CN113664805A

CN113664805A - 一种辅助支撑的全身外骨骼

Info

Publication number: CN113664805A
Application number: CN202110992999.2A
Authority: CN
Inventors: 戚开诚; 王昊; 杨冬
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2041-08-24
Also published as: CN113664805B

Abstract

本发明为一种辅助支撑的全身外骨骼，包括腿部结构、髋部结构、肩部结构和背部支架；所述髋部结构包括扶手、髋背转轴连接件、髋部棘爪、髋部棘轮、髋背连接轴、大腿外侧连接件、大腿内侧连接件、插销和髋部弹簧；肩部结构包括肩部支撑管、手臂支撑板、肩部连接件、弹簧座、肩部弹簧、铰链、直线电动推杆、肩部棘爪、肩部棘轮和刚性绳；大腿内侧连接件和大腿外侧连接件安装在腿部结构的大腿外壳的内、外侧，髋背连接轴通过髋背转轴连接件固定在大腿外侧连接件的侧面，髋部棘轮转动连接在髋背连接轴上，背部支架的下端与髋部棘轮的端面固连。适用于半蹲位姿下需要抬手进行操作的情形，手臂具有水平面和竖直面内的转动，增加了手臂的活动范围。

Description

一种辅助支撑的全身外骨骼

技术领域

本发明属于外骨骼技术领域，具体是一种辅助支撑的全身外骨骼，能够为长期站立或者半蹲作业的人员提供支撑助力。

背景技术

目前，许多行业工人在作业时，由于没有较大的工作空间或者具体工作操作的限制等，往往需要长时间保持站立或半蹲姿势，使人容易感觉到疲劳，降低了工人作业的舒适度和工作效率，长此以往还会引发职业病，引起骨骼变形。例如，工人在进行流水线操作时，有时需要保持半蹲姿势，只能依靠自己的腿提供支撑力，耗费体力，会使工人更加劳累。而外骨骼不仅能够为人体提供支撑，还不影响使用者进行工作操作。

申请号为201210319331.2的中国专利公开了一种可穿戴的重型物资搬运助力仿生外骨骼，外骨骼的上肢各个关节均采用电机驱动，外骨骼的下肢各个关节由电液驱动，借助电机、电液混合驱动，为人体提供助力，主要适用于重型物资搬运过程中的助力。此种外骨骼结构笨重，会增加穿戴者的负担。

申请号为201710944237.9的中国专利公开了一种基于气动肌肉全身外骨骼康复系统，以气动肌肉作为执行元件，为人的腕关节、肘关节、肩关节、胸背关节、腰关节、髋关节、膝关节、踝关节提供助力。该系统具有结构紧凑、清洁、防爆性能好的特点，但是结构复杂，开发控制系统需要较大的成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种辅助支撑的全身外骨骼。

本发明所解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种辅助支撑的全身外骨骼，包括腿部结构、髋部结构、肩部结构和背部支架；其特征在于，所述髋部结构包括扶手、髋背转轴连接件、髋部棘爪、髋部棘轮、髋背连接轴、大腿外侧连接件、大腿内侧连接件、插销和髋部弹簧；肩部结构包括肩部支撑管、手臂支撑板、肩部连接件、弹簧座、肩部弹簧、铰链、直线电动推杆、肩部棘爪、肩部棘轮和刚性绳；

所述大腿内侧连接件和大腿外侧连接件安装在腿部结构的大腿外壳的内、外侧，髋背连接轴通过髋背转轴连接件固定在大腿外侧连接件的侧面，髋部棘轮转动连接在髋背连接轴上，背部支架的下端与髋部棘轮的端面固连；扶手的上端转动连接在髋背连接轴上；大腿外侧连接件的下部设有棘爪销轴，髋部棘爪的下端与棘爪销轴转动连接，髋部棘爪的上端能与髋部棘轮啮合；髋部棘爪的下端伸出一个连接柱，连接柱与扶手配合；髋部弹簧的一端与扶手固连，另一端与大腿外侧连接件固连；

其中一个髋部结构的大腿内侧连接件上设有凹槽，另一个髋部结构的大腿内侧连接件与插销的一端转动连接，插销的另一端能与另一个大腿内侧连接件的凹槽配合；当插销的另一端与另一个大腿内侧连接件的凹槽配合时，两个腿部结构之间形成刚性连接；

所述肩部支撑管的下端固定在背部支架的下部，推杆座固定在肩部支撑管的上端，直线电动推杆固定在推杆座上；铰链的一端固定在推杆座的一侧，另一端与肩部连接件固连；肩部连接件的上部固定有肩部棘爪轴，下部转动安装有肩部棘轮轴，肩部棘爪转动安装在肩部棘爪轴上；肩部棘轮和手臂支撑板均转动安装在肩部棘轮轴上，手臂支撑板与肩部棘轮的端面固连，肩部棘轮能与肩部棘爪啮合，手臂支撑板上连接有手臂绑带；弹簧座固定在肩部连接件的顶部，肩部弹簧的一端与弹簧座固连，另一端与肩部棘爪固连；刚性绳的一端与直线电动推杆的伸缩端固连，另一端与肩部棘爪固连。

所述扶手的中部设有弧形槽，髋部棘爪的连接柱与弧形槽配合。

所述腿部结构包括足部支撑板、大腿驱动电机、小腿外壳、腿部绑带、大腿外壳、连杆、电机座、丝杠、连杆支座和丝杠螺母；

所述小腿外壳的下端与足部支撑板固连，小腿外壳的上端与大腿外壳的下端转动连接；大腿驱动电机通过电机座安装在小腿外壳的下部；丝杠的上、下端分别通过上轴承座和下轴承座安装在小腿外壳的上部，丝杠能相对于两个轴承座转动，丝杠的下端与大腿驱动电机的输出轴相连；丝杠螺母滑动安装在丝杠上，连杆支座固定在丝杠螺母上；连杆的下端与连杆支座转动连接，连杆的上端与大腿外壳的下部转动连接；大腿外壳和小腿外壳上分别安装有腿部绑带。

所述腿部结构还包括滑块和直线导轨，连杆支座的一侧安装有多个滑块，每个滑块均与各自的直线导轨滑动连接，所有直线导轨均与小腿外壳的内侧面固连。

所述肩部支撑管包括粗钢管和细钢管，粗钢管的下端固定在背部支架的下部，细钢管的下端插装在粗钢管的上端，并通过锁紧机构实现粗钢管和细钢管之间的固定。

所述锁紧机构包括锁紧卡箍、调节螺杆和调节手柄；锁紧卡箍套装在粗钢管的上部，调节螺杆安装在锁紧卡箍上，调节手柄的一端铰接在调节螺杆的一端，调节手柄的另一端用于手握；转动调节手柄，实现锁紧卡箍的锁紧与松开。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明是一种全身外骨骼，不仅可以支撑穿戴者的下肢，还可以支撑穿戴者的手臂，尤其适用于半蹲位姿下需要抬手进行工作操作的情形，减小穿戴者自身的负担和肌肉酸痛。外骨骼的手臂不仅具有在水平面内的转动，还有具有在竖直面内的转动，使得穿戴者的手臂灵活性较强，活动范围更大，穿戴外骨骼不会影响正常的工作操作。

2.目前大多数外骨骼是通过电机进行驱动关节提供助力或者是通过气压、液压的方式提供助力，而本发明的外骨骼主要依靠自身的机械结构提供助力，髋部结构和肩部结构均利用棘轮机构无法反转的特点来提供支撑力，这种机械结构能够提供更大的助力，而且稳定性高。

3.本发明的外骨骼并非为一个整体，左半身与右半身是独立、分开的，这是为了保证其在运动时能够有较高的灵活性，能够使穿戴者移动至不同工位进行操作；同时为了保证外骨骼在辅助支撑时具有足够的稳定性，两个髋部结构之间通过插销形成刚性连接。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的腿部结构的示意图；

图3是本发明的腿部结构去掉大腿外壳、小腿外壳以及足部支撑板后的爆炸图；

图4是本发明的髋部结构与大腿外壳的连接示意图；

图5是本发明的背部支架、髋部棘轮、扶手、髋部弹簧在一个视角下的连接示意图；

图6是本发明的背部支架、髋部棘轮、扶手、髋部弹簧在另一个视角下的连接示意图；

图7是本发明的肩部结构与背部支架的连接示意图；

图8是本发明的手臂支撑板与肩部棘轮轴连接的爆炸图；

图中：1、腿部结构；2、髋部结构；3、肩部结构；4、背部支架；

101、足部支撑板；102、大腿驱动电机；103、小腿外壳；104、腿部绑带；105、大腿外壳；106、连杆；107、电机座；108、下轴承座；109、丝杠；110、直线导轨；111、滑块；112、上轴承座；113、连杆支座；114、丝杠螺母；

201、扶手；202、髋背转轴连接件；203、髋部棘爪；204、髋部棘轮；205、髋背连接轴；206、大腿外侧连接件；207、棘爪销轴；208、大腿内侧连接件；209、插销；210、髋部弹簧；

301、调节手柄；302、肩部棘爪轴；303、粗钢管；304、调节螺杆；305、锁紧卡箍；306、手臂支撑板；307、肩部棘轮轴；308、刚性绳；309、肩部连接件；310、弹簧座；311、肩部弹簧；312、铰链；313、推杆座；314、细钢管；315、肩部棘爪；316、直线电动推杆；317、肩部棘轮；

401、胸部绑带；

201-1、弧形槽；203-1、连接柱；208-1、凹槽。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对发明的技术方案进行详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。

本发明为一种辅助支撑的全身外骨骼(简称外骨骼，参见图1-8)，包括腿部结构1、髋部结构2、肩部结构3和背部支架4；两个腿部结构1的上端分别与各自的髋部结构2连接，背部支架4下端的两侧分别与各自的髋部结构2连接；两个肩部结构3的下端分别与背部支架4下端的两侧连接；背部之间4上设有胸部绑带401；

所述腿部结构1包括足部支撑板101、大腿驱动电机102、小腿外壳103、腿部绑带104、大腿外壳105、连杆106、电机座107、下轴承座108、丝杠109、上轴承座112、连杆支座113和丝杠螺母114；

所述小腿外壳103的下端与足部支撑板101固连，小腿外壳103的上端通过销轴与大腿外壳103的下端转动连接；大腿驱动电机102通过电机座107固定在小腿外壳103的下部，大腿驱动电机102的输出轴竖直向上，且平行于小腿外壳103的高度方向；丝杠109的上、下端分别通过上轴承座112和下轴承座108安装在小腿外壳103的上部，丝杠109通过轴承与两个轴承座转动连接，丝杠109的下端通过联轴器与大腿驱动电机102的输出轴相连；丝杠螺母114滑动安装在丝杠109上，连杆支座113固定在丝杠螺母114上，连杆106的下端通过销轴与连杆支座113转动连接，连杆106的上端通过销轴与大腿外壳103的下部转动连接；大腿驱动电机102带动丝杠109转动，使丝杠螺母114在丝杠109上滑动，丝杠螺母114在滑动的同时带动连杆106转动，进而使大腿外壳103相对于小腿外壳102转动，实现穿戴者的下蹲、起身动作以及在半蹲状态为穿戴者提供支撑力；所述大腿外壳105和小腿外壳103上分别安装有腿部绑带104，大腿外壳103上包裹有防滑材料，半蹲状态时穿戴者靠坐在大腿外壳103上，防滑材料依靠摩擦力对穿戴者提供部分向上的支撑力，减少穿戴者自身提供的力；

所述髋部结构2包括扶手201、髋背转轴连接件202、髋部棘爪203、髋部棘轮204、髋背连接轴205、大腿外侧连接件206、大腿内侧连接件208、插销209和髋部弹簧210；

大腿内侧连接件208和大腿外侧连接件206分别安装在大腿外壳103的内、外侧，髋背连接轴205通过髋背转轴连接件202固定在大腿外侧连接件206的侧面，髋部棘轮204转动连接在髋背连接轴205上，背部支架4的下端与髋部棘轮204的端面固连，通过髋部棘轮204的转动调节背部支架4的倾斜角度；扶手201的上端转动连接在髋背连接轴205上，扶手201的中部设有弧形槽201-1；棘爪销轴207固定在大腿外侧连接件206的下部，髋部棘爪203的下端与棘爪销轴207转动连接，髋部棘爪203的上端能与髋部棘轮204啮合；髋部弹簧210的一端与扶手201固连，另一端与大腿外侧连接件206固连；髋部棘爪203的下端伸出一个连接柱203-1，连接柱203-1与扶手201的弧形槽201-1配合；初始位置扶手201竖向向下，此时髋部棘爪203与髋部棘轮204啮合；当扶手201向上抬起时，首先髋部棘爪203的连接柱203-1卡在扶手201的弧形槽201-1的一个端部，扶手201继续向上抬起，带动髋部棘爪203顺时针转动(以左侧髋部结构为例，正视于外骨骼左侧的方向)，与髋部棘轮204脱离啮合，此时髋部弹簧210被拉伸，人体自身前倾或后仰，带动背部支架4转动，进而将背部支架4调整至合适的支撑位置；然后人松开扶手201，扶手201在髋部弹簧210的作用下落下，带动髋部棘爪203复位，与髋部棘轮204啮合，实现背部支架4与髋部结构2之间的固定；

其中一个髋部结构2的大腿内侧连接件208上设有凹槽208-1，另一个髋部结构2的大腿内侧连接件208通过销轴与插销209的一端转动连接，插销209的另一端能与另一个大腿内侧连接件208的凹槽208-1配合；由于外骨骼的两个腿部结构1是分开的，相互独立，因此外骨骼用于支撑人体助坐时，转动插销209，将插销209的另一端与另一个大腿内侧连接件208的凹槽208-1配合，使得两个腿部结构1之间形成刚性连接，可对人体进行稳定支撑；当插销209与另一个大腿内侧连接件208的凹槽208-1脱离配合，则两个腿部结构1之间相互独立，使用者能够行走；

所述肩部结构3包括肩部支撑管、手臂支撑板306、肩部连接件309、弹簧座310、肩部弹簧311、铰链312、直线电动推杆316、肩部棘爪315、肩部棘轮317和刚性绳308；

所述肩部支撑管的下端固定在背部支架4的下部，推杆座313固定在肩部支撑管的上端，直线电动推杆316固定在推杆座313上；铰链312的一端固定在推杆座313的一侧，另一端与肩部连接件309固连，在铰链312的作用下肩部连接件309可绕铰链312的转轴在水平面内转动，实现肩部结构3的手臂支撑板306的外扩与内收运动(水平面内的转动)，进而实现穿戴者肩部的外扩与内收运动；肩部连接件309的上部固定有肩部棘爪轴302，下部转动安装有肩部棘轮轴307，肩部棘爪315转动安装在肩部棘爪轴302上，实现肩部结构3的手臂支撑板306在竖直面内的转动，即实现穿戴者手臂在竖直面内的转动；肩部棘轮317和手臂支撑板306均转动安装在肩部棘轮轴307上，手臂支撑板306与肩部棘轮307的端面固连，肩部棘轮317能与肩部棘爪315啮合，手臂支撑板306上连接有手臂绑带；弹簧座310固定在肩部连接件309的顶部，肩部弹簧311的一端与弹簧座310固连，另一端与肩部棘爪315固连；刚性绳308的一端与直线电动推杆316的伸缩端固连，另一端从肩部弹簧311的中部穿过，与肩部棘爪315固连；当直线电动推杆316的伸缩端伸长，刚性绳308被拉紧，带动肩部棘爪315转动，使肩部棘爪315与肩部棘轮317脱离配合，此时手臂支撑板306能相对于肩部连接件309转动，带动肩部棘轮307转动，待转动至合适位置，直线电动推杆316的伸缩端缩短，刚性绳308被释放，肩部棘爪315在肩部弹簧311的作用下与肩部棘轮317啮合，即可实现手臂支撑板306的固定，对穿戴者的手臂起到支撑作用。

所述腿部结构1还包括滑块111和直线导轨110，连杆支座113的一侧安装有多个滑块111，每个滑块111均与各自的直线导轨110滑动连接，所有直线导轨110均与小腿外壳103的内侧面固连；丝杠螺母114在滑动的同时，带动滑块111沿着直线导轨110滑动，为丝杠螺母114提供支撑。

所述肩部支撑管包括粗钢管303和细钢管314，粗钢管303的下端固定在背部支架4的下部，细钢管314的下端插装在粗钢管303的上端，并通过锁紧机构实现粗钢管303和细钢管314之间的固定，细钢管314插入粗钢管303内的高度可调，实现肩部结构3的高度可调；推杆座313固定在细钢管314的上端。

所述锁紧机构包括锁紧卡箍305、调节螺杆304和调节手柄301；锁紧卡箍305套装在粗钢管303的上部，调节螺杆304安装在锁紧卡箍305上，调节手柄301的一端铰接在调节螺杆304的一端，调节手柄301的另一端用于手握；转动调节手柄301，实现锁紧卡箍305的锁紧与松开，高度调节原理和自行车座椅高度调节原理相同。

本发明的工作原理和工作流程是：

通过腿部绑带104和胸部绑带401将外骨骼穿戴在人身上，调节细钢管314插入粗钢管303内的高度，将肩部结构3调整至合适位置，通过手臂绑带将手臂支撑板306与穿戴者的手臂连接；

穿戴者通过自身手臂的力量带动肩部连接件309绕铰链312的转轴在水平面内转动，实现肩部的外扩与内收运动；当穿戴者需要调整手臂的位姿时，直线电动推杆316的伸缩端伸长，刚性绳308被拉紧，带动肩部棘爪315转动，使肩部棘爪315与肩部棘轮317脱离配合，此时穿戴者手臂依靠自身的力量转动，即可实现手臂支撑板306相对于肩部连接件309的转动，进而将手臂支撑板306调整至合适高度；然后直线电动推杆316的伸缩端缩短，刚性绳308被释放，肩部棘爪315在肩部弹簧311的作用下与肩部棘轮317啮合，实现手臂支撑板306的固定，对穿戴者的手臂起到支撑作用，该外骨骼可实现手臂支撑板306在任意位置的固定。

大腿驱动电机102带动丝杠109转动，丝杠螺母114在丝杠109上滑动，通过连杆106实现大腿外壳103相对于小腿外壳102的转动，实现穿戴者的下蹲、起身动作以及在半蹲状态为穿戴者提供支撑力。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种辅助支撑的全身外骨骼，包括腿部结构、髋部结构、肩部结构和背部支架；其特征在于，所述髋部结构包括扶手、髋背转轴连接件、髋部棘爪、髋部棘轮、髋背连接轴、大腿外侧连接件、大腿内侧连接件、插销和髋部弹簧；肩部结构包括肩部支撑管、手臂支撑板、肩部连接件、弹簧座、肩部弹簧、铰链、直线电动推杆、肩部棘爪、肩部棘轮和刚性绳；

2.根据权利要求1所述的辅助支撑的全身外骨骼，其特征在于，所述扶手的中部设有弧形槽，髋部棘爪的连接柱与弧形槽配合。

3.根据权利要求1所述的辅助支撑的全身外骨骼，其特征在于，所述腿部结构包括足部支撑板、大腿驱动电机、小腿外壳、腿部绑带、大腿外壳、连杆、电机座、丝杠、连杆支座和丝杠螺母；

4.根据权利要求3所述的辅助支撑的全身外骨骼，其特征在于，所述腿部结构还包括滑块和直线导轨，连杆支座的一侧安装有多个滑块，每个滑块均与各自的直线导轨滑动连接，所有直线导轨均与小腿外壳的内侧面固连。

5.根据权利要求1所述的辅助支撑的全身外骨骼，其特征在于，所述肩部支撑管包括粗钢管和细钢管，粗钢管的下端固定在背部支架的下部，细钢管的下端插装在粗钢管的上端，并通过锁紧机构实现粗钢管和细钢管之间的固定。

6.根据权利要求5所述的辅助支撑的全身外骨骼，其特征在于，所述锁紧机构包括锁紧卡箍、调节螺杆和调节手柄；锁紧卡箍套装在粗钢管的上部，调节螺杆安装在锁紧卡箍上，调节手柄的一端铰接在调节螺杆的一端，调节手柄的另一端用于手握；转动调节手柄，实现锁紧卡箍的锁紧与松开。