基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼及其控制方法，该搬运外骨骼主要是由三个部分组成，即：仿生脊柱单元，绳驱动单元和人机接触单元。人机接触单元用于搬运外骨骼在人体上的连接固定，绳驱动单元则用于给仿生脊柱单元提供由弯曲状态恢复至垂直状态的辅助动力，仿生脊椎单元由多个仿生椎骨折纸机构依次毗邻串接而成。该仿生外骨骼通过绳驱动进行拉力控制，使外骨骼能够有效的进行背部助力，减少搬运工人的脊柱负荷，减少腰部损伤，保护腰椎健康；外骨骼具备多自由度，不限制穿戴者的自然运动，可支持多种搬运姿势，能够提高外骨骼的灵活性、舒适性、多功能性；且该外骨骼质量轻，结构简单，使用方便。使用方便。使用方便。

【技术实现步骤摘要】
基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼及其控制方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼机器人
，特别是涉及一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼及其控制方法。

技术介绍

[0002]人工搬运任务在工业环境下非常的普遍。例如：航空航天制造，物流，医疗保健，食品，偏远地区、建筑工地、农业、物料运输等。在这样的环境下，搬运人员不得不重复抬起、弯曲和扭动背部这些工作。但是频繁和高负荷的人工搬运工作会导致工人的腰椎产生巨大的压迫力和剪切力，尤其是L5/S1的区域，从而导致搬运工人的患有腰痛，严重的会导致残疾。所以，搬运动作已经是导致腰背痛(LBP)最突出的影响因素之一。随着工业4.0和智能制造的快速发展，在工业环境下，大量引入工业机器人、机械臂、叉车等工具。通过机器解决了很多人力问题。尽管叉车起重机等设备的引入，解决了空旷环境下的远距离运输问题，但是在空间狭小、近距离的运输情况下，这些设备就不能起到很好的作用。由于人工搬运动作主要是损伤人的腰部，所以要想降低搬运工人的肌肉骨骼疾病的发病率，那么就需要设计一种装置降低搬运过程中，人体腰部受到压力与剪切力，这样可以有效的解决人体腰部损伤的问题。可穿戴式搬运外骨骼就可以解决以上问题。
[0003]目前，可穿戴外骨骼可分为两种，分别为被动与主动。被动式搬运外骨骼主要原理是通过弹性元件将人弯腰时的重力势能储存起来，并在直立过程中将弹性势能进行释放，从而起到助力的作用。这一类的研究主要是通过不同的储能元件进行外骨骼的设计。这些外骨骼虽然有体积与质量的优势，但是缺点也很明显：其提供的力矩辅助主要受到材料的影响，而且对辅助力的控制难以调节，还受搬运姿势的影响。此外，大多数被动外骨骼都限制了人体的腰部的运动，以上这些外骨骼只能实现腰部1个旋转自由度(即：躯干的屈曲与伸展)，弹性元件引起额外的载荷来限制运动范围，从而限制穿戴者的正常运动。另一种是主动式搬运外骨骼。该外骨骼主要是通过主动式电子元器件提供辅助力/力矩。其中主要的动力来源是直流电机直接驱动。这些主动式外骨骼主要是刚性的，虽然可以提供可控的辅助力/力矩，但是这些外骨骼的自身重量往往较大。此外这些外骨骼在人体腰部的1个旋转自由度提供主动助力，限制了腰部的其他自由度。人体脊柱一共26个脊骨组成，设计的外骨骼不能只有一个自由度。在提升过程中对身体自由度的过度限制可能会导致额外的侧向力和身体扭曲，增加腰椎压缩。以上这些外骨骼，对于穿戴者腰部只能提供一个助力自由度，即：屈曲与伸展。只是满足简单搬运和行走动作，并没有做到与人体腰部运动进行很好的贴合，没有解决穿戴的舒适性和灵活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：为了解决的以上外骨骼在人体上灵活性、舒适性、多功能性、质量、搬运重量等综合问题，受仿生产物的影响，本专利技术设计了一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼。该仿生骨骼可以通过绳驱动进行拉力控制，使外骨骼能够
有效的进行背部助力，减少搬运工人的脊柱负荷，减少腰部损伤，保护腰椎健康，同时，外骨骼由于多自由度，所以不限制穿戴者的自然运动，从而支持多种搬运姿势，能够提高外骨骼的灵活性、舒适性、多功能性。而且该外骨骼质量轻，通过折纸机构做到结构简单，质量轻等优点。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：
[0006]一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼，包括通过肩部绑带固定于人体脊背处的背部支撑板、通过腰部绑带固定于人体腰部的腰部支撑板、固定于人体背部并位于背部支撑板和腰部支撑板之间的背部绑带，所述背部绑带的表面设置有由多个仿生椎骨折纸机构依次毗邻构成的仿生脊椎单元，位于最上端的仿生椎骨折纸机构的顶部固定连接于背部支撑板的表面底端，且该仿生椎骨折纸机构的顶部的顶端固定设置有拉力传感器，位于最下端的仿生椎骨折纸机构的底部固定连接于腰部支撑板的表面顶端；
[0007]所述背部支撑板的表面固定设置有惯性测量单元，所述肩部绑带的表面固定设置有肩部锚点块，肩部锚点块与拉力传感器顶部输入端通过拉力绳连接；
[0008]所述腰部支撑板的表面分别固定设置有绳驱动滑轮组、位于绳驱动滑轮组一侧的驱动电机和位于绳驱动滑轮组另一侧的电池组，所述驱动电机的输出端固定连接有收线盘，所述收线盘上卷绕有钢丝绳，所述钢丝绳的另一端经绳驱动滑轮组缠绕导向后依次穿过各个仿生椎骨折纸机构并与拉力传感器的底部输入端连接；
[0009]还包括控制器和智能手套，所述控制器分别与拉力传感器和惯性测量单元、驱动电机和电池组电连接，并与智能手套无线连接。
[0010]进一步的，所述仿生椎骨折纸机构包括顶板和底板，所述顶板的前侧端和底板的前侧端之间连接有被动弹簧，所述顶板的左、右两端分别转动连接有第一圆弧板和第二圆弧板；
[0011]所述第一圆弧板的内壁前端和后端分别一体设置有均向右下方倾斜设置的左上前延伸杆和左上后延伸杆，所述左上前延伸杆上转动连接有向后下方倾斜设置的左上前折纸连杆，所述左上后延伸杆上转动连接有向前下方倾斜设置的左上后折纸连杆，所述第二圆弧板的内壁前端和后端分别一体设置有均向左下方倾斜设置的右上前延伸杆和右上后延伸杆，所述右上前延伸杆上转动连接有向后下方倾斜设置的右上前折纸连杆，所述右上后延伸杆上转动连接有向前下方倾斜设置的右上后折纸连杆；
[0012]所述底板的左、右两端分别转动连接有第三圆弧板和第四圆弧板，所述第三圆弧板的内壁前端和后端分别一体设置有均向右上方倾斜设置的左下前延伸杆和左下后延伸杆，所述左下前延伸杆上转动连接有向后上方倾斜设置的左下前折纸连杆，所述左下后延伸杆上转动连接有向前上方倾斜设置的左下后折纸连杆，所述第四圆弧板的内壁前端和后端分别一体设置有均向左上方倾斜设置的右下前延伸杆和右下后延伸杆，所述右下前延伸杆上转动连接有向后上方倾斜设置的右下前折纸连杆，所述右下后延伸杆上转动连接有向前上方倾斜设置的右下后折纸连杆；
[0013]所述左上前折纸连杆的杆端与左下前折纸连杆的杆端通过左前约束螺栓轴转动连接，所述左上后折纸连杆的杆端与左下后折纸连杆的杆端通过左后约束螺栓轴转动连接，所述左前约束螺栓轴的端部与左后约束螺栓轴的端部之间通过一个约束弹簧连接；
[0014]所述右上前折纸连杆的杆端与右下前折纸连杆的杆端通过右前约束螺栓轴转动
连接，所述右上后折纸连杆的杆端与右下后折纸连杆的杆端通过右后约束螺栓轴转动连接，所述右前约束螺栓轴的端部与右后约束螺栓轴的端部通过另一个约束弹簧连接。
[0015]进一步的，所述第一圆弧板的底面和第三圆弧板的底面前半侧均为平面、后半侧均为向后上方倾斜设置的圆弧面，所述第二圆弧板的底面和第四圆弧板的顶面前半侧均为平面、后半侧均为向后下方倾斜设置的圆弧面。
[0016]进一步的，所述第一圆弧板的底面、第三圆弧板的底面、第二圆弧板的顶面和第四圆弧板的顶面均固定设置有硅胶软垫。
[0017]进一步的，所述顶板的底面两侧分别固定设置有与第一圆弧板的顶端和第三圆弧板的顶端对应活动接触的方形硅胶软垫，所述底本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼，包括通过肩部绑带(1)固定于人体脊背处的背部支撑板(2)、通过腰部绑带(3)固定于人体腰部的腰部支撑板(4)、固定于人体背部并位于背部支撑板(2)和腰部支撑板(4)之间的背部绑带(5)，其特征在于：所述背部绑带(5)的表面设置有由多个仿生椎骨折纸机构(6)依次毗邻构成的仿生脊椎单元，位于最上端的仿生椎骨折纸机构(6)的顶部固定连接于背部支撑板(2)的表面底端，且该仿生椎骨折纸机构(6)的顶部的顶端固定设置有拉力传感器(7)，位于最下端的仿生椎骨折纸机构(6)的底部固定连接于腰部支撑板(4)的表面顶端；所述背部支撑板(2)的表面固定设置有惯性测量单元(8)，所述肩部绑带(1)的表面固定设置有肩部锚点块(9)，肩部锚点块(9)与拉力传感器(7)的顶部输入端通过拉力绳(10)连接；所述腰部支撑板(4)的表面分别固定设置有绳驱动滑轮组(11)、位于绳驱动滑轮组(11)一侧的驱动电机(12)和位于绳驱动滑轮组(11)另一侧的电池组(13)，所述驱动电机(12)的输出端固定连接有收线盘(14)，所述收线盘(14)上卷绕有钢丝绳(15)，所述钢丝绳(15)的另一端经绳驱动滑轮组(11)缠绕导向后依次穿过各个仿生椎骨折纸机构(6)并与拉力传感器(7)的底部输入端连接；还包括控制器(16)和智能手套(17)，所述控制器(16)分别与拉力传感器(7)和惯性测量单元(8)、驱动电机(12)和电池组(13)电连接，并与智能手套(17)无线连接。2.根据权利要求1所述的一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼，其特征在于：所述仿生椎骨折纸机构(6)包括顶板(605)和底板(606)，所述顶板(605)的前侧端和底板(606)的前侧端之间连接有被动弹簧(620)，所述顶板(605)的左、右两端分别转动连接有第一圆弧板(601)和第二圆弧板(602)；所述第一圆弧板(601)的内壁前端和后端分别一体设置有均向右下方倾斜设置的左上前延伸杆和左上后延伸杆，所述左上前延伸杆上转动连接有向后下方倾斜设置的左上前折纸连杆(607)，所述左上后延伸杆上转动连接有向前下方倾斜设置的左上后折纸连杆(608)，所述第二圆弧板(602)的内壁前端和后端分别一体设置有均向左下方倾斜设置的右上前延伸杆和右上后延伸杆，所述右上前延伸杆上转动连接有向后下方倾斜设置的右上前折纸连杆(609)，所述右上后延伸杆上转动连接有向前下方倾斜设置的右上后折纸连杆(610)；所述底板(606)的左、右两端分别转动连接有第三圆弧板(603)和第四圆弧板(604)，所述第三圆弧板(603)的内壁前端和后端分别一体设置有均向右上方倾斜设置的左下前延伸杆和左下后延伸杆，所述左下前延伸杆上转动连接有向后上方倾斜设置的左下前折纸连杆(611)，所述左下后延伸杆上转动连接有向前上方倾斜设置的左下后折纸连杆(612)，所述第四圆弧板(604)的内壁前端和后端分别一体设置有均向左上方倾斜设置的右下前延伸杆和右下后延伸杆，所述右下前延伸杆上转动连接有向后上方倾斜设置的右下前折纸连杆(613)，所述右下后延伸杆上转动连接有向前上方倾斜设置的右下后折纸连杆(614)；所述左上前折纸连杆(607)的杆端与左下前折纸连杆(611)的杆端通过左前约束螺栓轴(615)转动连接，所述左上后折纸连杆(608)的杆端与左下后折纸连杆(612)的杆端通过左后约束螺栓轴(616)转动连接，所述左前约束螺栓轴(615)的端部与左后约束螺栓轴(616)的端部之间通过一个约束弹簧(617)连接；
所述右上前折纸连杆(609)的杆端与右下前折纸连杆(613)的杆端通过右前约束螺栓轴(618)转动连接，所述右上后折纸连杆(610)的杆端与右下后折纸连杆(614)的杆端通过右后约束螺栓轴(619)转动连接，所述右前约束螺栓轴(618)的端部与右后约束螺栓轴(619)的端部通过另一个约束弹簧(617)连接。3.根据权利要求2所述的一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼，其特征在于：所述第一圆弧板(601)的底面和第三圆弧板(603)的底面前半侧均为平面、后半侧均为向后上方倾斜设置的圆弧面，所述第二圆弧板(602)的底面和第四圆弧板(604)的顶面前半侧均为平面、后半侧均为向后下方倾斜设置的圆弧面。4.根据权利要求3所述的一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼，其特征在于：所述第一圆弧板(601)的底面、第三圆弧板(603)的顶面、第二圆弧板(602)的底面和第四圆弧板(604)的顶面均固定设置有硅胶软垫(621)。5.根据权利要求2所述的一种基于折纸机构的仿生脊椎腰部搬运外骨骼，其特征在于：所述顶板(605)的底面两侧分别固定设置有与第一圆弧板(601)的顶端和第三圆弧板(603)的顶端对应活动接触的方形硅胶软垫(622)，所述底板(606)的顶面两侧分别固定设置有与第二圆弧板(602)和第四圆弧板(604)的底端对应活动接触的方形硅胶软垫(622)。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，倪想，史晨璞，谈家梁，周斌，訾斌，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：