本實(shí)用新型涉及機(jī)電一體化、機(jī)械、電子、傳感器、仿生等技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種輔助并增強(qiáng)人體力量的裝置。

背景技術(shù)：

外骨骼機(jī)器人技術(shù)是一種融合傳感、控制、信息、融合、移動計(jì)算等現(xiàn)代綜合技術(shù)，并為操作者提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)，即為一種套在人體外面的人體骨骼仿生機(jī)器人，也稱為可穿戴的機(jī)器人，在軍事、康復(fù)、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，該項(xiàng)技術(shù)有廣泛地應(yīng)用空間。

申請?zhí)枮?01610454728.0的實(shí)用新型專利公開一種半自動協(xié)力骨骼機(jī)器裝置，該裝置的動力系統(tǒng)采用氣動技術(shù)需要空壓機(jī)、氣缸等大型設(shè)備加以輔助，所占空間較大，重量大，成本較高。并且胯部結(jié)構(gòu)采用直線型設(shè)計(jì)，貼合度較差，舒適度較差。

申請?zhí)枮?01610590102.2的實(shí)用新型公開一種輕型化高速大負(fù)載下肢外骨骼機(jī)器人，該機(jī)器人的動力系統(tǒng)為液壓，液壓傳動速度較慢無法滿足某些高速運(yùn)狀態(tài)，且液壓系統(tǒng)成本較高后期維護(hù)等不便。另外背部太過于死板，靈活度不高。

申請?zhí)枮?01610511532.0的實(shí)用新型公開一種下肢助力外骨骼機(jī)器人，該機(jī)器人的電機(jī)直接加動力系統(tǒng)速度較快且有慣性人機(jī)功效較差不易控制。經(jīng)減速裝置后加動力系統(tǒng)，由于腿部阻力較大所以要求電機(jī)力矩較大相對電機(jī)體積較大減速裝置也相應(yīng)較大，不易安裝且安裝于腿部由于電機(jī)，減速裝置等質(zhì)量較大則勢必將會受重力影響對腿部骨骼將有向外的拉力，由于力量分散不集中所以人機(jī)功效較差。腳部均采用硬性連接，與大地摩擦力較小，穿著需要手動固定極不方便，且舒適度較低。

申請?zhí)枮?01610405845.8公開一種便攜穿戴式外骨骼上肢機(jī)器人，該機(jī)器人的背部模塊用于承載控制系統(tǒng)、電池動力部件，同時(shí)用于實(shí)現(xiàn)背負(fù)功能，但背部無自由度，靈活性差，舒適度較低，人機(jī)功效較差；且作為核心部件的電池動力部件和控制系統(tǒng)外漏易損壞導(dǎo)致該裝置癱瘓，手臂模塊方向單一，適用范圍窄。

總之，目前涉及外骨骼機(jī)器人存在下述問題。

1、目前所涉及的同類產(chǎn)品脊柱部分均采用直線型設(shè)計(jì)，存在無自由度，貼合度，舒適度較低，人機(jī)功效差等眾多問題。

2、現(xiàn)有同類產(chǎn)品均采用氣動技術(shù)或液壓技術(shù)等動力系統(tǒng)，該類系統(tǒng)所需輔助組件較多（例如氣動技術(shù)需要空氣壓縮機(jī)，氣缸等輔件，液壓需要油泵，油缸等大型輔件），所占體積較大，重量較大，成本較高，控制復(fù)雜，后期維護(hù)不便。

3、目前所涉及的同類產(chǎn)品核心部件均裸露在外極易損壞且影響美觀。

4、目前所涉及的同類產(chǎn)品穿著部位均不可調(diào)節(jié)，有效的限制了穿戴者的身高體重。

5、目前所涉及的同類產(chǎn)品由于體積較大，重量較重均不易穿脫。

6、目前所涉及的同類產(chǎn)品均為單一的上肢或下肢，人體工作時(shí)負(fù)重量不均勻，長時(shí)間工作導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生較多問題。而上述單一模塊若組合使用，則由于各模塊設(shè)計(jì)相差較大，使得整體協(xié)調(diào)性性較差。

7、腳部均采用硬性連接，與大地摩擦力較小，穿著需要手動固定，極不方便，且舒適度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種穿戴簡單、行動方便、舒適度高的一種輔助并增強(qiáng)人體力量的裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種輔助并增強(qiáng)人體力量的裝置，包括上肢機(jī)構(gòu)、下肢機(jī)構(gòu)和脊柱機(jī)構(gòu)，所述脊柱機(jī)構(gòu)的下部和下肢機(jī)構(gòu)之間通過上下肢連接機(jī)構(gòu)活動連接在一起，所述脊柱機(jī)構(gòu)的上部和上肢機(jī)構(gòu)之間通過上臂固定位活動連接在一起；

所述下肢機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為：包括足部踏板、小腿部板、大腿部板和腿部動力部件，所述小腿部板的下部連接有足部踏板，所述小腿部板的上部通過膝關(guān)節(jié)連接軸與大腿部板的下部連接在一起，所述大腿部板的上部通過連接球頭活動連接在上下肢連接機(jī)構(gòu)上，所述腿部動力部件位于大腿部板的后側(cè)，且所述腿部動力部件的上部固定在大腿部板上，所述腿部動力部件的下部活動設(shè)置在小腿部板上；

所述上肢機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為：包括手腕卡環(huán)、小臂卡環(huán)、小臂主結(jié)構(gòu)、大小臂連接機(jī)構(gòu)、上臂卡環(huán)和上臂主結(jié)構(gòu)，所述手腕卡環(huán)和小臂卡環(huán)之間通過小臂主結(jié)構(gòu)活動連接，所述小臂卡環(huán)和上臂卡環(huán)之間通過大小臂連接機(jī)構(gòu)活動連接，所述上臂卡環(huán)通過上臂主結(jié)構(gòu)活動連接在上臂固定位上，所述上臂主結(jié)構(gòu)的側(cè)面設(shè)置有小臂動力組件，所述小臂動力組件的上部通過第一連接軸活動連接在上臂主結(jié)構(gòu)上，所述小臂動力組件的下部通過第二連接軸活動連接在小臂卡環(huán)上；

所述脊柱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為：包括背部主梁、仿生脊柱、脊柱軟連接、胸部卡套、背部主結(jié)構(gòu)、背部軟連接、背部活動件和肩部主結(jié)構(gòu)，所述背部主梁呈T型，所述背部主梁的下部固定設(shè)置在上下肢連接機(jī)構(gòu)上，多個所述仿生脊柱橫向平行設(shè)置在背部主梁上，相鄰的所述仿生脊柱之間通過多個脊柱軟連接連接在一起，所述胸部卡套和背部主結(jié)構(gòu)均設(shè)置在背部主梁的中部，且所述胸部卡套位于背部主結(jié)構(gòu)的下方，所述背部主梁呈U型，所述背部主梁的兩端頂部均連接有背部軟連接，所述背部主梁的上部兩端對應(yīng)與背部軟連接連接，所述肩部主結(jié)構(gòu)與背部軟連接之間通過背部活動件連接在一起；

兩個所述肩部主結(jié)構(gòu)上均設(shè)置有上臂動力組件，所述上臂動力組件的本體固定設(shè)置在肩部主結(jié)構(gòu)上，所述上臂動力組件的輸出軸活動設(shè)置在上臂固定位上。

所述腿部動力部件為鋁合金12V電動電桿，推桿質(zhì)量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s，所述電動推桿通過傳感器控制。

所述小腿部板包括小腿部外板和小腿部內(nèi)板，所述小腿部外板和小腿部內(nèi)板配合形成夾層，所述夾層內(nèi)用于放置電源和PLC組件，所述PLC組件與腿部動力部件、小臂動力組件和上臂動力組件電連接。

所述足部踏板的底部采用柔性材質(zhì)，所述底部內(nèi)設(shè)置傳感器和復(fù)位彈簧，所述復(fù)位彈簧用于保護(hù)傳感器不受擠壓。

所述背部主梁包括多節(jié)主梁單元和萬向節(jié)組成。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果。

1、本實(shí)用新型利用萬向球頭自由度高且凸面正好與脊柱凹相貼，以萬向球頭為核心的仿生脊柱等部分貼合度大大提高，舒適度強(qiáng)（可調(diào)節(jié)方向），人機(jī)功效強(qiáng)。

2、本實(shí)用新型在動力系統(tǒng)方面，采用鋁合金12v電動電桿，推桿質(zhì)量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s（實(shí)測速度為1.5m/s）電動推桿由傳感器控制，當(dāng)觸發(fā)傳感器時(shí)電機(jī)通電推桿運(yùn)動否則將保持原來狀態(tài)，所以速度可調(diào)節(jié)，推桿長為105mm，寬為75mm，體積較小，且在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其大小最大程度上做到了與下肢相吻合。上臂動力采用鋼絲牽引的方式，鋼絲牽引作為動力不僅使速度大大提高而且也使整個實(shí)用新型設(shè)計(jì)美觀大方。

3、本實(shí)用新型將核心部件隱藏于肢體結(jié)構(gòu)夾層內(nèi)，有效的為其提供保護(hù)，更大程度上避免了損壞，且空間利用率達(dá)到更高。

4、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)同一裝置適合不同體型的人穿戴（螺絲可調(diào)節(jié)其伸長度等部位），大大提高了使用人群。

5、本實(shí)用新型便于穿脫（卡扣式連接非常方便）。

6、本實(shí)用新型上下肢既可以分開使用也可以一起使用，且上下肢協(xié)調(diào)性良好。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型中脊柱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型中上肢機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的流程框圖。

圖5為本實(shí)用新型的工作框架圖。

圖中：1為上肢機(jī)構(gòu)、11為手腕卡環(huán)、12為小臂卡環(huán)、13為小臂主結(jié)構(gòu)、14為大小臂連接機(jī)構(gòu)、15為上臂卡環(huán)、16為上臂主結(jié)構(gòu)、17為小臂動力組件、18為第一連接軸、19為第二連接軸、110為上臂動力組件、2為下肢機(jī)構(gòu)、21為足部踏板、22為小腿部板、23為大腿部板、24為腿部動力部件、25為膝關(guān)節(jié)連接軸、26為連接球頭、3為脊柱機(jī)構(gòu)、31為背部主梁、32為仿生脊柱、33為脊柱軟連接、34為胸部卡套、35為背部主結(jié)構(gòu)、36為背部軟連接、37為背部活動件、38為肩部主結(jié)構(gòu)、4為上下肢連接機(jī)構(gòu)、5為上臂固定位。

具體實(shí)施方式

如圖1～圖5所示，本實(shí)用新型一種輔助并增強(qiáng)人體力量的裝置，包括上肢機(jī)構(gòu)1、下肢機(jī)構(gòu)2和脊柱機(jī)構(gòu)3，所述脊柱機(jī)構(gòu)3的下部和下肢機(jī)構(gòu)2之間通過上下肢連接機(jī)構(gòu)4活動連接在一起，所述脊柱機(jī)構(gòu)3的上部和上肢機(jī)構(gòu)1之間通過上臂固定位5活動連接在一起；

所述下肢機(jī)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)為：包括足部踏板21、小腿部板22、大腿部板23和腿部動力部件24，所述小腿部板22的下部連接有足部踏板21，所述小腿部板22的上部通過膝關(guān)節(jié)連接軸25與大腿部板23的下部連接在一起，所述大腿部板23的上部通過連接球頭26活動連接在上下肢連接機(jī)構(gòu)4上，所述腿部動力部件24位于大腿部板23的后側(cè)，且所述腿部動力部件24的上部固定在大腿部板23上，所述腿部動力部件24的下部活動設(shè)置在小腿部板22上；

所述上肢機(jī)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)為：包括手腕卡環(huán)11、小臂卡環(huán)12、小臂主結(jié)構(gòu)13、大小臂連接機(jī)構(gòu)14、上臂卡環(huán)15和上臂主結(jié)構(gòu)16，所述手腕卡環(huán)11和小臂卡環(huán)12之間通過小臂主結(jié)構(gòu)13活動連接，所述小臂卡環(huán)12和上臂卡環(huán)15之間通過大小臂連接機(jī)構(gòu)14活動連接，所述上臂卡環(huán)15通過上臂主結(jié)構(gòu)16活動連接在上臂固定位5上，所述上臂主結(jié)構(gòu)16的側(cè)面設(shè)置有小臂動力組件17，所述小臂動力組件17的上部通過第一連接軸18活動連接在上臂主結(jié)構(gòu)16上，所述小臂動力組件17的下部通過第二連接軸19活動連接在小臂卡環(huán)12上；

所述脊柱機(jī)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)為：包括背部主梁31、仿生脊柱32、脊柱軟連接33、胸部卡套34、背部主結(jié)構(gòu)35、背部軟連接36、背部活動件37和肩部主結(jié)構(gòu)38，所述背部主梁31呈T型，所述背部主梁31的下部固定設(shè)置在上下肢連接機(jī)構(gòu)4上，多個所述仿生脊柱32橫向平行設(shè)置在背部主梁31上，相鄰的所述仿生脊柱32之間通過多個脊柱軟連接33連接在一起，所述胸部卡套34和背部主結(jié)構(gòu)35均設(shè)置在背部主梁31的中部，且所述胸部卡套34位于背部主結(jié)構(gòu)35的下方，所述背部主梁31呈U型，所述背部主梁31的兩端頂部均連接有背部軟連接36，所述背部主梁31的上部兩端對應(yīng)與背部軟連接36連接，所述肩部主結(jié)構(gòu)38與背部軟連接36之間通過背部活動件37連接在一起；

兩個所述肩部主結(jié)構(gòu)38上均設(shè)置有上臂動力組件110，所述上臂動力組件110的本體固定設(shè)置在肩部主結(jié)構(gòu)38上，所述上臂動力組件110的輸出軸活動設(shè)置在上臂固定位5上。

所述腿部動力部件24為鋁合金12V電動電桿，推桿質(zhì)量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s，所述電動推桿通過傳感器控制。

所述小腿部板22包括小腿部外板和小腿部內(nèi)板，所述小腿部外板和小腿部內(nèi)板配合形成夾層，所述夾層內(nèi)用于放置電源和PLC組件，所述PLC組件與腿部動力部件24、小臂動力組件17和上臂動力組件110電連接。

所述足部踏板21的底部采用柔性材質(zhì)，所述底部內(nèi)設(shè)置傳感器和復(fù)位彈簧，所述復(fù)位彈簧用于保護(hù)傳感器不受擠壓。

所述背部主梁31包括多節(jié)主梁單元和萬向節(jié)組成。

本實(shí)用新型采用仿生脊柱，有較多自由度，靈活性強(qiáng)，舒適度高。

本實(shí)用新型中仿生脊柱采用以向球頭為主以彈簧為輔的結(jié)構(gòu)，以萬向球頭作為支撐既保證了方向的可變化又便于連接（球頭之間可以直接連接），彈簧加在固定板兩邊保證了兩邊的平衡使整個脊柱無力的作用時(shí)保持直挺狀態(tài)，同時(shí)用彈簧等軟連接保證了方向的可變換性，固定板既可以固定球頭脊柱又可以與上下肢相連接，固定板與球頭的一面為水平面另一面為凸面，凸面與后背脊柱所形成的凹面正好相貼合大大增強(qiáng)了其貼合度。此仿生脊柱經(jīng)測試完全可以貼合人并適合人彎曲的各個角度。

本實(shí)用新型中下肢部分采用鋁合金12V電動電桿，推桿質(zhì)量為1.5kg，推力大小為100kg，速度為60mm/s，電動推桿由傳感器控制，當(dāng)觸發(fā)傳感器時(shí)電機(jī)通電推桿運(yùn)動否則將保持原來狀態(tài)，所以速度可調(diào)節(jié)，推桿長為105mm，寬為75mm，體積較小，且在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其大小最大程度上做到了與下肢相吻合。以方法避免了直接用電機(jī)作為動力系統(tǒng)，一方面對電機(jī)減速要求較低使得更容易控制，增強(qiáng)其工作效率，另一方面便于加工安裝。

本實(shí)用新型腿部設(shè)有夾層用于放置電源和各控制元件很大程度上避免了因外置而導(dǎo)致?lián)p壞等現(xiàn)象。

本實(shí)用新型腳部采用柔軟度較高的底板，傳感器置于內(nèi)部，且底板加有4組復(fù)位彈簧既保護(hù)了傳感器不受大力壓擠導(dǎo)致?lián)p壞同時(shí)又保證了平衡大大提高了使用者的舒適度。

本實(shí)用新型足部踏板21采用自動卡扣式固定，使用者只需將鞋放進(jìn)去便會自動卡鎖，脫時(shí)將卡鎖開關(guān)按住卡扣就會自動解鎖，使用非常方便。

本實(shí)用新型手臂肘關(guān)節(jié)采用壓力軸承和桿連接的方式使靈活度大大提高，傳感器以及各導(dǎo)線隱藏于內(nèi)部避免了與外界的直接接觸大大降低了損壞率，下臂動力使用電動推桿（推桿參數(shù)和腿部所描述除長短外相同），推桿有較強(qiáng)的自鎖能力適合某些搬用等工作，上臂動力采用鋼絲牽引的方式，動力源為伺服電機(jī)置于肩膀處，鋼絲連接肘部同樣由上臂內(nèi)的傳感器控制。

本實(shí)用新型為全身性的助力系統(tǒng)，涵蓋脊柱上下肢，全身既可以分開使用也可以全身使用，解決了模塊組合不協(xié)調(diào)等問題。

本實(shí)用新型自動化工作原理：

1、動力模塊：由傳感器將外部信息發(fā)送到單片機(jī)內(nèi)，再由單片機(jī)控制電機(jī)等執(zhí)行元件。

2、溫度模塊：由溫度傳感器將電池溫度傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示并可以通過單片機(jī)設(shè)定一個溫度值，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的溫度值時(shí)蜂鳴器將會發(fā)出警告。

3、電池信息模塊：由傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電量，當(dāng)電量低于所設(shè)置的值時(shí)將會自動啟動備用電源。

上面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施例作了詳細(xì)說明，但是本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實(shí)用新型宗旨的前提下作出各種變化。