CN106313012A - 辅助并增强人体力量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种穿戴简单、行动方便、舒适度高的一种辅助并增强人体力量的装置；为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：辅助并增强人体力量的装置，包括上肢机构、下肢机构和脊柱机构，所述脊柱机构的下部和下肢机构之间通过上下肢连接机构活动连接在一起，所述脊柱机构的上部和上肢机构之间通过上臂固定位活动连接在一起；本发明可广泛应用于机电一体化、机械、电子、传感器、仿生领域。

Description

辅助并增强人体力量的装置

技术领域

本发明涉及机电一体化、机械、电子、传感器、仿生等技术领域，具体为一种辅助并增强人体力量的装置。

背景技术

外骨骼机器人技术是一种融合传感、控制、信息、融合、移动计算等现代综合技术，并为操作者提供一种可穿戴的机械机构，即为一种套在人体外面的人体骨骼仿生机器人，也称为可穿戴的机器人，在军事、康复、运输等领域，该项技术有广泛地应用空间。

申请号为201610454728.0的发明专利公开一种半自动协力骨骼机器装置，该装置的动力系统采用气动技术需要空压机、气缸等大型设备加以辅助，所占空间较大，重量大，成本较高。并且胯部结构采用直线型设计，贴合度较差，舒适度较差。

申请号为201610590102.2的发明公开一种轻型化高速大负载下肢外骨骼机器人，该机器人的动力系统为液压，液压传动速度较慢无法满足某些高速运状态，且液压系统成本较高后期维护等不便。另外背部太过于死板，灵活度不高。

申请号为201610511532.0的发明公开一种下肢助力外骨骼机器人，该机器人的电机直接加动力系统速度较快且有惯性人机功效较差不易控制。经减速装置后加动力系统，由于腿部阻力较大所以要求电机力矩较大相对电机体积较大减速装置也相应较大，不易安装且安装于腿部由于电机，减速装置等质量较大则势必将会受重力影响对腿部骨骼将有向外的拉力，由于力量分散不集中所以人机功效较差。脚部均采用硬性连接，与大地摩擦力较小，穿着需要手动固定极不方便，且舒适度较低。

申请号为201610405845.8公开一种便携穿戴式外骨骼上肢机器人，该机器人的背部模块用于承载控制系统、电池动力部件，同时用于实现背负功能，但背部无自由度，灵活性差，舒适度较低，人机功效较差；且作为核心部件的电池动力部件和控制系统外漏易损坏导致该装置瘫痪，手臂模块方向单一，适用范围窄。

总之，目前涉及外骨骼机器人存在下述问题。

1、目前所涉及的同类产品脊柱部分均采用直线型设计，存在无自由度，贴合度，舒适度较低，人机功效差等众多问题。

2、现有同类产品均采用气动技术或液压技术等动力系统，该类系统所需辅助组件较多（例如气动技术需要空气压缩机，气缸等辅件，液压需要油泵，油缸等大型辅件），所占体积较大，重量较大，成本较高，控制复杂，后期维护不便。

3、目前所涉及的同类产品核心部件均裸露在外极易损坏且影响美观。

4、目前所涉及的同类产品穿着部位均不可调节，有效的限制了穿戴者的身高体重。

5、目前所涉及的同类产品由于体积较大，重量较重均不易穿脱。

6、目前所涉及的同类产品均为单一的上肢或下肢，人体工作时负重量不均匀，长时间工作导致机体产生较多问题。而上述单一模块若组合使用，则由于各模块设计相差较大，使得整体协调性性较差。

7、脚部均采用硬性连接，与大地摩擦力较小，穿着需要手动固定，极不方便，且舒适度较低。

发明内容

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种穿戴简单、行动方便、舒适度高的一种辅助并增强人体力量的装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：辅助并增强人体力量的装置，包括上肢机构、下肢机构和脊柱机构，所述脊柱机构的下部和下肢机构之间通过上下肢连接机构活动连接在一起，所述脊柱机构的上部和上肢机构之间通过上臂固定位活动连接在一起；

所述下肢机构的结构为：包括足部踏板、小腿部板、大腿部板和腿部动力部件，所述小腿部板的下部连接有足部踏板，所述小腿部板的上部通过膝关节连接轴与大腿部板的下部连接在一起，所述大腿部板的上部通过连接球头活动连接在上下肢连接机构上，所述腿部动力部件位于大腿部板的后侧，且所述腿部动力部件的上部固定在大腿部板上，所述腿部动力部件的下部活动设置在小腿部板上；

所述上肢机构的结构为：包括手腕卡环、小臂卡环、小臂主结构、大小臂连接机构、上臂卡环和上臂主结构，所述手腕卡环和小臂卡环之间通过小臂主结构活动连接，所述小臂卡环和上臂卡环之间通过大小臂连接机构活动连接，所述上臂卡环通过上臂主结构活动连接在上臂固定位上，所述上臂主结构的侧面设置有小臂动力组件，所述小臂动力组件的上部通过第一连接轴活动连接在上臂主结构上，所述小臂动力组件的下部通过第二连接轴活动连接在小臂卡环上；

所述脊柱机构的结构为：包括背部主梁、仿生脊柱、脊柱软连接、胸部卡套、背部主结构、背部软连接、背部活动件和肩部主结构，所述背部主梁呈T型，所述背部主梁的下部固定设置在上下肢连接机构上，多个所述仿生脊柱横向平行设置在背部主梁上，相邻的所述仿生脊柱之间通过多个脊柱软连接连接在一起，所述胸部卡套和背部主结构均设置在背部主梁的中部，且所述胸部卡套位于背部主结构的下方，所述背部主梁呈U型，所述背部主梁的两端顶部均连接有背部软连接，所述背部主梁的上部两端对应与背部软连接连接，所述肩部主结构与背部软连接之间通过背部活动件连接在一起；

两个所述肩部主结构上均设置有上臂动力组件，所述上臂动力组件的本体固定设置在肩部主结构上，所述上臂动力组件的输出轴活动设置在上臂固定位上。

所述腿部动力部件为铝合金12V电动电杆，推杆质量为1.5kg，推力大小为100kg，速度为60mm/s，所述电动推杆通过传感器控制。

所述小腿部板包括小腿部外板和小腿部内板，所述小腿部外板和小腿部内板配合形成夹层，所述夹层内用于放置电源和PLC组件，所述PLC组件与腿部动力部件、小臂动力组件和上臂动力组件电连接。

所述足部踏板的底部采用柔性材质，所述底部内设置传感器和复位弹簧，所述复位弹簧用于保护传感器不受挤压。

所述背部主梁包括多节主梁单元和万向节组成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明利用万向球头自由度高且凸面正好与脊柱凹相贴，以万向球头为核心的仿生脊柱等部分贴合度大大提高，舒适度强（可调节方向），人机功效强。

2、本发明在动力系统方面，采用铝合金12v电动电杆，推杆质量为1.5kg，推力大小为100kg，速度为60mm/s（实测速度为1.5m/s）电动推杆由传感器控制，当触发传感器时电机通电推杆运动否则将保持原来状态，所以速度可调节，推杆长为105mm，宽为75mm，体积较小，且在设计时充分考虑其大小最大程度上做到了与下肢相吻合。上臂动力采用钢丝牵引的方式，钢丝牵引作为动力不仅使速度大大提高而且也使整个发明设计美观大方。

3、本发明将核心部件隐藏于肢体结构夹层内，有效的为其提供保护，更大程度上避免了损坏，且空间利用率达到更高。

4、本发明可实现同一装置适合不同体型的人穿戴（螺丝可调节其伸长度等部位），大大提高了使用人群。

5、本发明便于穿脱（卡扣式连接非常方便）。

6、本发明上下肢既可以分开使用也可以一起使用，且上下肢协调性良好。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中脊柱机构的结构示意图。

图3为本发明中上肢机构的结构示意图。

图4为本发明的流程框图。

图5为本发明的工作框架图。

图中：1为上肢机构、11为手腕卡环、12为小臂卡环、13为小臂主结构、14为大小臂连接机构、15为上臂卡环、16为上臂主结构、17为小臂动力组件、18为第一连接轴、19为第二连接轴、110为上臂动力组件、2为下肢机构、21为足部踏板、22为小腿部板、23为大腿部板、24为腿部动力部件、25为膝关节连接轴、26为连接球头、3为脊柱机构、31为背部主梁、32为仿生脊柱、33为脊柱软连接、34为胸部卡套、35为背部主结构、36为背部软连接、37为背部活动件、38为肩部主结构、4为上下肢连接机构、5为上臂固定位。

具体实施方式

如图1～图5所示，本发明辅助并增强人体力量的装置，包括上肢机构1、下肢机构2和脊柱机构3，所述脊柱机构3的下部和下肢机构2之间通过上下肢连接机构4活动连接在一起，所述脊柱机构3的上部和上肢机构1之间通过上臂固定位5活动连接在一起；

所述下肢机构2的结构为：包括足部踏板21、小腿部板22、大腿部板23和腿部动力部件24，所述小腿部板22的下部连接有足部踏板21，所述小腿部板22的上部通过膝关节连接轴25与大腿部板23的下部连接在一起，所述大腿部板23的上部通过连接球头26活动连接在上下肢连接机构4上，所述腿部动力部件24位于大腿部板23的后侧，且所述腿部动力部件24的上部固定在大腿部板23上，所述腿部动力部件24的下部活动设置在小腿部板22上；

所述上肢机构1的结构为：包括手腕卡环11、小臂卡环12、小臂主结构13、大小臂连接机构14、上臂卡环15和上臂主结构16，所述手腕卡环11和小臂卡环12之间通过小臂主结构13活动连接，所述小臂卡环12和上臂卡环15之间通过大小臂连接机构14活动连接，所述上臂卡环15通过上臂主结构16活动连接在上臂固定位5上，所述上臂主结构16的侧面设置有小臂动力组件17，所述小臂动力组件17的上部通过第一连接轴18活动连接在上臂主结构16上，所述小臂动力组件17的下部通过第二连接轴19活动连接在小臂卡环12上；

所述脊柱机构3的结构为：包括背部主梁31、仿生脊柱32、脊柱软连接33、胸部卡套34、背部主结构35、背部软连接36、背部活动件37和肩部主结构38，所述背部主梁31呈T型，所述背部主梁31的下部固定设置在上下肢连接机构4上，多个所述仿生脊柱32横向平行设置在背部主梁31上，相邻的所述仿生脊柱32之间通过多个脊柱软连接33连接在一起，所述胸部卡套34和背部主结构35均设置在背部主梁31的中部，且所述胸部卡套34位于背部主结构35的下方，所述背部主梁31呈U型，所述背部主梁31的两端顶部均连接有背部软连接36，所述背部主梁31的上部两端对应与背部软连接36连接，所述肩部主结构38与背部软连接36之间通过背部活动件37连接在一起；

两个所述肩部主结构38上均设置有上臂动力组件110，所述上臂动力组件110的本体固定设置在肩部主结构38上，所述上臂动力组件110的输出轴活动设置在上臂固定位5上。

所述腿部动力部件24为铝合金12V电动电杆，推杆质量为1.5kg，推力大小为100kg，速度为60mm/s，所述电动推杆通过传感器控制。

所述小腿部板22包括小腿部外板和小腿部内板，所述小腿部外板和小腿部内板配合形成夹层，所述夹层内用于放置电源和PLC组件，所述PLC组件与腿部动力部件24、小臂动力组件17和上臂动力组件110电连接。

所述足部踏板21的底部采用柔性材质，所述底部内设置传感器和复位弹簧，所述复位弹簧用于保护传感器不受挤压。

所述背部主梁31包括多节主梁单元和万向节组成。

本发明采用仿生脊柱，有较多自由度，灵活性强，舒适度高。

本发明中仿生脊柱采用以向球头为主以弹簧为辅的结构，以万向球头作为支撑既保证了方向的可变化又便于连接（球头之间可以直接连接），弹簧加在固定板两边保证了两边的平衡使整个脊柱无力的作用时保持直挺状态，同时用弹簧等软连接保证了方向的可变换性，固定板既可以固定球头脊柱又可以与上下肢相连接，固定板与球头的一面为水平面另一面为凸面，凸面与后背脊柱所形成的凹面正好相贴合大大增强了其贴合度。此仿生脊柱经测试完全可以贴合人并适合人弯曲的各个角度。

本发明中下肢部分采用铝合金12V电动电杆，推杆质量为1.5kg，推力大小为100kg，速度为60mm/s，电动推杆由传感器控制，当触发传感器时电机通电推杆运动否则将保持原来状态，所以速度可调节，推杆长为105mm，宽为75mm，体积较小，且在设计时充分考虑其大小最大程度上做到了与下肢相吻合。以方法避免了直接用电机作为动力系统，一方面对电机减速要求较低使得更容易控制，增强其工作效率，另一方面便于加工安装。

本发明腿部设有夹层用于放置电源和各控制元件很大程度上避免了因外置而导致损坏等现象。

本发明脚部采用柔软度较高的底板，传感器置于内部，且底板加有4组复位弹簧既保护了传感器不受大力压挤导致损坏同时又保证了平衡大大提高了使用者的舒适度。

本发明足部踏板21采用自动卡扣式固定，使用者只需将鞋放进去便会自动卡锁，脱时将卡锁开关按住卡扣就会自动解锁，使用非常方便。

本发明手臂肘关节采用压力轴承和杆连接的方式使灵活度大大提高，传感器以及各导线隐藏于内部避免了与外界的直接接触大大降低了损坏率，下臂动力使用电动推杆（推杆参数和腿部所描述除长短外相同），推杆有较强的自锁能力适合某些搬用等工作，上臂动力采用钢丝牵引的方式，动力源为伺服电机置于肩膀处，钢丝连接肘部同样由上臂内的传感器控制。

本发明为全身性的助力系统，涵盖脊柱上下肢，全身既可以分开使用也可以全身使用，解决了模块组合不协调等问题。

本发明自动化工作原理：

1、动力模块：由传感器将外部信息发送到单片机内，再由单片机控制电机等执行元件。

2、温度模块：由温度传感器将电池温度传送给单片机，单片机控制数码管显示并可以通过单片机设定一个温度值，当达到所设定的温度值时蜂鸣器将会发出警告。

3、电池信息模块：由传感器实时监测电池电量，当电量低于所设置的值时将会自动启动备用电源。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.辅助并增强人体力量的装置，其特征在于：包括上肢机构（1）、下肢机构（2）和脊柱机构（3），所述脊柱机构（3）的下部和下肢机构（2）之间通过上下肢连接机构（4）活动连接在一起，所述脊柱机构（3）的上部和上肢机构（1）之间通过上臂固定位（5）活动连接在一起；

所述下肢机构（2）的结构为：包括足部踏板（21）、小腿部板（22）、大腿部板（23）和腿部动力部件（24），所述小腿部板（22）的下部连接有足部踏板（21），所述小腿部板（22）的上部通过膝关节连接轴（25）与大腿部板（23）的下部连接在一起，所述大腿部板（23）的上部通过连接球头（26）活动连接在上下肢连接机构（4）上，所述腿部动力部件（24）位于大腿部板（23）的后侧，且所述腿部动力部件（24）的上部固定在大腿部板（23）上，所述腿部动力部件（24）的下部活动设置在小腿部板（22）上；

所述上肢机构（1）的结构为：包括手腕卡环（11）、小臂卡环（12）、小臂主结构（13）、大小臂连接机构（14）、上臂卡环（15）和上臂主结构（16），所述手腕卡环（11）和小臂卡环（12）之间通过小臂主结构（13）活动连接，所述小臂卡环（12）和上臂卡环（15）之间通过大小臂连接机构（14）活动连接，所述上臂卡环（15）通过上臂主结构（16）活动连接在上臂固定位（5）上，所述上臂主结构（16）的侧面设置有小臂动力组件（17），所述小臂动力组件（17）的上部通过第一连接轴（18）活动连接在上臂主结构（16）上，所述小臂动力组件（17）的下部通过第二连接轴（19）活动连接在小臂卡环（12）上；

所述脊柱机构（3）的结构为：包括背部主梁（31）、仿生脊柱（32）、脊柱软连接（33）、胸部卡套（34）、背部主结构（35）、背部软连接（36）、背部活动件（37）和肩部主结构（38），所述背部主梁（31）呈T型，所述背部主梁（31）的下部固定设置在上下肢连接机构（4）上，多个所述仿生脊柱（32）横向平行设置在背部主梁（31）上，相邻的所述仿生脊柱（32）之间通过多个脊柱软连接（33）连接在一起，所述胸部卡套（34）和背部主结构（35）均设置在背部主梁（31）的中部，且所述胸部卡套（34）位于背部主结构（35）的下方，所述背部主梁（31）呈U型，所述背部主梁（31）的两端顶部均连接有背部软连接（36），所述背部主梁（31）的上部两端对应与背部软连接（36）连接，所述肩部主结构（38）与背部软连接（36）之间通过背部活动件（37）连接在一起；

两个所述肩部主结构（38）上均设置有上臂动力组件（110），所述上臂动力组件（110）的本体固定设置在肩部主结构（38）上，所述上臂动力组件（110）的输出轴活动设置在上臂固定位（5）上。

2.根据权利要求1所述的辅助并增强人体力量的装置，其特征在于：所述腿部动力部件（24）为铝合金12V电动电杆，推杆质量为1.5kg，推力大小为100kg，速度为60mm/s，所述电动推杆通过传感器控制。

3.根据权利要求2所述的辅助并增强人体力量的装置，其特征在于：所述小腿部板（22）包括小腿部外板和小腿部内板，所述小腿部外板和小腿部内板配合形成夹层，所述夹层内用于放置电源和PLC组件，所述PLC组件与腿部动力部件（24）、小臂动力组件（17）和上臂动力组件（110）电连接。

4.根据权利要求3所述的辅助并增强人体力量的装置，其特征在于：所述足部踏板（21）的底部采用柔性材质，所述底部内设置传感器和复位弹簧，所述复位弹簧用于保护传感器不受挤压。

5.根据权利要求4所述的辅助并增强人体力量的装置，其特征在于：所述背部主梁（31）包括多节主梁单元和万向节组成。