气动人工肌肉外骨骼装置的制作方法

本实用新型涉及一种气动人工肌肉外骨骼装置，属于上肢外骨骼技术领域。

背景技术：

在工业、农业等许多领域，绝大多数工人或农民经常需要长时间处理大量的流水线或大面积的农作物，长时间的重复性动作和长时间的手臂高抬状态对工人与农民造成一定的伤害，在这种背景下，为了能够给手臂提供支撑以避免此类工作带来的病痛的外骨骼设备，增强放大人体的出力效果，上肢外骨骼助力装置的研究逐渐兴起，并具有越来越广泛的应用前景。

传统的上肢外骨骼助力装置采用的是与人类上肢运动相同结构的串联机构，导致肘部执行器的自重成为外骨骼负重的一部分，使得外骨骼助力装置的负载能力降低；另外，现有的外骨骼助力装置通过与人类的肩、大臂、肘、小臂和手等进行耦合来实现人体上肢的各种运动，包括伸、屈、外展、内收和回旋等，由于各部件往往存在刚度差，可会导致出现引起人体受伤的安全的问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决技术问题是：提供一种能够大幅度降低长时间举起重物及重复性动作对人类上肢肌肉与骨骼造成伤害的气动人工肌肉外骨骼装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是：一种气动人工肌肉外骨骼装置，包括背架和臂杆，所述臂杆上设有用于支撑手臂的臂垫；所述臂杆由相互固接的第一臂杆和第二臂杆构成，所述臂垫设置在第一臂杆上，所述背架的两侧分别设有一个拉力装置；所述拉力装置包括支撑杆和气动人工肌肉，所述第一臂杆和第二臂杆的连接处与支撑杆的顶部铰接，所述支撑杆的底部与背架铰接；所述气动人工肌肉的底部与支撑杆连接，所述气动人工肌肉与第二臂杆连接；两个拉力装置的气动人工肌肉之间通过导气管连通，所述导气管上设有进气阀和排气阀。优选的，所述支撑杆的长度可调，从而可以适用不同身高的穿戴者。

气动人工肌肉为现有技术，可由外部提供的压缩空气驱动作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动，它可以提供很大的力量，而重量却比较小。气动人工肌肉会在达到推拉极限时自动制动，不会突破预定的范围。

本实用新型在使用时，佩戴者将两个手臂固定到臂垫上，调整角度使两气动人工肌肉分别位于人体的两手臂后侧；然后使用打气筒或气泵将气动人工肌肉内部气压调至合适，气动人工肌肉产生的助力通过臂杆作用于人的手臂，通过可调支撑杆下部的球形关节将上肢负重转移至人体的髋部，使得人双臂和脊椎的负担大大降低，从而起到提供助力的效果；当佩戴者需要调整助力大小时，可以通过充气或排气调整气缸内部气压，从而改变助力的大小。

本实用新型通过气动人工肌肉对臂杆产生的力提供缓冲，冲击负载和负载过载具有较强的适应能力，使佩戴者有很好的体验感，具有安全系数高，减负效果好，助力支持大，人机融合，运动灵活方便等优点，尤其在长时间的举手抬臂工作的时候，如农业的修剪、采摘、套袋，工业的维修维护、流水线的搬运、建筑安装等些场景中有着明显的减负效果，可运用于流水线生产、水果采摘、水果套袋、修枝剪叶、室内装修、广告牌安装、飞机维修以及军事领域等。

上述技术方案的进一步改进是：所述背架上设有打气筒或电池供电的气泵，所述打气筒或气泵的出气口与所述进气阀连通。这样在使用过程中，可根据需要随时增加气动人工肌肉的气压或者通过排气阀减小气动人工肌肉的气压，从而调整助力大小。

上述技术方案的再进一步改进是：所述第二臂杆设有多个连接孔，所述气动人工肌肉的顶部设有与连接孔相匹配的挂钩。这样所述气动人工肌肉与第二臂杆连接时，可选择性在将挂钩挂在其中一个连接孔内，从而调整第一臂杆的角度。

优选的，所述第二臂杆与背架之间通过弹力绳连接。

优选的，所述背架上设有背部加强板。

优选的，所述第一臂杆与第二臂杆之间的夹角为15-40度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2是图1背面的示意图。

图3是拉力装置的示意图。

附图标记：臂垫1、第一臂杆2、第二臂杆3、挂钩4、气动人工肌肉5、支撑杆6、连接件7、球形关节8、打气筒9、导气管10、排气阀11、进气阀12、背部加强板13、背架14。

具体实施方式

本实施例的气动人工肌肉外骨骼装置，如图1-所示，包括背架14和臂杆，臂杆由相互固接的第一臂杆2和第二臂杆3构成，所述第一臂杆2上设有用于支撑手臂的臂垫1，所述背架14的两侧分别设有一个拉力装置。背架14设有肩带、腰带和搭扣（图中未示出）等必要的用于佩戴在人体上的佩戴构件，背架14在腰部位置固定安装有背部加强板13，用于增加背架的强度。臂垫1采用塑性材料，起到固定手臂的作用，使支撑力精准地作用在手臂上。

拉力装置包括支撑杆6和气动人工肌肉5，所述第一臂杆2和第二臂杆3的连接处与支撑杆6的顶部铰接，所述支撑杆6的底部与背架14铰接。为了实现穿戴者双手的全方向跟踪，铰接时可选用球形关节进行球铰，比如图1和图3中支撑杆6下部的球形关节8。优选的，所述支撑杆5的长度可调，从而可以适用不同身高的穿戴者。为了方便气动人工肌肉助力，所述第一臂杆与第二臂杆之间的夹角设置为15-40度，以30度左右更好。

所述气动人工肌肉5的底部与支撑杆6通过连接件7连接在一起，所述气动人工肌肉5与第二臂杆3连接，这样气动人工肌肉5就可以给第一臂杆2提供助力。本实施例中，两个拉力装置的气动人工肌肉之间通过导气管10连通，这样两个气动人工肌肉提供的助力会比较均衡。

另外，所述导气管10上设有进气阀12和排气阀11，可以通过进气阀12进气或排气阀11排气调整气动人工肌肉的气压，从而改变助力的大小。优选的，所述背架14上设有打气筒9，所述打气筒9的出气口与所述进气阀12连通。这样在使用过程中，可根据需要随时通过打气筒9增加气动人工肌肉5的气压或者通过排气阀减小气动人工肌肉的气压来调整助力；当然，打气筒9也可以替换为电池供电的气泵，这样甚至可通过遥控器来调整助力。

本实施例还可以作以下改进：

1）所述第二臂杆3与背架14之间通过弹力绳（图中未示出）连接。弹力绳不但可以保证设备闲置时外骨骼装置的结构不混乱，而且防止在使用过程中双手连接部分摆动幅度过大并方便穿戴者穿戴。

2）如图1和图3所示，所述第二臂杆3设有多个连接孔，所述气动人工肌肉5的顶部设有与连接孔相匹配的挂钩4；所述气动人工肌肉与第二臂杆连接时，将挂钩挂在一个连接孔内。这样所述气动人工肌肉与第二臂杆连接时，可选择性地将挂钩挂在一个连接孔内，从而调整第一臂杆的角度，改变助力的方向。

本实施例在使用时，佩戴者将两个手臂固定到臂垫1上，调整角度使两气动人工肌肉5分别位于人体的两手臂后侧；使用打气筒9将气动人工肌肉5内部气压调至合适值；气动人工肌肉5产生的助力通过第一臂杆2和第二臂杆3作用于人的手臂，通过支撑杆6下部的球形关节8将上肢负重转移至人体的髋部，使得人双臂和脊椎的负担大大降低，从而起到提供助力的效果。

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