CN112659102A - 一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，仿生椎骨通过上接触面和下接触面啮合、滑动销在滑槽内滑动及同步线同步实现仿生椎骨的转动；本案装置在弯曲时，滑动销在滑槽内滑动，上接触面和下接触面相啮合，同时两条同步线限制整个装置水平方向的自由度，能够保证滑动销在滑槽内滑动时不发生打滑及卡阻现象发生。本案能够补偿因人体脊椎位移而产生距离，从而实现弯曲时贴合人体；连接片间通过同步线连接，能够保证连接片间同步转动，使膝关节在转动时顺畅，在承受较大力矩时避免打滑现象，可承受较大的正向冲击，并具有限位保护功能；本发明可实现侧向弯曲，以提高舒适性，并具有良好的可获得性。

Description

一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构
技术领域
本发明涉及一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，属于仿生脊椎结构。
背景技术
外骨骼原来指生物学中保护生物内部柔软器官的一种坚硬外部结构，而现在外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学与人机工效学的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的能力。由于外骨骼机器人涉及人机工效学，这就要求其有较强适应性，不仅要适用不同体型穿戴者，同时也要对人体关节进行危险防护，防止穿戴过程中造成人体损伤。
现有技术的外骨骼机器人很多背部为平直结构，依赖髋关节配合人体背部弯曲，造成穿戴舒适感差，活动时背部结构与人体分离，影响实际使用效果；同时现有仿生脊椎结构多为简单的多铰链串联机构，仅提供弯曲自由度，并且因人体脊椎弯曲时脊椎间接触面不断向弯曲方向滑移，使得脊椎弯曲时带水平方向移动，从而使背部结构与人体分离，进而影响穿戴及使用效果；同时很多仿生脊椎在弯曲时，因关节角度变化，使驱动力角度断变化，导致外骨骼关节力矩改变，进而产生能量损失。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，具有弯曲及侧向弯曲两个自由度，在弯腰时与人体保持贴合，并使脊椎在弯曲时扭矩稳定，能传递较大扭矩，能够在一定范围内补偿因弯曲产生的能量损失。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，包括由上至下顺次连接的仿生椎骨，最上面的仿生椎骨称为顶部连接块，最下面的仿生椎骨称为底部连接块，位于顶部连接块和底部连接块之间的仿生椎骨称为中间连接块，将邻接的两个仿生椎骨中位于上方的称为上连接块、位于下方的称为下连接块；
在上连接块上设置有上接触面，在下连接块上设置有下接触面，上接触面和下接触面啮合传动；在上连接块上设置有滑槽，在连接块上设置有滑动销孔，通过滑动销连接上连接块上的滑槽和下连接块上的滑动销孔；
在上连接块后侧面左侧设置有从中部贯通到后底边的左下同步线槽，在下连接块上侧面左侧设置有从中部贯通到后顶边的左上同步线槽，左下同步线槽和左上同步线槽在同一个竖直平面内，左侧同步线设置在左下同步线槽和左上同步线槽内，一端通过螺钉固定在左下同步线槽，另一端通过螺钉固定在左上同步线槽；
在上连接块下侧面右侧设置有从中部贯通到后底边的右下同步线槽，在下连接块后侧面右侧设置有从中部贯通到后顶边的右上同步线槽，右上同步线槽和右下同步线槽在同一个竖直平面内，右侧同步线设置在右上同步线槽和右下同步线槽内，一端通过螺钉固定在右上同步线槽，另一端通过螺钉固定在右下同步线槽。
具体的，每个仿生椎骨上均设置有一个丝绳滑轮，每个丝绳滑轮上绕经一根丝绳，丝绳的一端与顶部连接块固定，另一端绕经对应的丝绳滑轮后与驱动机构连接。
具体的，底部连接块的下方设置有腰部横杆，底部连接块上设置有卡榫腔，腰部横杆上设置有卡榫，卡榫的两侧形成限位面，卡榫插入卡榫腔内，通过旋转轴连接卡榫和卡榫腔。
本案中的仿生椎骨通过上接触面和下接触面啮合、滑动销在滑槽内滑动及同步线同步实现仿生椎骨的转动；各仿生椎骨的转动稳定，并能够在承受较大力矩时避免打滑现象的发生。本案装置在弯曲时，滑动销在滑槽内滑动，上接触面和下接触面相啮合，同时两条同步线限制整个装置水平方向的自由度，能够保证滑动销在滑槽内滑动时不发生打滑及卡阻现象发生。穿戴本案装置后，在人体脊椎屈曲时，本案装置会随着人体弯曲，驱动机构同丝绳可以复位本案装置；驱动机构非本案的重要设计点，采用现有结构设计即可。本案中的底部连接块和腰部横杆的连接能够实现腰部以旋转轴为中心的转动，转动的范围通过限位面进行限制；同时卡榫腔的设计也起到了一定的保护作用。在使用本案装置时，可以根据用户身高和实际最大弯腰需求调节中间连接块的数量，因而具有自适应性。
有益效果：本发明提供的用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，机械脊椎在旋转时与人体脊椎同样向弯曲方向产生水平位移，能够补偿因人体脊椎位移而产生距离，从而实现弯曲时贴合人体；连接片间通过同步线连接，能够保证连接片间同步转动，使膝关节在转动时顺畅，在承受较大力矩时避免打滑现象，可承受较大的正向冲击，并具有限位保护功能；本发明可实现侧向弯曲，以提高舒适性，并具有良好的可获得性。
附图说明
图1(a)为本发明的侧视结构示意图；
图1(b)为本发明的侧视内侧结构示意图；
图1(c)为本发明的后视结构示意图；
图2(a)为本发明的连接方式的左侧结构示意图；
图2(b)为本发明的连接方式的右侧结构示意图；
图2(c)为本发明的连接方式的立体结构示意图；
图3为本发明结构在自然状态的受力分析示意图；
图4为本发明结构在弯曲状态的受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示为一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，包括由上至下顺次连接的仿生椎骨，最上面的仿生椎骨称为顶部连接块1，最下面的仿生椎骨称为底部连接块3，位于顶部连接块1和底部连接块3之间的仿生椎骨称为中间连接块2，将邻接的两个仿生椎骨中位于上方的称为上连接块、位于下方的称为下连接块。
如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示为本案装置的连接结构示意图，在上连接块上设置有上接触面10，在下连接块上设置有下接触面11，上接触面和下接触面啮合传动；在上连接块上设置有滑槽7，在连接块上设置有滑动销孔5，通过滑动销6连接上连接块上的滑槽7和下连接块上的滑动销孔5。
在上连接块后侧面左侧设置有从中部贯通到后底边的左下同步线槽12(左下同步线槽12亦可延伸到上连接块底面)，在下连接块上侧面左侧设置有从中部贯通到后顶边的左上同步线槽14，左下同步线槽12和左上同步线槽14在同一个竖直平面内，左侧同步线设置在左下同步线槽12和左上同步线槽14内，一端通过螺钉固定在左下同步线槽12，另一端通过螺钉固定在左上同步线槽14。
在上连接块下侧面右侧设置有从中部贯通到后底边的右下同步线槽13，在下连接块后侧面右侧设置有从中部贯通到后顶边的右上同步线槽15右上(同步线槽15亦可以延伸到下连接块顶面)，右上同步线槽13和右下同步线槽15在同一个竖直平面内，右侧同步线设置在右上同步线槽13和右下同步线槽15内，一端通过螺钉固定在右上同步线槽13，另一端通过螺钉固定在右下同步线槽15。
底部连接块3的下方设置有腰部横杆4，底部连接块3上设置有卡榫腔，腰部横杆4上设置有卡榫4.2，卡榫4.2的两侧形成限位面4.1，卡榫4.2插入卡榫腔内，通过旋转轴4.3连接卡榫4.2和卡榫腔。底部连接块3和腰部横杆4通过旋转轴4.3的连接可以实现侧向弯曲，通过限位面4.1控制侧向弯曲的最大完全角度。
每个仿生椎骨上均设置有一个丝绳滑轮9，每个丝绳滑轮9上绕经一根丝绳，丝绳的一端与顶部连接块1固定，另一端绕经对应的丝绳滑轮9后与驱动机构连接。驱动机构可采用主动机构亦可采用被动机构，其形式及位置非本案重点，可采用现有技术设计。
本案机构，通过下接触面11和上接触面10啮合及滑动销6在滑槽7内滑动实现转动，同时两个同步线通过螺丝分别固定在上连接片的左下同步线槽12和下连接片左上同步线槽14内及上连接片的右下同步线槽13和下连接片右上同步线槽15内，两条同步线成X型交叉固定在上下连接片上，可保证上限连接片同步转动，此时脊椎关节水平方向自由度被限制，即脊椎关节无法向水平方向侧移，由此可保证滑动销6在滑槽7内滑动时不发生打滑及卡阻现象发生，同时在脊椎关节承受较大扭矩时避免连接片间因打滑产生的相对位移，滑槽7还具有限位功能，当脊椎关节转至极限角度时滑槽7末端卡住滑动销7。
下面结合实例对本案的受理原理进行说明。
如图3所示，本案装置处于自然状态，即相邻两个连接块间的转动角度θ为0°时，此时的有效驱动力臂长度为L0，此时的有效驱动力为F。
当机械脊椎弯曲时，因连接片同步传动，故连接块间的转动角度θ与θ2的关系为θ＝2θ2，根据图4可知：Fθ＝F×cosθ2，Fθ为转动角度θ时的有效驱动力。
同时，根据图4可以得出lθ＝L0+r×sinθ，lθ为转动角度θ时的有效驱动力臂长度，r为下接触面半径。此时的实际驱动扭矩为Tθ＝lθ×Fθ，Tθ为转动角度θ时的实际驱动扭矩。连列以上各式，可以得到
Figure BDA0002838239610000041
由此可知，当驱动力随连接块间转动角度θ增大而减小时，驱动力臂会随之增加，由此补偿因角度变化造成的驱动力减小造成的能量损失。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，其特征在于：包括由上至下顺次连接的仿生椎骨，最上面的仿生椎骨称为顶部连接块(1)，最下面的仿生椎骨称为底部连接块(3)，位于顶部连接块(1)和底部连接块(3)之间的仿生椎骨称为中间连接块(2)，将邻接的两个仿生椎骨中位于上方的称为上连接块、位于下方的称为下连接块；
在上连接块上设置有上接触面(10)，在下连接块上设置有下接触面(11)，上接触面和下接触面啮合传动；在上连接块上设置有滑槽(7)，在连接块上设置有滑动销孔(5)，通过滑动销(6)连接上连接块上的滑槽(7)和下连接块上的滑动销孔(5)；
在上连接块后侧面左侧设置有从中部贯通到后底边的左下同步线槽(12)，在下连接块上侧面左侧设置有从中部贯通到后顶边的左上同步线槽(14)，左下同步线槽(12)和左上同步线槽(14)在同一个竖直平面内，左侧同步线设置在左下同步线槽(12)和左上同步线槽(14)内，一端通过螺钉固定在左下同步线槽(12)，另一端通过螺钉固定在左上同步线槽(14)；
在上连接块下侧面右侧设置有从中部贯通到后底边的右下同步线槽(13)，在下连接块后侧面右侧设置有从中部贯通到后顶边的右上同步线槽(15)，右上同步线槽(13)和右下同步线槽(15)在同一个竖直平面内，右侧同步线设置在右上同步线槽(13)和右下同步线槽(15)内，一端通过螺钉固定在右上同步线槽(13)，另一端通过螺钉固定在右下同步线槽(15)。
2.根据权利要求1所述的用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，其特征在于：每个仿生椎骨上均设置有一个丝绳滑轮(9)，每个丝绳滑轮(9)上绕经一根丝绳，丝绳的一端与顶部连接块(1)固定，另一端绕经对应的丝绳滑轮(9)后与驱动机构连接。
3.根据权利要求1所述的用于可穿戴外骨骼的柔性脊椎结构，其特征在于：底部连接块(3)的下方设置有腰部横杆(4)，底部连接块(3)上设置有卡榫腔，腰部横杆(4)上设置有卡榫(4.2)，卡榫(4.2)的两侧形成限位面(4.1)，卡榫(4.2)插入卡榫腔内，通过旋转轴(4.3)连接卡榫(4.2)和卡榫腔。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112847310A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 一种可穿戴外骨骼的仿生脊椎结构
CN113460175A (zh) * 2021-08-25 2021-10-01 吉林大学 仿脊椎柔性节汽车尾翼
CN113635289A (zh) * 2021-08-30 2021-11-12 何衢 一种仿生骨架结构及其应用
CN115092280B (zh) * 2022-06-21 2024-03-22 中南大学 软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3932045A (en) * 1973-03-05 1976-01-13 Purdue Research Foundation Rolling contact joint
CN102294698A (zh) * 2011-08-11 2011-12-28 中国科学院自动化研究所 牵拉式仿生机器人手
JP2013176429A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Univ Of Tsukuba 多自由度補助装置
CN110193819A (zh) * 2019-06-27 2019-09-03 迈宝智能科技(苏州)有限公司 用于可穿戴外骨骼的自适应膝关节机构及装置
CN110421592A (zh) * 2019-09-03 2019-11-08 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 一种用于可穿戴外骨骼的膝关节机构

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3932045A (en) * 1973-03-05 1976-01-13 Purdue Research Foundation Rolling contact joint
CN102294698A (zh) * 2011-08-11 2011-12-28 中国科学院自动化研究所 牵拉式仿生机器人手
JP2013176429A (ja) * 2012-02-28 2013-09-09 Univ Of Tsukuba 多自由度補助装置
CN110193819A (zh) * 2019-06-27 2019-09-03 迈宝智能科技(苏州)有限公司 用于可穿戴外骨骼的自适应膝关节机构及装置
CN110421592A (zh) * 2019-09-03 2019-11-08 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 一种用于可穿戴外骨骼的膝关节机构

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112847310A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 江苏集萃微纳自动化系统与装备技术研究所有限公司 一种可穿戴外骨骼的仿生脊椎结构
CN113460175A (zh) * 2021-08-25 2021-10-01 吉林大学 仿脊椎柔性节汽车尾翼
CN113460175B (zh) * 2021-08-25 2022-05-24 吉林大学 仿脊椎柔性节汽车尾翼
CN113635289A (zh) * 2021-08-30 2021-11-12 何衢 一种仿生骨架结构及其应用
CN113635289B (zh) * 2021-08-30 2023-09-19 何衢 一种仿生骨架结构及其应用
CN115092280B (zh) * 2022-06-21 2024-03-22 中南大学 软体柔性躯干及软体柔性仿生爬壁机器人

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