[发明专利]一种三级弹性连接悬挂装置

说明书

本发明属于机械结构设计领域，具体涉及一种三级弹性连接悬挂装置，包括第一级悬挂装置、第二级悬挂装置、第三级悬挂装置；其中，第一级悬挂装置、第二级悬挂装置、第三级悬挂装置之间采用可拆解的顺序连接。本发明通过这种在助力型外骨骼的左、右髋部结构和防护服之间设置三级悬挂装置的结构连接方式，可以实现防护服相对于外骨骼的旋转自由度、垂向位移自由度、水平面内的旋转自由度、额状面内的侧向滚动自由度、横向位移自由度等运动。

技术领域

本发明属于机械结构设计领域，具体涉及一种三级弹性连接悬挂装置，尤其涉及一种装配于助力型外骨骼上躯干防护服和外骨骼左、右髋部结构相连接的三级弹性连接悬挂装置。

背景技术

随着我国核工业领域的科学技术的飞速发展和战略战备的迫切需求，核工业领域已经应用了众多的新技术和新设备，其中关于人员在强辐射环境工况下作业的辐射防护是保障核工业领域持续可靠发展的关键技术和重中之重。对应不同射线而制造的屏蔽中子、γ、X射线的防护服已经开始在该领域投入实际工程应用。

但是，由于辐射屏蔽材料的硬质特性和屏蔽各种射线的材料需求导致的防护服的重量也日益增加，甚至可能达到50kg以上。人体在该重量载荷下很难坚持长时间的工作，很难做出各种复杂和精确的生产动作。近年来机器人领域的一个研究热点为助力型外骨骼，其特征为通过模拟人体肌肉、骨骼、关节系统为人体装备与之匹配的外骨骼系统结构，使负重通过外骨骼传递至鞋体直至地面，以提高人体运动时的负重能力，增强人体负重运动的持续能力，并将二者融合为完整的人—机耦合系统，使外骨骼机械结构具备：重载、承载效率高、能效比高、满足度高、人机运动协调等功能要求。

因此，将防护服和外骨骼进行必要的集成应用将可解决核工业领域中防护服重量与人体负重工作和运动能力有限相矛盾的技术难题。

对于助力型外骨骼系统而言，其主要功能在于代替人体承受垂向载荷，因此外骨骼和人体之间必须通过连接装置连接在一起。当人机携行行走时，在人体行走的支撑相和摆动相的周期运动中，人机质心曲线呈现为上下起伏的正弦或余弦运动特征，在上升沿或下降沿的阶段，防护服的重量都会由于加速度的存在而引起动载荷，并随人机质心运动曲线反复作用于外骨骼，即防护服的重量会持续对外骨骼产生冲击动载荷。

同时，该动载荷将对外骨骼结构和动力系统产生周期性的振动冲击，由于人体与外骨骼紧密结合，该冲击可能会对人体产生不舒适感，导致人体很难对人机质心进行有效的控制。并且，随着行走速度的增加，步频的加快和步幅的增大，此动载荷作用周期的频率也会增加，幅值会变大，可能严重影响人机运动的协调性。

目前，将核工业的防护服和外骨骼结合处于研究、试制和和试验阶段，没有成熟的技术参考，但是在外骨骼下肢承载机构的设计和强度、刚度分析的基础上，研制防护服和外骨骼左右髋部之间的悬挂结构，有助于实现人体直立、静态条件下的承载，以及诸如行走等运动姿态的承载和人机之间的协调运动。

本发明提出一种装配于助力型外骨骼的上躯干防护服和外骨骼左、右髋部结构相连接的三级弹性连接悬挂装置，在防护服背板和外骨骼左、右髋部结构之间设置水平平衡臂、单箱阻尼器作为第一级连接装置，且与左、右髋部结构共用一根中心铰轴，在水平平衡臂纸上设置摇臂总成作为第二级连接装置，通过吊杆和L型连接杆与摇臂的四边形机构，实现第三极连接装置。通过三级连接装置以及橡胶弹簧和阻尼器的拉伸作用，可以增强防护服之于外骨骼结构的稳定性，有效降低防护服重量在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，以及对人体可能产生的不舒适感，实现外骨骼左右两侧的解耦，有效提高人机运动的协调性。

发明内容