CN113334353B - 电磁制动式手臂助力柔性外骨骼 - Google Patents
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Abstract
电磁制动式手臂助力柔性外骨骼，包括背负支架、手腕环带和控制开关，背负支架通过肩带绑扎在人体的背部，背负支架后侧设有一个控制盒和两个助力盒，每个助力盒内均设有机械卷线器和用于制动机械卷线器的电磁铁，机械卷线器上缠绕的牵引绳的活动端穿过助力盒上端并向前支撑在肩部的肩带上与手腕环带连接，控制开关设置在手部，控制盒内设有可充电电池和控制器，电源为控制器和电磁铁供电，控制开关通过控制器控制两个电磁铁同步开闭。本发明原理科学、结构简单、易于操作、可靠性强，在长距离搬运重物过程中可提高手臂的耐力，由于手部仍然抓握重物，因此本发明的承载力仍然在手腕部的承载力之内，仅仅是减轻手臂的受力。
Description
技术领域
本发明属于机械外骨骼技术领域，具体涉及一种电磁制动式手臂助力柔性外骨骼。
背景技术
柔性外骨骼是指一种能够增强人体肢体的可穿戴系统，在穿戴者的控制下能够辅助肢体完成一定的功能和任务，给人提供保护、额外的动力和能力。在人们搬运重物时,手部抓紧重物,前臂与上臂之间保持一定角度,若搬运距离较长,上臂和前臂需要有较强的耐力才能承受。申请号 201811434518.0的中国发明专利公开了一种单向离合器及柔性外骨骼，其虽然能够减轻搬运重物时上臂和前臂的受力，但因其结构复杂、操作繁琐、可靠性不高等缺陷难以推广应用。因此亟需设计一种结构简单、易于操作的手臂柔性助力外骨骼来减轻在进行长距离搬运重物时手臂的受力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便、可靠性强的电磁制动式手臂助力柔性外骨骼。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：电磁制动式手臂助力柔性外骨骼，包括背负支架、手腕环带和控制开关，背负支架通过肩带绑扎在人体的背部，背负支架后侧设有一个控制盒和两个助力盒，两个助力盒左右对称设置在背负支架的左右两侧，每个助力盒内均设有机械卷线器和用于制动机械卷线器的电磁铁，手腕环带设有两个，每个手腕环带均对应套设在人体的一个手腕部，机械卷线器上缠绕的牵引绳的活动端穿过助力盒上端并向前支撑在肩部的肩带上与手腕环带连接，控制开关设置在手部，控制盒内设有可充电电池和控制器，电源为控制器和电磁铁供电，控制开关通过控制器控制两个电磁铁同步开闭。
助力盒为中心线沿前后方向设置的圆柱状盒体结构，助力盒包括前后对应并通过螺栓连接的前盒体和后盒体，前盒体前侧固定连接在背负支架上，电磁铁设置在前盒体内，机械卷线器设置在后盒体，后盒体圆周顶部沿切向方向开设有出线口。
出线口连接有柔性线管，牵引绳穿设在柔性线管内，柔性线管沿肩带上部设置，肩带上设有用于防止柔性线管从肩带上偏移的限位扣。
机械卷线器包括中心轴、绕线盘、卷簧和衔铁盘，中心轴沿前后方向设置，中心轴后端固定连接在后盒体的中心处，绕线盘同轴线转动连接在中心轴上，绕线盘前侧设有螺纹连接在中心轴前端内部用于限定绕线盘轴向位置的限位螺钉，绕线盘后侧开设有环形槽，卷簧设置在环形槽内，卷簧的两个簧腿分别与绕线盘和中心轴连接，绕线盘的外圆设有绕线槽，绕线盘前侧面沿圆周方向设有花键，衔铁盘后侧面设有与花键对应装配的花键槽，花键与花键槽间隙配合，衔铁盘前侧面与电磁铁具有平面间隙，平面间隙的大小尺寸小于花键与花键槽在前后方向的装配尺寸。
采用上述技术方案，本发明的工作原理为：双手搬起重物到一定高度，卷簧驱动绕线盘逆时针转动，牵引绳缩回到助力盒内缠绕到绕线盘上，当双手固定到某一高度时，启动手部的控制开关，电磁铁得电产生磁力，吸附衔铁盘向后移动，衔铁盘被吸附到电磁铁上，衔铁盘轴向移动的距离小于花键与花键槽的轴向配合尺寸，由于绕线盘前侧的花键仍然卡接在衔铁盘后侧的花键槽内，这样就限定了绕线盘不会转动，从而固定手臂的位置，牵引绳牵拉重物，上臂基本不再受力，在长距离搬运重物时，减轻了手臂的受力，确保搬运作业的安全性。当搬运到位后，需要将重物放下，此时再启动控制开关，电磁铁失电，衔铁盘与电磁铁脱离，绕线盘可以转动，手部即可向下移动，拉动牵引绳，将重物放置到位。
卷簧起到驱动绕线盘将牵引绳收回到助力盒内。当牵引绳收到大于卷簧的拉力，牵引绳从助力盒内拉出，这样即可调整牵引绳的长度，以适合手部的位置。
在牵引绳起到承重牵拉重物时，柔性线管压在肩部的肩带上，肩带起到减轻柔性线管为肩部的勒压作用，并且还有定位背负支架的作用。
柔性线管起到导引牵引绳的作用，限位扣放置柔性线管偏移到肩部没有肩带的位置，而对人体肩部造成较大的勒压。
限位螺钉限定绕线盘在中心轴上的轴向位置；衔铁盘脱离电磁铁后会与电磁铁后侧面产生摩擦，但由于绕线盘和衔铁盘的转速交底，因此该摩擦不会对衔铁盘和电磁铁产生磨损。
助力盒的前盒体和后盒体采用螺栓连接，不仅连接可靠，而且易于拆卸。
本发明中的电磁制动方式使用电磁铁和置于线盘位置的衔铁达到通电磁力吸附制动的目的。由于控制开关设置在手部的手指处有简单的控制开关用于控制电磁铁的通断，实现方式多样，比如可采用遥控，也可采用牵拉线。
综上所述，本发明原理科学、结构简单、易于操作、可靠性强，在长距离搬运重物过程中可提高手臂的耐力，由于手部仍然抓握重物，因此本发明的承载力仍然在手腕部的承载力之内，仅仅是减轻手臂的受力。
附图说明
图1是本发明设置在人体上的结构示意图；
图2是本发明中助力盒的立体结构示意图；
图3是本发明中助力盒的平面结构示意图。
图4是图3中A-A剖视图。
图5是图3中B-B剖视图；
图6是助力盒的爆炸图。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明的电磁制动式手臂助力柔性外骨骼，包括背负支架1、手腕环带2和控制开关（图未示），背负支架1通过肩带3绑扎在人体的背部，背负支架1后侧设有一个控制盒4和两个助力盒5，两个助力盒5左右对称设置在背负支架1的左右两侧，每个助力盒5内均设有机械卷线器和用于制动机械卷线器的电磁铁6，手腕环带2设有两个，每个手腕环带2均对应套设在人体的一个手腕部，机械卷线器上缠绕的牵引绳21的活动端穿过助力盒5上端并向前支撑在肩部的肩带3上与手腕环带2连接，控制开关设置在手部，控制盒4内设有可充电电池和控制器，可充电电池为控制器和电磁铁6供电，控制开关通过控制器控制两个电磁铁6同步开闭。
助力盒5为中心线沿前后方向设置的圆柱状盒体结构，助力盒5包括前后对应并通过螺栓7连接的前盒体8和后盒体9，前盒体8前侧固定连接在背负支架1上，电磁铁6设置在前盒体8内，机械卷线器设置在后盒体9，后盒体9圆周顶部沿切向方向开设有出线口10。
出线口10连接有柔性线管11，牵引绳21穿设在柔性线管11内，柔性线管11沿肩带3上部设置，肩带3上设有用于防止柔性线管11从肩带3上偏移的限位扣12。
机械卷线器包括中心轴13、绕线盘14、卷簧15和衔铁盘16，中心轴13沿前后方向设置，中心轴13后端固定连接在后盒体9的中心处，绕线盘14同轴线转动连接在中心轴13上，绕线盘14前侧设有螺纹连接在中心轴13前端内部用于限定绕线盘14轴向位置的限位螺钉17，绕线盘14后侧开设有环形槽，卷簧15设置在环形槽内，卷簧15的两个簧腿分别与绕线盘14和中心轴13连接，绕线盘14的外圆设有绕线槽18，绕线盘14前侧面沿圆周方向设有花键19，衔铁盘16后侧面设有与花键19对应装配的花键槽22，花键19与花键槽22间隙配合，衔铁盘16前侧面与电磁铁6具有平面间隙20，平面间隙20的大小尺寸小于花键19与花键槽22在前后方向的装配尺寸。
本发明的工作原理为：双手搬起重物到一定高度，卷簧15驱动绕线盘14逆时针转动，牵引绳21缩回到助力盒5内缠绕到绕线盘14上，当双手固定到某一高度时，启动手部的控制开关，电磁铁6得电产生磁力，吸附衔铁盘16向后移动，衔铁盘16被吸附到电磁铁6上，衔铁盘16轴向移动的距离小于花键19与花键槽22的轴向配合尺寸，由于绕线盘14前侧的花键19仍然卡接在衔铁盘16后侧的花键槽22内，这样就限定了绕线盘14不会转动，从而固定手臂的位置，牵引绳21牵拉重物，上臂基本不再受力，在长距离搬运重物时，减轻了手臂的受力，确保搬运作业的安全性。当搬运到位后，需要将重物放下，此时再启动控制开关，电磁铁6失电，衔铁盘16与电磁铁6脱离，绕线盘14可以转动，手部即可向下移动，拉动牵引绳21，将重物放置到位。
卷簧15起到驱动绕线盘14将牵引绳21收回到助力盒5内。当牵引绳21收到大于卷簧15的拉力，牵引绳21从助力盒5内拉出，这样即可调整牵引绳21的长度，以适合手部的位置。
在牵引绳21起到承重牵拉重物时，柔性线管11压在肩部的肩带3上，肩带3起到减轻柔性线管11为肩部的勒压作用，并且还有定位背负支架1的作用。
柔性线管11起到导引牵引绳21的作用，限位扣12放置柔性线管11偏移到肩部没有肩带3的位置，而对人体肩部造成较大的勒压。
限位螺钉17限定绕线盘14在中心轴13上的轴向位置；衔铁盘16脱离电磁铁6后会与电磁铁6后侧面产生摩擦，但由于绕线盘14和衔铁盘16的转速交底，因此该摩擦不会对衔铁盘16和电磁铁6产生磨损。
助力盒5的前盒体8和后盒体9采用螺栓7连接，不仅连接可靠，而且易于拆卸。
本发明中的电磁制动方式使用电磁铁6和置于线盘位置的衔铁达到通电磁力吸附制动的目的。由于控制开关设置在手部的手指处有简单的控制开关用于控制电磁铁6的通断，实现方式多样，比如可采用遥控，也可采用牵拉线。
以上实施例说明了本发明的基本原理和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。
Claims (2)
1.电磁制动式手臂助力柔性外骨骼，其特征在于：包括背负支架、手腕环带和控制开关，背负支架通过肩带绑扎在人体的背部，背负支架后侧设有一个控制盒和两个助力盒，两个助力盒左右对称设置在背负支架的左右两侧，每个助力盒内均设有机械卷线器和用于制动机械卷线器的电磁铁，手腕环带设有两个，每个手腕环带均对应套设在人体的一个手腕部，机械卷线器上缠绕的牵引绳的活动端穿过助力盒上端并向前支撑在肩部的肩带上与手腕环带连接，控制开关设置在手部，控制盒内设有可充电电池和控制器，电源为控制器和电磁铁供电，控制开关通过控制器控制两个电磁铁同步开闭；
助力盒为中心线沿前后方向设置的圆柱状盒体结构，助力盒包括前后对应并通过螺栓连接的前盒体和后盒体，前盒体前侧固定连接在背负支架上，电磁铁设置在前盒体内，机械卷线器设置在后盒体，后盒体圆周顶部沿切向方向开设有出线口；
机械卷线器包括中心轴、绕线盘、卷簧和衔铁盘，中心轴沿前后方向设置，中心轴后端固定连接在后盒体的中心处，绕线盘同轴线转动连接在中心轴上，绕线盘前侧设有螺纹连接在中心轴前端内部用于限定绕线盘轴向位置的限位螺钉，绕线盘后侧开设有环形槽，卷簧设置在环形槽内，卷簧的两个簧腿分别与绕线盘和中心轴连接，绕线盘的外圆设有绕线槽，绕线盘前侧面沿圆周方向设有花键，衔铁盘后侧面设有与花键对应装配的花键槽，花键与花键槽间隙配合，衔铁盘前侧面与电磁铁具有平面间隙，平面间隙的大小尺寸小于花键与花键槽在前后方向的装配尺寸。
2.根据权利要求1所述的电磁制动式手臂助力柔性外骨骼，其特征在于：出线口连接有柔性线管，牵引绳穿设在柔性线管内，柔性线管沿肩带上部设置，肩带上设有用于防止柔性线管从肩带上偏移的限位扣。
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