CN108555886A - 一种具有减振功能的工业外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有减振功能的工业外骨骼，包括背部安装有平衡机构的上部躯干支架，所述上部躯干支架的下部固定连接有髋关节；所述髋关节的一侧活动连接有阻尼减振机械臂，髋关节的左右两侧均活动连接有下肢组件。所述阻尼减振机械臂通过其中的阻尼减振组件降低工作过程中所受振动。所述下肢组件通过其中的大腿轴承及小腿轴承实现下肢高自由度运动。所述下肢组件上设置有腿部支护组件，所述腿部支护组件通过其中的可调气弹簧实现人体腰部及膝部的支撑。本使用新型具有能够吸收并缓冲工作过程中产生的振动、极大降低穿戴者受到的振动负荷、下肢组件高自由度、能灵活跟随穿戴人员的下肢移动、稳固支撑、有效保护工人腰部膝部的有益效果。

Description

一种具有减振功能的工业外骨骼

技术领域

本发明涉及工业机械外骨骼技术领域，具体的说，是一种具有减振功能的工业外骨骼。

背景技术

工业外骨骼是一种可穿戴的机械设备，主要应用于工业生产流水线上。工业外骨骼能够大幅减少工人在进行抬举工件时所需要的力量，提高工人的工作效率、减轻工人的负载并防止工人的肌肉骨骼受到损伤。

工业外骨骼与一般的助力外骨骼不同，工业外骨骼是通过相关的机械结构来实现帮助人体搬运、保护人体的无动力源装置；而助力外骨骼是通过某些动力单元给外骨骼供能，实现人机耦合，从而帮助穿戴者进行运动的装置。

工业外骨骼主要功能是配合工人进行工作、提升工作效率、保护工人的肌肉与骨骼。工业外骨骼上肢机械臂需要支撑的工具重量通常在10Kg以内，相对来说工业外骨骼上肢机械臂所受负荷比较小。传统的工业外骨骼的上肢机械臂考虑了工人在进行重物搬运、举持工件时所承受的纵向载荷，却忽视了工人在处于如铆接等特殊工况时，工人的手臂还将承受纵向及横向较大的振动。工人的手臂肌肉及骨骼长期承受振动，同样会对工人的身体健康产生巨大的影响。

传统的工业外骨骼在上肢机械臂部分具有足够的自由度，用以配合工人的工作。但是在传统工业外骨骼的下肢部分，却存在着自由度不足，工人下肢只能进行单一平面内的摆动的缺陷。不同的工人在进行流水线作业时拥有不同的动作习惯，工人的下肢在工作过程中所处的位置、运动状态都是随时发生变化的，特别是在工人的下肢需要进行扭转、偏摆等动作时，传统的工业外骨骼缺少足够自由度的下肢在一定程度上就限制了工人的动作。

经过检索，专利号为CN201611165523.7的中国发明专利申请了一种辅助搬运的全身助力外骨骼，其上肢机械臂组件仅考虑了工人手臂所受的纵向载荷，却忽视了工人的手臂在特殊工况下还受到纵向及横向的振动，并未考虑上肢机械臂的减振功能。同时，其下肢组件的大腿部件和髋关节的连接及小腿部件与踝关节的连接都是通过铰接实现，只能实现下肢在一个平面内的摆动，并不能实现下肢沿着下肢轴线的扭转、偏摆的功能，在穿戴者需要进行下肢扭转、偏摆时会妨碍下肢的运动。

综上所述，工业外骨骼在考虑一定的承载能力的前提下，其上肢机械臂还需要具备减振抗振、充分保护工人手臂肌肉及骨骼的功能；其下肢组件需要考虑配合人体进行灵活工作的自由度，特别是配合工人的下肢在沿着下肢轴线方向扭转、偏摆的自由度，不能妨碍工人的动作及操作。

因此，本发明针对传统工业外骨骼存在的不足，提出了一种具有减振功能的工业外骨骼。

发明内容

针对传统的工业外骨骼存在的不能有效减轻工作中产生的振动，下肢沿着下肢轴向方向扭转、偏摆自由度不足的缺陷，本发明的目的是在于提供一种具有减振功能的工业外骨骼，实现有效减轻工作中工人所受振动，下肢沿着下肢轴向方向转动、偏摆自由度充足的功能，具有有效减轻工人所受振动、灵活跟随工人下肢运动、不影响工人的移动的效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有减振功能的工业外骨骼，包括背部安装有平衡机构的上部躯干支架，所述上部躯干支架的下部固定连接有髋关节；所述髋关节的一侧活动连接有阻尼减振机械臂，髋关节的左右两侧端头均活动连接有下肢组件。

所述阻尼减振机械臂包括腰臂连接、中间连接块、夹持装置，所述中间连接块的左端铰接有左端阻尼减振组件，中间连接块的右端铰接有右端阻尼减振组件；所述左端阻尼减振组件的自由端与腰臂连接块的一端铰接，所述腰臂连接块的另一端铰接工业外骨骼；所述右端阻尼减振组件的自由端与夹持装置的底部卡接，所述夹持装置的顶部连接有工件；所述左端阻尼减振组件与右端阻尼减振组件的组成部件及结构相同。

所述阻尼减振组件包括前端定位块和后端定位块，所述前端定位块和后端定位块之间铰接有两根相互平行的连杆并组成平行四边形结构；所述前端定位块和后端定位块之间还连接有弹簧阻尼器；所述弹簧阻尼器的左端与前端定位块活动连接，弹簧阻尼器的右端与后端定位块铰接。

为了调节弹簧阻尼器的初始高度，优选地，所述前端定位块的中部还开设有调节安装孔，所述调节安装孔中安装有弹簧调整器。

为了增强弹簧阻尼器的振动吸能效果，优选地，所述弹簧阻尼器包括阻尼弹簧和可伸缩的调整杆，所述调整杆位于弹簧内部，调整杆的左端与弹簧调整器活动连接，调整杆的右端与所述后端定位块铰接。

为了调节云台框的高度、实现工具固定块的快速拆装，优选地，所述夹持装置包括连接套筒、云台框，所述连接套筒与右端阻尼减振组件的自由端卡接，所述云台框下部螺接于接套筒内，云台框上部卡接有工具固定块；所述工具固定块左右两侧设置有与云台框活动连接的卡接头。

为了实现工具的快速固定夹持，优选地，所述工具固定块包括上半圆箍、下半圆箍、固定圆环；所述下半圆箍为左右两侧带支柱的半圆结构，所述左右两侧的支柱上有箍接槽；所述上半圆箍左右两侧有与下半圆箍左右两侧的箍接槽相匹配的凸台；所述上半圆箍和下半圆箍组成的圆腔内箍紧安装有固定圆环；所述固定圆环的内壁上沿圆周均匀分布有若干个T形凸块，所述T形凸块上卡接安装有紧固头。

为了实现下肢组件沿着下肢周向方向自由转动、偏摆的功能，优选地，所述下肢组件包括大腿杆、小腿杆、踝关节、脚底板，所述大腿杆的上端通过大腿轴承与髋关节活动连接，大腿杆的下端与小腿杆的上端活动连接；所述小腿杆的下端通过小腿轴承与踝关节的上部活动连接；所述踝关节的底部还连接有脚底板，所述大腿杆与小腿杆之间还连接有腿部支护组件。

为了方便工人下肢的快速穿戴，优选地，所述下肢组件还包括大腿绑带和小腿绑带；所述大腿绑带安装于大腿杆上，所小腿绑带安装于小腿杆上。

为了在工人进行长时间固定不动、屈膝、弯腰的工况下保护工人的肌肉及骨骼，优选地，所述腿部支护组件包括固定于大腿杆上的第一气弹簧支架及固定于小腿杆上的第二气弹簧支架；所述第一气弹簧支架和第二气弹簧支架之间连接有可调气弹簧。

为了便捷调整下肢组件的高度，优选地，所述大腿杆为可伸缩结构，大腿杆上套装有大腿管夹用以调节大腿杆的伸缩；所述小腿杆围可伸缩结构，小腿杆上套装有小腿管夹用以调节小腿杆的伸缩。

为了便于工人进行外骨骼的穿戴，优选地，所述上部躯干支架包括第一背板、第二背板，所述第一背板的下部与第二背板的上部活动连接，所述第二背板的下部内侧固定连接有腰部固定带，所述第二背板的下部外侧与髋关节固定连接；所述腰部固定带与第一背板的上部内侧之间设置有柔性收束带；所述腰部固定带由柔性材料制备，腰部固定带远离背部一端为粘扣式结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明设置有活动连接在髋关节一侧的阻尼减振机械臂，所述阻尼减振机械臂通过连接销与髋关节一侧活动连接，在提供了足够的手臂自由度的同时，通过阻尼减振机械臂中的阻尼减振组件有效降低了工人在工作过程中受到的振动。相比于传统的工业外骨骼，本使用新型具有辅助支撑稳定、吸收并缓冲工作过程中产生的振动、极大降低穿戴者受到的振动负荷的有益效果。

（2）本发明设置有具备高自由度的下肢组件，通过大腿轴承与髋关节的铰接，小腿轴承与踝关节的铰接实现了下肢组件在单一平面内的自由摆动；通过大腿轴承及小腿轴承本身实现了下肢组件在下肢周向方向的转动、偏摆。相比于传统的工业外骨骼，本发明具有下肢组件自由度高、能灵活跟随穿戴人员的下肢移动、不影响工人下肢的移动的有益效果。

（3）本使用新型设置有安装于阻尼减振机械臂中的工具固定块，所述工具固定块包括上半圆箍、下半圆箍、固定圆环；所述下半圆箍为左右两侧带支柱的半圆结构，所述左右两侧的支柱上有箍接槽，左右两侧的支柱的末端设置有卡接头；所述上半圆箍左右两侧带有与下半圆箍左右两侧的箍接槽相匹配的凸台；所述上半圆箍和下半圆箍组成的圆腔内箍紧安装有固定圆环。所述固定圆环内壁上沿圆周均匀分布有若干个T形凸块，所述T形凸块上卡接安装有紧固头。相比于传统的工业外骨骼，本发明具有夹持支撑稳固、工件夹持支撑简便的有益效果。

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为阻尼减振机械臂结构示意图；

图4为阻尼减振组件结构示意图；

图5为下肢组件结构示意图；

图6为工具固定块结构示意图。

其中：1-上部躯干支架；11-第一背板；12-第二背板；13-柔性收束带；14-腰部固定带；2-阻尼减振机械臂；21-腰臂连接块；22-中间连接块；23-夹持装置；231-连接套筒；232-云台框；233-工具固定块；24-1-左端阻尼减振组件；24-2-右端阻尼减振组件；001-上半圆箍；002-下半圆箍；003-固定圆环；241-前端定位块；242-连杆；243-弹簧阻尼器；244-后端定位块；245-弹簧调整器；3-下肢组件；31-大腿轴承；32-大腿杆；33-腿部支护组件；34-小腿杆；35-小腿轴承；36-踝关节；37-脚底板；331-第一气弹簧支架；332-第二气弹簧支架；333-可调气弹簧；41-大腿绑带；42-大腿管夹；51-小腿绑带；52-小腿管夹；6-髋关节；7-平衡机构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明。

实施例1：

如图1-3所示，一种具有减振功能的工业外骨骼，包括背部安装有平衡机构7的上部躯干支架1，所述上部躯干支架1的下部固定连接有髋关节6；所述髋关节6的一侧活动连接有阻尼减振机械臂2，髋关节6的左右两侧端头均活动连接有下肢组件3。

所述阻尼减振机械臂2包括腰臂连接块21、中间连接块22、夹持装置23，所述中间连接块22的左端铰接有左端阻尼减振组件24-1，中间连接块22的右端铰接有右端阻尼减振组件24-2；所述左端阻尼减振组件24-1的自由端与腰臂连接块21的一端铰接，所述腰臂连接块21的另一端铰接工业外骨骼；所述阻尼减振组件24-2的自由端与夹持装置23的底部卡接，所述夹持装置23的顶部连接有工件；所述左端阻尼减振组件24-1与右端阻尼减振组件24-2的组成部件及结构相同；

所述左端阻尼减振组件24-1包括前端定位块241和后端定位块244，所述前端定位块241和后端定位块244之间铰接有两根相互平行的连杆242并组成平行四边形结构；所述前端定位块241和后端定位块244之间还连接有弹簧阻尼器243；所述弹簧阻尼器243的左端与前端定位块241活动连接，弹簧阻尼器243的右端与后端定位块244铰接。

原理及使用方法：

需要使用具有减振功能的工业外骨骼时，工人通过上部躯干支架1和下肢组件3进行工业外骨骼地穿戴。穿戴完成后，通过阻尼减振机械臂2对工件进行夹持或举升。阻尼减振机械臂2中的阻尼减振组件24能对工作过程中产生的振动进行有效的吸能减弱，保护工人免受振动的影响。阻尼减振组件24中的前端定位块241和后端定位块244以及两根平行连杆242组成的平行四边形结构，弹簧阻尼器243位于平行四边形结构的对角线处，从而能形成稳固的吸振结构，有效减轻振动。通过腰臂连接块21实现整个阻尼减振机械臂2的简便拆装。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图3和图4所示，所述前端定位块241的中部还开设有调节安装孔，所述调节安装孔中通过螺纹贯穿安装有弹簧调整器245；所述弹簧调整器245与弹簧阻尼器243的一端连接。所述弹簧阻尼器243包括阻尼弹簧和可伸缩的调整杆，所述调整杆位于弹簧内部，调整杆的一端与弹簧调整器245螺柱上的固定螺母连接。

在需要调节弹簧阻尼器243的初始高度时，旋转弹簧调整器245，使锝弹簧调整器245中的螺柱带动其上的固定螺母上下移动，固定螺母带动弹簧阻尼器243上下移动完成初始高度地调节。弹簧阻尼器243分为外部的弹簧和内部的可伸缩调整杆，在振动传导至弹簧阻尼器243时，弹簧和可伸缩调整杆均发生拉长和收缩的形变，能够更为有效地吸收振动。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图1、图3、图6所示，所述夹持装置23包括连接套筒231、云台框232，所述连接套筒231与右端阻尼减振组件24的自由端卡接，所述云台框232下部螺接于接套筒内231，云台框232上部卡接有工具固定块233；所述工具固定块233左右两侧设置有与云台框232连接的卡接头。

所述工具固定块233包括上半圆箍001、下半圆箍002、固定圆环003；所述下半圆箍002为左右两侧带支柱的半圆结构，所述左右两侧的支柱上有箍接槽；所述上半圆箍001左右两侧有与下半圆箍002左右两侧的箍接槽相匹配的凸台；所述上半圆箍001和下半圆箍002组成的圆腔内箍紧安装有固定圆环003；所述固定圆环003的内壁上沿圆周均匀分布有若干个T形凸块，所述T形凸块上卡接安装有紧固头。

云台框232下部螺接于连接套筒231内，通过调节螺纹可实现云台框232的上下高度调节，同时不干涉云台框232的转动。将下半圆箍002卡接至云台框232，将上半圆箍001与下半圆箍002卡接并在圆形箍腔内装入固定圆环003，实现工具固定块233地快速安装。根据夹持工件外轮廓的不同，更换相匹配的紧固头并将紧固头快速卡装如固定圆环003内壁上周向分布的T形块上，实现工件地快速稳固夹持。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1的基础上做进一步优化，如图5所示，所述下肢组件3包括大腿杆32、小腿杆34、踝关节36、脚底板37，所述大腿杆32的上端通过大腿轴承31与髋关节6活动连接，大腿杆32的下端与小腿杆34的上端活动连接；所述小腿杆34的下端通过小腿轴承35与踝关节36的上部活动连接；所述踝关节36的底部还连接有脚底板37，所述大腿杆32与小腿杆34之间还连接有腿部支护组件33。

所述大腿杆32为可伸缩结构，大腿杆32上套装有大腿管夹42用以调节大腿杆32的伸缩；所述小腿杆34围可伸缩结构，小腿杆34上套装有小腿管夹52用以调节小腿杆34的伸缩。通过调节大腿管夹42及小腿管夹52，实现可伸缩大腿杆32及可伸缩小腿杆34的长度调节，以适应不同的高度。

所述大腿杆32上还安装有大腿绑带41；所述小腿杆34上还安装有小腿绑带51，更便于工人下肢穿戴时的固定。

本实施例的其他部分与实施例1和实施例2相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有减振功能的工业外骨骼，包括背部安装有平衡机构（7）的上部躯干支架（1），其特征在于，所述上部躯干支架（1）的下部固定连接有髋关节（6）；所述髋关节（6）的一侧活动连接有阻尼减振机械臂（2），髋关节（6）的左右两侧端头均活动连接有下肢组件（3）；

所述阻尼减振机械臂（2）包括腰臂连接块（21）、中间连接块（22）、夹持装置（23），其特征在于，所述中间连接块（22）的左端铰接有左端阻尼减振组件（24-1），中间连接块（22）的右端铰接有右端阻尼减振组件（24-2）；所述左端阻尼减振组件（24-1）的自由端与腰臂连接块（21）的一端铰接；所述右端阻尼减振组件（24-2）的自由端与夹持装置（23）的底部卡接；所述左端阻尼减振组件（24-1）与右端阻尼减振组件（24-2）的组成部件及结构相同；

所述左端阻尼减振组件（24-1）包括前端定位块（241）和后端定位块（244），所述前端定位块（241）和后端定位块（244）之间铰接有两根相互平行的连杆（242）并组成平行四边形结构；所述前端定位块（241）和后端定位块（244）之间还连接有弹簧阻尼器（243）；所述弹簧阻尼器（243）的左端与前端定位块（241）活动连接，弹簧阻尼器（243）的右端与后端定位块（244）铰接。

2.根据权利要求1所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述下肢组件（3）包括大腿杆（32）、小腿杆（34）、踝关节（36）、脚底板（37），所述大腿杆（32）的上端通过大腿轴承（31）与髋关节（6）活动连接，大腿杆（32）的下端与小腿杆（34）的上端活动连接；所述小腿杆（34）的下端通过小腿轴承（35）与踝关节（36）的上部活动连接；所述踝关节（36）的底部还连接有脚底板（37），所述大腿杆（32）与小腿杆（34）之间还连接有腿部支护组件（33）。

3.根据权利要求2所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述下肢组件（3）还包括大腿绑带（41）和小腿绑带（51）；所述大腿绑带（41）安装于大腿杆（32）上，所小腿绑带（51）安装于小腿杆（34）上。

4.根据权利要求2所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述腿部支护组件（33）包括固定于大腿杆（32）上的第一气弹簧支架（331）及固定于小腿杆（34）上的第二气弹簧支架（332）；所述第一气弹簧支架（331）和第二气弹簧支架（332）之间连接有可调气弹簧（333）。

5.根据权利要求2所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述大腿杆（32）为可伸缩结构，大腿杆（32）上套装有大腿管夹（42）用以调节大腿杆（32）的伸缩；所述小腿杆（34）围可伸缩结构，小腿杆（34）上套装有小腿管夹（52）用以调节小腿杆（34）的伸缩。

6.根据权利要求1所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述前端定位块（241）的中部还开设有调节安装孔，所述调节安装孔中安装有弹簧调整器（245）；所述弹簧调整器（245）与弹簧阻尼器（243）的左端活动连接。

7.根据权利要求6所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述弹簧阻尼器（243）包括阻尼弹簧和可伸缩的调整杆，所述调整杆位于弹簧内部，调整杆的左端与弹簧调整器（245）活动连接，调整杆的右端与所述后端定位块（244）铰接。

8.根据权利要求1所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述夹持装置（23）包括连接套筒（231）、云台框（232），所述连接套筒（231）与右端阻尼减振组件（24-2）的自由端卡接，所述云台框（232）下部螺接于接套筒内（231），云台框（232）上部卡接有工具固定块（233）；所述工具固定块（233）左右两侧设置有与云台框（232）活动连接的卡接头。

9.根据权利要求8所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述工具固定块（233）包括上半圆箍（001）、下半圆箍（002）、固定圆环（003）；所述下半圆箍（002）为左右两侧带支柱的半圆结构，所述左右两侧的支柱上有箍接槽；所述上半圆箍（001）左右两侧有与下半圆箍（002）左右两侧的箍接槽相匹配的凸台；所述上半圆箍（001）和下半圆箍（002）组成的圆腔内箍紧安装有固定圆环（003）；所述固定圆环（003）的内壁上沿圆周均匀分布有若干个T形凸块，所述T形凸块上卡接安装有紧固头。

10.根据权利要求1所述的一种具有减振功能的工业外骨骼，其特征在于，所述上部躯干支架（1）包括第一背板（11）、第二背板（12），所述第一背板（11）的下部与第二背板（12）的上部活动连接，所述第二背板（12）的下部内侧固定连接有腰部固定带（14），所述第二背板（12）的下部外侧与髋关节（6）固定连接；所述腰部固定带（14）与第一背板（11）的上部内侧之间设置有柔性收束带（13）；所述腰部固定带（14）由柔性材料制备，腰部固定带（14）远离背部一端为粘扣式结构。