可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的制作方法

1.本发明涉及外骨骼技术领域，尤其涉及一种可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼。


背景技术：

2.在外骨骼民用、工业或军用领域中，穿戴者需要借助外骨骼，在特定场景下完成各类上肢托举动作，外骨骼的机械结构需要贴合人体结构，具备轻量化、高强度特点；作业过程中，不能与身体产生明显干涉；同时，由于穿戴者之间存在体型差异，外骨骼的关键部位应该设置可靠的尺寸调节机构，以适应大多数成年人的穿戴需求。
3.基于上述需求，外骨骼的关节自由度、防护机构，以及尺寸调节机构的设置显得尤为重要。首先，目前市场中大部分的有源上肢外骨骼在多个关节自由度处设置有源驱动模块，大幅度提升了外骨骼的整体重量和成本，增加穿脱不便性，同时过大的体积容易在运动中与人体或外界环境产生干涉；其次，大部分有源外骨骼没有在硬件层面设置运动限位结构，存在安全隐患；最后，在尺寸调节方面，现存的大多数外骨骼不能同时做到手臂、肩背各关键部位尺寸可调，且调节机构的结构不稳定，容易在使用过程中滑动甚至脱出，降低了人机适配性与助力有效性。
4.因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼，以克服现有技术中存在的不足。
6.为实现上述发明目的，本发明提供一种可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼，其包括：躯干系统、绑缚系统以及上肢系统；所述绑缚系统连接于所述躯干系统的正面；所述上肢系统包括：左肢体和右肢体，所述左肢体连接于所述躯干系统的左侧，所述右肢体连接于所述躯干系统的右侧；任一肢体均包括：肩关节组件、驱动组件、大臂组件以及小臂组件，所述肩关节组件一端与所述躯干组件相连接，另一端通过所述驱动组件与所述大臂组件相连接，所述大臂组件另一端与所述小臂组件相连接；所述肩关节组件、大臂组件以及小臂组件均具有各自的尺寸调节行程，且所述肩关节组件、大臂组件以及小臂组件均在各自的枢转限位行程内进行运动。
7.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述躯干系统包括：背部基座、电池模块、背部母件以及撑杆；所述背部基座连接于所述背部母件的上端，所述电池模块连接于所述背部母件的背面，所述撑杆连接于所述背部母件的下端，且所述撑杆按照人体的曲线进行仿型设计。
8.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述肩关节组件包括：背部支撑杆、肩部转接件以及动力转接件；所述背部支撑杆一端与所述躯干系统固定连接，另
一端与所述肩部转接件枢转连接，所述动力转接件一端插接于所述肩部转接件中，另一端与所述驱动组件枢转连接。
9.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述肩关节组件还包括：肩关节尺寸调节销和肩关节尺寸调节锁紧螺丝；所述动力转接件上开设有一排沿尺寸调节方向设置的第一调节孔，所述肩关节尺寸调节销通过锁附连接不同的第一调节孔实现所述肩关节组件的尺寸调节，所述肩关节尺寸调节锁紧螺丝对所述动力转接件和肩部转接件进行锁附固定。
10.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述背部支撑杆的另一端具有对所述肩部转接件进行枢转限位的外旋限位边与内旋限位边，所述肩部转接件具有与所述外旋限位边或内旋限位边相配合的止位边；所述动力转接件的另一端具有对所述驱动组件进行枢转限位的内翻限位边与外翻限位边，所述驱动组件具有与所述内翻限位边或外翻限位边相配合的止位边。
11.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述驱动组件包括：输出法兰以及驱动电机；所述驱动电机固定于所述大臂组件上，所述驱动电机与所述输出法兰传动连接，所述输出法兰与肩关节组件通过锁止块固定连接；所述输出法兰上还设置有限位块，所述大臂组件上设置有能够与所述限位块相配合的限位边。
12.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述大臂组件包括：大臂绑缚板、大臂基座以及大臂支杆；所述大臂基座一端通过所述驱动组件与所述肩关节组件相连接，所述大臂支杆插接于所述大臂基座的另一端，所述大臂绑缚板连接于所述大臂支杆上。
13.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述大臂组件还包括：大臂尺寸调节销和大臂尺寸调节锁紧螺丝；所述大臂基座上开设有一排沿尺寸调节方向设置的第二调节孔，所述大臂尺寸调节销通过锁附连接不同的第二调节孔实现所述大臂组件的尺寸调节，所述大臂尺寸调节锁紧螺丝对所述大臂基座和大臂支杆进行锁附固定。
14.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述小臂组件包括：小臂绑缚板、小臂杆以及小臂导轨组件；所述小臂杆一端与所述大臂组件枢转连接，所述小臂导轨组件固定于所述小臂杆的内侧，所述小臂导轨组件的滑槽中设置有一滑台，所述小臂绑缚板连接于所述滑台上。
15.作为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼的改进，所述小臂杆一端具有对自身枢转进行枢转限位的肘伸展限位边与肘屈伸限位边，所述大臂组件具有与所述肘伸展限位边或肘屈伸限位边相配合的止位边。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有结构简洁轻便的优点。即，使用的驱动与传感元件少，进而有利于减少可能对人体产生的干涉，同时降低了外骨骼的成本。
17.本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有针对性的自由度设置。即，只在主要关节自由度处设置有源驱动，其余关节不设计驱动，保证了外骨骼对目标动作助力的有效性，同时减轻了外骨骼整体质量与结构复杂程度。
18.本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有尺寸调节方式简单的优点。即，包括肩宽、背高、手臂长度等在内的尺寸调节均可由穿戴者单人完成，同时配合必要的锁紧结构，操作简单，稳定性高。
19.本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有安全性高。即，在所有运动自由度处均设计了机械限位结构，有利于防止执行器失效、肌肉损伤、外力扰动等多种因素造成的关节运动幅度超出人体可承受范围的问题。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼一实施例的立体示意图；图2为图1中躯干系统的立体示意图；图3为图1中右肢体的立体示意图；图4为肩关节组件内外旋限位的原理图；图5为肩关节组件内外翻限位的原理图；图6为输出法兰与大臂基座连接关系的立体示意图；图7为肘关节屈伸限位的原理图。
具体实施方式
22.下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
23.本发明提供一款基于仿生学和人因工程学设计，使用安全、助力有效，且成本低、重量轻、穿脱方便舒适的有源上肢托举助力外骨骼。该有源上肢托举助力外骨骼能够解决现存的有源上肢外骨骼结构笨重繁琐、安全性差，以及使用过程中存在结构不稳定、传力效率低等重大问题。
24.本发明一实施例提供一种可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼。
25.如图1所示，本实施例的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼包括：躯干系统a、绑缚系统b以及上肢系统c。
26.绑缚系统b连接于躯干系统a的正面，其用于辅助外骨骼的穿戴。该绑缚系统b包括：连接于躯干系统a的正面的穿戴结构、辅助穿戴结构固定的两条肩部绑带以及一条腰部绑带。上述两条肩部绑带以及一条腰部绑带通过卡扣进行打开或者扣合。
27.如图2所示，躯干系统a构成本实施例外骨骼的主体结构，其包括：背部基座a3、电池模块a1、背部母件a5以及撑杆a6。
28.其中，背部基座a3连接于背部母件a5的上端，背部基座a3具有一背部基座盖a2。电池模块a1通过背壳转接件a4连接于背部母件a5的背面。撑杆a6连接于背部母件a5的下端，且撑杆a6按照人体的曲线进行仿型设计。一个实施方式中，各部件可通过螺丝固定连接。
29.如图3所示，上肢系统c为人体上肢进行助力，其包括：左肢体和右肢体，左肢体连接于躯干系统a的左侧，右肢体连接于躯干系统a的右侧。
30.其中，任一肢体均包括：肩关节组件、驱动组件、大臂组件以及小臂组件，肩关节组件一端与躯干组件相连接，另一端通过驱动组件与大臂组件相连接，大臂组件另一端与小臂组件相连接。如此，通过只在主要关节自由度处设置有源驱动，其余关节不设计驱动，保证了外骨骼对目标动作助力的有效性，同时减轻了外骨骼整体质量与结构复杂程度。
31.肩关节组件、大臂组件以及小臂组件均具有各自的尺寸调节行程。具体而言，包括肩宽、背高、手臂长度等在内的尺寸调节均可由穿戴者单人完成，同时配合必要的锁紧结构，操作简单，稳定性高。
32.同时，肩关节组件、大臂组件以及小臂组件均在各自的枢转限位行程内进行运动。具体而言，在所有运动自由度处均设计了机械限位结构，有利于防止执行器失效、肌肉损伤、外力扰动等多种因素造成的关节运动幅度超出人体可承受范围的问题。
33.具体地，肩关节组件包括：背部支撑杆c1、肩部转接件c19以及动力转接件c3。
34.其中，背部支撑杆c1一端与躯干系统a固定连接，另一端与肩部转接件c19枢转连接，动力转接件c3一端插接于肩部转接件c19中，另一端与驱动组件枢转连接。
35.为了实现肩关节组件的尺寸调节，肩关节组件还包括：肩关节尺寸调节销c4和肩关节尺寸调节锁紧螺丝c2。此时，动力转接件c3上开设有一排沿尺寸调节方向设置的第一调节孔，肩关节尺寸调节销c4通过锁附连接不同的第一调节孔实现肩关节组件的尺寸调节，肩关节尺寸调节锁紧螺丝c2对动力转接件c3和肩部转接件c19进行锁附固定。
36.如此，通过拉动动力转接件c3，可对肩关节组件的宽度尺寸进行调节。然后，再通过肩关节尺寸调节销c4和肩关节尺寸调节锁紧螺丝c2进行锁附固定，在保证尺寸可调性的同时，确保了结构的稳定性。
37.为了实现肩关节组件的枢转限位，如图4所示，背部支撑杆c1的另一端具有对肩部转接件c19进行枢转限位的外旋限位边与内旋限位边，肩部转接件c19具有与外旋限位边或内旋限位边相配合的止位边。即，当肩关节进行内外旋运动至限位边与止位配合边接触时，关节运动将受限无法继续。如此实现了肩关节组件在上下方向的枢转限位，进而防止关节运动幅度超出人体可承受范围的问题。
38.如图5所示，动力转接件c3的另一端具有对驱动组件进行枢转限位的内翻限位边与外翻限位边，驱动组件具有与内翻限位边或外翻限位边相配合的止位边。即，当肩关节进行内外翻运动至限位边与止位配合边接触时，关节运动将受限无法继续。如此实现了肩关节组件在左右方向的枢转限位，进而防止关节运动幅度超出人体可承受范围的问题。
39.驱动组件用于辅助人体完成一系列托举动作，其包括：输出法兰c6以及驱动电机c7。
40.如图6所示，驱动电机c7固定于大臂组件上，驱动电机c7与输出法兰c6传动连接，二者保持同轴设置。输出法兰c6通过交叉滚子轴承c18与肩关节组件通过锁止块c5固定连接。如此，驱动电机c7可驱动输出法兰c6与大臂组件中的大臂基座c8之间产生相对旋转，从而带动肩关节屈伸。其他关节运动为非主要自由度，设计为不驱动，以减少携带驱动元件的数量，使结构重量尽可能轻便。
41.大臂组件包括：大臂绑缚板c9、大臂基座c8以及大臂支杆c20。
42.其中，大臂基座c8一端通过驱动组件与肩关节组件相连接，大臂支杆c20插接于大臂基座c8的另一端，大臂绑缚板c9上的大臂绑缚板支撑座c11通过大臂绑缚板转接座c10连接于大臂支杆c20上。
43.为了实现大臂组件的尺寸调节，大臂组件还包括：大臂尺寸调节销和大臂尺寸调节锁紧螺丝。此时，大臂基座c8上开设有一排沿尺寸调节方向设置的第二调节孔，大臂尺寸调节销通过锁附连接不同的第二调节孔实现大臂组件的尺寸调节，大臂尺寸调节锁紧螺丝对大臂基座c8和大臂支杆c20进行锁附固定。
44.如此，通过拉动大臂支杆c20，可对大臂组件的长度尺寸进行调节。然后，再通过大臂尺寸调节销和大臂尺寸调节锁紧螺丝进行锁附固定，在保证尺寸可调性的同时，确保了结构的稳定性。
45.为了实现大臂组件的枢转限位，输出法兰c6上还设置有限位块，大臂组件上设置有能够与限位块相配合的限位边。即，当限位块与限位边贴合时，大臂组件的屈伸运动无法继续。
46.小臂组件包括：小臂绑缚板c13、小臂杆c12以及小臂导轨组件c16。
47.其中，小臂杆c12一端与大臂组件枢转连接，小臂导轨组件c16固定于小臂杆c12的内侧，小臂导轨组件c16的滑槽中设置有一滑台，小臂绑缚板c13上的小臂绑缚板支撑座c14通过小臂绑缚板转接座c15连接于滑台上。如此，通过滑台的滑动，可对小臂绑缚板c13的位置进行调节，进而可防止人与设备产生干涉，让穿戴者的手臂可以自由活动。。同时，小臂导轨组件c16上还设置有位于滑槽两端的小臂滑动限位柱c17。
48.如图7所示，为了实现小臂组件的枢转限位，小臂杆c12一端具有对自身枢转进行枢转限位的肘伸展限位边与肘屈伸限位边，大臂组件具有与肘伸展限位边或肘屈伸限位边相配合的止位边。即，当肘关节进行伸展屈伸运动至限位边与止位配合边接触时，关节运动将受限无法继续。如此实现了小臂组件在左右方向的枢转限位，进而防止关节运动幅度超出人体可承受范围的问题。
49.综上所述，本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有结构简洁轻便的优点。即，使用的驱动与传感元件少，进而有利于减少可能对人体产生的干涉，同时降低了外骨骼的成本。本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有针对性的自由度设置。即，只在主要关节自由度处设置有源驱动，其余关节不设计驱动，保证了外骨骼对目标动作助力的有效性，同时减轻了外骨骼整体质量与结构复杂程度。本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有尺寸调节方式简单的优点。即，包括肩宽、背高、手臂长度等在内的尺寸调节均可由穿戴者单人完成，同时配合必要的锁紧结构，操作简单，稳定性高。本发明的可穿戴式有源上肢托举助力外骨骼具有安全性高。即，在所有运动自由度处均设计了机械限位结构，有利于防止执行器失效、肌肉损伤、外力扰动等多种因素造成的关节运动幅度超出人体可承受范围的问题。
50.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
51.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。