一种腰部外骨骼系统的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种腰部外骨骼系统。

背景技术：

随着经济的快速发展，物流行业作为一种新兴产业广泛应用于人们的日常生活，物流行业中的劳动者，需要长期进行弯腰搬运、下蹲肩扛等重复性劳动，高强度、密集式的工作严重损害劳动者的健康，甚至导致腰肌劳损等病症。

出于劳动者的健康及工作效率方面考虑，通过助力式的外骨骼辅助劳动者执行弯腰、下蹲等动作，能够减轻劳动者的工作强度，但现有的助力式外骨骼结构较为复杂，运动困难，给使用者带来负担，并且由于自身的重量过大，穿戴的灵活性和舒适性低，影响工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种腰部外骨骼系统，其结构简单，运动灵活、便利，能够提高使用者的工作效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种腰部外骨骼系统，包括，

动力装置，所述动力装置包括动力组件和传动组件，动力组件与传动组件连接并驱动所述传动组件运动；

腰部装置，所述腰部装置包括用于固定所述动力装置的腰部卡板，所述传动组件与所述腰部卡板连接并带动所述腰部卡板相对所述传动组件转动；

胸部装置，所述胸部装置与所述传动组件连接，所述传动组件带动所述胸部装置相对所述传动组件转动。

在一种优选的实施方式中，所述传动组件包括传动板和第一传感器，所述传动板与所述胸部组件连接，所述传动板跟随所述动力组件转动并带动所述胸部组件运动，所述第一传感器与所述传动板连接并监测所述传动板的运动状态。

在一种优选的实施方式中，所述传动组件还包括传动轮组，所述传动轮组包括第一传动轮、第二传动轮和传动带，所述传动带贴覆于所述第一传动轮和第二传动轮的表面，所述第一传动轮与所述传动板连接，所述第一传动轮通过所述传动带带动所述第二传动轮转动，所述第一传感器与所述第二传动轮连接。

在一种优选的实施方式中，所述传动轮组还包括张紧轮，所述传动带贴覆于所述张紧轮表面，以使所述传动带在所述第一传动轮和第二传动轮之间张紧。

在一种优选的实施方式中，所述传动组件还包括传动杆和传动弹簧，所述传动弹簧套设于所述传动杆的外表面，所述传动板能够沿所述传动杆往复移动并压迫所述传动弹簧压缩或伸长。

在一种优选的实施方式中，所述传动杆呈环形，所述传动弹簧为弧形弹簧、盘式弹簧、扭转弹簧和直线弹簧中的一种。

在一种优选的实施方式中，所述动力组件包括动力电机、传动轴和第二传感器，所述动力电机与所述传动轴连接并驱动所述传动轴转动，所述第二传感器连接所述传动轴并监测所述传动轴的运动状态。

在一种优选的实施方式中，所述动力装置还包括输出组件，所述输出组件包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与所述传动轴连接并跟随所述传动轴旋转，所述第一齿轮带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮与所述传动板连接。

在一种优选的实施方式中，所述腰部卡板设有两个且对称设置，所述腰部卡板的内壁弯折呈一凹陷面，所述腰部卡板之间通过腰部绑带连接，所述腰部绑带上设有可进行拆卸的插扣，所述动力装置安装于所述腰部卡板的外壁上。

在一种优选的实施方式中，所述胸部装置包括胸部挡板和支撑杆，所述胸部挡板上安装有能够感应运动趋势的第三传感器，所述支撑杆的两端分别与所述胸部挡板和传动组件连接，所述胸部挡板上连接有用于进行穿戴的胸部绑带，所述胸部绑带上设有可进行拆卸的按扣。

在一种优选的实施方式中，还包括腿部装置，所述腿部装置包括腿部挡板、固定杆和连接板，所述固定杆的两端分别与所述腿部挡板和连接板连接，所述连接板的另一端与所述动力装置连接。

在一种优选的实施方式中，所述腿部装置设有两个且对称分布，所述腿部挡板弯折呈弧形。

本发明的有益效果是：本发明中的腰部外骨骼系统，通过动力组件为传动组件提供动力支持，传动组件带动胸部装置、腰部装置转动，并驱动胸部装置及腰部装置相互转动，为使用者在弯腰下倾及直立过程中提供动力，减轻了使用者的劳动强度，且结构简单，没有穿戴负担，提高了使用者的运动灵活度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例的一种腰部外骨骼系统的立体示意图；

图2是本发明实施例的一种腰部外骨骼系统另一方向的示意图；

图3是本发明实施例的动力装置的立体示意图；

图4是本发明实施例的动力装置另一方向的立体示意图；

图5是本发明实施例的传动杆及传动弹簧的立体示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1-图2，本发明实施例的一种腰部外骨骼系统包括胸部装置100、腰部装置200、动力装置300和腿部装置400，腿部装置400安装于腰部装置200的下端，动力装置300安装于腰部装置200的外侧，并与胸部装置100连接，动力装置300为胸部组件与腰部装置200之间的相互转动提供动力，从而减轻使用者在弯腰或直立过程中的运动负担，提高工作效率。

具体的，胸部组件包括胸部挡板110，胸部挡板110位于胸部装置100的中心处，胸部挡板110的边缘连接有用于穿戴的胸部绑带120。穿戴时，人体的臂部穿过胸部绑带120，使胸部挡板110位于人体的胸部前方，胸部绑带120固定于人体的肩部和胸部，使外骨骼系统与人体相对固定，便于使用者进行运动，且穿戴方便。优选的，胸部绑带120上设有可进行拆卸的插扣(未示出)，在穿戴完毕后，通过调整绑带的长度以及插扣的拆卸，使外骨骼系统与人体贴合，适合不同体型及身高的用户使用，且穿戴更为灵活。

胸部挡板110的前方设有感应人体运动趋势的第三传感器130，在人体弯腰前倾、直立后仰时，第三传感器130感应到人体的运动状态，并形成运动信号传递至动力装置300，动力装置300根据该信号做出相应动作，配合人体进行运动，减轻人体的劳动强度。

胸部挡板110的两侧设有支撑杆140，支撑杆140相对于胸部挡板110左右对称，支撑杆140的一端连接胸部挡板110，另一端与动力装置300连接，动力装置300通过支撑杆140将运动传递至胸部装置100，从而在人体运动时，胸部装置100在动力装置300的带动下跟随人体移动，提高外骨骼系统与人体的贴合度及使用者的运动灵活度。

腰部装置200包括两个腰部卡板210，该腰部卡板210相对于腰部装置200的中心对称，腰部卡板210的内壁向内凹陷呈弧形，保证在进行穿戴时，腰部卡板210与人体的腰部紧密贴合，提高腰部装置200与人体连接的牢固强度。

动力装置300设置有两个，且分别连接于腰部卡板210的外侧。两个腰部卡板210之间通过腰部绑带220连接，腰部绑带220的数量及宽度可根据实际使用情况(如劳动强度、应用环境等)合理选择。优选的，腰部绑带220上设有可拆卸的按扣(未示出)，腰部绑带220与按扣之间的长度可进行调节，通过调整按扣与腰部绑带220长度，提高外骨骼穿戴的便利性及牢固性。

腿部装置400设有两个，分别连接于腰部卡板210上，每一腿部装置400均包括腿部挡板410和固定杆420，固定杆420的两端分别与腿部挡板410和动力装置300连接。优选的，固定杆420通过一连接板430与动力装置300连接，动力装置300可带动连接板430转动，固定杆420弯折呈l形，使其分别与腰部卡板210和腿部挡板410的连接部分垂直，腿部挡板410恰好贴覆于人体腿部的前侧，从而在使用者进行弯腰或其他动作时，腿部装置400相对腰部装置200转动，在动力装置300的带动下，减轻使用者的劳动强度。

优选的，基于人体仿生学，腿部挡板410的内壁向内凹陷呈弧状，使腿部挡板410与使用者的腿部更为贴合，便于使用者进行运动，减轻穿戴负担。

参照图3-图4，并结合图1-图2，动力装置300包括传动组件330、动力组件310和输出组件320，动力组件310为动力输出部分，并通过传动组件330和输出组件320将动力传递至腿部装置400及胸部装置100。

具体的，动力组件310包括动力电机311、传动轴312及第二传感器313，传动轴312与动力电机311的输出端连接，并在动力电机311的带动下进行转动，第二传感器313与传动轴312连接，并对传动轴312运动时的角速度及角位移进行测量，动力电机311将其运动状态传递至传动轴312，通过第二传感器313对传动轴312运动状态的测量实现第二传感器313对动力电机311的测量。

优选的，动力电机311的输出端还连接有减速器314，减速器314设置于动力电机311与传动轴312之间，减速器314可降低动力电机311的输出转速，同时增加动力电机311的输出转矩，使动力组件310在低转速高转矩场合下具有良好的应用效果。

传动轴312与第二传感器313之间还设有连接轴315，第二传感器313与连接轴315连接并对连接轴315的运动状态进行测量，传动轴312与连接轴315上设有相互啮合的轮齿，传动轴312转动时带动连接轴315进行转动；连接轴315与传动轴312、动力电机311的角位移及角速度具有一致性及同步性，通过运动传递实现了第二传感器313对动力电机311运动状态的测量。上述为第二传感器313对动力电机311测量的一个优选方式，也可第二传感器313直接与动力电机311连接，或者第二传感器313与传动轴312连接。

输出组件320与传动轴312的输出端连接，输出组件320包括相互啮合的第一齿轮321和第二齿轮322，第一齿轮321与传动轴312连接并在传动轴312的带动下旋转，第一齿轮321转动时驱动第二齿轮322进行转动，实现动力组件310与输出组件320之间的运动传递。第二齿轮322与传动组件330连接，并带动传动组件330运动，传动组件330与腿部装置400及胸部装置100连接，进而实现动力组件310向腿部装置400及胸部装置100的运动传递。

第一齿轮321与第二齿轮322的中心轴332线垂直，从而第一齿轮321与第二齿轮322的旋转平面垂直，因动力组件310与传动组件330的运动角度发生变化，通过上述第一齿轮321与第二齿轮322的连接方式，实现动力组件310与传动组件330之间旋转方向的转换及运动传递。本实施例中的第一齿轮321和第二齿轮322均选择为锥齿轮。

传动组件330包括传动板331和中心轴332，传动板331的一端套设于中心轴332的外周，第二齿轮322与中心轴332固接，从而中心轴332能跟随第二齿轮322的旋转而转动，使得传动板331可基于中心轴332进行转动。传动板331的另一端与支撑杆140连接，传动板331转动的过程中带动支撑杆140进行偏转，实现传动组件330与胸部装置100之间的运动传递。

传动组件330还包括传动轮组334和第一传感器333，传动轮组334与第一传感器333连接，第一传感器333可对传动轮组334的角速度及角位移进行测量，进而可实时监测传动板331的运送情况。传动轮组334包括第一传动轮3341、第二传动轮3342和传动带3343，传动带3343张紧于第一传动轮3341和第二传动轮3342的表面，第一传动轮3341与中心轴332固接，中心轴332转动过程中带动第一传动轮3341转动，第一传动轮3341通过传动带3343驱动第二传动轮3342跟随第一传动轮3341转动，从而第二传动轮3342与传动板331、中心轴332同步转动。第一传感器333与第二传动轮3342轮同轴，可实时监测第二传动轮3342转动时的角速度及角位移，因第二传动轮3342与传动板331、中心轴332具有运动同步性，因此通过第一传感器333对第二传动轮3342的运动情况的监测，可得知传动板331及中心轴332的运动状态。

优选的，传动轮组334还包括张紧轮3344，在张紧轮3344的作用下，传动带3343张紧于第一传动轮3341、第二传动轮3342及张紧轮3344的表面，避免其脱落，影响第一传动轮3341与第二传动轮3342之间的运动传递，保证第一传动轮3341与第二传动轮3342之间的同步转动，提高传动精度。

上述为第一传感器333对传动板331及中心轴332检测的一个优选方案，第一传感器333也可直接与传动板331或中心轴332连接。第二传感器313对动力组件310的运动状态进行检测，第一传感器333对传动组件330的运动状态进行测量，通过第二传感器313及第一传感器333的检测及信息反馈，得知动力装置300动力端及动力输出端的运动传递效果，并根据该检测信息对动力组件310及传动组件330进行调节，保证其传动过程中的可靠性，提高传动精度。

参照图5，传动组件330还包括传动杆335和传动弹簧336，传动弹簧336套设于传动杆335的外表面并可沿传动杆335压缩或伸长，传动杆335呈环状并套设于中心轴332的外周。传动板331面向中心轴332的一侧设有一滑块3311，该滑块3311上设有一通孔，传动杆335从该通孔处穿过滑块3311，传动板331在动力组件310的驱动下进行转动时，滑块3311同时沿传动杆335进行滑动，并压迫传动弹簧336压缩或伸长。

传动弹簧336对称设置于传动杆335上，从而在滑块3311向传动杆335的一侧滑动时，同侧的传动弹簧336被压迫而处于压缩状态，背侧的传动弹簧336不受压迫作用力。通过传动弹簧336的压缩或伸长状态，一方面可辅助判断传动板331的转动方向，从而得出人体的运动趋势(弯腰下倾或直立上仰)；另一方面，传动板331转动时需克服传动弹簧336的弹性力，减缓人体弯腰或直立的速度，避免对人体造成损伤，另外，可防止当结构或传动出现故障时，因传动板331的动力支持丧失，人体因惯性继续运动对使用者造成伤害。

优选的，传动弹簧336可选择为弧形弹簧、盘式弹簧、扭转弹簧、直线弹簧中的一种，本实施例中传动弹簧336为弧形弹簧，其数量为4个，且相对中心轴332的轴心呈对称分布，传动弹簧336与传动杆335同轴心。减小了传动组件330的占用空间，结构更为紧凑。

连接板430的两端分别与第二齿轮322和固定杆420连接，第二齿轮322转动时带动连接板430进行转动，通过固定杆420将连接板430的转动传递至腿部装置400，从而实现腿部装置400与腰部装置200的相互转动，便于人体进行弯腰或直立动作。

以人体弯腰(或下蹲)动作为例对本发明实施例中的腰部外骨骼系统的运动过程进行说明：使用者将腰部外骨骼系统穿戴完成后(具体穿戴过程见胸部装置100、腰部装置200的结构描述)弯腰下倾时，胸部挡板110处的第三传感器130感应到人体的运动趋势，将信号传递至动力装置300；并且随着人体的弯腰下倾，支撑杆140带动传动杆335移动，传动板331的另一端基于中心轴332进行转动，滑块3311沿传动杆335滑动并压迫传动弹簧336压缩或伸长；传动板331转动的同时带动传动轮组334运动，第一传感器333检测到第二传动轮3342的角位移或角速度，并将信号传递至动力组件310；动力组件310接收该信号，并判断人体处于弯腰下倾状态，此时动力组件310进行运动，动力电机311驱动传动轴312旋转，进而带动输出组件320进行运动；第一齿轮321跟随传动轴312旋转并带动第二齿轮322转动，第二齿轮322将运动传递至连接板430及传动板331；连接板430跟随第二齿轮322转动，从而实现腿部装置400与腰部装置200之间的相对转动，从而为人体弯腰下倾提供动力；支撑杆140跟随传动板331通过移动，从而实现胸部装置100跟随人体同步下倾。

通过上述过程实现人体弯腰下倾过程的动力传递，通过动力组件310、输出组件320及传动组件330的运动传递，对腿部装置400及胸部装置100的运动提供动力，减轻人体运动过程中的负担及劳动强度，提高工作效率。

人体运动时，第三传感器130感应到人体的运动趋势，并反馈至动力组件310，动力组件310驱动输出组件320运动，实现腿部装置400与腰部装置200之间的相对运动，对人体的弯腰或直立过程提供动力；输出组件320带动传动组件330运动，第一传感器333对传动组件330的运动状态进行检测，第二传感器313对于动力组件310的输出端运动状态进行检测；第一传感器333与第二传感器313将检测信息反馈至动力组件310，根据该反馈信息得知人体的实际运动与动力组件310的输出运动之间的关系，对动力组件310的输出端转速进行调整，使输出组件320的动力输出与人体的实际运动更为契合，提高了腰部外骨骼系统应用的舒适度。

上述为人体弯腰下倾过程的运动过程，人体直立上倾过程可参照上述运动流程。

本发明实施例中的腰部外骨骼系统，通过动力组件为传动组件提供动力支持，传动组件带动胸部装置、腰部装置转动，并驱动胸部装置及腰部装置相互转动，为使用者在弯腰下倾及直立过程中提供动力，减轻了使用者的劳动强度，且结构简单，没有穿戴负担，提高了使用者的运动灵活度。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。