CN113771004A - 穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，包括腰环、胯环、多个随动连杆组件以及背架，所述随动连杆组件包括弹性被动伸缩杆、上铰链头和下铰链头，所述上铰链头上端与腰环以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰链头下端与弹性被动伸缩杆上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰链头下端与胯环以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰链头上端与弹性被动伸缩杆下端以水平轴线为中心转动配合；本发明通过背架、腰环、左半胯环和右半胯环并结合多个随动连杆组件构建多杆型多自由度适配于人体上半身的随动式穿戴式外骨骼结构，以随动连杆组件为执行机构，可在良好的传载条件下，被动适配于人体腰部以及肩部的所有动作姿态。

Description

穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置

技术领域

本发明属于穿戴式助力外骨骼机械技术领域，特别涉及一种穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置。

背景技术

穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置是一种可穿戴在操作者身体外部的一种机械装置，它可给穿戴外骨骼的人提供支撑、保护，及增强运动和负重能力。穿戴式外骨骼广泛应用于医疗康复以及工业生产应用等众多领域。

穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置中髋关节和腰杆机械结构直接影响使用者胯部位置和腰部位置的活动自由度，现有穿戴式外骨骼的腰部和胯部机械结构，一般是传统的转动型关节，通常为三个转动副和基本刚性的支撑腰杆，关节自由度不足，与胯部和腰部实际运动匹配性交叉，难以适应使用者复杂胯部和腰部动作需要，存在较大的约束反力，造成了人机匹配障碍。

因此，为解决以上问题，需要一种穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，通过多杆联动在维持良好穿戴匹配性的基础上，最大限度的贴合人体上半身的实际运动，利于适应使用者复杂胯部、腰部和肩部动作需要，利于提高人机匹配性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，通过多杆联动在维持良好穿戴匹配性的基础上，最大限度的贴合人体上半身的实际运动，利于适应使用者复杂胯部、腰部和肩部动作需要，利于提高人机匹配性能。

本发明的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，包括用于与腰部配合的腰环、用于与胯部配合的胯环、连接于腰环和胯环之间的多个随动连杆组件以及用于穿戴于肩部的背架，所述背架设置于腰环的上方并与腰环连接，所述随动连杆组件包括弹性被动伸缩杆、上铰链头和下铰链头，所述上铰链头上端与腰环以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰链头下端与弹性被动伸缩杆上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰链头下端与胯环以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰链头上端与弹性被动伸缩杆下端以水平轴线为中心转动配合。

进一步，所述背架与腰环之间通过多个随动作动器连接，所述随动作动器包括弹性被动伸缩柱、上铰接头和下铰接头，所述上铰接头上端与背架以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰接头下端与弹性被动伸缩柱上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰接头下端与腰环以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰接头上端与弹性被动伸缩柱下端以水平轴线为中心转动配合。

进一步，所述弹性被动伸缩杆和弹性被动伸缩柱均包括外筒、可滑动内套于外筒内的内杆以及连接于内杆与外筒内腔底部之间的弹性件。

进一步，所述胯环包括左半胯环以及右半胯环，所述左半胯环和右半胯环呈C状结构用于适形围抱于胯部左右侧。

进一步，所述腰环包括腰带以及固定于腰带上的多个安装节，所述上铰链头和下铰接头可转动安装于安装节上。

进一步，所述随动连杆组件设置有两组，两组所述随动连杆组件分别连接于腰环与左半胯环之间以及腰环与右半胯环之间。

进一步，所述背架包括呈倒置U形的左肩架和右肩架以及连接于左肩架和右肩架背部之间的背板，所述随动作动器设置有三组，三组所述随动作动器分别连接于左肩架与腰环之间、右肩架与腰环之间以及背板与腰环之间。

进一步，每组随动连杆组件中至少包括六根随动连杆组件，两组随动连杆组件围绕腰环呈环形布置且相邻随动连杆组件两两呈V形布局。

进一步，每组随动作动器中包括两根随动作动器，两根所述随动作动器呈V形布置。

进一步，所述腰环还包括锁扣，所述锁扣设置于腰带上用于调节腰带松紧，所述胯环下位于左右侧的位置连接有侧板。

本发明的有益效果：

本发明通过背架、腰环、左半胯环和右半胯环并结合多个随动连杆组件和多个随动作动器构建多杆型多自由度适配于人体上半身的随动式穿戴式外骨骼结构，以随动连杆组件和随动作动器为执行机构，可被动适配于人体腰部以及肩部的所有动作姿态，并且在保持机械结构良好的人机匹配前提下，可实现背部至腰腿间良好的传载能力和足够的灵活性；

本发明的姿态控制装置可作为穿戴式外骨骼系统的上半身，可保持机械腿部结构与躯干间良好的载荷传递能力和运动自由度，在保证良好的人体贴合度、舒适性和传载能力的基础上，实现良好的人机匹配特性，具有良好的人机功效和准确的仿生行动能力，为穿戴式外骨骼助力系统，提供良好的腰腿过渡机构；

本发明通过可打开的腰环以及呈左右围抱状的左、右半胯环用于贴合于使用者的腰部和胯部位置，构建圆环形合围腰环结构以及C型半合围胯环结构，而且多杆协同机构构成内部C型空心结构，以容纳人体胯部、方便穿戴；腰带的整体性和可开闭性，方便穿戴，并维持穿戴条件下的结构稳定性，锁扣为腰带的闭锁结构，闭锁状态下时腰带与人体腰部贴合，维持腰带结构的相对刚性；保持机械结构与人体的良好贴合特性，基于多个随动连杆组件，实现关节位置虚化和可调节性，具有良好的人机功效和准确的仿生行动能力；

本发明通过构建多杆型多自由度背负传载系统，以刚性背架为背负系统的结构定型装置，通过多杆协同构建多自由度虚拟脊柱，保持背负系统随穿戴者身体姿态跟随运动并始终维持良好的承载性能，而且背负系统承重时，受力可通过背架、随动作动器、腰环、随动连杆组件传递至胯环处进而传递至机械腿处，从而使人体体感负重降低，更好应用于高强度负重场景，提高使用者的负重能力，维持从背负系统到胯部直至机械腿的载荷传递能力和系统稳定性能，维持良好的传载能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明结构示意图；

图2为正视结构示意图；

图3为局部结构示意图；

图4为图3的俯视结构示意图；

图5为图3的仰视结构示意图；

图6为随动连杆组件实施例1结构示意图；

图7为图6的剖视结构示意图；

图8为随动连杆组件实施例2结构示意图；

具体实施方式

如图所示：本实施例的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，包括用于与腰部配合的腰环1、用于与胯部配合的胯环2、连接于腰环和胯环之间的多个随动连杆组件3以及用于穿戴于肩部的背架4，所述背架4设置于腰环1的上方并与腰环1连接，所述随动连杆组件包括弹性被动伸缩杆、上铰链头3a和下铰链头3b，所述上铰链头3a上端与腰环1以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰链头下端与弹性被动伸缩杆上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰链头3b下端与胯环2以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰链头3b上端与弹性被动伸缩杆下端以水平轴线为中心转动配合。

Z向与竖向方向一致，水平面为垂直于Z向方向的平面，结合图1所示，腰环用于套在使用者的腰部，胯环用于贴合于使用者的胯部，其中上铰链头3a上端为呈柱状的铰链杆头，该杆头竖向贯穿在腰环的上装配孔内并与上装配孔转动配合，与上铰链头3a类似的，下铰链头3b的下端为呈柱状的铰链杆头，该杆头竖向贯穿在胯环的下装配孔内并与下装配孔转动配合；随动连杆组件为弹性伸缩式结构，该结构受外力后可被动弹性伸缩；随动连杆组件的上下端可通过上铰链头和下铰链头相对腰环和胯环水平转动进而调节随动连杆组件的朝向，同时随动连杆组件还可摆动以改变随动连杆组件的倾斜方向；

背架4可以设置类似背心结构，背架4优选采用半柔性皮革材质，背架穿戴于人体肩部，提高整个装置的穿戴稳定性，同时也可对腰环1具有向上的拉力，提高腰环的稳定性，通过背架、腰环和胯环以及随动连杆组件构成了适配于人体上半身的随动式穿戴式外骨骼结构，而且该装置可匹配使用者弯腰、扭腰等腰部的所有动作，例如使用者向前弯腰时，首先各个随动连杆组件上下端会通过相应的铰链头转动以适配人体姿态，而后位于前侧的随动连杆组件被压缩，位于后侧的随动连杆组件被拉长使得腰环与胯环的姿态与人体弯腰的姿态形匹配，同理，当使用者向后弯腰或者侧向弯腰时，不同位置的随动连杆组件分别被压缩和拉长以适配不同的弯腰姿态；当使用者扭腰时，其中有随动连杆组件被拉长、与该随动连杆组件相邻的随动连杆组件被压缩，使得腰环相对胯环转动进而适配扭腰姿态；而且当人体腰背部承重时，受力可通过腰环、随动连杆组件传递至胯环处，利于保护人体腰部，胯环与仿生机械腿连接的话，则受力通过胯环直接传递至机械腿上，从而使人体体感负重降低，更好应用于高强度负重场景，提高使用者的负重能力，同时节省体力；该结构的虚拟髋关节结构可匹配穿戴式外骨骼系统，可保持机械腿部结构与躯干间良好的载荷传递能力和运动自由度，在保证良好的人体贴合度、舒适性和传载能力的基础上，实现良好的人机匹配特性，具有良好的人机功效和准确的仿生行动能力，为穿戴式外骨骼助力系统，提供良好的腰腿过渡机构，该装置为被动式穿戴外骨骼装置，随人体运动随动运动，传载能力好，具有较好的外骨骼承载能力。

本实施例中，所述背架4与腰环1之间通过多个随动作动器5连接，所述随动作动器包括弹性被动伸缩柱、上铰接头5a和下铰接头5b，所述上铰接头5a上端与背架4以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰接头5a下端与弹性被动伸缩柱上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰接头5b下端与腰环1以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰接头5b上端与弹性被动伸缩柱下端以水平轴线为中心转动配合。结合图1所示，随动作动器5与随动连杆组件3的运行原理类似，此处不再赘述；通过多个随动作动器适配于肩部相对腰部的所有动作，而且通过随动作动器利于维持从背架到胯部直至机械腿的载荷传递能力和系统稳定性能，维持良好的传载能力。

本实施例中，所述弹性被动伸缩杆和弹性被动伸缩柱均包括外筒3c、可滑动内套于外筒内的内杆3d以及连接于内杆与外筒内腔底部之间的弹性件3e。以弹性被动伸缩杆为例进行说明，结合图6和图7所示，所述外筒和内杆的端部各设置有一个连接端，两连接端分别作为被动弹性被动伸缩杆的上下端，两连接端分别与上铰链头3a和下铰链头3b转动配合；弹性件采用圆柱螺旋弹簧，弹性件起拉伸回位作用，弹性被动伸缩杆缩短时，弹性件处于压缩状态，弹性被动伸缩杆伸长时，弹性件处于拉伸状态；被动弹性被动伸缩杆的压缩行程较短、拉伸行程较长，内杆在压缩载荷下弹性件被压至极限位置时进入压缩死点，呈现不可压缩的刚性结构，在拉伸载荷下具有较大拉伸行程，外筒上可设置锁止结构用于限制内杆的最大拉伸行程，防止内杆脱出，该锁止结构可采用锁止销配合限位槽的结构，其中锁止销固定在外筒上并凸出于外筒的内圆，限位槽轴向开设于内杆上，锁止销伸至限位槽内，当内杆向外伸长，限位槽的端部与锁止销碰撞后，达到内杆的最大拉伸行程，当然，锁止结构也可采用其他的已知结构，此处不再赘述；

结合图8所示，为弹性被动伸缩杆另一个实施例，其中外筒3c上端开口，该开口端螺纹连接有上接头3e，上铰链头3a转动配合安装于上接头上，内杆3d从外筒下端穿出并与下接头3f螺纹连接，其中下铰链头3b转动配合安装于下接头3f上，内杆3d的上端连接有活塞压盘3g，内杆的直径小于外筒的内径，活塞压盘的外径与外筒的内径适配，活塞压盘与内筒轴向滑动配合，活塞压盘与内筒底部之间通过弹性件3e连接，该弹性件同样采用圆柱螺旋弹簧，该结构的弹性被动伸缩杆在缩短时，弹性件处于拉伸状态，弹性被动伸缩杆在伸长时，弹性件处于压缩状态，图8中对应的弹性被动伸缩杆处于压缩极致位置，此时活塞压盘3g抵在上接头3e上，进入压缩死点，呈现不可压缩的刚性结构，利于通过随动连杆组件实现腰环至胯环的载荷传递能力；

其中弹性被动伸缩柱的结构与弹性被动伸缩杆的结构相同，此处不再赘述，本实施例中优选图8对应的结构作为弹性被动伸缩柱和弹性被动伸缩杆，该结构的被动弹性被动伸缩杆可适配于人体肩部、腰部和胯部的相对动作，被动弹性被动伸缩杆在压缩方向受限于外筒和内杆的刚性结构，具有良好的承载能力，多杆协同工作可保证外骨骼背架与与腰环之间以及外骨骼腰环至胯环之间伸至胯环至机械腿之间具有良好载荷传递性能，被动弹性被动伸缩杆在伸展方向的可拉伸和回位特性，使多杆协同动作形成的运动关节能够根据外部穿戴者的运动输入被动调整关节的角度和位置，被动实现人机匹配。

本实施例中，所述胯环2包括左半胯环2a以及右半胯环2b，所述左半胯环和右半胯环呈C状结构用于适形围抱于胯部左右侧。结合图3和图5所示，左半胯环和右半胯环呈左右围抱状用于贴合于使用者的胯部位置，构建C型半合围结构，具有良好的人体贴合度和极佳的人机匹配性能，基于多个随动连杆组件，实现关节位置虚化和可调节性，具有良好的人机功效和准确的仿生行动能力。

本实施例中，所述腰环1包括腰带1a以及固定于腰带上的多个安装节1b，所述上铰链头3a和下铰接头5b可转动安装于安装节上。结合图3和图4所示，腰带采用半柔性腰带，其可以采用塑料或者皮革材质，各安装节径向向外凸出于腰带，其中安装节采用金属或者硬质塑料材质，安装节上竖向开设有装配孔，其中上铰链头通过该装配孔转动配合安装于腰带上，安装节与腰带之间通过四颗螺钉可拆卸连接，通过腰带配合安装节的结构，既满足腰环的柔性穿戴要求，同时也满足上铰链头的刚性安装需求。

本实施例中，所述随动连杆组件3设置有两组，两组所述随动连杆组件分别连接于腰环与左半胯环之间以及腰环与右半胯环之间。结合图3所示，两组随动连杆组件分别位于使用者腰部的左右两侧，该结构的设置适配于C型半合围状的胯环结构，提高人机匹配性能。

本实施例中，所述背架4包括呈倒置U形的左肩架4a和右肩架4b以及连接于左肩架4a和右肩架4b背部之间的背板4c，所述随动作动器5设置有三组，三组所述随动作动器5分别连接于左肩架4a与腰环1之间、右肩架4b与腰环1之间以及背板4c与腰环1之间。结合图1所示，通过该结构的背架适配于人体肩部位置，便于整个控制装置的穿戴，另外通过三组随动作动器的连接，保证背架与腰环之间良好的支撑和连接性能，同时保证良好的人体贴合度、舒适性和传载能力的基础上，实现良好的人机匹配特性。

本实施例中，每组随动连杆组件3中至少包括六根随动连杆组件，两组随动连杆组件围绕腰环呈环形布置且相邻随动连杆组件两两呈V形布局。结合图1所示，本实施例中，每组随动连杆组件设置有六根，两两呈V形布局，其中一个随动连杆组件与左侧相邻的随动连杆组件呈V形结构，则该随动连杆组件与右侧相邻的随动连杆组件必然呈倒置V形结构，当然，相邻随动连杆组件的布局呈大致V形即可，此处V形布局结构不限定相邻两个随动连杆组件的近端相接触，相邻两个随动连杆组件的近端的距离小于相邻两个随动连杆组件的远端距离，即为V形布局结构；结合图3所示，左半胯环和右半胯环上各开设有六个与下铰链头3b匹配的下装配孔，各下装配孔呈2-2-2布局，两个一组，一共三组，结合图2所示，腰环上开设有十二个与上铰链头3a匹配的上装配孔，在腰环左右对称分别开设有六个上装配孔，六个上装配孔呈1-2-2-1布局，且在在整环上呈2-2-2-2-2-2布局，两个一组，共六组，其中位于后固定段1a的后侧以及左右两侧各设置有一组上装配孔，在左开合段1b的左侧和右开合段1c的右侧各设置有一组上装配孔，在左开合段1b的前侧和右开合段1c的前侧各开设有一个上装配孔，且二者构成一组上装配孔；每组下装配孔与每组上装配孔在周向方向交错设置，以使得随动连杆组件两两呈V形布局；通过两两呈V型布局的多连杆结构，构建多自由度髋关节装置，可适配于人体腰部的所有动作姿态，并且在保持机械结构良好的人机匹配前提下，可实现腰腿间良好的传载能力和足够的灵活性。

本实施例中，每组随动作动器5中包括两根随动作动器，两根所述随动作动器呈V形布置。其中一组随动作动器中，两根随动作动器分别连接于左肩架前端与腰环1之间以及左肩架后端与腰环1之间，另一组随动作动器中，两根随动作动器分别连接于右肩架前端与腰环1之间以及右肩架后端与腰环1之间，第三组随动作动器5中，两根随动作动器连接于背板左侧与腰环1之间以及背板右侧与腰环1之间，三组随动作动器均呈上大下小的V形布置方式，以适配背架4和腰环的结构；而且通过六个随动作动器V形布置方式适配于肩部相对腰部的所有动作，通过构建多杆型多自由度背负传载系统，以刚性背架为背负系统的结构定型装置，通过多杆协同构建多自由度虚拟脊柱，保持背负系统随穿戴者身体姿态跟随运动并始终维持良好的承载性能，而且背负系统承重时，受力可通过背架、随动作动器、腰环、随动连杆组件传递至胯环处，从而使人体体感负重降低，更好应用于高强度负重场景，提高使用者的负重能力，维持从背负系统到胯部直至机械腿的载荷传递能力和系统稳定性能，维持良好的传载能力。

本实施例中，所述腰环1还包括锁扣1c，所述锁扣1c设置于腰带1a上用于调节腰带松紧，所述胯环2下位于左右侧的位置连接有侧板2c。腰带为非闭合环结构，其前部位置为开口结构，锁扣安装于该开口结构处并使得开口闭合或打开，使得腰带可整体形成闭合结构穿戴于腰部，锁扣可采用螺纹紧固或者其他现有的皮带锁扣结构，通过锁扣调节腰环的松紧，以便于人体穿戴；半柔性腰带的整体性和可开闭性，方便穿戴，并维持穿戴条件下的结构稳定性。腰带锁扣为半柔性腰带的闭锁结构，闭锁状态下时腰带与人体腰部贴合，维持腰带结构的相对刚性。结合图1所示，左半胯环2a和右半胯环2b下各连接有侧板，侧板侧向挡于人体胯部，实现良好的人机匹配特性，同时该侧板也作为预留位置用于安装机械腿。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：包括用于与腰部配合的腰环、用于与胯部配合的胯环、连接于腰环和胯环之间的多个随动连杆组件以及用于穿戴于肩部的背架，所述背架设置于腰环的上方并与腰环连接，所述随动连杆组件包括弹性被动伸缩杆、上铰链头和下铰链头，所述上铰链头上端与腰环以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰链头下端与弹性被动伸缩杆上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰链头下端与胯环以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰链头上端与弹性被动伸缩杆下端以水平轴线为中心转动配合。

2.根据权利要求1所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述背架与腰环之间通过多个随动作动器连接，所述随动作动器包括弹性被动伸缩柱、上铰接头和下铰接头，所述上铰接头上端与背架以Z向轴线为中心转动配合，所述上铰接头下端与弹性被动伸缩柱上端以水平轴线为中心转动配合，所述下铰接头下端与腰环以Z向轴线为中心转动配合，所述下铰接头上端与弹性被动伸缩柱下端以水平轴线为中心转动配合。

3.根据权利要求2所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述弹性被动伸缩杆和弹性被动伸缩柱均包括外筒、可滑动内套于外筒内的内杆以及连接于内杆与外筒内腔底部之间的弹性件。

4.根据权利要求1所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述胯环包括左半胯环以及右半胯环，所述左半胯环和右半胯环呈C状结构用于适形围抱于胯部左右侧。

5.根据权利要求2所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述腰环包括腰带以及固定于腰带上的多个安装节，所述上铰链头和下铰接头可转动安装于安装节上。

6.根据权利要求4所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述随动连杆组件设置有两组，两组所述随动连杆组件分别连接于腰环与左半胯环之间以及腰环与右半胯环之间。

7.根据权利要求2所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述背架包括呈倒置U形的左肩架和右肩架以及连接于左肩架和右肩架背部之间的背板，所述随动作动器设置有三组，三组所述随动作动器分别连接于左肩架与腰环之间、右肩架与腰环之间以及背板与腰环之间。

8.根据权利要求6所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：每组随动连杆组件中至少包括六根随动连杆组件，两组随动连杆组件围绕腰环呈环形布置且相邻随动连杆组件两两呈V形布局。

9.根据权利要求7所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：每组随动作动器中包括两根随动作动器，两根所述随动作动器呈V形布置。

10.根据权利要求5所述的穿戴型随动助力外骨骼身体姿态控制装置，其特征在于：所述腰环还包括锁扣，所述锁扣设置于腰带上用于调节腰带松紧，所述胯环下位于左右侧的位置连接有侧板。

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