一种可拼拆式多功能机械仿生外骨骼的制作方法

1.本发明涉及仿生外骨骼技术领域，具体为一种可拼拆式多功能机械仿生外骨骼。


背景技术：

2.仿生外骨骼是一种可穿戴的可装配的设备，在工业制造中能够给高强度工作者提供劳动保护，通过将负载直接卸载至地面，来防止工作人员承载过大压力，为工作人员提供保障，其次，外骨骼还能一定程度上提供辅助力，提高工作效率。
3.目前，大部分外骨骼设备不能很好将脊部、腰部和下肢进行整合协调，存在刚性过大或者柔性过大的问题，无法进行连贯且自由度大的动作，导致外骨骼整体的灵活度低，应用场景有限。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可拼拆式多功能机械仿生外骨骼，具备能够对穿戴者提供灵活度高的仿生外骨骼，同时卸载作用在使用者身上的负载，降低劳动强度，延缓劳动疲劳，从而降低工伤事故的发生率，为劳动者提供安全保障；另外，还可以根据实际情况，为某些康复训练提供助力，解决了背景技术中的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可拼拆式多功能机械仿生外骨骼，包括并接板和关节轴承，所述并接板上活动连接有两个对称设置的腰后托，所述腰后托为扭转式曲面结构，两个所述腰后托通过关节轴承活动连接有下肢骨骼，所述下肢骨骼包括大腿部和小腿部。
6.所述关节轴承包括圆形板，所述圆形板的外壁上开设有第二限位柱，所述圆形板的弧形外壁一体成型有限位孔。
7.所述腰后托上不与人体接触的外壁固定安装有第一限位柱，所述第一限位柱活动连接在限位孔的内部。
8.所述大腿部包括第一节臂，所述第一节臂的顶部一体成型有外凸座，所述外凸座上开设有供限位孔穿过且能够活动的贯通孔。
9.优选的，所述大腿部还包括安装在第一节臂底部的第二节臂，所述第一节臂为笔直结构，所述第二节臂向肢体的方向倾斜，所述第二节臂的底部安装有与小腿部活动连接的第一膝关节臂，所述第一膝关节臂的底部为半圆形的板。
10.优选的，所述可拼拆式多功能机械仿生外骨骼还包括仿生脊柱，所述仿生脊柱包括多个相连的中间基础段、底部连接段和顶部段，所述中间基础段包括两个脊板，两个所述脊板之间安装有球座，所述球座靠近中部的外壁贯穿开设有球窝，所述球窝贯穿球座的底部，所述球座的顶部固定安装有球头，相邻的两个所述中间基础段分别通过球头和球窝的活动连接实现上下相连。
11.优选的，所述小腿部包括与第一膝关节臂活动连接的第二膝关节臂，所述第二膝关节臂的顶部为半圆形的板，所述第二膝关节臂的底部安装有第三节臂，所述第二膝关节
臂为笔直结构，所述第三节臂向远离肢体的方向倾斜，所述第三节臂的底部安装有第四节臂。
12.优选的，所述球座两侧的顶部一体成型有两个向上的限位支臂，位于上下方的两个所述脊板之间安装有分段弹簧，所述顶部段通过球窝安装在位于最上方的一个中间基础段的顶部。
13.优选的，所述底部连接段通过球座活动安装在最下方的中间基础段的底部，且底部连接段还包括安装板，所述安装板的外壁上贯穿开设有销轴孔，所述并接板上开设有与销轴孔等同的孔，且所述安装板的底部为三角状，所述仿生脊柱通过销轴可与并接板转动连接。
14.优选的，所述第一节臂、第二节臂、第二膝关节臂和第三节臂上均开设有多个等距的定位孔，还包括辅助动力组件，所述辅助动力组件包括气弹簧，所述气弹簧的两端分别安装有定位座和支点座，所述定位座和支点座上均开设有安装孔，所述气弹簧可通过安装孔安装在大腿部和小腿部之间，且所述气弹簧的输出端支点可改变。
15.优选的，所述可拼拆式多功能机械仿生外骨骼还包括胸椎定位柱，所述胸椎定位柱位于两个中间基础段之间，所述胸椎定位柱安装在与胸椎对应的位置，所述胸椎定位柱的长度在二十厘米至二十四厘米之间，所述胸椎定位柱为刚性的连接柱，所述胸椎定位柱的底部与位于下方的球座的顶部可拆卸式的连接，所述胸椎定位柱的顶部与位于上方的球座的底部固定连接。
16.优选的，所述可拼拆式多功能机械仿生外骨骼还包括软包覆，所述软包覆包括绑带座和贯穿其外壁的两个插接孔，两个所述插接孔可与大腿部或小腿部中任意两个相邻的定位孔形成插接安装，所述绑带座两侧的外壁均安装有硬性绑带，两个所述硬性绑带可通过安装搭扣相连。
17.优选的，所述大腿部和小腿部均采用铝合金、钛合金或碳纤维制成，且所述小腿部的底部通过关节轴承活动连接有安装柄，所述安装柄的外壁固定安装有脚托。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：一、本发明中，并接板和两个腰后托可构成腰部骨骼，作为中继骨骼，用于对脊柱和下肢骨骼的支撑，其次，腰后托的曲面结构，复合人体工程学设计，使腰后托更佳与穿戴者的腰部贴合，吻合程度高，且不会由于压迫和勒紧而对腰部造成损伤，当第一限位柱活动插入至限位孔内，第二限位柱活动插入至外凸座上的贯通孔，从而能够形成三维状态的活动连接，腰部骨骼可以相对于大腿部转动，其次，大腿部可以相对于关节轴承转动，大腿部还可相对于腰后托向外扩展，从而符合不同穿戴者的大腿宽度，很大程度的增大了大腿部与腰部骨骼之间的灵活度，同时关节轴承与腰部骨骼和大腿部之间的形成了可拼接式的结构，使得安装和拆卸更加方便，保证关节轴承固有的三维灵活度外，更使其对不同体型的适配性大幅增加。
附图说明
19.图1为本发明的三维立体结构示意图；图2为本发明下肢骨骼和腰部骨骼的结构示意图；图3为本发明关节轴承的结构示意图；
图4为本发明仿生脊柱结构示意图；图5为本发明底部连接段的结构示意图；图6为本发明中间基础段的结构示意图；图7为本发明中间基础段内部的结构示意图；图8为本发明顶部段结构示意图；图9为本发明软包覆的结构示意图；图10为本发明胸椎辅助柱结构示意图；图11为本发明小腿部与脚托相连接的结构示意图；图12为本发明中大腿部和小腿部的装配示意图的结构示意图；图13为本发明中大腿部和小腿部直立和弯曲的两种状态表示图；图14为本发明中v形辅助气弹簧的结构示意图。
20.图中：1、并接板；2、腰后托；4、第一节臂；5、第二节臂；6、第一膝关节臂；7、第二膝关节臂；8、第三节臂；9、第四节臂；11、外凸座；12、气弹簧；13、定位座；14、支点座；15、绑带座；16、硬性绑带；17、第一限位柱；19、胸椎定位柱；21、脊板；22、分段弹簧；23、安装板；25、球窝；26、球头；27、限位支臂；28、销轴孔；29、球座；31、圆形板；32、第二限位柱；33、限位孔；34、安装柄；35、脚托；36、侧腰托；37、弹簧组。
具体实施方式
21.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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
22.请参阅图1至图10，本发明提供一种技术方案：一种可拼拆式多功能机械仿生外骨骼，包括并接板1和关节轴承，并接板1上活动连接有两个对称设置的腰后托2，腰后托2为扭转式曲面结构，两个腰后托2通过关节轴承活动连接有下肢骨骼，下肢骨骼包括大腿部和小腿部。
23.关节轴承包括圆形板31，圆形板31的外壁上开设有第二限位柱32，圆形板31的弧形外壁一体成型有限位孔33。
24.腰后托2上不与人体接触的外壁固定安装有第一限位柱17，第一限位柱17活动连接在限位孔33的内部。
25.大腿部包括第一节臂4，第一节臂4的顶部一体成型有外凸座11，外凸座11上开设有供限位孔33穿过且能够活动的贯通孔。
26.如图1和图2所示，并接板1和两个腰后托2构成腰部骨骼，作为中继骨骼，用于对脊柱和下肢骨骼的支撑，其次，腰后托2的曲面结构，复合人体工程学设计，使腰后托2更佳与穿戴者的腰部贴合，吻合程度高，且不会由于压迫和勒紧而对腰部造成损伤。
27.如图3和图1所示，第一限位柱17活动插入至限位孔33内，第二限位柱32活动插入至外凸座11上的贯通孔，从而能够形成三维的活动连接，腰部骨骼可以相对于大腿部转动，其次，大腿部可以相对于关节轴承转动，大腿部还可相对于腰后托2向外扩展，从而符合不同穿戴者的大腿宽度，很大程度的增大了大腿部与腰部骨骼之间的灵活度，同时关节轴承
与腰部骨骼和大腿部之间的形成了可拼接式的结构，使得安装和拆卸更加方便。
28.如图14所示，腰部骨骼还包括与外骨骼中脊柱部分相连的侧腰托36，侧腰托36与腰后托2之间还安装有弹簧组37，弹簧组37由两个呈v字形或w字形的辅助气弹簧组成，v字形或w字形的连接设计使得整个腰部形成整体，能够更好跟随人体脊柱或下肢骨骼的动作和幅度，并提供阻尼及支撑作用。
29.对大腿部的进一步限定，大腿部还包括安装在第一节臂4底部的第二节臂5，第一节臂4为笔直结构，第二节臂5向肢体的方向倾斜，第二节臂5的底部安装有与小腿部活动连接的第一膝关节臂6，第一膝关节臂6的底部为半圆形的板。
30.人体构造中，大腿由上至下是非线性的逐渐缩小，通过第一节臂4和第二节臂5的配合，能够使大腿部能够更好的贴合穿戴者的大腿部分，将第一膝关节臂6的底部设置为半圆板状，能够更好的保护膝关节，其次，还能够增加大腿部和小腿部之间转动的稳定性。
31.如图1和图2中，第一膝关节臂6上半圆状板开设有三个孔，方便根据使用情况对大腿部和小腿部的转动支点进行调节。
32.如图12，是大腿部和小腿部的之间的装配示意图，通过在三个孔之间调节，使大腿部和小腿部之间的转动点不在一个圆心，以模拟骨骼的滑动弯曲生理状态，避免骨骼过度磨损，如图13所示，为大腿部和小腿部之间的直立和蹲下两种状态的示意图，图13中的第一个图为直立状态。
33.其中较为优选的仿生脊柱实施例，还包括仿生脊柱，仿生脊柱包括多个相连的中间基础段、底部连接段和顶部段，中间基础段包括两个脊板21，两个脊板21之间安装有球座29，球座29靠近中部的外壁贯穿开设有球窝25，球窝25贯穿球座29的底部，球座29的顶部固定安装有球头26，相邻的两个中间基础段分别通过球头26和球窝25的活动连接实现上下相连。
34.如图4至图6所示，通过设置多个相连的中间基础段，能够控制仿生脊柱的使用长度，每一个中间基础段即相当于一节脊柱，因此，多个中间基础段、底部连接段和顶部段可构成机械式的仿生脊柱，仿照人体的脊椎结构，通过采用球头26和球窝25活动连接的结构，使得仿生脊柱可以辅助穿戴者的脊柱活动，且灵活度更好，还可仿生适配，在一定程度上可降低过度固定来的肌肉萎缩的风险。
35.每一节的尺寸均可随个体进行微调定制，在不影响人体灵活动作的情况下，能防止脊柱曲张过度，从而达到保护脊柱的目的。
36.其采用的不锈钢/钛合金材质，可有效的将负载由脊椎传递至下肢，进而传递至地面；而其球头球窝的关节轴承结构，又能保证对人体动作的跟随度；达到减轻人体负载的同时，又不影响人体动作的刚柔并济的作用。
37.其中较为优选的小腿部的实施例，小腿部包括与第一膝关节臂6活动连接的第二膝关节臂7，第二膝关节臂7的顶部为半圆形的板，第二膝关节臂7的底部安装有第三节臂8，第二膝关节臂7为笔直结构，第三节臂8向远离肢体的方向倾斜，第三节臂8的底部安装有第四节臂9。
38.小腿是整个人体的重要支撑部位，其一旦受伤即会使穿戴者的行动受到阻碍，且小腿不易承受较大的压力，通过设置第二膝关节臂7，能够使小腿部与大腿部之间形成关节连接，便于使穿戴者可以随意的进行关节活动。
39.通过设置第三节臂8和第四节臂9，能够使第三节臂8和第四节臂9与第一节臂4和第一节臂4之间没有较大的差异，使得大腿部和小腿部之间不会形成上太粗下太细的状态，防止小腿部受力过猛而损坏。
40.图1和图2中，第四节臂9的还示出了外凸座11和关节轴承，是为了能够使小腿部后续可以和穿戴的脚部骨骼进行连接，形成一体式的机械仿生外骨骼。
41.仿生脊柱的进一步优化，球座29两侧的顶部一体成型有两个向上的限位支臂27，位于上下方的两个脊板21之间安装有分段弹簧22，顶部段通过球窝25安装在位于最上方的一个中间基础段的顶部。
42.如图4至图6，多节的限位支臂27之间等距排列，且位于下方的限位支臂27能够对上方的限位支臂27进行限位，防止中间基础段侧向的偏移过大，用于限制和矫正脊柱的错误活动。
43.图8示出了顶部段的结构，其大致与中间基础段相同，其区别是缺少了限位支臂27和球头26，其中通过设置在每节中间基础段之间安装多个分段弹簧22，是为了积攒回位能量，当进行脊椎活动后，被压缩或者被拉伸的分段弹簧22能够为穿戴者提供回位的动能，辅助穿戴者，防止劳损。
44.综上的所有仿生脊柱均是可通过外部捆绑或套接等方式贴合包覆在人体的相应位置。
45.其中优选的仿生脊柱与腰部骨骼之间的连接方式，底部连接段通过球座29活动安装在最下方的中间基础段的底部，且底部连接段还包括安装板23，安装板23的外壁上贯穿开设有销轴孔28，并接板1上开设有与销轴孔28等同的孔，且安装板23的底部为三角状，仿生脊柱通过销轴可与并接板1转动连接。
46.如图7所示，仿生脊柱通过安装板23转动连接在并接板1上，通过设置向下凸出的三角形态的安装板23和销轴孔28，使得仿生脊柱可以可拼接式的安装在腰部骨骼上，通过腰部骨骼对仿生脊柱进行定位和支撑。
47.其中较为优选的辅助动力组件，第一节臂4、第二节臂5、第二膝关节臂7和第三节臂8上均开设有多个等距的定位孔，还包括辅助动力组件，辅助动力组件包括气弹簧12，气弹簧12的两端分别安装有定位座13和支点座14，定位座13和支点座14上均开设有安装孔，气弹簧12可通过安装孔安装在大腿部和小腿部之间，且气弹簧12的输出端支点可改变。
48.在工业制造中的劳保方面，工作人员可以根据需求调节自己所需的工作强度来改变气弹簧12的输出端支点，且气弹簧12能够将工作中产生的大部分压力卸载至地面，从而减轻工作者的劳动强度，同时为动作的复位提供一定的回弹力度，极大程度上缓解了工作者的劳动疲劳。
49.在某些医疗和康复训练方面，穿戴患者需要进行各种腿部的活动，抬腿、迈腿和弯曲等腿部动作，通过在大腿部和小腿部之间安装气弹簧12，为使用者抬腿以及向前迈步的动力，为使用者的行走提供一定程度的助力，帮助腿部肌力不足等行走功能欠健全群体实现恢复训练。
50.如图1,气弹簧12的输出端上安装有支点座14,支点座14可通过其上的安装孔安装在小腿部上任意一个定位孔上，当定位座13的安装位置一定时，通过改变支点座14的安装位置，即可改变输出量的大小，调节控制小腿部的转动速度，从而适应不同的使用场景。
51.较为优选的防止脊柱的实施例，还包括胸椎定位柱19，胸椎定位柱19位于两个中间基础段之间，胸椎定位柱19安装在与胸椎对应的位置，胸椎定位柱19的长度在二十厘米至二十四厘米之间，胸椎定位柱19为刚性的连接柱，胸椎定位柱19的底部与位于下方的球座29的顶部可拆卸式的连接，胸椎定位柱19的顶部与位于上方的球座29的底部固定连接。
52.由于胸椎不需要特别的灵活性，故在胸椎部分置做了简化处理，在不影响人体灵活动作的情况下，能防止脊柱曲张过度，从而达到保护脊柱的目的。
53.成人的每节胸椎高度大约是在两厘米至两点五厘米之间，且共有十二节胸椎，因此将胸椎定位柱19的长度控制在二十四厘米以下，方便胸椎定位柱19的后续安装。
54.更进一步的，还包括软包覆形式对大腿部或小腿部的固定方式，软包覆包括绑带座15和贯穿其外壁的两个插接孔，两个插接孔可与大腿部或小腿部中任意两个相邻的定位孔形成插接安装，绑带座15两侧的外壁均安装有硬性绑带16，两个硬性绑带16可通过安装搭扣相连。
55.通过设置绑带座15，能够将绑带座15据需安装在大腿部或者小腿部上的位置，然后通过将两个硬性绑带16进行连接，从而将大腿部和小腿部与穿戴者的下肢进行绑定，其次，通过定位孔和插接孔的配合，很便捷即可对绑带座15进行限位，将二者对其后插入销轴，然后通过绑定两个硬性绑带16即可完成限位安装。
56.进一步地，大腿部和小腿部均采用铝合金、钛合金或碳纤维制成，此类材料的材质较轻且机械强度高，能够具有较长时的使用寿命，且它们的重量的可以控制，以免对穿戴者造成使用束缚，且所述小腿部的底部通过关节轴承活动连接有安装柄34，所述安装柄34的外壁固定安装有脚托35。
57.对于材料在本发明中的应用，在重载应用的场景中，需采用不锈钢和钛合金等具有高承受比的材料，在轻载应用场景中，采用质量轻且能够保证工作使用的铝合金和碳纤维等材料。
58.如图11所示，脚托35通过安装柄34活动安装在第四节臂9的底部，且第四节臂9通过关节轴承与安装柄34活动连接，脚托35上可安装定位鞋套，便于使用者穿鞋进入，完成对脚部穿戴，使整个仿生外骨骼下肢一体化。
59.综上，本发明能够对穿戴者提供灵活度较高的仿生外骨骼，通过卸力、蓄力、助力的方式，保障劳动安全；在特定的场景，还可以用作康复训练。
60.本实施例中使用的标准零件可以从市场上直接购买，而根据说明书和附图的记载的非标准结构部件，也可以直根据现有的技术常识毫无疑义的加工得到，同时各个零部件的连接方式采用现有技术中成熟的常规手段，而机械、零件及设备均采用现有技术中常规的型号，故在此不再作出具体叙述。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。