本发明涉及助力外骨骼机器人技术领域，具体为一种腰部助力外骨骼机构及其助力方法。
背景技术：
当前社会腰背部的疾病例如腰肌劳损、腰间盘突出等呈现出低龄化的趋势，尤其是需要长时间或者频繁弯腰进行重体力劳动者，需要一种减轻腰背部负担的装置降低患腰背部疾病的风险，因此为了加强对劳动者腰椎的保护，引入外骨骼机构进行腰椎保护，将是必然之举，且应用潜力非常巨大。例如公布号为cn106821682a的专利，提出了一种可穿戴式腰部助力装置，通过舵机和扭簧配合在髋关节处输出扭力，达到助力的目的；又如公布号为cn107627291a的专利，提出一种腰背助力外骨骼系统及其助力方法，利用背部的穿戴装置和检测装置，在检测到使用者运动意图时，通过收放连接带的长度对腰背部实施助力。
现有技术的腰部助力装置，在针对人体搬抬重物等腰部用力动作研究不足，对腰部助力不明显，且仿生性差。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种腰部助力外骨骼机构及其助力方法，解决现有技术中腰部助力装置助力不明显、仿生性差等问题。该机构及其助力方法可以在人进行搬抬重物等类似腰部用力动作时提供助力，帮助人在搬重物时弯腰、起身更省力。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种腰部助力外骨骼机构，该机构包括前胸支撑单元和背负单元，其特征在于所述前胸支撑单元包括胸甲、背甲、两个腋下支撑和两个液压缸系统组件，胸甲和背甲的上端通过弹性连接带连接，胸甲和背甲的下部侧面通过两个腋下支撑连接在一起，背甲、胸甲、腋下支撑整体构成马甲状，佩戴在人体上身，三者的连接处均通过弹性连接带连接；在胸甲的前端面上左右对称安装两个液压缸系统组件，且两个液压缸系统组件的结构完全相同；
每个液压缸系统组件均包括上铰支架、液压缸和下铰支架，液压缸两端装有杆端球轴承，液压缸两端分别通过销轴连接方式与上铰支架、下铰支架相互连接；上铰支架通过螺钉连接固定在胸甲上，下铰支架通过螺栓固定在下铰连接板上，所述下铰连接板同时连接人体髋关节部位的一个髋关节支撑板的一端；
所述背负单元包括人工脊柱部分和背架部分；背架部分连接于背甲的左右两部分，人工脊柱部分连接于背甲的中间位置；
所述人工脊柱部分包括背甲母板、背甲子板、脊柱节上方固定盒、脊柱节上方固定轴、脊柱节最上节、脊柱节、脊柱节最下节、脊柱节最下节固定板和气动肌腱，
背甲母板通过螺栓固定在背甲的中部上，脊柱节上方固定盒通过背甲子板固定在背甲母板上，背甲母板与背甲子板能相对滑动，并通过螺栓固定调节相对位置；脊柱节最上节上端穿在脊柱节上方固定盒内，并通过脊柱节上方固定轴将脊柱节最上节和脊柱节上方固定盒间隙配合在一起；脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节依次头尾咬合在一起形成仿生人工脊柱；两条气动肌腱依次穿过脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节的边缘孔将脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节串联在一起；脊柱节最下节通过螺栓与脊柱节最下节固定板前端连接在一起；脊柱节最下节固定板底面与脊柱下端支撑板一端相接触固定，脊柱下端支撑板的另一端的两侧通过螺钉与两个可调连接板固定连接，两个可调连接板分别与相邻的髋关节支撑板滑动连接；
所述背架部分包括多个柔链、背架、导轨、滑轮固定板和滑轮，多个柔链依次连接，且相邻两个柔链之间能够相对转动，最下端的柔链与脊柱节最下节固定板后端固定连接；所述背架包括平板部分和底部连接部分，底部连接部分固定于平板部分的下部中心，底部连接部分连接最上面的柔链，平板部分的上端左右对称连接有两个滑轮固定板；所述滑轮固定板上通过螺栓固连有滑轮；所述导轨安装在背甲的左右两部分上，滑轮与导轨相互配合，滑轮能在导轨上滑动。
本发明还提供一种上述腰部助力外骨骼机构的助力方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，将所述腰部助力外骨骼机构穿戴在使用者对应部位；
步骤2，当使用者开始进入弯腰过程时，随穿戴者弯腰，两对称液压缸会被动随之收缩，同时人工脊柱部分会随之主动伸展；
步骤3，当使用者开始进入起身过程时，随穿戴者起身，两对称液压缸会随之主动伸长，同时人工脊柱部分会随之主动收缩，前胸支撑单元和背负单元形成闭环，能够在人起身时通过前推后拉的支撑方式来达到助力效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中各个柔链串联在一起与背架连接，背架上部通过滑轮、导轨方式连接，此种刚柔耦合式的机构不但可以为背架提供支撑作用，还可以让背架更灵活的随人体进行直腰、弯腰动作，顺应性好，更适合对人进行服务，并且背架的存在让机器人在背部助力的同时还可以承受一些外载荷，可以帮助人体实现背负外部载荷功能，功能更加多样化。
本发明中气动肌腱将脊柱节最上节、脊柱节、脊柱节最下节串联在一起，通过气动肌腱充气的时候会将离散的脊柱节重新咬合在一起，从而实现了人弯腰起身时背部的助力；脊柱节之间互相咬合在一起，人工脊柱只能随着人体向前弯腰和弯腰后的直腰，不能向后倾倒，这种防后仰功能让外骨骼机器人助力过程更加安全。
本发明中背甲母板与背甲子板通过螺栓连接在一起，背甲子板与脊柱节最上节固定盒连接在一起，背甲母板与背甲子板两端存在多个螺纹孔，螺栓可以通过不同的螺纹孔将背甲母板与背甲子板连接在一起，从而实现长度的可调，以适应不同身高的人。
本发明中连接液压缸所用上、下铰支架中铰链相对于上下铰支座可以旋转，液压缸两端通过销轴以及杆端球轴承方式与上、下铰支架连接，使得液压缸可实现跟随使用者实现俯仰、偏转等动作；采用液压源动力，负重能力强，而且相对于气压系统，系统刚度和稳定性较强，同时提高系统柔顺能力和运行精度。
本发明中连接液压缸所用上、下铰支架中铰链相对于上下铰支座可以旋转，液压缸两端通过销轴以及杆端球轴承方式与上、下铰支架连接，使得液压缸可实现跟随使用者实现俯仰、偏转等动作；采用液压源动力，负重能力强，而且相对于气压系统，系统刚度和稳定性较强，同时提高系统柔顺能力和运行精度。
本发明中提供了一种腰部助力外骨骼机构以及助力方法，能够在人进行搬抬重物等类似弯腰、起身行为时，产生支撑、助力以及保护。
附图说明
图1为本发明腰部助力外骨骼机构主视结构示意图；
图2为本发明腰部助力外骨骼机构后视结构示意图；
图3为本发明腰部助力外骨骼机构左视结构示意图；
图4为本发明腰部助力外骨骼机构立体结构示意图；
图5为本发明腰部助力外骨骼机构人工脊柱部分长度可调结构示意图；
图6为本发明腰部助力外骨骼机构脊柱节最上节6立体结构示意图；
图7为本发明腰部助力外骨骼机构脊柱节14立体结构示意图；
图8为本发明腰部助力外骨骼机构脊柱节最下节15立体结构示意图；
图9为本发明腰部助力外骨骼机构上铰支架4装配体连接方式剖面结构示意图；
其中：1、胸甲；2、背甲；3、腋下支撑；4、上铰支架；5、液压缸；6、下铰支架；7、下铰连接板；8、髋关节支撑板；9、背甲母板；10、背甲子板；11、脊柱节上方固定盒；12、脊柱节上方固定轴；13、脊柱节最上节；14、脊柱节；15、脊柱节最下节；16、脊柱节最下节固定板；17、气动肌腱；18柔链；19、背架；20、导轨；21、滑轮固定板；22、滑轮；23、可调连接板；24、脊柱下端支撑板；401上铰支座；402铰链；403卡座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种腰部助力外骨骼机构包括前胸支撑单元和背负单元，所述前胸支撑单元包括胸甲1、背甲2、两个腋下支撑3和两个液压缸系统组件，胸甲1和背甲2的上端通过弹性连接带连接，胸甲1和背甲2的下部侧面通过两个腋下支撑3连接在一起，背甲、胸甲、腋下支撑整体构成马甲状，佩戴在人体上身，三者的连接处均通过弹性连接带连接；在胸甲1的前端面上左右对称安装两个液压缸系统组件，且两个液压缸系统组件的结构完全相同；
每个液压缸系统组件均包括上铰支架4、液压缸5和下铰支架6，液压缸两端装有杆端球轴承，液压缸两端分别通过销轴连接方式与上铰支架4、下铰支架6相互连接；上铰支架4通过螺钉连接固定在胸甲1上，下铰支架6通过螺栓固定在下铰连接板7上，所述下铰连接板同时连接人体髋关节部位的髋关节支撑板8；两个液压缸整体呈八字倾斜布置，与胸甲连接部分的液压缸一端为八字小口方向；
所述背负单元包括人工脊柱部分和背架部分；所述背甲2固定在人背部，背甲的左右两部分用于连接背架部分，背甲的中间位置用于连接人工脊柱部分；
所述人工脊柱部分包括背甲母板9、背甲子板10、脊柱节上方固定盒11、脊柱节上方固定轴12、脊柱节最上节13、脊柱节14、脊柱节最下节15、脊柱节最下节固定板16和气动肌腱17，
背甲母板9通过螺栓固定在背甲2的中部上，脊柱节上方固定盒11通过背甲子板10固定在背甲母板9上，背甲母板与背甲子板能相对滑动，并通过螺栓固定调节相对位置；脊柱节最上节13上端穿在脊柱节上方固定盒11内，并通过脊柱节上方固定轴12将脊柱节最上节13和脊柱节上方固定盒11间隙配合在一起；脊柱节最上节13、若干脊柱节14、脊柱节最下节15依次头尾咬合在一起；两条气动肌腱17依次穿过脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节的边缘孔将脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节串联在一起；脊柱节最下节15通过螺栓与脊柱节最下节固定板16前端连接在一起；脊柱节最下节固定板16底面与脊柱下端支撑板24的一端相接触固定，通过脊柱下端支撑板来支撑人工脊柱，脊柱下端支撑板的另一端的左右两侧分别通过螺钉与一个可调连接板23固定连接，每个可调连接板连接一侧的髋关节支撑板，所述髋关节支撑板安装在人体髋关节部位，有两块；所述可调连接板上设有调节槽，可以根据人体的腰部宽度来调节可调连接板固定在相连髋关节支撑板上的相对水平位置，以适应不同身材使用者的佩戴需求；
所述背架部分包括多个柔链18、背架19、导轨20、滑轮固定板21和滑轮22，多个柔链依次连接，且相邻两个柔链之间能够相对转动，最下端的柔链与脊柱节最下节固定板16后端固定连接，最上面的柔链连接背架19的底端；所述背架19包括平板部分和底部连接部分，底部连接部分固定于平板部分的下部中心，底部连接部分连接最上面的柔链，平板部分的上端左右对称连接有两个滑轮固定板21；所述滑轮固定板上通过螺栓固连有滑轮22；所述导轨20安装在背甲2的左右两部分上，滑轮22与导轨相互配合，滑轮能在导轨上上下滑动。
所述脊柱节最上节13(参见图6)的上方设有轴孔1301，脊柱节上方固定轴12穿过此轴孔将脊柱节最上节与脊柱节上方固定盒固定在一起；脊柱节最上节的下方是一根带有圆球的圆柱1304，它可以伸到下一节脊柱节的球形中间凹槽1402，起到支撑导向作用；脊柱节最上节的背部设有与相邻脊柱节相连的凹槽通道1303，用来容纳下一节脊柱节的头部1401，以此互相嵌合实现防后仰功能；脊柱节最上节13的凹槽通道的两侧对称设置有两个气动肌腱安装通孔1302；
每个脊柱节14(参见图7)背部下部设有凹槽通道1303，背部头部1401的形状与该凹槽通道的形状结构相匹配，在凹槽通道的左右两侧对称设置也有两个气动肌腱安装通孔1302；脊柱节的前部上部设有能容纳带有圆球的圆柱1304的球形中间凹槽1402，前部下部连接带有圆球的圆柱1304；第一个脊柱节的头部1401连接在脊柱节最上节的凹槽通道内，脊柱节最上节的带有圆球的圆柱伸到第一个脊柱节的球形中间凹槽内；相邻两个脊柱节的头部和凹槽通道依次嵌合连接在一起，带有圆球的圆柱与球形中间凹槽依次配合连接在一起；
所述脊柱节最下节15(参见图8)背部头部1401形状与脊柱节上的凹槽通道形状结构相匹配，背部下部左右对称设有两个气动肌腱安装通孔(边缘孔)1302；脊柱节最下节前部上部设有能容纳带有圆球的圆柱1304的球形中间凹槽1402，前部下部没有连接带有圆球的圆柱1304，前部的前端面上设有用来与脊柱节最下节固定板16相固定的螺纹孔；脊柱节最下节的头部连接最后一个脊柱节的凹槽通道；
两条气动肌腱分别穿过上述脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节的两个气动肌腱安装通孔1302，将脊柱节最上节、若干脊柱节、脊柱节最下节连接在一起；带有圆球的圆柱与球形中间凹槽的依次连接起到支撑和导向的作用，头部和凹槽通道依次嵌合连接起到防止后仰的功能，所以人工脊柱只能随人体做弯腰和直腰动作，并不会让人体做后仰动作，起到了防后仰功能，当人弯腰时，脊柱节14处于离散状态并且气动肌腱17处于放气状态，当人直腰需要助力的时候气动肌腱17充气自身缩短并将所有的脊柱节14聚合到一起以此实现直腰助力功能。
本发明中所述胸甲1和背甲2设计结合人体工程学，能够完好的与人体前胸贴合，且内部中空，满足轻量化原则。
所述上铰支架4(参见图9)包括上铰支座401、铰链402和卡座403，其中上铰支座401为锐角弯折板，具有斜面和底面，斜面与底面呈60-70°夹角，优选65°；所述铰链402为双耳型，下端有贯通槽口，该贯通槽口与卡座403上端的突出形状相配合，卡座403压在上铰支座401的斜面上，并深入到铰链的贯通槽口中，通过螺钉将上铰支座401、铰链402、卡座403相互连接，铰链402相对于上铰支座401能够相对旋转。
所述下铰支架6的铰链和卡座与上铰支架的形状结构相同，下铰支架的下铰支座与上铰支架的上铰支座弯折角度不同，所述下铰支座为“l”型结构，弯折角度为90°，而且下铰支架6的铰链相对于下铰支座也能够相对旋转。
本发明还提供一种所述腰部助力外骨骼机构的腰部助力方法，包括以下步骤：
步骤1，将所述穿戴装置穿戴在使用者对应部位；
步骤2，当使用者开始进入弯腰过程时，随穿戴者弯腰，两对称液压缸会被动随之收缩，同时人工脊柱(人工肌肉)会随之主动伸展；
步骤3，当使用者开始进入起身过程时，随穿戴者起身，两对称液压缸会随之主动伸长，同时人工脊柱(人工肌肉)会随之主动收缩，从而能够在人起身时通过前推后拉的支撑方式来达到助力效果，前胸支撑单元和背负单元的前后助力形成闭环，助力效果更加明显。
本发明的工作原理和工作流程是：将胸甲1、背甲2和腋下支撑3应用弹性连接带穿戴在使用者身上，然后用螺钉连接将上铰支架4连接到胸甲上，
两对称液压缸上端杆端轴承分别通过销连接方式连接到上铰支架，上铰支架通过螺钉连接方式与胸甲连接，两液压缸下端杆端轴承分别通过销连接方式连接到下铰支架，下铰支架通过下铰连接板7与髋关节支撑板8相连接。
人工脊柱的脊柱节上方固定盒11通过螺钉连接固定到背甲上，人工脊柱的脊柱节最下节固定板16用脊柱下端支撑板24来支撑，脊柱下端支撑板24通过螺钉连接固定到可调连接板23上，可调连接板23通过螺钉连接到髋关节支撑板8上；通过可调连接板可以根据不同人体髋关节部分的整体宽度的不同进行适应性调节，以满足不同胖瘦的使用者的使用需求。
本发明未述及之处适用于现有技术。