动助力单元包括储能件、旋转单元6、固定单元，固定单元固定于腰部固定件上，并与腿部连杆11固定，所述旋转单元6相对固定单元可进行旋转，支撑杆2与旋转单元6固定，所述储能件两端分别与旋转单元、固定单元连接；所述储能件可以是金属弹簧、气弹簧、弹力带、柔性绳、液压阻尼等通过形变可储能的装置，当人体弯腰时储能件随着旋转单元旋转发生形变存储能量，当人体起身时，储能件恢复释放能量给腰部助力。

所述的主动助力单元包括动力输出件，所述的动力输出件的输出端与所述被动助力单元的旋转单元6固定，动力输出件可以采用电机、液压驱动装置或气动装置等；此外，在所述的外骨骼上还可以设置有用于检测人体弯腰或起身状态变化的传感器，，例如在旋转单元6和内板5或外板8之间安装角度传感器，或者在1肩/胸部护套或2支撑杆或6旋转单元上安装惯性元件(陀螺仪和加速度计)，通过角度传感器或者惯性元件可以测得外骨骼支撑杆的角度以及角加速度，而该部分与人体接触，即可获得人体是处在起身还是弯腰状态。当检测到人体弯腰时，主动助力单元中动力输出件带动所述旋转单元顺着人体弯腰方向转动以减小阻力，当检测到人体起身时，动力输出件带动所述旋转单元顺着人体起身方向转动以提供助力。这样通过主、被动助力单元共同发挥作用，可以极大的提高力矩，并可有效调节助力大小。

在本实例中，以柔性绳为储能件、以电机为动力输出件为例对本发明技术方案做进一步详细说明：

如图3和图4所示，被动助力单元中的固定单元包括内板5、外板8、主轴16和若干支撑柱15；主轴16两端分别固定在内板5和外板8上，主轴16安装有轴套17，旋转单元6包括旋转架6-1、内张紧盘6-2、外张紧盘6-3、若干张紧柱6-4，旋转架6-1与主轴16铰接(中间有轴套17以减小摩擦)，且旋转架6-1与内张紧盘6-2和外张紧盘6-3和支撑杆2固定连接，内张紧盘6-2和外张紧盘6-3外缘之间均布有多个张紧柱6-4，在内板5和外板8之间固定多个支撑柱15，支撑柱15和张紧柱6-4之间连接有柔性绳(图中未画图)，在旋转单元6上开设有传递孔6-5，主动助力单元7通过螺钉(图中未画图)固定在外板8上，并通过电机输出轴上的传递销14与旋转单元6上的传递孔6-5配合固定，这样，旋转单元6会随着电机的转动而转动，进而主动为支撑杆2提供输出力。

当人弯腰时，通过肩/胸部护套1带动支撑杆2转动，进而旋转单元6带动内张紧盘6-2和外张紧盘6-3绕主轴16转动，随着旋转单元与固定单元的相对转动，支撑柱15和张紧柱6-4之间连接的柔性绳被拉伸储能，由于内板5和外板8通过腿部连杆11和腿部护套12与人体大腿前侧接触，不会随柔性绳牵引转动，因此，弯腰后人体躯干会受到外骨骼存储在柔性绳内的恢复作用力，以减轻腰部受力，同时主动助力单元也可以主动提供腰部助力。

此外，在被动助力外骨骼上还可设置有限位柱13用于限制所述旋转单元相对固定单元的旋转角度。

本发明的外骨骼的输出力矩可根据搬运物体的重量实时调节；可以存储人弯腰时的能量，因此其中主动助力单元所需提供的扭矩可以相比于仅仅安装主动驱动系统的腰部助力外骨骼小很多，从而可以极大的降低生产成本和产品的重量和体积，做到结构轻巧，方便使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，包括腰部固定件及其上左右各一套支撑杆、腿部连杆和动力单元；所述腰部固定件用于将整个装置固定于腰部，动力单元固定于腰部固定件上，腿部连杆与动力单元固定连接位于人体大腿前侧，支撑杆位于人体前肩部或胸部，所述动力单元包括主动助力单元和被动助力单元，所述支撑杆的下端与动力单元连接且可以动力单元为旋转中心进行转动，动力单元在人体弯腰时储能在人体起身时释放能量给腰部助力。

2.根据权利要求1所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述的被动助力单元包括储能件、旋转单元、固定单元，固定单元固定于腰部固定件上，并与腿部连杆固定，所述旋转单元相对固定单元可进行旋转，支撑杆与旋转单元固定，所述储能件两端分别与旋转单元、固定单元连接；当人体弯腰时储能件随着旋转单元旋转发生形变存储能量，当人体起身时，储能件恢复释放能量给腰部助力。

3.根据权利要求2所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述的主动助力单元包括动力输出件，所述的动力输出件的输出端与所述被动助力单元的旋转单元固定。

4.根据权利要求3所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述的外骨骼上还设置有用于检测人体弯腰或起身状态变化的传感器，当检测到人体弯腰时，主动助力单元中动力输出件带动所述旋转单元顺着人体弯腰方向转动以减小阻力，当检测到人体起身时，动力输出件带动所述旋转单元顺着人体起身方向转动以提供助力。

5.根据权利要求3所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述主动助力单元中的动力输出件包括电机或液压驱动装置或气动装置。

6.根据权利要求2所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述被动助力单元中的储能件包括弹簧、弹力带、柔性绳、阻尼器或其他通过形变储存能量的装置。

7.根据权利要求2所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述被动助力单元中的固定单元包括内板、外板、主轴和若干支撑柱；内板固定于腰部固定件，外板与内板相对设置，主轴设于内外板之间且与内板垂直固定，所述旋转单元套设于所述主轴上，从而可相对主轴转动；外板与内板之间通过若干支撑柱及螺钉固定，所述储能件的一端,与旋转单元连接，另一端与任一支撑柱连接。

8.根据权利要求2所述的主被动结合的腰部助力外骨骼，其特征在于，所述被动助力单元中的旋转单元包括旋转架、内张紧盘、外张紧盘、若干张紧柱；旋转架通过轴套套设于固定单元上并可相对固定单元转动，内张紧盘、外张紧盘分别固定于旋转架的两侧，张紧柱的两端分别与内张紧盘、外张紧盘垂直固定；支撑杆与所述旋转架固连；所述储能件的一端与固定单元连接，另一端与任一张紧柱连接。

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