CN112140093A

CN112140093A - 一种半主动式消防助力外骨骼

Info

Publication number: CN112140093A
Application number: CN202010992130.3A
Authority: CN
Inventors: 焦彪彪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明的目的在于提供一种半主动式消防助力外骨骼，包括中心骨、背板部分、背板驱动部分和上臂驱动部分，中心骨下端设置腰带，中心骨上端与背板部分固定连接，背板部分上还设置有胸带；其自身结构较轻，以适应消防作业突发性、灵活性的要求，同时又能够为消防员提供较大程度的上肢助力，为提升消防员灭火作业时上肢肌肉的耐力、减少组织损伤、提高作业效率提供一定的帮助。

Description

一种半主动式消防助力外骨骼

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种半主动式消防助力外骨骼。

背景技术

外骨骼按照动力方式可分为主动式和被动式两种类型，主动式外骨骼一般配备电机、液压缸、气缸等外动力驱动部件，其能够给予人体的助力更大，但也因为动力装置的存在，导致主动式外骨骼一般自身重力很重；被动式外骨骼一般是借助外骨骼上配备的弹簧作为蓄能元件，其可给予人体的助力较小，但自身重量也较轻，不同类型的外骨骼适用于不同工况场合。目前外骨骼在社会各个领域已经得到了诸多应用，辅助人体进行重体力搬运等工作，以节省人力成本、保护人体身体健康，但是在消防领域尚未有关于外骨骼的有效应用。

而在消防作业中，经常需要消防员长时间握持水枪进行灭火作业，在此过程中，消防员的上肢不仅要承受管道和内部流体的重力载荷，同时还有管内流体喷射产生的反冲力，并且需要根据情况实时调整所处的位置和姿态，在位置和姿态调整过程中，人体肌肉承受压力极大。而人体暴露在持续的负荷下或采用不合适的姿态承受负荷时，有很高的风险造成肌肉拉伤或劳损，即使在强度较低的情况下，长时间握持水枪也会导致肌肉迅速疲劳，长期疲劳会对消防员的身体产生永久性损伤。

因此有必要针对消防作业突发性、紧迫性、持久性等要求，设计一种重量相对较轻、又能够为消防员提供较大助力的消防助力外骨骼。

发明内容

基于上述目的，本发明的目的在于提供一种半主动式消防助力外骨骼，其自身结构较轻，以适应消防作业突发性、灵活性的要求，同时又能够为消防员提供较大程度的上肢助力，为提升消防员灭火作业时上肢肌肉的耐力、减少组织损伤、提高作业效率提供一定的帮助。

本发明采用的技术方案如下：一种半主动式消防助力外骨骼，包括中心骨、背板部分、背板驱动部分和上臂驱动部分，中心骨下端设置腰带，中心骨上端与背板部分固定连接，背板部分上还设置有胸带。

所述背板部分包括背板，所述中心骨与背板固定连接，所述胸带固定连接在背板上，所述背板上还固定连接有两根连接滑动柱，所述连接滑动柱上设置多排螺栓孔，每一根连接滑动柱上通过螺栓固定连接有一块背驱连接板，选择不同位置处的螺栓孔，可调节背驱连接板与连接滑动柱之间相对高度位置，所述背驱连接板用于固定连接背部驱动部分。

所述背部驱动部分包括支撑件、承力框架、液压缸一和液压缸二，所述支撑件位于背部中心位置，其通过两块背驱连接板固定连接在两根连接滑动柱上，所述支撑件向背部两侧均延伸出两个铰接杆，每侧的两个铰接杆分别铰接液压缸一和液压缸二，所述承力框架一侧与支撑件铰接，另一侧与肩部连接架铰接，所述肩部连接架上还延伸出有两个铰接杆，其分别与液压缸一和液压缸二远离支撑件的一端铰接，所述支撑件、承力框架、液压缸一和液压缸二、肩部连接架共同组成类似四连杆的背部驱动部分，其可以驱动肩部连接件进行张合运动。

所述上臂驱动部分包括肩骨架、连杆、小臂骨架、液压缸三和液压缸四，所述肩骨架的两端各设置铰接点一、铰接点二，肩骨架的中间位置设置有铰接点三，其中铰接点一与连杆的一端铰接，连杆的另一端与小臂骨架的一端铰接，所述铰接点二与液压缸四铰接，液压缸四的另一端与小臂骨架铰接，所述铰接点三与液压缸三铰接，液压缸三的另一端与小臂骨架铰接，所述液压缸三和液压缸四与小臂骨架的铰接点分别位于连杆与小臂骨架铰接点的左右两侧；肩部连接架远离承力框架的一侧与肩骨架的中间位置铰接在一起，所述肩部连接架做张合运动时，可以带动小臂驱动部分进行抱合运动。

具体的，所述小臂骨架靠近肘关节的端部设为U型叉结构，该U型叉的底部、中间和顶部共设置有三个铰接点，所述小臂骨架上还设置有连接人体手臂的腕带和臂带。

所述液压缸一、液压缸二、液压缸三和液压缸四采用相同结构，其均包括液压缸、活塞和活塞杆，所述液压缸两端由端盖封闭，所述活塞位于液压缸内且可沿液压缸滑动，所述活塞杆一端与活塞连接，其另一端伸出液压缸端盖并设置有铰接点，所述液压缸体上靠近一侧端盖位置处设置有第一液体进出口，所述液压缸体另一侧端盖上设有第二液体进出口。本发明外骨骼的液压缸采用消防水枪内水的压力作为动力来源，液压缸无活塞杆的腔体内从消防水枪中获取水液作为压力介质，从水枪的取水方式可以通过改造水枪或在水枪与水管连接处增设一个取水器来实现。例如，水管内并联或串联设置类似节流结构，在节流结构高压端作为液压缸动力端入口，节流结构低压端作为液压缸动力端出口。

本发明的优点在于：

1、配置液压缸，但是采用消防水枪内水的液压力作为液压缸的动力来源，无需为本发明的外骨骼增设完整外动力部件，使得本发明外骨骼可以保持较轻的总重量，适应消防作业的突发性和灵活性作业；

2、相对于完全被动式外骨骼，液压缸的动力辅助效果远远大于被动式外骨骼中弹簧的助力效果，相对于完全主动式外骨骼，总重量远远低于主动式外骨骼的重量，应用范围所受限制较小；

3、相对于其他外骨骼，设置有背部驱动部分，能够更大程度的增强外骨骼对人体的助力，防止人体脊椎全部受力导致的人体损伤。

附图说明

图1是本发明外骨骼整体结构示意图；

图2是本发明外骨骼背板部分结构示意图；

图3是本发明外骨骼背部驱动部分结构示意图；

图4是本发明外骨骼背部驱动部分细节示意图；

图5是本发明外骨骼上臂驱动部分示意图；

图6是本发明外骨骼的肩骨架结构示意图；

图7是本发明外骨骼的小臂骨架结构示意图；

图8是本发明外骨骼的液压缸结构示意图；

图9是本发明外骨骼的液压助力原理示意图；

图中：1、背板，2、中心骨，3、胸带，4、腰带，5、连接滑动柱，6、背驱连接板，7、支撑件，8、承力框架，9、活塞一，10、活塞二，11、肩部连接架，12、肩骨架，13、连杆，14、活塞三，15、活塞四，16、小臂骨架，17、活塞，18、活塞杆。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明外骨骼整体结构示意图，本发明的半主动式消防助力外骨骼包括中心骨2、背板部分、背板驱动部分和上臂驱动部分，中心骨2下端设置腰带4，中心骨2上端与背板部分固定连接，背板部分上还设置有胸带3。

图2是本发明外骨骼背板部分结构示意图，如图所示，所述背板部分包括背板1，所述中心骨2与背板1固定连接，所述胸带3固定连接在背板1上，所述背板1上还固定连接有两根连接滑动柱5，所述连接滑动柱5上设置多排螺栓孔，每一根连接滑动柱5上通过螺栓固定连接有一块背驱连接板6，选择不同位置处的螺栓孔，可调节背驱连接板6与连接滑动柱5之间相对高度位置，所述背驱连接板6用于固定连接背部驱动部分。

图3是本发明外骨骼背部驱动部分安装结构示意图，图4是本发明外骨骼背部驱动部分细节示意图，所述背部驱动部分包括支撑件7、承力框架8、液压缸一9和液压缸二10，所述支撑件7位于背部中心位置，其通过两块背驱连接板6固定连接在两根连接滑动柱5上，所述支撑件7向背部两侧均延伸出两个铰接杆，每侧的两个铰接杆分别铰接液压缸一9和液压缸二10，所述承力框架8一侧与支撑件7铰接，另一侧与肩部连接架11铰接，所述肩部连接架11上还延伸出有两个铰接杆，其分别与液压缸一9和液压缸二10远离支撑件7的一端铰接，所述支撑件7、承力框架8、液压缸一9和液压缸二10、肩部连接架11共同组成类似四连杆的背部驱动部分，其可以驱动肩部连接件11进行张合运动。

图5是本发明外骨骼上臂驱动部分示意图，所述上臂驱动部分包括肩骨架12、连杆13、小臂骨架16、液压缸三14和液压缸四15，如图6所示，是本发明外骨骼的肩骨架结构示意图，所述肩骨架12的两端各设置铰接点一、铰接点二，肩骨架12的中间位置设置有铰接点三，其中铰接点一与连杆13的一端铰接，连杆13的另一端与小臂骨架16的一端铰接，所述铰接点二与液压缸四15铰接，液压缸四15的另一端与小臂骨架16铰接，所述铰接点三与液压缸三14铰接，液压缸三14的另一端与小臂骨架16铰接，所述液压缸三14和液压缸四15与小臂骨架16的铰接点分别位于连杆13与小臂骨架16铰接点的左右两侧；肩部连接架11远离承力框架8的一侧与肩骨架12的中间位置铰接在一起，所述肩部连接架11做张合运动时，可以带动小臂驱动部分进行抱合运动。

图7是本发明外骨骼的小臂骨架结构示意图，如图所示，所述小臂骨架16靠近肘关节的端部设为U型叉结构，该U型叉的底部、中间和顶部共设置有三个铰接点，所述小臂骨架16上还设置有连接人体手臂的腕带和臂带。

图8是本发明外骨骼的液压缸结构示意图，所述液压缸一、液压缸二、液压缸三和液压缸四采用相同结构，如图所示，其均包括液压缸、活塞17和活塞杆18，所述液压缸两端由端盖封闭，所述活塞17位于液压缸内且可沿液压缸滑动，所述活塞杆18一端与活塞17连接，其另一端伸出液压缸端盖并设置有铰接点，所述液压缸体上靠近一侧端盖位置处设置有第一液体进出口，所述液压缸体另一侧端盖上设有第二液体进出口。图9是本发明外骨骼的液压助力原理示意图，液压缸无活塞杆的腔体内从消防水枪中获取水液作为压力介质，从水枪的取水方式可以通过改造水枪或在水枪与水管连接处增设一个取水器来实现，如图所示，水管内设置类似节流结构，在节流结构高压端作为液压缸动力端入口，节流结构低压端作为液压缸动力端出口。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明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发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种半主动式消防助力外骨骼，包括中心骨、背板部分、背板驱动部分和上臂驱动部分，中心骨下端设置腰带，中心骨上端与背板部分固定连接，背板部分上还设置有胸带；

所述背板部分包括背板，所述中心骨与背板固定连接，所述胸带固定连接在背板上，所述背板上还固定连接有两根连接滑动柱，所述连接滑动柱上设置多排螺栓孔，每一根连接滑动柱上通过螺栓固定连接有一块背驱连接板，选择不同位置处的螺栓孔，可调节背驱连接板与连接滑动柱之间相对高度位置，所述背驱连接板用于固定连接背部驱动部分；

所述背部驱动部分包括支撑件、承力框架、液压缸一和液压缸二，所述支撑件位于背部中心位置，其通过两块背驱连接板固定连接在两根连接滑动柱上，所述支撑件向背部两侧均延伸出两个铰接杆，每侧的两个铰接杆分别铰接液压缸一和液压缸二，所述承力框架一侧与支撑件铰接，另一侧与肩部连接架铰接，所述肩部连接架上还延伸出有两个铰接杆，其分别与液压缸一和液压缸二远离支撑件的一端铰接；

所述上臂驱动部分包括肩骨架、连杆、小臂骨架、液压缸三和液压缸四，所述肩骨架的两端各设置铰接点一、铰接点二，肩骨架的中间位置设置有铰接点三，其中铰接点一与连杆的一端铰接，连杆的另一端与小臂骨架的一端铰接，所述铰接点二与液压缸四铰接，液压缸四的另一端与小臂骨架铰接，所述铰接点三与液压缸三铰接，液压缸三的另一端与小臂骨架铰接，所述液压缸三和液压缸四与小臂骨架的铰接点分别位于连杆与小臂骨架铰接点的左右两侧；肩部连接架远离承力框架的一侧与肩骨架的中间位置铰接在一起。

2.根据权利要求1所述的半主动式消防助力外骨骼，其特征还在于，所述小臂骨架靠近肘关节的端部设为U型叉结构，该U型叉的底部、中间和顶部共设置有三个铰接点。

3.根据权利要求2所述的半主动式消防助力外骨骼，其特征还在于，所述小臂骨架上还设置有连接人体手臂的腕带和臂带。

4.根据权利要求1-3所述的半主动式消防助力外骨骼，其特征还在于，所述液压缸一、液压缸二、液压缸三和液压缸四采用相同结构，其均包括液压缸、活塞和活塞杆，所述液压缸两端由端盖封闭，所述活塞位于液压缸内且可沿液压缸滑动，所述活塞杆一端与活塞连接，其另一端伸出液压缸端盖并设置有铰接点，所述液压缸体上靠近一侧端盖位置处设置有第一液体进出口，所述液压缸体另一侧端盖上设有第二液体进出口。

5.根据权利要求4所述的半主动式消防助力外骨骼，其特征还在于，所述第一液体进出口和第二液体进出口均连通消防水枪的水管，从消防水枪中获取水液作为压力介质驱动活塞运动。