腰部助力外骨骼的制作方法

本发明属于腰部助力技术领域，涉及一种腰部助力外骨骼，尤其涉及一种输出扭矩可调的腰部助力外骨骼。

背景技术：

生活中我们总是需要弯腰搬东西，如果频繁弯腰搬运或者搬运的物体过重，总会造成腰部疼痛或损伤。尤其是对于需要经常搬东西的建筑工人，物流人员，腰部疼痛似乎是不可避免的，并且极其容易患腰部劳损等很难治愈的腰部疾病，严重的甚至会卧床不起。

因此，人们急需要能够预防腰部损伤的外骨骼辅助装置。现在已经有一些腰部辅助装置，对于主动式的多数采用电机或气动的方式，装置结构复杂，重量大，价格昂贵，不适宜推广。对于被动式的辅助装置，多采用单一的大弹簧或者阻尼器等作为储能元件，由于人体腰部需要的扭矩较大，使得需要的弹簧或者阻尼器也较为大，结构复杂，重量大，使得穿戴不舒服。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种腰部助力外骨骼，该外骨骼可采用如柔性绳或弹力带作为储能元件，结构简单小巧，解决了被动腰部助力装置采用较大扭簧或者压缩弹簧/气体使得装置复杂且重量大的问题，并且可以手动调节柔性绳的长短，进而调节初始预紧力，以改变弯腰后装置所提供的扭矩大小。

本发明采用的技术方案如下：

一种腰部助力外骨骼，包括腰部固定壳、肩部连接杆、腿部连接杆及储能机构各两个；两个腰部固定壳分别设于人体左右两侧，通过前侧固定带、后侧固定带固定于腰部，所述储能机构包括储能件、旋转单元、固定单元，此外，储能机构还可包括调节单元；两个储能机构的固定单元分别固定于两个腰部固定壳上，并分别固定连接一个腿部连接杆使腿部连接杆位于人体大腿前侧，所述旋转单元相对固定单元可进行旋转，肩部连接杆与旋转单元固定并使肩部连接杆位于人体前肩部，所述储能件两端分别与旋转单元、固定单元(或调节单元)连接，所述调节单元用于调节储能件初始张紧力；当人体弯腰时储能件随着旋转单元旋转发生形变存储能量，当人体起身时，储能件恢复释放能量给腰部助力。

上述技术方案中，进一步的，所述的旋转单元包括旋转部件、两个旋转架、轴套和若干连架杆；旋转架为圆环状结构，两个旋转架同轴设置，二者之间通过若干连架杆及螺钉固定；轴套同轴固定于两个旋转架内环中，旋转部件一端连接肩部连接杆，另一端与两个旋转架固定，整个旋转单元固连为一体，通过轴套套设于固定单元上并相对固定单元转动。

进一步的，所述的固定单元包括内侧板、外侧板、主轴和若干固定柱；内侧板固定于腰部固定壳，外侧板与内侧板相对设置，主轴设于内外侧板之间且与内侧板垂直固定，所述旋转单元套设于所述主轴上，从而可相对主轴转动；外侧板与内侧板之间通过若干固定柱及螺钉固定。

进一步的，所述的调节单元包括调节轴、调节旋钮、棘轮、棘爪；所述调节轴、棘爪设置于所述固定单元上，调节轴可相对固定单元自由转动，棘轮、调节旋钮依次安装于调节轴上可随调节轴转动而转动，棘爪与固定单元铰接，并通过拉伸弹簧与固定单元连接，棘爪与棘轮的轮齿相抵，使得调节轴只能向一个方向转动。

进一步的，所述的储能件为柔性绳或弹力带，或者所述储能件为拉伸弹簧或压缩弹簧，可根据需要增加或减少储能件的个数。

进一步的，所述的储能机构上还设置有限位单元，用于限制所述旋转单元相对固定单元的旋转角度。

进一步的，所述的肩部连接杆上设置有肩部护套，所述的腿部连接杆上设置有支撑壳，以增大接触面积。

本发明的有益效果是：

1)如果安装了调节单元，可以调节初始张紧力大小。当搬运重量轻的物体时，可以调小储能件的初始张紧力，这样，在弯腰时，存储的能量减小。相反当搬运较重物体时，可以增大初始张紧力。可以根据个人舒适与否调节初始张紧力。

2)提供的扭矩可以很大。本方案可以根据需要，增加或减少储能件的数目，如增加柔性绳条数，可以增大提供扭矩，进而可以根据需要，提供足够大的扭矩。

3)结构简单重量轻。现有的腰部助力外骨骼中储能元件多为金属的扭簧或压簧，由于腰部受力较大，需要的弹簧也较大，多数方案采用单一的大弹簧储能，因此重量较大，本方案尤其是采用柔性绳或弹力带作为储能件时，通过增加柔性绳条数增大的扭矩可以远大于金属弹簧的扭矩，同时，重量比金属轻很多。

4)不会压迫呼吸。目前多数腰部助力装置通过将力作用在腿部和上身胸部，因此对于经常穿戴劳作的人，对胸部压迫容易造成呼吸困难。本方案受力点在肩部，受力位置类似人体背包前侧背带处，不会对呼吸产生影响。

附图说明

图1是本发明外骨骼的一种具体结构示意图；

图2是图1中实例的另一角度视图；

图3是本发明中旋转单元的一种具体结构示意图；

图4是本发明中储能机构的一种具体结构剖面示意图；

图5是图4中实例的另一角度剖面示意图；

图6是本发明中调节轴和调节旋钮的一种具体结构示意图；

图7是本发明中限位单元的一种具体结构示意图；

图中：1外侧板，2旋转部件，2-1销钉孔，2-2挡舌，3旋转架，4连架杆，5轴套，6内侧板，7主轴，8固定柱，9挡块，10调节轴，11左侧腰部固定壳，12腿部连接杆，13左腿支撑壳，14安装孔，15右腿支撑壳，16右侧腰部固定壳，17肩部连接杆，18d形轴,19齿，20后侧固定带，21前侧固定带，22肩部护套，23棘轮，24调节旋钮，25弹簧柱，26棘爪；

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的显示控制方法及系统的具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

1.整体结构

本发明的一种腰部助力外骨骼整体结构如图1、2所示。

该外骨骼包括分别位于人体左右两侧的左侧腰部固定壳11和右侧腰部固定壳16，两个腰部固定壳通过后侧固定带20和前侧固定带21固定于腰部，在两个腰部固定壳上分别设置有一个储能机构，所述储能机构包括储能件、旋转单元、固定单元和调节单元；因左右两侧对称布置，原理相同，下面仅以单侧进行说明：储能机构中固定单元固定于腰部固定壳上，并固定连接一个腿部连接杆使腿部连接杆位于人体大腿前侧，旋转单元相对固定单元可进行旋转，旋转单元与肩部连接杆固定并使肩部连接杆位于人体前肩部。

肩部护套22直接套在肩部连接杆17上与人体前肩部接触，增大接触面积，从而避免肩部局部受力过大受伤。

左腿支撑壳13和右腿支撑壳15与肩部护套22类似，增大了与腿部接触面积，以免造成局部压力过大。

肩部连接杆17与旋转单元通过螺纹或者轴销固定，确保两者同时旋转。

腿部连接杆12和左腿支撑壳13通过胶或螺纹连接。图示所示，左腿固定壳13制作时留有向外的孔，腿部连接杆12涂抹相应胶水插入孔中固定。

所述储能件两端分别与旋转单元、调节单元连接，所述调节单元用于调节储能件初始张紧力；当人弯腰时，肩部护套22受力，通过肩部连杆17传到旋转单元，旋转单元发生旋转，随着旋转单元旋转，储能件发生形变(如：储能件采用柔性绳，当旋转单元旋转则柔性绳被拉长从而存储能量)，当人体起身时，储能件恢复，存储的能量释放，从而减少因重物作用于腰部的扭矩，给腰部助力。

2.储能机构

储能机构包括储能件、旋转单元、固定单元和调节单元；仅以单侧的储能机构进行说明，另一侧结构和原理相同。

如图3所示，旋转单元由旋转部件2，呈环状的旋转架3，连架杆4和轴套5以及若干螺钉(未画出)组成。两片旋转架3同轴设置通过若干连架杆4及螺钉固定连接在一起，旋转部件2一端用于连接肩部连接杆17，另一端与旋转架3通过销钉经由销钉孔2-1固定连接。(两片旋转架3和连架杆4可以为一体成型结构)；

如图4所示，固定单元包括内侧板6、外侧板1、主轴7和若干固定柱8；左侧腰部固定壳11与内侧板6通过螺钉或者胶水固定，主轴7通过螺钉固定在内侧板6上，然后将图3所示旋转单元安装在主轴7上，此时，旋转单元可相对主轴转动，然后将外侧板1通过固定柱8与内侧板6固定在一起，固定柱8两端有螺纹孔，通过在外侧拧入螺钉使得外侧板1，固定柱8和内侧板6成为一体。

所述的调节单元包括调节轴10、调节旋钮24、棘轮23、棘爪26；所述调节轴10、棘爪26设置于所述固定单元上，调节轴10可相对固定单元自由转动，棘轮23、调节旋钮24依次安装于调节轴10上可随调节轴转动而转动，棘爪26与固定单元铰接，并通过拉伸弹簧与固定单元连接，棘爪26与棘轮23的轮齿相抵，使得调节轴只能向一个方向转动。如图4、5所示，调节轴10可与内侧板6和外侧板1相对转动，且与调节旋钮24固定连接在一起不能相对转动，因此当手动旋转调节旋钮24时，调节轴10也会转动，进而使储能件形变，调节预紧力。固定单元上安装有棘爪26，调节轴10上固定有棘轮23相配合。棘爪26与固定单元上固定的弹簧柱25之间连接有拉伸弹簧(未画出)，由于棘轮23上的齿朝向一个方向，调节轴10只能沿着逆时针方向转动。当调节轴10逆时针转动时，棘爪26与弹簧柱25之间弹簧被拉伸，棘爪26会自动回复初始位置，以限制调节轴10顺时针旋转。

此外，所述的储能机构上还设置有限位单元，用于限制所述旋转单元相对固定单元的旋转角度。如图5所示，旋转单元只能向一个方向转动，如图中当旋转部件2按逆时针转动时，挡舌2-2与挡块9接触，挡块9固定在1外侧板上，从而阻止了旋转部件的逆向转动。限位单元可采用其他结构实现，如可以采用如图7所示的结构，设置2-3限位柱以防止旋转部件过度顺时针旋转。

如图6所示，调节轴10上有安装孔14，调节轴10轴端与调节旋钮24接触部位通过d形轴18连接，以相互限制周向运动(也可通过键连接或其他固定方式)。调节旋钮24上有齿19，可以增大与手之间的摩擦力，方便手握和旋转。储能件(图中未画出)可以采用柔性绳或弹力带，以柔性绳为例，其一端与连架杆4连接，一端与调节轴10连接，由于旋转部件2和连架杆4固定在一起，当旋转部件2旋转时(人弯腰时)，柔性绳发生形变储能，当人体起身时，能量释放，减小人体腰部所承受的扭矩。安装时，可以根据需要，在不同的连架杆4和调节轴10之间增加多条柔性绳，这样该装置可以根据需要提供足够大的扭矩辅助腰部。调节旋钮24通过棘轮23棘爪26的作用，只能单方向转动，柔性绳无法拉动旋钮旋转。可以通过手动旋转旋钮拉伸柔性绳，进而调节柔性绳的初始张紧力。此外，也可在连架杆4和固定柱8之间增加部分柔性绳，该部分提供扭矩不可调节。本发明中的储能件也可以采用较小的拉伸弹簧或者压缩弹簧。

上述棘轮23、棘爪26结构只是本发明中实现调节单元的一种具体方式，也可以采用其他方式实现，如：在外侧板1和调节轴10之间增加啮合的齿轮，而调节轴10或者外侧板1上的齿轮可以通过按钮控制升降，进而可以在不啮合的时候调节柔性绳张紧，按钮不按下时，恢复啮合，调节轴10不能旋转。

此外，本发明的外骨骼中储能机构还可以不设置调节单元，即仅包括储能件、旋转单元和固定单元；其他结构都相同，但储能件一端连接旋转单元，另一端则固定于固定单元上，如在图4、5、6所示实例中，柔性绳等储能件一端连接连架杆4，另一端连接固定柱8，但是该部分提供的扭矩不可调节。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。