CN112318489B - 一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置 - Google Patents

Abstract

一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，包括矩形块，矩形块左侧有U型槽，U型槽左侧有弧形板，矩形块上端有滑块，滑块上有竖杆，竖杆间有第一板体，最上侧第一板体有四组手指助力部，手指助力部包括关节块，关节块上端连接连接块，连接块上端有爪部，关节块铰接处以及关节块与连接块间有液压助力转动组件，关节块上有指关节固定结构，第一板体上有手掌固定结构，还包括液压控制器。本发明通过手掌固定结构将手掌固定在数块第一板体侧部，通过指关节固定结构将手指（拇指除外）固定在对应的手指助力部上，将小臂卡入U型槽内，本装置可快速更换不同使用方法，位于手的不同侧以适应不同的使用场景，功能强大，适用于作战、救援、工程等不同情境。

Description

一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置

技术领域

本发明属于外骨骼技术领域，具体地说是一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置。

背景技术

随着技术的发展，科技与机械的力量帮助人们完成一些人力无法完成的事情，全面的机械外骨骼或称动力外骨骼（Poweredexoskeleton），是一种由钢铁的框架构成并且可让人穿上的机器装置，这个装备可以提供额外能量来供四肢运动。然而一些场景下并不需要完整的机械外骨骼，一些小型的穿戴式外骨骼对人们的帮助也是很显著，现有的外骨骼结构过于复杂，且穿戴方式单一，功能单一，不适合低成本推广使用，缺点明显。

发明内容

本发明提供一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，用以解决现有技术中的缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，包括矩形块，矩形块的左侧面开设上下通透且开口朝左侧的U型槽，U型槽左侧开口设有弧形板，弧形板的后端与U型槽开口后侧铰接连接，弧形板的前端固定安装固定带，固定带内侧面固定安装魔术贴勾面，矩形块前侧面固定安装魔术贴绵面，魔术贴勾面与魔术贴绵面黏贴配合，弧形板朝向U型槽的侧面固定安装弧形固定块，弧形固定块与U型槽能将使用者手臂夹住，矩形块的上端前后两侧对称固定安装滑轨，滑轨设置为左右方向，滑轨上均配合安装滑块，滑块上侧均固定安装竖杆，两根竖杆之间设有数个上下均布的且依次首尾铰接连接的第一板体，最下侧的第一板体左右两侧均安装有插杆，竖杆内侧开设插槽，插杆的外端插入到对应的插槽内，最上侧的第一板体延其长度方向设有四组手指助力部，手指助力部均包括上下分布的三根依次首尾铰接连接的关节块，最上侧的关节块上端铰接连接连接块，连接块的上端安装爪部，相邻的两个关节块铰接处以及最上侧的关节块与连接块之间均安装有液压助力转动组件，液压助力转动组件能主动带动相邻的两个关节块以及最上侧的关节块与连接块绕对应的铰接连接处转动，最下侧的关节块与最上侧的第一板体顶部铰接连接，关节块上均设置指关节固定结构，除最下侧的第一板体外的其余所有第一板体上均设置手掌固定结构；还包括液压控制器，液压控制器与液压助力转动组件相连。

如上所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，所述的液压助力转动组件包括两根液压杆、第一液压油管、两个凹槽和第二液压油管，关节块与连接块铰接端一侧均开设凹槽，凹槽内均固定安装液压杆，属于同一液压助力转动组件的两根液压杆的活动杆端部铰接连接，属于同一液压助力转动组件的两根液压杆的缸体之间通过第一液压油管相连，上下相邻的不属于同一液压助力转动组件的两根液压杆的缸体之间通过第二液压油管相连，位于最下侧的液压杆的缸体通过第三液压油管与液压控制器相连。

如上所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，最下侧所述的第一板体中部开设第一通孔，第一通孔内设有椭圆板，第一通孔的前后两端均固定安装圆形盖，圆形盖内侧面与椭圆板相邻的板面接触配合，椭圆板两侧板面中间均开设长条槽，圆形盖对应长条槽处开设第二通孔，第一通孔与第一板体的两端之间开设第三通孔，插杆安装在对应的第三通孔内，插杆上套装弹簧，弹簧的一端与对应的插杆侧部固定连接，弹簧的另一端与对应的第三通孔内壁固定连接，竖杆的内侧开设长条导向槽，长条导向槽内壁开设数个等距分布的插槽，插杆的内端与椭圆板外周接触配合，插杆的外端与对应的插槽插接配合。

如上所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，所述的关节块侧部开设两个竖向的第一长条孔，两个第一长条孔内穿过同一根指关节绑带，除最下侧之外的第一板体上靠近两端处均开设竖向的第二长条孔，两个第二长条孔内穿过同一根手掌绑带。

如上所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，所述的矩形块上端通过拉绳连接拇指套组件，拇指套组件包括拇指近节指套和拇指远节指套，拇指近节指套和拇指远节指套铰接连接，拇指近节指套远离铰接的侧部固定安装拉力传感器，拇指远节指套远离铰接的侧部通过弹力绳与拉力传感器的连接端固定连接，拉力传感器与液压控制器相连，拇指远节指套的末端固定安装旋转插板。

如上所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，所述的连接块上端与爪部通过螺纹连接。

本发明的优点是：本发明使用时，使用者通过手掌固定结构将手掌固定在数块第一板体侧部，通过指关节固定结构将手指（拇指除外）固定在对应的手指助力部上，将小臂卡入U型槽内，使魔术贴勾面与魔术贴绵面黏贴配合，此时通过弧形固定块与U型槽能将使用者手臂夹住，完成本发明与手部的配合安装，每个手指的不同指节对应相应的关节块，关节块根据指节长度进行相应设计，液压助力转动组件能主动带动相邻的两个关节块以及最上侧的关节块与连接块绕对应的铰接连接处转动，通过本发明具有两种使用状态，第一种是将手部固定在第一板体及手指助力部的内侧，此时第一板体及手指助力部贴合在手背和手指的外侧，此时适用于既要增强使用者手部力量的同时又需要手指皮肤感知的情景，例如攀爬、使用大型设备时，既要增加手部力量，又要需要感知设备的状态、抓取物的硬度等，此时本装置位于手背侧，属于外披助力骨骼，攀爬时还能避免高空落物对手背及手指的砸伤，例如消防员攀爬梯子、楼房时，起到保护作用，此时爪部长出手指，液压助力转动组件单独驱动安装爪部的连接块，利用爪部可以手指的勾力，在攀爬时即使手指失去与物体的抓力，利用爪部的勾力也可保证使用者不会坠落；另一种状态是将滑块移动到滑轨靠近U型槽开口的一端，第一板体及四组手指助力部随之移动，重新穿戴本发明，此时将手掌固定在第一板体的另一侧，将手指固定在手指助力部的另一侧，此时第一板体贴在使用者手部的手心侧，手指助力部固定在手指的内侧，此时使用者佩戴本装置时，抓取物体时通过关节块、第一板体、爪部与所抓的物体直接接触，肉体不与物体直接接触，此时就可以应用于抓取不宜直接与肉体接触的物品的抓取工作，例如具有高温、腐蚀性等特点的物品，关节块、第一板体、爪部可以选用导热系数低的材料制成，避免烫伤，使用者这样佩戴本装置还可以消防、作战、救援等不同场景中的树木、房屋、岩体等的攀爬，重物的搬运，可以增加手部的抓握力，避免抓握不牢而坠落，减少小臂、手部肌肉劳损，本装置可快速更换不同使用方法，位于手的不同侧以适应不同的使用场景，结构简单，功能强大，适用于作战、救援、工程等不同情境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；图2是图1的A向视图；图3是图1的B向视图；图4是图1的C-C线的剖视图的放大图；图5是图1的Ⅰ部的局部放大图；图6是图3的Ⅱ部的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，如图所示，包括矩形块1，矩形块1的左侧面开设上下通透且开口朝左侧的U型槽2，U型槽2左侧开口设有弧形板3，弧形板3的后端与U型槽开口后侧铰接连接，弧形板3的前端固定安装固定带4，固定带4内侧面固定安装魔术贴勾面5，矩形块1前侧面固定安装魔术贴绵面6，魔术贴勾面5与魔术贴绵面6黏贴配合，弧形板3朝向U型槽的侧面固定安装弧形固定块7，弧形固定块7与U型槽2能将使用者手臂夹住，矩形块1的上端前后两侧对称固定安装滑轨8，滑轨8设置为左右方向，滑轨8上均配合安装滑块9，滑块9上侧均固定安装竖杆10，两根竖杆10之间设有数个上下均布的且依次首尾铰接连接的第一板体11，最下侧的第一板体11左右两侧均安装有插杆12，竖杆10内侧开设插槽13，插杆12的外端插入到对应的插槽13内，最上侧的第一板体11延其长度方向设有四组手指助力部14，手指助力部14均包括上下分布的三根依次首尾铰接连接的关节块15，最上侧的关节块15上端铰接连接连接块16，连接块16的上端安装爪部，相邻的两个关节块15铰接处以及最上侧的关节块15与连接块16之间均安装有液压助力转动组件17，液压助力转动组件17能主动带动相邻的两个关节块15以及最上侧的关节块15与连接块16绕对应的铰接连接处转动，最下侧的关节块15与最上侧的第一板体11顶部铰接连接，关节块15上均设置指关节固定结构，除最下侧的第一板体11外的其余所有第一板体11上均设置手掌固定结构；还包括液压控制器，液压控制器与液压助力转动组件17相连。本发明使用时，使用者通过手掌固定结构将手掌固定在数块第一板体11侧部，通过指关节固定结构将手指（拇指除外）固定在对应的手指助力部14上，将小臂卡入U型槽内，使魔术贴勾面5与魔术贴绵面6黏贴配合，此时通过弧形固定块7与U型槽2能将使用者手臂夹住，完成本发明与手部的配合安装，每个手指的不同指节对应相应的关节块15，关节块15根据指节长度进行相应设计，液压助力转动组件17能主动带动相邻的两个关节块15以及最上侧的关节块15与连接块16绕对应的铰接连接处转动，通过本发明具有两种使用状态，第一种是将手部固定在第一板体及手指助力部14的内侧，此时第一板体及手指助力部14贴合在手背和手指的外侧，此时适用于既要增强使用者手部力量的同时又需要手指皮肤感知的情景，例如攀爬、使用大型设备时，既要增加手部力量，又要需要感知设备的状态、抓取物的硬度等，此时本装置位于手背侧，属于外披助力骨骼，攀爬时还能避免高空落物对手背及手指的砸伤，例如消防员攀爬梯子、楼房时，起到保护作用，此时爪部长出手指，液压助力转动组件17单独驱动安装爪部的连接块，利用爪部可以手指的勾力，在攀爬时即使手指失去与物体的抓力，利用爪部的勾力也可保证使用者不会坠落；另一种状态是将滑块移动到滑轨8靠近U型槽开口的一端，第一板体及四组手指助力部14随之移动，重新穿戴本发明，此时将手掌固定在第一板体的另一侧，将手指固定在手指助力部14的另一侧，此时第一板体贴在使用者手部的手心侧，手指助力部14固定在手指的内侧，此时使用者佩戴本装置时，抓取物体时通过关节块、第一板体、爪部与所抓的物体直接接触，肉体不与物体直接接触，此时就可以应用于抓取不宜直接与肉体接触的物品的抓取工作，例如具有高温、腐蚀性等特点的物品，关节块、第一板体、爪部可以选用导热系数低的材料制成，避免烫伤，使用者这样佩戴本装置还可以消防、作战、救援等不同场景中的树木、房屋、岩体等的攀爬，重物的搬运，可以增加手部的抓握力，避免抓握不牢而坠落，减少小臂、手部肌肉劳损，本装置可快速更换不同使用方法，位于手的不同侧以适应不同的使用场景，结构简单，功能强大，适用于作战、救援、工程等不同情境。

具体而言，如图所示，本实施例所述的液压助力转动组件17包括两根液压杆171、第一液压油管172、两个凹槽173和第二液压油管174，关节块15与连接块16铰接端一侧均开设凹槽173，凹槽173内均固定安装液压杆171，属于同一液压助力转动组件17的两根液压杆171的活动杆端部铰接连接，属于同一液压助力转动组件17的两根液压杆171的缸体之间通过第一液压油管172相连，上下相邻的不属于同一液压助力转动组件17的两根液压杆171的缸体之间通过第二液压油管174相连，位于最下侧的液压杆171的缸体通过第三液压油管与液压控制器相连。通过液压控制器可以控制液压杆171的伸缩，从而控制相邻的关节块15之间以及连接块与相连的关节块之间的夹角，从而控制手指助力部14的弯曲与伸直。

具体的，如图所示，本实施例最下侧所述的第一板体中部开设第一通孔22，第一通孔22内设有椭圆板23，第一通孔22的前后两端均固定安装圆形盖24，圆形盖24内侧面与椭圆板23相邻的板面接触配合，椭圆板23两侧板面中间均开设长条槽25，圆形盖24对应长条槽25处开设第二通孔26，第一通孔22与第一板体的两端之间开设第三通孔27，插杆12安装在对应的第三通孔27内，插杆12上套装弹簧29，弹簧29的一端与对应的插杆12侧部固定连接，弹簧29的另一端与对应的第三通孔27内壁固定连接，竖杆的内侧开设长条导向槽30，长条导向槽30内壁开设数个等距分布的插槽13，插杆12的内端与椭圆板23外周接触配合，插杆12的外端与对应的插槽13插接配合。通过平口螺丝刀可控制椭圆板转动，在弹簧的作用下插杆12内收，可以从对应的插槽内移出，然后使第一板体在长条导向槽30内移动更换插槽与插杆对其，然后继续转动椭圆板使插杆12移出复位并与更换后的插槽插接，这样可以根据使用者手掌位于第一板体不同侧的使用方式更换合适的插槽与插杆插接，从而保证最上侧的第一板体上端铰接处和掌骨与近节指骨的连接处位置对应，从而保证使用的舒适度；也可将插杆拉到导向槽的最上端，这样可以在不必将手臂与矩形块分离的情况下更换手掌在第一板体的不同侧的使用方式，更加快捷方便。

进一步的，如图所示，本实施例所述的关节块侧部开设两个竖向的第一长条孔31，两个第一长条孔内穿过同一根指关节绑带32，除最下侧之外的第一板体上靠近两端处均开设竖向的第二长条孔33，两个第二长条孔33内穿过同一根手掌绑带34。首先通过指关节绑带32可以将手指与手指助力部14固定，通过手掌绑带34可以将手掌与第一板体固定，通过拉动指关节绑带32在第一长条孔31内移动以及拉动手掌绑带34在第二长条孔33内移动，可以实现手掌位于第一板体与手指助力部14的内侧及外侧均可进行固定。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的矩形块1上端通过拉绳连接拇指套组件，拇指套组件包括拇指近节指套18和拇指远节指套19，拇指近节指套18和拇指远节指套19铰接连接，拇指近节指套18远离铰接的侧部固定安装拉力传感器20，拇指远节指套19远离铰接的侧部通过弹力绳21与拉力传感器20的连接端固定连接，拉力传感器与液压控制器相连，拇指远节指套19的末端固定安装旋转插板35。使用时将拇指套组件的拇指近节指套18和拇指远节指套19套在使用者拇指的近节指和远节指上，通过弯曲拇指可以铜鼓弹力绳拉动拉力传感器，拉力传感器将拉力值传输给液压控制器，液压控制器根据拉力值得大小来控制液压杆的伸缩量，拉力越大液压杆伸长量越大，反之越小，通过该设计，使用者可以通过拇指的弯曲程度来自由控制对应手的手指助力部14的弯曲程度，实现自主控制，旋转插板35可以与长条槽25插接配合并带动椭圆板转动，可以在使用过程中更加方便更换使用方式，无需使用另外携带螺丝刀等工具。

更进一步的，如图所示，本实施例所述的连接块16上端与爪部通过螺纹连接。便于更换不同类型的爪部，爪部可以为锋利爪、钝爪或者防滑胶爪等不同类型，便于不同场景下根据所需功能进行更换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，其特征在于：包括矩形块（1），矩形块（1）的左侧面开设上下通透且开口朝左侧的U型槽（2），U型槽（2）左侧开口设有弧形板（3），弧形板（3）的后端与U型槽开口后侧铰接连接，弧形板（3）的前端固定安装固定带（4），固定带（4）内侧面固定安装魔术贴勾面（5），矩形块（1）前侧面固定安装魔术贴绵面（6），魔术贴勾面（5）与魔术贴绵面（6）黏贴配合，弧形板（3）朝向U型槽的侧面固定安装弧形固定块（7），弧形固定块（7）与U型槽（2）能将使用者手臂夹住，矩形块（1）的上端前后两侧对称固定安装滑轨（8），滑轨（8）设置为左右方向，滑轨（8）上均配合安装滑块（9），滑块（9）上侧均固定安装竖杆（10），两根竖杆（10）之间设有数个上下均布的且依次首尾铰接连接的第一板体（11），最下侧的第一板体（11）左右两侧均安装有插杆（12），竖杆（10）内侧开设插槽（13），插杆（12）的外端插入到对应的插槽（13）内，最上侧的第一板体（11）延其长度方向设有四组手指助力部（14），手指助力部（14）均包括上下分布的三根依次首尾铰接连接的关节块（15），最上侧的关节块（15）上端铰接连接连接块（16），连接块（16）的上端安装爪部，相邻的两个关节块（15）铰接处以及最上侧的关节块（15）与连接块（16）之间均安装有液压助力转动组件（17），液压助力转动组件（17）能主动带动相邻的两个关节块（15）以及最上侧的关节块（15）与连接块（16）绕对应的铰接连接处转动，最下侧的关节块（15）与最上侧的第一板体（11）顶部铰接连接，关节块（15）上均设置指关节固定结构，除最下侧的第一板体（11）外的其余所有第一板体（11）上均设置手掌固定结构；还包括液压控制器，液压控制器与液压助力转动组件（17）相连。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述的液压助力转动组件（17）包括两根液压杆（171）、第一液压油管（172）、两个凹槽（173）和第二液压油管（174），关节块（15）与连接块（16）铰接端一侧均开设凹槽（173），凹槽（173）内均固定安装液压杆（171），属于同一液压助力转动组件（17）的两根液压杆（171）的活动杆端部铰接连接，属于同一液压助力转动组件（17）的两根液压杆（171）的缸体之间通过第一液压油管（172）相连，上下相邻的不属于同一液压助力转动组件（17）的两根液压杆（171）的缸体之间通过第二液压油管（174）相连，位于最下侧的液压杆（171）的缸体通过第三液压油管与液压控制器相连。

3.根据权利要求2所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，其特征在于：最下侧所述的第一板体中部开设第一通孔（22），第一通孔（22）内设有椭圆板（23），第一通孔（22）的前后两端均固定安装圆形盖（24），圆形盖（24）内侧面与椭圆板（23）相邻的板面接触配合，椭圆板（23）两侧板面中间均开设长条槽（25），圆形盖（24）对应长条槽（25）处开设第二通孔（26），第一通孔（22）与第一板体的两端之间开设第三通孔（27），插杆（12）安装在对应的第三通孔（27）内，插杆（12）上套装弹簧（29），弹簧（29）的一端与对应的插杆（12）侧部固定连接，弹簧（29）的另一端与对应的第三通孔（27）内壁固定连接，竖杆的内侧开设长条导向槽（30），长条导向槽（30）内壁开设数个等距分布的插槽（13），插杆（12）的内端与椭圆板（23）外周接触配合，插杆（12）的外端与对应的插槽（13）插接配合。

4.根据权利要求3所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述的关节块侧部开设两个竖向的第一长条孔（31），两个第一长条孔内穿过同一根指关节绑带（32），除最下侧之外的第一板体上靠近两端处均开设竖向的第二长条孔（33），两个第二长条孔（33）内穿过同一根手掌绑带（34）。

5.根据权利要求3或4所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述的矩形块（1）上端通过拉绳连接拇指套组件，拇指套组件包括拇指近节指套（18）和拇指远节指套（19），拇指近节指套（18）和拇指远节指套（19）铰接连接，拇指近节指套（18）远离铰接的侧部固定安装拉力传感器（20），拇指远节指套（19）远离铰接的侧部通过弹力绳（21）与拉力传感器（20）的连接端固定连接，拉力传感器与液压控制器相连，拇指远节指套（19）的末端固定安装旋转插板（35）。

6.根据权利要求1所述的一种穿戴式柔性关节外骨骼助力装置，其特征在于：所述的连接块（16）上端与爪部通过螺纹连接。

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