用于连接四肢外骨骼机构的人体躯干机械外骨骼装置的制作方法

本发明属于涉及一种用于背负重物的减压助力装置，具体涉及一种用于连接四肢外骨骼机构的人体躯干机械外骨骼装置。

背景技术：

人们在背负重物时，下肢和脊柱会受到巨大压力，而且背负重物重量的极限较小。特别是在道路崎岖的地域，这些地方不能通过车辆，只能靠人来背负重物，而且行走路途较远，自然就需要一种能减轻人体压力，并且可增加背负重量的装置。另外，人们在上下楼梯或者长时间行走时，很容易出现疲劳乏力。特别是老年人，在行走和爬楼梯时问题更为突出。现有技术中已有的行走助力装置存在不足：不能方便的实现踝关节和髋关节外展/内收，甚至是小角度转动，这主要是因为助力装置缺少自由度。目前，能够实现多自由度、大范围活动的背负重物、行走和爬楼的减压助力装置在市场上尚未出现。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、可靠性强、减压效果好、背负重量大、可使肩关节和髋关节实现外展/内收运动、脊柱实现多自由度、大范围活动的用于连接四肢外骨骼机构的人体躯干机械外骨骼装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用于连接四肢外骨骼机构的人体躯干机械外骨骼装置，其特征在于：包括自上而下依次连接的肩关节外骨骼多杆机构、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构和髋关节外骨骼多杆机构，肩关节外骨骼多杆机构和髋关节外骨骼多杆机构的构造相同，脊柱关节外骨骼双六轴平台机构的顶部和底部分别与肩关节外骨骼多杆机构底部中间和髋关节外骨骼多杆机构的顶部中间固定连接；

髋关节外骨骼多杆机构包括中部连接板，中部连接板左侧和右侧分别设有一个左右对称的三维转动多杆驱动系统；

左侧的三维转动多杆驱动系统包括多杆虚拟轴回转驱动器、侧踢回转驱动器、前踢回转驱动器、第一安装座、第二安装座、连杆、驱动杆、第一从动杆、第二从动杆、第三从动杆和大腿侧护板，多杆虚拟轴回转驱动器的互转中心线沿前后方向水平设置，侧踢回转驱动器的回转中心线沿垂直方向设置，前踢回转驱动器的中心线沿左右方向水平设置，侧踢回转驱动器的前侧与中部连接板的后侧固定连接，侧踢回转驱动器后侧动力输出端与第一安装座前侧连接，多杆虚拟轴回转驱动器设在第一安装座上，大腿侧护板上部左侧与前踢回转驱动器的动力输出端连接，前踢回转驱动器设在第二安装座上；

连杆、驱动杆、第一从动杆、第二从动杆和第三从动杆均设有两根，多杆虚拟轴回转驱动器的动力输出轴的上端和下端分别与一根驱动杆的后端固定连接，一根第一从动杆的后端铰接在第一安装座的顶部，另一根第一从动杆的后端铰接在第一安装座的底部，第一从动杆与第一安装座的铰接点位于多杆虚拟轴回转驱动器的动力输出轴的前侧，驱动杆的前端与第三从动杆的后端铰接，第一从动杆后端与连杆右端固定连接，连杆的左端与第二从动杆后端铰接，第三从动杆的后部与连杆的右端铰接，上部的第三从动杆前端铰接在第二安装座顶部右侧，上部的第二从动杆前端铰接在第二安装座顶部左侧，下部的第三从动杆前端铰接在第二安装座底部右侧，下部的第二从动杆前端铰接在第二安装座底部左侧。

大腿侧护板前侧和后侧分别设有前弧形挡板和后弧形挡板，左侧三维转动多杆驱动系统的前弧形挡板和后弧形挡板之间设有可拆卸的左大腿固定带，右侧三维转动多杆驱动系统的前弧形挡板和后弧形挡板之间设有可拆卸的右大腿固定带。

脊柱关节外骨骼双六轴平台机构包括上连接块、下连接块、下圆环座、中圆环座和上圆环座，上圆环座的上表面固定设在上连接块的下表面，下圆环座的下表面固定设在下连接块的上表面，上连接块前侧固定连接在肩关节外骨骼多杆机构的中部连接板的后侧表面中部，下连接块前侧固定连接在髋关节外骨骼多杆机构的中部连接板的后侧表面中部，下圆环座上表面与中圆环座下表面之间设有六根下伺服缸，中圆环座上表面与上圆环座下表面之间设有六根上伺服缸，六根下伺服缸的上端分别球铰在中圆环座上，六根下伺服缸的下端分别球铰在下圆环座上，六根上伺服缸的上端分别球铰在上圆环座上，六根上伺服缸的下端分别球铰在中圆环座上；上连接块和下连接块之间设有用于背负重物的支撑框架。

上圆环座下表面设有位于以上圆环座中心为圆心的一个圆上的六个上铰链球，每两个上铰链球为一组且相邻设置，三组上铰链球沿上圆环座中心均匀布置；

下圆环座上表面设有位于以下圆环座中心为圆心的一个圆上的六个下铰链球，每两个下铰链球为一组且相邻设置，三组下铰链球沿下圆环座中心均匀布置；六个上铰链球和六个下铰链球上下一一对应设置；

中圆环座上设有位于以中圆环座中心为圆心的一个圆上的六个安装孔，每两个安装孔为一组且相邻设置，三组安装孔沿中圆环座中心均匀布置，每一组安装孔在垂直方向上的投影位于相邻两组下铰链球之间，每个安装孔内均固定设有安装柱，安装柱下端设有位于中圆环座下方的第一中铰链球，安装柱上端设有位于中圆环座上方的第二中铰链球；

六根上伺服缸的上端和下端均设有上球窝，六个上铰链球分别对应转动连接在一个上伺服缸上端的上球窝内，六个第二中铰链球对应转动连接在一个上伺服缸下端的上球窝内；

六根下伺服缸的上端和下端均设有下球窝，六个下铰链球分别对应转动连接在一个下伺服缸下端的下球窝内，六个第一中铰链球对应转动连接在一个下伺服缸上端的下球窝内。

多杆虚拟轴回转驱动器、侧踢回转驱动器、前踢回转驱动器和膝关节回转驱动器为减速电机、旋转伺服气缸或旋转伺服液压缸。

上伺服缸和下伺服缸为直线型的液压缸、气缸或电动缸。

采用上述技术方案，本发明中的肩关节外骨骼多杆机构左右两侧的侧护板可与上肢外骨骼装置连接，用于驱动并协调上肢的空间运动，并为上肢外骨骼装置提供良好的连接定位作用。髋关节外骨骼多杆机构的下部左右两侧分别连接一个下肢足部支撑外骨骼机构。

两个下肢足部支撑外骨骼机构的构造相同且左右对称，左侧的下肢足部支撑外骨骼机构包括脚底板和大腿连接板，脚底板左侧和右侧之间设有脚部固定带，脚底板左侧设有小腿下护板，大腿连接板下端固定设有膝关节回转驱动器，膝关节回转驱动器的动力输出端连接有小腿上护板，小腿上护板下端与小腿下护板上端之间通过下伸缩结构连接，大腿连接板上端与大腿侧护板下端之间通过上伸缩结构连接；下伸缩结构和上伸缩结构的构造相同。

下伸缩结构包括在小腿上护板下端面开设的下端敞口的下插槽以及在小腿下护板上端面开设有的上端敞口的上插槽，上插槽和下插槽上下对应设置，上插槽和下插槽内插设有插板，小腿上护板通过两个上螺栓与插板上部连接，小腿下护板通过两个下螺栓与插板下部连接。

由于肩关节外骨骼多杆机构和髋关节外骨骼多杆机构的构造相同，因此，肩关节外骨骼多杆机构的具体构造不再赘述。人体穿戴上本发明，肩关节外骨骼多杆机构、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构、髋关节外骨骼多杆机构均位于人体的后部，其中髋关节外骨骼多杆机构的两侧的大腿侧护板与大腿外侧接触，左大腿固定带将左侧的大腿侧护板与左侧的大腿绑紧，右大腿固定带将右侧的大腿侧护板与右侧的大腿绑紧。同样，肩关节外骨骼多杆机构也采用这种穿戴方式进行。两个下肢足部支撑外骨骼机构用于支撑肩关节外骨骼多杆机构、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构和髋关节外骨骼多杆机构，人的两脚踏在脚底板上，通过脚部固定带固定。本发明中还应当包括有用于控制多杆虚拟轴回转驱动器、侧踢回转驱动器、前踢回转驱动器、膝关节回转驱动器、上伺服缸和下伺服缸的智能控制器，以及为控制多杆虚拟轴回转驱动器、侧踢回转驱动器、前踢回转驱动器、膝关节回转驱动器、上伺服缸、下伺服缸和智能控制器供电的电源。

髋关节外骨骼多杆机构的具体工作原理及过称为：向前迈步时，膝关节回转驱动器驱动小腿下护板和小腿上护板向前转，人体的小腿随着向前迈，同时，前踢回转驱动器驱动大腿护板向前转。若腿部向内侧或外侧踢腿时，侧踢回转驱动器通过第一安装座、驱动杆、第一从动杆、第二从动杆和第三从动杆驱动大腿侧护板向内或向外旋转。前踢回转驱动器、侧踢回转驱动器分别和多杆虚拟轴回转驱动器的两两或三者进行配合，可以模拟出来人体髋关节的各种运动轨迹。其中多杆虚拟轴回转驱动器带动两个驱动杆转动，驱动杆通过第一从动杆、第二从动杆和第三从动杆可以带动大腿侧护板前后伸缩和旋转。

脊柱关节外骨骼双六轴平台机构的具体工作原理及过称为：采用上下对接的两个六自由度运动平台，达到12个自由度，六个上伺服缸和六个下伺服缸伸长或缩短，从而可以模拟出各种空间的运动姿态，对于人体进行弯腰、扭腰、支撑等功能与人体的脊柱毫无两样，并达到良好的支撑效果。

当不同身高的人使用时，可以通过更换下伸缩结构和上伸缩结构的插板，身高较高时，使用较长的插板，身高较低时，采用较短的插板，这样就相当于调节了人体的腿部长度。

综上所述，本发明结构简单、设计新颖，空间自由度高，灵活轻便，充分减轻了人们背负重物的压力，并提供良好的助力作用，大大提高了背负重物的重量，也适用于老年人爬楼梯和行走的助力，还可用于医疗器械对病人的康复。

附图说明

图1是本发明穿戴在人体上的后视结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1中本发明的立体结构示意图；

图4是图3中髋关节外骨骼多杆机构的爆炸图；

图5是图3中脊柱关节外骨骼双六轴平台机构的平面放大图；

图6是图5中中圆环座的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图6所示，本发明的用于连接四肢外骨骼机构的人体躯干机械外骨骼装置，包括自上而下依次连接的肩关节外骨骼多杆机构1、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构2和髋关节外骨骼多杆机构3，肩关节外骨骼多杆机构1和髋关节外骨骼多杆机构3的构造相同，脊柱关节外骨骼双六轴平台机构2的顶部和底部分别与肩关节外骨骼多杆机构1底部中间和髋关节外骨骼多杆机构3的顶部中间固定连接。

髋关节外骨骼多杆机构3包括中部连接板4，中部连接板4左侧和右侧分别设有一个左右对称的三维转动多杆驱动系统；

左侧的三维转动多杆驱动系统包括多杆虚拟轴回转驱动器5、侧踢回转驱动器6、前踢回转驱动器7、第一安装座8、第二安装座9、连杆10、驱动杆11、第一从动杆12、第二从动杆13、第三从动杆14和大腿侧护板15，多杆虚拟轴回转驱动器5的互转中心线沿前后方向水平设置，侧踢回转驱动器6的回转中心线沿垂直方向设置，前踢回转驱动器7的中心线沿左右方向水平设置，侧踢回转驱动器6的前侧与中部连接板4的后侧固定连接，侧踢回转驱动器6后侧动力输出端与第一安装座8前侧连接，多杆虚拟轴回转驱动器5设在第一安装座8上，大腿侧护板15上部左侧与前踢回转驱动器7的动力输出端连接，前踢回转驱动器7设在第二安装座9上。

连杆10、驱动杆11、第一从动杆12、第二从动杆13和第三从动杆14均设有两根，多杆虚拟轴回转驱动器5的动力输出轴的上端和下端分别与一根驱动杆11的后端固定连接，一根第一从动杆12的后端铰接在第一安装座8的顶部，另一根第一从动杆12的后端铰接在第一安装座8的底部，第一从动杆12与第一安装座8的铰接点位于多杆虚拟轴回转驱动器5的动力输出轴的前侧，驱动杆11的前端与第三从动杆14的后端铰接，第一从动杆12后端与连杆10右端固定连接，连杆10的左端与第二从动杆13后端铰接，第三从动杆14的后部与连杆10的右端铰接，上部的第三从动杆14前端铰接在第二安装座9顶部右侧，上部的第二从动杆13前端铰接在第二安装座9顶部左侧，下部的第三从动杆14前端铰接在第二安装座9底部右侧，下部的第二从动杆13前端铰接在第二安装座9底部左侧。

大腿侧护板15前侧和后侧分别设有前弧形挡板16和后弧形挡板17，左侧三维转动多杆驱动系统的前弧形挡板16和后弧形挡板17之间设有可拆卸的左大腿固定带18，右侧三维转动多杆驱动系统的前弧形挡板16和后弧形挡板17之间设有可拆卸的右大腿固定带36。

脊柱关节外骨骼双六轴平台机构2包括上连接块19、下连接块20、下圆环座21、中圆环座22和上圆环座23，上圆环座23的上表面固定设在上连接块19的下表面，下圆环座21的下表面固定设在下连接块20的上表面，上连接块19前侧固定连接在肩关节外骨骼多杆机构1的中部连接板4的后侧表面中部，下连接块20前侧固定连接在髋关节外骨骼多杆机构3的中部连接板4的后侧表面中部，下圆环座21上表面与中圆环座22下表面之间设有六根下伺服缸24，中圆环座22上表面与上圆环座23下表面之间设有六根上伺服缸25，六根下伺服缸24的上端分别球铰在中圆环座22上，六根下伺服缸24的下端分别球铰在下圆环座21上，六根上伺服缸25的上端分别球铰在上圆环座23上，六根上伺服缸25的下端分别球铰在中圆环座22上；上连接块19和下连接块20之间设有用于背负重物的支撑框架（图中未示意出来）。

上圆环座23下表面设有位于以上圆环座23中心为圆心的一个圆上的六个上铰链球（图中未示意出来），每两个上铰链球为一组且相邻设置，三组上铰链球沿上圆环座23中心均匀布置。

下圆环座21上表面设有位于以下圆环座21中心为圆心的一个圆上的六个下铰链球（图中未示意出来），每两个下铰链球为一组且相邻设置，三组下铰链球沿下圆环座21中心均匀布置；六个上铰链球和六个下铰链球上下一一对应设置。

中圆环座22上设有位于以中圆环座22中心为圆心的一个圆上的六个安装孔，每两个安装孔为一组且相邻设置，三组安装孔沿中圆环座22中心均匀布置，每一组安装孔在垂直方向上的投影位于相邻两组下铰链球之间，每个安装孔内均固定设有安装柱27，安装柱27下端设有位于中圆环座22下方的第一中铰链球26，安装柱27上端设有位于中圆环座22上方的第二中铰链球28。

六根上伺服缸25的上端和下端均设有上球窝，六个上铰链球分别对应转动连接在一个上伺服缸25上端的上球窝内，六个第二中铰链球28对应转动连接在一个上伺服缸25下端的上球窝内。

六根下伺服缸24的上端和下端均设有下球窝，六个下铰链球分别对应转动连接在一个下伺服缸24下端的下球窝内，六个第一中铰链球26对应转动连接在一个下伺服缸24上端的下球窝内。

多杆虚拟轴回转驱动器5、侧踢回转驱动器6、前踢回转驱动器7和膝关节回转驱动器33为减速电机、旋转伺服气缸或旋转伺服液压缸。

上伺服缸25和下伺服缸24为直线型的液压缸、气缸或电动缸。

本发明中的肩关节外骨骼多杆机构1左右两侧的侧护板可与上肢外骨骼装置（图中未示意出来）连接，用于驱动并协调上肢的空间运动，并为上肢外骨骼装置提供良好的连接定位作用。髋关节外骨骼多杆机构的下部左右两侧分别连接一个下肢足部支撑外骨骼机构。

两个下肢足部支撑外骨骼机构的构造相同且左右对称，左侧的下肢足部支撑外骨骼机构包括脚底板29和大腿连接板30，脚底板29左侧和右侧之间设有脚部固定带31，脚底板29左侧设有小腿下护板32，大腿连接板30下端固定设有膝关节回转驱动器33，膝关节回转驱动器33的动力输出端连接有小腿上护板34，小腿上护板34下端与小腿下护板32上端之间通过下伸缩结构连接，大腿连接板30上端与大腿侧护板15下端之间通过上伸缩结构连接；下伸缩结构和上伸缩结构的构造相同。

下伸缩结构包括在小腿上护板34下端面开设的下端敞口的下插槽以及在小腿下护板32上端面开设有的上端敞口的上插槽，上插槽和下插槽上下对应设置，上插槽和下插槽内插设有插板35，小腿上护板34通过两个上螺栓37与插板35上部连接，小腿下护板32通过两个下螺栓38与插板35下部连接。

由于肩关节外骨骼多杆机构1和髋关节外骨骼多杆机构3的构造相同，因此，肩关节外骨骼多杆机构1的具体构造不再赘述。人体穿戴上本发明，肩关节外骨骼多杆机构1、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构2、髋关节外骨骼多杆机构3均位于人体的后部，其中髋关节外骨骼多杆机构3的两侧的大腿侧护板15与大腿外侧接触，左大腿固定带18将左侧的大腿侧护板15与左侧的大腿绑紧，右大腿固定带36将右侧的大腿侧护板15与右侧的大腿绑紧。同样，肩关节外骨骼多杆机构1也采用这种穿戴方式进行。两个下肢足部支撑外骨骼机构用于支撑肩关节外骨骼多杆机构1、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构2和髋关节外骨骼多杆机构3，人的两脚踏在脚底板29上，通过脚部固定带31固定。本发明中还应当包括有用于控制多杆虚拟轴回转驱动器5、侧踢回转驱动器6、前踢回转驱动器7、膝关节回转驱动器33、上伺服缸25和下伺服缸24的智能控制器，以及为控制多杆虚拟轴回转驱动器5、侧踢回转驱动器6、前踢回转驱动器7、膝关节回转驱动器33、上伺服缸25、下伺服缸24和智能控制器供电的电源。

髋关节外骨骼多杆机构3的具体工作原理及过称为：向前迈步时，膝关节回转驱动器33驱动小腿下护板32和小腿上护板34向前转，人体的小腿随着向前迈，同时，前踢回转驱动器7驱动大腿护板向前转。若腿部向内侧或外侧踢腿时，侧踢回转驱动器6通过第一安装座8、驱动杆11、第一从动杆12、第二从动杆13和第三从动杆14驱动大腿侧护板15向内或向外旋转。前踢回转驱动器7、侧踢回转驱动器6分别和多杆虚拟轴回转驱动器5的两两或三者进行配合，可以模拟出来人体髋关节的各种运动轨迹。其中多杆虚拟轴回转驱动器5带动两个驱动杆11转动，驱动杆11通过第一从动杆12、第二从动杆13和第三从动杆14可以带动大腿侧护板15前后伸缩和旋转。

脊柱关节外骨骼双六轴平台机构2的具体工作原理及过称为：采用上下对接的两个六自由度运动平台，达到12个自由度，六个上伺服缸25和六个下伺服缸24伸长或缩短，从而可以模拟出各种空间的运动姿态，对于人体进行弯腰、扭腰、支撑等功能与人体的脊柱毫无两样，并达到良好的支撑效果。

当不同身高的人使用时，可以通过更换下伸缩结构和上伸缩结构的插板35，身高较高时，使用较长的插板35，身高较低时，采用较短的插板35，这样就相当于调节了人体的腿部长度。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。