穿戴式助力外骨骼机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体涉及穿戴式助力外骨骼机器人。

背景技术：

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体技能、辅助运动方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。本发明涉及一种可穿戴的助力外骨骼，当人体前倾或弯腰时提供支撑和助力，类似结构在1921年的us1371690专利里也有所提及。

当人体处于前倾或弯腰状态，尤其是在进行弯腰搬物或弯曲作业时，其身体肌肉和骨骼比直立时更易疲劳和损伤。长期处于这样的工作姿态下容易引发职业性肌肉骨骼疾病。

us1371690专利描述了一种用于支撑人体上身的可穿戴助力结构，该结构由肩部和腿部组成，两部分间用可弯曲的长条和弹簧连接。肩部结构与人体的肩部固定，腿部结构绑扎在大腿上，当身体弯曲时，肩部结构将跟随人体肩部运动，从而带动弹簧弯曲，产生与身体弯曲方向相反的力，为人体上身提供支撑力。

然而这种结构对于穿戴者而言是不舒适的，整体结构比较笨重而且在弯曲时提供的助力模式变化不规则，影响因素包括穿戴的位置、人的身体特性，例如体型、体重分布等。此外，该结构可能会对人体正常行动造成损伤，尤其是在移动手臂的时候。虽然长期以来人们一直在改进这种结构的缺点，但是目前其他已知的结构和装置仍然不能克服与这种结构相关的问题和缺点。

ep1264583专利公开了一种用于支撑身体的结构，其中在人的腿部和背部上设置有弹性带的结构，其连接到脚踝，下背部和肩部。us654173和us5816251专利中也描述了类似的结构，两者都具有围绕大腿的带子所附接的结构，该结构在使用时会被拉到裆部区域。这些结构被证明是不舒适的，并且使用起来比较麻烦，提供的助力效果也不理想。

us2009/0095308专利公开了一种助力和支撑装置，该装置限制了脊柱的运动用以规范正确的搬举技术，但腰部和腿部的支撑结构没有公开。

u2010/0069806公开了一种具有胸垫、腰垫和大腿垫的刚性支撑架，所述支架的设计是用于帮助因脊柱无力而患有前倾的患者实现直立姿势，因此不提供用于在向前倾斜或弯腰期间至少部分地释放人体的可穿戴结构。

wo2007/107952公开了一种形如围裙的弹性挡板结构，该弹性结构从胸部区域，通过人的腹部延伸至大腿区域，腰部支撑结构没有公开。该弹性结构的问题在于，当使用者弯腰或者前倾时，弹性结构的下端会朝着大腿下端滑动或者上端朝着喉咙滑动。

wo2008/125802公开了一种围裙状支撑板结构，该结构包括柔性的纺织材料，其中设置有两个弹簧元件，当使用者向前弯曲时，弹簧元件用于将挡板片由弯曲拉到直线位置。该装置被证明是不舒服的，并且难以提供最佳的助力效果。

us5176622公开了一种弯腰助力装置，当使用者弯腰时压缩胸部和腿部间的支架，以帮助使用者站立并缓解背部拉伤。支架的中心包括一对弧形弹簧，其缠绕在圆柱形弹性体的线轴上。线轴连接在腰带上，其转动中心与髋关节转动中心同轴。这种装置的缺点在于将弧形弹簧安装到线轴以及线轴的正确定位是一个麻烦且比较容易出错的过程。

us443113公开了一种包含肩部支撑、腰部支撑和腿部支撑的助力装置，三部分由沿着身体侧面延伸的弹性杆连接。杆的上端与身体后部的肩部支撑件连接，杆的下端与腿部支撑件连接，腰部支撑由两杆中部的腰带组成。这种结构同样令使用者感到不舒适，特别是肩部和腿部都向后拉，并且手臂和腿部的运动自由受到限制，在使用时很麻烦，并且不能提供足够的支撑。此外，当弯曲程度增大时，弯腰也更加困难。

us7744552公开了一种可穿戴的的助力结构，用于对弯腰时人体上半身提供支撑。该支撑结构包括空心管，空心管沿腹部向两侧延伸，内部设有扭簧机构。空心管中部设置有沿胸部方向延伸的支撑滚轮，左右两端与大腿支撑杆铰接。该结构通过扭簧机构支撑上身，大腿支撑件支撑大腿实现助力，大腿支撑件可以彼此独立的移动。然而，这种助力结构相对较重，而且由于空心管结构，穿着该装置的人腹侧区域会受到约束。此外，当身体弯曲时，由于空心管和胸部支撑件之间距离固定，胸部支撑件将会与上身产生相对移动。同样，由于管和大腿支撑之间的固定距离，大腿支撑件将改变相对于腿的位置，这对使用者来说也是不舒适的。

cn201720248125.5公开了一种腰部助力装置，包括腰部支撑架和大腿连杆，腰部支撑架和大腿连杆连接处设置有组合助力驱动装置，腰部支撑架和大腿连杆上设置有用于检测身体姿态的陀螺仪，在腰部支撑架上还设置有控制系统，用于根据陀螺仪数据使组合助力驱动装置控制腰部支撑架和大腿连杆之间产生转动助力，该助力装置能够减轻长时间弯腰工作时背部肌肉的负担和不适。但是该装置在腰支撑板两侧的连接臂长度和角度固定，在使用时上臂自由运动容易受到限制，二是其组合助力驱动装置采用卷簧安装在扭力轴上，助力效果有限。

技术实现要素：

发明目的：克服现有技术的不足，本发明提供了一种穿戴式助力外骨骼机器人以精简轻便的结构，可贴合地穿戴于不同体形用户的身体上，增加穿戴舒适性，提供可靠的支撑和助力。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种穿戴式助力外骨骼机器人，包括胸部支撑装置、髋关节与腿部支撑装置：所述胸部支撑装置包括一体式胸托与胸部支撑杆，所述胸部支撑杆沿身体两侧腋下延伸，分别连接一体式胸托与髋关节，用以实现所述一体式胸托与髋关节间的作用力传递。所述髋关节包括腰部绑缚板、力发生装置和与所述胸部支撑杆连接的转动板，所述力发生装置具有基座、拉线轮、钢绳和弹性元件，所述转动板两端分别连接所述胸部支撑杆与所述拉线轮，所述拉线轮通过钢绳连接弹性元件，所述基座内设有腿部支撑杆容置槽，所述髋关节连接所述胸部支撑杆与腿部支撑装置，用于对使用者的上身提供支撑助力。所述腿部支撑装置包括腿部支撑杆与贴合大腿的大腿挡板，所述腿部支撑杆连接所述髋关节与大腿挡板，所述腿部支撑杆上端连接所述腿部支撑杆容置槽，所述腿部支撑杆下端与大腿挡板可旋转地铰接。

作为一种改进，所述一体式胸托包括支撑底板、转动轴组和基体，

所述基体包括基板、胸部支撑杆转接件和覆盖在基体表面的至少一个壳层的外壳，所述基板和外壳之间具有开口部，所述开口部具有球面轮廓的支承面，所述胸部支撑杆转接件与基板和外壳铰接；作为一种改进，所述基板具有胸部支撑杆转接件安装的螺丝定位孔，所述胸部支撑杆转接件上具有调节腰部支撑杆宽度的胸部支撑杆定位销和腰部支撑杆调节拉钮。

所述转动轴组具有转动轴，所述转动轴一端固定在支撑底板上，另一端具有外表面呈球面轮廓的结合端部，所述结合端部可旋转地保持于所述支承面上，所述结合端部与所述基体支承面组成球面副。所述结合端部由转动轴和球形轴承组成，所述转动轴通过固定螺母与球形轴承固定连接，所述球形轴承位于基板和外壳之间的开口部中。作为一种改进，所述转动轴组还包括橡胶垫圈，所述橡胶垫圈穿过转动轴，并位于所述支撑底板与基体之间，起间隔缓冲作用。作为一种改进，所述基板具有橡胶垫圈的容置槽。

作为一种改进，所述支撑底板还具有弹性缓冲垫，所述弹性缓冲垫可弹性变形地贴合支撑于用户胸部，所述弹性缓冲垫材料可选自海绵、橡胶、硅胶等可。

作为一种改进，所述外壳的第一壳层为胸部外壳，该胸部外壳配合地安装在基板上，所述胸部外壳内表面与基板之间的空腔形成胸部外壳容置槽，所述球形轴承至少部分位于胸部外壳容置槽内。

作为一种改进，所述一体式胸托上还设置用于检测人体运动能耗和评估人体局部肌肉疲劳情况胸部传感器，胸部传感器至少部分安装在所述胸部外壳容置槽内，所述胸部传感器在胸部外壳容置槽内与结合端部中球形轴承的支承面相连或者所述胸部传感器与结合端部相向的一面直接作为所述球形轴承的支承面。所述胸部外壳容置槽的外表面可拆卸地配接外壳镶件，所述外壳镶件在中部设有便于取出胸部传感器的开放口，其开放口处可拆卸地盖设一个胸部传感器固定壳。

作为一种改进，所述胸部传感器上还设有拨动开关，所述拨动开关的可拨动部设在外壳镶件的缺口处。

作为一种改进，所述髋关节具有腰部绑缚板、力发生装置和与所述胸部支撑杆连接的转动板。所述腰部绑缚板可具有弹性缓冲垫，所述弹性缓冲垫可弹性变形地贴合与用户髋部和臀部。所述力发生装置具有基座、拉线轮、髋关节旋转轴、钢绳和弹性元件。所述基座具有前后设置的弹性元件容置槽和所述腿部支撑杆容置槽。所述拉线轮通过所述髋关节旋转轴与所述腰部绑缚板和基座铰接。所述钢绳连接所述拉线轮和弹性元件，用以传递二者之间的作用力。所述拉线轮与所述转动板铰接，所述转动板连接所述胸部支撑杆与所述拉线轮，所述转动板具有松脱机构，所述松脱机构包括松脱开关和卡板，所述卡板安装在所述拉线轮的滑动槽中，所述松脱开关安装在所述卡板前端的安装槽中，用以控制转动板与拉线轮间的离合。

作为一种改进，所述髋关节还包括用于检测用户腿部步态信息的腿部传感器，所述腿部传感器安装在所述腿部支撑杆容置槽上方。

作为一种改进，所述腿部支撑装置具有可调节长度的腿部支撑杆和贴合大腿表面的大腿挡板。所述腿部支撑杆上端与所述腿部支撑杆容置槽连接，下端与所述大腿挡板铰接，大腿挡板与腿部支撑杆之间可进行一定自由度的旋转。作为进一步改进，所述腿部支撑杆上端具有一组腿部支撑杆定位孔，通过上下移动腿部支撑杆定位孔的位置并由大腿杆调节拉钮固定，用来调节腿部支撑杆在腿部支撑杆容置槽的高度。

有益效果：本发明提供的穿戴式助力外骨骼机器人结构精简轻便，弯腰或前倾时身体自由度不受限制，弹性缓冲垫的存在使得结构贴合不同体型用户；本发明转动板上的松脱机构便于用户控制该装置；本发明提供的穿戴式助力外骨骼机器人结构所配备的腰部传感器和腿部传感器可以与现代化电子设备，如手机等直接配套使用，便于用户随时掌握相关运动信息；本发明结构对于一些弯腰不便或长期弯腰的使用者来说能够即时提供支撑助力，助力效果佳，有效缓解或延缓腰痛等不适症状。

附图说明

图1是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人的胸部支撑装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人胸部支撑装置的一体式胸托的分解结构示意图；

图4是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人髋关节的整体结构示意图；

图5是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人髋关节的分解结构示意图；

图6是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人髋关节力发生装置结构示意图；

图7是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人髋关节松脱机构的分解示意图；

图8是本发明实施例提供的穿戴式助力外骨骼机器人腿部支撑装置结构示意图。

附图标记说明：1.一体式胸托2.胸部支撑杆3.转动板4.基座5.腿部支撑杆6.大腿挡板7.拉线轮8.腰部绑缚板9.胸部支撑杆转接件10.杆下铜套11.胸部定位销12.调节拉钮13.弹性缓冲垫14.支撑底板15.橡胶垫圈16.转接件销轴17.基板18.外壳镶件19.拨动开关20.胸部传感器固定壳21.胸部传感器22.胸部外壳23.转动轴24.松脱开关25.转动板转轴26.基座外壳27.钢绳压紧螺栓28.固定环29.钢绳30.弹性元件容置槽31.腿部传感器32.大腿杆调节拉钮.33.髋关节旋转轴.34.弹性元件.35.胸部支撑杆固定旋盖.36.卡板.37.垫片.38.转动板固定销.39大腿挡板转动槽.40.大腿支撑杆固定螺丝。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明，应理解，前面的总体描述和下面的详细描述两者仅是示例性和说明性的，并不限制所要求的实施方式的范围，本申请中表示上下左右前后等方位的术语只是为了说明的目的，除非另有释义，不用于限制本发明的范围。另外，在本文所提及的各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可以在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或者删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。本领域技术人员基于本发明技术构思进行修改和等同替换.均应落在本发明保护范围之内。

如图1示例性地显示了穿戴式助力外骨骼机器人的整体结构，本发明用于提供一种结构精简、运动灵活性好、助力效果佳的机械装置。该穿戴式助力外骨骼机器人包括胸部支撑装置、髋关节和腿部支撑装置。其中，胸部支撑装置包括一体式胸托1、胸部支撑杆转接件9与胸部支撑杆2，胸部支撑杆转接件9两端分别连接一体式胸托1和胸部支撑杆2，所述胸部支撑杆2沿身体两侧腋下延伸，分别连接一体式胸托1与髋关节，用以实现所述一体式胸托1与髋关节间的作用力传递。髋关节连接胸部支撑杆2与腿部支撑装置，用于对使用者的上身提供支撑助力。所述腿部支撑装置具有腿部支撑杆件5与贴合大腿的大腿挡板6，所述腿部支撑杆5连接所述髋关节与贴合大腿的挡板6。

如图2-3所示，胸部支撑装置具有一体式胸托1，胸部支撑杆2和胸部支撑杆转接件9，胸部支撑杆转接件9设在一体式胸托1的两端并用于插接胸部支撑杆2，胸部支撑杆2接入胸部支撑杆转接件9的一端具有一组孔位，胸部支撑杆转接件上设有胸部定位销11和调节拉钮12。拉拔调节拉钮12使胸部定位销11对准并固定胸部支撑杆2合适的孔位，从而使用户根据胸部体型变化可调节两侧胸部支撑杆2插接入一体式胸托1的深度。在另一实施例中，胸部支撑杆2的下端还设有杆下铜套10，杆下铜套10通过图7中胸部支撑杆固定旋盖35周向拧紧固定连接髋关节。

如图3所示，一体式胸托中，弹性缓冲垫13安装在支撑底板14上，优选地，弹性缓冲垫13的材料可选择海绵、橡胶、硅胶等弹性材料，用于可弹性变形地贴合用户胸部，在另一实施例中，支撑底板14的形状为近马鞍形，支撑底板14可以为直面板，也可以具有一定曲度。

一体式胸托具有胸部外壳22，胸部外壳22配合地安装在基板17外表面。胸部支撑杆转接件9与基板17和胸部外壳22铰接，在一具体实施例中，胸部支撑杆转接件9可通过转接件销轴16穿过基板17上的螺丝定位孔铰接在基板17和胸部外壳22的两端。其中，胸部外壳22的两端留有适合铰接胸部支撑杆转接件9和基板12的左右缺口，用以密封。

转动轴23的一端与支撑底板14固定连接，转动轴23的另一端连接球形轴承，转动轴23与球形轴承可通过固定螺母固定在一起，二者进行一体旋转，也可以通过其他固定部件固定在一起，如顶丝、偏心套或紧定套等，球形轴承与转动轴23形成具有球面轮廓的结合端部。在另一实施例中，球形轴承为内圈宽于外圈，且外圈具有截球形外表面的轴承，该球形轴承安装在基板17中部的安装孔上，并部分位于胸部外壳22内表面与基板17之间空腔形成的胸部外壳容置槽内。基板17与胸部外壳22之间具有开口部，该开口部位于胸部外壳容置槽内，开口部具有球面轮廓的支承面，球形轴承保持于该支承面上，转动轴23和球形轴承在支撑底板14与所述基板17和胸部外壳22之间组成球面副。在另一实施例中，还具有橡胶垫圈15，橡胶垫圈15穿过转动轴23，位于支撑底板14与基板17间，在转动轴23与支撑底板14之间发生相对转动时，橡胶垫圈15起到间隔缓冲作用，转动轴23、球形轴承和橡胶垫圈15组成转动轴组。作为改进，基板17上设有橡胶垫圈15的容置槽。

在另一实施例中，胸部外壳容置槽内还安装胸部传感器21，胸部传感器21部分或全部位于胸部外壳容置槽内，用于检测用户运动能耗与相关运动信息，在另一实施例中，胸部传感器21与转动轴组的球形轮廓支承面相连，或是胸部传感器21与结合端部球面轮廓相向的一面直接作为结合端部的支承面，胸部传感器21通过感应相邻转动轴组的转动变化来收集计算用于检测人体运动能耗和评估人体局部肌肉疲劳情况。胸部传感器21可以采用多种类型的传感器，其中优选可直接与手机、电脑等网络设备直接相连的胸部传感器。胸部外壳容置槽的外表面可拆卸地配接外壳镶件18。在另一实施例中，胸部传感器21上还具有拨动开关19，拨动开关19的可拨动部设在外壳镶件18上部的缺口处，拨动开关19在用户运动时打开。

在另一实施例中，为方便胸部传感器21的取放，外壳镶件在中部设有便于取出胸部传感器的开放口，其开放口处可拆卸地盖设一个胸部传感器固定壳20。

如图4～7所示，髋关节具有腰部绑缚板8、力发生装置和与胸部支撑杆连接的转动板3。一对腰部绑缚板8相对地安装在髋关节上，用于为髋部和臀部提供支撑，腰部绑缚板8可设有弹性缓冲垫13，用于可弹性变形地贴合与用户髋部和臀部。力发生装置具有基座4、拉线轮7、髋关节旋转轴28、钢绳29和弹性元件34。拉线轮7与转动板3通过转动板转轴25铰接。在另一实施例中转动板3下部的铰接端配合地嵌入拉线轮7非转动端的铰接槽后，通过转动板固定销38插入转动板3和拉线轮7之间的销孔内实现固定铰接，为了更稳固，转动板固定销38插接时左右两端加设垫片37。

在另一实施例中，为了便于穿脱该装置，拉线轮7与转动板3被设置成易离合模式，具体地是拉线轮7上还设置了松脱机构，该松脱机构包括松脱开关24和卡板36，卡板36安装在拉线轮7的滑动槽中，松脱开关24安装在卡板36前端的安装槽中，用以控制转动板3与拉线轮7间的离合。具体地，转动板2下部的铰接端具有水平缺口，转动板3的铰接端插入拉线轮7的铰接槽后，该转动板2铰接端的水平缺口正好插入拉线轮7滑动槽的左端，且水平缺口的内表面与拉线轮7滑动槽的左端成为一体。卡板36穿过拉线轮7的水平滑动槽与松脱开关24连接，通过左右拨动松脱开关24可带动卡板36在水平滑槽中滑动，当卡板36滑动到滑动槽最左端时，卡板36嵌入转动板3的水平豁口中，这时转动板3与拉线轮7锁定，当卡板36滑到最右端时，卡板36从转动板3的水平缺口脱出，转动板3可相对拉线轮7转动。用户在正常行走或蹲下时使转动板3和拉线轮7松脱以不阻碍运动，弯腰时让松脱机构锁定以提供助力。

基座4上部设有髋关节旋转轴33，拉线轮7与基座4和所述腰部绑缚板8通过所述髋关节旋转轴33铰接，髋关节旋转轴33上分别设有拉线轮7、基座4和腰部绑缚板8的铰接孔位，并通过固定环28将拉线轮7与所述基座4、所述腰部绑缚板8轴向固定在所述髋关节旋转轴33上，其中拉线轮7固定在髋关节旋转轴33轴心的孔位，基板4和腰部绑缚板8分别固定在髋关节旋转轴33轴上的孔位。钢绳29上端穿过拉线轮7，使用钢绳压紧螺栓27将所述钢绳29上端压紧在拉线轮7的钢绳限位槽中，钢绳下端与弹性元件固结。如图5，当拉线轮7逆时针转动时，与所述拉线轮连接的钢绳29将拉动所述弹性元件34，使所述弹性元件压缩。弹性元件34产生的反向弹力对所述钢绳29施加反向拉力，将给所述拉线轮7施加一个顺势针方向的扭矩，该扭矩通过所述胸部支撑杆2传递到胸部，形成支撑助力，弹性元件的弹力产生包括但不限于弹簧、压缩气体等。本发明所采用的的拉线轮7相比凸轮结构，拉线轮7传力可靠性优于凸轮结构；凸轮结构为线接触，且分力较大，传力的效率方面优于凸轮，输出力矩直接为输出力乘以拉线轮半径，而凸轮还要乘以一个力和力臂间的夹角，输出力矩的效率低。在另一实施例中，弹性元件34可以安放在基座4内的弹性元件容置槽30内。基座4还具有基座外壳26。

基座4中还设置了腿部支撑杆容置槽，用于放置腿部支撑杆5的上端，在有弹性元件容置槽30存在的情况下，腿部支撑杆容置槽与弹性元件容置槽30在基座4内前后设置。腿部支撑杆容置槽的下端设有大腿杆调节拉钮32，该大腿杆调节拉钮32部分露在基座外壳26。在另一实施例中，腿部支撑杆5上端具有一组腿部支撑杆定位孔，使用大腿杆调节拉钮32同时通过上下移动腿部支撑杆定位孔的位置，调节腿部支撑杆5上端在腿部支撑杆容置槽的高度。

在一实施例中，大腿支撑杆容置槽上方还安装腿部传感器31，腿部传感器31用于检测用户的步态信息。

图8所示，腿部支撑装置还包括贴合大腿表面的大腿挡板6，大腿挡板6背面设置大腿挡板转动槽39，腿部支撑杆5的下端插入大腿挡板转动槽39的槽孔，并用大腿支撑杆固定螺丝40铰接固定，大腿挡板6与腿部支撑杆5之间可进行一定自由度的旋转。