CN113829333A - 一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，具有由大腿杆、小腿杆与脚部连杆构成的外骨骼本体机构。外骨骼本体机构固定于人体腿部，由大腿杆顶部坐垫结构对人体大腿根部支撑。同时，增加辅助支撑装置，改辅助支撑装置在人体站立时，改装置中接地的连接杆受弹簧牵引处于收缩状态，此时装置底端与地面不接触；当人体蹲坐时，连接杆受推力作用会逐渐展开，展开后与地面接触，实现对人体的辅助支撑。本发明克服了目前外骨骼座椅存在的调节不便、支撑稳定性有待提高、易发生干涉等问题。

Description

一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅机构，可应用于工业装配领域。

背景技术

在装配场合中，操作工人经常需要长时间站立或者保持半蹲的姿势来完成任务，这不仅严重影响了装配过程的效率和质量，还给工人带来了很多健康问题，极易诱发职业性肌肉骨骼疾患WMSDs。近年来，随着机器人技术的快速发展，越来越多的辅助型外骨骼机器人不断涌现。为解决上述问题，可穿戴座椅式外骨骼应运而生，它在为工人提供长时间静态支撑的同时还具有便携性的特点。

然而当前的外骨骼座椅仍然存在一些问题，在支撑性能方面，穿戴者在使用时不易形成稳定支撑，有可能产生向后倾倒的趋势，且多数外骨骼座椅未考虑坐姿调节问题；在穿戴舒适性方面，不当的尺寸设计可能会导致在行走时发生干涉。

发明内容

本发明为了克服目前外骨骼座椅存在的调节不便、支撑稳定性有待提高、易发生干涉等问题，提供了一种无源的增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅机构。

本发明增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，包括由大腿杆、小腿杆与脚部连杆构成的外骨骼本体机构以及一套辅助支撑机构。

所述外骨骼本体机构固定于人体腿部；其中，大腿杆顶端安装坐垫结构对人体大腿根部支撑。小腿杆顶部与大腿杆底部之间相连形成转动副。小腿杆底部连接脚部连杆形成转动副。

所述大腿杆与小腿杆间安装有可控气弹簧机构；可控气弹簧机构伸缩端与小腿气弹簧连接件相连形成转动副，小腿气弹簧连接件固定于小腿杆上段安装的长导轨的滑块上，沿小腿杆轴向滑动；可控气弹簧机构的机体端与大腿气弹簧连接件相连形成转动副，大腿气弹簧连接件固定于大腿杆上，通过对可控气弹簧的手动控制，实现对大腿杆与小腿杆间的夹角进行调节。

所述辅助支撑机构包括支撑曲柄、连接杆、辅助导轨、辅助连接件与并联拉伸弹簧。其中，辅助导轨安装于小腿杆下段，辅助导轨的滑块上固定安装辅助连接件，辅助连接件中部设计有连接座，连接杆上端与连接座间连接形成转动副；连接杆下端与支撑曲柄末端连接形成转动副；支撑曲柄前端与小腿长度调节杆底端连接形成转动副。并联拉伸弹簧为两根，分别位于小腿杆左右两侧；两根并联拉伸弹簧一端分别连接于小腿杆左右两侧设计的连接头上，另一端分别固定于辅助连接件的连接座左右两侧上设计的连接头上；且在并联拉伸弹簧的拉力下，辅助连接件的连接座上部可由小腿杆上凸台上设计的开孔处穿过，此时辅助支撑机构的连接座与凸台接触，整体辅助支撑机构处于收缩状态，辅助支撑调节杆末端位置高于小腿长度调节杆末端，在小腿长度调节杆末端触底时不会与人以及地面发生干涉。

上述结构的增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，具有人穿戴行走和人穿戴蹲坐两种工作状态：

在人穿戴外骨骼座椅进行行走运动时，在并联拉伸弹簧的拉力下，辅助支撑机构整体处于收缩状态，辅助支撑调节杆末端橡胶脚套不会与人以及地面发生干涉；且长导轨滑块在长导轨内滑动，此时与长导轨滑块相连的小腿气弹簧连接件未与小腿杆上的凸台以及辅助连接件接触，外骨骼通过由长导轨滑块与长导轨的移动副，被动地跟随人体运动。

在人穿戴外骨骼座椅蹲坐时，长导轨滑块在长导轨内滑动，使小腿气弹簧连接件接触并推动辅助连接件以及辅助导轨滑块在辅助导轨内滑动，直到小腿气弹簧连接件接触小腿杆的凸台形成限位，此过程中辅助支撑机构逐渐伸展，辅助支撑调节杆末端和小腿长度调节杆的脚部机构连接轴末端均与地面接触，共同形成支撑。

本发明的优点在于：

(1)本发明可穿戴外骨骼座椅机构，其可以通过人为控制可控气弹簧的长度来无极调整穿戴者在使用外骨骼时坐姿的高度；

(2)本发明可穿戴外骨骼座椅机构，增加了一种辅助支撑机构，当穿戴者在使用外骨骼提供蹲坐支撑时，辅助支撑机构处于伸展状态，扩大了穿戴者在使用外骨骼提供蹲坐支撑时的支撑面范围，提高了支撑的稳定性；当穿戴者穿戴外骨骼行走时，辅助支撑机构处于收缩状态，不与地面及人发生干涉。

附图说明

图1是本发明可穿戴外骨骼座椅的总体结构示意图。

图2是本发明可穿戴外骨骼座椅在穿戴者行走时的工作示意图。

图3是本发明可穿戴外骨骼座椅在穿戴者蹲坐时的工作示意图。

图中：

1-外骨骼本体机构 2-可控气弹簧机构 3-辅助支撑机构

101-大腿杆 102-大腿长度调节杆 103-坐垫结构

104-小腿杆 105-小腿长度调节杆 106-凸台

107-足部固定板 108-脚部连杆 201-长导轨

202-小腿气弹簧连接件 203-大腿气弹簧连接件 204-可控气弹簧

301-支撑曲柄 302-连接杆 303-支撑机构调节杆

304-辅助导轨 305-辅助连接件 306-并联拉伸弹簧

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，如图1所示，包括外骨骼本体机构1、可控气弹簧机构2与辅助支撑机构3。其中，外骨骼本体机构1为腿部及臀部支撑框架，包括大腿机构、小腿机构、与脚部机构。

所述大腿机构包括大腿杆101、大腿长度调节杆102、坐垫结构103。大腿杆101前侧面具有沿大腿杆1-2轴向设计的凹槽，使大腿杆101截面呈U型，采用此种结构大腿杆101便于其他部件的连接以及结构上的减重。大腿杆101底端设计有连接头用于连接小腿机构。

大腿长度调节杆102嵌入安装于大腿杆101前侧面凹槽内，外壁周向上与凹槽内壁间间隙配合，可沿大腿杆101轴向移动。大腿长度调节杆102与大腿杆101间的定位，通过大腿杆101的凹槽左右两侧沿大腿杆101轴向设计的多组位置相对的大腿长度调节定位孔，与大腿长度调节杆102上设计的定位配合孔相互配合，通过螺栓固定实现。

上述大腿长度调节杆102前侧面同样设计有沿大腿长度调节杆102轴向设计的凹槽，使大腿长度调节杆102截面呈U型。大腿长度调节杆102嵌入安装后，其前侧面位置高于大腿杆101前侧面，使大腿长度调节杆102左右两侧具有与大腿杆101左右两侧不重合部分，进而在该不重合部分上，沿大腿长度调节杆102轴向设计有位置相对的两组坐垫定位轴孔，用于安装坐垫结构103，且不影响大腿长度调节杆102的移动。

坐垫结构103具有顶部支撑座，以及支撑座下表面后方中部设计一个连接块；该连接块内嵌于大腿长度调节杆102的凹槽内。连接块上沿大腿长度调节杆102轴向开有两个坐垫定位配合轴孔，分别与大腿长度调节杆102上的两组坐垫定位轴孔配合，由螺钉将两者固定，实现坐垫结构103与大腿长度调节杆102间的固定。坐垫结构103固定后，其支撑座平面与大腿杆101平行。在工作时坐垫结构103直接与人体接触，因此坐垫结构103末端设计为向内弯曲的弧面，以增大外骨骼在蹲坐状态时与穿戴者的接触面积，提高舒适性。上述坐垫结构103的支撑座左右两侧穿孔，穿孔处连接系绳用于与人体大腿间绑缚固定；同时坐垫结构103的支撑座末端穿孔，穿孔处系绳用于与人体腰部佩戴的腰带绑缚固定；由此实现支撑座与人体大腿间的固定。上述腰带与系绳之间的连接方式可设计为卡扣连接或其他连接方式。

所述小腿机构包括小腿杆104与小腿长度调节杆105。其中，小腿杆104的上端开有膝部冠状轴孔，与大腿杆101底端连接头上设计的膝部冠状轴孔对应连接，形成转动副。小腿杆104后侧面上设计有凸台106，由凸台106将小腿杆104后侧划分为后侧上段与后侧下段两部分，分别用来安装可控气弹簧机构2与辅助支撑机构3。

小腿杆104的底部前侧面沿小腿杆104轴向开槽，小腿长度调节杆105嵌入安装于小腿杆101前侧面凹槽内，外壁周向上与凹槽内壁间间隙配合，可沿小腿杆104轴向移动。小腿长度调节杆105与小腿杆104间的定位，通过小腿杆104的凹槽左右两侧沿小腿杆104轴向设计的多组位置相对的小腿长度调节定位孔，与小腿长度调节杆105上设计的定位配合孔相互配合，通过螺栓固定实现。

所述脚部机构具有足部固定板107与脚部连杆108。其中，脚部连杆108末端设计轴孔与小腿长度调节杆105底端端面设计的脚部机构连接轴间连接，形成转动副。脚部连杆108前端固连足部固定板107，该足部固定板107上纵向设计有两个穿孔，用于穿过系绳，系绳用于捆绑人体足部，实现脚部机构与人体足部间的固定。所述可控气弹簧机构2可实现大腿机构与小腿机构间的夹角控制，作为人体的主支撑机构，包括长导轨201、小腿气弹簧连接件202、大腿气弹簧连接件203与可控气弹簧204。其中，长导轨201沿小腿杆104轴向设置，通过螺栓固定安装于小腿杆104的后侧上段，长导轨201上滑动连接有长导轨滑块。小腿气弹簧连接件202与大腿气弹簧连接件203分别固定安装于长导轨滑块与大腿杆101后侧面上，两者之间设置可控气弹簧204。可控气弹簧204的机体端端部设计轴孔与小腿气弹簧连接件202上设计的轴孔对应连接，形成转动副；可控气弹簧204的伸缩端端部轴孔与大腿气弹簧连接件204上的轴孔对应连接，形成转动副。可控气弹簧204一侧具有控制开关，当触发开关时，可控气弹簧204的伸缩端可在机体端内沿其轴线方向滑移；当未触发开关时，可控气弹簧204的伸缩端相对于机体端固定，不能产生相对运动。由此通过对可控气弹簧204的手动控制，实现对大腿机构与小腿机构间的夹角进行调节。

所述辅助支撑机构3作为人体的辅助支撑，包括支撑曲柄301、连接杆302、辅助支撑调节杆303、辅助导轨304、辅助连接件305与并联拉伸弹簧306。其中，辅助导轨304沿小腿杆104轴向设置，通过螺栓固定于小腿杆104的后侧下段，辅助导轨304上滑动连接有辅助导轨滑块。辅助导轨滑上通过螺栓固定安装辅助连接件305，辅助连接件305中部设计有连接座，连接座上开有轴孔，与连接杆302上端设计的轴孔对应连接，形成转动副。连接杆302上沿轴向设计有凹槽，辅助支撑调节杆303嵌入安装于连接杆302上的凹槽内，外壁周向上与凹槽内壁间间隙配合，可沿连接杆302轴向移动。辅助支撑调节杆303与连接杆302间的定位，通过连接杆302的凹槽左右两侧沿连接杆302轴向设计的多组位置相对的辅助支撑调节定位孔，与辅助支撑调节杆303上设计的定位配合孔相互配合，通过螺栓固定实现。连接杆302下端设计轴孔，与支撑曲柄301末端设计的轴孔对应连接，形成转动副。支撑曲柄301前端设计轴孔与小腿长度调节杆105底端设计的轴孔对应连接，形成转动副。并联拉伸弹簧306为两根，分别位于小腿杆105的左右两侧；两根并联拉伸弹簧306一端分别连接于小腿杆105左右两侧设计的连接头上的小孔处，另一端分别固定于辅助连接件305的连接座左右两侧上设计的连接头上的小孔处；且在并联拉伸弹簧306的拉力下，辅助连接件305位于连接座上方部分可由小腿杆104上凸台106上设计的开孔处穿过，此时辅助支撑机构3的连接座与凸台106接触，整体辅助支撑机构3处于收缩状态，辅助支撑调节杆303末端位置高于小腿长度调节杆105末端，在小腿长度调节杆105末端触底时不会与人以及地面发生干涉。

上述小腿长度调节杆105和辅助支撑调节杆303的末端套有橡胶脚套，以提高耐磨性，同时小腿长度调节杆105末端橡胶脚套还起到对脚部机构的轴向限位。

本发明可穿戴外骨骼座椅机构的穿戴及工作方式为：

A、穿戴方式

整体设置于人体腿部后侧，将坐垫结构103后部两侧系绳捆绑固定于人体腰部，支撑座左右两侧的系绳捆绑固定于人体大腿，通过坐垫结构103的支撑座与大腿根部固定形成支撑；同时将脚部机构中连接块上的系绳捆绑固定于人体足部。

在使用过程中，穿戴者可以根据身高等生理特征，调节大腿长度调节杆102、小腿长度调节杆105以及辅助支撑调节杆303的固定位置，从而使得外骨骼座椅可以适应不同人的需求。

B、工作方式

本发明可穿戴外骨骼座椅可分为人穿戴行走和人穿戴蹲坐两种工作状态。

如图2所示，在人穿戴外骨骼座椅进行行走运动时，在并联拉伸弹簧306的拉力下，辅助支撑机构3整体处于收缩状态，辅助支撑调节杆303末端橡胶脚套不会与人以及地面发生干涉；且长导轨滑块在长导轨201内滑动，此时与长导轨滑块相连的小腿气弹簧连接件202未与小腿杆105上的凸台106以及辅助连接件305接触，外骨骼通过由长导轨滑块与长导轨201的移动副，被动地跟随人体运动；此过程中可控气弹簧204长度保持不变。由于可控气弹簧由控制开关进行控制，在未触发开关的情况下，伸缩端相对于机体端固定，人在行走过程中是不会触碰开关的，因此整个可控气弹簧204长度保持不变。当人在穿戴外骨骼坐下之后，如果想调整坐姿，便可手动就触碰开关，此时可控气弹簧伸缩端相对于机体端可以滑移，因此可以实现调整。

如图3所示，在人穿戴外骨骼座椅蹲坐时，长导轨滑块在长导轨201内滑动，使小腿气弹簧连接件202接触并推动辅助连接件305以及辅助导轨滑块在辅助导轨304内滑动，直到小腿气弹簧连接件202接触小腿杆104的凸台106形成限位，此过程中辅助支撑机构3中的连接杆302顺时针旋转，辅助支撑机构3处于伸展状态，辅助支撑调节杆303末端和小腿长度调节杆105的脚部机构连接轴末端均与地面接触，共同形成支撑，扩大了支撑面的范围，提高了支撑稳定性。此过程中坐姿可通过人为控制可控气弹簧204长度来实现坐姿高度的无极调整。当身高比较高的人穿戴时，小腿长度调节杆105需要将整个小腿调整到较长的位置，对应的辅助支撑机构也需要通过辅助支撑调节杆303增加其长度才能使辅助支撑调节杆303底端正常与地面接触。

当穿戴者由蹲坐状态向行走状态切换时，所述辅助支撑机构3在并联拉伸弹簧306的作用下，逆时针旋转，由伸展状态变为收缩状态。增加该辅助支撑机构后，人在穿戴本发明外骨骼座椅蹲坐时，提高了支撑稳定性；人在穿戴外骨骼行走时，辅助支撑机构处于收缩状态，不会与地面发生干涉。

Claims (4)

1.一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，其特征在于：包括由大腿杆、小腿杆与脚部连杆构成的外骨骼本体机构以及一套辅助支撑机构；

所述大腿杆顶端安装坐垫结构对人体大腿根部支撑；小腿杆顶部与大腿杆底部之间相连形成转动副；小腿杆底部连接脚部连杆形成转动副；上述外骨骼本体机构固定于人体腿部；

所述大腿杆与小腿杆间安装有可控气弹簧机构；可控气弹簧机构伸缩端与小腿气弹簧连接件相连形成转动副，小腿气弹簧连接件固定于小腿杆上段安装的长导轨的滑块上，沿小腿杆轴向滑动；可控气弹簧机构的机体端与大腿气弹簧连接件相连形成转动副，大腿气弹簧连接件固定于大腿杆上，通过对可控气弹簧的手动控制，实现对大腿杆与小腿杆间的夹角进行调节；

所述辅助支撑机构包括支撑曲柄、连接杆、辅助导轨、辅助连接件与并联拉伸弹簧；其中，辅助导轨安装于小腿杆下段，辅助导轨的滑块上固定安装辅助连接件，辅助连接件中部设计有连接座，连接杆上端与连接座间连接形成转动副；连接杆下端与支撑曲柄末端连接形成转动副；支撑曲柄前端与小腿长度调节杆底端连接形成转动副；并联拉伸弹簧为两根，分别位于小腿杆左右两侧；两根并联拉伸弹簧一端分别连接于小腿杆左右两侧设计的连接头上，另一端分别固定于辅助连接件的连接座左右两侧上设计的连接头上；且在并联拉伸弹簧的拉力下，辅助连接件的连接座上部可由小腿杆上凸台上设计的开孔处穿过，此时辅助支撑机构的连接座与凸台接触，整体辅助支撑机构处于收缩状态，辅助支撑调节杆末端位置高于小腿长度调节杆末端，在小腿长度调节杆末端触底时不会与人以及地面发生干涉。

2.如权利要求1所述一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，其特征在于：大腿杆、小腿杆与连接杆具有可伸长部分，增加对不同身高穿戴者的适应性。

3.如权利要求1所述一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，其特征在于：坐垫结构左右两侧穿孔，穿孔处连接系绳用于与人体大腿间绑缚固定；坐垫结构末端穿孔，穿孔处系绳用于与人体腰部佩戴的腰带绑缚固定；脚部机构前端固连足部固定板，足部固定板上纵向设计有两个穿孔，用于穿过系绳，系绳用于捆绑人体足部。

4.如权利要求1所述一种增加辅助支撑装置的可穿戴外骨骼座椅，其特征在于：具有人穿戴行走和人穿戴蹲坐两种工作状态：

在人穿戴外骨骼座椅进行行走运动时，在并联拉伸弹簧的拉力下，辅助支撑机构整体处于收缩状态，辅助支撑调节杆末端橡胶脚套不会与人以及地面发生干涉；且长导轨滑块在长导轨内滑动，此时与长导轨滑块相连的小腿气弹簧连接件未与小腿杆上的凸台以及辅助连接件接触，外骨骼通过由长导轨滑块与长导轨的移动副，被动地跟随人体运动；此过程中可控气弹簧长度保持不变；

在人穿戴外骨骼座椅蹲坐时，长导轨滑块在长导轨内滑动，使小腿气弹簧连接件接触并推动辅助连接件以及辅助导轨滑块在辅助导轨内滑动，直到小腿气弹簧连接件接触小腿杆的凸台形成限位，此过程中辅助支撑机构逐渐伸展，辅助支撑调节杆末端和小腿长度调节杆的脚部机构连接轴末端均与地面接触，共同形成支撑。

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