一种火炮装弹用外骨骼增能系统的制作方法

本发明属于机械设计领域，具体涉及一种人工穿戴式火炮装弹用外骨骼增能系统。

背景技术：

炮弹装填作为战场作战必不可少的环节，是决定战争胜负的重要因素。目前，炮弹的装填工作基本由人力完成，对于炮兵来说，单次装弹可以快速完成，但在当今高强度的作战环境下，士兵的工作强度大，往往无法满足各方面的要求。而且还容易引起士兵的颈椎、脊椎等方面的问题。

当士兵执行高危高风险的任务时，作战环境恶劣，作战强度高。拥有充足的体能是保持战斗力的关键。这时战士的体能保障就成为了决定战争胜负的主要因素之一。对于炮弹装填手来说，往往需要不间断的重复举起几十公斤的炮弹进行装弹作业，容易透支士兵体能。迫切需要一种火炮装弹用外骨骼增能系统，帮助士兵进行高强度作业，克服困难环境，不消耗太多体能，进而大幅度提高作战效率。

目前正在研制的外骨骼增能系统，大多采用电机直接驱动，电机布置在关节处，不但影响空间运动的灵活性，而且由于驱动电机自身重量而产生的驱动力矩极大的降低了机械臂的驱动能力。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种火炮装弹用外骨骼增能系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种火炮装弹用外骨骼增能系统，用于辅助士兵向火炮中装弹，包括平衡车，所述平衡车上设置有用于辅助士兵身体旋转的旋转底盘，所述旋转底盘上设置有躯干骨骼增能系统；

所述躯干骨骼增能系统包括两根平行的腿部支架，两根平行的腿部支架的顶部设置有用于固定士兵腰部的腰部固定装置，所述腰部固定装置上顶面的中部设置有腰部支架，所述腰部支架与腰部固定装置的连接处设有用于辅助士兵弯腰的腰部运动机构，所述腰部支架的顶部设置有水平放置的肩部支架，所述肩部支架的两端分别设有手臂骨骼增能系统；

所述手臂骨骼增能系统包括：大臂连杆、小臂四连杆、用于辅助大臂连杆做内收外展运动的第一肩关节运动机构、用于辅助大臂连杆做前驱后伸运动的第二肩关节运动机构、用于辅助小臂四连杆做屈伸运动的第三肩关节运动机构；

所述大臂连杆与肩部支架的端部通过第一肩关节运动机构相连接，所述第二肩关节运动机构设置在大臂连杆与第一肩关节运动机构的连接处，所述小臂四连杆与第一肩关节运动机构通过第三肩关节运动机构相连接；

所述手臂骨骼增能系统的末端设置有抓取增能系统，所述抓取增能系统用于辅助士兵定位炮弹的位置，并实现对炮弹的抓取以及对炮弹的松开。

进一步地，所述抓取增能系统包括前端抓手，所述前端抓手包括两根呈直角弯曲的刚性连杆，所述两根呈直角弯曲的刚性连杆相交叉，且交叉处设有一带有扭力弹簧的铰接轴，两根呈直角弯曲的刚性连杆所形成的交叉角度随着两根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部之间距离的减小而减小。

进一步地，每根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部通过第一柔索铰接轴连接有两根刚性直杆，两根刚性直杆通过第二柔索铰接轴相连接，每根刚性直杆都可绕第二柔索铰接轴和第一柔索交接轴旋转,两根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部之间距离随着两根刚性直杆之间的夹角的减小而减小；

所述抓取增能系统还包括抓手固定板，所述抓手固定板的上部竖直开设有一条形开口，所述第二柔索铰接轴通过条形开口与抓手固定板相连接；抓手固定板的左、右两侧分别开设有一向抓手固定板的中轴线弯曲的弧形开口，所述第一柔索铰接轴通过弧形开口与抓手固定板相连接；

所述所述带有扭力弹簧的铰接轴与抓手固定板的下部相连接；

所述抓手固定板的下端部设有一3d摄像头。

进一步地，所述第二柔索铰接轴通过安装在旋转底盘中的电机进行驱动。

进一步地，所述第一肩关节运动机构包括第一转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动第一转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

所述第二肩关节运动机构包括第二转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动第二转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

所述第三肩关节运动机构包括第三转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动第三转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

腰部运动机构包括腰部转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动腰部转轴进行逆时针转动和顺时针转动。

进一步地，所述两根柔索分别通过安装在旋转底盘中的两个电机进行驱动。

进一步地，所述第一转轴、第二转轴、第三转轴和腰部转轴上均设置有两个凹槽，两根柔索分别固定在两个凹槽中。

进一步地，所述旋转底盘上设置有两个陀螺仪传感器，两个陀螺仪传感器分别位于两根平行的腿部支架的外侧。

进一步地，所述大臂连杆上设有大臂护具，所述大臂护具内表面的前部、后部和外伸处分别安装有陀螺仪传感器；

所述小臂四连杆上设有小臂护具，所述小臂护具内表面的前部和后部分别设有陀螺仪传感器；

所述肩部支架的两侧分别设有陀螺仪传感器。

进一步地，所述陀螺仪传感器均可通过蓝牙将传感器输出的信号传输至设置在平衡车内的控制器中。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明采用柔索传动，可以实现任意距离和任意空间力矩的传递；且柔索传动系统结构柔软，能够穿过狭小空间进行远距离传动，电机布置方便灵活，大大简化机械装置的设计；

(2)本发明采用的剪刀式灵巧抓手可以抓取不同规则型号的炮弹，解决了普通机械手抓取物体单一的问题，使抓取结构具有通用；

(3)本发明采用了推拉软轴与四连杆机构融合的技术，简化了肘部关节的设计，减少了肘部关节的传动机构和执行部件，提高了肘部关节的灵活性；

(4)本发明采用了柔索驱动肩部空间力矩转轴来实现肩部的外展/内缩、前屈/后伸，肩部空间力矩转轴稳定性高，达到了供弹过程的精准性、稳定性、空间灵活的目标；

(5)本发明使士兵在作业的时候有效的将所有载荷作用于平衡车上，达到了节省士兵体能的目的，避免因高强度作战任务对炮兵颈椎、脊椎的伤害。

附图说明

图1为本发明整体结构的正视图；

图2为本发明整体结构的左视图；

图3为本发明的手臂骨骼增能系统示意图；

图4为本发明肩部与手臂骨骼增能系统的连接机构连接处放大图；

图5为本发明的抓手示意图；

图6为图5的背面示意图；

图7为推拉软轴示意图；

图中各标号代表：1—平衡车；2—旋转底盘；3—陀螺仪传感器；4—腿部支架；5—腰部固定装置；6—肩部支架；7—腰部支架；8—腰部运动机构；9—小臂护具；10—大臂护具；11—大臂连杆；12—肩部与机械臂连接机构；13—第一肩关节运动机构；14—肩部空间力矩转轴；15—小臂四连杆；16—第二肩关节运动机构；17—第三肩关节运动机构；18—第二柔索铰接轴；19—抓手固定板；20—带有扭力弹簧的铰接轴；21—3d摄像头；22—第一转轴；23—第一柔索铰接轴。

具体实施方式

本发明中的前、后、上、下分别是指士兵身体的前方、后方、上方和下方。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供了一种火炮装弹用外骨骼增能系统，如图1、2，该系统用于辅助士兵向火炮中装弹，包括平衡车1，所述平衡车上设置有用于辅助士兵身体旋转的旋转底盘2，所述旋转底盘2上设置有躯干骨骼增能系统；

旋转底盘2可以在平衡车1上进行一定角度的旋转，可以辅助士兵在给火炮装弹时可以实时调节身体的旋转位置。

所述躯干骨骼增能系统包括两根平行的腿部支架4，如图1，本实施例中的腿部支架4是两根竖直设置的钢性杆体，其长度应和士兵的腿长相适应；两根平行的腿部支架4的顶部设置有用于固定士兵腰部的腰部固定装置5，本实施例中腰部固定装置5采用的是腰部人机工程学腰带，用以将士兵的腰部靠下位置固定在装置上；所述腰部固定装置5上顶面的中部设置有腰部支架7，本实施例的腰部支架为一根刚性杆体，其高度应和士兵的上半身高度相匹配，所述腰部支架7与腰部固定装置5的连接处设有用于辅助士兵弯腰的腰部运动机构8，所述腰部支架7的顶部设置有水平放置的肩部支架6，所述肩部支架6的两端分别设有手臂骨骼增能系统；

本实施例中的腰部运动机构8可使腰部支架向前弯折向腿部支架，以协助士兵的弯腰动作。

所述手臂骨骼增能系统包括：大臂连杆11、小臂四连杆15、用于辅助大臂连杆11做内收外展运动的第一肩关节运动机构13、用于辅助大臂连杆11做前驱后伸运动的第二肩关节运动机构16、用于辅助小臂四连杆15做屈伸运动的第三肩关节运动机构17；

内收外展运动分别是指大臂靠近身体侧面的方向和大臂远离身体侧面的方向；前驱后伸运动分别是指大臂向身体前方运动和大臂向身体后方运动；

所述大臂连杆11与肩部支架6的端部通过第一肩关节运动机构13相连接，所述第二肩关节运动机构16设置在大臂连杆11与第一肩关节运动机构13的连接处，所述小臂四连杆15与第一肩关节运动机构13通过第三肩关节运动机构17相连接；

所述手臂骨骼增能系统的末端设置有抓取增能系统，所述抓取增能装置用于辅助士兵定位炮弹的位置，并实现对炮弹的抓取以及对炮弹的松开。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上提供了抓取增能系统，如图5，包括前端抓手，所述前端抓手包括两根呈直角弯曲的刚性连杆，所述两根呈直角弯曲的刚性连杆相交叉，且交叉处设有一带有扭力弹簧的铰接轴20，两根呈直角弯曲的刚性连杆所形成的交叉角度随着两根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部之间距离的减小而减小。

为了调节两根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部之间的距离，每根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部通过第一柔索铰接轴23连接有两根刚性直杆，两根刚性直杆通过第二柔索铰接轴18相连接，且两根刚性直杆分别可绕第二柔索铰接轴18转动，即可调节两根刚性直杆的夹角；

所述抓取增能系统还包括抓手固定板19，所述抓手固定板19的上部竖直开设有一条形开口，所述第二柔索铰接轴18通过条形开口与抓手固定板19相连接；抓手固定板19的左、右两侧分别开设有一向抓手固定板19的中轴线弯曲的弧形开口，所述第一柔索铰接轴23通过弧形开口与抓手固定板19相连接；所述所述带有扭力弹簧20的铰接轴与抓手固定板19的下部相连接；所述第二柔索铰接轴18通过安装在旋转底盘2中的电机进行驱动。

当电机通过柔索向上拉动第二柔索交接轴时，由于第二柔索铰接轴18卡在条形开口中，所以第二柔索铰接轴18会沿着条形开口竖直向上运动，从而通过柔索带动两个第一柔索铰接轴23向上运动，但两个第一柔索铰接轴23分别卡在两个弧形开口中，且第二柔索铰接轴18和第一柔索铰接轴23之间连接有刚性直杆，使得两根刚性直杆之间的角度随着第二柔索铰接轴18的向上运动而减小，即两个第一柔索铰接轴23在向上运动的同时必须向内侧移动，从而使得两个第一柔索铰接轴23之间的距离减小，即两根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部之间的距离减小，两根呈直角弯曲的刚性连杆的长直角边端部之间的距离减小即可使得两根呈直角弯曲的刚性连杆所形成的交叉角度减小，实现了前端抓手的抓取功能；

抓手松开时，由于带有扭力弹簧的铰接轴20可以储能，所以电机反转时带有扭力弹簧的铰接轴20可使得两根呈直角弯曲的刚性连杆所形成的交叉角度恢复原状，即实现抓手的松开。

为了定位炮弹的位置，所述抓手固定板19的下端部设有一3d摄像头21。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上提供了第一肩关节运动机构13，如图3、6，包括第一转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动第一转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

第一转轴的逆时针转动和顺时针转动分别可带动大臂连杆的内收外展的运动。

如图4，所述第二肩关节运动机构16包括第二转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动第二转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

第二转轴的逆时针转动和顺时针转动分别可带动大臂连杆的前驱后伸的运动。

如图4，所述第三肩关节运动机构17包括第三转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动第三转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

第三转轴的逆时针转动和顺时针转动分别可带动小臂四连杆的驱伸的运动。

腰部运动机构8包括腰部转轴和两根柔索，所述两根柔索可分别带动腰部转轴进行逆时针转动和顺时针转动；

腰部转轴的逆时针转动和顺时针转动分别可带动腰部支架向前弯折向腿部支架的运动以及远离腿部支架的运动。

本实施例中，两根柔索分别通过安装在旋转底盘2中的两个步进电机进行驱动，通过步进电机通过两根柔索实现第一转轴、第二转轴、第三转轴和腰部转轴的正反转。

本实施例中，第一转轴、第二转轴、第三转轴和腰部转轴上均设置有两个凹槽，所述凹槽中均设置有一个固定孔，两根柔索分别固定在两个凹槽的固定孔中。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上提供了旋转底盘2上设置有两个陀螺仪传感器，两个陀螺仪传感器分别位于两根平行的腿部支架的外侧。

所述陀螺仪传感器均可通过蓝牙将传感器输出的信号传输至设置在平衡车1内的控制器中。

当士兵的左脚触碰陀螺仪传感器，陀螺仪传感器将接收到的信号传输到平衡车1内部的控制器蓝牙接收器，控制器接收信号后发出控制指令，使旋转底盘2下的步进电机想左旋转，从而使士兵实现装弹过程中的旋转功能。

实施例5

本实施例与实施例1的区别为：所述大臂连杆11上设有大臂护具10，所述大臂护具10内表面的前部、后部和外伸处分别安装有陀螺仪传感器；

所述小臂四连杆15上设有小臂护具9，所述小臂护具9内表面的前部和后部分别设有陀螺仪传感器；

所述肩部支架6的两侧分别设有陀螺仪传感器。

所述陀螺仪传感器均可通过蓝牙将传感器输出的信号传输至设置在平衡车1内的控制器中。

肩部支架处粘贴安装自带蓝牙传输功能的陀螺仪传感器，当士兵弯腰或者站直的时候会接触陀螺仪传感器，陀螺仪传感器将接收到的信号通过蓝牙传输回控制器，控制器通过控制步进电机驱动8所示的腰部转轴来完成士兵弯腰和站直的功能；

当士兵触碰作用大臂护具的前部传感器，控制器驱动第二转轴使大臂向前运动，当士兵触碰作用大臂护具的后部传感器，控制器驱动第二转轴使大臂向后运动，当士兵触碰作用大臂护具的外伸传感器，控制器驱动第一转轴使大臂实现外伸和内缩动作。

当士兵触碰作用小臂护具的前部传感器，控制器驱动第三转轴使小臂向前运动，当士兵触碰作用小臂护具的后部传感器，控制器驱动第三转轴使小臂向后运动。