CN112873178B - 一种搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外骨骼设备技术领域，且公开了一种搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统，包括腰部支撑臂、上支撑臂和下连接臂，所述上支撑臂通过胸部固定带与胸部固定，所述下连接臂通过腿带与大腿固定，所述腰部支撑臂通过风动马达与上支撑臂活动连接。该搬运助力用腰部外骨骼，一方面，在风动马达的作用下，实现较大的转动比，通过霍尔传感器检测转速较快的行星齿，进而提高检测的灵敏度，对应人体较小的动作即可触发助力，在实际使用时，相对于相应技术根据肌肉变化状态触发助力的启动，其次，当行星变速器行星齿维持一段时间的静止状态时即可触发风动马达叶片的锁死状态，因此，在维持弯腰动作时，风动马达的限制转动可对弯腰提供一定的支撑力。

Description

一种搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统

技术领域

本发明涉及外骨骼设备技术领域，具体为一种搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统。

背景技术

机械外骨骼常见于科幻影片，它帮助人们搬运和携带较大的负重，现实中也出现了较为简单的机械外骨骼，它虽然没有影片中的强大，但也为人们的日常生活提供较多的帮助。

腰部外骨骼为较为常见且投入实用的外骨骼设备，通过扭力电机或压缩气源帮助腰部直立，辅助人们弯腰搬起较重的货物，其工作过程为感应装置感应到使用者腰腹的运动趋势，驱动电机转动，辅助核心肌肉使腰腹直立，其控制过程需要先感应到趋势，才能启动助力，助力过程中有一定的滞后，因此使用者在初始仍需要使用较大的力，整个过程施力不均衡，搬运较重的物体时仍然可能较累。

但是，实际工作中，并不是只有弯腰和直立两个动作，很多时候需要长时间的维持弯腰状态，而现有的装置控制过程中需要感应运动趋势，在维持固定动作时提供的助力有限。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统的技术方案，具有反应灵敏并且可辅助维持动作等优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种搬运助力用腰部外骨骼，包括腰部支撑臂、上支撑臂和下连接臂，所述上支撑臂通过胸部固定带与胸部固定，所述下连接臂通过腿带与大腿固定，所述腰部支撑臂通过风动马达与上支撑臂活动连接，所述风动马达为叶片式风动马达，所述风动马达连通有带有空压机的气罐，所述风动马达通过行星变速器与输出轴传动连接，所述风动马达的传动轴与行星变速器的太阳轮固定连接，所述输出轴与行星变速器的外齿轮固定连接，所述行星变速器的行星齿架与风动马达的外壳连接，至少一个所述行星变速器的行星齿上安装有霍尔传感器，所述霍尔传感器与控制器连接，所述霍尔传感器输出行星齿的连续转动时长到控制器，所述风动马达的叶片固定连接有伸缩杆，所述伸缩杆均与锁死件连通，所述锁死件截断液压油的通路使伸缩杆保持为不可压缩状态，所述风动马达上设有触发件，所述触发件驱动锁死件锁死油路。

优选的，所述风动马达通过滑槽与行星变速器的行星齿架活动连接，所述滑槽对应弯腰转动方向的一侧设有压力传感器，所述行星变速器安装有霍尔传感器的行星齿和风动马达以及输出轴的传动比大于1。

优选的，所述锁死件包括内缸体，所述内缸体设有与伸缩杆对应的油管，所述内缸体上部设有移动塞，所述移动塞的中部设有从动磁石，所述触发件为磁力设备。

优选的，所述触发件包括与风动马达固定连接的上油缸，所述上油缸内活动连接有柱塞，所述柱塞连接有驱动磁石，所述上油缸的底部通过两位三通阀分别与气源和大气连通。

优选的，所述油管突出于内缸体的底部，所述移动塞上设有溢流孔。

一种的搬运助力用腰部外骨骼的控制系统，包括控制器：

所述控制器根据霍尔传感器的电流变化规律确定是否连通气源；

所述控制器与触发件的两位三通阀连接，所述霍尔传感器的电流停止发生变化时，控制器控制触发件上的两位三通阀连通气源，使锁死件锁闭油路；

所述霍尔传感器的电流连续变化时，控制器控制触发件上两位三通阀连通大气，使油路打开；

所述行星变速器上压力传感器大于预设值后，控制器控制触发件上两位三通阀连通大气，使油路打开；

所述风动马达的进气端设有溢流阀，且所述控制器可改变溢流阀开度，具体开度可根据负重等级自行选择，也可根据蹲下瞬间，霍尔传感器上压力传感器的压力值确定开度。

本发明具备以下有益效果：

1、该搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统，一方面，在风动马达的作用下，实现较大的转动比，通过霍尔传感器检测转速较快的行星齿，进而提高检测的灵敏度，对应人体较小的动作即可触发助力，在实际使用时，相对于相应技术根据肌肉变化状态触发助力的启动，其控制更加简单、可靠。

2、该搬运助力用腰部外骨骼及其控制系统，当行星变速器行星齿维持一段时间的静止状态时即可触发风动马达叶片的锁死状态，因此，在维持弯腰动作时，风动马达的限制转动可对弯腰提供一定的支撑力，并且后续执行较大的动作时即可自动解除，也较为方便。

附图说明

图1为本发明中驱动结构的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中风动马达结构示意图；

图4为本发明中行星齿架的连接结构示意图；

图5为本发明结构中锁死件和触发件的示意图。

图中：1、腰部支撑臂；2、上支撑臂；3、下连接臂；4、腿带；5、胸部固定带；6、气罐；7、风动马达；8、行星变速器；9、输出轴；10、锁死件；101、内缸体；102、油管；103、移动塞；104、从动磁石；11、触发件；111、上油缸；112、柱塞；113、驱动磁石；12、霍尔传感器；13、伸缩杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-3，一种搬运助力用腰部外骨骼，包括腰部支撑臂1、上支撑臂2和下连接臂3，腰部支撑臂1与腰部固定，上支撑臂2通过胸部固定带5与胸部固定，下连接臂3通过腿带4与大腿固定，腰部支撑臂1通过风动马达7与上支撑臂2活动连接，下连接臂3与上支撑臂2活动连接，风动马达7为叶片式风动马达，风动马达7连通有带有空压机的气罐6，气罐6为风动马达7的转动提供高压气源，风动马达7通过行星变速器8与输出轴9传动连接，风动马达7与腰部支撑臂1固定连接，输出轴9与上支撑臂2连接，风动马达7的传动轴与行星变速器8的太阳轮固定连接，输出轴9与行星变速器8的外齿轮固定连接，行星变速器8的行星齿架与风动马达7的外壳连接，风动马达7的外壳对行星齿架进行限定，使得风动马达7输出高速和输出轴9输出相对的低速，对风动马达7的输出力矩进行适当放大，降低气源和风动马达7的要求，至少一个行星变速器8的行星齿上安装有霍尔传感器12，霍尔传感器12与控制器连接，霍尔传感器12输出行星齿的连续转动时长到控制器，风动马达7的叶片固定连接有伸缩杆13，叶片还设有弹簧，保证叶片和内壁的贴合，伸缩杆13均与锁死件10连通，锁死件10截断液压油的通路使伸缩杆13保持为不可压缩状态，进而阻挡叶片的收缩，使风动马达7处于锁死状态，风动马达7上设有触发件11，触发件11驱动锁死件10锁死油路。

请参阅图4，其中，风动马达7通过滑槽与行星变速器8的行星齿架活动连接，使行星变速器8可小幅度的转动，使其允许使用者的小幅抖动和适当压力，滑槽对应弯腰转动方向的一侧设有压力传感器，传感器与控制器连接，由于重力方向向下，负重弯腰较为省力，在维持弯腰时，齿轮架连接滑块位于传感器的一侧，此时风动马达7的叶片处于锁死状态，不能转动，提供一个稳定的支撑力，在使用者蹲下或站起时，传感器压力变大或行星齿转动较大，触发锁死件10解除油路锁死状态，提供助力，行星变速器8安装有霍尔传感器12的行星齿和风动马达7以及输出轴4的传动比大于1，必要使可叠加行星齿轮，使安装有霍尔传感器12的行星齿转速明显高于风动马达7和输出轴4的转速，使其具有较高的感应灵敏性。

请参阅图5，其中，锁死件10包括内缸体101，内缸体101设有与伸缩杆13对应的油管102，内缸体101上部设有移动塞103，移动塞103的中部设有从动磁石104，触发件11为磁力设备，通过磁力驱动从动磁石104，带动移动塞103移动，实现内缸体101的锁死与打开。

其中，触发件11包括与风动马达7固定连接的上油缸111，上油缸111内活动连接有柱塞112，柱塞112连接有驱动磁石113，上油缸111的底部通过两位三通阀分别与气源和大气连通，压缩气源驱动柱塞112上下移动，控制磁力对从动磁石104的影响。

其中，油管102突出于内缸体101的底部，移动塞103上设有溢流孔，确保将油路的锁死，同时不影响液压油的流动。

一种搬运助力用腰部外骨骼的控制系统，包括控制器；

控制器根据霍尔传感器12的电流变化规律确定是否连通气源；对应行星变速器8行星齿的旋转方向，下蹲时关闭气源提供阻力，直立时连通气源助力；

控制器与触发件11的两位三通阀连接，霍尔传感器12的电流停止发生变化时，控制器控制触发件11上的两位三通阀连通气源，使锁死件10锁闭油路；

霍尔传感器12的电流连续变化时，控制器控制触发件11上两位三通阀连通大气，使油路打开；

行星变速器8上压力传感器大于预设值后，控制器控制触发件11上两位三通阀连通大气，使油路打开；

风动马达7的进气端设有溢流阀，且控制器可改变溢流阀开度，具体开度可根据负重等级自行选择，也可根据蹲下瞬间，霍尔传感器12上压力传感器的压力值确定开度。

本发明的工作原理及工作流程：

在完成佩戴之后，蹲下时，输出轴9转动通过行星变速器8带动风动马达7转动，风动马达7转动吸入气体，并从溢流阀排出，通过设置负重等级，控制溢流阀开度，进而设置下蹲时提供的支撑力，起立时，气源驱动风动马达7转动，进而带动上支撑臂2，辅助核心肌肉群辅助起立，在维持弯腰动作时，即行星变速器8的行星齿未转动，风动马达7的叶片处于锁定状态，为佩戴着在静止位置提供支撑，减轻维持动作的负担，在需要蹲下时，由于主动用力，对霍尔传感器12上压力传感器的压力瞬间变大，触发打开叶片的锁定，在起立时，在凹槽的作用下行星变速器8的行星齿转动，通过霍尔传感器12触发叶片的锁定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种搬运助力用腰部外骨骼，包括腰部支撑臂（1）、上支撑臂（2）和下连接臂（3），其特征在于：所述上支撑臂（2）通过胸部固定带（5）与胸部固定，所述下连接臂（3）通过腿带（4）与大腿固定，所述腰部支撑臂（1）通过风动马达（7）与上支撑臂（2）活动连接，所述风动马达（7）为叶片式风动马达，所述风动马达（7）连通有带有空压机的气罐（6），所述风动马达（7）通过行星变速器（8）与输出轴（9）传动连接，所述风动马达（7）的传动轴与行星变速器（8）的太阳轮固定连接，所述输出轴（9）与行星变速器（8）的外齿轮固定连接，所述行星变速器（8）的行星齿架与风动马达（7）的外壳连接，至少一个所述行星变速器（8）的行星齿上安装有霍尔传感器（12），所述霍尔传感器（12）与控制器连接，所述霍尔传感器（12）输出行星齿的连续转动时长到控制器，所述风动马达（7）的叶片固定连接有伸缩杆（13），所述伸缩杆（13）均与锁死件（10）连通，所述锁死件（10）截断液压油的通路使伸缩杆（13）保持为不可压缩状态，所述风动马达（7）上设有触发件（11），所述触发件（11）驱动锁死件（10）锁死油路，所述锁死件（10）包括内缸体（101），所述内缸体（101）设有与伸缩杆（13）对应的油管（102），所述内缸体（101）上部设有移动塞（103），所述移动塞（103）的中部设有从动磁石（104），所述触发件（11）为磁力设备，所述触发件（11）包括与风动马达（7）固定连接的上油缸（111），所述上油缸（111）内活动连接有柱塞（112），所述柱塞（112）连接有驱动磁石（113），所述上油缸（111）的底部通过两位三通阀分别与气源和大气连通。

2.根据权利要求1所述的一种搬运助力用腰部外骨骼，其特征在于：所述风动马达（7）通过滑槽与行星变速器（8）的行星齿架活动连接，所述滑槽对应弯腰转动方向的一侧设有压力传感器，所述行星变速器（8）安装有霍尔传感器（12）的行星齿和风动马达（7）以及输出轴（9）的传动比大于1。

3.根据权利要求1所述的一种搬运助力用腰部外骨骼，其特征在于：所述油管（102）突出于内缸体（101）的底部，所述移动塞（103）上设有溢流孔。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种搬运助力用腰部外骨骼的控制系统，包括控制器，其特征在于：

所述控制器根据霍尔传感器（12）的电流变化规律确定是否连通气源；

所述控制器与触发件（11）的两位三通阀连接，所述霍尔传感器（12）的电流停止发生变化时，控制器控制触发件（11）上的两位三通阀连通气源，使锁死件（10）锁闭油路；

所述霍尔传感器（12）的电流连续变化时，控制器控制触发件（11）上两位三通阀连通大气，使油路打开；

所述行星变速器（8）上压力传感器大于预设值后，控制器控制触发件（11）上两位三通阀连通大气，使油路打开；

所述风动马达（7）的进气端设有溢流阀，且所述控制器可改变溢流阀开度，具体开度可根据负重等级自行选择，也可根据蹲下瞬间，霍尔传感器（12）上压力传感器的压力值确定开度。