专利名称：一种可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及物资搬运器械领域，尤其涉及一种适用于在复杂地理环境和恶劣工况下辅助人体对重型物资的快速、灵活搬运的可穿戴式电液、电动混合驱动的重型物资搬运助力仿生外骨骼。
背景技术：
由于纯机械自动化装备对工作环境要求较高、缺乏操作的灵活性，在复杂地理环境和恶劣工况下，大批量重型物资的搬运一般依靠人来完成。但由于人体搬运时的体能有限，这种低效率的搬运方式极大地拖延了任务完成时间。因此，这种条件下重型物资的搬运需要借助仿生外骨骼的大功率机械动力并配合人体活动的灵活性来完成。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，依据人体生理学结构和仿生技术，提供一种可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的一种可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼，它包括上肢外骨骼、下肢外骨骼和上、下肢外骨骼连接板等；上肢外骨骼通过上、下肢外骨骼连接板和下肢外骨骼串联连接。进一步地，所述上肢外骨骼包括电机驱动系统箱、肩关节、上臂杆、肘关节、前臂杆、腕关节和手部机构等；所述电机驱动系统箱和上、下肢外骨骼连接板紧固连接，电机驱动系统箱、肩关节、上臂杆、肘关节、前臂杆、腕关节和手部机构依次串联连接；上臂杆和人体上臂柔性连接，前臂杆和人体前臂柔性连接，手部机构和人体手部柔性连接。进一步地，所述电机 驱动系统箱作为上肢外骨骼基座，肩关节由肩关节内收/外展转动副、肩关节内旋/外旋转动副和肩关节屈/伸转动副相互垂直组成，肘关节由肘关节屈/伸转动副组成，腕关节由腕关节屈/伸转动副和腕关节内收/外展转动副垂直组成，手部机构由手部抓取转动副和V型抓取机构连接组成。进一步地,所述肩关节内收/外展转动副由肩关节内收/外展电机直接驱动，肩关节内旋/外旋转动副由肩关节内旋/外旋电机直接驱动，肩关节屈/伸转动副由肩关节屈/伸电机直接驱动，肘关节屈/伸转动副由肘关节屈/伸电机直接驱动，腕关节屈/伸转动副由腕关节屈/伸电机直接驱动，腕关节内收/外展转动副由腕关节内收/外展电机直接驱动，手部抓取转动副由手部抓取电机直接驱动。进一步地，所述下肢外骨骼包括腰部支撑环、电液驱动系统箱、髋关节、大腿杆、膝关节、小腿杆、踝关节和足底板等；所述腰部支撑环、电液驱动系统箱分别和上、下肢外骨骼连接板紧固连接；电液驱动系统箱、髋关节、大腿杆、膝关节、小腿杆、踝关节和足底板依次串联连接；腰部支撑环和人体腰部柔性连接，大腿杆和人体大腿柔性连接，小腿杆和人体小腿柔性连接，足底板和人体脚部柔性连接。进一步地，所述电液驱动系统箱作为下肢外骨骼基座，以足底板作为足底基座，髋关节由髋关节屈/伸转动副、髋关节内旋/外旋转动副和髋关节内收/外展转动副相互垂直组成，膝关节由膝关节屈/伸转动副组成，踝关节由踝关节背屈/趾屈转动副和踝关节内翻/外翻转动副垂直组成。进一步地，所述髋关节屈/伸转动副由髋关节屈/伸液压缸通过髋关节屈/伸三杆机构间接驱动，髋关节内旋/外旋转动副由髋关节内旋/外旋液压缸通过髋关节内旋/外旋三杆机构间接驱动，髋关节内收/外展转动副由髋关节内收/外展液压缸通过髋关节内收/外展三杆机构间接驱动，膝关节屈/伸转动副由膝关节屈/伸液压缸通过膝关节屈/伸三杆机构间接驱动，踝关节背屈/趾屈转动副由踝关节背屈/趾屈液压缸通过踝关节背屈/趾屈三杆机构间接驱动，踝关节内翻/外翻转动副由踝关节内翻/外翻液压缸通过踝关节内翻/外翻三杆机构间接驱动。本实用新型的有益效果是，本实用新型上肢部分由电机驱动，满足运动快速性、灵活性要求；下肢部分由电液驱动，满足大功率、高刚度要求。人体穿戴好整套外骨骼后，借助电机、电液的机械动力，在物资搬运时可大幅提高搬运强度和灵活性，达到提高搬运效率的目的。
图1是重型物资搬运助力仿生外骨骼结构示意图；图2是重型物资搬运助力仿生外骨骼关节驱动原理图；图中，上肢外骨骼基座1、肩关节内收/外展转动副2、肩关节内旋/外旋转动副3、肩关节屈/伸转动副4、肘关节屈/伸转动副5、腕关节屈/伸转动副6、腕关节内收/外展转动副7、手部抓取转动副8、V型抓取机构9、电机驱动系统箱11、肩关节12、上臂杆13、肘关节14、前臂杆15、腕关节16、手部机构17、上肢外骨骼21、下肢外骨骼22、下肢外骨骼基座31、髋关节屈/伸转动副32、髋关节内旋/外旋转动副33、髋关节内收/外展转动副34、膝关节屈/伸转动副35、踝关节背屈/趾屈转动副36、踝关节内翻/外翻转动副37、足底基座38、上、下肢外骨 骼连接板41、腰部支撑环42、电液驱动系统箱43、髋关节44、大腿杆45、膝关节46、小腿杆47、踝关节48、足底板49、髋关节屈/伸三杆机构52、髋关节内旋/外旋三杆机构53、髋关节内收/外展三杆机构54、膝关节屈/伸三杆机构55、踝关节背屈/趾屈三杆机构56、踝关节内翻/外翻三杆机构57、人体上臂61、人体前臂62、人体手部63、人体腰部64、人体大腿65、人体小腿66、人体脚部67、肩关节内收/外展电机72、肩关节内旋/外旋电机73、肩关节屈/伸电机74、肘关节屈/伸电机75、腕关节屈/伸电机76、腕关节内收/外展电机77、手部抓取电机78、髋关节屈/伸液压缸82、髋关节内旋/外旋液压缸83、髋关节内收/外展液压缸84、膝关节屈/伸液压缸85、踝关节背屈/趾屈液压缸86、踝关节内翻/外翻液压缸87。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型。参照图1、2，可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼包括上肢外骨骼21、下肢外骨骼22和上、下肢外骨骼连接板41等；上肢外骨骼21通过上、下肢外骨骼连接板41和下肢外骨骼22串联连接。[0017]各部分之间连接关系如下上肢外骨骼21包括电机驱动系统箱11、肩关节12、上臂杆13、肘关节14、前臂杆15、腕关节16和手部机构17等；电机驱动系统箱11和上、下肢外骨骼连接板41紧固连接，电机驱动系统箱11、肩关节12、上臂杆13、肘关节14、前臂杆15、腕关节16和手部机构17依次串联连接；上臂杆13和人体上臂61柔性连接，前臂杆15和人体前臂62柔性连接，手部机构17和人体手部63柔性连接。电机驱动系统箱11作为上肢外骨骼基座I，肩关节12由肩关节内收/外展转动副2、肩关节内旋/外旋转动副3和肩关节屈/伸转动副4相互垂直组成，肘关节14由肘关节屈/伸转动副5组成，腕关节16由腕关节屈/伸转动副6和腕关节内收/外展转动副7垂直组成，手部机构17由手部抓取转动副8和V型抓取机构9连接组成。肩关节内收/外展转动副2由肩关节内收/外展电机72直接驱动，肩关节内旋/外旋转动副3由肩关节内旋/外旋电机73直接驱动,肩关节屈/伸转动副4由肩关节屈/伸电机74直接驱动，肘关节屈/伸转动副5由肘关节屈/伸电机75直接驱动，腕关节屈/伸转动副6由腕关节屈/伸电机76直接驱动，腕关节内收/外展转动副7由腕关节内收/外展电机77直接驱动，手部抓取转动副8由手部抓取电机78直接驱动。下肢外骨骼22包括腰部支撑环42、电液驱动系统箱43、髋关节44、大腿杆45、膝关节46、小腿杆47、踝关节48和足底板49等；腰部支撑环42、电液驱动系统箱43分别和上、下肢外骨骼连接板41紧固连接；电液驱动系统箱43、髋关节44、大腿杆45、膝关节46、小腿杆47、踝关节48和足底板49依次串联连接；腰部支撑环42和人体腰部64柔性连接，大腿杆45和人体大腿65柔性连接，小腿杆47和人体小腿66柔性连接，足底板49和人体脚部67柔性连接。电液驱动系统箱43作为下肢外骨骼基座31，以足底板49作为足底基座38，髋关节44由髋关节屈/伸转动副32、髋关节内旋/外旋转动副33和髋关节内收/外展转动副34相互垂直组成，膝关节46 由膝关节屈/伸转动副35组成，踝关节48由踝关节背屈/趾屈转动副36和踝关节内翻/外翻转动副37垂直组成。髋关节屈/伸转动副32由髋关节屈/伸液压缸82通过髋关节屈/伸三杆机构52间接驱动，髋关节内旋/外旋转动副33由髋关节内旋/外旋液压缸83通过髋关节内旋/外旋三杆机构53间接驱动，髋关节内收/外展转动副34由髋关节内收/外展液压缸84通过髋关节内收/外展三杆机构54间接驱动，膝关节屈/伸转动副35由膝关节屈/伸液压缸85通过膝关节屈/伸三杆机构55间接驱动，踝关节背屈/趾屈转动副36由踝关节背屈/趾屈液压缸86通过踝关节背屈/趾屈三杆机构56间接驱动，踝关节内翻/外翻转动副37由踝关节内翻/外翻液压缸87通过踝关节内翻/外翻三杆机构57间接驱动。本实用新型的工作过程如下当人体进入整套外骨骼装备后，将上臂杆13和人体上臂61柔性连接，前臂杆15和人体前臂62柔性连接，手部机构17和人体手部63柔性连接，腰部支撑环42和人体腰部64柔性连接，大腿杆45和人体大腿65柔性连接，小腿杆47和人体小腿66柔性连接，足底板49和人体脚部67柔性连接。当人体上肢需要物资搬运运动时，肩关节内收/外展电机72、肩关节内旋/外旋电机73、肩关节屈/伸电机74共同驱动肩关节12，肘关节屈/伸电机75驱动肘关节14，腕关节屈/伸电机76、腕关节内收/外展电机77共同驱动腕关节16，手部抓取电机78驱动手部机构17，并由V型抓取机构9抓取物资。当人体下肢需要物资搬运运动时，髋关节屈/伸液压缸82、髋关节内旋/外旋液压缸83、髋关节内收/外展液压缸84分别通过髋关节屈/伸三杆机构52、髋关节内旋/外旋三杆机构53、髋关节内收/外展三杆机构54共同驱动髋关节44，膝关节屈/伸液压缸85通过膝关节屈/伸三杆机构55驱动膝关节46，踝关节背屈/趾屈液压缸86、踝关节内翻/外翻液压缸87分别通过踝关节背屈/趾屈三杆机构56、踝关节内翻/外翻三杆机构57共同驱动踝关节48。 本实用新型借助电机和液压等机械动力，在物资搬运时可大幅提高效率和灵活性，达到省时省力的目的。
权利要求1.一种可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼，其特征是，它包括上肢外骨骼(21)、下肢外骨骼(22)和上、下肢外骨骼连接板(41);上肢外骨骼(21)通过上、下肢外骨骼连接板(41)和下肢外骨骼(22)串联连接。
2.根据权利要求1所述可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼，其特征是，所述上肢外骨骼(21)包括电机驱动系统箱(11)、肩关节(12)、上臂杆(13)、肘关节(14)、前臂杆(15)、腕关节(16)和手部机构(17);所述电机驱动系统箱(11)和上、下肢外骨骼连接板(41)紧固连接，电机驱动系统箱(11)、肩关节(12)、上臂杆(13)、肘关节(14)、前臂杆(15)、腕关节(16)和手部机构(17)依次串联连接；上臂杆(13)和人体上臂(61)柔性连接，前臂杆(15 )和人体前臂(62 )柔性连接，手部机构(17)和人体手部(63 )柔性连接。
3.根据权利要求2所述可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼，其特征是，所述电机驱动系统箱(11)作为上肢外骨骼基座(1)，肩关节(12)由肩关节内收/外展转动副(2)、肩关节内旋/外旋转动副(3)和肩关节屈/伸转动副(4)相互垂直组成，肘关节(14)由肘关节屈/伸转动副(5)组成，腕关节(16)由腕关节屈/伸转动副(6)和腕关节内收/外展转动副(7)垂直组成，手部机构(17)由手部抓取转动副(8)和V型抓取机构(9)连接组成。
4.根据权利要求1所述可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼，其特征是，所述下肢外骨骼(22)包括腰部支撑环(42)、电液驱动系统箱(43)、髋关节(44)、大腿杆(45)、膝关节(46)、小腿杆(47)、踝关节(48)和足底板(49);所述腰部支撑环(42)、电液驱动系统箱(43)分别和上、下肢外骨骼连接板(41)紧固连接；电液驱动系统箱(43)、髋关节(44)、大腿杆(45)、膝关节(46)、小腿杆(47)、踝关节(48)和足底板(49)依次串联连接；腰部支撑环(42)和人体腰部(64)柔性连接，大腿杆(45)和人体大腿(65)柔性连接，小腿杆(47)和人体小腿(66)柔性连接，足底板(49)和人体脚部(67)柔性连接。
5.根据权利要求4所述可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼，其特征是，所述电液驱动系统箱(43 )作为下肢外骨骼基座(31)，以足底板(49 )作为足底基座(38 )，髋关节(44 )由髋关节屈/伸转动副(32)、髋关节内旋/外旋转动副(33)和髋关节内收/外展转动副(34)相互垂直组成，膝关节(46)由膝关节屈/伸转动副(35)组成，踝关节(48)由踝关节背屈/趾屈转动副(36)和踝关节内翻/外翻转动副(37)垂直组成。
专利摘要本实用新型公开了一种可穿戴于人体四肢的重型物资搬运助力仿生外骨骼，该装备能够在恶劣工况下辅助人体快速完成搬运大重量物资的任务，该装备分为上肢外骨骼与下肢外骨骼。上肢外骨骼为7自由度系统，由3自由度肩关节、1自由度肘关节、2自由度腕关节、1自由度手部以及背部的电机驱动系统箱组成，7自由度均采用电机驱动。下肢外骨骼为6自由度系统，由3自由度髋关节、1自由度膝关节、2自由度踝关节以及背部的电液驱动系统箱组成，6自由度均采用液压驱动。人体穿戴好整套外骨骼装备后，借助电机或液压等机械动力，在物资搬运时可大幅提高效率和灵活性，达到省时省力的目的。
文档编号A61F2/50GK202875540SQ201220442468
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者杨灿军, 王东海, 马韶君, 毕千 申请人:浙江大学