一种外骨骼机器人机械脊柱结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种外骨骼机器人机械脊柱结构，它包括上部支撑架（1）、弯曲长度补偿装置（13）、机械脊柱（4）和驱动装置（9），其中，上部支撑架（1）上设置有肩部传感器点（14），弯曲长度补偿装置（13）包括滑动套（2）和滑动架（3），机械脊柱（4）包括若干个关节（5），关节（5）上设有连接轴（6）、外侧控制钢绳通孔（7）、内侧控制钢绳通孔（10）和脊柱传感器点（12），驱动装置（9）上设有外侧控制钢绳（8）和内侧控制钢绳（11）。本发明的有益效果是：该装置可以用于替代患者的下肢以支撑身体并辅助患者移动，并且可以同时起到支撑和配合背部弯曲的功能，使人体在穿着外骨骼时能够自由弯腰。
【专利说明】一种外骨骼机器人机械脊柱结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及外骨骼机械结构领域，特别是一种外骨骼机器人机械脊柱结构。
【背景技术】
[0002]外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。通过一些昆虫和动物的外骨骼产生的创意，在现有的技术下，科学家已经研制出多种具有不同功能的外骨骼。在医学方面，为了帮助患者恢复肢体的能力或帮助患者移动，对外骨骼技术的应用也趋于完善。
[0003]目前国内外虽然已经存在大量的外骨骼，但在需要外骨骼提供支撑力时，上肢外骨骼与下肢外骨骼之间均采用刚性联接，无法适应人体弯腰时脊柱形状的弯曲变化与外侧线长度变化，造成人体在穿着外骨骼时无法弯腰，或者弯腰困难。而柔性或弹性的背部无法提供支撑力和驱动力。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以提供支撑力并且能够跟随患者背部弯曲而弯曲的外骨骼机器人机械脊柱结构，装置可以用于替代患者的下肢以支撑身体并辅助患者移动，并且可以同时起到支撑和配合背部弯曲的功能，使人体在穿着外骨骼时能够自由弯腰。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种外骨骼机器人机械脊柱结构，它包括上部支撑架、弯曲长度补偿装置、机械脊柱和驱动装置，其中，所述的上部支撑架上设置有肩部传感器点，所述的弯曲长度补偿装置上端与上部支撑架通过螺纹连接，弯曲长度补偿装置包括滑动套和滑动架，滑动架上设有纵向位置保持轴承和横向位置保持轴承，所述的机械脊柱上端与弯曲长度补偿装置下端通过螺纹连接，机械脊柱包括若干个关节，每个关节上设有连接轴、连接孔A、连接孔B、外侧控制钢绳通孔、内侧控制钢绳通孔和脊柱传感器点，每个关节和下一个关节通过每个关节的连接孔A、下一个关节的连接孔B与连接轴配合得以连接，每个关节的外侧控制钢绳通孔组成外侧控制钢绳通道，每个关节的内侧控制钢绳通孔组成内侧控制钢绳通道，驱动装置连接在机械脊柱下端，所述的驱动装置上设有外侧控制钢绳和内侧控制钢绳。
[0006]所述的弯曲长度补偿装置为具有一定的弧度补偿装置。
[0007]所述的关节的数量可变，以组成长度不等的机械脊柱。
[0008]所述的外侧控制钢绳在受拉时，关节绕连接轴转动的角度范围为-6°?9°，内侧控制钢绳在受拉时，关节绕连接轴转动的角度范围为0°?9°。
[0009]所述的外侧控制钢绳安装在外侧控制钢绳通孔组成外侧控制钢绳通道，内侧控制钢绳安装在内侧控制钢绳通孔组成内侧控制钢绳通道。
[0010]所述的上部支撑架两侧连接有肩带，肩带为环形，两个肩带之间连接有护板。
[0011]所述的驱动装置上连接有下部支撑架，下部支撑架通过螺纹连接有下肢连接机构。
[0012]本发明具有以下优点:本发明通过模拟人的脊柱而设计出，可以用于替代患者的下肢以支撑身体并辅助患者移动，每个关节之间可绕连接轴转动，通过自身形状进行角度的限位，限位能够在极限位置时保护人体，由于每个关节的可运动范围都比较小，所以驱动装置驱动控制钢绳才能够基本控制机械脊柱的形状，使其能够贴合热的背部并跟随人背部弯曲而弯曲，通过在传感器点安装传感器以检测使用者的动作，并及时将信号传递给控制器，在有控制器控制驱动装置驱动钢丝绳的收缩，以控制机械脊柱的弯曲，具有响应快速，控制灵活的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为一种外骨骼机器人机械脊柱的结构示意图；
图2为一种外骨骼机器人机械脊柱的主视图；
图3为弯曲长度补偿装置的结构示意图；
图4为滑动架的结构示意图；
图5为机械脊柱弯曲极限位置示意图；
图6为机械脊柱直立极限位置示意图。
[0014]图中，1-上部支撑架，2-滑动套，3-滑动架，4-机械脊柱，5-关节，6_连接轴，7_外侧控制钢绳通孔，8-外侧控制钢绳，9-驱动装置，10-内侧控制钢绳通孔，11-内侧控制钢绳，12-脊柱传感器点，13-弯曲长度补偿装置，14-肩部传感器点，15-肩带，16-纵向位置保持轴承，17-横向位置保持轴承，18-下部支撑架，19-下肢连接机构，20-连接孔A，21-连接孔B。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述: 如图1所示，一种外骨骼机器人机械脊柱结构，它包括上部支撑架1、弯曲长度补偿装置13、机械脊柱4和驱动装置9，其中，所述的上部支撑架I上设置有肩部传感器点14，本实施例中，所述的上部支撑架I两侧连接有环形的肩带15，两个肩带15之间连接有护板17，所述的弯曲长度补偿装置13上端与上部支撑架I通过螺纹连接，弯曲长度补偿装置13包括滑动套2和滑动架3，滑动架3上设有纵向位置保持轴承16和横向位置保持轴承17，本实施例中，所述的弯曲长度补偿装置13为具有一定的弧度补偿装置，弯曲长度补偿装置可以在人体需要从直立状态弯腰时通过伸长来补偿人体背部线长度的增加，或以在人体需要从弯腰状态变为直立状态时通过缩短来补偿人体背部线长度的减小所述的机械脊柱4上端与弯曲长度补偿装置13下端通过螺纹连接，机械脊柱4包括若干个关节5，每个关节5上设有连接轴6、连接孔A20、连接孔B21、外侧控制钢绳通孔7、内侧控制钢绳通孔10和脊柱传感器点12,每个关节5和下一个关节5通过每个关节5的连接孔A20、下一个关节5的连接孔B21与连接轴6配合得以连接，本实施例中，所述的关节5的数量可变，以组成长度不等的机械脊柱，关节5可以绕连接轴6转动，每个关节5的外侧控制钢绳通孔7组成外侧控制钢绳通道，每个关节5的内侧控制钢绳通孔10组成内侧控制钢绳通道，驱动装置9连接在机械脊柱4下端，所述的驱动装置9上设有外侧控制钢绳8和内侧控制钢绳11，本实施例中，所述的外侧控制钢绳8安装在外侧控制钢绳通孔7组成外侧控制钢绳通道，内侧控制钢绳11安装在内侧控制钢绳通孔10组成内侧控制钢绳通道，本实施例中，所述的外侧控制钢绳8在受拉时，关节5绕连接轴6转动的角度范围为-6°?9°，内侧控制钢绳11在受拉时，关节5绕连接轴6转动的角度范围为0°?9°，所述的驱动装置9上连接有下部支撑架18，下部支撑架18通过螺纹连接有下肢连接机构19，本实施例中，肩部传感器点14和脊柱传感器点12处安装有传感器，传感器可以检测出使用者的动作，过检测到的信号传递给与之相连的控制器，控制器接收到并处理信号，然后根据信号控制驱动装置9控制外侧控制钢绳通孔7和内侧控制钢绳11的收缩、张紧，以便控制机械脊柱4的弯曲或直立。
[0016]本发明的工作过程如下:机械脊柱4由外侧控制钢绳8和内侧控制钢绳11进行控制。人体需要从直立状态弯腰时，由脊柱传感器点12处安装的传感器检测到信号并反馈给控制器，控制器控制驱动装置9使内侧控制钢绳11收紧，外侧控制钢绳8放松，使机械脊柱4的形状发生弯曲变化；同时弯曲长度补偿装置13伸长来补偿人体背部线长度的增加。
[0017]当使用者需要从弯腰状态变为直立状态时，由脊柱传感器点12处安装的传感器检测到信号并反馈给控制器，控制器控制驱动装置9使内侧控制钢绳11放松，外侧控制钢绳8收紧，使机械脊柱4趋于直立，此时肩带15会将人体的肩部向上提，而机械脊柱4能够将人的腰部托起来；同时弯曲长度补偿装置13缩短来补偿人体背部线长度的减小。
[0018]由于滑动套2与滑动架3均为不是直线，而是一定的圆弧，因此滑动的轨迹也是圆弧，因而能够贴合人体背部的形状。
[0019]每个关节5之间可绕连接轴6转动，通过自身形状进行角度的限位。限位能够在极限位置时保护人体，更重要的是因为每个关节的可运动范围都比较小，所以驱动装置9驱动控制钢绳才能够基本控制可控下端的形状。
【权利要求】
1.一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:它包括上部支撑架(1)、弯曲长度补偿装置(13)、机械脊柱(4)和驱动装置(9)，所述的上部支撑架(1)内侧设置有肩部传感器点(14)，所述的弯曲长度补偿装置(13)的上端与上部支撑架(1)连接，弯曲长度补偿装置(13)的下端与机械脊柱(4)连接，弯曲长度补偿装置(13)包括滑动套(2)和滑动架(3)，滑动架(3)上设有纵向位置保持轴承(16)和横向位置保持轴承(17)，机械脊柱(4)由若干个关节(5)级联组成，每个关节(5)上设有连接轴(6)、连接孔A (20)、连接孔8 (21)、外侧控制钢绳通孔(7)、内侧控制钢绳通孔(10)和脊柱传感器点(12)，首级关节(5)通过其连接孔A (20)与驱动装置(9)连接，首级关节(5)通过其连接孔B (21)和连接轴(6)与下一级关节(5)的连接孔A (20)连接，依此类推，末级关节(5)通过其连接孔B (21)与弯曲长度补偿装置(13 )连接，关节(5 )的外侧控制钢绳通孔(7 )组成外侧控制钢绳通道，关节(5 )的内侧控制钢绳通孔(10 )组成内侧控制钢绳通道，驱动装置(9 )连接在机械脊柱(4 )下端，所述的驱动装置(9)上设有外侧控制钢绳(8)和内侧控制钢绳(11)。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:所述的弯曲长度补偿装置(13)为具有一定的弧度补偿装置。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:所述的关节(5)的数量可变，以组成长度不等的机械脊柱。
4.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:所述的外侧控制钢绳(8)在受拉时，关节(5)绕连接轴(6)转动的角度范围为-6°?9°，内侧控制钢绳(11)在受拉时，关节(5)绕连接轴(6)转动的角度范围为0°?9°。
5.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:所述的外侧控制钢绳(8)安装在外侧控制钢绳通孔(7)组成外侧控制钢绳通道，内侧控制钢绳(11)安装在内侧控制钢绳通孔(10)组成内侧控制钢绳通道，通过内侧控制钢绳(11)和外侧控制钢绳(8)调节机械脊柱(4)的扭曲度。
6.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:所述的上部支撑架(1)两侧连接有肩带(15)，肩带(15)为环形，两个肩带(15)之间连接有护板(17)。
7.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人机械脊柱结构，其特征在于:所述的驱动装置(9)与下部支撑架(18)连接，下部支撑架(18)与下肢连接机构(19)连接。
【文档编号】A61F2/50GK104398322SQ201410750477
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】程洪, 殷紫光, 潘有缘, 邱静, 林西川 申请人:电子科技大学