本发明属于农用上肢助力外骨骼，具体涉及一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼及其助力方法。
背景技术：
1、上肢助力外骨骼通过与人体上肢的配合，提供额外的力量和运动能力，从而帮助人们更轻松地完成各种任务，在医疗康复、人体增强等典型领域具有重要应用意义，尤其是在疫情灾情多发、劳动力资源短缺的情况下开发上肢助力外骨骼具有重要意义。
2、在我国丘陵山区地区常见的农业机械很难开展相关的作业任务，而使用助力外骨骼可以极大的提高丘陵山地农民的生产效率，并在一定程度上减轻农民的体力负担。例如，在收割、种植、灌溉等环节，助力外骨骼可以帮助农民更轻松地操作农业机械，提高生产效率。但是现有的上肢助力外骨骼多为医疗康复外骨骼和工业助力外骨骼，前者可以帮助患者对上肢进行有效的康复训练，促进上肢功能的恢复，但是该类型的上肢助力外骨骼结构较为复杂，需要通过不同传感器来控制运动，在复杂环境中易受到外界因素影响，造成信号错误、缺失等，不适用于农业作业环境；后者虽然在工业生产中得到了广泛的应用，但主要是针对某一类工况较为简单的作业动作进行助力，此外，该类型外骨骼多采用弹性元件实现被动式助力，助力方式和助力范围较为局限，不具备在不同工况下助力和同工况不同助力需求下对作业人员进行助力辅助运动的能力。因此，为了减轻丘陵山区从事农业工作人员的体力负担，增强作业安全性，急需一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼来提高农业生产活动中的作业效率。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术不足，提出一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼及其助力方法。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、本发明一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，包括躯干支撑装置、绳索驱动装置和单臂助力装置。
4、所述躯干支撑装置包括躯干绑带、肩部支撑板、背部支撑杆、背部安装板、腰部支撑板和肩部支撑杆；所述竖直且间距布置的两个背部支撑杆上端均与肩部支撑板的中部固定，中部与背部安装板的两端固定，下端均与腰部支撑板的中部固定；所述水平设置的肩部支撑杆与两个背部支撑杆的上端均固定；设于背部支撑杆前方且对称布置的两个躯干绑带上端与肩部支撑板的两端固定，下端与腰部支撑板的两端固定。
5、所述肩部支撑杆的两端均设有单臂助力装置，单臂助力装置包括小臂支撑组件、大臂支撑组件和肩部支撑组件。所述大臂支撑组件包括大臂连接组件、滑块一、导杆、支撑连杆和滑块二；大臂连接组件与小臂支撑组件铰接，平行于大臂连接组件的导杆固定于大臂连接组件上，滑块一和滑块二通过弹簧连接，并均与导杆构成滑动副，且滑块一比滑块二靠近小臂支撑组件；支撑连杆一端与滑块一铰接，另一端与小臂支撑组件靠近大臂连接组件一端一体成型的凸板一铰接。
6、所述肩部支撑组件包括肩关节连接件、肩关节支撑件、肩部助力曲柄和肩部助力连杆；所述肩关节支撑件与肩部支撑杆构成水平方向的滑动副；肩关节连接件的一端与肩关节支撑件构成绕竖直轴线转动的转动副，另一端与大臂连接组件远离小臂支撑组件的一端构成绕水平轴线转动的转动副；肩部助力曲柄的一端与肩关节连接件铰接，并由助力电机一驱动；肩部助力连杆的两端与肩部助力曲柄的另一端和大臂连接组件远离小臂支撑组件一端一体成型的凸板二铰接。所述小臂支撑组件和大臂连接组件的内侧均固定有间距布置的若干个手臂绑带。
7、所述每个单臂助力装置上设有绳索驱动装置，绳索驱动装置包括导管、固定架、动滑轮、牵引绳索、安装架、从动绳索、定滑轮和主动绳索；所述固定架固定于肩部支撑板上，绳索架固定于大臂连接组件远离小臂支撑组件的一端，导管的一端与固定架上开设的通孔上端固定并连通，另一端与绳索架上开设的导槽靠近肩关节连接件的一端固定并连通，间距布置的两个定滑轮铰接在大臂连接组件的两端，且滑块一和滑块二位于两个定滑轮之间；所述主动绳索一端固定于固定架上，另一端绕过位于固定架正下方的动滑轮，并依次穿过通孔、导管和导槽，绕过靠近小臂支撑组件的定滑轮，与滑块二固定；所述从动绳索一端与小臂支撑组件中部固定，另一端绕过远离小臂支撑组件的定滑轮，与滑块二固定；动滑轮铰接在滑轮架上，牵引绳索一端与滑轮架固定，另一端与位于动滑轮正下方的安装架可拆卸固定，且安装架由升降组件驱动升降。其中，各牵引绳索、各从动绳索和各主动绳索均处于张紧状态。
8、优选地，所述小臂支撑组件包括前臂连板和前臂支撑板，前臂连板平行于前臂支撑板，前臂连板上开设有平行且间距布置的多个安装槽一，前臂支撑板与各安装槽一通过螺栓一和螺母一固定；前臂支撑板远离前臂连板的一端设有一体成型的凸板一，凸板一上固定有水平设置的连接轴一，支撑连杆与连接轴一构成转动副。
9、更优选地，所述前臂支撑板的中部固定有连接架，连接架上固定有水平设置的连接轴二，从动绳索与连接轴二固定。
10、更优选地，所述大臂连接组件包括大臂连板、连接轴三、支撑柱一、支撑柱二、支撑块和大臂支撑板，平行且间距布置的两个大臂连板一端通过支撑柱一固定，中部通过支撑柱二固定，平行于大臂连板且间距布置的两个大臂支撑板通过支撑块固定，每个大臂支撑板上开设有平行且间距布置的多个安装槽二，每个大臂连板与一个大臂支撑板上的各安装槽二通过螺栓二和螺母二固定，水平布置的连接轴三两端与两个大臂连板远离大臂支撑板的一端固定，且连接轴三通过轴承一支承在前臂支撑板上；支撑连杆位于两个大臂连板之间，且导杆两端与位于外侧的大臂连板两端通过两个导杆安装座固定；位于外侧的大臂支撑板远离大臂连板的一端设有一体成型的凸板二；绳索架固定于位于外侧的大臂支撑板远离大臂连板的一端。
11、更优选地，所述前臂连板和前臂支撑板上均开设有一对安装槽三，位于内侧的大臂连板上开设有间距布置的两对安装槽三，每个手臂绑带的两端与相应的一对安装槽三固定。
12、更优选地，所述肩部支撑板的两端通过两个安装支架固定有两个深度相机，小臂支撑组件上的一个手臂绑带内侧面上、下位置以及大臂连接组件上的一个手臂绑带内侧面上、下位置均设有一个力传感器，小臂支撑组件和大臂连接组件上均设有惯性传感器，大臂连接组件的连接轴三上以及肩部支撑组件的肩关节连接件在与大臂连接组件构成转动副的位置处均设有扭矩传感器。
13、优选地，所述肩部支撑杆的两端均固定有平行于肩部支撑杆的导轨，两个导轨与两个滑块三分别构成滑动副；两个肩关节支撑件与两个滑块三分别固定。
14、优选地，所述升降组件包括丝杠、助力电机二和螺母块，竖直设置的丝杠两端与背部安装板和腰部支撑板构成转动副，并由助力电机二驱动，螺母块与丝杠通过滚珠构成滚珠丝杠副；安装架固定于螺母块上。
15、优选地，所述助力电机二的壳体通过电机架固定于背部支撑杆上，助力电机二的输出轴和丝杠分别固定有主动带轮和从动带轮，且主动带轮和从动带轮通过同步带连接，并与背部安装板构成滑动副。
16、本发明一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼的助力方法，其特征在于：具体如下：
17、使用时使用者将两个躯干绑带背在肩上，使肩部支撑板和腰部支撑板分别贴合背部和腰部，将两个大臂支撑组件的各手臂绑带绑在两个大臂上，将两个小臂支撑组件上的各手臂绑带绑在两个小臂上；
18、使用过程中，当大臂向外或向内转动时，大臂通过大臂连接组件带动肩关节连接件向外或向内转动，同时肩关节连接件带动肩关节支撑件沿着肩部支撑杆向内或向外平移，使得肩部进行自适应调节；当使用者大臂进行前屈或后伸运动时，控制器控制相应的助力电机一驱动肩部助力曲柄正转或反转，肩部助力曲柄通过肩部助力连杆带动大臂连接组件抬起或放下，大臂连接组件通过相应的各手臂绑带带动大臂抬起或放下，对肩部关节进行助力，进而对大臂前屈运动或后伸运动起到助力作用；
19、当使用者小臂进行前屈运动时，控制器控制相应的升降组件驱动安装架下降，安装架通过牵引绳索拉动滑轮架和动滑轮向下运动，主动绳索位于固定架下方的部分增长，位于大臂支撑组件上的部分减短，主动绳索拉动滑块二沿着导杆向靠近小臂支撑组件的方向移动，滑块二通过从动绳索拉动小臂支撑组件抬起，对小臂的前屈运动进行第一重助力，同时滑块二通过弹簧推动滑块一沿着导杆向靠近小臂支撑组件的方向移动，弹簧压缩，滑块一通过支撑连杆推动小臂支撑组件抬起，对小臂的前屈运动进行第二重助力，小臂支撑组件通过相应的各手臂绑带带动小臂前屈，对肘部关节进行助力，进而对小臂的前屈运动起到助力作用；其中，小臂前屈运动过程中若小臂受到外部冲击或惯性颠簸，小臂支撑组件相对于大臂连接组件发生偏转，进而使得支撑连杆发生转动，支撑连杆通过滑块一使得弹簧变形，弹簧对小臂受到外部冲击或惯性颠簸进行缓冲；
20、当使用者小臂进行后伸运动时，相应的升降组件驱动安装架上升，主动绳索位于大臂支撑组件上的部分增长，位于固定架下方的部分增长减短，弹簧推动滑块二沿着导杆向靠近肩关节连接件的方向移动，主动绳索带动动滑轮和滑轮架向上运动，使得牵引绳索始终处于张紧状态，同时从动绳索位于大臂支撑组件外的部分增长，位于大臂支撑组件内的部分增长减短，小臂支撑组件在自身重力作用下放下，且滑块二通过弹簧拉动滑块一沿着导杆向靠近肩关节连接件的方向移动，滑块一通过支撑连杆带动小臂支撑组件放下，小臂支撑组件对肘部关节进行助力，并通过相应的各手臂绑带带动小臂后伸，进而对小臂的后伸运动起到助力作用。
21、本发明具有以下有益效果：
22、1、本发明可以实现农业作业环境中对大臂前屈和后伸的运动以及小臂前屈和后伸的运动进行助力工作，减轻了农业作业负担，提高了农业作业效率。具体地，本发明通过助力电机一驱动肩部助力曲柄正转或反转，肩部助力曲柄通过肩部助力连杆带动大臂连接组件抬起或放下，进而带动大臂抬起或放下，对肩部关节进行助力，实现了对大臂前屈运动或后伸运动的助力作用；本发明通过升降组件驱动安装架带动动滑轮下降，使动滑轮通过主动绳索拉动滑块二向靠近小臂支撑组件的方向移动，滑块二通过从动绳索拉动小臂支撑组件抬起，对小臂的前屈运动进行第一重助力，并通过弹簧推动滑块一向靠近小臂支撑组件的方向移动，滑块一通过支撑连杆推动小臂支撑组件抬起，对小臂的前屈运动进行第二重助力，小臂支撑组件带动小臂前屈，对肘部关节进行助力，进而实现对小臂前屈运动的双重助力，且具有较好的助力稳定性和平衡性；进一步，本发明通过升降组件驱动安装架上升，使得弹簧推动滑块二向靠近肩关节连接件的方向移动，从动绳索位于大臂支撑组件外的部分增长，小臂支撑组件在自身重力作用下放下，且滑块二通过弹簧拉动滑块一向靠近肩关节连接件的方向移动，滑块一通过支撑连杆带动小臂支撑组件放下，对肘部关节进行助力，进而实现对小臂的后伸运动起到助力作用。
23、2、本发明的单臂助力装置在使用过程中可实现肩关节的自适应调节和肘关节的柔性助力支撑；具体地，在使用过程中，若大臂向外或向内转动时，大臂通过大臂连接组件带动大臂连板件向外或向内转动，同时大臂连板件带动肩关节支撑件沿着肩部支撑杆向内或向外平移，从而可以实现肩部的自适应调节，提高本发明在肩关节处的穿戴适应性；进一步，本发明通过在滑块一和滑块二之间设置弹簧，可以实现肘关节的柔性化助力支撑效果，当小臂在工作中受到外部冲击或惯性颠簸时，使得小臂支撑组件相对于大臂连接组件发生轻微偏转，进而使得支撑连杆状态发生改变，从而使得弹簧变形，使得小臂和肘关节的助力效果发生改变，弹簧缓冲在小范围内的助力变化，使单臂助力装置在肘关节处具有柔性效果，大大提高了使用者佩戴的安全性和舒适性，减轻肘关节的疲劳。
24、3、本发明可以实现对不同体型使用者的助力作用；本发明的小臂支撑组件中可以通过调节各螺栓一和各螺母一的位置来实现对小臂支撑组件中前臂连板和前臂支撑板相对位置的调节，以适应不同小臂长的使用者，大臂连接组件中可以通过调节各螺栓二和各螺母二的位置来实现对大臂连接组件中大臂连板和大臂支撑板相对位置的调节，以适应不同大臂长的使用者，两个肩部支撑组件中可以通过两个肩关节支撑件自动根据使用者的肩宽调节间距来适应不同肩宽的使用者。
1.一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，包括躯干支撑装置、绳索驱动装置和单臂助力装置，其特征在于：所述躯干支撑装置包括躯干绑带、肩部支撑板、背部支撑杆、背部安装板、腰部支撑板和肩部支撑杆；所述竖直且间距布置的两个背部支撑杆上端均与肩部支撑板的中部固定，中部与背部安装板的两端固定，下端均与腰部支撑板的中部固定；所述水平设置的肩部支撑杆与两个背部支撑杆的上端均固定；设于背部支撑杆前方且对称布置的两个躯干绑带上端与肩部支撑板的两端固定，下端与腰部支撑板的两端固定；
2.根据权利要求1所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述小臂支撑组件包括前臂连板和前臂支撑板，前臂连板平行于前臂支撑板，前臂连板上开设有平行且间距布置的多个安装槽一，前臂支撑板与各安装槽一通过螺栓一和螺母一固定；前臂支撑板远离前臂连板的一端设有一体成型的凸板一，凸板一上固定有水平设置的连接轴一，支撑连杆与连接轴一构成转动副。
3.根据权利要求2所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述前臂支撑板的中部固定有连接架，连接架上固定有水平设置的连接轴二，从动绳索与连接轴二固定。
4.根据权利要求2所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述大臂连接组件包括大臂连板、连接轴三和大臂支撑板，平行且间距布置的两个大臂连板一端通过支撑柱一固定，中部通过支撑柱二固定，平行于大臂连板且间距布置的两个大臂支撑板通过支撑块固定，每个大臂支撑板上开设有平行且间距布置的多个安装槽二，每个大臂连板与一个大臂支撑板上的各安装槽二通过螺栓二和螺母二固定，水平布置的连接轴三两端与两个大臂连板远离大臂支撑板的一端固定，且连接轴三通过轴承一支承在前臂支撑板上；支撑连杆位于两个大臂连板之间，且导杆两端与位于外侧的大臂连板两端通过两个导杆安装座固定；位于外侧的大臂支撑板远离大臂连板的一端设有一体成型的凸板二；绳索架固定于位于外侧的大臂支撑板远离大臂连板的一端。
5.根据权利要求2所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述前臂连板和前臂支撑板上均开设有一对安装槽三，位于内侧的大臂连板上开设有间距布置的两对安装槽三，每个手臂绑带的两端与相应的一对安装槽三固定。
6.根据权利要求4所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述肩部支撑板的两端通过两个安装支架固定有两个深度相机，小臂支撑组件上的一个手臂绑带内侧面上、下位置以及大臂连接组件上的一个手臂绑带内侧面上、下位置均设有一个力传感器，小臂支撑组件和大臂连接组件上均设有惯性传感器，大臂连接组件的连接轴三上以及肩部支撑组件的肩关节连接件在与大臂连接组件构成转动副的位置处均设有扭矩传感器。
7.根据权利要求1所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述肩部支撑杆的两端均固定有平行于肩部支撑杆的导轨，两个导轨与两个滑块三分别构成滑动副；两个肩关节支撑件与两个滑块三分别固定。
8.根据权利要求1所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述升降组件包括丝杠、助力电机二和螺母块，竖直设置的丝杠两端与背部安装板和腰部支撑板构成转动副，并由助力电机二驱动，螺母块与丝杠通过滚珠构成滚珠丝杠副；安装架固定于螺母块上。
9.根据权利要求8所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼，其特征在于：所述助力电机二的壳体通过电机架固定于背部支撑杆上，助力电机二的输出轴和丝杠分别固定有主动带轮和从动带轮，且主动带轮和从动带轮通过同步带连接，并与背部安装板构成滑动副。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种面向农业作业环境的上肢助力外骨骼的助力方法，其特征在于：具体如下：
