CN214560898U - 一种可穿戴绳驱动上肢助力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，属于上肢助力外骨骼装置技术领域，包括穿戴单元以及设置在穿戴单元上的驱动单元和控制单元；穿戴单元包括绑缚在人体上的绑缚机构以及辅助固定绑缚机构的肩膀穿戴机构；驱动单元包括设置在绑缚机构上的吊绳收卷机构和导向机构，吊绳收卷机构上的吊绳通过导向机构延伸至肩膀前方，吊绳的末端连接有重物连接钩；吊绳收卷机构与控制单元电联接；本装置通过绑缚机构以及肩膀穿戴机构穿戴在人体上，并采用绳驱动的柔性传动方式勾吊重物，不仅结构简单、重量轻，节省人体体力，且操作简单，不影响人体正常活动范围，同时能够自适应补偿运动过程中左右手臂不协调的情况，提高身体与助力装置的共融性。

Description

一种可穿戴绳驱动上肢助力装置

技术领域

本实用新型涉及本实用新型涉及上肢助力外骨骼装置技术领域，具体涉及一种可穿戴绳驱动上肢助力装置。

背景技术

随着社会快速的进步发展，物流行业的发展迅速，在军事、民事领域均起到了非常重要的作用。尤其是军用物资的转运，军用物资是边防战士的生活和作战的重要支撑，保证物资能够及时运送到边防是保障国家安全重要关键。但由于军用物资的转运经常需要经过偏远山区或国界线等恶劣环境，而这种恶劣环境，又无法通车，因此往往只能选择人工进行搬运，但在山区中行走又极耗体力，因此人工搬运的方式，不仅效率低、而且危险性很高。同样在民用领域的物流行业中，长时间负重搬运和装卸，对人体的腰部容易造成损伤，而且当物流较大时，单个工人又经常出现不能单独完成装卸工作的情况。为此提出了专门用来帮助人工搬运物资的上肢助力外骨骼的辅助机器人，通过上肢助力外骨骼可以提高转运效率，提升人工耐力，保障安全，帮助完成对大件物品的搬运。如专利号为“201810909521.7”，名称为“上肢助力外骨骼机器人”的发明专利中的外骨骼机器人包括穿戴在上肢上的背部机构，背部机构的两侧连接有驱动机构，驱动机构上连接有前伸的并联型结构的胳膊，胳膊的端部安装有控制把手和重物挂钩，人手握住控制把手并移动，背部机构上的控制单元会识别控制把手移动信号，从而将信号传递给驱动机构，并驱动机械胳膊放下和举升，在重物挂钩作用下将重物提起和放下。

但目前的上肢助力外骨骼结构均采用的是刚性结构，刚性结构在设计时本身存在结构复杂，重量大的问题，虽然解决了人体搬运物品的问题，但是长时间的行走，重量大的外骨骼结构也会消耗人体的耐力；而且刚性结构穿戴在人身上时，在运动过程中会限制人体的正常活动范围，对于行动会造成诸多的不便，且刚性结构与人体也不能很好贴合，舒适性不足；而且刚性外骨骼常用多个电机驱动，控制难度也较大；控制过程中采用多个传感器测量人体意图，传感器线与电机线繁多，线路的布局也存在诸多困难。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，采用柔性吊绳进行驱动，不仅结构简单、重量轻，而且容易操作，不会影响人体的正常活动范围。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，包括穿戴单元以及设置在所述穿戴单元上的驱动单元和控制单元；

所述穿戴单元包括绑缚在人体上的绑缚机构以及辅助固定所述绑缚机构的肩膀穿戴机构；

所述驱动单元包括设置在所述绑缚机构上的吊绳收卷机构和导向机构，所述吊绳收卷机构上的吊绳通过所述导向机构延伸至肩膀前方，所述吊绳的末端连接有重物连接钩；所述吊绳收卷机构与所述控制单元电联接。

优选的，所述绑缚机构包括背板和连接在所述背板下方的腰带，所述背板通过腰带和所述肩膀穿戴机构固定在人体背部上。

优选的，所述腰带紧贴腰部处的外侧上固定连接有硬质连接板，所述硬质连接板上设有带有栓轴孔的刚性杆调节板，刚性杆一端插接在所述刚性杆调节板上，另一端固定连接在所述背板上，所述刚性杆上设有若干沿所述刚性杆轴线方向上延伸的调节孔，所述刚性杆和所述刚性杆调节板通过所述栓轴孔、调节孔以及调节栓轴固定。

优选的，所述腰带的端头设有相互粘合的魔术贴。

优选的，所述肩膀穿戴机构包括背带，所述背带一端转动连接所述背板上，另一端固定连接在所述腰带紧贴腰部处的内侧上。

优选的，所述背带设有用于调节所述背带长度的书包扣。

优选的，所述吊绳收卷机构包括用于收卷吊绳的卷筒，所述卷筒通过固定连接在所述背板上的驱动电机驱动，所述驱动电机与所述卷筒之间通过联轴器连接，所述联轴器的末端通过轴承与所述背板固定连接。

优选的，所述导向机构包括从所述背板向所述背带延伸的柔性导管，所述柔性导管通过导管固定架固定在所述背板和所述背带上，所述吊绳穿过所述柔性导管并延伸至所述背带的前方。

优选的，所述控制单元包括与所述吊绳收卷机构电联接的控制面板，所述控制面板通过绝缘板固定连接在所述背板上，所述背板上设有为所述吊绳收卷机构和所述控制面板供电的电池。

优选的，所述吊绳的末端与所述重物连接钩之间连接有拉力传感器；所述背板上设有惯性测量传感器，所述拉力传感器和所述惯性测量传感器均与所述控制面板电联接。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本绳驱动上肢助力装置通过穿戴单元中的绑缚机构以及肩膀穿戴机构将装置穿戴在人体上半身，然后通过驱动单元中的重物连接钩将物件勾住，当惯性测量传感器检测到人体起身动作时，控制单元会控制吊绳收卷机构收束吊绳，将物件提升，双手仅起到保证物件稳定和改变物件方向的作用；吊绳设置在肩膀上可以大大的节省传动空间，同时对人体上肢的运动没有干涉，不会影响人体的正常活动范围；本绳驱动上肢助力装置通过驱动机构中的柔性绳实现传动与助力作用，柔性传动的方式具有一定的包容性，通常人体在进行正常搬运时，上肢运动几乎是同步，但当上肢在一定程度的不同步情况下，通过绳本身柔性特点，针对运动过程中左右手臂不协调运动的情况下，吊绳可自适应补偿，从而提高了身体与助力装置的共融性，保持重物的稳定性；且柔性传动的方式无需过多的刚性结构，结构简单、操作方便，且重量轻，避免过度消耗人体的耐力。

2、本绳驱动上肢助力装置中采用刚柔结合的方式，背板为驱动单元和控制单元提供很好的刚性支撑，背板通过腰带和背带等柔性结构固定在人体背部上，腰带和背带能够很好的贴合人体，一方面保证装置稳定的贴合在人体上，提高穿戴的舒适性；另一方面在运动过程中柔性结构不会限制人体的正常活动范围，保证人体自身肢体的舒展性。

3、背带一端连接背板上，另一端固定连接在腰带紧贴腰部处的内侧上，形成背包式的穿戴方式，穿戴性更好，通过肩膀提供更好的支撑，使得上肢助力装置在工作状态下稳定性更强。

4、本绳驱动上肢助力装置中的驱动单元仅通过一个电机便实现了整个吊绳收卷机构收卷吊绳，搬运重物的全部动作，不仅结构简单、控制方式不复杂，系统可靠性更高，大幅提高操作效率；而且单个电机更是大大减轻了系统总质量，减少对人体体力的消耗，保证了人体长距离的搬运。

5、搬运重物时，通过吊绳上的拉力传感器和背板上的惯性测量传感器捕捉吊绳上的拉力变化以及人体动作姿态，并将数据传递给控制面板，控制面板综合上述信息后进行识别和判断，以改变驱动电机的速度和方向，以提供给重物恒定或者适应性的力，以满足不同的重物要求，以及适应搬运动作和速度的变化。在人前进时只需人体的手臂进行辅助保持重物的方向即可。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为可穿戴绳驱动上肢助力装置的结构示意图；

图2为穿戴单元的结构示意图；

图3为驱动单元的结构示意图；

图4为控制单元的结构示意图。

附图标记说明：1、穿戴单元；2、驱动单元；3、控制单元；101、背板； 102、背带；103、腰带；104、硬质连接板；105、刚性杆调节板；106、刚性杆；107、套筒；108、固定套；109、刚性杆固定架；201、驱动电机；202、电机法兰；203、电机支架；204、联轴器；205、卷筒；206、吊绳；207、柔性导管；208、导管固定架；209、重物连接钩；301、控制面板；302、绝缘板； 303、电池；304、拉力传感器；305、电池托架；306、电池固定架；307、绝缘板支架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，如图1至4所示，包括穿戴单元1、驱动单元2和控制单元3，其中驱动单元2和控制单元3均设置在穿戴单元1上，通过穿戴单元1将驱动单元2和控制单元3绑缚在人体上。通过控制单元3的控制，使驱动单元2实现助力的功能。具体的穿戴单元1包括绑缚机构和肩膀穿戴机构，通过绑缚机构将助力装置绑缚在人体身上，然后通过肩膀穿戴机构穿戴在肩膀上，在绑缚机构和穿戴机构共同的固定下，使整个绳驱动上肢助力装置固定在人身上。驱动单元2包括吊绳收卷机构和导向机构，吊绳收卷机构和导向机构均设置在绑缚机构上，吊绳收卷机构上的吊绳 206通过导向机构延伸至肩膀前方，并在吊绳206的末端连接有重物连接钩 209，吊绳收卷机构与控制单元3电联接。当用重物连接钩209勾住重物后惯性测量传感器检测到人体起身姿态控制单元3控制吊绳收卷机构收卷吊绳 206，将重物吊起，双手辅助重物运动放置到指定位置。并在搬运过程中，控制单元3时刻调整吊绳206的收束情况，来调节对重物施加的拉力大小，以适应各种搬运状况的发生。本绳驱动上肢助力装置采用柔性的吊绳206驱动，助力方式为绳拉的柔性驱动方式，实现动力的柔性传输，取消了现有技术中机械臂等刚性构件的驱动方式，不会影响人体上肢正常的活动范围。且大幅降低装置整体重量，避免消耗人体耐力的消耗，达到山区等长途搬运的需求。且由于吊绳206本身的柔性特点，在针对运动过程中左右手臂不协调运动的情况下，可自适应补偿，提高了身体与助力装置的共融性。

本实施例，如图1至4所示，绑缚机构包括具有一定强度的硬质背板101 和连接在背板101下方的腰带103。穿戴本助力装置时，将背板101背在背部，肩膀穿戴机构穿戴在肩膀上，并将腰带103绑缚在人体腰部，继而实现助力装置的固定。刚性的背板101提供了驱动单元2和控制单元3的刚性支撑，为吊绳收卷机构提供施力支撑点，肩膀穿戴机构和柔性的腰带103则将力传递人体，通过人体提供助力装置整体的支撑。通过刚柔结合的方式大大降低了系统整体质量，同时也提高了穿戴的贴合的紧密性，以及提高穿戴舒适性，提高舒适性实际上相应减少了人体耐力的消耗，以满足长期搬运工作的需求。

进一步，为了本上肢助力装置能够适应各种身高的人体，本实施例中，在腰带103紧贴腰部处的外侧上固定连接有一个硬质连接板104，硬质连接板104 中部位置固定连接有一个刚性杆调节板105，刚性杆调节板105上开设有一个栓轴孔。在背板101的底部位置固定连接有一个刚性杆固定架109，然后通过一根刚性杆106将背板101和腰带103连接起来，具体的将刚性杆106的一端固定在刚性杆固定架109上，另一端插入刚性杆调节板105内，刚性杆106 上沿着刚性杆106轴线方向上设有若干调节孔，通过改变栓轴孔对应的刚性杆106上的不同的调节孔，以改变刚性杆106的相对长度，然后在栓轴孔和调节孔内插入栓轴进行固定，实现背板101的高度调节。

本实施例中，刚性杆106采用碳纤维杆或铝杆，刚性杆106的作用是传递力，刚性杆106的粗细影响承受力的大小，因此在设计时，可适当增加刚性杆 106的直径。

进一步，本实施例中，腰带103的端头设有相互粘合的魔术贴。通过魔术贴的贴合长度调节腰带103的松紧度，以适应不同胖瘦程度的人体，提高人体的舒适度。

本实施例中，如图1至4所示，肩膀穿戴机构包括背带102，在背板101 的两个凸出的端头上设有通孔，背板101上的通孔中穿插一个固定套108，固定套108的端头固定连接在背板101的背面上。然后在背带102的一个端头上也打有通孔，将背带102上的通孔对准背板101上的通孔后，将背带102套在固定套108上，并安上一个套筒107进行固定，将背带102压在背板101的正面上，背带102可绕着固定套108进行转动，从而改变背带102的角度。背带102的另一端固定连接在腰带103紧贴腰部处的内侧上，形成书包式的背带，这中穿戴的方式穿戴性更好，贴合性更紧密，能够提高整体结构的稳定性，而且更方便人体为整个上肢助力装置提供支撑力，保证其工作状态更加稳定。肩膀穿戴机构采用背带102的方式，进一步降低了上肢助力装置的整体重量，同时柔性的背带102也能更贴合人体，保证舒适度。

进一步，本实施例中，背带102长度可调节，采用了书包扣的调节方式，通过调节背带102的长度，从而可适应不同身材的人群，保证稳定穿戴的同时，还能保证人体的舒适度。

本实施例中，如图1至图4所示，吊绳收卷机构包括驱动电机201、联轴器204以及卷筒205，背板101的背面上设有两个对称设置的电机支架203，驱动电机201通过电机法兰202固定在两个电机支架203之间，驱动电机201 的输出轴与联轴器204连接，联轴器204能够随驱动电机201的输出轴转动，同时联轴器204上设有键槽能够带动卷筒205转动，联轴器204末端与轴承相连，轴承固定于背板101的背面上，卷筒205上设置有两个线槽用于缠绕吊绳206。改变驱动电机201的转轴转动方向，卷筒205会随着转轴方向改变而改变转动方向，从而实现吊绳206的收束和放出，以改变驱动电机201对重物的拉力大小，实现重物的吊起放下以及对重物持续的助力。重物的搬运过程中，全程由一个驱动电机201传输力，相对于多个电机控制的助力装置，结构简单，且传力稳定，从而降低了控制的难度，提高了系统整体的可靠性与稳定性。且单个电机方式能够大幅降低装置的重量，减少对人体体力的消耗，提高搬运效率。

进一步，本实施例中，导向机构包括柔性导管207，在电机支架203、背板101上以及背带102上均设有导管固定架208，柔性导管207通过导管固定架208，从靠近卷筒205处位置开始向背带102延伸，并延伸至背带102的前方，吊绳206从卷筒205伸出后便穿入柔性导管207内然后从柔性导管207 端头伸出，并在端头连接有重物连接钩209，吊绳206可在柔性导管207内运动。柔性导管207搭接在肩膀处，通过肩膀可以给吊绳206很好的支撑点，且提高力矩，以将重物轻松提起，同时节省传动空间，对人体上肢的运动没有干涉，不会影响人体的正常活动范围。

进一步，本实施例中，吊绳206可采用尼龙绳，承受拉力大。当然也可采用钢丝绳等其他韧性以及承受拉力大的绳索。柔性导管207可采用塑料导管，如车闸线管、鲍登线管等，且柔性导管207应尽可能减小弯曲程度，保持大的曲率以有效减小摩擦。

本实施例中，如图1至4所示，控制单元3包括控制面板301，背板101 的背面上设有绝缘板支架307，在绝缘板支架307上固定连接有绝缘板302，控制面板301安装在绝缘板302上并与吊绳收卷机构中的驱动电机201电联接，以控制吊绳收卷机构收卷速度和方向。同时在背板101的背面上还两个对称的电池303，电池303可采用锂电池，电池303通过电池固定架306以及电池托架305固定在背板101上。电池303为吊绳收卷机构和控制面板301供电。

进一步，吊绳206的末端与重物连接钩209之间连接有拉力传感器304；背板101上设有惯性测量传感器，拉力传感器304和惯性测量传感器均与控制面板301电联接。惯性测量传感器能够监测人体姿态数据，拉力传感器304 能够实时监测拉力大小的改变，并将监测数据实时输入给控制面板301，以实现对驱动单元2的控制。在人体搬运重物时，通过惯性测量传感器实现对运动捕捉与预测，对人体动作姿态进行识别判断，并将其传输给控制面板301，结合上拉力传感器304测得的拉力大小，改变驱动电机201的动作(转动方向和转动速度)，通过驱动电机201提供与重物之间的恒定或者适应性力矩，以满足不同的重物要求，人体双臂只需控制重物行进方向即可，大幅降低了协同控制的难度，提高了系统整体的可靠性与稳定性。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，包括穿戴单元以及设置在所述穿戴单元上的驱动单元和控制单元；

所述穿戴单元包括绑缚在人体上的绑缚机构以及辅助固定所述绑缚机构的肩膀穿戴机构；

所述驱动单元包括设置在所述绑缚机构上的吊绳收卷机构和导向机构，所述吊绳收卷机构上的吊绳通过所述导向机构延伸至肩膀前方，所述吊绳的末端连接有重物连接钩；所述吊绳收卷机构与所述控制单元电联接。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述绑缚机构包括背板和连接在所述背板下方的腰带，所述背板通过腰带和所述肩膀穿戴机构固定在人体背部上。

3.根据权利要求2所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述腰带紧贴腰部处的外侧上固定连接有硬质连接板，所述硬质连接板上设有带有栓轴孔的刚性杆调节板，刚性杆一端插接在所述刚性杆调节板上，另一端固定连接在所述背板上，所述刚性杆上设有若干沿所述刚性杆轴线方向上延伸的调节孔，所述刚性杆和所述刚性杆调节板通过所述栓轴孔、调节孔以及调节栓轴固定。

4.根据权利要求3所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述腰带的端头设有相互粘合的魔术贴。

5.根据权利要求2所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述肩膀穿戴机构包括背带，所述背带一端转动连接所述背板上，另一端固定连接在所述腰带紧贴腰部处的内侧上。

6.根据权利要求5所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述背带设有用于调节所述背带长度的书包扣。

7.根据权利要求5所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述吊绳收卷机构包括用于收卷吊绳的卷筒，所述卷筒通过固定连接在所述背板上的驱动电机驱动，所述驱动电机与所述卷筒之间通过联轴器连接，所述联轴器的末端通过轴承与所述背板固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述导向机构包括从所述背板向所述背带延伸的柔性导管，所述柔性导管通过导管固定架固定在所述背板和所述背带上，所述吊绳穿过所述柔性导管并延伸至所述背带的前方。

9.根据权利要求2所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述控制单元包括与所述吊绳收卷机构电联接的控制面板，所述控制面板通过绝缘板固定连接在所述背板上，所述背板上设有为所述吊绳收卷机构和所述控制面板供电的电池。

10.根据权利要求9所述的一种可穿戴绳驱动上肢助力装置，其特征在于，所述吊绳的末端与所述重物连接钩之间连接有拉力传感器；所述背板上设有惯性测量传感器，所述拉力传感器和所述惯性测量传感器均与所述控制面板电联接。

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