CN107336818A - 可穿戴水下外骨骼支架系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可穿戴式外骨骼支架系统，技术方案是：支架系统包括支架系统、驱动系统、浮力系统和呼吸系统，所述支架系统是一种框架结构，框架由铝合金一体成型或通过铝板搭接再焊接的方式制成。支架系统可制成背心结构，方便使用者穿戴；所述驱动系统包括支撑架与环形夹持装置，二者均附在支架上；所述浮力系统在支架系统的基础上，充分利用框架空间，填充浮力材料；所述呼吸系统包括安放氧气瓶的环形夹持装置。本发明目的在于开发出一种能辅助人体在水下活动的外骨骼，使得人体在水下活动时，游动速度更快且省力。

Description

可穿戴水下外骨骼支架系统

1、技术领域

本发明涉及一种穿戴式水下外骨骼装备领域。

2、技术背景

目前，助力辅助装备兴起，不论是电影银屏上的钢铁侠或者是医疗、军事上的辅助器械，给了人们很大的启发。有了这些器械不仅能使残疾人像正常人一样生活，还能帮助人们完成更多常人不能做到的事情，这使得人们对这类设备越来越着迷，都梦想着能做出一个真正意义上的“钢铁侠”套装。随着越来越多的公司加入进来，外骨骼已经从最初的仅用于医疗和军事方面拓展到日常应用场景，比如公司为了增加员工的生产效率，采用的辅助装备等。

日本松下电器公司为了让普通工人能够轻松地负重15公斤的重物移动,研制了一个轻便版的外骨骼支架。在背部、大腿、小腿到脚部的区域里用碳纤维材料支撑，配合着可以由传感器唤醒的动力马达，可以轻松地帮人负重15公斤。传统的汽车公司，在依赖使用机械手臂减少人工操作的同时，也在为工人研发外骨骼支撑设备。德国宝马汽车公司设计3D打印定制的手套，能够帮助大拇指完成重复性的生产动作。奥迪公司设计的一种能在下蹲过程中辅助腰部动作的机械护具，减少需要经常做蹲起动作的员工腰部受伤的可能，这护具被形象地称为“随时随地可以坐下的椅子”。由于多家公司的外骨骼研究与设计,使得人类和机器人之间的边界已经变得越来越模糊,未来机器人与人类将互相协同实现某些特定的运动和功能。

尽管陆地上的外骨骼装备的研制已经风生水起了，但是水下的外骨骼装备却甚少研究。原因是由于水中的环境状况不同于陆地，水的浮力和阻力作用给人员水下活动带来了新的运动特征，这就使得水下外骨骼的动力系统跟陆地上的完全不同。此外，在水中还要考虑呼吸系统问题，因此水下可穿戴外骨骼设备发展缓慢，技术还不成熟，现有的产品也不多。本发明专利，通过研究水下运动的各种特征，旨在设计出一种能够辅助人体在水下运动的可穿戴式外骨骼支架系统，用于水下运动所需的浮力功能、呼吸功能以及动力推进功能集成。

已公开关于外骨骼的专利，包括：201610743020.7外骨骼服；201380057411.8手外骨骼；201580020679.3外骨骼型手套；201510507542.2助力外骨骼；20138006499.9可重新配置的外骨骼；201010225081.7带有外骨骼的CMM臂；201410705631.3穿戴式外骨骼座椅；201610334853.8一种可飞行外骨骼；201510850693.8柔性外骨骼机器人；201380026901.1机动外骨骼单元；201610284409.X助力外骨骼装配体等，目前还没有关于水下外骨骼支架系统的相关专利。

3、技术方案

本发明的目的在于设计出一种能够辅助人体在水下活动的外骨骼装备，使得在水下活动时，游动速度更快，节省体力，从而更好的完成各种水下活动。

考虑到在水中浮力的影响以及装置的合理布局，提出一种集成式外骨骼支架系统，能够有效帮助人员在水下更好的进行娱乐生产活动。

外骨骼支架作为整个支架系统的主体，驱动系统模块、呼吸系统模块及浮力系统模块均是依附在支架上的。由于支架支撑着整个水下活动系统，是整个系统的承载结构，其需满足一定的强度、刚度要求，因此，可采用铝合金等高强度材料。

外骨骼支架是一种框架结构，采用这种结构相对于实体结构，结构轻便，节省材料，有利于进一步集成其他系统。框架之间可一体成型或采用螺栓连接。可穿戴式框架结构的形状可采用背心式结构，其大小依据不同人员体型来制定。另外，为了使外骨骼支架在水中受阻力最小，还可结合仿生元素，设计成水下生物外形。外骨骼支架系统分为整体式结构和可调节式结构。整体式结构形状大小事先设计好，不能调节，但由于没有调节机构，整体结构相对简单；可调节式结构的支架系，这种结构设计有调节器，可调节支架的大小松紧程度，以适合不同体型的人穿着。

驱动系统模块是依附于外骨骼支架之上的，可根据动力驱动需求调整动力系统模块集成位置。可在可穿戴式支架上安装环形夹持装置，用于固定推进器。环形夹持装置通过连接杆可与支架主体保持一定的距离，这样在使用过程中可减少动力推进对人体的干扰。

本支架系统是一种开放式系统，即可实现人员水面游动也可实现水下潜水活动，根据实际需求可集成浮力系统和呼吸系统。由于该支架是框架式结构，系统集成过程中可改变造型并充分利用其空间，使得各功能模块集成后结构紧凑。当然，在设计过程中，还考虑到了人体重心位置、人的中性浮力以及整体结构受力状况，浮力系统集成过程中需具有维持人体水下的姿态的能力和浮力可调能力。

对于呼吸系统参考现有潜水装备的设计有两种连接形式可供选择：侧挂式和背挂式。侧挂式便于使用者操控气瓶阀和调节器，且由于有两个气瓶，可延长水下潜水时间。背挂式即将气瓶挂在后背上，是一种常见的挂法，采用这种挂法可充分利用后背空间。与其他集成的系统相同，呼吸系统同样是依附在支架上的，在气瓶所挂处的支架上可安装用于安放气瓶的环形夹持装置，环形夹持装置与气瓶直径大小相同，可采用强度高的螺钉连接，保证其可靠性。

本发明的特点：

(1)整合了呼吸装置、推进装置和浮力系统，保证了外骨骼在水下的可实施性；

(2)可采用高强度轻质铝合金支架结构，在保证了强度的同时，降低了整体结构的重量；

(3)推进器布局可根据需求进行调整，可实现1个、2个、3个或者更多个水下推进器布局，在保证具有足够推进力的同时实现人体姿态控制；

(4)集成的动力推进系统、呼吸装置以及浮力系统，可根据需求进行佩挂，如水面活动则无需外挂呼吸装置；

(5)可穿戴式支架系统在水下通过浮力作用可起到人体前后负载平衡，确保人体在支架内的空间不发生变化，提升人体可穿戴舒适性；

(6)可穿戴结构不仅使使用者方便，还能辅助使用者在水下的活动，节省体力，符合外骨骼装备的概念。

4、附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所使用的附图简单地介绍。显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图与结构。

图1支架主体结构图；

图2浮力材料布置示意图；

图3推进器夹持装置图；

图4气瓶夹持装置图；

图5支架系统功能结构集成图。

5、具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但是本发明并不限于以下实施例，由于该支架系统是可集成的，使用者可以根据自己的功能需求来确定系统的组成。

实施例：本发明旨在设计一种辅助人体在水下活动的外骨骼系统。该实施例采用的支架系统是可调节式支架系统，其具体结构包括：支架系统、推进器夹持装置、气瓶夹持装置、推进器、浮力系统等。

如图1所示的支架系统，所用材料为弧形铝合金和直线型铝合金板料，两端锻造成扁平状，且其上钻有螺纹孔。按如图1所示搭接成框架式结构，再用螺栓拧紧。所用螺栓为M5。另外，支架上方的方形孔和侧面的小圆孔是支架系统的调节器。将肩带穿过方形孔，可调节肩部的松紧程度。同时，有了肩带的支撑，可使得整个支架系统不下滑。方形调节板位于支架侧面，使用时，根据使用者人体型大小调节好孔的位置，再用销钉固定好，即可实现支架系统松紧程度的调节。

浮力材料可填充在支架的方框中提供恒定浮力，再配以充气装置实现浮力可调。所需填充的体积配重根据人体重心位置、人的中性浮力及整体结构受力分布情况来确定不同方框中浮力材料的量。浮力材料分布如图2所示，布置好浮力材料后，用防水布料将其缝合固定，防止浮力材料在使用过程中掉落。

如图3所示为推进器夹持装置，在支架下端左右两翼处延伸出一段铝合金支架，在支架上，采用螺栓连接的方式安装环形夹持装置，该夹持装置应与支架主体保持一段距离，以确保使用者在水下活动时不受推进器的干扰。将推进器安装在夹持装置上之后，用螺钉拧紧，螺钉采用M5。

如图4所示为气瓶夹持装置，该实施例采用的是气瓶背挂式，在支架主体背部安装与气瓶直径大小相同的环形夹持装置，用于固定气瓶。

整体支架系统结构形式如图5所示，使用者穿上外骨骼之后，通过调节肩带和侧面调节器，调节好大小。同时，连接好呼吸系统、推进器系统。在水下活动中，通过人体正常游泳姿态，辅助于浮力系统、呼吸系统和推进系统，可以实现水下活动能力增强、节省体力等。

Claims (5)

1.一种可穿戴式水下外骨骼支架系统，其特征在于：该支架系统包括支架系统、驱动系统、浮力系统和呼吸系统组成。

2.根据权利要求1所述的支架系统，其特征是：外骨骼支架是一种框架结构，框架之间可一体成型或采用螺栓连接。可穿戴式框架结构的形状采用背心式结构，其大小依据不同人员体型来制定。外骨骼支架系统分为整体式结构和可调节式结构。整体式结构形状大小事先设计好，不能调节，但由于没有调节机构，整体结构相对简单；可调节式结构的支架系，这种结构设计有调节器，可调节支架的大小松紧程度。

3.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征是：驱动系统模块是依附于外骨骼支架之上的，可根据动力驱动需求调整动力系统模块集成位置。在可穿戴式支架上安装环形夹持装置，用于固定推进器。

4.根据权利要求1所述的浮力系统，其特征是：由于该支架是框架式结构，系统集成过程中可改变造型并充分利用其空间，使得各功能模块集成后结构紧凑。在设计过程中，还考虑到了人体重心位置，人的中性浮力以及整体结构受力状况，浮力系统集成过程中需具有维持人体水下的姿态的能力和浮力可调能力。

5.根据权利要求1所述的呼吸系统，其特征是：呼吸系统的气瓶可采用侧挂式和背挂式。侧挂式便于使用者操控气瓶阀和调节器，且由于有两个气瓶，可延长水下潜水时间。背挂式即将气瓶挂在后背上，是一种常见的挂法，采用这种挂法可充分利用后背空间。与其他集成的系统相同，呼吸系统同样是依附在支架上的，在气瓶所挂处的支架上可安装用于安放气瓶的环形夹持装置，环形夹持装置与气瓶直径大小相同，可采用强度高的螺钉连接，保证其可靠性。