CN115890633B - 快速穿脱仿生外骨骼背架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体负载运输技术领域，提供了一种快速穿脱仿生外骨骼背架，其中：胸前护板与背带通过可调节卡扣连接，背带为X型结构，背带与衬垫连接，衬垫与背板连接；包板和背囊连接；背板与包板的上端通过弹簧卡扣连接，弹簧卡扣连接有卡扣拉线，卡扣拉线用于拉动弹簧卡口的凸起块收缩；单向棘轮、背板和合页板连接在同一俯仰转轴上；背板与包板结合时，单向棘轮用于卡住包板下端的格挡轴；合页板的下端凸起部分通过转动结构与摆动板连接。本发明通过人体脊柱弯曲曲线和“X型”背带的设计，提高了穿戴舒适性，并将包板和背板进行独立设计，实现一键式快速解脱功能；合页板和摆动板的设计，减轻了肩背部的压力，同时具有较高的灵活性。

Description

快速穿脱仿生外骨骼背架

技术领域

本发明涉及人体负载运输技术领域，具体提供一种用于助力搬运的快速穿脱仿生外骨骼背架。

背景技术

随着社会快速的发展变化，应急救援、医疗康复、负载运输等多个领域都向辅助类机器人与携行具提出了新的需求。外骨骼作为可穿戴携行具，能够通过机械结构将上身负载转移到地面，进而增强穿戴者的肢体支撑力量，外骨骼装置已经在农业、制造业、建筑业、物流业、医疗康复以及抢险救灾等诸多行业中广泛应用。

现有的助力外骨骼系统主要通过外骨骼髋关节处的承重支架或与下肢外骨骼连接的背架进行承重。承重支架是在下肢外骨骼髋部向外伸出的承重平台，承载时将重物置于该平台上，通过承重支架负重的助力外骨骼与背包等背负系统不能很好的结合，在运动时背包可能从承重支架上滑脱，给肩背部带来较大压力。

传统的与下肢外骨骼连接的背架通常是一个刚性的框架，例如中国专利CN103315834A中采用的刚性杆，这类背架仅考虑结构的传力特性，结构简单，虽然能较好的将负重传递给下肢外骨骼，但背负舒适性大打折扣，影响人体活动自由度，在负重过程中虽然不干扰步行，但对人体的前后弯腰、左右摆动等动作有较大影响。为了解决这一问题，中国专利CN109318214A中提出了一种仿人体脊柱的外骨骼背部装置，仿造人体脊柱设计了依次排列并连接的椎体结构，通过弹性绳组件将各椎体串联在一起，装置整体具有较好的运动灵活性和穿戴舒适性，该类柔性背架虽然解决了腰背部的灵活性问题，但是牺牲了背架自身的承载能力，使得将重量传递给下肢外骨骼的效率大大下降，只能对人体起到辅助支撑的作用。

此外，在行走过程中，人体需通过背架的背带向背负的重物提供向前的牵引力，传统的双肩背带会导致肩部正面压力过大，存在严重的勒肩问题，而且传统的背架与背包等紧密结合后缺少快速解脱的手段，通常需要较长时间的穿脱，更甚者需要他人帮助。因此，亟需一种便于快速穿脱且不影响运动灵活性的仿生外骨骼背架。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种用于助力搬运的快速穿脱仿生外骨骼背架，主要采用复合材料作为背架制作的主体材料，实现背架的轻量化设计；拟合人体的脊柱曲线设计了贴合人体背部的仿生背板，提高背架穿戴的舒适性；通过X型肩带设计，增加行走过程中人体正面的受力面积，改善双肩背带的勒肩问题；通过模块化的背板和包板以及弹簧卡扣和单向棘轮结构实现了快速穿脱功能；通过合页板、转动结构以及俯仰转轴的设计使背架可以随人体发生一定角度的前后俯仰和左右摆动，满足人体弯腰和左右摆动的使用要求，同时还具有有限位功能，防止后仰及左右摆动幅度过大对人体造成伤害。

本发明提供的快速穿脱仿生外骨骼背架，包括：胸前护板、背带、衬垫、背板、合页板、摆动板、包板和背囊；

胸前护板与背带通过可调节卡扣连接，背带为X型结构，背带与衬垫连接，衬垫与背板连接；

包板和背囊连接；

背板与包板的上端通过弹簧卡扣连接，弹簧卡扣包括背板上端的凸起块和包板上端的开口，弹簧卡扣连接有卡扣拉线，卡扣拉线用于拉动凸起块收缩；

单向棘轮、背板和合页板连接在同一俯仰转轴上；背板与包板结合时，单向棘轮用于卡住包板的下端的格挡轴；

合页板的下端凸起部分通过转动结构与摆动板连接。

优选的，衬垫的下端还连接有腰带，用于将快速穿脱仿生外骨骼背架固定在穿戴者的腰部。

优选的，衬垫通过魔术贴与背板固定。

优选的，背板上部中轴线位置固定有一个转动齿轮，转动齿轮的前端固定有手柄，手柄末端连接有弹簧和卡扣拉线，转动齿轮的上下两侧分别啮合有直线齿条，两个直线齿条分别固定在两个凸起块上。

优选的，连接合页板与摆动板的转动结构的两侧均设置有助力弹簧，用于减轻穿戴者左右摆动时所受的侧向压力。

优选的，摆动板下端设置有两个凸出的耳片，用于连接下肢外骨骼。

优选的，进行穿戴时，包板与背板通过弹簧卡扣和单向棘轮进行快速结合，弹簧卡扣用于固定包板与背板的上端；将格挡轴挤压单向棘轮，单向棘轮进行单向转动，进而将包板与背板的下端连接。

优选的，进行解脱时，拉动卡扣拉线带动转动齿轮转动，凸起块收缩，包板受背囊的倾覆力矩作用与背板分离，单向棘轮脱离包板的限制，包板和背囊同时脱落。

优选的，采用人体脊柱弯曲曲线设计背板的曲面。

优选的，合页板与摆动板连接的转动结构采用插销或转动轴承。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明通过人体脊柱弯曲曲线和“X型”背带的设计，减小了穿戴者与背架之间的相互作用力，提高了穿戴者的穿戴舒适性，并将包板和背板进行独立设计，可以实现一键式快速解脱功能，减少了穿戴和解脱时间。

本发明合页板和摆动板的设计，不仅较好的实现了力传递功能，减轻穿戴者肩背部的压力，还可满足穿戴者的灵活性需求。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的快速穿脱仿生外骨骼背架的轴侧图；

图2是根据本发明实施例提供的背板和包板的分离示意图；

图3是根据本发明实施例提供的包板和背板的背面展开图；

图4是根据本发明实施例提供的包板和背板的正面展开图；

图5是根据本发明实施例提供的合页板和摆动板的连接示意图；

图6是根据本发明实施例提供的单相棘轮的结构图。

其中的附图标记包括：

胸前护板1、背带2、衬垫3、背板4、包板5、合页板6、摆动板7、背囊8、腰带9；

凸起块41、转动齿轮42、直线齿条43、手柄44、弹簧45、卡扣拉线46、魔术贴47、俯仰转轴48；

开口51、格挡轴52；

单向棘轮61；

转动结构71、助力弹簧72、耳片73。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的快速穿脱仿生外骨骼背架的外观。

图2示出了根据本发明实施例提供的背板和包板的分离结构。

图3示出了根据本发明实施例提供的包板和背板的背面展开结构。

图4示出了根据本发明实施例提供的背板和包板的正面展开结构。

图5示出了根据本发明实施例提供的合页板和摆动板的连接结构。

图6示出了根据本发明实施例提供的单相棘轮的结构。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明实施例提供的快速穿脱仿生外骨骼背架，具体包括：胸前护板1、背带2、衬垫3、背板4、包板5、合页板6、摆动板7、背囊8和腰带9。

本发明将传感标记贴附在人体脊柱上，通过传感标记测得人体脊柱坐标，并测量人体在直立和行走时脊柱各部位的生理性弯曲坐标，依据实验结果进行拟合人体脊柱弯曲曲线，依据获得的人体脊柱弯曲曲线设计加工背板4的曲面弧度，保证穿戴时背板4尽可能贴合背部，避免局部挤压的不适感。为进一步提高舒适度，在背板4的内侧设置有衬垫3，衬垫3主要采用棉麻材料，衬垫3与背板4通过多组均匀的魔术贴47连接，采用魔术贴47的连接方式便于快速穿脱仿生外骨骼背架的清洗，衬垫3的上端连接有两条背带2，为减小肩膀的受力强度，背带2采用X型结构，并通过四个可调节卡扣与胸前护板1连接，可通过可调节卡扣对背带2进行调节，以满足不同体型的需求，衬垫3的下端还连接有腰带9，用于将快速穿脱仿生外骨骼背架固定在穿戴者的腰部。在行走过程中人体提供向前驱动力时会产生对肩部的反作用力，胸前护板1可将部分反作用力转移到胸前位置，增大身体受力面积，从而减小肩部所受压力，胸前护板1的内侧同样设置有衬垫3。

本发明对背板4和包板5进行了独立设计，实现了背板4和包板5的一键式快速解脱。背板4与包板5的上端通过弹簧卡扣连接，背板4的背面上部中轴线位置固定有一个转动齿轮42，转动齿轮42的前端固定有手柄44，手柄44的末端连接有弹簧45和卡扣拉线46，转动齿轮42的上下两侧分别啮合有直线齿条43，两个直线齿条43分别固定在两个凸起块41上，凸起块41与包板5上端的两个开口51匹配。

背板4的下端与合页板6、单向棘轮61连接在同一俯仰转轴48上，单向棘轮61具体是在轮轴的两侧连接有固定杆，固定杆另一端的套环连接在俯仰转轴48上。当背板4与包板5结合时，单向棘轮61受包板5限制仅能进行单向转动，以图6中的单向棘轮61仅能顺时针转动。此时，在不受外力影响下，弹簧45由于弹性收缩拉动手柄44使转动齿轮42转动，转动齿轮42将固定在直线齿条43末端的凸起块41挤压出去，凸起块41呈凸起状态；凸起块41将开口51卡住，背囊8仅会产生向下的重力，单向棘轮61则将包板5上的格挡轴52卡住，即使在运动过程中包板也不会发生前后晃动，同时包板5的边缘包裹在背板4上，也不会发生左右晃动。

当需要解脱时，外力拉动卡扣拉线46，手柄44受力反向转动，转动齿轮42将直线齿条43向内部拉拢，凸起块41呈收缩状态，此时包板5受到背囊8由重力产生的向后的倾覆力矩，包板5上端向后下方倾倒，此时单向棘轮61则会脱离包板5的限制，可进行转动，则格挡轴52不受阻碍向下自然滑落，实现背板4和包板5的快速分离，极大缩短了解脱时间。当进行穿戴时，仅需从上方将包板5挂在背板4上，即将开口51套在凸起块41上即可，此时包板5和背囊8在重力作用下会产生一个侧向的分力，格挡轴52挤压单向棘轮61转动，单向棘轮61则通过格挡轴52将包板5约束在背板4上，避免在运动过程中，包板5和背囊8产生前后晃动。

为满足穿戴者的俯仰需求，本发明设计了合页板6与背板4通过俯仰转轴48连接，使背板4可以随人体发生前后俯仰，不影响人体进行弯腰动作，此外，背板4的后仰角度有限位，防止后仰幅度过大，受重力影响无法起身对人体造成伤害，在反应迅速的情况下，也可拉动卡扣拉线46，使包板5和背囊8脱离穿戴者避免危险发生。合页板6的上部和下部留有一定空隙，为左右摆动提供空间。合页板6的下端为类似于倒梯形的凸起状，凸起部分通过转动结构71与摆动板7连接，转动结构71可采用插销或转动轴承，该设计满足了穿戴者左右摆动需求，当采用插销时，需要在插销的尖端通过螺丝进行固定，防止插销拔脱。同时凸起部分的两侧均设置有助力弹簧72，当向左倾斜时，左侧的助力弹簧72产生向上的弹力，右侧产生向下的拉力；当向右倾斜时，同理。该设计减轻了穿戴者左右摆动时所受的侧向压力，避免因过度倾斜而失衡倾倒。摆动板7的下端设置有两个凸出的耳片73，用于连接下肢外骨骼。

本发明实施例中的各部分结构均可采用复合材料，如碳纤维板等，用于实现轻量化设计。本发明综合考虑了穿戴者直立和步行工况下人体背部特征曲线，能够较好地贴合人体背部、提高舒适度，X型肩带2的设计，增大行走过程中人体提供驱动力的作用面积，减小肩部压力，并通过模块化设计将背架分成背板4和包板5两个部分，并利用弹簧卡扣和单向棘轮61实现了包板4和背板5的快速结合和解脱，实现了一键式穿脱功能；合页板6和摆动板7的设计，也解决了现有的柔性背架承重占比不足、刚性背架使人体腰背部的活动受限的问题，本发明实施例提供的快速穿脱仿生外骨骼背架能够满足人体灵活性需求。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，“内”、“外”、“正面”、“背面”等仅为相对位置用语，并非用来限制本公开的保护范围。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

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。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，包括：胸前护板、背带、衬垫、背板、合页板、摆动板、包板和背囊；

所述胸前护板与所述背带通过可调节卡扣连接，所述背带为X型结构，所述背带与所述衬垫连接，所述衬垫与所述背板连接；

所述包板和所述背囊连接；

所述背板与所述包板的上端通过弹簧卡扣连接，所述弹簧卡扣包括所述背板上端的凸起块和所述包板上端的开口，所述弹簧卡扣连接有卡扣拉线，所述卡扣拉线用于拉动所述凸起块收缩；

单向棘轮、所述背板和所述合页板连接在同一俯仰转轴上；所述背板与所述包板结合时，所述单向棘轮用于卡住所述包板下端的格挡轴；

所述合页板的下端凸起部分通过转动结构与所述摆动板连接。

2.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，所述衬垫的下端还连接有腰带，用于将快速穿脱仿生外骨骼背架固定在穿戴者的腰部。

3.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，所述衬垫通过魔术贴与所述背板固定。

4.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，所述背板上部中轴线位置固定有一个转动齿轮，所述转动齿轮的前端固定有手柄，所述手柄末端连接有弹簧和所述卡扣拉线，所述转动齿轮的上下两侧分别啮合有直线齿条，两个所述直线齿条分别固定在两个所述凸起块上。

5.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，连接所述合页板与所述摆动板的转动结构的两侧均设置有助力弹簧，用于减轻穿戴者左右摆动时所受的侧向压力。

6.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，所述摆动板下端设置有两个凸出的耳片，用于连接下肢外骨骼。

7.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，进行穿戴时，所述包板与所述背板通过所述弹簧卡扣和单向棘轮进行快速结合，所述弹簧卡扣用于固定所述包板与所述背板的上端；将所述格挡轴挤压所述单向棘轮，所述单向棘轮进行单向转动，进而将所述包板与所述背板的下端连接。

8.如权利要求4所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，进行解脱时，拉动所述卡扣拉线带动所述转动齿轮转动，所述凸起块收缩，所述包板受所述背囊的倾覆力矩作用与所述背板分离，所述单向棘轮脱离所述包板的限制，所述包板和所述背囊同时脱落。

9.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，采用人体脊柱弯曲曲线设计所述背板的曲面。

10.如权利要求1所述的快速穿脱仿生外骨骼背架，其特征在于，所述合页板与所述摆动板连接的转动结构采用插销或转动轴承。

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