CN206855436U - 多自由度机械外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多自由度机械外骨骼装置，包括机械结构、液压系统及控制系统；机械结构包括左腿大腿杆、左腿小腿杆、左脚底板、右腿大腿杆、右腿小腿杆、右脚底板，相连接的零部件之间采用铰接的方式来模拟人体下肢的运动，左腿大腿杆和右腿大腿杆的顶端均与髋关节一端铰接；液压系统包括液压动力单元、左腿液压缸、右腿液压缸，左腿液压缸连接左腿大腿杆与左腿小腿杆，右腿液压缸连接右腿大腿杆与右腿小腿杆；控制系统包括左脚底板与右脚底板上设置的足底传感器及足底传感器控制的电磁阀。本实用新型具有低成本、控制简单、驱动力大、负载大的特点，实现机械外骨骼穿戴舒适，系统平稳工作，降低人在运动时所消耗的能量，提高人体负重上限，符合目前的市场需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多自由度机械外骨骼装置。
背景技术
目前机械外骨骼主要应用在军事领域与医疗领域，在军事方面，机械外骨骼主要用来增强单兵负载能力，使士兵能够在背负大量武器弹药、食品药品的情况下，仍能够快速行走、攀爬、跳跃等一系列运动，极大程度上保存了士兵的作战能力以及机动性。在医疗领域，机械外骨骼主要用于帮助患者进行步态康复，可以在不需要医护人员的全程监护下，辅助患者进行步态康复训练；此外机械外骨骼还能帮助下肢瘫痪或肌肉萎缩的病人实现正常的行走。但以上机械外骨骼的造价十分昂贵、控制系统极为复杂、专用性强，难以推广普及。然而每年有很多体力劳动者因为腰椎突出或腰肌受损等原因无法正常工作，这与他们长时间承受重负载有很大的关系，市场上非常需要一款低成本、控制简单的机械外骨骼来辅助体力劳动者们。
发明内容
本实用新型针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多自由度机械外骨骼装置，低成本、控制简单、驱动力大、负载大。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：多自由度机械外骨骼装置，包括机械结构、液压系统及控制系统；机械结构包括左腿大腿杆、左腿小腿杆、左脚底板、右腿大腿杆、右腿小腿杆、右脚底板，相连接的零部件之间采用铰接的方式来模拟人体下肢的运动以将作用在身体上的力传到地面得到助力，左腿大腿杆和右腿大腿杆的顶端均与髋关节一端铰接；液压系统包括液压动力单元、左腿液压缸、右腿液压缸，左腿液压缸连接左腿大腿杆与左腿小腿杆，右腿液压缸连接右腿大腿杆与右腿小腿杆；控制系统包括左脚底板与右脚底板上设置的足底传感器及足底传感器控制的电磁阀。
进一步地，左腿小腿杆与左腿大腿杆的铰接处及右腿小腿杆与右腿大腿杆的铰接处均设置有旋转限位装置。
进一步地，所述旋转限位装置为设置在铰接处的挡片以防止膝关节转动角度大于180度，保护操作者安全。
进一步地，所述挡片为圆弧状。
进一步地，为了提高机械外骨骼的灵活性以及方便行进过程中的转向，髋关节另一端设置旋转运动副。
进一步地，足底传感器为压力传感器。
进一步地，铰接通过销轴实现。
进一步地，旋转运动副通过销轴实现。
进一步地，还包括背带、电池、载物台、大腿固定带和小腿固定带，电池为锂电池，髋关节上方设置背带，背带后方设置锂电池，锂电池下方设置载物台，载物台下方设置液压动力单元。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：首次将机械外骨骼助力装置的概念引入民用，民用多自由度机械外骨骼助力装置是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置，它将人类的智力与机械的“体力”结合在一起，靠人来控制机械，通过通过传感器控制液压系统、机械结构来完成人自身无法单独完成的任务，旨在解决搬运大型重物的难题，实现机械外骨骼穿戴舒适，系统平稳工作，降低人在运动时所消耗的能量，提高人体负重上限；将机械外骨骼引入民用，根据人体生理结构，按照拟人化原则进行机构设计，使机械外骨骼具有良好的穿着性能；只采用两个足底压力传感器，使控制系统大大简化，成本降低；使用液压动力单元与单作用液压缸作为驱动元件，具备重量轻、体积小、驱动力大、散热性良好的特点；只采用两个足底压力传感器，使控制系统大大简化，成本降低；机械外骨骼通过机械结构，将加载在人体的载荷传递到地面上，减轻人体所受负载，进而减少了对人体的损伤；本实用新型具有低成本、控制简单、驱动力大、负载大的特点，实现机械外骨骼穿戴舒适，系统平稳工作，降低人在运动时所消耗的能量，提高人体负重上限，符合目前的市场需求。
附图说明
图1为本实用新型机构装置立体示意图；
图2为本实用新型机构装置侧面的结构示意图；
图3为本实用新型机构装置限位装置的结构示意图；
图4为本实用新型机构装置液压系统的油路设计图。
图中：1-锂电池，2-载物台，3-液压动力单元，4-左腿液压缸，5-左腿大腿杆，6-左腿小腿杆，7-小腿固定带，8-左脚底板，9-足底传感器，10-右腿小腿杆，11-限位装置，12-右腿液压缸，13-右腿大腿杆，14-大腿固定带，15-髋关节，16-背带。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
多自由度机械外骨骼装置，包括机械结构、液压系统及控制系统；机械结构包括左腿大腿杆、左腿小腿杆、左脚底板、右腿大腿杆、右腿小腿杆、右脚底板，相连接的零部件之间采用铰接的方式来模拟人体下肢的运动以将作用在身体上的力传到地面得到助力，左腿大腿杆和右腿大腿杆的顶端均与髋关节一端铰接；液压系统包括液压动力单元、左腿液压缸、右腿液压缸，左腿液压缸连接左腿大腿杆与左腿小腿杆，右腿液压缸连接右腿大腿杆与右腿小腿杆；控制系统包括左脚底板与右脚底板上设置的足底传感器及足底传感器控制的电磁阀。
进一步地，左腿小腿杆与左腿大腿杆的铰接处及右腿小腿杆与右腿大腿杆的铰接处均设置有旋转限位装置。
进一步地，所述旋转限位装置为设置在铰接处的挡片以防止膝关节转动角度大于180度，保护操作者安全。
进一步地，所述挡片为圆弧状。
进一步地，为了提高机械外骨骼的灵活性以及方便行进过程中的转向，髋关节另一端设置旋转运动副。
进一步地，足底传感器为压力传感器。
进一步地，铰接通过销轴实现。
进一步地，旋转运动副通过销轴实现。
进一步地，还包括背带、电池、载物台、大腿固定带和小腿固定带，电池为锂电池，髋关节上方设置背带，背带后方设置锂电池，锂电池下方设置载物台，载物台下方设置液压动力单元。
如图，穿戴过程为，人体肩部通过背带16与机械外骨骼固定，腿部分别通过大腿固定带14与小腿固定带7与机械外骨骼固定；机械外骨骼运动过程中，首先抬起右脚，此时右脚足底传感器9无压力检测，电磁阀断电，通过人体控制肌肉收缩，带动右脚液压缸12收缩，同时完成迈步动作，当右脚踩在地面后，右脚足底传感器9有压力检测，电磁阀通电，右脚液压缸12伸出，产生负载所需的驱动力，带动人体与机械外骨骼运动；当右脚液压缸12伸出到极限位置时，右脚伸直，左脚悬空，此时左脚的足底压力传感器9无压力检测，电磁阀断电，同上所述右脚的运动方式一样，完成迈步动作。如果处于站立阶段，两脚的足底传感器9均有压力检测，电磁阀通电，左腿液压缸4、右腿液压缸12均处于伸长状态，用于支撑负载，并且将重物产生的力矩由载物台2沿着髋部往下传，髋关节15将负载力矩传递到左腿大腿杆5、右腿大腿杆13与左腿液压缸4、右腿液压缸12，然后再通过左腿小腿杆6、右腿小腿杆10传递到地面，使得人体能够承受重物传递的负载力矩，其中限位装置11保证大腿杆与小腿杆之间的角度不超过180度，保证使用者的安全。
由于机械外骨骼助力装置的脚底直接与地面接触，所以在运动过程中，绝大部分的负载会由装置直接传导到地上，达到助力效果，操作者所要注意的是要维持装置的平衡。
从上述可知，本实用新型的特点在于： 首次将机械外骨骼助力装置的概念引入民用；机械外骨骼可以减少人在运动中的能量消耗，大大增强人的负载能力；根据人体生理结构，按照拟人化原则进行机构设计，使机械外骨骼具有良好的穿着性能；只采用两个足底压力传感器，使控制系统大大简化，成本降低；选择液压动力单元，具备重量轻、体积小、驱动力大以及良好的散热性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
Claims (10)
1.多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：包括机械结构、液压系统及控制系统；机械结构包括左腿大腿杆、左腿小腿杆、左脚底板、右腿大腿杆、右腿小腿杆、右脚底板，相连接的零部件之间采用铰接的方式来模拟人体下肢的运动，左腿大腿杆和右腿大腿杆的顶端均与髋关节一端铰接；液压系统包括液压动力单元、左腿液压缸、右腿液压缸，左腿液压缸连接左腿大腿杆与左腿小腿杆，右腿液压缸连接右腿大腿杆与右腿小腿杆；控制系统包括左脚底板与右脚底板上设置的足底传感器及足底传感器控制的电磁阀。
2.根据权利要求1所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：左腿小腿杆与左腿大腿杆的铰接处及右腿小腿杆与右腿大腿杆的铰接处均设置有旋转限位装置。
3.根据权利要求2所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：所述旋转限位装置为设置在铰接处的挡片以防止膝关节转动角度大于180度。
4.根据权利要求3所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：所述挡片为圆弧状。
5.根据权利要求1-4之一所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：髋关节另一端设置旋转运动副。
6.根据权利要求1-4之一所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：足底传感器为压力传感器。
7.根据权利要求1-4之一所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：铰接通过销轴实现。
8.根据权利要求5所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：旋转运动副通过销轴实现。
9.根据权利要求1-4之一或8所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：还包括背带、电池、载物台、大腿固定带和小腿固定带。
10.根据权利要求9所述的多自由度机械外骨骼装置，其特征在于：电池为锂电池，髋关节上方设置背带，背带后方设置锂电池，锂电池下方设置载物台，载物台下方设置液压动力单元。
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| CN110217717A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-09-10 | 长沙理工大学 | 一种爬楼辅助装置 |
| CN111906752A (zh) * | 2020-07-10 | 2020-11-10 | 北京理工大学 | 一种用于增强人体负载运输能力的无源外骨骼机器人 |
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