CN105415353B - 一种气动助力装置用上肢结构 - Google Patents

Abstract

一种气动助力装置用上肢结构，它涉及一种上肢结构，具体涉及一种气动助力装置用上肢结构。本发明为了解决现有助力机械质量和体积较大，且还没有一种助力机械应用与快递行业中的问题。本发明包括背部组件、两个肩部组件、两个大臂组件、两个小臂组件和两个腕部组件，每个大臂组件通过一个肩部组件与背部组件相对应的一侧连接，每个大臂组件分别与一个小臂组件连接，每个腕部组件分别与一个小臂组件连接。属于助力机械领域。

Description

一种气动助力装置用上肢结构

技术领域

本发明涉及一种上肢结构，具体涉及一种气动助力装置用上肢结构，属于助力机械领域。

背景技术

目前，外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如助老助残，医疗康复，工业生产，地震救援，单兵作战等领域。一般的助力外骨骼具有以下特点：可以检测人体的运动意图；和人体类似的关节自由度和关节转动空间；具有必要的关节主动驱动以辅助出力；自带控制系统和能源系统；具有一定的安全防护机制。

助力外骨骼按照动力传递的目的，可分为两种情况：外骨骼带动人体运动和人体带动外骨骼运动，其主要区别体现在“人-机”连接信息交互装置的设计和系统控制策略的制定上。

对于助老助残或医疗康复领域，外骨骼的目的是辅助人体自身肌肉的运动，以达到帮助老人抬腿，或帮助病人做肌肉功能恢复训练等目的。需要外骨骼设定好各关节的运动规划，或检测人体的肌电信号、肢体运动方向等方法判断人体的运动意图，带动穿戴者运动，或者减小穿戴者运动所需要的消耗，此时人体和外骨骼之间需要动力的传递，因此“人-机”之间紧密固连。

对于工业生产，地震救援或单兵作战等应用领域，面对的是正常的健康工人或消防战士，外骨骼的目的不是辅助人体自身肌肉的运动，而是增强放大人体的出力效果，此时，人机连接机制的设计中，“人-机”之间需要传递的不是动力，而仅仅是检测到的人体运动信息。此时，“人-机”之间的捆绑连接是一种弹性连接，传递的是微小的交互力信息。基于以上所述，公开号为CN104552276A、公开日为2015年4月29日的发明专利公开了一种气动肌肉驱动的外骨骼助力机构，但该文献中没有披露如何使用简单的机械反馈实现全部控制过程的无电化。

发明内容

本发明为解决现有助力机械均是采用电动控制，无法实现机械反馈及全部控制无电话的问题，进而提出一种气动助力装置用上肢结构。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括背部组件、两个肩部组件、两个大臂组件、两个小臂组件和两个腕部组件，每个大臂组件通过一个肩部组件与背部组件相对应的一侧连接，每个大臂组件分别与一个小臂组件连接，每个腕部组件分别与一个小臂组件连接。

进一步的，背部组件包括背部安装板、背轴、两个背部滑槽件和两个背部滑块件，背轴竖直插装在背部安装板的背面，每个背部滑槽件的一端均与背轴连接，每个背部滑槽件上分别安装一个背部滑块件。

进一步的，每个肩部组件包括肩后弯杆、肩前弯杆、肩背连接轴和肩连接轴肩后弯杆的一端通过肩背连接轴与相对应的一个背部滑块件连接，肩前弯杆的一端通过肩连接轴与肩后弯杆的另一端连接。

进一步的，每个大臂组件包括大臂气动肌肉、肩大臂连接件、大臂中间连接块和大臂端部连接件，大臂气动肌肉的一端通过肩大臂连接件与相对应的一个肩前弯杆的另一端铰接，大臂中间连接块安装在大臂气动肌肉的中部，大臂端部连接件安装在大臂气动肌肉的另一端。

进一步的，每个小臂组件包括小臂组成杆件和小臂端部连接件，小臂组成杆件的一端通过小臂端部连接件与相对应的一个大臂端部连接件铰接。

进一步的，每个手腕组件包括手环、手环滑槽件、托板和托板轴，手环滑槽件安装在小臂组成杆件的内侧，托板通过托板轴与小臂组成杆件的另一端连接，手环安装在手环滑槽件的滑槽内。

本发明的有益效果是：1、首次把气动肌肉引入快递助力行业，提高了外骨骼与人体动作的协调性，同时使之具有质量体积小，安全可靠等优点；2、本发明在设计中并没有使用复杂的策略来进行气动肌肉的控制，而是使用较为简单的机械反馈式调节，全部控制过程实现“无电化”。由于气动肌肉本身的特性又使它可以很容易的实现在某一个部位锁死的功能。从而可以有效减轻快递员在工作中最常见的肌肉负担；4、本发明与操作者脚部的脚踏式压缩气体补充装置配合使用。利用了快递员在行走中的重力势能的改变来为储气装置补充气体。原理类似高压气筒，能够将人体重力势能变化而产生的无用功转变为有用功，实现能量的可持续化。同时减少快递员返回气泵处充气的次数，使该装置使用更为方便。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气动装置用上肢结构包括背部组件1、两个肩部组件2、两个大臂组件3、两个小臂组件4和两个腕部组件5，每个大臂组件3通过一个肩部组件2与背部组件1相对应的一侧连接，每个大臂组件3分别与一个小臂组件4连接，每个腕部组件5分别与一个小臂组件4连接。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气动助力装置用上肢结构的背部组件1包括背部安装板1-1、背轴1-2、两个背部滑槽件1-3和两个背部滑块件1-4，背轴1-2竖直插装在背部安装板1-1的背面，每个背部滑槽件1-3的一端均与背轴1-2连接，每个背部滑槽件1-3上分别安装一个背部滑块件1-4。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气动助力装置用上肢结构的每个肩部组件2包括肩后弯杆2-1、肩前弯杆2-2、肩背连接轴2-3和肩连接轴2-4，肩后弯杆2-1的一端通过肩背连接轴2-3与相对应的一个背部滑块件1-4连接，肩前弯杆2-2的一端通过肩连接轴2-4与肩后弯杆2-1的另一端连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气动助力装置用上肢结构的每个大臂组件3包括大臂气动肌肉3-1、肩大臂连接件3-2、大臂中间连接块3-3和大臂端部连接件3-4，大臂气动肌肉3-1的一端通过肩大臂连接件3-2与相对应的一个肩前弯杆2-2的另一端铰接，大臂中间连接块3-3安装在大臂气动肌肉3-1的中部，大臂端部连接件3-4安装在大臂气动肌肉3-1的另一端。其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气动助力装置用上肢结构的每个小臂组件4包括小臂组成杆件4-1和小臂端部连接件4-2，小臂组成杆件4-1的一端通过小臂端部连接件4-2与相对应的一个大臂端部连接件3-4铰接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气动助力装置用上肢结构的每个手腕组件5包括手环5-1、手环滑槽件5-2、托板5-3和托板轴5-4，手环滑槽件5-2安装在小臂组成杆件4-1的内侧，托板5-3通过托板轴5-4与小臂组成杆件4-1的另一端连接，手环5-1安装在手环滑槽件5-2的滑槽内。手环5-1可以在手环滑槽件5-2的滑槽内滑动。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

工作原理

本发明采用气动肌肉作为驱动方式，以上肢结构为核心，脚部打气系统与储气系统作为辅助，最后由气路控制系统进行整体的调控。上肢结构可以帮助快递员抬升物体并保持固定姿态长距离运输。脚部打气系统则通过行走时重力势能的变化，推动压缩杆工作产生压缩空气，为气动肌肉提供气体来源。储气系统一方面对来自于气泵的高压压缩空气进行储存，另一方面收集由脚部产生的气压较低的压缩空气。气路控制系统则通过机械反馈机制来调节气动肌肉的进气与出气，使得本发明的大臂组件3和小臂组件4可以根据快递员的运动调整自身姿态，跟随运动；同时在因为某些原因导致气动肌肉输出力过大的情况下也可以迅速做出反应，保证快递员人身安全。在上述四个系统的共同作用下，本发明可以在不消耗任何电能的情况下，长时间进行不间断的工作。

本发明与脚部大气系统、储气系统、气路控制系统配合使用。本发明可以帮助快递员抬升物体并保持固定姿态长距离运输。本发明采用气动肌肉的气动驱动器作为助力的来源。本发明的框架部分为铝合金材料，在保证强度的情况下使装置整体较为轻便。选用的铝型材其有自带的插槽，可供固定不同种类的部件，方便使用者根据不同的情况调整长度或改变配件的布置。

脚部打气系统主要利用人走路时脚部落下时的重力势能，将人体的重力作为动力驱动小型气筒压缩周围空气，并通过管路注入到塑料瓶中进行储存。一般情况下，供气动肌肉进行收缩的气体来源大多为钢瓶内的压缩空气。但是由于快递员的工作具有强度大时间长的特点，如果仅仅使用钢瓶储气的话需要的钢瓶体积较大，不方便携带。针对这个问题，我们设计了一种脚部打气系统进行辅助，从而缓解了钢瓶重量与快递员工作时间的矛盾。同时，利用走步产生的重力势能消耗进行压缩气体能量储存，既保证了持续气体供应，又满足了能量的利用效率最大化的原则。

储气系统由两个储气瓶及相应导管构成，主要用于储存脚部打气系统及外设气泵输入的压缩空气,同时输出压缩空气维持气动肌肉的正常工作。外设气泵输入的为高压压缩空气，储存在容积较小的钢瓶中；脚部打气系统输入的为气压相对较低的压缩空气，储存在容积较大的塑料瓶中。其中塑料瓶作为储气系统的输出装置与气动肌肉相连，钢瓶与塑料瓶通过减压阀相连，当塑料瓶中的压力低于一定限值时，气体从钢瓶向塑料瓶进行补充，且在减压阀的作用下，可维持在稳定的气压值；达到限值后，此时由脚部继续向塑料瓶中注气。从而使得气动肌肉可以长时间连续运动。

气路控制系统：由于快递行业的工作特点，气动肌肉的运动无需非常精确，但是需要气动肌肉的运动能通过比较方便的方式(如快递员手臂移动等)来进行调节。将两个节流阀互成一定角度安装在与小臂相固连的平衡架上，分别控制气动肌肉的进气与排气，并通过滑轮与绳索与小臂相连。当放置于托板上的物体重力大于气动肌肉所提供的力时，操作者的手臂就会与控制气体进入的节流阀产生相对位移，使得阀门开启，更多的气体注入气动肌肉使之平衡。反之亦然，可以在气动肌肉产生的力过大时,保护操作人不受伤害。如果操作人想要快速抬起的话，他便可以通过手臂的加速主动去制造与阀门的相对位移，以达到气动肌肉与手臂动作协调的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气动助力装置用上肢结构，它包括背部组件(1)、两个肩部组件(2)、两个大臂组件(3)、两个小臂组件(4)和两个腕部组件(5)，每个大臂组件(3)通过一个肩部组件(2)与背部组件(1)相对应的一侧连接，每个大臂组件(3)分别与一个小臂组件(4)连接，每个腕部组件(5)分别与一个小臂组件(4)连接，其特征在于：脚部打气系统与储气系统作为辅助，最后由气路控制系统进行整体的调控，脚部打气系统则通过行走时重力势能的变化，推动压缩杆工作产生压缩空气，为气动肌肉提供气体来源；储气系统一方面对来自于气泵的高压压缩空气进行储存，另一方面收集由脚部产生的气压较低的压缩空气；气路控制系统则通过机械反馈机制来调节气动肌肉的进气与出气，使得本发明的大臂组件(3)和小臂组件(4)可以根据快递员的运动调整自身姿态，跟随运动；脚部打气系统主要利用人走路时脚部落下时的重力势能，将人体的重力作为动力驱动小型气筒压缩周围空气，并通过管路注入到塑料瓶中进行储存；储气系统由两个储气瓶及相应导管构成，主要用于储存脚部打气系统及外设气泵输入的压缩空气,同时输出压缩空气维持气动肌肉的正常工作；外设气泵输入的为高压压缩空气，储存在容积较小的钢瓶中；脚部打气系统输入的为气压相对较低的压缩空气，储存在容积较大的塑料瓶中；其中塑料瓶作为储气系统的输出装置与气动肌肉相连，钢瓶与塑料瓶通过减压阀相连，当塑料瓶中的压力低于一定限值时，气体从钢瓶向塑料瓶进行补充，且在减压阀的作用下，可维持在稳定的气压值；达到限值后，由脚部继续向塑料瓶中注气；从而使得气动肌肉可以长时间连续运动；将两个节流阀互成一定角度安装在与小臂相固连的平衡架上，分别控制气动肌肉的进气与排气，并通过滑轮与绳索与小臂相连。

2.根据权利要求1所述一种气动助力装置用上肢结构，其特征在于：背部组件(1)包括背部安装板(1-1)、背轴(1-2)、两个背部滑槽件(1-3)和两个背部滑块件(1-4)，背轴(1-2)竖直插装在背部安装板(1-1)的背面，每个背部滑槽件(1-3)的一端均与背轴(1-2)连接，每个背部滑槽件(1-3)上分别安装一个背部滑块件(1-4)。

3.根据权利要求2所述一种气动助力装置用上肢结构，其特征在于：每个肩部组件(2)包括肩后弯杆(2-1)、肩前弯杆(2-2)、肩背连接轴(2-3)和肩连接轴(2-4)，肩后弯杆(2-1)的一端通过肩背连接轴(2-3)与相对应的一个背部滑块件(1-4)连接，肩前弯杆(2-2)的一端通过肩连接轴(2-4)与肩后弯杆(2-1)的另一端连接。

4.根据权利要求1或3所述一种气动助力装置用上肢结构，其特征在于：每个大臂组件(3)包括大臂气动肌肉(3-1)、肩大臂连接件(3-2)、大臂中间连接块(3-3)和大臂端部连接件(3-4)，大臂气动肌肉(3-1)的一端通过肩大臂连接件(3-2)与相对应的一个肩前弯杆(2-2)的另一端铰接，大臂中间连接块(3-3)安装在大臂气动肌肉(3-1)的中部，大臂端部连接件(3-4)安装在大臂气动肌肉(3-1)的另一端。

5.根据权利要求4所述一种气动助力装置用上肢结构，其特征在于：每个小臂组件(4)包括小臂组成杆件(4-1)和小臂端部连接件(4-2)，小臂组成杆件(4-1)的一端通过小臂端部连接件(4-2)与相对应的一个大臂端部连接件(3-4)铰接。

6.根据权利要求4所述一种气动助力装置用上肢结构，其特征在于：每个手腕组件(5)包括手环(5-1)、手环滑槽件(5-2)、托板(5-3)和托板轴(5-4)，手环滑槽件(5-2)安装在小臂组成杆件(4-1)的内侧，托板(5-3)通过托板轴(5-4)与小臂组成杆件(4-1)的另一端连接，手环(5-1)安装在手环滑槽件(5-2)的滑槽内。