专利名称：一种智能外骨骼装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗、军事、救援，抢险装置。
背景技术：
随着科学技术的发展，现在士兵在执行作战任务中所携带的除武器弹 药外，所需 携带的其他装备也愈来愈多，而人的体能是一定的，在行军等过程中势必会大量消耗其体 能，最后会严重影响到他关键时刻时的战斗力的发挥。
发明内容
发明的目本发明的目的是要提供一种可以穿戴的，能与人同行的，能行走又能负 重的智能机器人型的辅助装备，是使士兵在行动过程中可节省大量体能的智能化机械。
发明内容
本发明的设计方案是通过设计一套与人体外形贴合，可穿戴的机械构 件，这种模仿人体结构特点设计的，外穿服装形式的外骨骼装置是由轻合金材料制成的机 械腿，它是由多种传感器组成的信息采集处理系统，和由多自由度动力驱动系统及智能化 的计算机控制系统；以及背部的负重用载重框架等组成。它通过信息采集处理系统动力驱 动系统及智能化的计算机控制系统，为机械腿的大腿，小腿，足部按穿戴者两足运动规律同 步完成各种动作(行走，跑跳，蹬踏，跨跃，立跪等)提供可控制的高度动力驱动，按要求的 行走步态规律实现所需运动，包括机电系统，电液系统和液压系统等。1、系统组成这种模仿人体结构特点设计的，外穿服装形式的，外骨骼机器人它是由轻合金材 料制成的机械腿，包括转动关节、连接件和数据鞋构成，是由多种传感器组成的信息采集处 理系统，和由多自由度动力驱动系统及计算机控制系统；以及背部的负重用载重框架等组 成，如附图所示。从前述系统组成和功能要求可以看出，人与外骨骼机器人构成的是一个以使用者 为主体的高度统一，高度同步的人机一体化系统。当穿戴者根据主客观需求作出自身肢体 动作决定后，通过脑电或肌电信号驱动所需肢体发生相应动作同时，还要通过上节所述外 骨骼机器人系统的信息采集系统，控制伺服系统，机械腿机械系统，使其产生同步的运动； 在这移动，举起身上载重过程中其所消耗的能量，部分或全部地由外骨骼机器人来承担，即 部分或全部的重物的重量通过它直接传递到地面，而不经过人的肢体传递到地面。因此，理想化后系统的工作原理简单地说，就是通过人做出个“动作”，让外骨骼机 器人“理解”人的意图，“指挥”外骨骼机器人同步地代替穿戴者完成他所想完成的“任务”。2、机械行走机构-—机械腿机械行走机构包括(1)臀部机构，包括与人体可穿戴式的静连接构件、髋关节机构和连接背包式载重 框。其中髋关节机构实现臀部与大腿构件动连接，用角度传感器测量它们间相对运动状态。(2)大腿构件——实现与臀部，小腿间两者的动连接和实现小腿相对大腿驱动装置的安装。(3)膝关节机构——完成大、小腿间的动连接，通过其上面安装的角度传感器测量 大、小腿间的相对运动时的运动状态。(4)小腿构件——通过膝关节和踝关节完成小腿与大腿，脚掌(数据鞋)间两者的 动连接和实现小腿相对脚掌(数据鞋)的驱动装置安装。(5)数据鞋——完成与人体可穿戴式静连接构件和与小腿间的动连接。除具有鞋 的功能外，还包括踝关节及角度传感器，带多个力传感器的鞋底板机构及其他穿着用附件。3、信息采集分析处理系统(1)穿戴者行走意图检测分析处理系统——应用采集脑电，肌电或肌肉力状态等 各种传感器信息，捕捉穿戴者行走意图，确定即将或刚发生的动作(例如站立，蹲起，前进， 后退等)。(2)穿戴者行走状态检测分析处理系统——通过各关节角度传器，数据鞋多个力 传感器及载重框上重心传感器采集到的信息，确定其人体当前的运动状态，分析其在时间 域和频率域的运动特征值。(3)穿戴者行走重心状态变化检测分析处理系统——检测分析时间域和频率域内 人体重心相对于支撑脚变化过程中的运动特征。这是判断穿戴者运动意图的重要信息之
ο4、外骨骼机器人机构运动动力驱动系统它是为机械腿的大腿，小腿，足部按人类两足运动规律协调完成各种动作(角度， 速度，加速度)提供可控制的动力驱动，按要求的行走步态规律实现所需运动。常见的有机 电系统，电液系统和液压系统等。5、微型計算机控制系统根据穿戴者行走状态检测分析处理系统，穿戴者行走意图检测分析理系统和穿戴 者行走重心状态变化检测分析处理系统所提供的信息，快速作出决策，起动动力驱动系统 使伺服机构作出相应的动作，与穿戴者的运动保持同步。系统给穿戴者一种能提前感知人 “想做什么动作”，“想到哪里去”的感觉，它能主动配合人完成各种动作，好像人和机完全融 为成了一体。6、动力源模块为全系统提供所需全部能源。便携，高能，体积小，重量轻前提下，一般采用可重复 使用的高能锂电池类的高能电告示电源。7、载重框架及其附件用来装载系统本身所需电池，计算机，控制模块等物件外，主要搭载包括自身体重 和类似于每次战斗所需的物资器材等物件。它的下部与臀部机构相连接，并尽可能使其在 装载重物后重心贴近人体背部。同时还用背带形式与人体速成一体。通过与腿部机构共同 设计最最核心的是要鮮决好在任何时候使载荷全部或大部未经人体直接通过外骨骼传递 到地面。其他附件包括为使人体与外骨骼机器人之间不仅能构成一个整体，又能满足可穿 脱的要求所需的一些尼龙带，带扣等等。本发明的特征是仿人结构，机械结构上与人体高度贴合，机构的动作上与穿戴者动作高度统一，负重上可大部或全部地代人完成动作过程中负重，可协助人体动作时达到 大大降低体力消耗目的。本发明的优点是有效地减少了人体完成各种动作时体能消耗，实现辅助作用，节 省了人的大量体力。本方案还具有结构简单实用、收折灵活，携带方便、安装维修容易等优 点ο本发明除军用外还可广泛应用于医疗、军事、救援，抢险等领域，具有很高的推广 应用价值。
附图是智能外骨骼装置示意图。图中的1是转动关节，2是连接机构，3是数据鞋，4是负载支架，5是动力源，6是背带。
权利要求
一种智能外骨骼装置，其特征是它主要包括转动关节(1)、连接机构(2)、数据鞋(3)、负载支架(4)、动力源(5)和背带(6)。
2.根据权利要求1所述的一种智能外骨骼装置，其特征是，转动关节(1)实现大腿与小 腿、臀部与大腿间的动连接，通过其上面安装的角度传感器测量各关节的相对运动时的运 动状态。
3.根据权利要求1所述的一种智能外骨骼装置，其特征是连接机构(2)分别实现臀 部与大腿、大腿与小腿间两者的动连接。
4.根据权利要求1所述的一种智能外骨骼装置，其特征是，数据鞋(3)实现与人体可穿 戴式静连接构件和与小腿间的动连接，除具有鞋的功能外，还包括踝关节及角度传感器，带 多个力传感器的鞋底板机构及其他穿着用附件。
5.根据权利要求1所述的一种智能外骨骼装置，其特征是负载支架(4)实现动力源 及控制系统的安装，包括与人体可穿戴式的静连接构件连接背包式载重框。
全文摘要
本发明通过设计一套与人体外形贴合，可穿戴的机械构件，这种模仿人体结构特点设计的，外穿服装形式的外骨骼装置是由轻合金材料制成的机械腿，它是由多种传感器组成的信息采集处理系统，和由多自由度动力驱动系统及智能化的计算机控制系统；以及背部的负重用载重框架等组成。它通过信息采集处理系统动力驱动系统及智能化的计算机控制系统，为机械腿的大腿，小腿，足部按穿戴者两足运动规律同步完成各种动作(行走，跑跳，蹬踏，跨跃，立跪等)提供可控制的高度动力驱动，按要求的行走步态规律实现所需运动，包括机电系统，电液系统和液压系统等。
文档编号A61F2/62GK101803966SQ201010139839
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者史和生, 施祖康, 曾德聪 申请人:南京润邦金属复合材料有限公司