本發(fā)明涉及助力裝置領(lǐng)域，具體是一種外骨骼助力與搬運(yùn)雙功能裝置。

背景技術(shù)：

當(dāng)前電子商務(wù)行業(yè)蓬勃發(fā)展，對(duì)物流行業(yè)的要求日趨增大，物流公司壓力劇增，物流工作人員的日常工作量大，工作人員在分揀線上分揀快件過(guò)程中，需要機(jī)械往復(fù)地在傳送帶間搬運(yùn)貨物。由于其巨大的工作量使得工作人員產(chǎn)生消極的情緒，常會(huì)發(fā)生在傳送帶間搬運(yùn)貨物的時(shí)候，出現(xiàn)亂丟亂扔等不文明現(xiàn)行，導(dǎo)致貨物損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種外骨骼助力與搬運(yùn)雙功能裝置。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種外骨骼助力與搬運(yùn)雙功能裝置，包括支座，在支座兩端分別連接腿部機(jī)構(gòu)；各腿部機(jī)構(gòu)包括與支座活動(dòng)連接的大腿支撐部、與大腿支撐部下端連接的小腿支撐部以及設(shè)置在小腿支撐部下端的腳部支撐機(jī)構(gòu)；各大腿支撐部后方鉸接有支撐桿，支撐桿另一端連接設(shè)于小腿支撐部后方的滑動(dòng)部件，在小腿支撐部長(zhǎng)方向上設(shè)置有滑槽，滑動(dòng)部件能夠在滑槽內(nèi)上下滑動(dòng)；滑動(dòng)部件連接一彈性拉伸部件，彈性拉伸部件另一端鉸接于小腿支撐部；其中一個(gè)大腿支撐部上設(shè)置能夠打開(kāi)和閉合的平行四連桿機(jī)構(gòu)，平行四連桿機(jī)構(gòu)上設(shè)置驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

其中，設(shè)置有平行四連桿機(jī)構(gòu)的大腿支撐部上端通過(guò)一可調(diào)節(jié)的彎折部件與支座連接，該彎折部件包括與支座連接的上螺桿、與平行四連桿機(jī)構(gòu)連接的下螺桿，上螺桿與下螺桿同軸設(shè)置并鉸接，還包括旋裝在上螺桿或下螺桿上的調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母位于上螺桿和下螺桿的連接處時(shí)，上螺桿和下螺桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被限制。

其中，上螺桿設(shè)置連接槽，下螺桿設(shè)置連接端，連接端插入連接槽內(nèi)后，通過(guò)銷軸將連接端限制在連接槽內(nèi)，使得下螺桿能夠繞銷軸相互對(duì)于上螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)調(diào)節(jié)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)到下螺桿的連接端處時(shí)，上螺桿和下螺桿被固定，不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

其中，平行四連桿機(jī)構(gòu)包括一組下連桿，兩個(gè)下連桿一端分別與下螺桿連接，各下連桿另一端分別連接平行設(shè)置的兩根中部連桿，中部連桿上端分別設(shè)置上連桿，上連桿另一端與小腿支撐部連接，在上連桿與下連桿之間均設(shè)置有固定連桿，而中部連桿之間設(shè)置有拉伸彈簧。

其中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在其中一個(gè)下連桿上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在與該下連桿相鄰的中部連桿上設(shè)置有從動(dòng)齒輪，該從動(dòng)齒輪固定安裝在中部連桿上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸連接蝸輪蝸桿減速器，該減速器輸出軸上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪的驅(qū)動(dòng)齒輪。

其中，在一個(gè)中部連桿與上連桿之間設(shè)置可拆卸的固定板，固定板安裝后，平行四連桿機(jī)構(gòu)閉合，拆卸固定板后，平行四連桿機(jī)構(gòu)可打開(kāi)。

其中，滑動(dòng)部件為卡裝在滑槽內(nèi)的一根銷軸；滑槽沿小腿支撐部向上端延伸后，再向內(nèi)側(cè)延伸，形成橫向的槽，該橫向槽端部設(shè)置卡口，該卡口用于容納與彈性拉伸部件另一端連接的銷軸。

其中，支座內(nèi)圈設(shè)置有腰帶，大腿支撐部與小腿支撐部?jī)?nèi)側(cè)分別設(shè)置有綁腿帶。

其中，在支座上還設(shè)置有一組夾具，夾具用于將支座固定在工作位置。

其中，彈性拉伸部件為拉伸彈簧。

有益效果：本發(fā)明的一種外骨骼助力與搬運(yùn)雙功能裝置，具有以下有益效果：

使用外骨骼助力功能時(shí)，將裝置穿戴于身上，利用支撐桿和滑動(dòng)部件組成的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)彈簧的拉伸，在工作人員下蹲時(shí)，彈簧被拉伸儲(chǔ)存能量。在工作人員站起時(shí)，釋放能量，提供助力。搬運(yùn)功能利用平面連桿機(jī)構(gòu)上固定的彈簧抵消載物過(guò)程中部分力矩，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)控制連桿機(jī)構(gòu)的角度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的側(cè)視圖；

圖3為外骨骼助力模式結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為小腿支撐件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為小腿支撐件后視示意圖；

圖6為搬運(yùn)模式狀態(tài)示意圖；

圖7為圖6的側(cè)視圖；

圖8為平行四連桿結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為圖8的側(cè)視圖；

圖10為彎折部件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1和圖2所示，一種外骨骼助力與搬運(yùn)雙功能裝置，包括支座1，支座1內(nèi)圈設(shè)置有腰帶2；在支座1兩端分別連接腿部機(jī)構(gòu)；各腿部機(jī)構(gòu)包括與支座1活動(dòng)連接的大腿支撐部3、與大腿支撐部3下端連接的小腿支撐部4以及設(shè)置在小腿支撐部4下端的腳部支撐機(jī)構(gòu)5，大腿支撐部3與小腿支撐部4內(nèi)側(cè)分別設(shè)置有綁腿帶7。各大腿支撐部3后方鉸接有支撐桿8，支撐桿8另一端連接設(shè)置于小腿支撐部4后方的滑動(dòng)部件9，在小腿支撐部4長(zhǎng)方向上設(shè)置有滑槽10，滑動(dòng)部件9能夠在滑槽10內(nèi)上下滑動(dòng)；滑動(dòng)部件9連接一彈性拉伸部件11，彈性拉伸部件11另一端鉸接于小腿支撐部4；彈性拉伸部件11可以為拉伸彈簧。其中一個(gè)大腿支撐部3上設(shè)置能夠打開(kāi)和閉合的平行四連桿機(jī)構(gòu)31，平行四連桿機(jī)構(gòu)31上設(shè)置驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。具體地，如圖1-圖5所示，滑動(dòng)部件9為卡裝在滑槽10內(nèi)的一根銷軸；滑槽10沿小腿支撐部4向上端延伸后，再向內(nèi)側(cè)延伸，形成橫向的槽，該橫向槽端部設(shè)置卡口12，該卡口12用于容納與彈性拉伸部件11另一端連接的銷軸13。在支座1上還設(shè)置有一組夾具14，夾具用于將支座1固定在工作位置。具體可采用工字夾。本發(fā)明的大腿支撐部3和小腿支撐部4可采用槽鋼制成，槽鋼的開(kāi)口朝后，拉伸彈簧位于槽鋼內(nèi)部，其端部連接的銷軸13兩端卡在槽鋼上的滑槽10內(nèi)。正常狀態(tài)時(shí)，支撐桿8位于槽鋼的槽內(nèi)。

如圖-和圖2所示，設(shè)置有平行四連桿機(jī)構(gòu)31的大腿支撐部3上端通過(guò)一可調(diào)節(jié)的彎折部件15與支座1連接，該彎折部件15包括與支座1連接的上螺桿151、與平行四連桿機(jī)構(gòu)31連接的下螺桿152，上螺桿151與下螺桿152同軸設(shè)置并鉸接，還包括旋裝在上螺桿151或下螺桿152上的調(diào)節(jié)螺母153，調(diào)節(jié)螺母153位于上螺桿151和下螺桿152的連接處時(shí)，上螺桿151和下螺桿152的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被限制。

具體地，如圖10所示，上螺桿151設(shè)置連接槽，下螺桿152設(shè)置連接端，連接端插入連接槽內(nèi)后，通過(guò)銷軸13將連接端限制在連接槽內(nèi)，使得下螺桿152能夠繞銷軸13相互對(duì)于上螺桿151轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)調(diào)節(jié)螺母153轉(zhuǎn)動(dòng)到下螺桿152的連接端處時(shí)，上螺桿151和下螺桿152被固定，不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

如圖8-圖9所示，平行四連桿機(jī)構(gòu)31包括一組下連桿311，兩個(gè)下連桿311一端分別與下螺桿152連接，各下連桿311另一端分別連接平行設(shè)置的兩根中部連桿312，中部連桿312上端分別設(shè)置上連桿313，上連桿313另一端與小腿支撐部4連接，在上連桿313與下連桿311之間均設(shè)置有固定連桿314，而中部連桿312之間設(shè)置有拉伸彈簧315。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在其中一個(gè)下連桿311上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)316，在與該下連桿311相鄰的中部連桿312上設(shè)置有從動(dòng)齒輪317，該從動(dòng)齒輪317固定安裝在中部連桿312上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)316輸出軸連接蝸輪蝸桿減速器318，該減速器輸出軸上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒輪317的驅(qū)動(dòng)齒輪319。在一個(gè)中部連桿312與上連桿313之間設(shè)置可拆卸的固定板320，固定板320安裝后，平行四連桿機(jī)構(gòu)31閉合，拆卸固定板320后，平行四連桿機(jī)構(gòu)31可打開(kāi)。

在具體應(yīng)用時(shí)，本發(fā)明具有兩種工作模式。下面結(jié)合附圖，分別針對(duì)這兩種狀態(tài)作具體說(shuō)明。

首先是外骨骼助力模式，如圖3所示，這種模式下，用戶將腰帶2綁在腰上，支座1即被同時(shí)固定在腰部。此時(shí)，通過(guò)綁腿帶7將用戶的大腿與大腿支撐部3綁定，小腿與小腿支撐部4綁定，用戶的腳踩在腳部支撐機(jī)構(gòu)5上。當(dāng)用戶下蹲時(shí)，大腿支撐部3后方鉸接的支撐桿8下端在小腿支撐桿8的滑槽10內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，拉伸彈簧被拉伸蓄力，當(dāng)支撐桿8下端被滑槽10下端接觸后，用戶則不能繼續(xù)下蹲。當(dāng)用戶搬起重物要站起時(shí)，由于拉伸彈簧積蓄了拉力，并將拉力施加給支撐桿8，支撐桿8上端向大腿支撐部3施加推力，便能夠在用戶站起的時(shí)候更加省力。由此，能夠保證用戶在多次蹲下和站起后，不用耗費(fèi)太多體力。

具體地，外骨骼助力模式采用下肢外側(cè)固定的形式，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)gb/t10000—1998，選取(18-66歲)人群中第50百分位人體數(shù)據(jù)為參考依據(jù)，得到如下數(shù)據(jù)：小腿支撐部4長(zhǎng)度為422mm，腳部機(jī)構(gòu)的高度為81mm，大腿支撐部3的長(zhǎng)度為424mm，根據(jù)人體下蹲時(shí)的參考數(shù)據(jù)與實(shí)際模擬，設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角100°，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角120°，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角85°。

作為一種具體的實(shí)施方式，支撐桿8為圓形桿，其長(zhǎng)為240mm，支撐桿8與大腿支撐部3連接處轉(zhuǎn)動(dòng)副至膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副120mm，此時(shí)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)大腿支撐部3與小腿支撐部4成0°角時(shí)，滑動(dòng)部件9至膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副距離為120mm，除去滑槽10與支撐桿8的偏移量32.5mm，則此時(shí)滑塊距膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副豎直方向?qū)嶋H距離為：

當(dāng)膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)120°，即大腿支撐部3與小腿支撐部4成60°時(shí)，對(duì)于滑動(dòng)部件9至膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副距離l2有：

cos60°＝(120²+1²-240²)÷2×120×l2

解得：l2＝276.3mm。

除去滑槽10與支撐桿8的偏移量32.5mm，此時(shí)滑動(dòng)部件9距膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副豎直方向?qū)嶋H距離為：

可以確定整個(gè)行程中，滑動(dòng)部件9在滑槽10中滑動(dòng)的直線距離為：

l4＝274.4mm-115.5mm＝158.9mm

彈簧的另一端固定點(diǎn)距膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副60mm，則在全行程下，彈簧的拉伸量：

初始長(zhǎng)度為64.3mm，考慮到彈簧拉伸極限與剛度，將初始長(zhǎng)度定為100mm，線徑1.2mm，外徑10mm，每根彈簧能夠提供3.8kg的拉力，在每條腿部對(duì)稱裝配2根，提供助力。

由于各個(gè)桿件的布置因素與功能需要，小腿支撐部4的滑槽10的偏移部分在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與大腿支撐部3干涉，為此在小腿支撐部4的滑槽10頂端開(kāi)設(shè)一橫向的槽，槽的端部設(shè)置一卡口12，該卡口12用于容納與彈性拉伸部件11另一端連接的銷軸13。

支座1的尺寸主要根據(jù)第50百分位人體數(shù)據(jù)中的腰圍數(shù)據(jù)確定，采用不銹鋼薄鋼管與90°管接頭焊接成u形桿件。根據(jù)腰胯寬度，桿件較長(zhǎng)邊長(zhǎng)度為380mm，兩側(cè)較短邊長(zhǎng)度為130mm。

通過(guò)布制的腰帶2將支座1與人身體相對(duì)固定，并通過(guò)綁腿帶7分別將大腿支撐部3和小腿支撐部4與人的大腿和小腿綁定，增強(qiáng)穿戴的舒適性。由于支座1與大腿支撐部3的銜接有轉(zhuǎn)向動(dòng)作，因此選擇鋁塊加工兩個(gè)滿足相對(duì)尺寸的相互垂直的圓形通孔，在通孔中裝配軸承。

腳部支撐機(jī)構(gòu)5與地面接觸，設(shè)計(jì)要求上該機(jī)構(gòu)將外骨骼助力裝置本身質(zhì)量傳到至地面，不對(duì)人造成負(fù)擔(dān)，因此需要較大的支承面。為減輕質(zhì)量，選擇厚度為3mm的鋁板為制作材料。利用角鋁與螺栓連接銜接至小腿支撐部4。此外，腳部支撐機(jī)構(gòu)5的平板面在搬運(yùn)功能時(shí)，作為載物臺(tái)。

其次是搬運(yùn)模式。如圖6所示，使用這種模式時(shí)，將整體倒置，使得支座1朝下，放在桌子等支撐物上，并通過(guò)工字夾夾住支撐物的邊緣，將支座1固定。然后，將其中沒(méi)有設(shè)置平行四連桿機(jī)構(gòu)31的大腿支撐部3擺放成水平狀，將與該大腿支撐部3連接的小腿支撐部4向地面彎折，彎折之前，將卡口12內(nèi)的銷軸13拆下，也即拆下拉伸彈簧，使其不向小腿支撐部4施力。由于在設(shè)置有平行四連桿機(jī)構(gòu)31的大腿支撐部3與支座1之間通過(guò)一彎折部件15連接，當(dāng)切換到搬運(yùn)模式時(shí)，需要固定彎折部件15，使其不能彎折，此時(shí)需將調(diào)節(jié)螺母153擰到如圖所示的部位，即上螺桿151與下螺桿152連接處。然后，拆下固定板320，打開(kāi)平行四連桿機(jī)構(gòu)31，將與平行四連桿機(jī)構(gòu)31連接的小腿支撐部4放至水平，同樣地，將該小腿支撐部4卡口12內(nèi)的銷軸13拆下，也即拆下拉伸彈簧，使其不向小腿支撐部4施力，此時(shí)，可將腳部支撐機(jī)構(gòu)5作為搬運(yùn)物品的載物臺(tái)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)316的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)平行四連桿機(jī)構(gòu)31向前后方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，接近運(yùn)送物品的履帶，通過(guò)履帶的運(yùn)動(dòng)，物品即可運(yùn)動(dòng)到腳部支撐機(jī)構(gòu)5上，此時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)316反向轉(zhuǎn)動(dòng)，平行四連桿機(jī)構(gòu)31在電機(jī)和拉伸彈簧的作用下，向復(fù)位方向運(yùn)動(dòng)。然后可手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平行四連桿機(jī)構(gòu)31，使腳步支撐機(jī)構(gòu)在水平向轉(zhuǎn)動(dòng)到其他位置，卸下貨物，然后重復(fù)上述過(guò)程。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)316連接控制器，該控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)316的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)機(jī)，在不同場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，針對(duì)需求設(shè)定。

作為一種具體方案，在外骨骼助力模式下各個(gè)部位尺寸的基礎(chǔ)上，平行四連桿機(jī)構(gòu)31的兩根下連桿311分別為87mm(下連桿311采用u型槽鋼制成)，需承受較大的力，因此在設(shè)計(jì)上，當(dāng)平行四連桿機(jī)構(gòu)31完全展開(kāi)時(shí)，下連桿311的下端與下螺桿152接觸，形成干涉，對(duì)下連桿311展開(kāi)角進(jìn)行定位，并限制下連桿311的轉(zhuǎn)動(dòng)。在下連桿311的張角進(jìn)行定位后，利用下連桿311和上連桿313上加工的孔，上下對(duì)應(yīng)各安裝一固定連桿314，用螺栓緊固，則上連桿313、下連桿311分別形成三角形結(jié)構(gòu)。由平面連桿機(jī)構(gòu)改裝而成的平行四連桿機(jī)構(gòu)31僅剩一個(gè)自由度，兩根250mm長(zhǎng)的中部連桿312的轉(zhuǎn)動(dòng)，此自由度由驅(qū)動(dòng)電機(jī)316上自帶的蝸輪蝸桿減速器318自鎖功能來(lái)進(jìn)行限制。

在平行四連桿機(jī)構(gòu)31運(yùn)動(dòng)時(shí)，平行四邊形變形，使拉伸彈簧變形，不斷增長(zhǎng)，產(chǎn)生拉力。在平行四連桿機(jī)構(gòu)31張開(kāi)且保持豎直狀態(tài)時(shí)，固定彈簧兩端的距離：

理論上，平行四連桿機(jī)構(gòu)31可轉(zhuǎn)過(guò)90度，理論極限位置上，固定拉伸彈簧兩端的距離：

所以拉伸彈簧的伸長(zhǎng)量：

δl2＝304.2mm-249.8mm＝54.4mm

彈簧原長(zhǎng)249.8mm，根據(jù)實(shí)際安裝情況，取原長(zhǎng)240mm。

在計(jì)入裝置自重下，擬載重10kg，在極限位置下，產(chǎn)生的最大扭矩

t＝10×9.8×0.8＝78.4n·m

正常運(yùn)動(dòng)情況下，產(chǎn)生的扭矩在60n·m以下。為減輕驅(qū)動(dòng)電機(jī)316負(fù)載，需選擇較大剛度的拉伸彈簧，綜合選擇線徑2.0mm，外徑18mm。能夠產(chǎn)生160n的拉力。在此彈簧配重下，在平行四連桿機(jī)構(gòu)31轉(zhuǎn)過(guò)45°時(shí)，實(shí)際上能夠平衡大約5kg重物。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。