[實用新型]一種氣動肌肉驅動的外骨骼助力機構

有效

• 申請號: 201420871998.8
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN204450526U
• 公開（公告）日: 2015-07-08
• 發明（設計）人: 劉昊;李超;趙勇;李智壽;姚旭平;韓思敏
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

技術領域

本實用新型涉及一種肌肉助力機構，尤其是涉及了一種氣動肌肉驅動的外骨骼助力機構，采用仿生結構的人體助力裝置，用于軍事行動和災難救援、救護等人的力量不足以支持所需負荷的場合。

背景技術

外骨骼技術是一種可穿戴式機器人技術，模仿生物界的外骨骼開發的一種新型機電一體化裝置，可穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供了諸如保護、身體支撐、運動輔助等功能。

外骨骼的驅動大多數采用電機或液壓方式完成，只有少數采用氣壓方式驅動，且主要見于醫療康復治療等輕載應用場合。電機驅動的不足之處在于功率/質量比較小，有限重量的電機難以承擔較大負荷。液壓驅動的缺點，主要在于泄漏問題、系統工作效率較低及系統成本高。氣壓驅動方式，雖然具有工作介質對環境和人體友好，元器件重量輕、價格便宜等優點，但由于常規的氣缸執行器與液壓缸相比功率/體積質量比遠遠不如，無法滿足有較大負荷要求但安裝空間有限、對輕便性要求較高的外骨骼助力系統的需要，沒能得到廣泛應用。

但隨著近年來新型氣動元件--氣動肌肉（Pneumatic?Muscle?Actuator，PMA）的出現，因其優良的功率/體積比和功率/質量比，使氣壓驅動在外骨骼助力系統中逐步替代液壓驅動成為了可能。

實用新型內容

本實用新型的目的是提供了一種氣動肌肉驅動的外骨骼助力機構，采用仿生結構的人體助力裝置，可提升穿戴人員的機能力量，完成重物托舉及搬運，可用于軍事行動和災難救援、救護等人的力量不足以支持所需負荷的場合。

本實用新型采用的技術方案如下：

本實用新型包括背部支架、肩關節部件、上臂部件、肘關節部件、小臂部件、髖關節部件、大腿部件、膝關節部件、小腿部件、踝關節部件和壓力鞋部件；背部支架上部的兩側均連接有結構相同的單臂構件，每個單臂構件包括依次連接的肩關節部件、上臂部件、肘關節部件和小臂部件，肩關節部件具有三個轉動自由度，肘關節部件具有一個轉動自由度，一個單臂構件具有四個轉動自由度；背部支架下部的兩側均連接有結構相同的單腿構件，每個單腿構件包括髖關節部件、大腿部件、膝關節部件、小腿部件、踝關節部件和壓力鞋部件，髖關節部件具有三個轉動自由度，膝關節部件具有一個轉動自由度，踝關節部件具有一個轉動自由度，一個單腿構件具有五個自由度；所述的外骨骼助力機構總共有18個自由度。

所述的背部支架包括兩根肩寬可調板、支撐桿和剛性腰帶；兩根肩寬可調板為均呈L形彎折的肩寬第一可調板和肩寬第二可調板，肩寬第一可調板和肩寬第二可調板的長邊之間通過鍵和鍵槽相嵌連接，并通過螺栓定位；肩寬第一可調板和肩寬第二可調板的長邊底部通過支撐桿與下方的剛性腰帶固定連接。

所述的肩關節部件包括肩關節軸、肩關節第一連接板、肩關節第一轉軸、肩關節第二連接板、肩關節第二轉軸、肩關節角位移傳感器安裝板、肩關節角位移傳感器、肩關節關節軸承和肩關節氣動肌肉；肩關節第一連接板的一端與所述背部支架的肩寬可調板的短邊通過肩關節第一轉軸鉸接，形成肩關節的旋內旋外轉動副；肩關節第一連接板的另一端與肩關節第二連接板的頂部通過肩關節第二轉軸鉸接，形成肩關節的內收外展轉動副；肩關節第二連接板的中部與所述上臂部件的上臂頂桿通過肩關節軸鉸接，形成肩關節的屈伸轉動副；肩關節氣動肌肉底端通過肩關節關節軸承鉸接在肩關節第二連接板底端，肩關節氣動肌肉頂端通過鋼絲繩纏繞到肩關節軸周面，為肩關節屈伸自由度提供驅動力；用于檢測肩關節轉動角度的肩關節角位移傳感器通過肩關節角位移傳感器安裝板安裝在肩關節軸上。

所述的上臂部件包括上臂頂桿、上臂底桿、上臂托板、肘關節關節軸承和肘關節氣動肌肉；上臂底桿安裝在上臂頂桿底部，上臂頂桿下部與上臂底桿上部之間通過豎直方向的導軌槽和凸起導軌相嵌連接，并通過螺栓定位；肘關節氣動肌肉頂端通過肘關節關節軸承鉸接在上臂頂桿的頂端，肘關節氣動肌肉底端通過鋼絲繩纏繞到肘關節軸的周面，為肘關節屈伸自由度提供驅動；上臂頂桿側面固定連接有用于承托人體上臂的上臂托板，上臂托板上安裝有用于測量上臂部件與人體上臂之間壓力的薄膜壓力傳感器；

所述的肘關節部件包括肘關節軸、肘關節角位移傳感器安裝板和肘關節角位移傳感器；所述上臂部件的上臂底桿底端與小臂桿后端之間通過肘關節軸鉸接，形成肘關節的屈伸轉動副；用于檢測肘關節軸轉動角度的肘關節角位移傳感器通過肘關節角位移傳感器安裝板安裝在肘關節軸上；

所述的小臂部件包括小臂桿和固定連接在小臂桿側面的小臂托板；小臂桿前端設有用于手握的握桿，小臂托板上安裝有用于測量小臂部件與人體小臂之間壓力的薄膜壓力傳感器。