CN113352303A - 一种可穿戴搬运助力型外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明一种可穿戴搬运助力型外骨骼，属于物资搬运和后勤保障领域；包括腰背机构、肩部机构、跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构和脚板；所述肩部机构的下端与背部机构连接，上端位于背部机构的上方，通过驱动力辅助肩关节进行外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸运动；所述跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构、脚板从上到下分别与人体的跨髋、大腿、膝关节、小腿、脚踝、足部对应；本发明通过机械结构提供极强的支撑能力；通过伺服电机和弹簧提供上肢多自由度运动助力；轻便灵活，易于拆装。

Description

一种可穿戴搬运助力型外骨骼

技术领域

本发明属于物资搬运和后勤保障领域，具体涉及一种可穿戴搬运助力型外骨骼。

背景技术

目前已有的有关外骨骼的专利申请，大多数是用于医疗康复等保健领域，对于物资搬运与后勤保障类外骨骼，目前专利申请量远不及前者。在当今社会，快递运输行业、军队后勤保障部门虽已大量使用机器人从事运输，但仍有许多沉重的物资需要人员进行搬运。因此设计一款可以穿戴的外骨骼设备可以极大的缓解相关人员的工作强度，提高工作效率。

目前，对于搬运型外骨骼的设计已经初见成效，但在轻便型和舒适性上仍有很多问题。由于人体的结构复杂，无法按照人体比例以及外形曲线进行适当调节的外骨骼，在舒适性方面会有很大的欠缺。此外，目前的外骨骼大多采用实心材料，其过大的自重也会影响使用体验。

例如已有的外骨骼装置，如中国专利号为CN111745624A公开的一种无源助力的外骨骼负重机器人，这一外骨骼机人主要包括腰部、髋部储能机构、大腿、小腿、足底；髋关节储能机构设置有涡旋弹簧，通过调节涡旋弹簧的弹力来支撑挂在腰部的负重的重力，涡旋弹簧相对于外骨骼前后摆动范围具有较大的行程，在外骨骼前后摆动过程中，涡旋弹簧力矩变化很小，行走过程中涡旋弹簧做功很小；负重重力依次经过腰部、髋关节储能装置、大腿、小腿和足底进而卸载到地面，而机器人在弹力协助向前迈腿行之。这一专利中的外骨骼机器人，机器自重极大，并且没有根据穿戴者自身条件进行调节的装置，适应性较差。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可穿戴搬运助力型外骨骼，使其具有较好的负载能力，避免在承载重型军需物资时出现结构崩溃、关节卡死等情况。本发明的进一步目的是实现上述外骨骼机器人轻便性、舒适性以及普适性的改进。

本发明的技术方案是：一种可穿戴搬运助力型外骨骼，包括腰背机构，所述腰背机构包括腰部机构和背部机构，分别位于人体后腰部和背部，通过腰背连接条连接并能够调节长度；其特征在于：还包括肩部机构、跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构和脚板；所述肩部机构的下端与背部机构连接，上端位于背部机构的上方，通过驱动力辅助肩关节进行外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸运动；所述跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构、脚板从上到下分别与人体的跨髋、大腿、膝关节、小腿、脚踝、足部对应；

所述肩部机构包括肩关节执行器、输出轴连接件、电机固定件、连接组件、支撑板和三级弯管组件；所述电机固定件的外端固定有肩关节执行器，内端与连接组件转动连接，所述转动连接的轴向垂直于肩关节执行器的输出轴，输出轴连接件垂直固定于肩关节执行器的输出轴上；所述电机固定件能够绕连接组件的中心轴转动，输出轴连接件能够绕肩关节执行器的输出轴转动；所述输出轴连接件的两侧固定有支撑板，用于支撑使用者大臂；所述三级弯管组件依次连接为阶梯结构，第一级弯管组件的上端与连接组件固定，第三级弯管组件的下端与背部机构固定连接，三级弯管组件均能够绕各自竖直方向的轴转动，从而辅助调整使用者肩关节的位置；

所述跨髋机构包括髋关节支撑机构和左、右髋关节连接件组件，所述髋关节支撑机构为U型结构，作为上肢部件、下肢部件的支撑连接件；左、右髋关节连接件组件对称安装于髋关节支撑机构的两端头处，分别用于与左、右大腿机构连接；所述左髋关节连接件组件包括弹簧杆、弹簧杆连接件、髋关节连接件、髋关节头和轴承；两个髋关节连接件对称设置于髋关节支撑机构的一侧端头处，其上方均与髋关节支撑机构固定；所述弹簧杆的一端固定于两个髋关节连接件之间的下方，另一端通过弹簧杆连接件固定于髋关节支撑机构U型支臂的根部；所述髋关节头为圆板结构，其两端面上对称设置有圆柱形凸起，两端的圆柱形凸起分别通过第一轴承安装于两个髋关节连接件的下方通孔内，使得髋关节头能够相对髋关节连接件转动；右髋关节连接件组件与左髋关节连接件组件结构相同不再累述；

所述大腿机构包括大腿外杆和大腿内杆，大腿外杆和大腿内杆的外周面上均沿轴向开有多个位置调节孔，所述大腿内杆同轴插装于大腿外杆内并通过螺栓紧固，通过调整连接螺栓的不同轴向位置，实现大腿机构的长度调节；所述大腿内杆的上端通过螺栓固定于髋关节头外周面的径向盲孔内，使得大腿机构能够绕第一轴承的中心轴旋转；大腿外杆的下端与膝关节机构连接；

所述膝关节机构包括第二轴承、膝关节连接件、膝关节头下部和膝关节头上部，两个平板结构的膝关节连接件对称设置；所述膝关节头上部与髋关节头结构相同，其两端的圆柱形凸起分别通过第二轴承安装于两个膝关节连接件的上方通孔内，大腿外杆的下端通过螺栓固定于膝关节头上部外周面的径向盲孔内，使得大腿机构能够绕第二轴承的中心轴旋转；所述膝关节头下部固定于两个膝关节连接件之间的下方，与小腿机构连接；

所述小腿机构包括小腿外杆和小腿内杆，小腿外杆和小腿内杆的外周面上均沿轴线开有多个位置调节孔，所述小腿内杆同轴插装于小腿外杆内并通过螺栓紧固，通过调整连接螺栓的不同轴向位置，实现小腿机构的长度调节；所述小腿外杆的上端通过螺栓固定于膝关节头下部的底端，小腿内杆的下端与踝机构连接；

所述踝机构包括踝关节连接件、踝关节头和第三轴承；两个板状踝关节连接件对称设置，所述踝关节头与髋关节头结构相同，其两端的圆柱形凸起分别通过第三轴承安装于两个踝关节连接件的上方通孔内；小腿内杆的下端通过螺栓固定于踝关节头外周面的径向盲孔内，使得小腿机构能够绕第三轴承的中心轴旋转；

所述脚板固定于两个踝关节连接件的下方，用于支撑人体足部。

本发明的进一步技术方案是：所述肩部机构的连接组件包括第一扭簧、转动杆和连接套；所述连接套为一端封闭的套筒结构，其封闭端与第一级弯管组件连接；所述转动杆一端与电机固定件的内端固定，另一端通过深沟球轴承安装于连接套内；所述第一扭簧套装于转动杆上，并位于连接套内，第一扭簧的一端头固定于转动杆上，并通过螺栓插入连接套外周面对第一扭簧进行限位；所述连接套第一连接套和第二连接套通过螺栓固定而成。

本发明的进一步技术方案是：所述肩部机构的三级弯管组件包括第一级弯管组件、第二级弯管组件和第三级弯管组件；所述第一级弯管组件包括第一弯管、第一基座和第一限位块，所述第一弯管的上端通过法兰盘结构与连接组件固定，下端端头穿过第一基座的中心孔与第一限位块固定连接，并与第一基座通过轴承转动连接；所述第二级弯管组件包括第二弯管、第二基座和第二限位块，所述第二弯管的上端通过法兰盘结构与第一基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第二基座的中心孔与第二限位块固定连接，并与第二基座通过轴承转动连接；所述第三级弯管组件包括第三弯管、第三基座、第三限位块和端盖；所述第三弯管的上端通过法兰盘结构与第二基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第三基座的中心孔与第三限位块固定连接，并与第三基座通过轴承转动连接，第三基座的侧壁垂直固定有圆柱结构，所述圆柱结构通过端盖垂直固定于背部机构上；

其中，第一弯管带动连接组件绕第一基座的中心轴转动，第二弯管带动第一级弯管组件绕第二基座的中心轴转动，第三弯管带动第二级弯管组件绕第三基座的中心轴转动；通过三级联动使得肩关节的运动柔性化。

本发明的进一步技术方案是：所述第三级弯管组件还包括第二扭簧，第三基座的圆柱结构通过轴承同轴安装于端盖内，所述第二扭簧套装于位于端盖内的圆柱结构部分，将第三基座绕圆柱结构旋转的角度限制在0-15°内；所述端盖内设环形槽，圆弧面设有扇形槽，便于所述第二扭簧的固定与安装，当穿戴者搬运或托举时提供大臂内收/外展助力。

本发明的进一步技术方案是：三个所述限位块上均沿周向开有60°的槽，分别与三个基座的底部配合，用于限制三个弯管的旋转角度。

本发明的进一步技术方案是：还包括被动助力机构，所述被动助力机构下端与背部机构连接，上端与肩部机构连接，用于给使用者和肩部机构提供多方向的助推力和支撑力；

被动助力机构包括依次设置的上端旋转节、套筒盖、套筒、第一拉力弹簧、活塞杆、第一支撑块、第二拉力弹簧、第二支撑块、下端旋转节；所述套筒盖一端为圆柱杆，通过上端旋转节与肩部机构的电机固定件铰接，另一端设置有外螺纹，与套筒的一端螺纹连接；所述套筒内依次同轴放入第一拉力弹簧和活塞杆，所述活塞杆朝向第一拉力弹簧一端为圆板结构，用于沿轴向压缩第一拉力弹簧；所述活塞杆的另一端依次穿过第二拉力弹簧和第二支撑块后通过下端旋转节与背部机构的外侧铰接，所述第二支撑块用于第二拉力弹簧的轴向限位；所述套筒的另一端外周面开有通孔，第一支撑块插入通孔对活塞杆的轴向运动进行限位。

本发明的进一步技术方案是：所述被动助力机构的上端旋转节包括上端旋转节第一连接件、上端旋转节第二连接件、上端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；下端旋转节包括下端旋转节第一连接件、下端旋转节第二连接件、下端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；均能够实现3个不同方向的旋转。

本发明的进一步技术方案是：所述腰部机构与背部机构通过腰背连接条连接，所述腰背连接条包括四个条形板，分别为调长第一连接件、调长第二连接件、调长杆、调长第三连接件；所述调长杆竖直设置，其下端通过横向设置的调长第一连接件与腰部组件固定连接，其上部与竖直设置的调长第二连接件配合安装，所述调长第二连接件的上端通过横向设置的调长第三连接件与背部组件固定连接；所述调长杆与调长第二连接件沿长度方向设有多个调长孔洞，能够调节外骨骼的腰背长度适应不同腰背长度的使用者。

本发明的进一步技术方案是：所述踝关节连接件为L形板。

本发明的进一步技术方案是：所述腰部机构、背部机构、肩部机构、跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构均通过绑带、魔术贴和人体各部位固定。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种可穿戴搬运型外骨骼机器人，通过机械结构提供极强的支撑能力；通过伺服电机和弹簧提供上肢多自由度运动助力；轻便灵活，易于拆装；

所述肩部机构具有六个自由度，每个自由度可以实现单独或者联合动作，通过主动元件肩关节执行器提供肩关节前屈/后伸方向的助力，在保证肩部运动的基础上增加被动助力机构，不仅为肩部提供支持力，还利用被动助力机构及扭簧提供肩关节外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸三个自由度方向的助力，有效的为人体搬运以及托举货物提供多方向的助力，在满足强度要求的前提下，对于弯管、腰板以及背板进行镂空设计，减轻外骨骼自身重量，达到更好的助力效果。被动助力机构将弹性势能转为重力势能，由于弹性力在各方向上均有分量，使得肩关节在做屈曲/伸展、外展、内收，大臂旋内/外旋运动时，外骨骼的助力效果得到较大提升，能较好地增强上肢搬运和托举的能力。在放下物品时，在伺服电机抵消一部分重力的同时，另一部分重力势能转换为弹性势能，提供缓冲力，避免迅速释放对身体造成伤害。

外骨骼的驱动方式采用主被动相结合式的设计方案，单臂只采用一组小型集成电动机，在保证精度高的同时降低了结构重量、成本，肩部机构与助力机构均采用弹簧助力，当穿戴者搬运货物时提供辅助力，放置货物时提供缓冲力，闲置时可以蓄能，通过两种驱动方式相结合，同时达到助力强度以及重量要求。

所述腰板、背板根据人体工学要求设计，对于不同的穿戴者，可以调整腰板与背板位置，利用魔术贴与人体连接；所述腰板与支撑板调均设有调长机构，可适用于各种人群，满足匹配要求。背板、腰板和支撑板均设有方形槽，方便魔术贴通过将上肢与肩部机构固定，避免闭环结构对穿戴的影响，提高使用舒适性。

所述第一拉力弹簧原长大于所述活塞杆行程长度，通过所述第一挡块使第一拉力弹簧一直处于压缩状态，从而保证沿套筒向外的推力，进一步为穿戴者提供推力和缓冲力；所述第二拉力弹簧一端固定于第二挡块，另一端自由，进而保证第二拉力弹簧只能被压缩，仅提供推力，避免穿戴者搬运货物时提供负方向的拉力，减少了肩部工作负担。

所述跨髋机构的髋关节支撑机构限制了上下肢连接不稳可能产生的纵向运动和横向转动，弹簧杆起到支撑作用，助力上下肢的连接，并且稳固住整个髋关节支撑，防止结构崩溃，且易于拆卸，将上肢受力传递至下肢，提高外骨骼的承重性能。且此髋关节支撑机构有多个镂空槽，一方面达成减重效果使外骨骼更加便携轻便，一方面为加装防护绑带等安保措施预留空间。

所述跨髋机构和大腿机构之间、大腿机构和膝关节机构之间、小腿机构和踝机构之间，分别采用髋骨关节、膝关节头上部、踝关节配合轴承的转动连接方式，能够完全适应人体各部位关节的运动状态，并极大提升整个下肢外骨骼的支撑能力，防止结构崩溃且结构轻便易于拆装，能够提供髋关节运动所需自由度，关节配合紧密且运动顺滑无卡死感，保证运动的灵活性，使外骨骼具有极佳的机动性。防止出现不符合人体运动规律的运动，进而保障使用者安全。

踝机构踝关节连接件L型设计通过面接触避免应力集中将力传递至脚踝，并进一步将力传至地面，完成下肢的支撑效果，显著提高支撑能力。

附图说明

图1为本发明的整体轴测图；

图2为本发明的上肢部件示意图；

图3为本发明的跨髋机构示意图；

图4为本发明的踝机构示意图；

图5为本发明的膝关节机构示意图；

图6为本发明的髋关节结构图；

图7为本发明位于人体上部的支撑结构示意图；

图8为本发明的腰背机构连接爆炸图；

图9(a)为本发明的右臂被动助力机构示意图；

图9(b)为本发明的右臂被动助力机构爆炸图；

图10(a)为本发明的右臂肩部机构示意图；

图10(b)为本发明的右臂肩部机构爆炸图；

图10(c)为本发明的右臂弯管与基座连接爆炸图；

图10(d)为本发明的右臂第三基座与端盖连接爆炸图。

附图标记说明：1.肩部机构；2.被动助力机构；3.腰背机构；4.跨髋机构；5.大腿机构；6.膝关节机构；7.小腿机构；8.踝机构；9.弹簧杆连接件；10.弹簧杆；11.髋关节连接件；12.髋关节头；13.角接触球轴承；14.膝关节连接件；15.踝关节连接件；16.踝关节头；17.小腿外杆；18.小腿内杆；19.膝关节头下部；20.膝关节头上部；21.大腿外杆；22.大腿内杆；23.髋关节支撑机构；24.背板；25.腰板；30.腰背连接条；31-调长第一连接件；32-调长杆；33-调长第二连接件；34-调长第三连接件；2-1-上端旋转节；2-2-下端旋转节；2-3-上端旋转节第一连接件；2-4-上端旋转节第二连接件；2-5-上端旋转节第三连接件；2-6-套筒盖；2-7-第一拉力弹簧；2-8-套筒；2-9-活塞杆；2-10-第二拉力弹簧；2-11-第二支撑块；2-12-下端旋转节第三连接件；2-13-下端旋转节第二连接件；2-14-下端旋转节第一连接件；2-15-第一支撑块；1-1-端盖；1-2-第二扭簧；1-3-第三限位块；1-4-第三基座；1-5-第二限位块；1-6-第二基座；1-7-第一限位块；1-8-第一基座；1-9-肩关节执行器；1-10-输出轴连接件；1-11-电机固定件；1-12-第一扭簧；1-13-转动杆；1-14-第二连接套；1-15-第一连接套；1-16-第一弯管；1-17-支撑板；1-18-第二弯管；1-19-第三弯管；1-20-轴承；1-21-密封盖。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参考图1～图10，本实施例一种搬运可穿戴外骨骼结构主要包括肩部机构1，被动助力机构2，腰背机构3，跨髋机构4，大腿机构5，膝关节机构6，小腿机构7，踝机构8，脚板组成。肩部机构1，被动助力机构2，腰背机构3组成上肢外骨骼部分，助力使用者进行抓取。跨髋机构4，大腿机构5，膝关节机构6，小腿机构7，踝机构8和脚板组成下肢外骨骼部分主要起支撑作用。

参照图7、8所示，本实施方式所述背部机构和腰部机构包括：背板24、腰板25、调长第一连接件31、调长杆32、调长第二连接件33、调长第三连接件34，均为螺栓连接。所述调长杆32、调长第二连接件33设有多通孔，可以通过调节连接长度来调整腰板25所在位置，增加适用人群范围；所述背板24与腰板25根据人体工程学设计，多处进行镂空从而减轻机构重量，通过魔术贴与人体贴合，增加穿戴者的舒适感。所述调长杆32和调长第二连接件33模拟了脊椎力传导，可将腰部力量分担至肩部，减少腰部的劳损。

参照图9(a)、图9(b)所示，本实施方式所述被动助力机构2包括：上端旋转节2-1、上端旋转节第一连接件2-3、上端旋转节第二连接件2-4、上端旋转节第三连接件2-5、套筒盖2-6、套筒2-8、第一拉力弹簧2-7、活塞杆2-9、第一支撑块2-15、第二拉力弹簧2-10、第二支撑块2-11、下端旋转节2-2、下端旋转节第一连接件2-14、下端旋转节第二连接件2-13、下端旋转节第三连接件2-12。所述上端旋转节2-1与肩部机构1铰接，由上端旋转节第一连接件2-3、上端旋转节第二连接件2-4、上端旋转节第三连接件2-5组成，可实现三个方向的转动。所述套筒盖2-6一端设有螺纹，与套筒2-8螺纹连接，另一端通过螺栓与上端旋转节2-1的上端旋转节第三连接件2-5连接；所述套筒2-8为套筒结构，外侧开有圆形通孔和方形槽，用于限制活塞杆2-9的行程和调节第一拉力弹簧2-7的压缩程度，并使得第一拉力弹簧2-7一直处于压缩状态；所述活塞杆2-9设在套筒2-8内并能往复运动，一端与第一拉力弹簧2-7接触，另一端与下端旋转节2-2连接。所述第一拉力弹簧2-7，位于活塞杆2-9与套筒盖2-6之间，一直处于压缩状态，自由长度长于套筒长度20mm左右。所述第一支撑块2-15置于套筒2-8开口槽处，防止活塞杆滑出套筒外。所述第二拉力弹簧2-10套装于活塞杆2-9上，通过所述第二支撑块2-11固定，由于一端固定一端自由，所以第二拉力弹簧2-10只能处于原长和压缩状态。所述下端旋转节2-2与背部机构连接，与活塞杆2-9连接销钉连接，所述被动助力机构2左右对称，因穿戴者存在个体差异，可通过背板的安装位置调节助力结构与人手臂之间的相对位置，达到更好助力效果。

所述套筒2-8设有方形槽。所述第一支撑块2-15置于套筒2-8开口槽处，防述活塞杆2-9滑出套筒2-8外，用于调整所述第一弹簧17松紧程度，为提供肩部机构支持力及穿戴者搬运货物时辅助力、放货物时缓冲力。所述第一支撑块中间方形槽宽度与所述活塞杆直径等长，便于所述活塞杆往复移动。

所述上端/下端旋转节包括上端/下端旋转节第一连接件、上端/下端旋转节第二连接件、上端/下端旋转节第三连接件，所述上端/下端旋转节第一连接件与所述肩部机构通过铰接可在yz面旋转180°，所述上端/下端旋转节第二连接件与所述第一连接件通过轴承配合，所述上端/下端旋转节第二连接件可在xy面旋转360°，所述上端/下端旋转节第三连接件与所述套筒盖铰接，所述上端/下端旋转节第三连接件在xz面旋转180°，三者旋转轴相互垂直，可实现3个不同方向的旋转。

参照图10(a)-(d)所示，说明所述肩部机构1包括：肩关节执行器1-9、输出轴连接件1-10、电机固定件1-11、支撑板1-17、转动杆1-13、第一连接套1-15、第二连接套1-14、第一扭簧1-12、第二扭簧1-2、第一弯管1-16、支撑板1-17、第二弯管1-18、第三弯管1-19、第一限位块1-7、第二限位块1-5、第三限位块1-3、第一基座1-8、第二基座1-6、第三基座1-4、端盖1-1、轴承1-20、密封盖1-21。所述肩关节执行器1-9固定于电机固定件1-11上，与输出轴连接件1-10连接，并能够控制其进行旋转运动；电机固定件1-11板面上设有扣向所述电机的1/4凸起圆弧，便于插入电缆为所述肩关节执行器提供电源以及发送控制信号。所述输出轴连接件1-10为板状结构，通过螺钉与所述支撑板1-17连接，设有魔术贴接口，便于与人体上臂贴合；所述转动杆1-13为柱状结构，可绕轴线转动，并设有通孔，可与第一扭簧28连接实现被动助力；所述第一连接套1-15与所述第二连接套1-14螺栓连接，第一连接套1-15开有弧形槽和通孔，用于固定转动杆1-13和第一扭簧28；所述第一基座1-8为圆柱相贯结构，内置第一弯管1-16并可与其产生相对转动；所述第一弯管1-16一端为法兰结构，与第一连接套39固定，另一端为圆柱结构，与第一限位块1-7连接，密封盖1-21安装在所述弯管上固定所述第一基座1-8位置；所述第一限位块1-7设有扇形槽，限制第一弯管1-16与第一基座1-8之间的轴承1-20旋转角度；所述第二基座1-6内设第二弯管1-18，可产生相对旋转；所述第二弯管1-18与第三弯管1-19结构相似，分别与第二基座1-6、第三基座1-4和第二限位块1-5、第三限位块1-3连接，所述弯管安装密封盖1-21固定所述第二基座32、第三基座1-4位置；第三基座1-4端面有柱状结构，与端盖1-1通过轴承1-20连接并能相对其轴向旋转；所述端盖1-1内设环形槽，圆弧面设有扇形槽，便于所述第二扭簧的固定与安装，当穿戴者搬运或托举时提供大臂内收/外展助力；端盖1-1另一端固定于背板；所述第二扭簧1-2一端固定于第三基座1-4柱状结构处，另一端与端盖1-1连接，从而提供被动助力效果。

所述第三基座1-4端面圆柱结构可绕轴0-15°旋转，便于穿戴者肩关节向下移动，为整个肩部机构支撑；圆柱结构末端开有通孔，便于插入开口销防止轴向窜动。

所述第一连接套1-15圆弧面设有槽与通孔，便于安装和固定所述第一扭簧1-12，用于提供穿戴者肩部内旋/外旋运动时助力。

所述输出轴连接件1-10和支撑板1-17的两侧开有方孔，能够穿过绑带或魔术贴，用于固定使用者的大臂。

所述肩关节执行器1-9为QDD Pro-PR60-100-90的电动机，电动机的输出力矩通过行星减速机放大后带动输出轴连接件1-10进行旋转，进行上肢肩关节的外展/内收运动；该电动机是集成伺服电机、谐波减速器、编码器为一体的智能控制器，带动输出轴连接件1-10以及相连组件旋转，可进行肩关节的屈曲/伸展运动。

由于此外骨骼为对称结构，后续部分结构仅阐述单侧为例。

参照图3、6所示，所述跨髋机构4包括：弹簧杆连接件9、弹簧杆10、髋关节连接件11、髋关节头12、滚珠轴承13、髋关节支撑机构23。髋关节支撑机构23中部后侧凸台与腰板31上孔过盈配合且凸台通孔与腰板31中央两通孔对应同轴心用螺栓螺母连接，以此结构传递下肢支撑力。.髋关节支撑机构23通过两弹簧杆连接件9与弹簧杆10利用螺栓螺母连接，弹簧杆10下端通孔与髋关节连接件11下方通孔通过螺栓螺母连接，弹簧杆10上端通孔与两弹簧杆连接件9下端通孔通过螺栓螺母连接，弹簧杆连接件9竖直放置，弹簧杆10上端通孔与弹簧杆连接件9下端通孔同轴心，弹簧杆连接件9上端通孔与髋关节支撑机构23侧方单独通孔同轴心并用螺栓螺母连接。

所述髋关节支撑机构23和下部的髋关节头12由2块髋关节连接件11连接，两块髋关节连接件11上端集合布局的三个通孔和髋关节支撑机构23前端对应的三个通孔利用螺栓螺母连接。两块髋关节连接件11下端有一大圆孔，与两个滚珠轴承5外圈进行同轴心过盈配合，两个角接触球轴承轴承13内孔则分别与大髋关节头12左右两侧上的凸台进行同轴心过盈配合。两髋关节连接件11竖直放置且互相平行，且两髋关节连接件11上对应的5个通孔同轴心，两角接触球轴承轴承13竖直放置且对应同轴心，弹簧杆10下端通孔与两髋关节连接件11孤立通孔同轴心，髋关节头12两凸台对应同轴心。

参照图3所示，所述大腿机构5包括：大腿外杆17，大腿内杆18.髋关节头12下端孔与大腿内杆18同轴心且髋关节头12孔内底面与大腿内杆18上端面贴合，大腿内杆18最顶端孔与大髋关节头12下端侧孔同轴心并用螺栓螺母连接，大腿外杆17内含大腿内杆18，其上多孔与大腿内杆18上多孔可根据伸缩性要求分别对应同轴心并由螺栓螺母连接

参照图5所示，所述膝关节机构6包括角接触球轴承轴承13、膝关节连接件14、膝关节头下部19、膝关节头上部20。大腿外杆17与膝关节头上部20的顶孔对应同轴心且膝关节头上部20顶孔内底面与大腿外杆17下端面贴合，大腿外杆17最下端孔与膝关节头上部20侧孔同轴心且用螺栓螺母连接，以完成大腿与膝关节的连接。

所述膝关节头上部20两端凸台与角接触球轴承轴承13内孔过盈配合，内孔与凸台对应同轴心，两角接触球轴承轴承13外环与膝关节头上部20上端大圆孔对应同轴心并且过盈配合。膝关节连接件14下端三角方位布局三孔分别与膝关节头下部19的三孔对应同轴心且用螺栓螺母连接。由此结构可完成膝关节的固定且利用滚珠轴承提供关节旋转所需自由度。

参照图4、5所示，所述小腿机构7包括：小腿外杆17、小腿内杆18。膝关节头下部19的下端孔与小腿外杆17同轴心，且小腿外杆17上端面与膝关节头下部19底孔的底面贴合，膝关节头下部19的侧孔与小腿外杆17最上端侧孔同轴心并用螺栓螺母连接，完成膝关节与小腿的连接。此结构通过面接触有效将力传至小腿杆，避免了应力集中的出现，起到十分有效的支撑连接功能。

所述小腿内杆18上多通孔和小腿外杆17上多通孔可根据伸缩要求对应同轴心并用螺栓螺母连接，通过不同孔的配合达成小腿的伸缩性能。

参照图4所示，所述踝机构8包括：角接触球轴承轴承13、踝关节连接件15、踝关节头16。小腿内杆18与踝关节头16上部孔同轴心且小腿内杆18下端面与踝关节头16上部孔内底面贴合，踝关节头16的侧孔与小腿内杆18的最下部侧孔对应同轴心并用螺栓螺母连接，完成小腿和踝关节之间的连接固定。

所述踝关节头16两侧凸台分别与两角接触球轴承轴承13内孔同轴心并且过盈配合。角接触球轴承轴承13外环与两踝关节连接件15上圆孔同轴心且过盈配合。两踝关节连接件15的下平面上有多孔可通过螺钉连接不同型号的脚板。至此完成整个脚踝的固定且由滚珠轴承提供转动自由度。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种可穿戴搬运助力型外骨骼，包括腰背机构，所述腰背机构包括腰部机构和背部机构，分别位于人体后腰部和背部，通过腰背连接条连接并能够调节长度；其特征在于：还包括肩部机构、跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构和脚板；所述肩部机构的下端与背部机构连接，上端位于背部机构的上方，通过驱动力辅助肩关节进行外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸运动；所述跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构、脚板从上到下分别与人体的跨髋、大腿、膝关节、小腿、脚踝、足部对应；

所述肩部机构包括肩关节执行器、输出轴连接件、电机固定件、连接组件、支撑板和三级弯管组件；所述电机固定件的外端固定有肩关节执行器，内端与连接组件转动连接，所述转动连接的轴向垂直于肩关节执行器的输出轴，输出轴连接件垂直固定于肩关节执行器的输出轴上；所述电机固定件能够绕连接组件的中心轴转动，输出轴连接件能够绕肩关节执行器的输出轴转动；所述输出轴连接件的两侧固定有支撑板，用于支撑使用者大臂；所述三级弯管组件依次连接为阶梯结构，第一级弯管组件的上端与连接组件固定，第三级弯管组件的下端与背部机构固定连接，三级弯管组件均能够绕各自竖直方向的轴转动，从而辅助调整使用者肩关节的位置；

所述跨髋机构包括髋关节支撑机构和左、右髋关节连接件组件，所述髋关节支撑机构为U型结构，作为上肢部件、下肢部件的支撑连接件；左、右髋关节连接件组件对称安装于髋关节支撑机构的两端头处，分别用于与左、右大腿机构连接；所述左髋关节连接件组件包括弹簧杆、弹簧杆连接件、髋关节连接件、髋关节头和轴承；两个髋关节连接件对称设置于髋关节支撑机构的一侧端头处，其上方均与髋关节支撑机构固定；所述弹簧杆的一端固定于两个髋关节连接件之间的下方，另一端通过弹簧杆连接件固定于髋关节支撑机构U型支臂的根部；所述髋关节头为圆板结构，其两端面上对称设置有圆柱形凸起，两端的圆柱形凸起分别通过第一轴承安装于两个髋关节连接件的下方通孔内，使得髋关节头能够相对髋关节连接件转动；右髋关节连接件组件与左髋关节连接件组件结构相同不再累述；

所述大腿机构包括大腿外杆和大腿内杆，大腿外杆和大腿内杆的外周面上均沿轴向开有多个位置调节孔，所述大腿内杆同轴插装于大腿外杆内并通过螺栓紧固，通过调整连接螺栓的不同轴向位置，实现大腿机构的长度调节；所述大腿内杆的上端通过螺栓固定于髋关节头外周面的径向盲孔内，使得大腿机构能够绕第一轴承的中心轴旋转；大腿外杆的下端与膝关节机构连接；

所述膝关节机构包括第二轴承、膝关节连接件、膝关节头下部和膝关节头上部，两个平板结构的膝关节连接件对称设置；所述膝关节头上部与髋关节头结构相同，其两端的圆柱形凸起分别通过第二轴承安装于两个膝关节连接件的上方通孔内，大腿外杆的下端通过螺栓固定于膝关节头上部外周面的径向盲孔内，使得大腿机构能够绕第二轴承的中心轴旋转；所述膝关节头下部固定于两个膝关节连接件之间的下方，与小腿机构连接；

所述小腿机构包括小腿外杆和小腿内杆，小腿外杆和小腿内杆的外周面上均沿轴线开有多个位置调节孔，所述小腿内杆同轴插装于小腿外杆内并通过螺栓紧固，通过调整连接螺栓的不同轴向位置，实现小腿机构的长度调节；所述小腿外杆的上端通过螺栓固定于膝关节头下部的底端，小腿内杆的下端与踝机构连接；

所述踝机构包括踝关节连接件、踝关节头和第三轴承；两个板状踝关节连接件对称设置，所述踝关节头与髋关节头结构相同，其两端的圆柱形凸起分别通过第三轴承安装于两个踝关节连接件的上方通孔内；小腿内杆的下端通过螺栓固定于踝关节头外周面的径向盲孔内，使得小腿机构能够绕第三轴承的中心轴旋转；

所述脚板固定于两个踝关节连接件的下方，用于支撑人体足部。

2.根据权利要求1所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述肩部机构的连接组件包括第一扭簧、转动杆和连接套；所述连接套为一端封闭的套筒结构，其封闭端与第一级弯管组件连接；所述转动杆一端与电机固定件的内端固定，另一端通过深沟球轴承安装于连接套内；所述第一扭簧套装于转动杆上，并位于连接套内，第一扭簧的一端头固定于转动杆上，并通过螺栓插入连接套外周面对第一扭簧进行限位；所述连接套第一连接套和第二连接套通过螺栓固定而成。

3.根据权利要求1所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述肩部机构的三级弯管组件包括第一级弯管组件、第二级弯管组件和第三级弯管组件；所述第一级弯管组件包括第一弯管、第一基座和第一限位块，所述第一弯管的上端通过法兰盘结构与连接组件固定，下端端头穿过第一基座的中心孔与第一限位块固定连接，并与第一基座通过轴承转动连接；所述第二级弯管组件包括第二弯管、第二基座和第二限位块，所述第二弯管的上端通过法兰盘结构与第一基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第二基座的中心孔与第二限位块固定连接，并与第二基座通过轴承转动连接；所述第三级弯管组件包括第三弯管、第三基座、第三限位块和端盖；所述第三弯管的上端通过法兰盘结构与第二基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第三基座的中心孔与第三限位块固定连接，并与第三基座通过轴承转动连接，第三基座的侧壁垂直固定有圆柱结构，所述圆柱结构通过端盖垂直固定于背部机构上；

其中，第一弯管带动连接组件绕第一基座的中心轴转动，第二弯管带动第一级弯管组件绕第二基座的中心轴转动，第三弯管带动第二级弯管组件绕第三基座的中心轴转动；通过三级联动使得肩关节的运动柔性化。

4.根据权利要求3所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述第三级弯管组件还包括第二扭簧，第三基座的圆柱结构通过轴承同轴安装于端盖内，所述第二扭簧套装于位于端盖内的圆柱结构部分，将第三基座绕圆柱结构旋转的角度限制在0-15°内；所述端盖内设环形槽，圆弧面设有扇形槽，便于所述第二扭簧的固定与安装，当穿戴者搬运或托举时提供大臂内收/外展助力。

5.根据权利要求3所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：三个所述限位块上均沿周向开有60°的槽，分别与三个基座的底部配合，用于限制三个弯管的旋转角度。

6.根据权利要求1所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：还包括被动助力机构，所述被动助力机构下端与背部机构连接，上端与肩部机构连接，用于给使用者和肩部机构提供多方向的助推力和支撑力；

被动助力机构包括依次设置的上端旋转节、套筒盖、套筒、第一拉力弹簧、活塞杆、第一支撑块、第二拉力弹簧、第二支撑块、下端旋转节；所述套筒盖一端为圆柱杆，通过上端旋转节与肩部机构的电机固定件铰接，另一端设置有外螺纹，与套筒的一端螺纹连接；所述套筒内依次同轴放入第一拉力弹簧和活塞杆，所述活塞杆朝向第一拉力弹簧一端为圆板结构，用于沿轴向压缩第一拉力弹簧；所述活塞杆的另一端依次穿过第二拉力弹簧和第二支撑块后通过下端旋转节与背部机构的外侧铰接，所述第二支撑块用于第二拉力弹簧的轴向限位；所述套筒的另一端外周面开有通孔，第一支撑块插入通孔对活塞杆的轴向运动进行限位。

7.根据权利要求6所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述被动助力机构的上端旋转节包括上端旋转节第一连接件、上端旋转节第二连接件、上端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；下端旋转节包括下端旋转节第一连接件、下端旋转节第二连接件、下端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；均能够实现3个不同方向的旋转。

8.根据权利要求1所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述腰部机构与背部机构通过腰背连接条连接，所述腰背连接条包括四个条形板，分别为调长第一连接件、调长第二连接件、调长杆、调长第三连接件；所述调长杆竖直设置，其下端通过横向设置的调长第一连接件与腰部组件固定连接，其上部与竖直设置的调长第二连接件配合安装，所述调长第二连接件的上端通过横向设置的调长第三连接件与背部组件固定连接；所述调长杆与调长第二连接件沿长度方向设有多个调长孔洞，能够调节外骨骼的腰背长度适应不同腰背长度的使用者。

9.根据权利要求1所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述踝关节连接件为L形板。

10.根据权利要求1所述可穿戴搬运助力型外骨骼，其特征在于：所述腰部机构、背部机构、肩部机构、跨髋机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构、踝机构均通过绑带、魔术贴和人体各部位固定。

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