CN110815186B - 一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构 - Google Patents

一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构 Download PDF

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Abstract

一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,包括主动式手臂助力模块、主动式肩部助力模块和可调节式背部模块;可调节式背部模块顶部左右对称设置有主动式肩部助力模块且与主动式肩部助力模块一端相连,主动式肩部助力模块另一端分别连接有主动式手臂助力模块。本发明能够使救援人员快速穿戴该单人救援设备进行救援,具有简单快速、省时省力的特点。

Description

一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,特别涉及一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构。
背景技术
装甲车是军事行动中常用的一种交通工具。因为其车体稳定性高,车身强度大,以及动力输出大,装甲车可以实现很强的越野机动性能,并且可以抵挡一定强度的炮弹轰击,所以在军事领域广泛运用。
如果车身遭受较强的炮弹轰击,车身受到的震动、冲击以及热量会使得车体变形,进而会使得舱内的驾驶员受伤。当受伤的驾驶员不能独立逃离舱体时,这时就需要外部人员的救助,但是装甲车坚固的车身又难以破坏,因此必须采用工具进行救援。
传统救助伤员的方式是采用绳索、滑轮以及支架等器械,靠多人的相互配合进行人力救援。但是在救援过程中可能由于绳索受力不均匀和支架的震动摇晃造成伤员的二次伤害,并且传统救援设备大多笨重且体积庞大,需要多人配合完成救援任务,难度很大,通过大型起重设备进行救援会使得救援过程复杂,费时费力,错过最佳抢救时间。
发明内容
为了解决以上技术问题,本发明的目的在于提供一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,能够使救援人员快速穿戴该单人救援设备进行救援,具有简单快速、省时省力的特点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,包括主动式手臂助力模块1、主动式肩部助力模块2和可调节式背部模块3;可调节式背部模块3顶部左右对称,且与主动式肩部助力模块2一端相连,主动式肩部助力模块2另一端分别连接有主动式手臂助力模块1。
所述主动式手臂助力模块1包括前钩101,前钩101通过前钩连接块前轴承119与前钩连接块118连接,前钩连接块118通过前钩连接块后轴承102与小臂前板103连接到一起,把手117通过螺栓直接连接到小臂前板103上,小臂前板103和小臂后板105通过小臂调节套104连接,小臂前板103和小臂后板105放置到小臂调节套104的滑槽中实现小臂长度的调节,并通过小臂调节套104上对应的螺纹孔进行固定,小臂后板105的中间位置连接肘部铰接座106,并用螺栓通过4个通孔来固定,肘部铰接座106通过肘部连接块109、肘部铰接座轴承107与大臂前板110铰接,大臂前板110与大臂后板114通过大臂调节套113连接,大臂护具115连接到大臂调节套113的中间位置。
所述的前钩101前端是一个呈勾状的板型零件,后接一个圆形连接环,通过铣削和钻孔加工而成。
所述的小臂调节套104类似于型材,截面呈C型的长条零件,C型的凹槽用于放置前后板,并在小臂调节套104的侧面和上下面打了一些螺纹孔和通孔。
所述的小臂护具116呈圆弧状,截面为光滑的C型结构,可以靠在人体小手臂外侧,侧面引出含有通孔的凸台,可以连接到小臂调节套104的中间位置,用于保护人体的小臂。
所述主动式手臂助力模块1的主动助力部分包括大臂推杆111,通过大臂推杆底座112固定到大臂前板110上,在大臂推杆111可以伸缩的长杆部分,通过塞打螺丝铰接到大臂推杆铰接块108上,大臂推杆铰接块108紧固在小臂后板105的后端。
所述的大臂推杆111由不规则的底座、可伸缩的圆柱形推杆、以及内部的丝杠齿轮和电路控制器构成。
所述的大臂前板110是长方体状的板型零件,厚度为10mm,强度足够,在板的后面有两个平行的梯形凸台,用于限制其他连接件在手臂方向的移动,实现定位,同时在大臂前板110侧面钻了一些平行的通孔和螺纹孔,
所述主动式肩部助力模块2包括装配于大臂后板114中间位置的肩部铰接座202,肩部铰接座202通过肩部铰接座轴承203与肩部连接块204连接,肩部连接块204通过螺栓与肩部板205固定,肩部板205左右对称设置,左右两边的肩部板205通过肩部调节套206连接,肩部板205和肩部调节套206上均设有相对应的若干个螺纹孔,通过肩部板205在肩部调节套206的凹槽内滑动改变相对位置,可根据穿戴者的肩部尺寸调节不同的螺纹孔的位置进行固定,从而调节外骨骼肩部尺寸大小。
所述的大臂后板114用螺栓通过上面的4个螺纹孔固定肩部铰接座202。
所述的肩部板205是长方体状的板型零件,厚度为10mm,强度足够,在板的后面有两个平行的梯形凸台,用于限制其他连接件在手臂方向的移动,实现定位。
所述主动式肩部助力模块2的主动助力部分包括肩部推杆208,肩部推杆208尾部通过螺栓与肩部推杆底座207连接,肩部推杆底座207需要固定在肩部板205的中间部分,在肩部推杆208可以伸缩的前端长杆部分,通过塞打螺丝铰接到肩部推杆铰接块201上,然后肩部推杆铰接块201连接在大臂后板114的后端,用螺栓通过上面的4个螺纹孔将肩部推杆铰接块201和大臂后板114固定。
所述的肩部推杆208由不规则的底座、可伸缩的圆柱形推杆、以及内部的丝杠齿轮和电路控制器构成。
所述的肩部推杆底座207是Z型的块状零件,一边连接在推杆底座207,另一边连接在肩部板205,Z型结构为了更好地连接零件。
所述可调节式背部模块3包括上背条301,上背条301可以穿过肩部调节套206和肩部推杆底座207之间的间隙,并安装到肩部调节套206的背面,上背条301和下背条304通过背部调节套302连接,所述的背部调节套302上设置有多个孔缝,通过螺栓穿过背条301上的光孔和背部调节套302上的孔缝并固定,背部挡板303固定到背部调节套302的正面。
本发明的有益效果:
本发明所提供的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,包括主动式手臂助力模块、主动式肩部助力模块和可调节式背部模块三部分组成。一方面,该上肢外骨骼结构简单,质量较轻,可以减少救援者穿戴过程的时间,操作简单快速,同时上肢外骨骼结构的手臂部分可以折叠弯曲,容易收纳,减少占地面积;另一方面,与现有的绳索、滑轮以及支架的救援方式相比,此方案可随救援者穿戴并方便携带至受损的装甲车顶部,极大地提高了救援工作的效率,而且该上肢外骨骼结构会通过下肢外骨骼安装到地面,人体不会承受额外的外骨骼质量,只要保证人用按键控制外骨骼手臂和肩部的推杆移动,就可以很好的实现救助伤员的任务。
外骨骼的主动式手臂助力模块是整个救援外骨骼机器人上肢结构中最重要的一部分,该模块中的两个前钩可以用于挂住目标伤员,具体可以让伤员穿上一种专用保护背心,然后让前钩挂在背心上,这样来减少伤员在救助过程中受到的压强。由于在水平情况下,主动式手臂助力模块只能在水平面移动,竖直方向限位,当救援者弯腰将目标伤员挂住时,伤员的重力不会使得主动式手臂助力模块的肘部弯曲,而是通过手臂、肩部、背部外骨骼,然后再通过下肢外骨骼,将伤员的重力传导到地上,这样可以减轻救援者承受的力量。当救援者将伤员从装甲车的内部通过天窗抬升到装甲车顶部时,可以控制大臂推杆的伸出,将伤员水平向前推离天窗位置,然后弯腰将伤员放于装甲车顶部位置,等待下一步救援。
外骨骼的主动式肩部助力模块与主动式手臂助力模块有点类似,通过控制肩部推杆的伸缩,来调节外骨骼大臂的旋转,可以增强外骨骼的适应性,更好的保证救援任务。
主动式手臂助力模块和主动式肩部助力模块使得外骨骼的两侧手臂各有两个自由度,并且都是通过有动力的推杆实现,这样可以节省救援者的体力,提高了机械臂的灵活性,同时也提高了救援的效率。并且外骨骼的小臂、大臂的长度以及肩部的宽度都是可以通过调节套来调节,来适应不同的救援者的体型,增强了外骨骼的适应性。
外骨骼的可调节式背部模块可以通过改变螺栓在孔缝上的位置可以调节背条的伸出长度,从而调节外骨骼背部尺寸大小,背部挡板用于支撑人体的背部受力,并增大与人体背部的接触面积,保证救援过程中受力的均匀和稳定。
本发明整个外骨骼机器人上肢结构采用电动推杆主动助力,使得救援者能够快速穿戴外骨骼机器人并到达施救装甲车顶部开展救援工作,穿戴本套救援装置开展救援任务可由单人独自完成,并且绝大部分的用力通过电动推杆实现,达到简单快速、省时省力的特点。
附图说明
图1是主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构整体示意图。
图2是主动式手臂助力模块结构示意图。
图3是主动式肩部助力模块结构示意图。
图4是可调节式背部结构示意图。
附图标记如下:101前钩,102前钩连接块后轴承,103小臂前板,104小臂调节套,105小臂后板,106肘部铰接座,107肘部铰接座轴承,108大臂推杆铰接块,109肘部连接块,110大臂前板,111大臂推杆,112大臂推杆底座,113大臂调节套,114大臂后板,115大臂护具,116小臂护具,117把手,118前钩连接块,119前钩连接块前轴承。
201肩部推杆铰接块,202肩部铰接座,203肩部铰接座轴承,204肩部连接块,205肩部板,206肩部调节套,207肩部推杆底座,208肩部推杆。
301上背条,302背部调节套,303背部挡板,304下背条。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1,该发明专利针对主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构进行设计,包括主动式手臂助力模块、主动式肩部助力模块和可调节式背部模块。
主动式手臂助力模块和主动式肩部助力模块通过螺栓穿过大臂后板114的孔,将其与肩部推杆铰接块201和肩部铰接座202连接,主动式肩部助力模块和可调节式背部模块通过上背条301和肩部调节套206连接,具体是上背条301可以穿过肩部调节套206和肩部推杆底座207之间的间隙,并安装到肩部调节套206的背面。
参见图2,所述主动式手臂助力模块包括前钩101,该结构位于手臂结构最前端,前钩101通过前钩连接块前轴承119与前钩连接块118连接,并通过塞打螺丝紧固,使其实现一个自由度的旋转,前钩连接块118又通过前钩连接块后轴承102与小臂前板103连接到一起,并通过塞打螺丝紧固,同样实现一个自由度的旋转,在重力作用下,前钩101自然下垂,相对于小臂前板103实现两个自由度的摆动,可以用于挂起目标物,把手117通过螺栓直接连接到小臂前板103的前部,用于人手抓握在把手117上来维持人体平衡并操作外骨骼运动,小臂前板103和小臂后板105通过小臂调节套104连接,并且可以根据实际情况调节外骨骼小臂的长度,小臂护具116安装到小臂调节套104的中间位置,用于保护人体的小手臂,肘部铰接座106安装在小臂后板105的中间位置,大臂前板110通过肘部连接块109、肘部铰接座轴承107与肘部铰接座106铰接,实现外骨骼肘部的弯曲功能,大臂前板110与大臂后板114通过大臂调节套113连接,实现大臂长度可调的功能,可以根据实际情况调节外骨骼大臂的长度,大臂护具115安装到大臂调节套113的中间位置,用于保护人体的大手臂。
所述主动式手臂助力模块的主动助力部分包括大臂推杆111,尾端通过大臂推杆底座112连接到大臂前板110上,在大臂推杆111的前端,通过塞打螺丝铰接到大臂推杆铰接块108上,然后大臂推杆铰接块108紧固在小臂后板105的后端,通过按键控制大臂推杆111的伸长和缩短,可以推动大臂推杆铰接块108的前进和后退,进而带动肘部铰接座106和肘部连接块109的相对旋转,使得外骨骼肘部可以进行主动弯曲运动。
由于在水平情况下,主动式手臂助力模块只能在水平面移动,竖直方向限位,当救援者弯腰将目标伤员挂住时,伤员的重力不会使得主动式手臂助力模块的肘部弯曲,而是通过手臂、肩部、背部外骨骼,然后再通过下肢外骨骼,将伤员的重力传导到地上,这样可以减轻救援者承受的力量。当救援者将伤员从装甲车的内部通过天窗抬升到装甲车顶部时,可以控制大臂推杆的伸出,将伤员水平向前推离天窗位置,然后弯腰将伤员放于装甲车顶部位置,等待下一步救援。
参见图3,所述主动式肩部助力模块包括安装于大臂后板114中间位置的肩部铰接座202,肩部铰接座202通过肩部铰接座轴承203与肩部连接块204连接,连接方式是用塞打螺丝依次通过各自的内孔并用螺母在另一端拧紧,保证只有一个旋转的自由度,肩部板205通过螺栓与肩部连接块204固定,主动式肩部助力模块整体结构对称,左右两边的肩部板205通过肩部调节套206连接,并且可以根据实际情况调节外骨骼肩部的宽度。
所述主动式肩部助力模块的主动助力部分包括肩部推杆208,其尾部与肩部推杆底座207连接并固定在肩部板205的中间部分,从而保证肩部推杆208的稳定性,在肩部推杆208的前部,通过塞打螺丝铰接到肩部推杆铰接块201上,然后肩部推杆铰接块201安装在大臂后板114的后端,通过按键控制肩部推杆208的伸长和缩短,可以推动肩部推杆铰接块201的前进和后退,进而带动肩部铰接座202和肩部连接块204的相对旋转,使得外骨骼肩部可以进行主动弯曲伸展运动。主动式手臂助力模块和主动式肩部助力模块使得外骨骼的两侧手臂各有两个自由度,并且都是通过有动力的推杆实现,这样可以节省救援者的体力,提高了机械臂的灵活性,同时也提高了救援的效率。并且外骨骼的小臂、大臂的长度以及肩部的宽度都是可以通过调节套来调节,来适应不同的救援者的体型,增强了外骨骼的适应性。
所述的肩部推杆208由不规则的底座、可伸缩的圆柱形推杆、以及内部的丝杠齿轮和电路控制器构成,行程比大臂推杆111短一些。
所述的肩部推杆底座207是Z型的块状零件,一边连接在推杆底座,另一边连接在肩部板,Z型结构为了更好得连接零件,防止干涉。
参见图4,所述可调节式背部模块整体结构对称,包括上背条301,上背条301可以穿过肩部调节套206和肩部推杆底座207之间的间隙,并安装到肩部调节套206的背面,上背条301和下背条304通过背部调节套302连接,由于背部调节套302上有很多孔缝,可以用螺栓穿过背条上的光孔和背部调节套302上的孔缝并固定,通过改变螺栓在孔缝上的位置可以调节背条301的伸出长度,从而调节外骨骼背部尺寸大小,背部挡板303固定到背部调节套302的正面,用于支撑人体的背部受力,并增大与人体背部的接触面积,保证救援过程中受力的均匀和稳定。

Claims (7)

1.一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,包括主动式手臂助力模块(1)、主动式肩部助力模块(2)和可调节式背部模块(3);可调节式背部模块(3)顶部左右对称设置有主动式肩部助力模块(2)且与主动式肩部助力模块(2)一端相连,主动式肩部助力模块(2)另一端分别连接有主动式手臂助力模块(1);
所述主动式手臂助力模块(1)包括前钩(101),前钩(101)通过前钩连接块前轴承(119)与前钩连接块(118)连接,前钩连接块(118)通过前钩连接块后轴承(102)与小臂前板(103)连接到一起,把手(117)通过螺栓直接连接到小臂前板(103)上,小臂前板(103)和小臂后板(105)通过小臂调节套(104)连接,小臂前板(103)和小臂后板(105)放置到小臂调节套(104)的滑槽中实现小臂长度的调节,并通过小臂调节套(104)上对应的螺纹孔进行固定,小臂后板(105)的中间位置连接肘部铰接座(106),并用螺栓通过4个通孔来固定,肘部铰接座(106)通过肘部连接块(109)、肘部铰接座轴承(107)与大臂前板(110)铰接,大臂前板(110)与大臂后板(114)通过大臂调节套(113)连接,大臂护具(115)连接到大臂调节套(113)的中间位置;
所述主动式肩部助力模块(2)包括装配于大臂后板(114)中间位置的肩部铰接座(202),肩部铰接座(202)通过肩部铰接座轴承(203)与肩部连接块(204)连接,肩部连接块(204)通过螺栓与肩部板(205)固定,肩部板(205)左右对称设置,左右两边的肩部板(205)通过肩部调节套(206)连接,肩部板(205)和肩部调节套(206)上均设有相对应的若干个螺纹孔,通过肩部板(205)在肩部调节套(206)的凹槽内滑动改变相对位置,可根据穿戴者的肩部尺寸调节不同的螺纹孔的位置进行固定,从而调节外骨骼肩部尺寸大小;
所述主动式肩部助力模块(2)的主动助力部分包括肩部推杆(208),肩部推杆(208)尾部通过螺栓与肩部推杆底座(207)连接,肩部推杆底座(207)需要固定在肩部板(205)的中间部分,在肩部推杆(208)可以伸缩的前端长杆部分,通过塞打螺丝铰接到肩部推杆铰接块(201)上,然后肩部推杆铰接块(201)连接在大臂后板(114)的后端,用螺栓通过大臂后板(114)上4个螺纹孔将肩部推杆铰接块(201)和大臂后板(114)固定;
所述的肩部推杆(208)由不规则的底座、可伸缩的圆柱形推杆、以及内部的丝杠齿轮和电路控制器构成;
所述的肩部推杆底座(207)是Z型的块状零件,一边连接在推杆底座(207),另一边连接在肩部板(205),Z型结构为了更好的 连接零件。
2.根据权利要求1所述的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,所述的前钩(101)前端是一个呈勾状的板型零件,后接一个圆形连接环,通过铣削和钻孔加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,所述的小臂调节套(104)为型材,截面呈C型的长条零件,C型的凹槽用于放置前后板,并在小臂调节套(104)的侧面和上下面打了一些螺纹孔和通孔。
4.根据权利要求1所述的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,所述小臂调节套(104)的中间位置安装小臂护具(116),所述的小臂护具(116)呈圆弧状,截面为光滑的C型结构,可以靠在人体小手臂外侧,侧面引出含有通孔的凸台,可以连接到小臂调节套(104)的中间位置,用于保护人体的小手臂。
5.根据权利要求1所述的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,所述主动式手臂助力模块(1)的主动助力部分包括大臂推杆(111),通过大臂推杆底座(112)固定到大臂前板(110)上,在大臂推杆(111)可以伸缩的长杆部分,通过塞打螺丝铰接到大臂推杆铰接块(108)上,大臂推杆铰接块(108)紧固在小臂后板(105)的后端;
所述的大臂推杆(111)由不规则的底座、可伸缩的圆柱形推杆、以及内部的丝杠齿轮和电路控制器构成;
所述的大臂前板(110)是长方体状的板型零件,厚度为10mm,在板的后面有两个平行的梯形凸台,用于限制其他连接件在手臂方向的移动,实现定位,同时在大臂前板(110)侧面钻了一些平行的通孔和螺纹孔。
6.根据权利要求1所述的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,所述的大臂后板(114)用螺栓通过大臂后板(114)上的4个螺纹孔固定肩部铰接座(202);
所述的肩部板(205)是长方体状的板型零件,厚度为10mm,强度足够,在板的后面有两个平行的梯形凸台,用于限制其他连接件在手臂方向的移动,实现定位。
7.根据权利要求1所述的一种主动助力装甲车救援外骨骼机器人上肢结构,其特征在于,所述可调节式背部模块(3)包括上背条(301),上背条(301)可以穿过肩部调节套(206)和肩部推杆底座(207)之间的间隙,并安装到肩部调节套(206)的背面,上背条(301)和下背条(304)通过背部调节套(302)连接,所述的背部调节套(302)上设置有多个孔缝,通过螺栓穿过上 背条(301)上的光孔和背部调节套(302)上的孔缝并固定,背部挡板(303)固定到背部调节套(302)的正面。
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