CN114802831B - 一种宇航服的上肢限位机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宇航服的上肢限位机构，肩关节限位机构由两个半球形薄壳体串联而成，具有三个自由度，分别是内敛/外展、前伸/后展、内旋/外旋，肘关节机构由铰链副机构和圆柱副机构串联而成，具有两个自由度，腕关节机构由手腕伸长板、手腕板、手掌板、铰链副组成，具有两个自由度。本发明将上肢的运动分解为肩关节、腕关节、肘关节的运动，通过设计肩关节、腕关节、肘关节的限位机构限制各关节的运动范围，使得宇航员上肢可以在模拟宇航服装置内受迫运动；解决了当宇航员处于地球环境时，其上肢所受的运动限制不能满足太空环境状态下的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种宇航服技术领域，具体涉及一种宇航服限位机构。
背景技术
从工作环境来看，宇航员需要在星际轨道和外星表面环境进行作业，轨道航天服是在微重力环境下，舱外活动的工作方式以下肢为支撑上肢活动为主，对其灵活性要求低；而在执行外星表面任务时就要求航天员有更高的自主工作能力，为了能够做到类似在地球上大部分的动作，这对舱外宇航服的结构材料等提出了很高的设计要求，需要实现更多的活动自由度及更小的活动阻力，尤其面对是任务中的肢体关节运动位置等问题。
由于真实的宇航服造价十分昂贵，因此，开发出训练用的模拟宇航服装置是必要的。舱外宇航服是通过内部充压，保证服装内外有一定的压力差，以应对外太空真空的环境。由于充压的影响，舱外宇航服各个关节在运动过程中，灵活性和角度受到限制。因此，根据这一点，宇航员地面训练时，需要模拟关节受限的情况下。模拟宇航服装置能够提供给宇航员近似活动关节受限的模拟条件，为宇航员的地面训练提供了便利。本发明提出的模拟宇航服装置，是一种无源的外骨骼装置，没有外部动力的输入，并对人体的每个关节进行硬限位，迫使宇航员主动发力，感受活动受限的情况。
发明内容
针对舱外宇航服造价昂贵，为了模拟宇航员舱外的活动范围；本发明目提供一种宇航服的上肢限位机构，其可以达到限制宇航员上肢的运动范围。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种宇航服的上肢限位机构，包括肩关节限位机构、肘关节机构、腕关节机构，所述肩关节限位机构由两个半球形薄壳体串联而成，具有三个自由度，分别是内敛/外展、前伸/后展、内旋/外旋，两个半球形薄壳体通过等薄壁轴承连接为可相对旋转的串联机构，所述肘关节机构由铰链副机构和圆柱副机构串联而成，具有两个自由度，所述铰链副机构通过槽面角度限制弯曲/伸展的活动角度；所述圆柱副机构由肘内圈和肘外圈通过轴承连接而成，所述肘内圈和肘外圈端面上通过法兰孔和螺栓将两个限位挡板分别固定在肘内圈和肘外圈的法兰面上；所述腕关节机构由手腕伸长板、手腕板、手掌板、铰链副组成，具有两个自由度，所述手腕伸长板与手腕板之间连接一个铰链副，所述手腕板与手掌板之间连接一个铰链副，两个铰链副串联在一起，铰链副的旋转轴线垂直分布，并且通过槽面角度限制弯曲/伸展的活动角度。
进一步，所述半球形薄壳体作为肩关节限位机构的基础构件，其几何结构是倾角为αi两个切线圆和一个上下圆构成的直纹面。
进一步，所述限位挡板作为轴承压板，限制轴承的轴向窜动，并通过限位挡板的安装位置和尺寸，限制肘内圈和肘外圈的内旋/外旋的活动角度。
进一步，所述肩关节限位机构、肘关节机构、腕关节机构间的连接均留有伸长板，所述伸长板留有用于调节各个关节间的尺寸的限位槽，适用于不同人体。
进一步，两个所述半球形薄壳体分别构成肩关节一和肩关节二，所述肩关节一与肩臂转接环之间、肩关节一与肩关节二之间以及肩关节二与臂肘转接环分别设有等薄壁轴承。
进一步，所述肩关节一和肩臂转接环上设有轴肩，与轴承压板一和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接，所述肩关节一和肩关节二上设有轴肩，与轴承压板二和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接，所述肩关节二和臂肘转接环上设有轴肩，臂肘转接环上设有限位槽，并通过螺栓与铰链板固定连接。
进一步，所述肘外圈和肘内圈之间有等薄壁轴承，肘外圈与轴承压板三和等薄壁轴承内圈通过螺栓固定连接，肘内圈与轴承压板四和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接。
进一步，所述肘内圈通过螺栓与大臂转接板固定连接；所述大臂转接板和小臂转接外圈环之间设有限位槽，并通过螺栓固定连接，所述小臂转接外圈环和小臂转接内圈环通过螺栓固定连接，所述小臂转接内圈环和小臂伸长板之间有限位槽，并通过螺栓固定连接。
进一步，所述手腕板通过铆钉转动连接小臂伸长板，所述手腕板和手掌板通过铆钉铆接。
本发明的有益效果是：
本发明将上肢的运动分解为肩关节、腕关节、肘关节的运动，通过设计肩关节、腕关节、肘关节的限位机构限制各关节的运动范围，使得宇航员上肢可以在模拟宇航服装置内受迫运动；解决了当宇航员处于地球环境时，其上肢所受的运动限制不能满足太空环境状态下的要求。
本发明可以在无源的条件下限制上肢的运动范围，提升限位关节的可靠性，各个关节的连接间留有伸长板可以调节尺寸适应人体间的差异。
附图说明
图1为上肢限位机构结构示意图；
图2为图1的正视图；
图3为肩关节机构结构示意图；
图4为肘关节机构结构示意图；
图5为腕关节机构结构示意图；
图中：1.铠甲、2.颈部定位环、3.头盔转接环、4.背部定位条、5.背部定位架、6.肩上定位片、7.肩臂转接环、8.腋下定位片、9.肩关节一、10.肩关节二、11.臂肘转接环、12.肘外圈、13.肘内圈、14.大臂转接板、15.小臂转接外圈环、16.小臂转接内圈环、17.小臂伸长板、18.手腕板、19.手掌板、20.铰链板、21.轴承压板一、22.轴承压板二、23.轴承压板三、24.限位压板、25.前胸定位架、26.肩部定位环、27.等薄壁轴承一、28.轴承压板四、29.等薄壁轴承二、30.轴承压板五、31.等薄壁轴承三。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的一种宇航服的上肢限位机构，将上肢运动分解为肩关节、肘关节及腕关节三个关节的运动。该上肢限位机构包括肩关节限位机构、肘关节机构、腕关节机构。
如图3所示，肩关节限位机构由两个半球形薄壳体串联而成，有三个自由度，分别是内敛/外展、前伸/后展、内旋/外旋。半球形薄壳体作为肩关节限位机构的基础构件，其几何结构是倾角为αi两个切线圆和一个上下圆构成的直纹面，两个构件通过等薄壁轴承连接为可相对旋转的串联机构。在运动过程中，每个关节构件围绕端面的圆心旋转，使肩关节机构实现三自由度的运动功能。通过设计计算肩关节上下圆的直径和构件倾角，肩关节机构的转动角度有确定的角度范围。
如图4所示，肘关节机构有两个自由度，由铰链副机构和圆柱副机构串联而成，铰链副机构的通过槽面角度限制弯曲/伸展的活动角度；圆柱副机构是肘内圈和肘外圈通过轴承连接而成，保证转动的平滑性，肘内圈和肘外圈端面上有法兰孔，用螺栓将两个限位挡板24分别固定在法兰面上。
限位挡板24有两方面作用，一是作为轴承压板，限制轴承的轴向窜动，二是利用限位挡板24的安装位置和尺寸，限制内旋/外旋的活动角度。
如图5所示，腕关节机构有两个自由度，手腕伸长板与手腕板之间存在一个铰链副，手腕板与手掌板之间存在一个铰链副，两个铰链副机构串联在一起，铰链副的旋转轴线垂直分布，并且通过槽面角度限制弯曲/伸展的活动角度。
各关节间的连接留有伸长板，伸长板留有限位槽可以调节各个关节间的尺寸适用于不同人体。
本发明可以在无源的条件下限制上肢的运动范围，提升限位关节的可靠性，各个关节的连接间留有伸长板可以调节尺寸适应人体间的差异。
具体实施例：
如图1至图5所示，铠甲1与颈部定位环2通过螺栓固定连接，头盔转接环3与铠甲1通过螺栓固定连接，背部定位条4与铠甲1通过螺栓固定连接，背部定位架5与铠甲1通过螺栓固定连接，肩上定位片6与铠甲1通过螺栓固定连接，肩臂转接环7与铠甲1通过螺栓固定连接，腋下定位片8与铠甲1通过螺栓固定连接，前胸定位架25与铠甲1通过螺栓固定连接，肩部定位环26与铠甲1通过螺栓定位连接。
肩关节一9与肩臂转接环7之间有等薄壁轴承一27，肩关节一9和肩臂转接环7上有轴肩，与轴承压板一21和等薄壁轴承一27外圈通过螺栓固定连接，肩关节一9与肩关节二10之间有等薄壁轴承二29，肩关节一9和肩关节二10上有轴肩，与轴承压板二22和等薄壁轴承二29外圈通过螺栓固定连接，肩关节二10与臂肘转接环11之间有等薄壁轴承三31，肩关节二10和臂肘转接环11上有轴肩，臂肘转接环11上有限位槽，通过螺栓与铰链板20固定连接，肘外圈12和肘内圈13之间有等薄壁轴承，肘外圈12与轴承压板和等薄壁轴承内圈通过螺栓固定连接，肘内圈13与轴承压板和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接，大臂转接板14和肘内圈13通过螺栓固定连接，大臂转接板14和小臂转接外圈环15之间有限位槽，通过螺栓固定连接，小臂转接外圈环15和小臂转接内圈环16通过螺栓固定连接，小臂转接内圈环16和小臂伸长板17之间有限位槽，通过螺栓固定连接，小臂伸长板17和手腕板18通过铆钉转动连接，手腕板18和手掌板19通过铆钉铆接。
Claims (6)
1.一种宇航服的上肢限位机构，其特征在于：包括肩关节限位机构、肘关节机构、腕关节机构，所述肩关节限位机构由两个半球形薄壳体串联而成，具有三个自由度，分别是内敛/外展、前伸/后展、内旋/外旋，两个半球形薄壳体通过等薄壁轴承连接为可相对旋转的串联机构，所述肘关节机构由铰链副机构和圆柱副机构串联而成，具有两个自由度，所述铰链副机构通过槽面角度限制弯曲/伸展的活动角度；所述圆柱副机构由肘内圈和肘外圈通过轴承连接而成，所述肘内圈和肘外圈端面上通过法兰孔和螺栓将两个限位挡板分别固定在肘内圈和肘外圈的法兰面上；所述腕关节机构由手腕伸长板、手腕板、手掌板、铰链副组成，具有两个自由度，所述手腕伸长板与手腕板之间连接一个铰链副，所述手腕板与手掌板之间连接一个铰链副，两个铰链副串联在一起，铰链副的旋转轴线垂直分布，并且通过槽面角度限制弯曲/伸展的活动角度；所述肘外圈和肘内圈之间设有等薄壁轴承，肘外圈与轴承压板三和等薄壁轴承内圈通过螺栓固定连接，肘内圈与轴承压板四和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接；所述肘内圈通过螺栓与大臂转接板固定连接；所述大臂转接板和小臂转接外圈环之间设有限位槽，并通过螺栓固定连接，所述小臂转接外圈环和小臂转接内圈环通过螺栓固定连接，所述小臂转接内圈环和小臂伸长板之间有限位槽，并通过螺栓固定连接；所述手腕板通过铆钉转动连接小臂伸长板，所述手腕板和手掌板通过铆钉铆接。
2.根据权利要求1所述的宇航服的上肢限位机构，其特征在于：所述半球形薄壳体作为肩关节限位机构的基础构件，其几何结构是倾角为两个切线圆和一个上下圆构成的直纹面。
3.根据权利要求1所述的宇航服的上肢限位机构，其特征在于：所述限位挡板作为轴承压板，限制轴承的轴向窜动，并通过限位挡板的安装位置和尺寸，限制肘内圈和肘外圈的内旋/外旋的活动角度。
4.根据权利要求1所述的宇航服的上肢限位机构，其特征在于：所述肩关节限位机构、肘关节机构、腕关节机构间的连接处均留有伸长板，所述伸长板留有用于调节各个关节间的尺寸的限位槽，适用于不同人体。
5.根据权利要求1所述的宇航服的上肢限位机构，其特征在于：两个所述半球形薄壳体分别构成肩关节一和肩关节二，所述肩关节一与肩臂转接环之间、肩关节一与肩关节二之间以及肩关节二与臂肘转接环分别设有等薄壁轴承。
6.根据权利要求5所述的宇航服的上肢限位机构，其特征在于：所述肩关节一和肩臂转接环上设有轴肩，与轴承压板一和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接，所述肩关节一和肩关节二上设有轴肩，与轴承压板二和等薄壁轴承外圈通过螺栓固定连接，所述肩关节二和臂肘转接环上设有轴肩，臂肘转接环上设有限位槽，并通过螺栓与铰链板固定连接。
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