[实用新型]一种气动肌肉驱动的外骨骼助力机构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种肌肉助力机构，尤其是涉及了一种气动肌肉驱动的外骨骼助力机构，采用仿生结构的人体助力装置，用于军事行动和灾难救援、救护等人的力量不足以支持所需负荷的场合。

背景技术

外骨骼技术是一种可穿戴式机器人技术，模仿生物界的外骨骼开发的一种新型机电一体化装置，可穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑、运动辅助等功能。

外骨骼的驱动大多数采用电机或液压方式完成，只有少数采用气压方式驱动，且主要见于医疗康复治疗等轻载应用场合。电机驱动的不足之处在于功率/质量比较小，有限重量的电机难以承担较大负荷。液压驱动的缺点，主要在于泄漏问题、系统工作效率较低及系统成本高。气压驱动方式，虽然具有工作介质对环境和人体友好，元器件重量轻、价格便宜等优点，但由于常规的气缸执行器与液压缸相比功率/体积质量比远远不如，无法满足有较大负荷要求但安装空间有限、对轻便性要求较高的外骨骼助力系统的需要，没能得到广泛应用。

但随着近年来新型气动元件--气动肌肉（Pneumatic Muscle Actuator，PMA）的出现，因其优良的功率/体积比和功率/质量比，使气压驱动在外骨骼助力系统中逐步替代液压驱动成为了可能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供了一种气动肌肉驱动的外骨骼助力机构，采用仿生结构的人体助力装置，可提升穿戴人员的机能力量，完成重物托举及搬运，可用于军事行动和灾难救援、救护等人的力量不足以支持所需负荷的场合。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型包括背部支架、肩关节部件、上臂部件、肘关节部件、小臂部件、髋关节部件、大腿部件、膝关节部件、小腿部件、踝关节部件和压力鞋部件；背部支架上部的两侧均连接有结构相同的单臂构件，每个单臂构件包括依次连接的肩关节部件、上臂部件、肘关节部件和小臂部件，肩关节部件具有三个转动自由度，肘关节部件具有一个转动自由度，一个单臂构件具有四个转动自由度；背部支架下部的两侧均连接有结构相同的单腿构件，每个单腿构件包括髋关节部件、大腿部件、膝关节部件、小腿部件、踝关节部件和压力鞋部件，髋关节部件具有三个转动自由度，膝关节部件具有一个转动自由度，踝关节部件具有一个转动自由度，一个单腿构件具有五个自由度；所述的外骨骼助力机构总共有18个自由度。

所述的背部支架包括两根肩宽可调板、支撑杆和刚性腰带；两根肩宽可调板为均呈L形弯折的肩宽第一可调板和肩宽第二可调板，肩宽第一可调板和肩宽第二可调板的长边之间通过键和键槽相嵌连接，并通过螺栓定位；肩宽第一可调板和肩宽第二可调板的长边底部通过支撑杆与下方的刚性腰带固定连接。

所述的肩关节部件包括肩关节轴、肩关节第一连接板、肩关节第一转轴、肩关节第二连接板、肩关节第二转轴、肩关节角位移传感器安装板、肩关节角位移传感器、肩关节关节轴承和肩关节气动肌肉；肩关节第一连接板的一端与所述背部支架的肩宽可调板的短边通过肩关节第一转轴铰接，形成肩关节的旋内旋外转动副；肩关节第一连接板的另一端与肩关节第二连接板的顶部通过肩关节第二转轴铰接，形成肩关节的内收外展转动副；肩关节第二连接板的中部与所述上臂部件的上臂顶杆通过肩关节轴铰接，形成肩关节的屈伸转动副；肩关节气动肌肉底端通过肩关节关节轴承铰接在肩关节第二连接板底端，肩关节气动肌肉顶端通过钢丝绳缠绕到肩关节轴周面，为肩关节屈伸自由度提供驱动力；用于检测肩关节转动角度的肩关节角位移传感器通过肩关节角位移传感器安装板安装在肩关节轴上。

所述的上臂部件包括上臂顶杆、上臂底杆、上臂托板、肘关节关节轴承和肘关节气动肌肉；上臂底杆安装在上臂顶杆底部，上臂顶杆下部与上臂底杆上部之间通过竖直方向的导轨槽和凸起导轨相嵌连接，并通过螺栓定位；肘关节气动肌肉顶端通过肘关节关节轴承铰接在上臂顶杆的顶端，肘关节气动肌肉底端通过钢丝绳缠绕到肘关节轴的周面，为肘关节屈伸自由度提供驱动；上臂顶杆侧面固定连接有用于承托人体上臂的上臂托板，上臂托板上安装有用于测量上臂部件与人体上臂之间压力的薄膜压力传感器；

所述的肘关节部件包括肘关节轴、肘关节角位移传感器安装板和肘关节角位移传感器；所述上臂部件的上臂底杆底端与小臂杆后端之间通过肘关节轴铰接，形成肘关节的屈伸转动副；用于检测肘关节轴转动角度的肘关节角位移传感器通过肘关节角位移传感器安装板安装在肘关节轴上；

所述的小臂部件包括小臂杆和固定连接在小臂杆侧面的小臂托板；小臂杆前端设有用于手握的握杆，小臂托板上安装有用于测量小臂部件与人体小臂之间压力的薄膜压力传感器。