一种分段助力的仿生脊柱腰部搬运外骨骼装置

本发明属于仿生外骨骼领域，具体涉及一种分段助力的仿生脊柱腰部搬运外骨骼装置。

背景技术：

1、人工搬运广泛存在于航空航天制造、物流运输、建筑施工、农业生产、医疗及食品加工等场景，作业过程中频繁的躯干屈伸和负载转移会显著增加腰骶部，尤其是l5/s1区域的压缩力与剪切力，长期累积易诱发椎间盘退变、慢性腰痛甚至劳动能力下降。针对搬运过程中腰部生物力学负荷过大的问题，利用可穿戴外骨骼为人体提供适时的辅助力或辅助力矩，降低腰骶关节负荷和腰背肌肉受力，已成为改善职业工效学和降低腰部损伤风险的重要技术途径。

2、现有背部辅助搬运外骨骼主要包括被动式和主动式两类。被动式背部外骨骼依靠无动力机械元件提供辅助力,其原理是在穿戴者下蹲或弯腰时,通过弹性元件变形储能,并在起身阶段释放能量实现助力。这类外骨骼具有结构简单、质量较小等特点,尤其适合辅助动态活动较少的任务，但其辅助力矩受弹性元件特性和人体姿态影响明显，助力大小及作用时机难以主动调节，同时易对人体自然运动范围产生约束。主动式外骨骼依靠电机等驱动单元输出可控辅助力矩，具有更好的助力调节能力，但目前多数系统仍采用以腰部屈伸为核心的单自由度刚性构型，严重限制了躯干多平面运动能力，难以充分适应人体脊柱由多节段共同参与的屈伸、侧弯和旋转等复杂运动。单一转动中心与人体脊柱连续运动轨迹之间的失配可能引起附加约束力、界面滑移及局部载荷集中，而过度增加机械自由度又会带来结构复杂、质量增加和驱动冗余等问题。同时现有背部搬运外骨骼大多使用弹性绑带与人体的连接从而传递助力，当助力需求过大或人体运动幅度较大时，容易引起绑带滑移、变形和传力方向偏转，进而造成有效行程损失、和实际助力矩衰减的问题。将助力集中在肩部，可能导致在腰背负荷减轻的同时，加重肩部的负荷，并可能会给脊柱施加轴向负荷，引起人体穿戴不适。因此，如何依据人体脊柱多节段、多自由度运动特征构建具有良好运动兼容性的仿生机构，合理选择助力位置，提升穿戴基体的承载强度、抗滑移能力和受力均匀性，并结合人体运动状态与运动意图感知实现辅助力矩的合理调节，是提升背部外骨骼穿戴舒适性、运动灵活性和辅助有效性的关键研究内容。

3、如申请号为202510521601.5的中国专利申请公开了一种仿生脊柱外骨骼装置，其外骨骼由：固定组件、脊柱机构、驱动机构组成，虽然其具备一定的仿生性，能够提供多种场景下的脊柱辅助支撑需求，但其助力位置较为集中，人体受力均匀性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种分段助力的仿生脊柱腰部搬运外骨骼装置，通过采用新型驱动装置实现一机两驱，对腰背进行分段助力，解决助力需求过大或人体运动幅度较大时易引起绑带滑移、变形和传力方向偏转，助力集中在肩部时加重肩部的负荷，并可能会给脊柱施加轴向负荷的问题，提升穿戴基体的受力均匀性，提高外骨骼穿戴舒适性。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种分段助力的仿生脊柱腰部搬运外骨骼装置，包括绑带、驱动机构、肩部绳索组、背部绳索组和控制盒，以及从上到下依次转动限位连接的背部上段支撑板、中段仿生脊柱单元、背部中段支撑板、中段仿生脊柱单元、两个末段仿生脊柱单元以及腰部支撑板，

3、绑带用于将外骨骼装置固定于人体，驱动机构包括设置于腰部支撑板、且关于外骨骼装置中心轴线对称分布的第一驱动机构和第二驱动机构，每一个驱动机构包括两个旋转方向相反的绕线轮，两个绕线轮分别绕肩部绳索和背部绳索的一端，肩部绳索另一端和背部上段支撑板连接、用于对人体肩部施加拉力，背部绳索的另一端和背部中段支撑板连接、用于对人体背部中段施加拉力。

4、进一步的，绑带包括肩部绑带、上腹部绑带和腰部绑带，

5、背部上段支撑板通过肩部绑带与背部上段连接，背部中段支撑板通过上腹部绑带与背部中段连接，腰部支撑板通过腰部绑带与腰部连接。

6、进一步的，背部上段支撑板、中段仿生脊柱单元、背部中段支撑板、中段仿生脊柱单元和两个末段仿生脊柱单元的形状均为类t型板，且中段仿生脊柱单元的尺寸大于末段仿生脊柱单元的尺寸。

7、进一步的，背部上段支撑板面板主体中部设有加强筋，底部设有底部平台，在底部平台设有球头和挂槽，面板主体上设有减重孔、绑带孔与用于连接肩部绳索组且对称布置的锚点；

8、背部中段支撑板面板主体中部有加强筋，还包括顶部平台、底部平台，顶部平台上设有球窝，底部平台设有球头，顶部平台和底部平台上都设有挂槽，面板主体上设有减重孔、绑带孔与用于连接背部绳索且对称布置的锚点；

9、中段仿生脊柱单元和末段仿生脊柱单元的结构相同，面板主体中部有加强筋，还包括顶部平台、底部平台，顶部平台上设有球窝，底部平台设有球头，顶部平台和底部平台上都设有挂槽，顶部平台上还有供绳索穿过的导向孔，面板主体上设有减重孔；

10、背部上段支撑板、中段仿生脊柱单元、背部中段支撑板、中段仿生脊柱单元、两个末段仿生脊柱单元以及腰部支撑板之间均通过球头和球窝铰接，且关于轴线对称设有挂簧，挂簧两端和支撑板或仿生脊柱单元的挂槽连接，从而实现转动限位连接。

11、进一步的，挂簧的劲度系数由下至上依次降低，最大不超过35 n/m，最小不低于5n/m。

12、进一步的，背部上段支撑板上设有惯性测量单元ⅰ，背部中段支撑板上设有惯性测量单元ⅱ，分别用于检测背部上段支撑板和背部中段支撑板的相对位置。

13、进一步的，第一驱动机构和第二驱动机构结构相同，第一驱动机构包括驱动电机、主动齿轮、阻尼转轴、正向绕线轮、三个行星齿轮和从动齿轮，

14、主动齿轮和驱动电机输出轴相对固定连接，主动齿轮通过销轴、销孔和阻尼转轴的一端连接，阻尼转轴的另一端通过销轴、销孔和从动齿轮连接，三个行星齿轮通过销轴和正向绕线轮内圈连接，正向绕线轮外圈设有绕线槽，从动齿轮一体设有反向绕线轮，反向绕线轮外圈设有绕线槽，主动齿轮和三个行星齿轮啮合，三个行星齿轮和从动齿轮啮合。

15、进一步的，正向绕线轮上绕有肩部绳索，反向绕线轮上绕有背部绳索；

16、肩部绳索的另一端依次穿过一个中段仿生脊柱单元、背部中段支撑板以及另一个中段仿生脊柱单元的导向孔后，连接至背部上段支撑板上的锚点；

17、背部绳索的另一端依次穿过两个末段仿生脊柱单元和一个中段仿生脊柱单元上的导向孔后，连接至背部中段支撑板上的锚点；

18、供背部绳索穿过的导向孔位于供肩部绳索穿过的导向孔的内侧。

19、进一步的，阻尼转轴一端内有用于调节扭矩阈值的调节螺母。

20、一种利用上述的仿生脊柱腰部搬运外骨骼装置进行分段助力的方法，外骨骼装置具有无感模式和助力模式两种工作模式，包括：

21、根据两个惯性测量单元对应与竖直方向的夹角、以及两者的差值来判定，设定有两个阈值a、b，当＞a且＞b时，触发助力模式，此时驱动机构开始工作，当=0时，触发无感模式，此时驱动机构停止工作，

22、助力模式启动时，驱动电机带动主动齿轮转动，从而带动阻尼转轴转动，当输出扭矩小于阻尼转轴的扭矩阈值时，阻尼转轴的两端视为一体，此时正向绕线轮正转，收紧肩部绳索组，给肩部提供拉力，从动齿轮上的反向绕线轮跟随正传，放松背部绳索组，此时背部绳索组并不提供助力，当肩部绳索组被完全拉紧，此时正向绕线轮无法继续转动，位置固定，同时输出扭矩大于阻尼转轴阈值，相当于阻尼转轴的两端分离，能够相对转动，此时驱动电机10的输出扭矩通过三个行星齿轮传递到从动齿轮上的反向绕线轮，反向绕线轮开始反转，收紧背部绳索组，为背部提供助力，直到判定进入无感模式，助力停止。

23、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

24、本发明利用驱动组件中阻尼转轴传动特性，设定工作模式切换阈值与阻尼转轴的扭矩阈值，先后拉动肩部绳索组和背部绳索组，实现一机两驱，对人体肩部和腰背进行分段助力，解决助力需求过大或人体运动幅度较大时易引起绑带滑移、变形和传力方向偏转，助力集中在肩部时加重肩部的负荷，并可能会给脊柱施加轴向负荷的问题，提升穿戴基体的受力均匀性，提高外骨骼穿戴舒适性。

25、本发明的优势在于通过驱动组件实现一个驱动电机对人体肩部、人体背部中段实现分段助力，提升穿戴基体的受力均匀性，提高外骨骼穿戴舒适性；同时本发明具有结构简单、易于随使用人员体型调节尺寸的优点。