一种纯被动式的负重外骨骼机器人及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种纯被动式的负重外骨骼机器人的设计方法，利用离合机构的设计完成了将负载传递至地面，可以有效减轻外加负载对于人体的影响，可应用于负重行军、消防救援等情景，具有较为广阔的应用前景。具有较为广阔的应用前景。具有较为广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种纯被动式的负重外骨骼机器人及其设计方法


[0001]本专利技术涉及一种可用于要求人体做长时间，长距离的负重移动，的外骨骼机器人，可应用于负重行军、消防救援等活动，避免因长时间的负重行走会导致人体更早出现疲劳现象。

技术介绍

[0002]在世界科技快速发展和国内老龄化愈发严重的背景下，科学家们提出了外骨骼的概念:用于辅助康复或为人提供额外的动力以增强身体机能的一种可穿戴装置，在军事领域，随着士兵所需装备更加完善，士兵的负重能力越来越成为一项重要指标，故此单兵负重外骨骼近年来一直是军事领域高端装备的研究热点，通过外骨骼机器人，士兵可以长距离长时间作战时保持体力，轻松完成搬运军事器材的任务，成倍增强士兵战斗力。目前很多国家都在研制军用外骨骼机器人，进而增加士兵的战斗力。
[0003]目前外骨骼机器人负重所采用的大多为电机驱动的方式，这一方式所需消耗的能量大，且由于电机功率较高，整体外骨骼机器人质量大。为了提高外骨骼机器人的灵活性，国内外针对被动式的外骨骼展开了广泛研究并已取得一定成果，但仍存在无法实现自然步态、减轻负重能力不足等诸多问题

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种纯被动式的负重外骨骼机器人及其设计方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0005]为实现本专利技术目的而采用的技术方案：一种纯被动式的负重外骨骼机器人及其设计方法，其特征在于，负重外骨骼机器人主要由背包、腿、离合机构以及脚后跟附件组成，所述负重外骨骼机器人的背包主要通过碳纤维背板、碳纤维底板以及尼龙绑带组成，通过尼龙绑带串联碳纤维背板，并连接至人体肩部与腰部。所述负重外骨骼背包的碳纤维底板，通过螺纹连接与碳纤维背板相连，用于承载重物。
[0006]所述负重外骨骼机器人的腿主要由碳纤维管组成，腿的长度主要由直径较小的碳纤维细管在直径较大的碳纤维粗管中相对位置的上下滑移改变来完成。
[0007]所述负重外骨骼机器人的背包与腿之间在垂直方向由万向联轴器和圆形凸杆构成，允许所述负重外骨骼机器人的背包的碳纤维背板的转动。
[0008]所述负重外骨骼机器人的腿与脚后跟附件连接通过碳纤维细管底部的双侧连接挡块来限制细管移动的范围。
[0009]所述负重外骨骼机器人在综合考虑人体步态行走的特点后，其设计的最大亮点在于：不同于以往地利用电机承载负载重量，所述负重外骨骼机器人采用纯被动的方法，整体设计上在一定程度上摆脱了对于人体步态的限制，利用一种离合机构用于将负载的重量传递至地面。所述离合机构位于负重外骨骼机器人腿结构的内部，由凸轮、推动杆、轨道管、碳纤维细管、限位杆、回复弹簧组成。所述负重外骨骼机器人的离合机构通过推动杆在轨道管
的移动，直到触碰到限位杆后，向单个凸轮传递顺时针方向的转动力矩，另一个凸轮传递逆时针方向的转动力矩，通过两侧凸轮与直径较大的碳纤维粗管接触产生挤压，通过挤压力产生较大的摩擦力，将负载的重量传递至所述负重外骨骼机器人的离合机构的推动杆，最后通过回复弹簧杆把负载传递至地面。
[0010]所述负重外骨骼机器人的脚后跟附件主要通过脚底连接侧板与尼龙绑带连接到使用者的脚背上，脚后跟附件通过脚后跟转动轴连接到外骨骼腿的下端，允许使用者自由地背屈或足底屈脚踝。
附图说明
[0011]图1为本专利技术的外观图。
[0012]图2为负重外骨骼机器人背包的结构图。
[0013]图3为离合机构的结构图。
[0014]图4为脚后跟附件的结构图。
[0015]图中各部件的附图标记如下：图 1：1.1、背包结构，1.2、腿结构，1.3、脚后跟附件图2：2.1、碳纤维底板，2.2、控制箱，2.3、尼龙绑带，2.4、碳纤维背板，2.5、圆形凸杆，2.6、万向联轴器，2.7、碳纤维粗管图3：3.1、推动杆，3.2、限位杆，3.3、凸轮，3.4、凸轮轴，3.5、轨道管，3.6、碳纤维细管。
[0016]图4：4.1、回复弹簧，4.2、回复弹簧杆1，4.3、脚后跟转动轴，4.4、脚底连接侧板。
实施方式
[0017]为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
[0018]参阅图1、图2，一种纯被动式的负重外骨骼机器人及其设计方法，其特征在于，负重外骨骼机器人主要由背包1.1、腿1.2、离合机构以及脚后跟附件1.3组成，所述负重外骨骼机器人的背包主要通过碳纤维背板2.1、碳纤维底板2.4以及尼龙绑带2.3组成，通过尼龙绑带2.3串联碳纤维背板2.1，并连接至人体肩部与腰部。所述负重外骨骼背包的碳纤维底板2.4，通过螺纹连接与碳纤维背板2.1相连，用于承载重物。
[0019]参阅图2，图3，所述负重外骨骼机器人的腿主要由碳纤维管组成，腿的长度主要由直径较小的碳纤维细管3.6在直径较大的碳纤维粗管2.7中相对位置的上下滑移改变来完成。
[0020]参阅图1，图2，所述负重外骨骼机器人的背包1.1与腿1.2之间在垂直方向由万向联轴器2.6和圆形凸杆2.5构成，允许所述负重外骨骼机器人的背包1.1的碳纤维背板2.4的转动。
[0021]参阅图1，图3，图4，所述负重外骨骼机器人的腿1.2与脚后跟附件1.3连接通过碳纤维细管3.6底部的双侧连接挡块4.5来限制细管移动的范围。
[0022]参阅图1，图2，图3，图4，所述负重外骨骼机器人在综合考虑人体步态行走的特点后，其设计的最大亮点在于：不同于以往地利用电机承载负载重量，所述负重外骨骼机器人
采用纯被动的方法，整体设计上在一定程度上摆脱了对于人体步态的限制，利用一种离合机构用于将负载的重量传递至地面。所述离合机构位于负重外骨骼机器人腿结构1.2的内部，由凸轮3.3、推动杆3.1、轨道管3.5、碳纤维细管3.6、限位杆3.2、回复弹簧4.1组成。所述负重外骨骼机器人的离合机构通过推动杆在轨道管3.2的移动，直到触碰到限位杆3.2后，向单个凸轮3.3传递顺时针方向的转动力矩，另一个凸轮3.3传递逆时针方向的转动力矩，通过两侧凸轮3.3与直径较大的碳纤维粗管2.7接触产生挤压，通过挤压力产生较大的摩擦力，将负载的重量传递至所述负重外骨骼机器人的离合机构的推动杆3.1，最后通过回复弹簧杆4.2把负载传递至地面。
[0023]参阅图1、图4，所述负重外骨骼机器人的脚后跟附件1.3主要通过脚底连接侧板4.4与尼龙绑带连接到使用者的脚背上。脚后跟附件1.3通过脚后跟转动轴4.3连接到外骨骼腿1.2的下端，允许使用者自由地背屈或足底屈脚踝。
[0024]尽管上面结合附图对本专利技术的优选实例进行了描述，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于上述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纯被动式的负重外骨骼机器人及其设计方法，其特征在于，负重外骨骼机器人主要由背包、腿、离合机构以及脚后跟附件组成。所述负重外骨骼机器人的背包主要通过碳纤维背板、碳纤维底板以及尼龙绑带组成，通过尼龙绑带串联碳纤维背板，并连接至人体肩部与腰部。所述负重外骨骼背包的碳纤维底板，通过螺纹连接与碳纤维背板相连，用于承载重物。2.所述负重外骨骼机器人的腿主要由碳纤维管组成，腿的长度主要由直径较小的碳纤维细管在直径较大的碳纤维粗管中相对位置的上下滑移改变来完成。3.所述负重外骨骼机器人的背包与腿之间在垂直方向由万向联轴器和圆形凸杆构成，允许所述负重外骨骼机器人的背包的碳纤维背板的转动。4.所述负重外骨骼机器人的腿与脚后跟附件连接通过碳纤维细管底部的双侧连接挡块来限制细管移动的范围。5.所述负重外骨骼机器人在综合考虑人体步态行走的特点后，其设计的最大亮点在于：不同...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋智斌，詹毓靖，张文杰，侯振民，赵竞夫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：