基本信息
- 项目名称：
- 多功能卸力装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 一种贴身无动力卸力外骨骼装置,包括：贴身背架（腰背外骨骼），该外骨骼用于固定物体，腰背部外骨骼采用贴身设计，且简单地可以固定重物、伤病人员；下肢外骨骼，该外骨骼用于承受物体的重量；以及其连接方式的设计。该装置可穿戴在人体上，能在人体搬运重物之时提高人体体能的利用率，从而达到省力搬运重物的目的。本装置还可以转变成为一辆推车，在路况较好的场合可实现推拉运输。
- 详细介绍：
- 1．背架（腰背外骨骼） 我们都知道，人体在行走时双手的摆动对人体维持平衡起到很大的作用，但是在人体搬运重物的时候需要用双手抱住重物，不仅需要双手用力而且需要很大的腰部力量，这样就使人体行走时维持身体平衡带来很大的不便。所以本发明采用了一个贴身型腰背外骨骼来固定重物，这样就能将人体的双手解放出来，来维持身体的平衡，或者还可以在行进过程中实现攀爬等动作，而且可以减少人体腰部的用力。通过对该贴身腰背外骨骼的精心设计，不仅可以固定重物还能固定伤员等。用腰背外骨骼拖住伤员的腿部、臀部、背部和颈部，就可以将其固定在人体的背部，并解放了人体的双手。这样本发明还可用于运送伤员等。 2．人体下肢外骨骼 只用腰背外骨骼负重的话，将会使所有背负的重量都由人体的双肩来承担，会给人体带来下坠的感觉，也会使行动不方便。增加了人体下肢外骨骼就会使背负的重量卸到下肢外骨骼上，从而大大地减少了人体的竖向载荷，继而减少人体的体力消耗。外骨骼固定于人体的双腿上，与人体双腿的运动一致，小巧的外骨骼不会影响到人的运动。下肢外骨骼在踝关节和髋关节处采用万向节联接，膝关节用铰链联接，使得外骨骼的自由度和人体一致，使人体在行走时不受限制。同时外骨骼的长度可根据使用者的身高来调节长度。 由于考虑到能源供应等问题，所以本发明的人体下肢外骨骼采用的是无动力型，靠直立时受到竖向荷载时外骨骼膝关节自锁的原理来承担竖向载荷，但是当人体抬起腿时自锁效果自动解除。如图1所示当外骨骼直立时，腰背外骨骼给髋部一个作用力时会产生一个顺时针的力偶，再通过由外骨骼的“髋”、“大腿”、钢索、“小腿”组成的平行四边形机构将这个力偶传递到小腿，从而阻止了小腿逆时针旋转，达到自锁的目的；而当人体将载荷转移到另一条腿上的时候，这条外骨骼的髋部与腰背外骨就没有相互作用力了，也就不会产生力偶，也就不会阻止膝关节的自由运动，也就自动解锁了。这样就既能在直立时卸载人体所背负的重量，又不影响人体的运动。 而贴身腰背外骨骼与无动力下肢外骨骼的结合就既解放了人体的双手，又减轻了人体的竖向荷载。也就是说让人体更轻松，更自由了。 3.人体下肢外骨骼向滚轮支撑的转换 在两条外骨骼的膝关节处各有安装一个滚轮。当运送的过程当中如果遇到较平坦的路面时，则可以将原来承担竖向载荷的外骨骼向后翻支撑滚轮，使背负装置成为一辆小推车，并无需挪动腰背外骨上物体或者伤员的位置，实现用手推车运送物资或伤员。这样便更能减少人体的体力消耗。 4.省力担架 两人穿戴并在两人之间固定一担架就可成为一副省力担架。担架的形式更利于救护人员的行走也更利于保障受伤人员的安全，防止伤员的伤情恶化，实现了快捷安全的护送。 综上所述，本发明实用性强，结构简单，安全方便，可以广泛地运用于车辆难施其技的森林、山路、阶梯路面、海岸线及沟壑等场合。可以应用于救援、运输、户外旅游等
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 传统的背人方式都需要用双手来托住大腿，并且伤员的重量都要背者来承担，这都不利于长距离的行走，对伤员和救护人员都要产生伤害。在灾难发生时往往存在能源供应不足的问题。本组针对上述问题设计了背人装置，释放了双手，，伤者或物品的重量由装置来承载，能够使背人或物品的时候非常节省人力，在平路上又能够当推车使用。该装置能够承受普通重量的伤员，本身重量不超过3kg，不会对背者增加太大的惯性力，可伸缩外骨骼适合身高155cm-190cm的人员使用。
科学性、先进性
- 1．背包架 用背包架拖住被救者的腿部、背部和颈部。就可以将其固定在救援人员的背部，并解放了救援人员的双手。 2．人体下肢外骨骼 用背包架背人的话，将会使所有背负的重量都由救援人员的双肩来承担，会给救援人员带来下坠的感觉，也会使行动不方便。增加了人体下肢外骨骼就会使背负的重量卸到下肢外骨骼上，从而大大地减少了救援人员的竖向载荷，继而能减少救援人员的体力消耗。 3．人体下肢外骨骼向滚轮支撑的转换 在两条外骨骼的膝关节处各有安装一个滚轮。当运送伤员或物品的过程中有较平坦的路面时，则可以将原来承担竖向载荷的外骨骼向后翻支撑滚轮，使背人装置成为一辆小推车，并无需挪动伤员的位置，实现用手推车来运送。 4．省力担架 两人穿戴并在两人之间固定一担架就可成为一副省力担架。担架的形式更利于救护人员的行走也更利于保障受伤人员的安全，防止伤员的伤情恶化，实现了快捷安全的护送。
获奖情况及鉴定结果
- 浙江省第七届大学生机械设计竞赛二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 独家许可
作品可展示的形式
- 模型，图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的主要功能为释放救护人员的双手，减轻救护人员的负载，适合于复杂地形的长距离的救援运送。背包架伸出部分正好托住人体的膝关节，再由背带拖住伤员的臀部、背部和头部，从而将伤员固定在了背包架上。被背者的姿势和普通背人时大致相同。双脚膝关节部位挂于钩子状的托上，代替人的双手来托住伤员，释放了救护人员的双手。伤员后背、臀部和脖子部位都有带子进行固定，避免伤员由于晃动过大而产生二次受伤。支撑杆向后弯曲固定就能快速折叠成推车，形状类似双轮车。人体外骨骼和背垫底部连接，行走时固定于救护人员的腿上。因为外骨骼的关节连接处是万向节固定，所以自由度很高，能很灵活地伴随人的脚一起做幅度较大的运动。 再由下肢外骨骼承受大部分竖向荷载。下肢外骨骼在受到竖向力的时候自锁，人体外骨骼能承载背负者的竖向载荷。 我国地形复杂，如极端天气等灾难爆发的情况下，车辆难施其技，能源等必定短缺，只能靠人力来运送伤员、物资等，可是人类的体力却无法与车辆的承载能力相比，因此背人装置应用前景很广。
同类课题研究水平概述
- 下肢外骨骼机器人具有增强人体机能和辅助下肢康复训练的功能，在军事和医疗领域具有很好的发展前景，逐渐成为机器人领域的研究热点。 人类不是地球上最敏捷的动物，而且我们中的大部分人能够拿起和携带的重量都有限。而在战场上这些弱点可能是致命的，而这正是美国国防部研究计划署（DARPA）投资五千万美元为地面部队开发外骨骼套装的原因。这种可穿戴的机器人系统可以使士兵能够跑得更快、携带更重的武器以及跳过较大的障碍物。研究人员期望外骨骼在士兵身上实现的目标： 增大力量：士兵将能够携带更多的武器和军需品。通过增大力量，士兵还将能够在行军时移走途中的大障碍物。它还将使士兵能够穿上较重的身体护甲和其他防弹护具。20世纪60年代，通用电气公司(GE)与美国军方合作开发了一个外骨骼，称为Hardiman。它使得举起120公斤的重物就像举起5公斤重物那样轻松。 提高速度：普通人走路的时速为6至10公里，但是士兵通常还要在背包里携带重达约70公斤的军需品。在背负如此多的重物时，即使是条件最好的军队也难以很快行进。现在还不确定DARPA的外骨骼将能够走多快。不过测试表明，一种独立开发的身体放大器弹簧行走器的时速可超过16公里。 跳得更高和更远：现在还不清楚穿上机械套装将能够跳多远和跳多高，但是军方希望这种机器能够帮助士兵跳过降低行军速度的一般障碍物。(即腰部以下瘫痪的人)站立、行走和爬楼梯。“ReWalk”需要一副拐杖帮助维持身体平衡，由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池。使用者可以用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等，然后向前倾，激活身体感应器，使机械腿处于运动之中。 人体外骨骼在国外得到了很大的关注，正处于积极的实验阶段，但我们可以知道如果想应用于实际的话还是要很长一段时间的。它们还有一个相同的特点，就是需要使用能源来驱动，如果在能源不足的情况下就失去了它应有的作用，甚至会成为累赘。 我们致力于研究不需要能源驱动就能够实现减轻负重，并且可以灵活的活动，同时能够当推车使用，质量轻，装备起来快速简便，存放占用空间小。有很大的发展前景。
