本發(fā)明屬于外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種穿戴式防護(hù)機(jī)甲外骨骼。

背景技術(shù)：

1、穿戴式外骨骼是一種可穿戴的智能助力裝置，通過與穿戴者進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可以輔助人體進(jìn)行行走、搬運(yùn)等工作，減少運(yùn)動(dòng)給人體帶來的疲勞與損傷，提高人體的機(jī)能。其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在軍事領(lǐng)域上，可以提高士兵的運(yùn)動(dòng)靈活性、機(jī)動(dòng)性、負(fù)重能力等；在危險(xiǎn)的作戰(zhàn)環(huán)境中，帶有防護(hù)裝置的外骨骼能夠更有效的保障士兵的生命安全。目前，外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)笨重、穿戴舒適性差、控制系統(tǒng)復(fù)雜，提供助力效果有限，使得士兵所需承受負(fù)載極大。且現(xiàn)有外骨骼不具備攜帶防護(hù)裝置同時(shí)提供助力的功能，這仍是亟待解決的問題。

2、如申請(qǐng)?zhí)枮?01610520405.7的中國專利申請(qǐng)公開了下肢助力機(jī)械外骨骼，是模擬人體腿部結(jié)構(gòu)，在人腿左右兩側(cè)設(shè)置機(jī)械腿，但這種擬人的設(shè)計(jì)方式使得負(fù)載的作用力作用在足底支撐面之外，力傳遞設(shè)計(jì)不合理，助力效果一般，同時(shí)該專利申請(qǐng)還不具備機(jī)械腿長短調(diào)節(jié)功能，對(duì)穿戴者的適應(yīng)性較差；并且，鉸接的機(jī)械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)無法滿足人體運(yùn)動(dòng)需求，存在人機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)干涉；另外，上述專利申請(qǐng)的下肢助力機(jī)械外骨骼的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用纜繩式驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造、裝配難度大，控制精度較差。

3、如申請(qǐng)?zhí)枮?01820525967.5的中國專利申請(qǐng)公開了人體上半身防護(hù)的穿戴式機(jī)械外骨骼，雖然可以實(shí)現(xiàn)人體上半身多自由度全方位運(yùn)動(dòng)，且可與防摔背心、防彈背心、下肢外骨骼兼容，用于安全防護(hù)，但是這種設(shè)計(jì)方式使得上半身防護(hù)裝置與外骨骼的作用力同時(shí)作用于人體，對(duì)操作者負(fù)載極大的同時(shí)防護(hù)覆蓋面積較??；另外，上述專利申請(qǐng)的人體上半身防護(hù)的穿戴式機(jī)械外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造、裝配難度大，控制精度較差，無法滿足快速穿戴的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種外骨骼助力兼容的模塊化機(jī)甲，解決了防護(hù)重力直接作用在穿戴者身上，易疲勞，防護(hù)面積小等問題。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種穿戴式防護(hù)機(jī)甲外骨骼，包括防護(hù)裝置，背架機(jī)構(gòu)、腰髖部支架和兩組腿部機(jī)構(gòu)；

3、背架機(jī)構(gòu)包括y字形背架、背部助力機(jī)構(gòu)、和人工脊柱；背部助力機(jī)構(gòu)包括背部驅(qū)動(dòng)電機(jī)，力矩傳感器和承力腰桿；兩組腿部機(jī)構(gòu)包括足端穿戴部件；

4、y字形背架下方通過球鉸與人工脊柱連接，背架機(jī)構(gòu)安裝于腰髖部支架上，背部助力機(jī)構(gòu)通過承力腰桿安裝于腰髖部支架上，兩組腿部機(jī)構(gòu)對(duì)稱安裝于腰髖部支架上，防護(hù)裝置掛載于y字形背架上；

5、通過背部驅(qū)動(dòng)電機(jī)和力矩傳感器實(shí)現(xiàn)背部的彎腰到直立狀態(tài)的助力；通過承力腰桿將背部助力機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的負(fù)載通過髖關(guān)節(jié)和下肢外骨骼傳導(dǎo)到地面。

6、進(jìn)一步的，腰髖部支架包括髖關(guān)節(jié)內(nèi)外旋機(jī)構(gòu)、腰部長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、腰部?jī)蓚?cè)段、電池盒；

7、背架機(jī)構(gòu)還包括快速抽插機(jī)構(gòu)，y字形背架、人工脊柱通過快速抽插機(jī)構(gòu)和腰部長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的腰部中間段連接，人工脊柱由多個(gè)相同的人工脊柱塊通過球鉸連接。

8、進(jìn)一步的，防護(hù)裝置包括肩部防護(hù)裝置、胸部防護(hù)裝置、背部防護(hù)裝置、大腿防護(hù)裝置以及小腿防護(hù)裝置；

9、肩部防護(hù)裝置固定于y字形背架肩部的分支上，胸部防護(hù)裝置和背部防護(hù)裝置通過卡扣與肩部防護(hù)裝置連接，利用外骨骼輔助支撐軀干防護(hù)裝置的負(fù)載，形成防護(hù)機(jī)甲。

10、進(jìn)一步的，背部助力機(jī)構(gòu)還包括背部連接件，電機(jī)固定端和背部連接桿；

11、承力腰桿與髖關(guān)節(jié)內(nèi)外旋機(jī)構(gòu)連接，背部連接件和承力腰桿連接，承力腰桿與背部連接件的連接處能夠?qū)崿F(xiàn)沿承力腰桿所在軸軸線的自由旋轉(zhuǎn)；

12、背部驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于電機(jī)固定端上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分連接力矩傳感器，背部連接件與力矩傳感器連接，力矩傳感器與背部連接桿連接。

13、進(jìn)一步的，髖關(guān)節(jié)內(nèi)外旋機(jī)構(gòu)包括由曲屈部，內(nèi)旋部，外展部；

14、曲屈部包括腰髖連接件、曲屈內(nèi)旋中間件，曲屈部軸套和曲屈部軸套蓋；內(nèi)旋部包括曲屈內(nèi)旋中間件，內(nèi)旋部螺釘，內(nèi)旋部夾緊件，內(nèi)旋部軸套和內(nèi)旋外展中間件；外展部包括內(nèi)旋外展中間件，外展部軸銷及卡簧和上大腿桿；

15、腰髖連接件下端通過曲屈部軸套與曲屈內(nèi)旋中間件相連；曲屈內(nèi)旋中間件上端通過曲屈部軸套與腰髖連接件相連，下端挖有槽，用于放置軸套和擰入螺釘?shù)膬?nèi)旋外展中間件上端，通過螺釘與內(nèi)旋部夾緊件固連變形實(shí)現(xiàn)軸套的夾緊；曲屈部軸套外圈與腰髖連接件以及曲屈內(nèi)旋中間件配合；曲屈部軸套蓋在腰髖連接件兩邊各裝有一個(gè)，通過螺釘與腰髖連接件相連；

16、內(nèi)旋部螺釘上端卡入曲屈內(nèi)旋中間件的槽中，下端擰入內(nèi)旋外展中間件上端；內(nèi)旋部軸套外與曲屈內(nèi)旋中間件的階梯孔配合，內(nèi)與內(nèi)旋外展中間件上端外徑配合；內(nèi)旋部夾緊件通過螺釘與曲屈內(nèi)旋中間件固連變形；內(nèi)旋外展中間件上端與軸套內(nèi)徑配合，下端通過銷軸與上大腿桿相連；外展部軸銷及卡簧連接內(nèi)旋外展中間件和上大腿桿。

17、進(jìn)一步的，腰部長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括腰部中間段、腰部長度調(diào)節(jié)滑塊、壓縮彈簧和長度調(diào)節(jié)按鈕；

18、使用長度調(diào)節(jié)按鈕和壓縮彈簧相結(jié)合的卡位方式進(jìn)行長度調(diào)節(jié)。

19、進(jìn)一步的，腿部結(jié)構(gòu)包括大腿機(jī)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、小腿機(jī)構(gòu)、足端穿戴部件；

20、大腿機(jī)構(gòu)設(shè)置于小腿機(jī)構(gòu)上方，小腿機(jī)構(gòu)設(shè)置于所述足端穿戴部件上方；通過膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和力矩傳感器實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈/伸；

21、大腿機(jī)構(gòu)包括上大腿桿，大腿固定綁縛機(jī)構(gòu)和下大腿桿；

22、小腿機(jī)構(gòu)包括上小腿桿，小腿固定綁縛機(jī)構(gòu)和下小腿桿。

23、進(jìn)一步的，下大腿桿的上部設(shè)有多個(gè)長度方向的圓孔，上大腿桿的下部設(shè)有彈性卡豆，通過卡豆與不同的圓孔連接實(shí)現(xiàn)大腿長度的可調(diào)；

24、下小腿桿的上部設(shè)有多個(gè)長度方向的圓孔，上小腿桿的下部設(shè)有彈性卡豆，通過卡豆與不同的圓孔連接實(shí)現(xiàn)小腿長度的可調(diào)；

25、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)固定端、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、力矩傳感器；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于電機(jī)固定端上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分連接力矩傳感器，電機(jī)固定端上端通過銷釘與下大腿桿連接，力矩傳感器與上小腿桿連接。

26、在膝關(guān)節(jié)電機(jī)固定端上下兩端各設(shè)有限位塊來維持大小腿之間45°至180°的彎曲調(diào)節(jié)范圍；通過使用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)小腿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)助力效果。

27、進(jìn)一步的，大腿綁件主體與大腿防護(hù)裝置之間采用磁吸卡扣連接，將大腿防護(hù)裝置固定在外骨骼上，通過大腿防護(hù)裝置綁縛大腿；

28、大腿防護(hù)裝置通過磁吸卡扣與下大腿桿結(jié)合，通過下大腿桿輔助支撐大腿防護(hù)裝置的重量；

29、小腿綁件主體與小腿防護(hù)裝置之間采用磁吸卡扣連接，將小腿防護(hù)裝置固定在外骨骼上，通過小腿防護(hù)裝置綁縛小腿；

30、小腿防護(hù)裝置通過磁吸卡扣與下小腿桿結(jié)合，通過下小腿桿輔助支撐小腿防護(hù)裝置的重量。

31、進(jìn)一步的，足端穿戴部件上安裝振動(dòng)傳感器，將足端振動(dòng)信息回傳至控制模塊，通過判斷步態(tài)進(jìn)而對(duì)膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

33、本發(fā)明的機(jī)甲外骨骼機(jī)構(gòu)，膝關(guān)節(jié)采用電機(jī)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，本發(fā)明在保證穿戴者負(fù)載能力的前提下，降低了下肢助力外骨骼機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易，可用于增強(qiáng)穿戴者運(yùn)動(dòng)機(jī)能、降低人體疲勞；

34、本發(fā)明的關(guān)節(jié)設(shè)置以人體工程為基礎(chǔ)，可跟隨/帶動(dòng)人體實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，腰髖部支架，大腿桿和小腿桿設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，使得外骨骼機(jī)構(gòu)更貼合人體腿部外側(cè)輪廓，同時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)與人體發(fā)生干涉；

35、本發(fā)明采用彈簧卡豆的方式對(duì)大小腿桿件長度進(jìn)行調(diào)整與固定，可實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)構(gòu)與不同身高穿戴者之間的匹配，按壓卡豆就能夠迅速調(diào)節(jié)，提高了穿戴的舒適性；

36、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者的負(fù)載進(jìn)行助力，協(xié)助士兵等需進(jìn)行負(fù)重行走的人員運(yùn)動(dòng)，降低人體疲勞，本發(fā)明運(yùn)用范圍廣泛，可適用于不同場(chǎng)合，具有廣闊前景。