一种高灵活度外骨骼系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高灵活度外骨骼系统，所述外骨骼系统与人体的各个关节相对应，所述外骨骼系统内设有中枢计算机，所述骨骼系统的各个关节上分别设置有液压驱动器，所述液压驱动器与中枢计算机对应配合，所述肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节与各个对应连接的部件上都设有相互对应配合的连接孔，所述连接孔之间设有并联运动机构，所述并联运动机构与液压驱动器对应配合。本实用新型适用于军事国防、警备、消防等各个军事领域，在提高士兵的作战能力的同时，又能够有效地在战斗中保护士兵，减少伤亡率。
【专利说明】一种高灵活度外骨骼系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种外骨骼系统，特别涉及一种适用于警备、消防、逃生等领域的高灵活度外骨骼系统。
【背景技术】
[0002]从20世纪60、70年代开始，美国便开始着手于能够提高单个士兵以及整个兵团作战能力的各种先进设备，其中一项就是外骨骼系统。
[0003]所谓外骨骼，以字面解释就是在身体(肌肉、血管、神经等)外部的骨骼，如螃蟹、虾等这类无脊椎甲壳类动物。这种外骨骼的构造，不仅为个体提供身体支撑，更能够为个体提供非常有效的保护作用。而外骨骼系统便是以此为创想提出的发明概念。
[0004]自1987年开始，美国、日本等国家陆续开发出各种外骨骼系统，比较新的如2002年日本推出的HAL-3外骨骼系统、2004年美国推出的军用外骨骼系统Bleex，以及2006年雷神公司的XOS军用外骨骼系统。这些外骨骼系统的设计目的，都是为了能够为士兵提供额外的作战能力，提高单个士兵、分队以及整个兵团的战斗效率。
[0005]另外，在高危险高强度环境的作业场所，如抢险现场、救灾现场、火灾现场等作业现场，由于环境的特殊性以及高度危险性，抢救人员需要穿着能够保护自身的装置，而外骨骼系统是非常适合的。
[0006]再者，当穿戴者穿上外骨骼系统时，由于其非常笨重，反应不灵活，而在抢险现场、救灾现场、火灾现场等作业现场，时间是非常紧迫的，外骨骼系统的灵活性是非常重要的。
实用新型内容
[0007]本实用新型为了提高外骨骼系统的灵活性和防护能了，从而提供一种高灵活度外骨骼系统。
[0008]为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:
[0009]一种高灵活度外骨骼系统，所述外骨骼系统与人体的各个关节相对应，所述外骨骼系统的整体框架包括:躯干部分、手臂部分、腿部以及头盔，所述躯干部分包括脊椎关节和腰椎关节，所述手臂部分设置在躯干部分上部的左右两端，所述手臂部分由上到下依次包括肩关节、肘关节和腕关节，所述腿部与躯干部分之间设置有髋关节，所述腿部设置在髋关节底部的左右两端，所述腿部底部设有脚踝关节，所述头盔设置在躯干部分的上端，所述外骨骼系统内设有中枢计算机，所述骨骼系统的各个关节上分别设置有液压驱动器，所述液压驱动器与中枢计算机对应配合，所述肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节、脚踝关节和与这5个关节对应连接的部件上都分别设有相互对应配合的连接孔，所述连接孔之间设有并联运动机构，所述并联运动机构与液压驱动器对应配合。
[0010]在本实用新型的一个优选实施例中，所述并联运动机构包括若干液压杆，所述液压杆由活塞和液压缸组成，所述液压杆通过液压驱动器控制可进行伸缩运动，在液压杆两端分别设有连接装置，在两端的连接装置上都设有一短轴，在每个短轴上都镶嵌一个轴承，所述轴承可在连接装置上转动，所述轴承与连接孔配合连接。
[0011]在本实用新型的一个优选实施例中，所述外骨骼系统的整体结构为框架式结构，所述结构选用钛合金为主要材料。
[0012]在本实用新型的一个优选实施例中，所述外骨骼系统的外壳采用高强度复合材料，厚度小于15毫米。
[0013]在本实用新型的一个优选实施例中，所述躯干部分内设置有系统进出口，所述进出口外设置有可开合外壳结构，所述可开合外壳结构包括胸部可开合外壳和腹部可开合外壳，所述可开合外壳结构通过电动马达进行开合。
[0014]在本实用新型的一个优选实施例中，所述头盔上设置有防护面罩，所述防护面罩外侧选用硬质合金制成，所述防护面罩内侧设有液晶显示器，所述头盔顶部设有摄像仪、红外线成像仪和夜视摄像仪，所述摄像仪、红外线成像仪和夜视摄像仪与液晶显示器相配合。
[0015]在本实用新型的一个优选实施例中，所述腕关节上设置有机械手和手套，所述手套与机械手连接。
[0016]在本实用新型的一个优选实施例中，所述外骨骼系统上还设有脚部外壳，所述脚部外壳底部设有硬质合金底板，所述外壳厚度小于30毫米。
[0017]在本实用新型的一个优选实施例中，所述中枢计算机设置在胸部可开合外壳的内侧。
[0018]通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是:
[0019]本实用新型适用于军事国防、警备、消防等各个领域，在提高士兵的作战能力的同时，又能够有效地在战斗中保护士兵，减少伤亡率。
[0020]本实用新型在消防中也能够为消防员提供保护，并在救援工作中，提高消防员的救援能力、降低消防员的体力消耗。
[0021]本实用新型能够跟随人体的运动做出各种复杂的动作，减少使用者的动作限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本实用新型的主视图；
[0024]图2为本实用新型的侧视图；
[0025]图3为本实用新型提供的中枢计算机设置在胸部可开合外壳内侧的结构示意图；
[0026]图4a为肩关节、肘关节和脊椎的结构示意图；
[0027]图4b为肩关节上设置的液压驱动器的结构示意图；
[0028]图5a为腕关节的结构示意图；
[0029]图5b为腕关节上设置的并联机构的结构示意图；
[0030]图5c为腕关节上设置的液压驱动器的结构示意图；
[0031]图6为腰椎关节的结构示意图；
[0032]图7a为髋关节的结构示意图；[0033]图7b为髋关节上设置的液压驱动器的结构示意图；
[0034]图8为膝关节的结构示意图；
[0035]图9a为左脚踝关节的结构示意图；
[0036]图9b为右脚踝关节的结构示意图；
[0037]图10为躯干部分可开合外壳的结构示意图；
[0038]图11为脚部外壳的结构示意图；
[0039]图12为头盔的结构示意图；
[0040]图13并联机构的结构示意图；
[0041]图14为并联机构设置在肩关节与躯干部分之间的结构示意图；
[0042]图15a为肩关节左侧手臂在初始状态时的结构示意图；
[0043]图15b为肩关节左侧手臂向左平举起10°的结构示意图；
[0044]图15c为肩关节左侧手臂向左平举起20°的结构示意图。
【具体实施方式】
[0045]为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。
[0046]参见图1和图2，本实用新型提供的一种高灵活度外骨骼系统，该外骨骼系统的整体结构为框架式结构，这样在提高系统强度的同时，能够大幅度减轻整体重量。
[0047]本实用新型提供的外骨骼系统的框架式结构使用钛合金作为结构的主要材料，这样可以使整体结构的重量维持在120?125公斤，非常轻便灵活。
[0048]骨骼系统的外壳则采用高强度的复合材料装甲(如乔巴姆装甲或凯夫拉装甲等)，其厚度达到能够抵抗单兵重型武器(如自动步枪、机枪、狙击枪等)的厚度即可，具体厚度小于15毫米，这样可以使整个外骨骼系统不会因为重量过重而降低其机动能力。
[0049]本实用新型提供的一种高灵活度外骨骼系统，其是与人体的各个关节相对应，主要包括:躯干部分、手臂部分、腿部以及头盔(参见图12)。
[0050]躯干部分包括脊椎关节(参见图4a)和腰椎关节(参见图6)，在躯干部分上部设有头盔(参见图12)。
[0051]手臂部分包括左手臂和右手臂，分别设置在躯干部分上部的左右两端，(参见图4a和图5a)手臂部分由上到下依次包括肩关节、肘关节和腕关节。
[0052]腿部与躯干部分之间设置有髋关节(参见图7a)，腿部包括左腿和右腿，分别设置在髋关节底部的左右两端，所述腿部底部设有脚踝关节(参见图9a和9b)。
[0053]参见图3，在外骨骼系统上设置有中枢计算机101，其是本系统的中枢系统，用于控制外骨骼系统上各个关节的运动和通讯传输等各个运转步骤，其可设置在外骨骼系统的任何关节上，只需能够与各个关节上的液压驱动器配合即可，在本实施例中，中枢计算机101具体设置在胸部可开合外壳的内侧。
[0054]参见图4b和图5c，在外骨骼系统的各个关节上还设置有液压驱动器，并与中枢计算机101对应配合，其是为各个关节提供动力，便于各个关节的运转。
[0055]液压驱动器上设置有马达、液压油箱等驱动部件。
[0056]参见图4a、图5a、图6、图7a和图9a、9b，在肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节、脚踝关节和与各个对应连接的部件上都分别设有连接孔110 (参见图13)，这些连接孔110相互之间对应配合，在这些连接孔110之间设置有并联运动机构。
[0057]参见图2，肩关节具体设置在躯干部分框架001顶部的左右两端，肩关节的上臂肩部框架002与躯干部分框架001之间设置有并联运动机构。
[0058]参见图2，腕关节的并联运动机构设置于机械手的手腕部分004与手臂部分的前臂框架003之间。
[0059]参见图4a与图2，腰椎关节的并联运动机构设置于脊椎框架205与胯部框架005之间。
[0060]参见图2，髋关节的并联运动机构设置于胯部框架005与腿部的大腿框架006之间。
[0061]参见图2，脚踝关节的并联运动机构设置于脚部外壳的脚踝关节008与腿部的小腿框架007之间。
[0062]肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节通过设置的并联运动机构可以使得它们可以进行各个自由度的转动，从而使得整个外骨骼系统能够进行多个自由度的运动，并且使系统能够跟随人体的运动做出各种复杂的动作，减少使用者的动作限制。
[0063]并联运动机构，是与液压驱动器配合连接的，液压驱动器可以控制并联运动机构进行伸缩运动。
[0064]参见图13，在本实施例中，每个并联运动机构具体采用6个液压杆120，可以使得肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节进行6个自由度的运动。
[0065]液压杆120由活塞和液压缸组成，这样液压杆120通过与液压驱动器配合可以进行伸缩，从而调节自身的长度，使得各个液压杆120提供的支撑点不在同一直线上，当支撑点不在同一直线上时，设置有并联运动机构的部件就可以进行多个自由角度的运动。
[0066]在液压杆120的两端都设置有连接装置121，具体为U形状，并且在两端的连接装置121上的U形口内都设有一短轴，在每个短轴上都镶嵌一个轴承121a，轴承121a可在连接装置的U形口上转动，从而实现并联运动机构的多方向转动。
[0067]轴承121a，与连接孔110相对应配合，液压杆120可通过轴承121a与连接孔110的配合，设置在肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节与各个对应连接的部件之间，从而形成并联运动机构。
[0068]参见图14，6个液压杆120两端的连接装置121分别与设置在肩关节130和与之对应连接的躯干部分140上的连接孔110连接，从而使得6个液压杆120支撑在肩关节130和与之对应连接的躯干部分140之间形成一个并联运动机构。
[0069]参加图4b，设置在肩关节上的6个液压驱动器210，这6个液压驱动器210与并联运动机构配合连接，用来控制并联运动机构的伸缩运动。
[0070]参见图15a、15b和15c，这三组图中可以看到，根据动作的不同，肩部关节并联运动机构中的6个液压杆120的伸长或缩短的量会有不同，所以通过控制这6个液压杆120的长度，就可以控制运动角度。
[0071]其他设置有并联运动机构的四个关节:腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节，也是通过上述的方式设置并联运动机构。
[0072]本实用新型提供的肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节与并联运动机构的配合如下:
[0073]中枢计算机101会根据人体动作对需要运动的关节部位的并联运动机构的运动方向和幅度进行计算，并对液压驱动器发出指令，液压驱动器会让设置在肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节和脚踝关节上的液压杆120进行伸缩运动，从而控制液压杆120的长度，这样就可以使得整个外骨骼系统能够进行多个自由度的运动，能够跟随人体的运动做出各种复杂的动作，减少使用者的动作限制。
[0074]参见图4a，在肩关节上设有并联运动机构，并联运动机构包括6个液压杆201。
[0075]参见图4b，在肩关节上设置6个液压驱动器210，这些液压驱动器210与6个液压杆201对应配合，用来控制6个液压杆201的伸缩运动，从而使得肩关节能够跟随人体的肩关节做出各种动作。
[0076]肘关节运动液压机构202，其可以使外骨骼系统的前臂等能够以肘关节运动支点203进行旋转运动。
[0077]液压机构204为脊椎部分的液压机构，其是用于支撑外骨骼系统的躯干，并使系统能够跟随人体进行向前弯曲的动作。
[0078]参见图5a和图5b，在腕关节上设有并联运动机构，并联运动机构包括6个液压杆301。
[0079]在腕关节上设置有机械手302和手套303，机械手302与手套303连接。
[0080]手套303，为带有力学反馈功能的手套，使系统能够根据使用者手部的动作做出相应的动作，并且在抓握东西时，根据物体的硬度向使用者进行反馈，这样使用者就能使用适当程度的抓握力。
[0081]机械手302，由于人体手部的复杂性和空间局限性，因此使用机械手302既能够避免这种情况，又能够有足够的空间设置动力机构，使机械手302有较高的抓握力和结构强度。
[0082]参见图5c，在腕关节上设置有6个液压驱动器310，这6个液压驱动器310与6个液压杆301对应配合，用来控制6个液压杆301的伸缩运动。
[0083]参见图6，在腰椎关节上设有并联运动机构，并联运动机构包括6个液压杆401，由于腰椎关节的作用为连接系统的上半身与下半身，这样，在腰椎关节上设置并联运动机构，可以使得系统能够跟随人体的腰部进行前后左右4个方向的摆动，以及围绕腰椎进行一定角度的转动。
[0084]在腰椎关节上设有液压驱动器402，液压驱动器402与6个液压杆401配合连接，为6个液压杆401提供动力和控制6个液压杆401的伸缩运动。
[0085]参见图7a，在髋关节上设有并联运动机构，并联运动机构包括6个液压杆501，由于髋关节作用为支撑胯部以及胯部以上的系统，这样，在髋关节上设置并联运动机构，可以使系统的整个腿部能够跟随人体髋关节做出各种动作。
[0086]参见图7a和图7b，在髋关节上设有液压驱动器502和液压驱动器503，这两个液压驱动器与6个液压杆501配合连接，为6个液压杆501提供动力和控制6个液压杆501的伸缩运动。
[0087]参见图8，在膝关节上设有液压驱动器601，其是用于将系统的小腿及小腿以下部分能够跟随人体绕膝关节运动支点602进行旋转运动。[0088]参见图9a和图9b，在脚踝关节上设有并联运动机构，并联运动机构包括6个液压杆701，在脚踝关节上设置运动机构，可以使系统的脚部能够跟随人体的脚踝关节做出各种角度的动作，非常方便灵活。
[0089]在脚踝关节上设有6个液压驱动器702，这6个液压驱动器702与6个液压杆701配合连接，为6个液压杆701提供动力和控制6个液压杆701的伸缩运动。
[0090]参见图10，在躯干部分上设置有胸部可开合外壳801、腹部可开合外壳802和系统进出口 803。
[0091]系统进出口 803，使用者可以通过其进入系统或者从系统脱出。
[0092]在系统进出口 803外设置胸部可开合外壳801和腹部可开合外壳802，用于将系统进出口 803密封，可以对系统内部的使用者提供一定程度的保护。
[0093]胸部可开合外壳801，通过电动马达控制其在垂直方向上进行开启和闭合。
[0094]腹部可开合外壳802，通过电动马达控制其在水平方向上进行开启和闭合。
[0095]参见图11，在系统底部设置有脚部外壳901，脚部外壳901用于保护使用者的脚，使用者可以像穿鞋一样将脚伸入，非常方便灵活。
[0096]在脚部外壳901底部还设置有厚度小于30毫米的硬质合金底板902，其作用为大幅度减轻地雷等反步兵武器对于使用者的伤害。
[0097]参见图12，在头盔上还设有防护面罩1001，在头盔顶部设有摄像仪1002、红外线成像仪1003和夜视摄像仪1004。
[0098]在防护面罩1001内侧设置有液晶显示器，液晶显示器与摄像仪1002、红外线成像仪1003和夜视摄像仪1004相配合，摄像仪1002、红外线成像仪1003和夜视摄像仪1004所拍摄到的画面都可通过显示在防护面罩的液晶显示器上，让使用者看到。
[0099]在防护面罩1001外侧设有硬质合金，其作用为在战斗状态中将防护面罩绕旋开合转支点1005放下，以保护使用者的头部免受正面而来的伤害。
[0100]在头盔上还设有无线电通讯器1006和透明防弹玻璃1007，无线电通讯器1006上设有通讯器天线1008。
[0101]透明防弹玻璃1007，其作用为是使用者免受特殊子弹的二次伤害，并且透过该防弹玻璃1007看到外部的景象或防护面罩液晶显示器的图像。
[0102]以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种高灵活度外骨骼系统，所述外骨骼系统与人体的各个关节相对应，所述外骨骼系统的整体框架包括:躯干部分、手臂部分、腿部以及头盔，所述躯干部分包括脊椎关节和腰椎关节，所述手臂部分设置在躯干部分上部的左右两端，所述手臂部分由上到下依次包括肩关节、肘关节和腕关节，所述腿部与躯干部分之间设置有髋关节，所述腿部设置在髋关节底部的左右两端，所述腿部底部设有脚踝关节，所述头盔设置在躯干部分的上端，所述外骨骼系统内设有中枢计算机，所述骨骼系统的各个关节上分别设置有液压驱动器，所述液压驱动器与中枢计算机对应配合，所述肩关节、腕关节、腰椎关节、髋关节、脚踝关节和与这5个关节对应连接的部件上都分别设有相互对应配合的连接孔，其特征在于:所述连接孔之间设有并联运动机构，所述并联运动机构与液压驱动器对应配合，所述并联运动机构包括若干液压杆，所述液压杆由活塞和液压缸组成，所述液压杆通过液压驱动器控制可进行伸缩运动，在液压杆两端分别设有连接装置，在两端的连接装置上都设有一短轴，在每个短轴上都镶嵌一个轴承，所述轴承可在连接装置上转动，所述轴承与连接孔配合连接
2.根据权利要求1所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述外骨骼系统的整体结构为框架式结构，所述结构选用钛合金为主要材料。
3.根据权利要求1所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述外骨骼系统的外壳采用高强度复合材料，厚度小于15毫米。
4.根据权利要求1所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述躯干部分内设置有系统进出口，所述进出口外设置有可开合外壳结构，所述可开合外壳结构包括胸部可开合外壳和腹部可开合外壳，所述可开合外壳结构通过电动马达进行开合。
5.根据权利要求1所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述头盔上设置有防护面罩，所述防护面罩外侧选用硬质合金制成，所述防护面罩内侧设有液晶显示器，所述头盔顶部设有摄像仪、红外线成像仪和夜视摄像仪，所述摄像仪、红外线成像仪和夜视摄像仪与液晶显示器相配合。
6.根据权利要求1所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述腕关节上设置有机械手和手套，所述手套与机械手连接。
7.根据权利要求1所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述外骨骼系统上还设有脚部外壳，所述脚部外壳底部设有硬质合金底板，所述外壳厚度小于30毫米。
8.根据权利要求4所述的一种高灵活度外骨骼系统，其特征在于:所述中枢计算机设置在胸部可开合外壳的内侧。
【文档编号】A41D13/00GK203646534SQ201320560959
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】张啸天 申请人:张啸天