CN107088872B - 外骨骼助力与搬运双功能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼助力与搬运双功能装置，包括支座，在支座两端分别连接腿部机构；各腿部机构包括与支座活动连接的大腿支撑部、与大腿支撑部下端连接的小腿支撑部以及设置在小腿支撑部下端的脚部支撑机构；各大腿支撑部后方铰接有支撑杆，支撑杆另一端连接设于小腿支撑部后方的滑动部件，在小腿支撑部长方向上设置有滑槽，滑动部件能够在滑槽内上下滑动；滑动部件连接一弹性拉伸部件，弹性拉伸部件另一端铰接于小腿支撑部；其中一个大腿支撑部上设置能够打开和闭合的平行四连杆机构，平行四连杆机构上设置驱动其运动的驱动机构。本发明分别利用弹性储能提供助力、平行四连杆机构实现搬运货物的功能，实现双功能的巧妙结合，结构紧凑合理。

Description

外骨骼助力与搬运双功能装置

技术领域

本发明涉及助力装置领域，具体是一种外骨骼助力与搬运双功能装置。

背景技术

当前电子商务行业蓬勃发展，对物流行业的要求日趋增大，物流公司压力剧增，物流工作人员的日常工作量大，工作人员在分拣线上分拣快件过程中，需要机械往复地在传送带间搬运货物。由于其巨大的工作量使得工作人员产生消极的情绪，常会发生在传送带间搬运货物的时候，出现乱丢乱扔等不文明现行，导致货物损坏。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种外骨骼助力与搬运双功能装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种外骨骼助力与搬运双功能装置，包括支座，在支座两端分别连接腿部机构；各腿部机构包括与支座活动连接的大腿支撑部、与大腿支撑部下端连接的小腿支撑部以及设置在小腿支撑部下端的脚部支撑机构；各大腿支撑部后方铰接有支撑杆，支撑杆另一端连接设于小腿支撑部后方的滑动部件，在小腿支撑部长方向上设置有滑槽，滑动部件能够在滑槽内上下滑动；滑动部件连接一弹性拉伸部件，弹性拉伸部件另一端铰接于小腿支撑部；其中一个大腿支撑部上设置能够打开和闭合的平行四连杆机构，平行四连杆机构上设置驱动其运动的驱动机构。

其中，设置有平行四连杆机构的大腿支撑部上端通过一可调节的弯折部件与支座连接，该弯折部件包括与支座连接的上螺杆、与平行四连杆机构连接的下螺杆，上螺杆与下螺杆同轴设置并铰接，还包括旋装在上螺杆或下螺杆上的调节螺母，调节螺母位于上螺杆和下螺杆的连接处时，上螺杆和下螺杆的相对运动被限制。

其中，上螺杆设置连接槽，下螺杆设置连接端，连接端插入连接槽内后，通过销轴将连接端限制在连接槽内，使得下螺杆能够绕销轴相互对于上螺杆转动，当调节螺母转动到下螺杆的连接端处时，上螺杆和下螺杆被固定，不能相对运动。

其中，平行四连杆机构包括一组下连杆，两个下连杆一端分别与下螺杆连接，各下连杆另一端分别连接平行设置的两根中部连杆，中部连杆上端分别设置上连杆，上连杆另一端与小腿支撑部连接，在上连杆与下连杆之间均设置有固定连杆，而中部连杆之间设置有拉伸弹簧。

其中，驱动机构包括设置在其中一个下连杆上的驱动电机，在与该下连杆相邻的中部连杆上设置有从动齿轮，该从动齿轮固定安装在中部连杆上，驱动电机输出轴连接蜗轮蜗杆减速器，该减速器输出轴上设置有驱动从动齿轮的驱动齿轮。

其中，在一个中部连杆与上连杆之间设置可拆卸的固定板，固定板安装后，平行四连杆机构闭合，拆卸固定板后，平行四连杆机构可打开。

其中，滑动部件为卡装在滑槽内的一根销轴；滑槽沿小腿支撑部向上端延伸后，再向内侧延伸，形成横向的槽，该横向槽端部设置卡口，该卡口用于容纳与弹性拉伸部件另一端连接的销轴。

其中，支座内圈设置有腰带，大腿支撑部与小腿支撑部内侧分别设置有绑腿带。

其中，在支座上还设置有一组夹具，夹具用于将支座固定在工作位置。

其中，弹性拉伸部件为拉伸弹簧。

有益效果：本发明的一种外骨骼助力与搬运双功能装置，具有以下有益效果：

使用外骨骼助力功能时，将装置穿戴于身上，利用支撑杆和滑动部件组成的摇杆滑块机构带动弹簧的拉伸，在工作人员下蹲时，弹簧被拉伸储存能量。在工作人员站起时，释放能量，提供助力。搬运功能利用平面连杆机构上固定的弹簧抵消载物过程中部分力矩，步进电机带动齿轮传动控制连杆机构的角度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为外骨骼助力模式结构示意图；

图4为小腿支撑件结构示意图；

图5为小腿支撑件后视示意图；

图6为搬运模式状态示意图；

图7为图6的侧视图；

图8为平行四连杆结构示意图；

图9为图8的侧视图；

图10为弯折部件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，一种外骨骼助力与搬运双功能装置，包括支座1，支座1内圈设置有腰带2；在支座1两端分别连接腿部机构；各腿部机构包括与支座1活动连接的大腿支撑部3、与大腿支撑部3下端连接的小腿支撑部4以及设置在小腿支撑部4下端的脚部支撑机构5，大腿支撑部3与小腿支撑部4内侧分别设置有绑腿带7。各大腿支撑部3后方铰接有支撑杆8，支撑杆8另一端连接设置于小腿支撑部4后方的滑动部件9，在小腿支撑部4长方向上设置有滑槽10，滑动部件9能够在滑槽10内上下滑动；滑动部件9连接一弹性拉伸部件11，弹性拉伸部件11另一端铰接于小腿支撑部4；弹性拉伸部件11可以为拉伸弹簧。其中一个大腿支撑部3上设置能够打开和闭合的平行四连杆机构31，平行四连杆机构31上设置驱动其运动的驱动机构。具体地，如图1-图5所示，滑动部件9为卡装在滑槽10内的一根销轴；滑槽10沿小腿支撑部4向上端延伸后，再向内侧延伸，形成横向的槽，该横向槽端部设置卡口12，该卡口12用于容纳与弹性拉伸部件11另一端连接的销轴。在支座1上还设置有一组夹具14，夹具用于将支座1固定在工作位置。具体可采用工字夹。本发明的大腿支撑部3和小腿支撑部4可采用槽钢制成，槽钢的开口朝后，拉伸弹簧位于槽钢内部，其端部连接的销轴两端卡在槽钢上的滑槽10内。正常状态时，支撑杆8位于槽钢的槽内。

如图-和图2所示，设置有平行四连杆机构31的大腿支撑部3上端通过一可调节的弯折部件15与支座1连接，该弯折部件15包括与支座1连接的上螺杆151、与平行四连杆机构31连接的下螺杆152，上螺杆151与下螺杆152同轴设置并铰接，还包括旋装在上螺杆151或下螺杆152上的调节螺母153，调节螺母153位于上螺杆151和下螺杆152的连接处时，上螺杆151和下螺杆152的相对运动被限制。

具体地，如图10所示，上螺杆151设置连接槽，下螺杆152设置连接端，连接端插入连接槽内后，通过销轴将连接端限制在连接槽内，使得下螺杆152能够绕销轴相互对于上螺杆151转动，当调节螺母153转动到下螺杆152的连接端处时，上螺杆151和下螺杆152被固定，不能相对运动。

如图8-图9所示，平行四连杆机构31包括一组下连杆311，两个下连杆311一端分别与下螺杆152连接，各下连杆311另一端分别连接平行设置的两根中部连杆312，中部连杆312上端分别设置上连杆313，上连杆313另一端与小腿支撑部4连接，在上连杆313与下连杆311之间均设置有固定连杆314，而中部连杆312之间设置有拉伸弹簧315。驱动机构包括设置在其中一个下连杆311上的驱动电机316，在与该下连杆311相邻的中部连杆312上设置有从动齿轮317，该从动齿轮317固定安装在中部连杆312上，驱动电机316输出轴连接蜗轮蜗杆减速器318，该减速器输出轴上设置有驱动从动齿轮317的驱动齿轮319。在一个中部连杆312与上连杆313之间设置可拆卸的固定板320，固定板320安装后，平行四连杆机构31闭合，拆卸固定板320后，平行四连杆机构31可打开。

在具体应用时，本发明具有两种工作模式。下面结合附图，分别针对这两种状态作具体说明。

首先是外骨骼助力模式，如图3所示，这种模式下，用户将腰带2绑在腰上，支座1即被同时固定在腰部。此时，通过绑腿带7将用户的大腿与大腿支撑部3绑定，小腿与小腿支撑部4绑定，用户的脚踩在脚部支撑机构5上。当用户下蹲时，大腿支撑部3后方铰接的支撑杆8下端在小腿支撑杆8的滑槽10内向下运动，拉伸弹簧被拉伸蓄力，当支撑杆8下端被滑槽10下端接触后，用户则不能继续下蹲。当用户搬起重物要站起时，由于拉伸弹簧积蓄了拉力，并将拉力施加给支撑杆8，支撑杆8上端向大腿支撑部3施加推力，便能够在用户站起的时候更加省力。由此，能够保证用户在多次蹲下和站起后，不用耗费太多体力。

具体地，外骨骼助力模式采用下肢外侧固定的形式，根据人机工程学数据GB/T10000—1998，选取(18-66岁)人群中第50百分位人体数据为参考依据，得到如下数据：小腿支撑部4长度为422mm，脚部机构的高度为81mm，大腿支撑部3的长度为424mm，根据人体下蹲时的参考数据与实际模拟，设计髋关节转角100°，膝关节转角120°，踝关节转角85°。

作为一种具体的实施方式，支撑杆8为圆形杆，其长为240mm，支撑杆8与大腿支撑部3连接处转动副至膝关节转动副120mm，此时，当膝关节大腿支撑部3与小腿支撑部4成0°角时，滑动部件9至膝关节转动副距离为120mm，除去滑槽10与支撑杆8的偏移量32.5mm，则此时滑块距膝关节转动副竖直方向实际距离为：

当膝关节转过120°，即大腿支撑部3与小腿支撑部4成60°时，对于滑动部件9至膝关节转动副距离l₂有：

cos60°＝(120²+1²-240²)÷2×120×l₂

解得：l₂＝276.3mm。

除去滑槽10与支撑杆8的偏移量32.5mm，此时滑动部件9距膝关节转动副竖直方向实际距离为：

可以确定整个行程中，滑动部件9在滑槽10中滑动的直线距离为：

l₄＝274.4mm-115.5mm＝158.9mm

弹簧的另一端固定点距膝关节转动副60mm，则在全行程下，弹簧的拉伸量：

初始长度为64.3mm，考虑到弹簧拉伸极限与刚度，将初始长度定为100mm，线径1.2mm，外径10mm，每根弹簧能够提供3.8kg的拉力，在每条腿部对称装配2根，提供助力。

由于各个杆件的布置因素与功能需要，小腿支撑部4的滑槽10的偏移部分在运动过程中会与大腿支撑部3干涉，为此在小腿支撑部4的滑槽10顶端开设一横向的槽，槽的端部设置一卡口12，该卡口12用于容纳与弹性拉伸部件11另一端连接的销轴。

支座1的尺寸主要根据第50百分位人体数据中的腰围数据确定，采用不锈钢薄钢管与90°管接头焊接成U形杆件。根据腰胯宽度，杆件较长边长度为380mm，两侧较短边长度为130mm。

通过布制的腰带2将支座1与人身体相对固定，并通过绑腿带7分别将大腿支撑部3和小腿支撑部4与人的大腿和小腿绑定，增强穿戴的舒适性。由于支座1与大腿支撑部3的衔接有转向动作，因此选择铝块加工两个满足相对尺寸的相互垂直的圆形通孔，在通孔中装配轴承。

脚部支撑机构5与地面接触，设计要求上该机构将外骨骼助力装置本身质量传到至地面，不对人造成负担，因此需要较大的支承面。为减轻质量，选择厚度为3mm的铝板为制作材料。利用角铝与螺栓连接衔接至小腿支撑部4。此外，脚部支撑机构5的平板面在搬运功能时，作为载物台。

其次是搬运模式。如图6所示，使用这种模式时，将整体倒置，使得支座1朝下，放在桌子等支撑物上，并通过工字夹夹住支撑物的边缘，将支座1固定。然后，将其中没有设置平行四连杆机构31的大腿支撑部3摆放成水平状，将与该大腿支撑部3连接的小腿支撑部4向地面弯折，弯折之前，将卡口12内的销轴拆下，也即拆下拉伸弹簧，使其不向小腿支撑部4施力。由于在设置有平行四连杆机构31的大腿支撑部3与支座1之间通过一弯折部件15连接，当切换到搬运模式时，需要固定弯折部件15，使其不能弯折，此时需将调节螺母153拧到如图所示的部位，即上螺杆151与下螺杆152连接处。然后，拆下固定板320，打开平行四连杆机构31，将与平行四连杆机构31连接的小腿支撑部4放至水平，同样地，将该小腿支撑部4卡口12内的销轴拆下，也即拆下拉伸弹簧，使其不向小腿支撑部4施力，此时，可将脚部支撑机构5作为搬运物品的载物台，通过控制驱动电机316的正转和反转，驱动平行四连杆机构31向前后方向运动，当向前运动时，接近运送物品的履带，通过履带的运动，物品即可运动到脚部支撑机构5上，此时，控制驱动电机316反向转动，平行四连杆机构31在电机和拉伸弹簧的作用下，向复位方向运动。然后可手动转动平行四连杆机构31，使脚步支撑机构在水平向转动到其他位置，卸下货物，然后重复上述过程。

驱动电机316连接控制器，该控制器控制驱动电机316的正转和反转以及转动的时机，在不同场合应用时，针对需求设定。

作为一种具体方案，在外骨骼助力模式下各个部位尺寸的基础上，平行四连杆机构31的两根下连杆311分别为87mm(下连杆311采用U型槽钢制成)，需承受较大的力，因此在设计上，当平行四连杆机构31完全展开时，下连杆311的下端与下螺杆152接触，形成干涉，对下连杆311展开角进行定位，并限制下连杆311的转动。在下连杆311的张角进行定位后，利用下连杆311和上连杆313上加工的孔，上下对应各安装一固定连杆314，用螺栓紧固，则上连杆313、下连杆311分别形成三角形结构。由平面连杆机构改装而成的平行四连杆机构31仅剩一个自由度，两根250mm长的中部连杆312的转动，此自由度由驱动电机316上自带的蜗轮蜗杆减速器318自锁功能来进行限制。

在平行四连杆机构31运动时，平行四边形变形，使拉伸弹簧变形，不断增长，产生拉力。在平行四连杆机构31张开且保持竖直状态时，固定弹簧两端的距离：

理论上，平行四连杆机构31可转过90度，理论极限位置上，固定拉伸弹簧两端的距离：

所以拉伸弹簧的伸长量：

Δl₂＝304.2mm-249.8mm＝54.4mm

弹簧原长249.8mm，根据实际安装情况，取原长240mm。

在计入装置自重下，拟载重10kg，在极限位置下，产生的最大扭矩

T＝10×9.8×0.8＝78.4N·m

正常运动情况下，产生的扭矩在60N·m以下。为减轻驱动电机316负载，需选择较大刚度的拉伸弹簧，综合选择线径2.0mm，外径18mm。能够产生160N的拉力。在此弹簧配重下，在平行四连杆机构31转过45°时，实际上能够平衡大约5kg重物。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：包括支座，在支座两端分别连接腿部机构；各腿部机构包括与支座活动连接的大腿支撑部、与大腿支撑部下端连接的小腿支撑部以及设置在小腿支撑部下端的脚部支撑机构；各大腿支撑部后方铰接有支撑杆，支撑杆另一端连接设于小腿支撑部后方的滑动部件，在小腿支撑部长方向上设置有滑槽，滑动部件能够在滑槽内上下滑动；滑动部件连接一弹性拉伸部件，弹性拉伸部件另一端铰接于小腿支撑部；其中一个大腿支撑部上设置能够打开和闭合的平行四连杆机构，平行四连杆机构上设置驱动其运动的驱动机构；设置有平行四连杆机构的大腿支撑部上端通过一可调节的弯折部件与支座连接，该弯折部件包括与支座连接的上螺杆、与平行四连杆机构连接的下螺杆，上螺杆与下螺杆同轴设置并铰接，还包括旋装在上螺杆或下螺杆上的调节螺母，调节螺母位于上螺杆和下螺杆的连接处时，上螺杆和下螺杆的相对运动被限制；平行四连杆机构包括一组下连杆，两个下连杆一端分别与下螺杆连接，各下连杆另一端分别连接平行设置的两根中部连杆，中部连杆上端分别设置上连杆，上连杆另一端与小腿支撑部连接，在上连杆与下连杆之间均设置有固定连杆，而中部连杆之间设置有拉伸弹簧；在一个中部连杆与上连杆之间设置可拆卸的固定板，固定板安装后，平行四连杆机构闭合，拆卸固定板后，平行四连杆机构可打开。

2.根据权利要求1所述的外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：其中，上螺杆设置连接槽，下螺杆设置连接端，连接端插入连接槽内后，通过销轴将连接端限制在连接槽内，使得下螺杆能够绕销轴相互对于上螺杆转动，当调节螺母转动到下螺杆的连接端处时，上螺杆和下螺杆被固定，不能相对运动。

3.根据权利要求1所述的外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：其中，驱动机构包括设置在其中一个下连杆上的驱动电机，在与该下连杆相邻的中部连杆上设置有从动齿轮，该从动齿轮固定安装在中部连杆上，驱动电机输出轴连接蜗轮蜗杆减速器，该减速器输出轴上设置有驱动从动齿轮的驱动齿轮。

4.根据权利要求1所述的外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：其中，滑动部件为卡装在滑槽内的一根销轴；滑槽沿小腿支撑部向上端延伸后，再向内侧延伸，形成横向的槽，该横向槽端部设置卡口，该卡口用于容纳与弹性拉伸部件另一端连接的销轴。

5.根据权利要求1所述的外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：其中，支座内圈设置有腰带，大腿支撑部与小腿支撑部内侧分别设置有绑腿带。

6.根据权利要求1所述的外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：其中，在支座上还设置有一组夹具，夹具用于将支座固定在工作位置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的外骨骼助力与搬运双功能装置，其特征在于：其中，弹性拉伸部件为拉伸弹簧。