CN107127736B - 一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及外骨骼技术领域，公开了一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，包括腰髋架(1)、髋关节部件(2)和大腿支架(3)，腰髋架(1)包括背部支架(11)、腰部支架(12)和与腰部支架(12)相连的第一支架(13)，第一支架(13)上设有髋关节部件(2)，大腿支架(3)包括第二支架(31)和垫板(32)，第二支架(31)和垫板(32)之间设有角度调整件(33)；背部支架(11)设有长度调节装置(14)。本发明主要功能是增强人体腰部及大腿的运动能力，通过绑带与人体腰部及大腿固定在一起，依靠设备带来的外助力带动人体腰部及大腿运动，佩戴者使用较小的力即可完成所要完成的动作，减轻了人体相应部位的负担。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼技术领域，尤其涉及了一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置。
背景技术
随着人口老龄化的加剧，劳动力老龄化越来越严重，外出务工也造成老人独居情况越来越多，同时社会上也有大量的腰椎疾病患者。老人及患有腰椎疾病的人群在日常工作和生活中会因为腰椎无法负重而无法独立工作和生活，为了使老人及患有腰椎疾病的人群可以更好的参与工作、更方便的生活，现在急需一款设备可以增强腰椎负重能力。
发明内容
本发明针对现有的问题，提供了一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，包括腰髋架、髋关节部件和大腿支架，腰髋架包括背部支架、腰部支架和与腰部支架相连的第一支架，第一支架上设有髋关节部件，大腿支架包括第二支架和垫板，第二支架和垫板之间设有角度调整件；背部支架设有长度调节装置。
本发明主要功能是增强人体腰部及大腿的运动能力。本发明通过绑带与人体腰部及大腿固定在一起，依靠设备带来的外助力带动人体腰部及大腿运动，佩戴者使用较小的力即可完成所要完成的动作，减轻了人体相应部位的负担。
髋关节部件包括旋转轴，旋转轴垂直于第一支架，本发明模拟模拟两个髋关节的自由度，电机轴的自由度可以允许和辅助大腿屈伸，完成走路、弯腰、抬腰等动作，旋转片和第二支架31之间的铰链机构可以允许大腿外展和内敛。
实际使用过程中，由于穿戴的精度、人体的柔软特性等影响，不可避免的在负载时设备第二支架无法始终与大腿保持平行运动，如第二支架与垫板之间无法活动，则垫板与人体大腿之间的接触将变成线接触，受力面积极小，将对人造成疼痛感，甚至伤害人体。本发明通过第二支架和垫板之间设有角度调整件，形成旋转自由度，该旋转自由度使设备前半腿与人体大腿间的接触为柔性连接，可以保证人体大腿与设备的受力面为整个垫板平面而不是垫板的一条边，从而大大减小人体大腿受力面的压强，减小压迫感。
本发明腰髋架宽度可以调节，以适应不同的体型的人群。当需要调节设备腰髋架尺寸时，只要调节长度调节装置即可。
作为优选，背部支架还包括左右两侧分别设有的背侧支架，两个背侧支架通过长度调节装置连接。
作为优选，长度调节装置包括压板、连接板和凸轮手柄，压板设有凹槽，凹槽内由内到外依次设有背侧支架、连接板，背侧支架设有调节槽，连接板设有通孔，凸轮手柄穿过通孔和调节槽与压板连接。本发明腰髋架宽度可以调节，以适应不同的体型的人群。腰髋架分左右两部分(即两个背侧支架)，中间有连接板连接，并分别通过一对压板和凸轮手柄组成的压紧机构固定。背侧支架和连接板同时置于压板和凸轮手柄之间，压板设有凹槽，凹槽中间凹陷、两边凸起，凹陷处正好与背侧支架和连接板同宽，背侧支架和连接板与压板凹陷处契合，背侧支架紧挨连接板，背侧支架上有调节槽，连接板上有小孔，凸轮手柄的螺柱穿过连接板的小孔及背侧支架的调节槽与压板螺纹链接，连接好后按下凸轮手柄，利用凸轮手柄的特性使腰髋架和连接板之间产生较大压力和摩擦力，使二者牢牢固定在一起，无法相对滑动，同时由于腰髋架和连接板契合于压板凹槽内，压板两边凸起可防止背侧支架和连接板发生相对转动。当需要调节设备腰髋架尺寸时，只要松开凸轮手柄，将腰髋架背侧支架和连接板调整到合适的位置，再固定凸轮手柄即可。
作为优选，长度调节装置包括压板、连接板和凸轮手柄，压板设有凹槽，凹槽内由内到外依次设有连接板背侧支架，背侧支架设有调节槽，连接板设有通孔，凸轮手柄穿过调节槽和通孔与压板连接。作为优选，角度调整件为铰链。本发明垫板与人体大腿贴合，垫板和第二支架间采用铰链机构铰接，垫板可通过铰链相对第二支架转动，在设备运行过程中，垫板可不受第二支架与大腿不平行运动的影响，始终与大腿贴合，保持较大的接触面积，使用者穿戴时将不会有疼痛感。
作为优选，髋关节部件包括转轴和旋转片，第一支架与旋转片通过转轴连接，旋转片和第二支架通过铰链连接。本发明通过旋转片和第二支架通过铰链连接、第二支架和垫板之间设有角度调整件，形成旋转自由度，该旋转自由度使设备前半腿与人体大腿间的接触为柔性连接，可以保证人体大腿与设备的受力面为整个垫板平面而不是垫板的一条边，从而大大减小人体大腿受力面的压强，减小压迫感。
作为优选，大腿支架包括左腿架和右腿架。
作为优选，还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器，与髋关节部件连接的减速箱，与减速箱同轴连接的电机。腰髋架两侧分别设有两台减速箱，两台减速箱分别与第一支架连接，模拟人体髋关节旋转自由度，该自由度可以允许抬腿、放腿以及弯腰、起身等动作。
作为优选，还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计，腰髋架、垫板与人体接触位置均设有压力传感器，压力传感器用于感知人体与设备间的压力变化；电机上设有位置传感器，位置传感器与电机驱动器相连，位置传感器用来检测电机转动的角度和速度；加速度计分别设于腰髋架、垫板与人体接触处，位置加速度计用来检测人体运动的加速度。
作为优选，还设有绑带，腰髋架通过绑带固定在人体的腰部，垫板分别通过绑带固定在人体两侧大腿上；绑带与人体接触位置设有压力传感器。
作为优选，还包括中央处理系统，中央处理系统与压力传感器相连，中央处理系统接收压力传感器时传回的信号数据；中央处理系统与加速度计和电机驱动器相连，中央处理器给电机驱动器输出指令，控制电机工作。中央处理系统包括中央处理器、芯片、电容、电阻、电感和开关。
本发明通过绑带与人体腰部及大腿固定在一起，骨骼系统与人体接触部位均有压力传感器以及加速度计，当人的大腿或腰部有移动意愿时，只要人体轻微移动(或肌肉收缩)即可造成压力传感器压力值发生变化，人体发生的轻微移动也会使加速度计产生新的数值，这些变化和数值转化成信号迅速传输给中央处理系统，中央处理系统通过特殊算法控制动力系统带动骨骼系统运动，从而带动人体腰部及大腿运动。依靠设备带来的额外助力，人体可以使用较小的力即可完成所要完成的动作，减轻了人体相应部位的负担。
作为优选，动力系统还包括电池包，电池包与中央控制系统和电机驱动器连接。电池包与中央控制系统和电机驱动器连接，为整套设备提供电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明主要功能是增强人体腰部及大腿的运动能力。本发明通过绑带与人体腰部及大腿固定在一起，依靠设备带来的外助力带动人体腰部及大腿运动，佩戴者使用较小的力即可完成所要完成的动作，减轻了人体相应部位的负担。
本发明通过第二支架和垫板之间设有角度调整件，形成旋转自由度，该旋转自由度使设备前半腿与人体大腿间的接触为柔性连接，可以保证人体大腿与设备的受力面为整个垫板平面而不是垫板的一条边，从而大大减小人体大腿受力面的压强，减小压迫感。
本发明腰髋架宽度可以调节，以适应不同的体型的人群。当需要调节设备腰髋架尺寸时，只要调节长度调节装置即可。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的侧视图。
图3是动力系统的位置示意图。
图4是图3的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-2所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
实施例2
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-2所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33。背部支架11还包括左右两侧分别设有的背侧支架111，两个背侧支架111通过长度调节装置14连接。
实施例3
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-2所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33。
背部支架11还包括左右两侧分别设有的背侧支架111，两个背侧支架111通过长度调节装置14连接。长度调节装置14包括压板141、连接板142和凸轮手柄143，压板141设有凹槽，凹槽内由内到外依次设有背侧支架111、连接板142，背侧支架111设有调节槽1111，连接板142设有通孔，凸轮手柄143穿过通孔和调节槽1111与压板141连接。
实施例4
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33。背部支架11还包括左右两侧分别设有的背侧支架111，两个背侧支架111通过长度调节装置14连接。
长度调节装置14包括压板141、连接板142和凸轮手柄143，压板141设有凹槽，凹槽内由内到外依次设有连接板142、背侧支架111，背侧支架111设有调节槽1111，连接板142设有通孔，凸轮手柄143穿过调节槽1111和通孔与压板141连接。
实施例5
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-2所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33，角度调整件33为铰链。背部支架11设有长度调节装置14。
实施例6
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-2所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
髋关节部件2包括转轴21和旋转片22，第一支架13与旋转片22通过转轴21连接，旋转片22和第二支架31通过铰链连接。
实施例7
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-4所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器6，与髋关节部件连接的减速箱4，与减速箱4同轴连接的电机5。
实施例8
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-4所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器6，与髋关节部件连接的减速箱4，与减速箱4同轴连接的电机5。还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计，腰髋架1、垫板32与人体接触位置均设有压力传感器，压力传感器用于感知人体与设备间的压力变化；电机5上设有位置传感器，位置传感器与电机驱动器相连，位置传感器用来检测电机5转动的角度和速度；加速度计分别设于腰髋架1、垫板2与人体接触处，位置加速度计用来检测人体运动的加速度。
实施例9
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-4所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器6，与髋关节部件连接的减速箱4，与减速箱4同轴连接的电机5。
还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计，腰髋架1、垫板32与人体接触位置均设有压力传感器，压力传感器用于感知人体与设备间的压力变化；电机5上设有位置传感器，位置传感器与电机驱动器相连，位置传感器用来检测电机5转动的角度和速度；加速度计分别设于腰髋架1、垫板2与人体接触处，位置加速度计用来检测人体运动的加速度。
还设有绑带，腰髋架1通过绑带固定在人体的腰部，垫板2分别通过绑带固定在人体两侧大腿上；绑带与人体接触位置设有压力传感器。
实施例10
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-4所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器6，与髋关节部件连接的减速箱4，与减速箱4同轴连接的电机5。
还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计，腰髋架1、垫板32与人体接触位置均设有压力传感器，压力传感器用于感知人体与设备间的压力变化；电机5上设有位置传感器，位置传感器与电机驱动器相连，位置传感器用来检测电机5转动的角度和速度；加速度计分别设于腰髋架1、垫板2与人体接触处，位置加速度计用来检测人体运动的加速度。
还包括中央处理系统，中央处理系统与压力传感器相连，中央处理系统接收压力传感器实时传回的信号数据；中央处理系统与加速度计和电机驱动器相连，中央处理器给电机驱动器输出指令，控制电机5工作。
实施例11
一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，如图1-4所示，包括腰髋架1、髋关节部件2和大腿支架3，腰髋架1包括背部支架11、腰部支架12和与腰部支架12相连的第一支架13，第一支架13上设有髋关节部件2，大腿支架3包括第二支架31和垫板32，第二支架31和垫板32之间设有角度调整件33；背部支架11设有长度调节装置14。
还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器6，与髋关节部件连接的减速箱4，与减速箱4同轴连接的电机5。动力系统还包括电池包7，电池包7与中央控制系统连接。
还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计，腰髋架1、垫板32与人体接触位置均设有压力传感器，压力传感器用于感知人体与设备间的压力变化；电机5上设有位置传感器，位置传感器与电机驱动器相连，位置传感器用来检测电机5转动的角度和速度；加速度计分别设于腰髋架1、垫板2与人体接触处，位置加速度计用来检测人体运动的加速度。
还包括中央处理系统，中央处理系统与压力传感器相连，中央处理系统接收压力传感器实时传回的信号数据；中央处理系统与加速度计和电机驱动器相连，中央处理器给电机驱动器输出指令，控制电机5工作。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，其特征在于：包括腰髋架(1)、髋关节部件(2)和大腿支架(3)，腰髋架(1)包括背部支架(11)、腰部支架(12)和与腰部支架(12)相连的第一支架(13)，第一支架(13)上设有髋关节部件(2)，大腿支架(3)包括第二支架(31)和垫板(32)，第二支架(31)和垫板(32)之间设有角度调整件(33)；背部支架(11)设有长度调节装置(14)；
髋关节部件(2)包括转轴(21)和旋转片(22)，第一支架(13)与旋转片(22)通过转轴(21)连接，旋转片(22)和第二支架(31)通过铰链连接；
还包括动力系统，动力系统包括电机驱动器(6)，与髋关节部件连接的减速箱(4)，与减速箱(4)同轴连接的电机(5)；
还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计，腰髋架(1)、垫板(32)与人体接触位置均设有压力传感器，压力传感器用于感知人体与设备间的压力变化；电机(5)上设有位置传感器，位置传感器与电机驱动器相连，位置传感器用来检测电机(5)转动的角度和速度；加速度计分别设于腰髋架(1)、垫板(2)与人体接触处，位置加速度计用来检测人体运动的加速度；
还包括中央处理系统，中央处理系统与压力传感器相连，中央处理系统接收压力传感器实时传回的信号数据；中央处理系统与加速度计和电机驱动器相连，中央处理器给电机驱动器输出指令，控制电机(5)工作。
2.根据权利要求1所述的具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，其特征在于：背部支架(11)还包括左右两侧分别设有的背侧支架(111)，两个背侧支架(111)通过长度调节装置(14)连接。
3.根据权利要求2所述的具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，其特征在于：长度调节装置(14)包括压板(141)、连接板(142)和凸轮手柄(143)，压板(141)设有凹槽，凹槽内由内到外依次设有背侧支架(111)、连接板(142)，背侧支架(111)设有调节槽(1111)，连接板(142)设有通孔，凸轮手柄(143)穿过通孔和调节槽(1111)与压板(141)连接。
4.根据权利要求2所述的具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，其特征在于：长度调节装置(14)包括压板(141)、连接板(142)和凸轮手柄(143)，压板(141)设有凹槽，凹槽内由内到外依次设有连接板(142)、背侧支架(111)，背侧支架(111)设有调节槽(1111)，连接板(142)设有通孔，凸轮手柄(143)穿过调节槽(1111)和通孔与压板(141)连接。
5.根据权利要求1所述的具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，其特征在于：角度调整件(33)为铰链。
6.根据权利要求1所述的具有人体髋部助力功能的外骨骼装置，其特征在于：还设有绑带，腰髋架(1)通过绑带固定在人体的腰部，垫板(2)分别通过绑带固定在人体两侧大腿上；绑带与人体接触位置设有压力传感器。
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