一種輔助并增強人體力量的裝置的制作方法

本實用新型涉及機電一體化、機械、電子、傳感器、仿生等技術領域，具體為一種輔助并增強人體力量的裝置。

背景技術：

外骨骼機器人技術是一種融合傳感、控制、信息、融合、移動計算等現代綜合技術，并為操作者提供一種可穿戴的機械機構，即為一種套在人體外面的人體骨骼仿生機器人，也稱為可穿戴的機器人，在軍事、康復、運輸等領域，該項技術有廣泛地應用空間。

申請號為201610454728.0的實用新型專利公開一種半自動協力骨骼機器裝置，該裝置的動力系統采用氣動技術需要空壓機、氣缸等大型設備加以輔助，所占空間較大，重量大，成本較高。并且胯部結構采用直線型設計，貼合度較差，舒適度較差。

申請號為201610590102.2的實用新型公開一種輕型化高速大負載下肢外骨骼機器人，該機器人的動力系統為液壓，液壓傳動速度較慢無法滿足某些高速運狀態，且液壓系統成本較高后期維護等不便。另外背部太過于死板，靈活度不高。

申請號為201610511532.0的實用新型公開一種下肢助力外骨骼機器人，該機器人的電機直接加動力系統速度較快且有慣性人機功效較差不易控制。經減速裝置后加動力系統，由于腿部阻力較大所以要求電機力矩較大相對電機體積較大減速裝置也相應較大，不易安裝且安裝于腿部由于電機，減速裝置等質量較大則勢必將會受重力影響對腿部骨骼將有向外的拉力，由于力量分散不集中所以人機功效較差。腳部均采用硬性連接，與大地摩擦力較小，穿著需要手動固定極不方便，且舒適度較低。

申請號為201610405845.8公開一種便攜穿戴式外骨骼上肢機器人，該機器人的背部模塊用于承載控制系統、電池動力部件，同時用于實現背負功能，但背部無自由度，靈活性差，舒適度較低，人機功效較差；且作為核心部件的電池動力部件和控制系統外漏易損壞導致該裝置癱瘓，手臂模塊方向單一，適用范圍窄。

總之，目前涉及外骨骼機器人存在下述問題。

1、目前所涉及的同類產品脊柱部分均采用直線型設計，存在無自由度，貼合度，舒適度較低，人機功效差等眾多問題。

2、現有同類產品均采用氣動技術或液壓技術等動力系統，該類系統所需輔助組件較多（例如氣動技術需要空氣壓縮機，氣缸等輔件，液壓需要油泵，油缸等大型輔件），所占體積較大，重量較大，成本較高，控制復雜，后期維護不便。

3、目前所涉及的同類產品核心部件均裸露在外極易損壞且影響美觀。

4、目前所涉及的同類產品穿著部位均不可調節，有效的限制了穿戴者的身高體重。

5、目前所涉及的同類產品由于體積較大，重量較重均不易穿脫。

6、目前所涉及的同類產品均為單一的上肢或下肢，人體工作時負重量不均勻，長時間工作導致機體產生較多問題。而上述單一模塊若組合使用，則由于各模塊設計相差較大，使得整體協調性性較差。

7、腳部均采用硬性連接，與大地摩擦力較小，穿著需要手動固定，極不方便，且舒適度較低。

技術實現要素：

本實用新型克服了現有技術存在的不足，提供了一種穿戴簡單、行動方便、舒適度高的一種輔助并增強人體力量的裝置。

為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為：一種輔助并增強人體力量的裝置，包括上肢機構、下肢機構和脊柱機構，所述脊柱機構的下部和下肢機構之間通過上下肢連接機構活動連接在一起，所述脊柱機構的上部和上肢機構之間通過上臂固定位活動連接在一起；

所述下肢機構的結構為：包括足部踏板、小腿部板、大腿部板和腿部動力部件，所述小腿部板的下部連接有足部踏板，所述小腿部板的上部通過膝關節連接軸與大腿部板的下部連接在一起，所述大腿部板的上部通過連接球頭活動連接在上下肢連接機構上，所述腿部動力部件位于大腿部板的后側，且所述腿部動力部件的上部固定在大腿部板上，所述腿部動力部件的下部活動設置在小腿部板上；

所述上肢機構的結構為：包括手腕卡環、小臂卡環、小臂主結構、大小臂連接機構、上臂卡環和上臂主結構，所述手腕卡環和小臂卡環之間通過小臂主結構活動連接，所述小臂卡環和上臂卡環之間通過大小臂連接機構活動連接，所述上臂卡環通過上臂主結構活動連接在上臂固定位上，所述上臂主結構的側面設置有小臂動力組件，所述小臂動力組件的上部通過第一連接軸活動連接在上臂主結構上，所述小臂動力組件的下部通過第二連接軸活動連接在小臂卡環上；

所述脊柱機構的結構為：包括背部主梁、仿生脊柱、脊柱軟連接、胸部卡套、背部主結構、背部軟連接、背部活動件和肩部主結構，所述背部主梁呈T型，所述背部主梁的下部固定設置在上下肢連接機構上，多個所述仿生脊柱橫向平行設置在背部主梁上，相鄰的所述仿生脊柱之間通過多個脊柱軟連接連接在一起，所述胸部卡套和背部主結構均設置在背部主梁的中部，且所述胸部卡套位于背部主結構的下方，所述背部主梁呈U型，所述背部主梁的兩端頂部均連接有背部軟連接，所述背部主梁的上部兩端對應與背部軟連接連接，所述肩部主結構與背部軟連接之間通過背部活動件連接在一起；

兩個所述肩部主結構上均設置有上臂動力組件，所述上臂動力組件的本體固定設置在肩部主結構上，所述上臂動力組件的輸出軸活動設置在上臂固定位上。

所述腿部動力部件為鋁合金12V電動電桿，推桿質量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s，所述電動推桿通過傳感器控制。

所述小腿部板包括小腿部外板和小腿部內板，所述小腿部外板和小腿部內板配合形成夾層，所述夾層內用于放置電源和PLC組件，所述PLC組件與腿部動力部件、小臂動力組件和上臂動力組件電連接。

所述足部踏板的底部采用柔性材質，所述底部內設置傳感器和復位彈簧，所述復位彈簧用于保護傳感器不受擠壓。

所述背部主梁包括多節主梁單元和萬向節組成。

本實用新型與現有技術相比具有以下有益效果。

1、本實用新型利用萬向球頭自由度高且凸面正好與脊柱凹相貼，以萬向球頭為核心的仿生脊柱等部分貼合度大大提高，舒適度強（可調節方向），人機功效強。

2、本實用新型在動力系統方面，采用鋁合金12v電動電桿，推桿質量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s（實測速度為1.5m/s）電動推桿由傳感器控制，當觸發傳感器時電機通電推桿運動否則將保持原來狀態，所以速度可調節，推桿長為105mm，寬為75mm，體積較小，且在設計時充分考慮其大小最大程度上做到了與下肢相吻合。上臂動力采用鋼絲牽引的方式，鋼絲牽引作為動力不僅使速度大大提高而且也使整個實用新型設計美觀大方。

3、本實用新型將核心部件隱藏于肢體結構夾層內，有效的為其提供保護，更大程度上避免了損壞，且空間利用率達到更高。

4、本實用新型可實現同一裝置適合不同體型的人穿戴（螺絲可調節其伸長度等部位），大大提高了使用人群。

5、本實用新型便于穿脫（卡扣式連接非常方便）。

6、本實用新型上下肢既可以分開使用也可以一起使用，且上下肢協調性良好。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型做進一步的說明。

圖1為本實用新型的結構示意圖。

圖2為本實用新型中脊柱機構的結構示意圖。

圖3為本實用新型中上肢機構的結構示意圖。

圖4為本實用新型的流程框圖。

圖5為本實用新型的工作框架圖。

圖中：1為上肢機構、11為手腕卡環、12為小臂卡環、13為小臂主結構、14為大小臂連接機構、15為上臂卡環、16為上臂主結構、17為小臂動力組件、18為第一連接軸、19為第二連接軸、110為上臂動力組件、2為下肢機構、21為足部踏板、22為小腿部板、23為大腿部板、24為腿部動力部件、25為膝關節連接軸、26為連接球頭、3為脊柱機構、31為背部主梁、32為仿生脊柱、33為脊柱軟連接、34為胸部卡套、35為背部主結構、36為背部軟連接、37為背部活動件、38為肩部主結構、4為上下肢連接機構、5為上臂固定位。

具體實施方式

如圖1～圖5所示，本實用新型一種輔助并增強人體力量的裝置，包括上肢機構1、下肢機構2和脊柱機構3，所述脊柱機構3的下部和下肢機構2之間通過上下肢連接機構4活動連接在一起，所述脊柱機構3的上部和上肢機構1之間通過上臂固定位5活動連接在一起；

所述下肢機構2的結構為：包括足部踏板21、小腿部板22、大腿部板23和腿部動力部件24，所述小腿部板22的下部連接有足部踏板21，所述小腿部板22的上部通過膝關節連接軸25與大腿部板23的下部連接在一起，所述大腿部板23的上部通過連接球頭26活動連接在上下肢連接機構4上，所述腿部動力部件24位于大腿部板23的后側，且所述腿部動力部件24的上部固定在大腿部板23上，所述腿部動力部件24的下部活動設置在小腿部板22上；

所述上肢機構1的結構為：包括手腕卡環11、小臂卡環12、小臂主結構13、大小臂連接機構14、上臂卡環15和上臂主結構16，所述手腕卡環11和小臂卡環12之間通過小臂主結構13活動連接，所述小臂卡環12和上臂卡環15之間通過大小臂連接機構14活動連接，所述上臂卡環15通過上臂主結構16活動連接在上臂固定位5上，所述上臂主結構16的側面設置有小臂動力組件17，所述小臂動力組件17的上部通過第一連接軸18活動連接在上臂主結構16上，所述小臂動力組件17的下部通過第二連接軸19活動連接在小臂卡環12上；

所述脊柱機構3的結構為：包括背部主梁31、仿生脊柱32、脊柱軟連接33、胸部卡套34、背部主結構35、背部軟連接36、背部活動件37和肩部主結構38，所述背部主梁31呈T型，所述背部主梁31的下部固定設置在上下肢連接機構4上，多個所述仿生脊柱32橫向平行設置在背部主梁31上，相鄰的所述仿生脊柱32之間通過多個脊柱軟連接33連接在一起，所述胸部卡套34和背部主結構35均設置在背部主梁31的中部，且所述胸部卡套34位于背部主結構35的下方，所述背部主梁31呈U型，所述背部主梁31的兩端頂部均連接有背部軟連接36，所述背部主梁31的上部兩端對應與背部軟連接36連接，所述肩部主結構38與背部軟連接36之間通過背部活動件37連接在一起；

兩個所述肩部主結構38上均設置有上臂動力組件110，所述上臂動力組件110的本體固定設置在肩部主結構38上，所述上臂動力組件110的輸出軸活動設置在上臂固定位5上。

所述腿部動力部件24為鋁合金12V電動電桿，推桿質量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s，所述電動推桿通過傳感器控制。

所述小腿部板22包括小腿部外板和小腿部內板，所述小腿部外板和小腿部內板配合形成夾層，所述夾層內用于放置電源和PLC組件，所述PLC組件與腿部動力部件24、小臂動力組件17和上臂動力組件110電連接。

所述足部踏板21的底部采用柔性材質，所述底部內設置傳感器和復位彈簧，所述復位彈簧用于保護傳感器不受擠壓。

所述背部主梁31包括多節主梁單元和萬向節組成。

本實用新型采用仿生脊柱，有較多自由度，靈活性強，舒適度高。

本實用新型中仿生脊柱采用以向球頭為主以彈簧為輔的結構，以萬向球頭作為支撐既保證了方向的可變化又便于連接（球頭之間可以直接連接），彈簧加在固定板兩邊保證了兩邊的平衡使整個脊柱無力的作用時保持直挺狀態，同時用彈簧等軟連接保證了方向的可變換性，固定板既可以固定球頭脊柱又可以與上下肢相連接，固定板與球頭的一面為水平面另一面為凸面，凸面與后背脊柱所形成的凹面正好相貼合大大增強了其貼合度。此仿生脊柱經測試完全可以貼合人并適合人彎曲的各個角度。

本實用新型中下肢部分采用鋁合金12V電動電桿，推桿質量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s，電動推桿由傳感器控制，當觸發傳感器時電機通電推桿運動否則將保持原來狀態，所以速度可調節，推桿長為105mm，寬為75mm，體積較小，且在設計時充分考慮其大小最大程度上做到了與下肢相吻合。以方法避免了直接用電機作為動力系統，一方面對電機減速要求較低使得更容易控制，增強其工作效率，另一方面便于加工安裝。

本實用新型腿部設有夾層用于放置電源和各控制元件很大程度上避免了因外置而導致損壞等現象。

本實用新型腳部采用柔軟度較高的底板，傳感器置于內部，且底板加有4組復位彈簧既保護了傳感器不受大力壓擠導致損壞同時又保證了平衡大大提高了使用者的舒適度。

本實用新型足部踏板21采用自動卡扣式固定，使用者只需將鞋放進去便會自動卡鎖，脫時將卡鎖開關按住卡扣就會自動解鎖，使用非常方便。

本實用新型手臂肘關節采用壓力軸承和桿連接的方式使靈活度大大提高，傳感器以及各導線隱藏于內部避免了與外界的直接接觸大大降低了損壞率，下臂動力使用電動推桿（推桿參數和腿部所描述除長短外相同），推桿有較強的自鎖能力適合某些搬用等工作，上臂動力采用鋼絲牽引的方式，動力源為伺服電機置于肩膀處，鋼絲連接肘部同樣由上臂內的傳感器控制。

本實用新型為全身性的助力系統，涵蓋脊柱上下肢，全身既可以分開使用也可以全身使用，解決了模塊組合不協調等問題。

本實用新型自動化工作原理：

1、動力模塊：由傳感器將外部信息發送到單片機內，再由單片機控制電機等執行元件。

2、溫度模塊：由溫度傳感器將電池溫度傳送給單片機，單片機控制數碼管顯示并可以通過單片機設定一個溫度值，當達到所設定的溫度值時蜂鳴器將會發出警告。

3、電池信息模塊：由傳感器實時監測電池電量，當電量低于所設置的值時將會自動啟動備用電源。

上面結合附圖對本實用新型的實施例作了詳細說明，但是本實用新型并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下作出各種變化。