本發(fā)明涉及一種助力裝置，更具體的說是涉及一種可穿戴的上肢外骨骼助力裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的機(jī)械外骨骼具有機(jī)械肢體和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，肢體由金屬材料制造并由各機(jī)械關(guān)節(jié)連接，各機(jī)械關(guān)節(jié)受安裝在關(guān)節(jié)處的電機(jī)或液壓裝置驅(qū)動，機(jī)械關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)械肢體帶動佩戴者的肢體運(yùn)動，從而達(dá)到助力效果，是一種對人機(jī)互動要求非常高的設(shè)備。上肢外骨骼機(jī)器人的研究目的是為了使上肢能量增大,從而增強(qiáng)人的能力,使其在抬舉重物時擁有更大的力和能量。并且在上肢外骨骼機(jī)器人輔助人進(jìn)行動作時要確保動作位置的精確性,以免對人或其他事物產(chǎn)生傷害。上肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)主要包括安裝在人手上的外骨骼機(jī)械臂,傳感器,控制器以及執(zhí)行裝置。通過對人的上肢運(yùn)動意圖的精確分析而產(chǎn)生控制信號對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,在控制的基礎(chǔ)上還要進(jìn)行動力學(xué)的建模和仿真,使其可在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的上肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)過高，實(shí)用價(jià)值較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可穿戴的上肢外骨骼助力裝置，結(jié)構(gòu)合理，實(shí)用價(jià)值較高，可以提高人的能力，實(shí)現(xiàn)輕松搬運(yùn)重物、減輕工人工作強(qiáng)度的目的。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種可穿戴的上肢外骨骼助力裝置，包括機(jī)械臂裝置、支撐裝置和抓取裝置，所述機(jī)械臂裝置一端和支撐裝置相連，另一端和抓取裝置相連，所述機(jī)械臂裝置包括基座、動力組件和手臂組件，所述動力組件包括第一傳動件、第二傳動件、從動件和氣缸，所述第一傳動件和第二傳動件的前端分別鉸接在基座上，所述第一傳動件的尾端鉸接在第一三角盤的一角，所述第二傳動件的尾端鉸接在第二三角盤的一角，所述從動件前端和手臂組件鉸接，后端和氣缸上端連接，所述氣缸下端和第一傳動件相連；所述手臂組件包括第一大臂、第二大臂、小臂、大臂支撐軸、第一小臂支撐軸和第二小臂支撐軸，所述大臂支撐軸的前端和從動件后端鉸接，所述大臂支撐軸的尾端和小臂前端鉸接，所述小臂前部設(shè)置有第一連接桿，所述第一連接桿貫穿小臂，所述小臂的尾端鉸接有第二連接桿，所述第二連接桿貫穿小臂，所述第一大臂和第二大臂的前端鉸接在基座上，所述第二大臂的前端和從動件的前端相鉸接，所述第一大臂的尾端和第一小臂支撐軸的前端分別和第一三角盤的一角鉸接，所述第二大臂的尾端和第二小臂支撐軸的前端分別和第二三角盤的一角鉸接，所述第一小臂支撐軸的尾端和第一手踝鉸接；所述第二小臂支撐軸的尾端和第二手踝鉸接，所述第一大臂和第二大臂的尾端分別連接在第一連接桿的兩端，所述第一手踝和第二手踝的一端分別連接在第二連接桿的兩端；采用單刀單擲的開關(guān)來控制氣缸的伸縮，氣缸活塞桿向上移動，帶動從動件移動，從動件帶動大臂支撐軸移動，大臂支撐軸帶動小臂移動，小臂帶動抓取裝置向下擺動，氣缸活塞桿向下移動復(fù)位，抓取裝置向上擺動。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一大臂和第二大臂的前端和尾端均呈弧狀，所述第一大臂和第二大臂的長度均為381.5mm，所述第一大臂和第二大臂前端的弧度半徑均為22.5mm，所述第一大臂和第二大臂尾端的弧度半徑均為10mm；所述小臂的前端和尾端均呈弧狀，所述小臂的長度均為373.5mm，所述小臂前端的弧度半徑為7.5mm，所述小臂尾端的弧度半徑為10mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一傳動件和第二傳動件呈長條狀，所述第一傳動件的兩端向同一方向彎折形成第一彎折部，所述第二傳動件的兩端向同一方向彎折形成第二彎折部，所述第一彎折部和第二彎折部的彎折的角度均為30度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述支撐裝置包括背部支撐架和肩膀滑竿，所述背部支撐架的上端連接在肩膀滑竿上，所述肩膀滑竿的兩端固定在基座上，柔性綁帶綁將第一大臂、第二大臂和小臂與人的手臂相互綁定，將背部支撐架綁在人的腰部。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述肩膀滑竿和基座之間通過吊環(huán)螺釘連接，所述肩膀滑竿兩側(cè)附近分別設(shè)置有一個弓形扣。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述抓取裝置包括支撐桿、活動指和電機(jī)，所述支撐桿一端固定在第一手踝上，所述支撐桿另一端上設(shè)置有凹槽，所述電機(jī)安裝在支撐桿上，所述活動指一端鉸接在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，所述活動指的另一端和凹槽相配合。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述手臂組件、支撐裝置和抓取裝置均采用鎂鋁合金材料制成。

本發(fā)明包括機(jī)械臂裝置、支撐裝置和抓取裝置，所述機(jī)械臂裝置一端和支撐裝置相連，另一端和抓取裝置相連，所述機(jī)械臂裝置包括基座、動力組件和手臂組件，所述動力組件包括第一傳動件、第二傳動件、從動件和氣缸，所述手臂組件包括第一大臂、第二大臂、小臂、大臂支撐軸、第一小臂支撐軸和第二小臂支撐軸，通過大臂支撐軸、第一小臂支撐軸、第二小臂支撐軸和三角盤的連接，形成穩(wěn)定的四桿聯(lián)動機(jī)構(gòu)，能夠很好地渡過運(yùn)動不確定位置，也能夠增加最大啟動牽引力。大臂作為主動件，在運(yùn)動時帶動小臂，從而完成伸展的動作。額外增加的大、小臂支撐軸、三角盤的設(shè)計(jì)，限制了運(yùn)動角度，避免了運(yùn)動角度過大造成的機(jī)構(gòu)破壞，增加了機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高了運(yùn)動的傳遞效率。氣缸開啟時小臂自動伸縮抬起重物并保持，在完成操作后只需要關(guān)閉氣缸，小臂就會自動恢復(fù)到原位，從而達(dá)到自由控制手臂伸展的目的，提高機(jī)構(gòu)的效率。通過獨(dú)特的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)手臂的自由伸展，使其具有放松伸展和小臂抬起兩種形態(tài)，并讓兩種姿態(tài)自由過渡，本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，實(shí)用價(jià)值較高，可以提高人的能力，實(shí)現(xiàn)輕松搬運(yùn)重物、減輕工人工作強(qiáng)度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體圖；

圖2為本發(fā)明機(jī)械臂裝置的立體圖；

圖3為本發(fā)明機(jī)動力組件和手臂組件的立體圖；

圖4為本發(fā)明機(jī)械臂裝置的局部立體圖；

圖5為本發(fā)明小臂在運(yùn)動時的動力簡化圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖所給出的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳述。

參照圖1-5所示，本實(shí)施例的一種可穿戴的上肢外骨骼助力裝置，包括機(jī)械臂裝置1、支撐裝置2和抓取裝置3，機(jī)械臂裝置1一端和支撐裝置2相連，另一端和抓取裝置3相連，機(jī)械臂裝置1包括基座11、動力組件12和手臂組件13，動力組件12包括第一傳動件121、第二傳動件122、從動件123和氣缸124，第一傳動件121和第二傳動件122的前端分別鉸接在基座11上，第一傳動件121的尾端鉸接在第一三角盤4的一角，第二傳動件122的尾端鉸接在第二三角盤5的一角，從動件123前端和手臂組件13鉸接，后端和氣缸124上端連接，氣缸124下端和第一傳動件121相連；手臂組件13包括第一大臂131、第二大臂132、小臂133、大臂支撐軸134、第一小臂支撐軸135和第二小臂支撐軸136，大臂支撐軸134的前端和從動件123后端鉸接，大臂支撐軸134的尾端和小臂133前端鉸接，小臂133前部設(shè)置有第一連接桿6，第一連接桿6貫穿小臂133，小臂133的尾端鉸接有第二連接桿7，第二連接桿7貫穿小臂133，第一大臂131和第二大臂132的前端鉸接在基座11上，第二大臂132的前端和從動件123的前端相鉸接，第一大臂131的尾端和第一小臂支撐軸135的前端分別和第一三角盤4的一角鉸接，第二大臂132的尾端和第二小臂支撐軸136的前端分別和第二三角盤5的一角鉸接，第一小臂支撐軸135的尾端和第一手踝8鉸接；第二小臂支撐軸136的尾端和第二手踝9鉸接，第一大臂131和第二大臂132的尾端分別連接在第一連接桿6的兩端，第一手踝8和第二手踝9的一端分別連接在第二連接桿7的兩端；本發(fā)明采用單刀單擲的開關(guān)來控制氣缸124的伸縮，氣缸124在開啟后，活塞桿向上移動，帶動從動件123移動，從動件123圍繞其前端和第二大臂132的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動，從動件123后端和大臂支撐軸134的前端鉸接，從動件123帶動大臂支撐軸134向上移動，大臂支撐軸134的尾端和小臂133前端鉸接，大臂支撐軸134帶動小臂133移動，小臂133圍繞其前端和大臂支撐軸134尾端的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動，小臂133帶動第一小臂支撐軸135、第二小臂支撐軸136和抓取裝置3轉(zhuǎn)動，抓取裝置3將重物抓起后，活塞桿回縮，從動件123圍繞其前端和第二大臂132的鉸接點(diǎn)反向轉(zhuǎn)動，從動件123帶動大臂支撐軸134向下移動，大臂支撐軸134帶動小臂133反向轉(zhuǎn)動，小臂133帶動第一小臂支撐軸135、第二小臂支撐軸136和抓取裝置3反向轉(zhuǎn)動，將固定在抓取裝置3中的重物抬起放置到指定位置，整個過程中，基座11、第一傳動件121、第二傳動件122、第一大臂131和第二大臂132保持不動，在完成操作后，氣缸124關(guān)閉。該裝置采用了獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，符合人體工程學(xué)的基本要求，讓穿戴者不會感到不適。手臂組件13是機(jī)械臂裝置1的主要握持部件，它的作用是支撐腕部和手部，手臂組件13的運(yùn)動通過動力組件12來實(shí)現(xiàn)，動力組件12帶動手臂組件13作空間運(yùn)動，把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)，如果改變手部的方位，則用從動件123的自由度加以實(shí)現(xiàn)。通過合理布置作用力的位置和方向，使手臂運(yùn)動盡可能平衡，提高配合精度，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，避免了發(fā)生機(jī)構(gòu)自鎖現(xiàn)象。

作為改進(jìn)的一種具體實(shí)施方式，第一大臂131和第二大臂132的前端和尾端均呈弧狀，第一大臂131和第二大臂132的長度均為381.5mm，第一大臂131和第二大臂132前端的弧度半徑均為22.5mm，第一大臂131和第二大臂132尾端的弧度半徑均為10mm，小臂133的前端和尾端均呈弧狀，小臂133的長度為373.5mm，小臂133前端的弧度半徑為7.5mm，小臂133尾端的弧度半徑為10mm。根據(jù)受力情況，合理選擇以上第一大臂131、第二大臂132和小臂133的截面形狀和輪廓尺寸，合理選擇支撐點(diǎn)的距離，從而提高支撐剛度，使多個雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)和協(xié)調(diào)的前提下，盡可能增大承重重量，也使運(yùn)動更靈活，以圖5作為分析，

已知直線AOB，AO＝88，OB＝268，以O(shè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動點(diǎn)，轉(zhuǎn)動15°后形成A`OB`，求h和h1，單位為mm

解：已知轉(zhuǎn)動角度為15°

h＝OB`·sin 15°＝268×sin 15＝69.36mm

h1＝OA`·sin 15°＝88×sin 15＝22.77mm

由計(jì)算所得的h和h1，可代入到能量守恒方程中進(jìn)行換算，已知W＝Gh(重力公式，此處重力加速度取9.8N·kg)，Pa＝FS(壓強(qiáng)計(jì)算公式)。

Pa＝FS，S＝πr2

由重力守恒公式可得，

W＝GH＝FL

m·g·h1＝Pa·S·h

經(jīng)過計(jì)算分析，我們可以得出，單臂的理論承載重量為52.6kg，也就是說，整個機(jī)構(gòu)的理論承重重量為105kg。

作為改進(jìn)的一種具體實(shí)施方式，第一傳動件121和第二傳動件122呈長條狀，第一傳動件121的兩端向同一方向彎折形成第一彎折部125，第二傳動件122的兩端向同一方向彎折形成第二彎折部126，第一彎折部125和第二彎折部126的彎折的角度均為30度。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得整個裝置運(yùn)動更靈活，連接更穩(wěn)固。

作為改進(jìn)的一種具體實(shí)施方式，支撐裝置2包括背部支撐架21和肩膀滑竿22，背部支撐架21的上端連接在肩膀滑竿22上，肩膀滑竿22的兩端固定在基座11上，柔性綁帶綁將第一大臂131、第二大臂132和小臂133與人的手臂相互綁定，將背部支撐架21綁在人的腰部。支撐裝置2選擇了剛性連接和柔性連接相結(jié)合，在第一大臂131、第二大臂132和小臂133上我們使用柔性綁帶與人的手臂相互綁定，柔性綁帶能夠減輕穿戴類機(jī)械裝置對人體的不適感，同時提高機(jī)械裝置與人體的契合度，在肩膀處使用背包的形式讓使用者將機(jī)構(gòu)背在身上，并在腰部增加一條綁帶，使助力裝置和人體更加契合。使助力裝置能夠更好地貼合手臂和背部，防止機(jī)構(gòu)在運(yùn)作時脫離人體而造成不必要的傷害。這種支撐裝置2保證了機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時保證了穿戴者在穿戴時可以自由擺動，提升工作時的靈活性。

作為改進(jìn)的一種具體實(shí)施方式，肩膀滑竿22和基座11之間通過吊環(huán)螺釘23連接，肩膀滑竿22兩側(cè)附近分別設(shè)置有一個弓形扣24。弓型扣24限制了吊環(huán)螺釘23的運(yùn)動范圍，使機(jī)械臂裝置1可以前后運(yùn)動，也可以小幅度地內(nèi)外運(yùn)動。

作為改進(jìn)的一種具體實(shí)施方式，抓取裝置3包括支撐桿31、活動指32和電機(jī)33，支撐桿31一端固定在第一手踝8上，支撐桿31另一端上設(shè)置有凹槽34，電機(jī)33安裝在支撐桿31上，活動指32一端鉸接在電機(jī)33的轉(zhuǎn)軸上，所述活動指32的另一端和凹槽34相配合。當(dāng)需要抬起重物時，電機(jī)33轉(zhuǎn)動，活動指32活動端從凹槽34中脫離，活動指32和支撐桿31之間間距增大，將重物卡入活動指32和支撐桿31之間后，電機(jī)33反向轉(zhuǎn)動，活動指32活動端卡入凹槽34中，避免重物在移動過程中脫落，將重物移動到指定位置后，電機(jī)33再次轉(zhuǎn)動，活動指32活動端再次從凹槽34中脫離，重物從活動指32和支撐桿31之間脫落。

作為改進(jìn)的一種具體實(shí)施方式，所述手臂組件13、支撐裝置2和抓取裝置3均采用鎂鋁合金材料制成。為了使得助力裝置重量更小，運(yùn)動更靈活，從而減小慣性，在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，本發(fā)明采用了鎂鋁合金材料，鎂鋁合金材料作為強(qiáng)度大，質(zhì)量輕的新型材料，極大地降低了助力裝置的重量，使穿戴者在使用時不會感到吃力，提升了工作效率。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。