一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置的制作方法

1.本发明属于搬运结构工程制造领域，具体涉及一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置。


背景技术：

2.在一些特殊的工作场所需要托举、持有、搬运或移动重物，容易引起肌肉骨骼损伤，如腰肌劳损，腰间盘突出等。流行病学研究表明，当频繁从地上举起体积大、质量重的物体容易引起下背部疾病的频率和严重程度显著增加，而外骨骼装置的研究就是为了减轻人们搬运重物负担的同时满足灵活性高的特点。根据人和外骨骼在控制回路中的作用，目前的结构主要分为：人占主导地位、人机协同主导或外骨骼占主导地位；
3.人占主导地位指通过人来控制外骨骼，外骨骼识别人体发出的肌电信号等了解下一步的动作，起到提供助力的作用，帮助穿戴者搬起较重的物体，但其结构复杂且人体信号检测存在困难；
4.人机协同主导是指在人体运动能力较弱的情况下，利用人工智能或机器学习等方法，通过训练、调整和测试特定算法，创建机器学习模型，辅助人体完成想要的动作，但需要复杂的数学模型，设计成本较高；
5.目前的外骨骼占主导地位主要适用于穿戴者具有主观的运动意图，但却失去运动能力的情况，无法灵活应用于搬运重物的环境场所。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置，以克服现有技术中无法适用于搬运重物，灵活度低的问题。
7.一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置，包括动力装置、动力传输装置、支撑装置和穿戴装置；
8.穿戴装置包括穿戴背板以及固定于穿戴背板两侧的纵向背带，在穿戴背板的两端分别设置一个动力装置，每个动力装置通过动力传输装置连接一个支撑装置；
9.动力装置包括弹簧槽，弹簧槽的上端与穿戴背板一端固定连接，弹簧槽内设置有弹性元件，弹性元件的一端固定于弹簧槽的上端，弹簧槽的另一端固定有弹簧滑块，弹簧槽的下端安装有第一滑轮；
10.动力传输装置包括腿髋部连杆，腿髋部连杆的一端与弹簧槽下端铰接，腿髋部连杆上设置有第二滑轮；
11.支撑装置包括与腿髋部连杆下端转动连接腿髋连杆，腿髋连杆上设置有第三滑轮，腿髋连杆的设置有大腿连杆，大腿连杆上设置有大腿包裹装置，腿髋连杆上固定有传动绳，传动绳的一端固定于腿髋连杆上，另一端依次绕设第三滑轮、第二滑轮和第一滑轮后与弹簧滑块固定连接，传动绳绕设第三滑轮方向与腿髋连杆相对腿髋部连杆转动方向相反。
12.优选的，两个动力装置对称设置于穿戴背板的两端。
13.优选的，弹性元件上固定有多个弹簧滑块。
14.优选的，传动绳的一端通过卡扣固定于腿髋连杆上；传动绳的另一端依次绕设第三滑轮、第二滑轮和第一滑轮后，通过活动扣与弹簧滑块相连。
15.优选的，两个动力装置之间设置有后背背带。
16.优选的，第二滑轮设置于腿髋部连杆与弹簧槽铰接关节处。
17.优选的，第三滑轮设置于腿髋部连杆与腿髋连杆转动连接关节处。
18.优选的，腿髋连杆与大腿连杆通过合页连接。
19.优选的，大腿包裹装置采用绷带结构或者皮带环。
20.优选的，弹性元件采用拉簧。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
22.本发明一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置，利用穿戴装置对称设置两个动力装置，每个动力装置通过动力传输装置连接一个支撑装置，采用动力传输装置将与人体大腿部固定的支撑装置的弯曲转动变成动力装置的动力蓄力，当支撑装置的弯曲转动完成后完成蓄力的过程；此时弹性元件拖动活动锁扣，带动缠绕在定滑轮组上的传动绳，将拉力传输至腿髋连杆，腿髋连杆把力通过合页传递至大腿连杆，实现对人体的辅助搬运；为人体胯部提供辅助动力，本技术结构简单，辅助工人对重物进行搬运，能够避免因为长期的弯腰负重工作导致腰肌劳损，腰间盘突出等下背部疾病，并采用人体工程学对外骨骼进行结构设计使其满足人体运动的灵活性，利用弹性元件作为动力源，可以在降低装备质量和制造成本的前提下给工人的搬运提供助力。即不会给人的搬运带来新的负担，也可以向人提供不同程度的辅助效果，本技术结构简单，可以实现连续的搬运，不需要外部电源驱动。
23.优选的，将弹性元件的弹力传输至腿髋连杆，腿髋连杆与大腿连杆通过合页连接，实现人体在搬运过程中下肢外展、内收的动作，同时可将腿髋连杆提供的力传输至大腿连杆。
附图说明
24.图1为本发明实施例中下肢外骨骼装置示意图。
25.图2为本发明实施例中弹簧槽局部放大结构示意图。
26.图3为本发明实施例中穿戴背板结构示意图。
27.图4为本发明实施例中传动绳绕设结构示意图。
28.图5为本发明实施例中弹簧槽剖视图。
29.图中，1.大腿包裹装置，2.大腿连杆，3.腿髋连杆，4.腿髋部连杆，5.弹簧盖板，6.弹簧槽，7.纵向背带，8.穿戴背板，9.弹簧槽支撑板，10.弹簧滑块，11.第一滑轮，12.第二滑轮，13.合页。14.第三滑轮，15.后背背带，16.活动扣，17.传动绳，18.卡扣，19.弹性元件。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范
围。
31.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
32.本发明一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置，通过动力装置、连杆和滑轮组14，将弹簧的弹力传导至末端连杆，在下蹲时弹簧储能进行蓄力，起身时弹簧释放压力达到给人助力的效果，根据人体所需助力程度的不同，对可调弹簧滑块10进行调节，详细介绍如下：
33.如图1至图5所示，一种用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置，包括动力装置、动力传输装置、支撑装置和穿戴装置；
34.穿戴装置包括穿戴背板8以及固定于穿戴背板8两侧的纵向背带7，两个纵向背带7与穿戴背板8形成背包式背负结构，在穿戴背板8的两端分别设置一个动力装置，两个动力装置结构相同，对称设置于穿戴背板8的两端，每个动力装置通过动力传输装置连接一个支撑装置；
35.具体的，动力装置包括弹簧槽6，弹簧槽6的上端与穿戴背板8一端固定连接，弹簧槽6内设置有弹性元件19，弹性元件19的一端固定于弹簧槽6的上端，弹簧槽6的另一端固定有弹簧滑块10，弹簧槽6的下端安装有第一滑轮11；弹簧槽6上设有弹簧盖板5，用于日常维护保养，确保弹簧处于最佳工作状态。
36.动力传输装置包括腿髋部连杆4，腿髋部连杆4的一端与弹簧槽6下端铰接，腿髋部连杆4上设置有第二滑轮12；
37.支撑装置包括与腿髋部连杆4下端转动连接腿髋连杆3，腿髋连杆3上设置有第三滑轮14，腿髋连杆3的设置有大腿连杆2；大腿连杆2上设置有用于包裹固定于人体大腿部的大腿包裹装置1，腿髋连杆3上固定有传动绳17，传动绳17的一端固定于腿髋连杆3上，另一端依次绕设第三滑轮14、第二滑轮12和第一滑轮11后与弹簧滑块10固定连接，传动绳17绕设第三滑轮14方向与腿髋连杆3相对腿髋部连杆4转动方向相反，即，初始状态腿髋连杆3与腿髋部连杆4平行，腿髋连杆3相对腿髋部连杆4转动弯曲时，腿髋连杆3对传动绳17起到牵拉作用，弹性元件19安装在弹簧槽6内，弹性元件19上可设置多个弹簧滑块10，以适应不同程度的拉伸长度。
38.腿髋连杆3上设置有卡扣18，传动绳17的一端固定于卡扣18处，另一端缠绕第三滑轮14、第二滑轮12和第一滑轮11后，通过活动扣16与弹簧滑块10相连，将弹簧的弹力传输至末端连杆；根据不同规格的适用人群，可采用不同规格的穿戴背板8，穿戴背板8可设置成宽度可调结构；穿戴装置通过纵向背带7，将整体下肢外骨骼装置背在肩上，两个动力装置之间通过后背背带15连接，后背背带15用于固定臀部与下肢外骨骼。
39.弹簧槽6的上端固定有弹簧槽支撑板9，穿戴背板8与弹簧槽支撑板9焊接，实现穿戴背板8与弹簧槽6的可靠连接。
40.如图5所示，弹性元件19采用一端固定一端移动的方式布置，本技术在弹性元件19上设置3个弹簧滑块10，按照比例分别固定于弹簧的移动端至弹簧中段。弹簧滑块10上设置有吊耳，用于与活动扣16相连；弹性元件19具体采用拉簧。
41.如图5所示，弹簧槽6采用矩形槽结构，或者采用圆柱形结构；如图2所示，本技术弹簧槽6采用矩形槽结构，矩形槽结构内设置矩形弹簧块，矩形弹簧块的中心与弹性元件的轴心重合，每一个弹簧滑块10对应不同程度的拉力。弹簧槽6设置滑道，在受到拉力伸长的过程中，弹簧滑块10引导弹性元件沿轴心方向移动不会发生偏移。并在移动端设置限位装置，限制弹簧的最大可拉伸长度，保证下肢外骨骼在使用过程中不会产生范性形变影响使用。动力装置分别安装在穿戴背板8左右两侧，对应人的左右两条腿，分别对每条腿提供大小相等的辅助力。
42.根据不同的长度规格，第二滑轮12设置于腿髋部连杆4与弹簧槽6铰接关节处，第二滑轮12也可设置于腿髋部连杆4内部；第三滑轮14设置于腿髋部连杆4与腿髋连杆3转动连接关节处，第三滑轮14也可设置于腿髋连杆3内。
43.传动绳17的一端固定在腿髋连杆3处，通过一个带销孔的卡扣18紧固防止松脱，卡扣18也可以采用螺栓结构，用于将传动绳17的一端固定在腿髋连杆3上。
44.传动绳缠绕在第三滑轮14、第二滑轮12和第一滑轮11组成的滑轮组中，如图4所示，采用麻花状的缠绕方式保证传动过程中的稳定性。传动绳17的另一端与活动扣16相连并固定，将活动扣16与弹簧滑块10上的吊耳锁扣在一起，最终能够实现对弹簧弹力进行传输。
45.本技术采用多连杆串联的方式，实现人体在搬运过程中屈、伸的动作。能够实现在灵活转动的同时将力传输的作用，将弹性元件的弹力传输至腿髋连杆3。腿髋连杆3与大腿连杆2通过合页连接，实现人体在搬运过程中下肢外展、内收的动作，同时可将腿髋连杆3提供的力传输至大腿连杆2。
46.大腿包裹装置1采用绷带结构或者皮带环，用于将大腿连杆2与人体大腿部进行捆绑固定，能够实现快速的穿戴并提供稳定捆绑力。
47.人体把背带穿在身上，将外骨骼的质量通过纵向背带分摊至肩部及以下部位。纵向背带分别固定于两侧的弹簧槽，用于将下肢外骨骼的质量分摊于整体上肢，后背背带15将人体臀部与下肢外骨骼固定在一起，防止在搬运过程中出现偏移对人体产生损害。纵向背带7和后背背带15均采用宽度大且内含海绵的结构。大腿包裹装置1与人体大腿通过缠绕包裹在一起，并设计魔术贴便于穿脱。采用宽包裹的方式，一方面可以将力分散至大腿，另一方面防止在运动过程中脱离人体对人体产生损害。
48.本发明设计易于穿戴的人体下肢外骨骼，用于辅助人体对重物的搬运，能够有效降低人体患下背部疾病的概率，提高工作效率；下肢外骨骼采用弹性元件作为动力，一方面能够实现能量的转换，另一方面弹性元件有较轻的质量，能够降低整体装备的重量，不会给人体带来新的负担；本技术装置整体采用铝材制作，在保证整体结构强度的同时，减轻了装备的质量；采用铝材大大降低了材料的成本，能够满足普通工人对价格需求。
49.基于上述用于搬运的人体穿戴下肢外骨骼装置使用过程中具体工作流程，包括以下步骤：
50.a、人体下蹲搬重物：人体下蹲屈的过程大腿连杆2与腿髋连杆3转动连接处、腿髋
连杆3与腿髋连杆4转动连接处、腿髋连杆4与弹簧槽6转动连接处模拟人体髋关节转动，此时串联在连杆上的定滑轮组转动，同时拖动活动锁扣16拉动弹簧滑块10，使弹性元件进行拉伸蓄力，当下蹲屈完成后或者到达弹簧限位装置限位阻挡后，阻止弹性元件进一步拉伸，在保护人体的同时防止破坏弹性元件，最终完成蓄力的过程；人体在下蹲过程中连接大腿连杆2、腿髋连杆3的合页满足腿部外展的需求；
51.b、人体搬重物起身。弹性元件拉伸后受到反方向的作用力要完成收缩，此时弹性元件拖动活动锁扣16，带动缠绕在定滑轮组上的传动绳17，将拉力传输至腿髋连杆3，腿髋连杆3把力通过合页传递至大腿连杆2，实现对人体的辅助搬运；为人体胯部提供辅助动力。
52.本技术结构简单，辅助工人对重物进行搬运，能够避免因为长期的弯腰负重工作导致腰肌劳损，腰间盘突出等下背部疾病，并采用人体工程学对外骨骼进行结构设计使其满足人体运动的灵活性；利用弹性元件作为动力源，可以在降低装备质量和制造成本的前提下给工人的搬运提供助力。即不会给人的搬运带来新的负担，也可以向人提供不同程度的辅助效果，本技术结构简单，可以实现连续的搬运，不需要外部电源驱动。
53.使用力传感器作为检测装置，当显示辅助效果的力存在偏差时，通过调整背带及调节螺丝，可及时对外骨骼进行调整，使其适合人体的穿戴。在一定范围内可进行尺寸的调节以满足不同体型的人穿戴。
54.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。