一种线传动穿戴式机械外骨骼的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种机械外骨骼，尤其涉及到一种线传动穿戴式机械外骨骼。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，煤矿开采技术也从原来的人工挖掘、半机械化、机械化，逐步发展到现在的自动化、数字化的开采，今后将向无人化矿井迈进。由于无人化开采的推进，矿井的各项安全措施不会像以前那样完备。然而，机械设备再先进，也需要检修维护，检修维护人员为了达到更好的防护效果，需要携带大量装备。但是受人类生理极限的限制，加上井下的恶劣环境，这对工作人员是个很大负担。而且紧急救助(事故、灾害、突发事件)、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等也对机械外骨骼有很大的需求。
[0003]遗憾的是，目前还没有正在面向工业的机械骨骼。仅有的几次应用是:(1)HAL被用于福岛核电站救助现场；(2)欧盟Robo-Mate项目的研究人员开发出一种外骨骼，它能够使工人在抬举时只需负荷实物十分之一的重量。
【发明内容】
[0004]根据现有技术的不足，提供一种能够增强人体能力，帮助人们走得更快、能够携带更多更重的东西的同时，大大提高了能量利用效率及可靠性的线传动穿戴式机械外骨骼。
[0005]本发明按以下技术方案实现:
一种线传动穿戴式机械外骨骼，该机械外骨骼包括踝关节部件、膝关节部件、髋关节部件和控制部件，所述踝关节部件通过小腿支杆连接膝关节部件，所述膝关节部件通过大腿支杆连接髋关节部件，所述踝关节部件、膝关节部件、髋关节部件通过控制部件实现机械外骨骼完成与人体相似的动作，还包括一块为机械外骨骼提供动力的混合动力模块。
[0006]所述踝关节部件包括脚板，所述脚板通过回转轴承I与小腿支杆活动连接，所述脚板上间隔固定连接有两个限位销轴，在两个限位销轴之间的小腿支杆上固定连接一个双向限位挡块，在脚板的上部和小腿支杆上各固定连接一个弹簧挂耳，两个弹簧挂耳之间悬挂一根拉伸弹簧，小腿支杆上还固定连接一个定滑轮I。所述脚板分为后脚板和前脚板，所述后脚板和前脚板之间通过销轴连接，所述销轴上套装有扭转弹簧，扭转弹簧一端固定在后脚板上，另一端固定在前脚板上。
[0007]所述膝关节部件包括轮盘，所述轮盘下部与小腿支杆固定连接，轮盘中心与大腿支杆之间通过回转轴承Π活动连接，所述轮盘上开有两个牵引绳挂孔I，所述大腿支杆上固定连接有两个定滑轮Π。
[0008]所述髋关节部件包括髋关节轴筒，所述髋关节轴筒的下部与大腿支杆固定连接，髋关节轴筒的上部与髋关节轴承套活动连接，髋关节轴承套内安装有回转轴承m，髋关节轴承套连接有一个定滑轮m，髋关节轴承套的顶部固定连接一个牵引绳挂孔π，髋关节轴承套的底部固定连接一个牵引绳挂孔m;还包括一个刚性腰带，所述刚性腰带的前端短轴与回转轴承m内圈相连接，所述刚性腰带的后端固定连接背部多功能支架，所述背部多功能支架上安装有呈τ型布置的定滑轮组，所述定滑轮组包括外圈带齿定滑轮1、位于外圈带齿定滑轮I上方的外圈带齿定滑轮π以及位于外圈带齿定滑轮I两侧的定滑轮IV和定滑轮V。所述髋关节轴承套上连接有两个髋关节轴承套挂耳，所述髋关节轴承套挂耳通过销轴与髋关节轴筒相连接;靠近后背的髋关节轴承套挂耳上间隔开有两个凹槽。
[0009]所述控制部件包括位于各个关节处的接收传感器，所述接收传感器与AD数模转换组相连，所述AD数模转换组与模拟比较器组相连，所述模拟比较器组与DA数模转换组相连，所述DA数模转换组与信号放大器组相连，所述信号放大器组与电液伺服阀组相连，所述电液伺服阀组与各个关节处的驱动器相连。
[0010]所述接收传感器包括位于踝关节处的踝关节压力传感器，位于膝关节处的位移传感器和位于髋关节处的髋关节压力传感器。所述驱动器包括位于背部多功能支架的裸关节液压驱动器和膝关节液压驱动器、位于刚性腰带的髋关节后液压驱动器和髋关节前液压驱动器;所述裸关节液压驱动器通过牵引绳I与踝关节部件相连接，即牵引绳I的一端与裸关节液压驱动器相连，另一端穿过定滑轮V后经过髋关节轴承套挂耳上的任一个凹槽后又经过定滑轮I连接到后脚板;所述膝关节液压驱动器通过牵引绳Π与膝关节部件相连接，即膝关节液压驱动器连接齿条，齿条与外圈带齿定滑轮I和外圈带齿定滑轮Π相啮合，牵引绳Π的一端与任一个牵引绳挂孔I相连，另一端经过其中一个定滑轮Π后、从另一个凹槽穿过后、又从外圈带齿定滑轮I和外圈带齿定滑轮π穿过后、又依次经过定滑轮IV、定滑轮m和另一个定滑轮Π后连接到另一个牵引绳挂孔I;所述髋关节后液压驱动器和髋关节前液压驱动器分别通过牵引绳m和牵引绳IV与髋关节部件相连接，即牵引绳m和牵引绳IV分别与牵引绳挂孔m和牵引绳挂孔π相连。
[0011]本发明原理如下:
该机械外骨骼的腰部有U型刚性腰带，腰带上有固定孔用以穿过尼龙带。当穿戴者站在刚性腰带中间位置时，扣好尼龙带，并将膝关节和踝关节及脚板处的固定带固定好，就此完成穿戴。
[0012]当裸关节压力传感器检测到人体脚踝动作时，裸关节压力传感器信号经过AD模数转换器组、模拟比较器组、DA数模转换器组、信号放大器组处理，输送到电液伺服阀组，控制踝关节液压驱动器动作;踝关节液压驱动器拉动牵引绳I，牵引绳I依次经过髋关节轴筒上的凹槽及定滑轮I拉动后脚板，以完成提踝动作，直到机械外骨骼脚踝部位转动幅度与人脚踝转幅相同。脚板上有两块垂直于脚板的弹性钢板，通过回转支承轴承I与小腿支杆下部连接;踝关节布置有两个限位销轴，限制脚踝弯曲最大值为15度，伸展最大角度为35度，均大于成年人行走时换关节屈伸极限；小腿支杆由两段铝合金管通过螺纹连接，可以相对自由旋转;脚板分为前脚板和后脚板两部分，二者采用销轴连接，销轴上套有扭转弹簧，当抬脚时，扭转弹簧先压缩存储部分能量，前脚板即将离地时再回弹，这部分能量又会释放，这种仿生设计不仅使穿戴者步行时更加舒适自然，而且还起到了助力作用。当人体恢复站立时，裸关节压力传感器得到的信号经处理后发给电液伺服阀组，控制踝关节液压驱动器拉杆反向动作，此时固定在小腿支杆和脚板弹簧挂耳间的拉伸弹簧将脚板拉回到初始位置。
[0013]人体膝关节动作时，膝关节上的两个位移传感器得到的信号经过AD模数转换器组、模拟比较器组、DA数模转换器组、信号放大器组处理后，通过电液伺服阀组控制膝关节液压驱动器，该液压驱动器推动齿条，使得外圈带齿定滑轮转动，带动牵引绳π收放，以达到轮盘转动的目的。膝关节的核心是一块不锈钢轮盘，下部固定在小腿支杆上，中心部位通过回转轴承π和大腿支杆连接;为减轻轮盘重量，在轮盘上开有一定数量的通孔;轮盘外圈开有两个牵引绳挂孔I用于固定牵引绳Π的两端，牵引绳挂孔I的位置很据膝关节最大弯曲范围和轮盘直径而定，本机械外骨骼膝关节最大弯曲度为75度;膝关节部位只有一个自由度。当位移传感器从机械外骨骼膝关节处得到的信号和人体膝关节处得到的信号相同时，控制膝关节驱动器停止动作，这样两者膝关节动作就能达到一致。
[0014]当髋关节动作时，该部位的髋关节压力传感器将信号经由AD模数转换器组、模拟比较器组、DA数模转换器组、信号放大器组处理后，控制髋关节前液压驱动器供油，髋关节后液压驱动器回油，带动牵引绳移动，通过拉动固定在髋关节轴承套上的牵引绳挂孔使得髋关节弯曲，该关节以下部位便绕着回转轴承m中心旋转，直到转动角度和人体一致为止。大腿支杆和小腿支杆一样由两段铝合金管通过螺纹连接，此设计不仅可以保证髋关节与膝关节相对自由转动，还可以调节机械外骨骼的高度，使得外骨骼的关节位置尽量与身材各异的使用者吻合。髋关节轴筒底部与大腿支杆连接，上部通过两个髋关节轴承套挂耳与髋关节轴承套通过销轴连接;回转轴承m内圈固定在刚性腰带伸出的短轴上。
[0015]本发明有益效果:
1.在膝关节处采用轮盘设计，保证了线传动机械外骨骼膝关节的弯曲度，有效避免了涉水时马达驱动膝关节的安全问题，大幅度地增加了恶劣环境下的可靠性；
2.将牵引绳配合定滑轮组用于机械外骨骼，相比膝关节直接放置液压驱动器驱动，相关机构大为简化，并且液压驱动器布置的离混合动力模块很近，降低了液压油在油管路中的能量损失，提高了能量利用率。
【附图说明】
[0016]图1为为机械外骨骼主视图(加入了人体设计)；
图2为机械外骨骼左视图；
图3为踝关节部件放大结构示意图；
图4为膝关节部件放大结构示意图；
图5为髋关节部件放大结构示意图；
图6为髋关节部件俯视图；
图7为髋关节轴承套结构示意图；
1_脚板;I.1_后脚板;I.2-前脚板;I.3-销轴;2-扭转弹黃;3-弹黃挂耳;4-拉伸弹黃;5-回转轴承Π ; 6-定滑轮I; 7-牵引绳挂孔I; 8-轮盘;9-定滑轮Π ; 10-髋关节轴筒；11-髋关节轴承套；12-刚性腰带；13-定滑轮IV; 14-外圈带齿定滑轮I; 15-外圈带齿定滑轮Π ; 16-髋关节后液压驱动器；17-髋关节前液压驱动器；18-定滑轮V ; 19-踝关节液压驱动器;20-膝关节液压驱动器;21-背部多功能支架;22-电液伺服阀组;23-信号放大器组；24-DA数模转换器组；25-模拟比较器组；26-AD模数转换器组；27-混合动力模块；28-髋关节压力传感器；29-位移传感器;30-踝关节压力传感器;31-双向限位挡块;32-限位销轴；33-回转轴承I;34-小腿支杆;35-大腿支杆;36-牵引绳挂孔ΙΠ;37-牵引绳挂孔Π ;38-回转轴承ΙΠ ;39-凹槽;40-齿条;41-髋关节轴承套挂耳;42-定滑轮ΙΠ，43-牵引绳I，44-牵引绳Π，45-牵引绳m，46-牵引绳IV，10-踝关节部件，200-膝关节部件，300-髋关节部件，400-控制部件。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0018]如图1至图7所示，一种线传动穿戴式机械外骨骼，该机械外骨骼包括踝关节部件100、膝关节部件200、髋关节部件300和控制部件400，踝关节部件100通过小腿支杆34连接膝关节部件200，膝关节部件200通过大腿支杆35连接髋关节部件300，踝关节部件100、膝关节部件200、髋关节部件300通过控制部件400实