CN211439964U - 一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，包括腰托、背部集成单元和背部挡板，所述腰托一侧壁中部通过螺钉连接有所述背部集成单元。有益效果在于：本实用新型结合齿轮减速机和同步轮减速带的混合传动链技术并结合实时的力反馈技术，将整个动力机构和伺服驱动器分散到人体各处，缩小了关节处的结构，减小腿部机构的整体厚度，减小运动偏转惯量，取消了传统外骨骼设备在关节处直接安装的电机和减速单元，从而使得设备小型化，轻量化，并提供更好的助力和跟随特性，使用者感受不到机器对人体的干扰，能够实时在步行和搬运过程中感受到外骨骼带来的助力效果，减少使用者的工作强度，改善工作舒适性和工作效率。

Description

一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼

技术领域

本实用新型涉及工业自动化领域，具体涉及一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼。

背景技术

工业环境中许多工人每天需要使用重型的工具或者物流行业中对一些物品进行搬运操作，弯腰操作等，长时间的重复和高强度的运动会导致工人疲劳，肌肉损伤等一系列安全和效率问题。

目前同类企业一般采用伺服电机关节直接驱动的方法来完成外骨骼的设计，电机和减速器直接组合安装在关节处，导致腿部的外骨骼无法贴合使用者，结构厚度较大，运动偏转惯量很大，无法很好的实现力跟随和助力放大，影响外骨骼的运动性能。同时宽大的结构件导致使用者的体积增大，无法在狭小的空间内操作，无法进入常规的建筑物和工业环境，外骨骼的灵活性较差。

另有一些产品采用气动动力设计，这样的设备需要压缩机提供起源，设备噪音较大，而且压缩机体积巨大，移动能力有限，较大的限制了外骨骼的机动性，气动系统的操作精度较低，管路布局较为宽松，不紧凑，空间占用体积较大，影响外骨骼的穿戴效果。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，包括腰托、背部集成单元和背部挡板，所述腰托一侧壁中部通过螺钉连接有所述背部集成单元，所述背部集成单元上端中部插接有碳纤维管，所述碳纤维管顶端设置有所述背部挡板，所述背部挡板上靠近所述碳纤维管处通过螺钉连接有钢件，所述背部挡板上通过卡扣固定有肩部绷带，所述背部集成单元内中部通过螺钉连接有运动控制单元，所述背部集成单元上远离所述运动控制单元一侧贯穿有刚性连接杆件，所述刚性连接杆件有两个，所述刚性连接杆件一端转动连接有刚性部件一，所述刚性部件一上设置有左侧髋关节伺服驱动单元，所述左侧髋关节伺服驱动单元一侧设置有左侧髋关节位置传感器，所述左侧髋关节位置传感器一侧设置有左侧髋关节旋转钢件，所述左侧髋关节位置传感器与所述左侧髋关节旋转钢件之间转动连接有轴二，所述左侧髋关节旋转钢件内转动连接有轴四，所述轴四上设置有左侧大腿助力悬臂，所述左侧大腿助力悬臂一侧壁上设置有左侧挡板，所述左侧大腿助力悬臂另一侧壁上通过卡压的方式固定有左侧开关，所述左侧大腿助力悬臂上远离所述左侧开关下方设置有左侧指示面板，所述左侧大腿助力悬臂上内侧壁上设置有左侧力传感器，所述刚性连接杆件另一端转动连接有刚性部件二，所述刚性部件二上设置有右侧髋关节伺服驱动单元，所述右侧髋关节伺服驱动单元一侧设置有右侧髋关节位置传感器，所述右侧髋关节位置传感器一侧设置有右侧髋关节旋转钢件，所述右侧髋关节位置传感器与所述右侧髋关节旋转钢件之间转动连接有轴一，所述右侧髋关节旋转钢件内转动连接有轴三，所述轴三上转动连接有右侧大腿助力悬臂，所述右侧大腿助力悬臂一侧壁上通过螺钉连接有右侧挡板，所述右侧大腿助力悬臂另一侧壁上通过卡压的方式固定有右侧开关，所述右侧大腿助力悬臂上远离所述右侧开关下方通过螺栓连接有右侧指示面板，所述右侧大腿助力悬臂上内侧壁上通过螺钉连接有右侧力传感器，所述背部集成单元底端一侧通过螺钉连接有电源插头，所述电源插头上设置有动力电池，所述动力电池靠近所述电源插头一端成型有安装插头，所述背部集成单元上位于所述刚性连接杆件之间处通过卡压的方式固定有卡固头。

进一步的，所述碳纤维管通过所述钢件与所述背部挡板相连，所述碳纤维管上端贯穿所述背部集成单元。

通过采用上述技术方案，通过所述碳纤维管能够实现所述背部挡板的可靠固定，通过所述背部集成单元能够通过发送驱动指令的方式控制装置的运动。

进一步的，所述左侧髋关节位置传感器与所述左侧髋关节伺服驱动单元通过螺钉连接，所述左侧髋关节位置传感器与所述左侧髋关节旋转钢件通过所述轴二转动连接。

通过采用上述技术方案，通过所述轴二能够实现所述左侧大腿助力悬臂的前后摆动。

进一步的，所述左侧大腿助力悬臂与所述轴四转动连接，所述左侧挡板与所述左侧大腿助力悬臂通过螺钉连接。

通过采用上述技术方案，通过所述轴四能够实现所述左侧大腿助力悬臂的左右摆动。

进一步的，所述左侧指示面板以及所述左侧力传感器均与所述左侧大腿助力悬臂通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，通过所述左侧力传感器可时刻检测人体左大腿的运动力参数。

进一步的，所述右侧髋关节位置传感器与所述右侧髋关节伺服驱动单元通过螺钉连接，所述右侧髋关节位置传感器与所述右侧髋关节旋转钢件通过所述轴一转动连接。

通过采用上述技术方案，通过所述轴一能够实现所述右侧大腿助力悬臂的前后摆动。

进一步的，所述右侧大腿助力悬臂与所述轴三转动连接，所述右侧挡板与所述右侧大腿助力悬臂通过螺钉连接。

通过采用上述技术方案，通过所述轴三能够实现所述右侧大腿助力悬臂的左右摆动。

进一步的，所述右侧指示面板以及所述右侧力传感器均与所述右侧大腿助力悬臂通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，通过所述右侧力传感器可时刻检测人体右腿的运动力参数。

进一步的，所述左侧力传感器以及所述左侧髋关节位置传感器均与所述左侧开关通过电连接，所述左侧开关以及所述左侧指示面板均与所述运动控制单元通过电连接。

通过采用上述技术方案，能够实现所述左侧力传感器以及所述左侧髋关节位置传感器的正常工作。

进一步的，所述右侧力传感器以及所述右侧髋关节位置传感器均与所述右侧开关通过电连接，所述右侧开关以及所述右侧指示面板均与所述运动控制单元通过电连接。

通过采用上述技术方案，只有同时按下所述左侧开关以及所述右侧开关才能实现装置的通电工作，若要使装置停止动作，只需单一的按压所述左侧开关或所述右侧开关即可，避免单开关操作的误触发情况，使得装置使用更加的安全。

具体工作原理为：使用时首先将装置通过所述腰托、所述肩部绷带以及所述背部挡板固定在人体背部，并使人体的左大腿与所述左侧挡板以及所述左侧大腿助力悬臂贴合，使人体的右大腿与所述右侧挡板以及所述右侧大腿助力悬臂贴合，然后同时按下所述左侧开关以及所述右侧开关使装置通电工作，在人体运动过程中，通过所述左侧力传感器和所述右侧力传感器可分别侦测人体的左大腿以及右大腿的运动变化，侦测的数据通过总线可发送到所述运动控制单元，同时通过所述左侧髋关节位置传感器以及所述右侧髋关节位置传感器，获得人体的髋关节运动角度和弯腰搬运运动模式特性参数，通过总线将数据发送到所述运动控制单元，所述运动控制单元通过程序将电机控制命令发送到所述右侧髋关节伺服驱动单元和所述左侧髋关节伺服驱动单元，电机收到指令后，通过所述右侧髋关节伺服驱动单元内部的减速机构，将力矩传递到所述右侧髋关节旋转钢件，使得所述右侧大腿助力悬臂绕着所述轴一进行旋转，从而完成对右大腿的助力运动(前伸和后展动作)，左边也是一样，通过所述左侧髋关节伺服驱动单元内部的减速机构，将力矩传递到所述左侧髋关节旋转钢件，使得所述左侧大腿助力悬臂绕着所述轴二进行旋转，从而完成对左大腿的助力运动(前伸和后展动作)，所述左侧大腿助力悬臂和所述右侧大腿助力悬臂在实现助力运动的同时，通过所述左侧挡板以及所述右侧挡板上自带的柔性绑带和人体大腿固定，完成力学交互运动。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型结合齿轮减速机和同步轮减速带的混合传动链技术并结合实时的力反馈技术，将整个动力机构和伺服驱动器分散到人体各处，缩小了关节处的结构，减小腿部机构的整体厚度，减小运动偏转惯量，取消了传统外骨骼设备在关节处直接安装的电机和减速单元，从而使得设备小型化，轻量化，并提供更好的助力和跟随特性，使用者感受不到机器对人体的干扰，能够实时在步行和搬运过程中感受到外骨骼带来的助力效果，减少使用者的工作强度，改善工作舒适性和工作效率。

附图说明

图1是本实用新型所述一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼在人体上穿戴时的正侧面结构示意图；

图2是本实用新型所述一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼在人体上穿戴时的后侧面结构示意图；

图3是本实用新型所述一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼的正侧结构示意图；

图4是本实用新型所述一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼的后侧结构示意图；

图5是本实用新型所述一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼的运动自由度和模式开关结构图；

图6是本实用新型所述一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼中的背部集成单元的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、肩部绷带；2、背部挡板；3、钢件；4、碳纤维管；5、背部集成单元；6、腰托；7、刚性连接杆件；8、电源插头；9、运动控制单元；10、左侧髋关节伺服驱动单元；11、右侧髋关节伺服驱动单元；12、刚性部件一；13、刚性部件二；14、动力电池；15、安装插头；16、卡固头；17、轴二；18、轴一；19、左侧髋关节旋转钢件；20、右侧髋关节旋转钢件；21、轴四；22、轴三；23、左侧大腿助力悬臂；24、右侧大腿助力悬臂；25、左侧开关；26、右侧开关；27、左侧指示面板；28、右侧指示面板；29、左侧挡板；30、右侧挡板；31、右侧力传感器；32、左侧力传感器；33、右侧髋关节位置传感器；34、左侧髋关节位置传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1-图6所示，一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，包括腰托6、背部集成单元5和背部挡板2，所述腰托6一侧壁中部通过螺钉连接有所述背部集成单元5，所述背部集成单元5上端中部插接有碳纤维管4，所述碳纤维管4顶端设置有所述背部挡板2，所述背部挡板2上靠近所述碳纤维管4处通过螺钉连接有钢件3，所述背部挡板2上通过卡扣固定有肩部绷带1，所述背部集成单元5内中部通过螺钉连接有运动控制单元9，所述背部集成单元5上远离所述运动控制单元9一侧贯穿有刚性连接杆件7，所述刚性连接杆件7有两个，所述刚性连接杆件7一端转动连接有刚性部件一12，所述刚性部件一12上设置有左侧髋关节伺服驱动单元10，所述左侧髋关节伺服驱动单元10一侧设置有左侧髋关节位置传感器34，所述左侧髋关节位置传感器34一侧设置有左侧髋关节旋转钢件19，所述左侧髋关节位置传感器34与所述左侧髋关节旋转钢件19之间转动连接有轴二17，所述左侧髋关节旋转钢件19内转动连接有轴四21，所述轴四21上设置有左侧大腿助力悬臂23，所述左侧大腿助力悬臂23一侧壁上设置有左侧挡板29，所述左侧大腿助力悬臂23另一侧壁上通过卡压的方式固定有左侧开关25，所述左侧大腿助力悬臂23上远离所述左侧开关25下方设置有左侧指示面板27，所述左侧大腿助力悬臂23上内侧壁上设置有左侧力传感器32，所述刚性连接杆件7另一端转动连接有刚性部件二13，所述刚性部件二13上设置有右侧髋关节伺服驱动单元11，所述右侧髋关节伺服驱动单元11一侧设置有右侧髋关节位置传感器33，所述右侧髋关节位置传感器33一侧设置有左侧髋关节旋转钢件20，所述右侧髋关节位置传感器33与所述左侧髋关节旋转钢件20之间转动连接有轴一18，所述左侧髋关节旋转钢件20内转动连接有轴三22，所述轴三22上转动连接有右侧大腿助力悬臂24，所述右侧大腿助力悬臂24一侧壁上通过螺钉连接有右侧挡板30，所述右侧大腿助力悬臂24另一侧壁上通过卡压的方式固定有右侧开关26，所述右侧大腿助力悬臂24上远离所述右侧开关26下方通过螺栓连接有右侧指示面板28，所述右侧大腿助力悬臂24上内侧壁上通过螺钉连接有右侧力传感器31，所述背部集成单元5底端一侧通过螺钉连接有电源插头8，所述电源插头8上设置有动力电池14，所述动力电池14靠近所述电源插头8一端成型有安装插头15，所述背部集成单元5上位于所述刚性连接杆件7之间处通过卡压的方式固定有卡固头16。

本实施例中，所述碳纤维管4通过所述钢件3与所述背部挡板2相连，所述碳纤维管4上端贯穿所述背部集成单元5，通过所述碳纤维管4能够实现所述背部挡板2的可靠固定，通过所述背部集成单元5能够通过发送驱动指令的方式控制装置的运动。

本实施例中，所述左侧髋关节位置传感器34与所述左侧髋关节伺服驱动单元10通过螺钉连接，所述左侧髋关节位置传感器34与所述左侧髋关节旋转钢件19通过所述轴二17转动连接，通过所述轴二17能够实现所述左侧大腿助力悬臂23的前后摆动。

本实施例中，所述左侧大腿助力悬臂23与所述轴四21转动连接，所述左侧挡板29与所述左侧大腿助力悬臂23通过螺钉连接，通过所述轴四21能够实现所述左侧大腿助力悬臂23的左右摆动。

本实施例中，所述左侧指示面板27以及所述左侧力传感器32均与所述左侧大腿助力悬臂23通过螺栓连接，通过所述左侧力传感器32可时刻检测人体左大腿的运动力参数。

本实施例中，所述右侧髋关节位置传感器33与所述右侧髋关节伺服驱动单元11通过螺钉连接，所述右侧髋关节位置传感器33与所述左侧髋关节旋转钢件20通过所述轴一18转动连接，通过所述轴一18能够实现所述右侧大腿助力悬臂24的前后摆动。

本实施例中，所述右侧大腿助力悬臂24与所述轴三22转动连接，所述右侧挡板30与所述右侧大腿助力悬臂24通过螺钉连接，通过所述轴三22能够实现所述右侧大腿助力悬臂24的左右摆动。

本实施例中，所述右侧指示面板28以及所述右侧力传感器31均与所述右侧大腿助力悬臂24通过螺栓连接，通过所述右侧力传感器31可时刻检测人体右腿的运动力参数。

本实施例中，所述左侧力传感器32以及所述左侧髋关节位置传感器34均与所述左侧开关25通过电连接，所述左侧开关25以及所述左侧指示面板27均与所述运动控制单元9通过电连接，能够实现所述左侧力传感器32以及所述左侧髋关节位置传感器34的正常工作。

本实施例中，所述右侧力传感器31以及所述右侧髋关节位置传感器33均与所述右侧开关26通过电连接，所述右侧开关26以及所述右侧指示面板28均与所述运动控制单元9通过电连接，只有同时按下所述左侧开关25以及所述右侧开关26才能实现装置的通电工作，若要使装置停止动作，只需单一的按压所述左侧开关25或所述右侧开关26即可，避免单开关操作的误触发情况，使得装置使用更加的安全。

具体工作原理为：使用时首先将装置通过所述腰托6、所述肩部绷带1以及所述背部挡板2固定在人体背部，并使人体的左大腿与所述左侧挡板29以及所述左侧大腿助力悬臂23贴合，使人体的右大腿与所述右侧挡板30以及所述右侧大腿助力悬臂24贴合，然后同时按下所述左侧开关25以及所述右侧开关26使装置通电工作，在人体运动过程中，通过所述左侧力传感器32和所述右侧力传感器31可分别侦测人体的左大腿以及右大腿的运动变化，侦测的数据通过总线可发送到所述运动控制单元9，同时通过所述左侧髋关节位置传感器34以及所述右侧髋关节位置传感器33，获得人体的髋关节运动角度和弯腰搬运运动模式特性参数，通过总线将数据发送到所述运动控制单元9，所述运动控制单元9通过程序将电机控制命令发送到所述右侧髋关节伺服驱动单元11和所述左侧髋关节伺服驱动单元10，电机收到指令后，通过所述右侧髋关节伺服驱动单元11内部的减速机构，将力矩传递到所述左侧髋关节旋转钢件20，使得所述右侧大腿助力悬臂24绕着所述轴一18进行旋转，从而完成对右大腿的助力运动前伸和后展动作，左边也是一样，通过所述左侧髋关节伺服驱动单元10内部的减速机构，将力矩传递到所述左侧髋关节旋转钢件19，使得所述左侧大腿助力悬臂23绕着所述轴二17进行旋转，从而完成对左大腿的助力运动前伸和后展动作，所述左侧大腿助力悬臂23和所述右侧大腿助力悬臂24在实现助力运动的同时，通过所述左侧挡板29以及所述右侧挡板30上自带的柔性绑带和人体大腿固定，完成力学交互运动。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (10)

1.一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：包括腰托(6)、背部集成单元(5)和背部挡板(2)，所述腰托(6)一侧壁中部通过螺钉连接有所述背部集成单元(5)，所述背部集成单元(5)上端中部插接有碳纤维管(4)，所述碳纤维管(4)顶端设置有所述背部挡板(2)，所述背部挡板(2)上靠近所述碳纤维管(4)处通过螺钉连接有钢件(3)，所述背部挡板(2)上通过卡扣固定有肩部绷带(1)，所述背部集成单元(5)内中部通过螺钉连接有运动控制单元(9)，所述背部集成单元(5)上远离所述运动控制单元(9)一侧贯穿有刚性连接杆件(7)，所述刚性连接杆件(7)有两个，所述刚性连接杆件(7)一端转动连接有刚性部件一(12)，所述刚性部件一(12)上设置有左侧髋关节伺服驱动单元(10)，所述左侧髋关节伺服驱动单元(10)一侧设置有左侧髋关节位置传感器(34)，所述左侧髋关节位置传感器(34)一侧设置有左侧髋关节旋转钢件(19)，所述左侧髋关节位置传感器(34)与所述左侧髋关节旋转钢件(19)之间转动连接有轴二(17)，所述左侧髋关节旋转钢件(19)内转动连接有轴四(21)，所述轴四(21)上设置有左侧大腿助力悬臂(23)，所述左侧大腿助力悬臂(23)一侧壁上设置有左侧挡板(29)，所述左侧大腿助力悬臂(23)另一侧壁上通过卡压的方式固定有左侧开关(25)，所述左侧大腿助力悬臂(23)上远离所述左侧开关(25)下方设置有左侧指示面板(27)，所述左侧大腿助力悬臂(23)上内侧壁上设置有左侧力传感器(32)，所述刚性连接杆件(7)另一端转动连接有刚性部件二(13)，所述刚性部件二(13)上设置有右侧髋关节伺服驱动单元(11)，所述右侧髋关节伺服驱动单元(11)一侧设置有右侧髋关节位置传感器(33)，所述右侧髋关节位置传感器(33)一侧设置有右侧髋关节旋转钢件(20)，所述右侧髋关节位置传感器(33)与所述右侧髋关节旋转钢件(20)之间转动连接有轴一(18)，所述右侧髋关节旋转钢件(20)内转动连接有轴三(22)，所述轴三(22)上转动连接有右侧大腿助力悬臂(24)，所述右侧大腿助力悬臂(24)一侧壁上通过螺钉连接有右侧挡板(30)，所述右侧大腿助力悬臂(24)另一侧壁上通过卡压的方式固定有右侧开关(26)，所述右侧大腿助力悬臂(24)上远离所述右侧开关(26)下方通过螺栓连接有右侧指示面板(28)，所述右侧大腿助力悬臂(24)上内侧壁上通过螺钉连接有右侧力传感器(31)，所述背部集成单元(5)底端一侧通过螺钉连接有电源插头(8)，所述电源插头(8)上设置有动力电池(14)，所述动力电池(14)靠近所述电源插头(8)一端成型有安装插头(15)，所述背部集成单元(5)上位于所述刚性连接杆件(7)之间处通过卡压的方式固定有卡固头(16)。

2.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述碳纤维管(4)通过所述钢件(3)与所述背部挡板(2)相连，所述碳纤维管(4)上端贯穿所述背部集成单元(5)。

3.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述左侧髋关节位置传感器(34)与所述左侧髋关节伺服驱动单元(10)通过螺钉连接，所述左侧髋关节位置传感器(34)与所述左侧髋关节旋转钢件(19)通过所述轴二(17)转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述左侧大腿助力悬臂(23)与所述轴四(21)转动连接，所述左侧挡板(29)与所述左侧大腿助力悬臂(23)通过螺钉连接。

5.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述左侧指示面板(27)以及所述左侧力传感器(32)均与所述左侧大腿助力悬臂(23)通过螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述右侧髋关节位置传感器(33)与所述右侧髋关节伺服驱动单元(11)通过螺钉连接，所述右侧髋关节位置传感器(33)与所述右侧髋关节旋转钢件(20)通过所述轴一(18)转动连接。

7.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述右侧大腿助力悬臂(24)与所述轴三(22)转动连接，所述右侧挡板(30)与所述右侧大腿助力悬臂(24)通过螺钉连接。

8.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述右侧指示面板(28)以及所述右侧力传感器(31)均与所述右侧大腿助力悬臂(24)通过螺栓连接。

9.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述左侧力传感器(32)以及所述左侧髋关节位置传感器(34)均与所述左侧开关(25)通过电连接，所述左侧开关(25)以及所述左侧指示面板(27)均与所述运动控制单元(9)通过电连接。

10.根据权利要求1所述的一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼，其特征在于：所述右侧力传感器(31)以及所述右侧髋关节位置传感器(33)均与所述右侧开关(26)通过电连接，所述右侧开关(26)以及所述右侧指示面板(28)均与所述运动控制单元(9)通过电连接。

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