CN107351067B - 面向手术应用的医生姿态保持助力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向手术应用的医生姿态保持助力系统，包括下肢支撑机构和上身悬吊机构，下肢支撑机构包括自下而上依次设置的脚掌支撑模块、小腿支撑模块、大腿支撑模块以及腰部支撑模块，上下相邻的两支撑模块可转动连接，其中一者设有制动盘、驱动装置、第一齿轮、制动块，另一者设有第二齿轮，第一，二齿轮相互啮合，其中一者的齿轮轴与旋转轴线同轴设置，上身悬吊机构包括支架，支架设有绳索收放装置和背部支撑模块。使用者穿戴此装置后，人体下肢需要运动时下肢支撑机构解锁，下肢支撑机构跟随人体下肢运动；人体下肢需要保持某一姿势时各关节锁定，为人体提供支撑，上身悬吊机构的姿态实现对人体上身的支撑，从而减少使用者的体能消耗。

Description

面向手术应用的医生姿态保持助力系统

技术领域

本发明属于姿态保持助力领域，具体涉及一种面向手术应用的医生姿态保持助力系统。

背景技术

目前，国内外针对外骨骼机器人的研究不断深化，但其使用对象大多是行走不便的老年人、有肢体运动障碍的患者或需要负重的人员，而针对医务人员的外骨骼助力设备却很少或几乎没有。

在功能方面，目前还没有一种助力系统能够实现人体需要运动时该系统跟随人体运动、人体需要保持某一姿势时该系统为人体提供支撑的功能。

在驱动方式上，现有的外骨骼设备大多依靠各关节的电机驱动、液压驱动或气压驱动实现各关节的主动运动，直接驱动外骨骼各关节运动时所需电机功率大，能耗高，如萨克斯公司研制的外骨骼XOS利用自带的电池只能使用40分钟。

医生在做手术时需要长时间保持某一姿势，一场手术完成后，往往医生都已筋疲力尽甚至无力站立。长此以往，会对医生的身体造成严重的损伤。因此，急需一种助力装置减少医生在手术过程中的体能消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向手术应用的医生姿态保持助力系统，使用者穿戴此装置后，人体下肢需要运动时下肢支撑机构解锁，下肢支撑机构跟随人体下肢运动；人体下肢需要保持某一姿势时各关节锁定，为人体提供支撑，上身悬吊机构的姿态实现对人体上身的支撑，从而减少使用者的体能消耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种面向手术应用的医生姿态保持助力系统，包括：

-下肢支撑机构，其包括自下而上依次设置的脚掌支撑模块、小腿支撑模块、大腿支撑模块以及腰部支撑模块，上下相邻的两支撑模块可转动连接，其中一者设有相对其可转动的制动盘、相对其固定的驱动装置、相对所述制动盘固定的第一齿轮、在所述驱动装置作用下制动或释放所述制动盘的制动块，另一者设有相对其固定的第二齿轮，所述第一，二齿轮相互啮合，其中一者的齿轮轴与其所对应上下相邻的两支撑模块的旋转轴线同轴设置；

-上身悬吊机构，其包括支架，所述支架设有相对其固定的绳索收放装置和悬挂于所述绳索收放装置的绳索上的背部支撑模块。

上述技术方案中，所述驱动装置沿竖直方向驱动连接有楔形块A，所述楔形块A沿水平方向驱动连接有楔形块B，所述制动块设于所述制动盘的一侧，所述制动块的一端可转动连接在其对应的支撑模块上，另一端固定连接在所述楔形块B上。

上述技术方案中，所述驱动装置包括电机，其动力输出端连接一丝杆，所述楔形块A旋移连接在所述丝杆上。

上述技术方案中，所述电机的输出端连接有减速器，所述减速器的动力输出端与所述丝杆的动力输入端通过带传动组件传动连接。

上述技术方案中，沿所述制动盘的水平径向对称设置两所述楔形块A和对称设置两所述楔形块B，两所述楔形块A相对固定形成一楔形架，所述驱动装置驱动连接所述楔形架，两所述楔形块A分别驱动连接两所述楔形块B。

上述技术方案中，所述腰部支撑模块设置为弧形板状的一个，所述脚掌支撑模块、小腿支撑模块以及大腿支撑模块均设置为平板状的两个且每一平板状模块的两个沿所述弧形板状模块的水平径向对称设置。

上述技术方案中，所述支架设有定滑轮，所述绳索绕过所述定滑轮。

上述技术方案中，所述背部支撑模块呈背心状。

上述技术方案中，还包括底盘机构，所述底盘机构为全向移动底盘。

上述技术方案中，所述底盘机构包括金属底板和四个麦克纳姆轮，所述四个麦克纳姆轮分别由四个电机单独驱动。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明公开的面向手术应用的医生姿态保持助力系统，能够减少手术医生或其他需要长期保持某一姿势的人员在工作过程中的体能消耗。穿戴者只需要输入简单的指令就可以控制整个系统的工作状态，既可以实现上身悬挂装置和下肢支撑机构紧密跟随人体做出多种动作，又可以实现系统保持静止为人体提供支撑从而减少穿戴者体能消耗的作用。

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，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明公开的面向手术应用的医生姿态保持助力系统的使用状态图。

图2是本发明公开的下肢支撑机构的结构示意图；

图3是本发明公开的上下相邻的两支撑模块的主视示意图；

图4是本发明公开的上下相邻的两支撑模块的侧视示意图；

图5是本发明公开的上身悬吊机构的结构示意图；

图6是本发明公开的底盘的结构示意图。

以上附图中，10、下肢支撑机构；11、脚掌支撑模块；12、小腿支撑模块；13、大腿支撑模块；14、腰部支撑模块；20、上身悬吊机构；21、支架；22、绳索收放装置；23、背部支撑模块；24、定滑轮；25、绳索；30、底盘机构；31、金属底盘；32、麦克纳姆轮；33、电机；100、关节；101、制动盘；102、驱动装置；103、第一齿轮；104、制动块；105、第二齿轮；106、楔形块A；107、楔形块B；108、丝杆；109、减速器；110-1、带轮；110-2、皮带；110-3、带轮；111、固定座；112、导向轴；113、导向轴支座；114、滑轨；115、螺母；116、连杆；117、固定销；118、行星轮系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

参见图1至图6，如其中的图例所示，一种面向手术应用的医生姿态保持助力系统，包括：

-下肢支撑机构10，其包括自下而上依次设置的脚掌支撑模块11、小腿支撑模块12、大腿支撑模块13以及腰部支撑模块14，上下相邻的两支撑模块可转动连接，其中一者设有相对其可转动的制动盘101、相对其固定的驱动装置102、相对制动盘101固定的第一齿轮103、在驱动装置102作用下制动或释放制动盘101的制动块104，另一者设有相对其固定的第二齿轮105，第一，二齿轮103，105相互啮合，其中一者的齿轮轴与其所对应上下相邻的两支撑模块的旋转轴线同轴设置；

-上身悬吊机构20，其包括支架21，支架21设有相对其固定的绳索收放装置22和悬挂于绳索收放装置22的绳索上的背部支撑模块23。

一种实施方式中，驱动装置102沿竖直方向驱动连接一楔形块A106，楔形块A106沿水平方向驱动连接一楔形块B107，制动块104设于制动盘101的一侧，制动块104的一端可转动连接在其对应的支撑模块上，另一端固定连接在楔形块B107上。

一种实施方式中，驱动装置102包括电机，其动力输出端连接一丝杆108，楔形块A106旋移连接在丝杆108上。

一种实施方式中，电机的输出端连接有减速器109，减速器109的动力输出端与丝杆108的动力输入端通过带传动组件传动连接。

一种实施方式中，沿制动盘101的水平径向对称设置两楔形块A106和对称设置两楔形块B107，两楔形块A106相对固定形成一楔形架，驱动装置102驱动连接楔形架，两楔形块A106分别驱动连接两楔形块B107。

一种实施方式中，腰部支撑模块14设置为弧形板状的一个，脚掌支撑模块11、小腿支撑模块12以及大腿支撑模块13均设置为平板状的两个且每一平板状模块的两个沿弧形板状模块的水平径向对称设置。

一种实施方式中，支架21设有定滑轮24，绳索绕过定滑轮24。

一种实施方式中，背部支撑模块23呈背心状。

一种实施方式中，还包括底盘机构30，底盘机构30为全向移动底盘。

一种实施方式中，底盘机构30包括金属底板31和四个麦克纳姆轮32，

四个麦克纳姆轮32分别由四个电机33单独驱动。

以小腿支撑模块12和大腿支撑模块13的连接为例，二者通过关节100连接，驱动装置102与减速器109通过螺钉固定在电机固定座111上，减速器109输出轴上连接带轮110-1，带轮110-1通过皮带110-2与带轮110-3构成带传动系统；工作时，小腿支撑模块12与大腿支撑模块13分别和穿戴者的小腿与大腿连接在一起，小腿支撑模块12与大腿支撑模块13跟随穿戴者下肢运动。

当穿戴者运动到某一位置，需要保持某一姿势时，控制系统控制驱动装置102正转，驱动装置102带动带传动系统正转，带轮110-3带动丝杆108正转，丝杆108通过一对面对面安装在楔形架轴承孔内的角接触球轴承与楔形架相对转动；导向轴112靠导向轴支座113固定在滑轨114上面，导向轴112限制楔形架只能在其轴向平移而不会转动；由于螺母115通过螺钉固定在滑轨114上，丝杆108转动时，螺母115与滑轨114几乎不会上下移动，丝杆108带动楔形架向下运动；楔形架两内侧面与两个楔形块B107斜面接触，楔形架向下运动的同时挤压两侧楔形块B107向滑轨114内运动；楔形块B107靠连接销与连杆116连接，楔形块B107与连杆116可以绕连接销相对转动；连杆116的另一端通过固定销117连接在大腿支撑模块13上，连杆116可以绕固定销117转动；制动块104靠螺栓固定在连杆116上；当两侧的楔形块B107向滑轨内运动时，带动两连杆116绕两固定销117向内侧旋转，两连杆106带动两制动块104压紧制动盘101，使制动盘101不再绕轴转动，实现制动；第一齿轮103通过螺钉固定在制动盘101上并与第二齿轮105啮合；制动后，第一齿轮103与第二齿轮105均无法转动；第二齿轮105靠平键连接在行星轮系118的输出轴上，行星轮系118外壳靠螺钉固定在小腿支撑模块12上；制动后，行星轮系118不能再转动，因此，小腿支撑模块12与大腿支撑模块113无法再相对转动。制动后，驱动装置102断电，整个关节靠丝杆螺母副的自锁性能实现自锁。

当穿戴者需要运动或改变姿势时，控制系统控制驱动装置102反转，驱动装置102通过丝杆螺母副带动楔形架向上运动，楔形块B107带动连杆116与制动块104向外侧打开，制动盘101不再受挤压作用，成自由状态，此时驱动装置102停止转动，第一齿轮103与第二齿轮105均可以绕其各自的轴转动，整个关节可以跟随穿戴者下肢运动。

制动盘101侧面设置有梯形槽，制动块104内侧面是梯形凸起结构，制动盘101与制动块104靠梯形结构相互接触时的摩擦力实现制动。

第二齿轮105与第一齿轮103传动比为1:2，行星轮系118增速比为1:4，整个关节增速比为1:8。

支架21通过固定座24固定在底盘机构30上。支架21由铝合金型材搭建而成，支架21顶部设置了六个定滑轮24，定滑轮24靠螺栓固定在型材上。背部支撑模块23靠四根绳索25悬吊在支架21上，其中两根绳索连接到背部支撑模块23的肩带上，另外两根绳索连接到背部支撑模块23的腰部；绳索25通过定滑轮24连接到绳索收放装置22。工作时，穿戴者穿上背部支撑模块23，当穿戴者需要运动或改变姿势时，绳索收放装置22处于运行状态，随穿戴者的运动变化不断改变绳索25的长度，以适应穿戴者的姿态；当穿戴者需要保持某一固定姿势时，绳索收放装置22处于锁死状态，绳索25不再改变长度，背部支撑模块23的姿态不再变化，穿戴者靠上身悬吊机构20的悬吊力保持固定姿势并减少自身的体能支出。

全向移动底盘最大移动速度1.2m/s。使用者只需输入简单的指令就可以实现全向移动底盘在任意方向的运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向手术应用的医生姿态保持助力系统，其特征在于，包括：

-下肢支撑机构，其包括自下而上依次设置的脚掌支撑模块、小腿支撑模块、大腿支撑模块以及腰部支撑模块，上下相邻的两支撑模块可转动连接，其中一者设有相对其可转动的制动盘、相对其固定的驱动装置、相对所述制动盘固定的第一齿轮、在所述驱动装置作用下制动或释放所述制动盘的制动块，另一者设有相对其固定的第二齿轮，所述第一、二齿轮相互啮合，其中一者的齿轮轴与其所对应上下相邻的两支撑模块的旋转轴线同轴设置，所述第二齿轮连接在一行星轮系的输出轴上，所述行星轮系外壳固定在所述小腿支撑模块；

-上身悬吊机构，其包括支架，所述支架设有相对其固定的绳索收放装置和悬挂于所述绳索收放装置的绳索上的背部支撑模块；

所述驱动装置沿竖直方向驱动连接有楔形块A，所述楔形块A沿水平方向驱动连接有楔形块B，所述制动块设于所述制动盘的一侧，所述制动块的一端可转动连接在其对应的支撑模块上，另一端固定连接在所述楔形块B上；

所述驱动装置包括电机，其动力输出端连接一丝杆，所述楔形块A旋移连接在所述丝杆上；

所述电机的输出端连接有减速器，所述减速器的动力输出端与所述丝杆的动力输入端通过带传动组件传动连接；

沿所述制动盘的水平径向对称设置两所述楔形块A和对称设置两所述楔形块B，两所述楔形块A相对固定形成一楔形架，所述驱动装置驱动连接所述楔形架，两所述楔形块A分别驱动连接两所述楔形块B；

所述腰部支撑模块设置为弧形板状的一个，所述脚掌支撑模块、小腿支撑模块以及大腿支撑模块均设置为平板状的两个且每一平板状模块的两个沿所述腰部支撑模块的弧形板的水平径向对称设置。

2.根据权利要求1所述的面向手术应用的医生姿态保持助力系统，其特征在于，所述支架设有定滑轮，所述绳索绕过所述定滑轮。

3.根据权利要求1所述的面向手术应用的医生姿态保持助力系统，其特征在于，所述背部支撑模块呈背心状。

4.根据权利要求1所述的面向手术应用的医生姿态保持助力系统，其特征在于，还包括底盘机构，所述底盘机构为全向移动底盘。

5.根据权利要求4所述的面向手术应用的医生姿态保持助力系统，其特征在于，所述底盘机构包括金属底板和四个麦克纳姆轮，所述四个麦克纳姆轮分别由四个电机单独驱动。