CN112428252B - 一种外骨骼及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种外骨骼及其设计方法，该装置能同时适应重力和反冲力两种载荷，为提升消防员灭火作业时上肢肌肉的耐力、减少组织损伤、提高作业效率提供一定的帮助，其包括背桥组件、右臂组件和左臂组件，引用水枪的水压作为动力源，实现了对不同水枪水压产生的反冲力的动态适应性，去除了一般的液压缸需要使用的液泵及其相关结构，也不需要使用额外的能量输入或者储备装置，结构更加轻量化。

Description

一种外骨骼及其设计方法

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种外骨骼及其设计方法。

背景技术

在面对复杂且难以熄灭的火灾种类进行消防作业时，需要消防员长时间握持水枪进行灭火作业。在此过程中，消防员的上肢不仅要承受管道和内部流体的重力载荷，同时还有管内流体喷射产生的反冲力，并且需要根据情况实时调整所处的位置和姿态。而人体暴露在持续的负荷下或采用不合适的姿态承受负荷时，有很高的风险造成肌肉拉伤或劳损。即使在强度较低的情况下，长时间握持水枪也会导致肌肉迅速疲劳，身体机能的下降会直接影响作业效率，进一步则可能会损害肌肉功能，并引发骨骼肌疾病，对消防员的身体产生长期损伤。

现有的外骨骼在其它领域有一定的试用，但是在消防领域尚无广泛使用的记录，并且现有的外骨骼具有适应性差、灵活性差等问题，不能满足消防员灭火作业的需要。因此针对消防领域长时间作业的工况，设计一种能减少消防员上肢肌肉承受的重力和反冲力载荷的外骨骼装置，对提升消防员的耐力并减少组织损伤具有着非常重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种外骨骼及其设计方法，该装置能同时适应重力和反冲力两种载荷，为提升消防员灭火作业时上肢肌肉的耐力、减少组织损伤、提高作业效率提供一定的帮助。

本发明采用的技术方案如下：一种外骨骼，包括背桥组件、右臂组件和左臂组件，所述背桥组件包括中心位置的多个脊椎节，多个脊椎节依次铰接构成中心骨，多个脊椎节的最上端连接背部中心件，所述背部中心件的两侧分别铰接一个肩部连接件B，两个肩部连接件B分别铰接右肩部连接件A和左肩部连接件A，所述左肩部连接件A上还铰接连接有连接挡板，所述右肩部连接件A上也铰接有连接挡板，所述背部中心件上铰接有两根导向杆，所述两根导向杆远离背部中心件的一端分别与两个连接挡板滑动配合，所述导向杆上套设有辅助弹簧，所述辅助弹簧通过所述连接挡板限定在导向杆。

所述动力元件A和动力元件B可采用液压驱动或弹簧蓄能驱动的方式。

所述右臂组件包括右肩部、右大臂、右小臂，所述右肩部与所述右大臂铰接，所述右大臂与所述右小臂铰接，还包括动力元件A和动力元件B，所述动力元件A两端分别与右肩部和右小臂铰接，动力元件A、右肩部、右大臂和右小臂组成四连杆结构，所述动力元件B与动力元件A并列设置，其两端也分别与右肩部和右小臂铰接，动力元件B、右肩部、右大臂和右小臂也组成四连杆结构；

所述左臂组件与所述右臂组件结构基本一致，两者相对于背部组件对称设置。

所述左肩部连接件A和所述右肩部连接件A分别绕其与肩部连接件B的铰接点转动时可以压缩或松开辅助弹簧，借助辅助弹簧弹力可以承担工作过程中人体受到的沿垂直于轴方向的扭矩，其中辅助弹簧可以根据需要改用其它不同型号的弹簧，用以提高环境适应性。

所述左肩部连接件A远离肩部连接件B的一端与左肩部铰接，所述右肩部连接件A远离肩部连接件B的一端与右肩部铰接。

所述背桥组件上还设置有背带和腰带，所述右臂组件的右小臂和左臂组件的左小臂上均设置有臂带和腕带，使用时，使用者首先穿戴背带，在再依次使用臂带、腕带，与使用者小臂、手腕固定，确保大臂的两个旋转中心与使用者肩关节旋转中心、肘关节旋转中心接近。

动力元件A包括缸体，缸体的两端分别由前盖和后盖封闭，缸体内部设置有活塞，所述活塞连接有活塞杆，所述活塞杆穿出所述后盖的外部，活塞杆远离活塞的端部设置有弹簧挡板和连接环B，所述前盖的端部设置有连接环A，所述缸体靠近前盖的一端形成有弹簧座，所述弹簧座和弹簧挡板之间套设有弹簧，所述前盖和后盖内部均设置有连通缸体内外的过流通道。

所述活塞与缸体之间通过斯特封实现密封，所述活塞杆与活塞之间设置有O型密封圈，所述后盖与活塞杆之间通过格莱封实现密封，所述后盖与活塞杆之间的还安装有支撑环，后盖的外侧与活塞杆接触部分还安装有防尘圈。

动力元件B与动力元件A结构类似，不同之处在于动力元件B不具有类似动力元件A中的弹簧与液压缸嵌套的设计，动力元件A将一个过流通道布置在后盖上，这是为避免链接时与弹簧发生干涉，而动力元件B无此问题，因此直接放置于缸体上以减轻结构重量。

所述动力元件A和动力元件B的液压驱动力从消防水枪中获取水液作为压力介质，从水枪的取水方式可以通过改造水枪或在水枪与水管连接处增设一个取水器来实现；具体的，在工作时，不给液压缸体充液时弹簧单独参与工作实现重力补偿，充液之后两液压缸协同工作，实现在整个工作域内的反冲力补偿。

本发明还请求保护一种外骨骼的设计方法：

通过建立舒适度评价指标和人体生物力学参数模型，模拟出消防员在进行灭火作业时最佳工作姿态，通过确定的消防水枪的水枪喷射姿态，模拟出消防员在工作时身体关节的工作域，即为外骨骼的工作域。

已经确定的四连杆机构中，右大臂和左大臂两端的铰链位置分别对应人体肩关节和肘关节，因此两个铰链的相对位置确定，计算获得每侧手臂的动力元件A和动力元件B的位置坐标，这是由于肩关节和肘关节在不同相对角度时动力元件A和动力元件B产生的扭矩大小不尽相同，此时有八个待设计的未知参数，以右臂为例，即动力元件A和右肩部连接处相对右肩部与右大臂的连接处的位置，动力元件A和右小臂连接处相对右小臂与右大臂的链接处的位置，动力元件B和右肩部连接处相对右肩部与右大臂的连接处的位置，动力元件B和右小臂连接处相对右小臂与右大臂的链接处的位置，每个位置由两个坐标确定，共八个。

所述动力元件在设计之初采用弹簧和液压缸组合的形式，因此液压缸和弹簧的刚度系数均为设计参数，两个动力元件共四个参数。此外，弹簧与液压缸是否组合使用，组合使用采用串联或是并联的工作方式等问题需要在后续多次拟合后确定，所述外骨骼动力元件A采用弹簧和液压缸并联组合的工作形式，动力元件B采用液压缸单独工作的形式。

所述共12个参数，在肘关节相对角度、肩关节相对角度、作用力方向、作用力大小四个自变量范围内，设计参数拟合结果需同时满足：在作用力是重力时，水压缸不冲水，即参数为时，使外骨骼产生的关节扭矩接近人体关节承受重力作用时的负载扭矩；在作用力是水枪反冲力时弹簧与液压缸同时作用，两个动力元件协同工作产生的关节扭矩接近人体关节承受反冲力作用时的负载扭矩。

所述拟合采用遗传迭代算法进行拟合，使十二个拟合参数同时满足四个拟合函数，最终拟合参数结果尽量符合实际加工制造工艺性。

本发明的优点在于：

(1)使用两个四连杆机构组合的结构，实现了在整个工作域内对两个关节负载扭矩的良好适应性；

(2)将弹簧与液压缸组合，实现了同时对重力和反冲力两种不同工况的适应效果；

(3)引用水枪的水压作为动力源，实现了对不同水枪水压产生的反冲力的动态适应性，去除了一般的液压缸需要使用的液泵及其相关结构，也不需要使用额外的能量输入或者储备装置，结构更加轻量化；

(4)使用多种材料、多种密封结构组合的形式，实现了对水液的良好密封效果；

(5)本发明可使用轻质铝合金和工程塑料作为结构件，进一步将结构轻量化，具有更好的环境适应性。

附图说明

图1是本发明外骨骼整体结构示意图；

图2是本发明外骨骼右臂结构示意图；

图3是本发明外骨骼背桥结构示意图；

图4是本发明动力元件A结构示意图；

图5是本发明动力元件B结构示意图；

图6是本发明液压缸取用水枪水压的结构简图；

图7是本发明外骨骼右臂的原理示意简图；

图中：1、动力元件A，2、动力元件B，3、背带，4、辅助动力组件，5、左肩部，6、左小臂，7、脊椎节，8、肩部连接件B，9、右肩部连接件A，10、右肩部，11、右大臂，12、右小臂，13、臂带，14、腕带，15、背部中心件，16、左肩部连接件A，17、连接挡板，18、导向杆，19、辅助弹簧，20、连接环A，21、前盖，22、弹簧，23、活塞，24、活塞杆，25、缸体，26、后盖，27、弹簧挡板，28、连接环B，29、斯特封，30、O型密封圈，31、格莱封，32、支撑环，33、防尘圈。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图所示，图1是本发明外骨骼整体结构示意图，本发明的外骨骼包括背桥组件、右臂组件和左臂组件；图2是本发明外骨骼右臂结构示意图，结合附图2，右臂组件包括右肩部10、右大臂11、右小臂12，所述右肩部10与所述右大臂11铰接，所述右大臂11与所述右小臂12铰接，还包括动力元件A1和动力元件B2，所述动力元件A1两端分别与右肩部10和右小臂11铰接，动力元件A1、右肩部10、右大臂11和右小臂12组成四连杆结构，所述动力元件B2与动力元件A1并列设置，其两端也分别与右肩部10和右小臂11铰接，动力元件B2、右肩部10、右大臂11和右小臂12也组成四连杆结构，如此设置，使在不同工作位置时，动力元件A1和动力元件B2分别对人体肩关节和肘关节产生的不同力矩，叠加后实现在不同位置都能够较好的承受负载。

所述左臂组件与所述右臂组件结构基本一致，两者相对于背部组件对称设置，以符合人体结构的使用需求。

图3是本发明外骨骼背桥结构示意图，下面结合图3对所述背桥组件作进一步说明，所述背桥组件包括中心位置的多个脊椎节7，多个脊椎节7依次铰接构成中心骨，多个脊椎节7的最上端连接背部中心件15，所述背部中心件15的两侧分别铰接一个肩部连接件B8，两个肩部连接件B8分别铰接右肩部连接件A9和左肩部连接件A16，所述左肩部连接件A16上还铰接连接有连接挡板17，所述右肩部连接件A9上也铰接有连接挡板17，所述背部中心件15上铰接有两根导向杆18，所述两根导向杆18远离背部中心件15的一端分别与两个连接挡板17滑动配合，所述导向杆18上套设有辅助弹簧19，所述辅助弹簧19通过所述连接挡板17限定在导向杆18。

所述左肩部连接件A16和所述右肩部连接件A9分别绕其与肩部连接件B的铰接点转动时可以压缩或松开辅助弹簧19，借助辅助弹簧19弹力可以承担工作过程中人体受到的沿垂直于轴方向的扭矩，其中辅助弹簧19可以根据需要改用其它不同型号的弹簧，用以提高环境适应性。

所述左肩部连接件A远离肩部连接件B8的一端与左肩部铰接，所述右肩部连接件A9远离肩部连接件B8的一端与右肩部10铰接。

所述背桥组件上还设置有背带3和腰带，所述右臂组件的右小臂12和左臂组件的左小臂上均设置有臂带13和腕带14，使用时，使用者首先穿戴背带3，再依次使用臂带13、腕带14，与使用者小臂、手腕固定，确保大臂11的两个旋转中心与使用者肩关节旋转中心、肘关节旋转中心接近。

图4本发明动力元件A结构示意图，如图所示，动力元件A1包括缸体25，缸体25的两端分别由前盖21和后盖26封闭，缸体25内部设置有活塞23，所述活塞23连接有活塞杆24，所述活塞杆24穿出所述后盖26的外部，活塞杆24远离活塞23的端部设置有弹簧挡板27和连接环B28，所述前盖21的端部设置有连接环A20，所述缸体25靠近前盖21的一端形成有弹簧座，所述弹簧座和弹簧挡板27之间套设有弹簧22，所述前盖21和后盖26内部均设置有连通缸体25内外的过流通道。

所述活塞23与缸体25之间通过斯特封29实现密封，所述活塞杆24与活塞23之间设置有0型密封圈30，所述后盖26与活塞杆24之间通过格莱封31实现密封，所述后盖26与活塞杆24之间的还安装有支撑环32，后盖26的外侧与活塞杆24接触部分还安装有防尘圈33。

动力元件A1中弹簧22可以在液压缸不充液的情况下单独工作，以实现对重力载荷的补偿，液压缸通过前盖21上的过流通道充液，使液压缸产生推力，此时液压缸与弹簧并联工作，实现对反冲力作用的补偿。其中，液压缸中的液体压力来源于消防水枪的水液压力，借此可以与消防水枪反冲力作用实现一定的比例变化。

图5本发明动力元件B结构示意图，动力元件B2与动力元件A1结构类似，不同之处在于动力元件B2不具有类似动力元件A1中的弹簧22与液压缸嵌套的设计，动力元件A1将一个过流通道布置在后盖上，这是为避免链接时与弹簧22发生干涉，而动力元件B2无此问题，因此直接放置于缸体上以减轻结构重量。

图6本发明液压缸取用水枪水压的结构简图，液压缸无杆腔从消防水枪中获取水液作为压力介质，从水枪的取水方式可以通过改造水枪或在水枪与水管连接处增设一个取水器来实现。

图7为本外骨骼右臂的原理示意简图，示出了动力元件A1和动力元件B2组成的双四连杆机构结构的简易示意图。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种外骨骼，其特征在于，包括背桥组件、右臂组件和左臂组件，所述背桥组件实现所述右臂组件和左臂组件与人体的相对固定；

所述右臂组件包括右肩部、右大臂、右小臂，所述右肩部与所述右大臂铰接，所述右大臂与所述右小臂铰接，还包括动力元件A和动力元件B，所述动力元件A两端分别与右肩部和右小臂铰接，动力元件A、右肩部、右大臂和右小臂组成四连杆结构，所述动力元件B与动力元件A并列设置，其两端也分别与右肩部和右小臂铰接，动力元件B、右肩部、右大臂和右小臂也组成四连杆结构；

所述左臂组件与所述右臂组件结构基本一致，两者相对于背桥组件对称设置，所述左臂组件包括左肩部、左大臂、左小臂、动力元件A和动力元件B；

所述背桥组件包括中心位置的多个脊椎节，多个脊椎节依次铰接构成中心骨，多个脊椎节的最上端连接背部中心件，所述背部中心件的两侧分别铰接一个肩部连接件B，两个肩部连接件B分别铰接右肩部连接件A和左肩部连接件A，所述左肩部连接件A上还铰接连接有连接挡板，所述右肩部连接件A上也铰接有连接挡板，所述背部中心件上铰接有两根导向杆，所述两根导向杆远离背部中心件的一端分别与两个连接挡板滑动配合，所述导向杆上套设有辅助弹簧，所述辅助弹簧通过所述连接挡板限定在导向杆上；

所述左肩部连接件A远离肩部连接件B的一端与左肩部铰接，所述右肩部连接件A远离肩部连接件B的一端与右肩部铰接。

2.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征还在于，所述背桥组件上还设置有背带和腰带，所述右臂组件的右小臂和左臂组件的左小臂上均设置有臂带和腕带。

3.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征还在于，动力元件A包括缸体，缸体的两端分别由前盖和后盖封闭，缸体内部设置有活塞，所述活塞连接有活塞杆，所述活塞杆穿出所述后盖的外部，活塞杆远离活塞的端部设置有弹簧挡板和连接环B，所述前盖的端部设置有连接环A，所述缸体靠近前盖的一端形成有弹簧座，所述弹簧座和弹簧挡板之间套设有弹簧，所述前盖和后盖内部均设置有连通缸体内外的过流通道。

4.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征还在于，动力元件B包括缸体，缸体的两端分别由前盖和后盖封闭，缸体内部设置有活塞，所述活塞连接有活塞杆，所述活塞杆穿出所述后盖的外部，活塞杆远离活塞的端部设置有连接环B，所述前盖的端部设置有连接环A，所述前盖内部设置有连通缸体内外的过流通道，所述缸体靠近后盖位置处的侧壁上设置有连通缸体内外的过流通道。

5.根据权利要求3或4所述的外骨骼，其特征还在于，所述活塞与缸体之间通过斯特封实现密封，所述活塞杆与活塞之间设置有O型密封圈，所述后盖与活塞杆之间通过格莱封实现密封，所述后盖与活塞杆之间的还安装有支撑环，后盖的外侧与活塞杆接触部分还安装有防尘圈。

6.根据权利要求1所述的外骨骼，其特征还在于，所述动力元件A和动力元件B的液压驱动力从消防水枪中获取水液作为压力介质。

7.根据权利要求6所述的外骨骼，其特征还在于，各部件材质选用轻质铝合金和/或工程塑料。

8.根据权利要求1-7任一项所述外骨骼的设计方法，

通过建立舒适度评价指标和人体生物力学参数模型，模拟出消防员在进行灭火作业时最佳工作姿态，通过确定的消防水枪的水枪喷射姿态，模拟出消防员在工作时身体关节的工作域，即为外骨骼的工作域；

已经确定的四连杆机构中，右大臂和左大臂两端的铰链位置分别对应人体肩关节和肘关节，因此两个铰链的相对位置确定，计算获得每侧手臂的动力元件A和动力元件B的位置坐标，得到坐标参数；

确定每侧手臂的动力元件A和动力元件B的液压缸和弹簧的刚度系数；

根据坐标得到的参数以及所述刚度系数采用遗传迭代算法进行拟合。

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