一种穿戴式射击用机械臂的制作方法

1.本发明涉及机械臂领域，具体涉及一种穿戴式射击用机械臂。


背景技术：

2.穿戴式机械臂可以辅助穿戴者进行工作，通常为抓手类末端或功能型末端进行简单的配合工作，射击类末端可以扩展穿戴者功能的同时扩大作业范围。目前对于精确射击能力的培养需要较长周期，对于需要登陆战场或特殊作业的专业人群，无法在短时间内获取精确打击能力，在战场上缺乏战斗力与自保能力。穿戴式射击用机械臂可以与穿戴者实现配合作业，在行进间或作业过程中为穿戴者提供精确打击能力，自主瞄准锁定周围的敌人，并在必要时完成打击任务。
3.申请号为us16002420的美国专利申请公开了一种名为the third arm的射击用机械臂，该射击用机械臂描述了一种用于稳定枪支的新型可穿戴设备。该装置的一端连接到战术背心上，另一端连接到枪支的导轨接口系统上。该装备将枪支的重量从用户的手臂上移开，从而减少手臂疲劳并提高精确度，能够使用非常规的武器系统，并帮助实现射击的一致性并减少后坐力的不适感。但该套系统仍属于被动式辅助装备，虽降低了非常规武器的使用要求，但仍需要穿戴者具备基本的精确打击能力，且无法在穿戴者完成其他工作时自主提供火力掩护。
4.申请号为cn202010449127.7和申请号为cn201910998388.1等中国专利申请公开的抓手末端机械臂，可以辅助穿戴者完成各类工作任务，但其机械臂结构形式以及自由度并不适用于射击类末端。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种穿戴式射击用机械臂装置，为穿戴者提供精确打击能力。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种穿戴式射击用机械臂，包括依次连接的背架连接结构、肩结构部件、臂结构部件和肘结构部件；通过背架连接结构将整个机械臂绑缚与人体背部，并提供第一个自由度，结合肩结构部件提供的第二个自由度，保证搭载枪械具备一定调整空间位置能力，臂结构部件和肘结构部件分别提供第三自由度和第四自由度，为搭载枪械提供指向瞄准空间大部分方向的能力，结合前两个自由度，实现空间内全方位目标跟踪锁定的同时避开人体等障碍物。
7.应用本发明的技术方案的穿戴式射击用机械臂用于配合穿戴者实现目标打击锁定任务，赋予缺乏精确打击能力的战场技术人员以精确打击能力。整体穿戴式射击用机械臂配置四个自由度，分别安装与背架连接结构、肩结构部件、臂结构部件和肘结构部件，背架连接结构处的自由度运动范围在0至180
°
之间，其余自由度均可全方位旋转，由对应的自由度电机进行直接输出，其方向与电机相同。臂结构部件和肘结构部件内设的自由度保证枪械在无遮挡的情况下可以满足大范围的打击，背架连接结构和肩结构部件内设的自由度
负责在枪械射击被阻挡的情况下更新枪械位置，通过最少的自由度实现枪械的全方位瞄准。
8.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明包含四个自由度，相对于其他机械臂的自由度分配方法更适合作为射击用机械臂，是面向作战任务的情况下，能够满足全方位打击，同时整体结构可以折叠收放于穿戴者背部，缩小了占用空间。
9.（2）本发明结构简单，大部分零件可以通过高强度、轻质的铝合金进行制作，易于加工、装配，降低整体装置成本，整体结构质量较轻，降低穿戴者在运动过程中的负担。
10.（3）本发明四个自由度均有主动电机驱动，可以与穿戴者合作完成作战任务。
附图说明
11.图1是本发明穿戴式射击用机械臂装置总体收纳状态示意图。
12.图2是本发明背架连接结构爆炸图。
13.图3是本发明肩结构部件爆炸图。
14.图4是本发明臂结构部件爆炸图。
15.图5是本发明肘结构部件爆炸图。
16.图6是本发明收纳状态下四组结构位置分布关系示意图。
17.图7是本发明背架连接结构结构图。
18.图8是本发明臂结构部件结构图。
19.图9是本发明肘结构部件结构图。
20.图10是本发明肩结构部件结构图。
21.图11是本发明全方位射击示意图。
22.图12是实用情况下末端安装枪械的收纳状态示意图。
23.图13是本发明第二自由度轴承座结构图。
24.1-背架连接结构，2-肩结构部件，3-臂结构部件，4-肘结构部件，101-第一背架挡板，102-第二背架挡板，103-背架支撑板，104-第一自由度电机，105-第一自由度传动轴，106-第一自由度轴承ⅰ，107-第一自由度轴承ⅱ，108-第一自由度轴承座，109-第一自由度轴架，201-第二自由度电机，202-第二自由度传动轴，203-肩部套筒，204-肩部垫片，205-第二自由度轴承ⅰ，206-肩部垫圈，207-第二自由度轴承ⅱ，208-第二自由度轴承座，301-臂结构基座，302-第三自由度电机盖，303-第三自由度电机，304-臂支撑板，305-第三自由度传动轴，306-第三自由度电机座，307-第三自由度轴承ⅰ，308-臂轴承座支撑板，309-第三自由度轴承ⅰ，310-第三自由度轴承ⅱ，311-臂端盖，312-臂套筒，313-第三自由度轴承ⅲ，314-第三自由度轴承ⅱ，315-第一段臂，316-第二段臂，401-第四自由度电机，402-第四自由度传动轴，403-第四自由度轴承ⅰ，404-第四自由度轴承ⅱ，405-肘结构基座，406-枪械连接件，407-枪械简化模型。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细的描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
26.结合图1至图13，本发明提供了一种穿戴式射击用机械臂，用于赋予穿戴者精确打击能力，背架连接结构1通过绑带与人体连接，通过背架连接结构1将整体机械臂结构绑缚于人体背部，并提供第一个自由度，结合肩结构部件2提供的第二个自由度，保证搭载枪械具备一定调整空间位置能力，臂结构部件3和肘结构部件4分别提供第三自由度和第四自由度，为搭载枪械提供指向瞄准空间大部分方向的能力，结合前两个自由度，实现空间内全方位目标跟踪锁定的同时避开人体等障碍物。
27.在具体实施时，背架连接结构1包括第一背架挡板101、第二背架挡板102、第一自由度电机104、第一自由度传动轴105、第一自由度轴承ⅱ107、第一自由度轴承ⅰ106、第一自由度轴承座108、第一自由度轴架109和两个背架支撑板103。
28.结合图2和图7，第一背架挡板101伸出部分负责抵住穿戴者腰部，辅助完成整体结构稳定，与第二背架挡板102通过螺钉螺母固连，第二背架挡板102呈八边形固定于穿戴者背部，周边开长槽孔，用于安装绑带与人体固定。第一自由度轴架109呈十字形，中间位置打有通孔，安装第一自由度轴承ⅱ107，限位第一自由度传动轴105，该轴上共有两处轴承辅助支撑，另一处为第一自由度轴承ⅰ106，安装于第一自由度轴承座108上，第一自由度轴承座108正面呈环形均匀分布四个凸台，第一自由度轴架109设置在四个凸台上，并与凸台固连，两个背架支撑板103上下两侧打有通孔，中间设有加强筋，平行间隔固定在第二背架挡板102上，背架支撑板103正面与第一自由度轴承座108的背面通过螺钉固连，第一自由度轴承座108与第二背架挡板102之间的形成安装腔，用于固定第一自由度电机104，第一自由度电机104输出位置与第一自由度传动轴105的一端固连，第一自由度传动轴105的另一端穿过第一自由度轴承座108中心通孔，自第一自由度轴架109的中心通孔伸出，并连接肩结构部件2，通过螺钉固连，将电机输出的动力转递至肩结构部件2，第一自由度传动轴105通过第一自由度轴承ⅰ106和第一自由度轴承ⅱ107实现在第一自由度轴承座108中心孔转动，实现第一自由度的传动功能。
29.在具体实施时，肩结构部件2包括第二自由度电机201、第二自由度传动轴202、肩部套筒203、肩部垫片204、第二自由度轴承ⅰ205、肩部垫圈206、第二自由度轴承ⅱ207、第二自由度轴承座208。
30.结合图3和图10，沿第二自由度轴承座208的中心轴线开有一个四阶通孔，依次为直径递减的第一阶孔、第二阶孔、第三阶孔、第四阶孔，在第三阶孔的孔壁开有一个窗口，用于配合臂结构部件3，第一阶孔用于给第二自由度电机201让出安装空间，第二阶孔处配合第二自由度轴承ⅰ205，在第三阶孔的外壁还开有一个第一通孔，第一通孔与第三阶孔连通，第一自由度传动轴105自第一通孔伸入第三阶孔后与第二自由度轴承座208固连，第三阶孔末端配合第二自由度轴承ⅱ207，第二自由度电机201固定在第一阶孔和第二阶孔内，第二自由度传动轴202一端固定在第二自由度电机201输出位置，第二自由度传动轴202的另一端伸入第三阶孔，其上依次安装肩部套筒203、肩部垫片204、第二自由度轴承ⅰ205、臂结构部件3、肩部垫圈206、第二自由度轴承ⅱ207，第二自由度电机201输出的运动通过第二自由度传动轴202传递至臂结构部件3，实现第二自由度的调整，第一第二自由度共同作用下，实现机械臂末端枪械的空间位置变换。
31.在具体实施时，臂结构部件3包括臂结构基座301、第三自由度电机盖302、第三自由度电机303、第三自由度传动轴305、第三自由度电机座306、第三自由度轴承ⅰ307、第三自
由度轴承ⅰ309、第三自由度轴承ⅱ310、臂端盖311、臂套筒312、第三自由度轴承ⅲ313、第三自由度轴承ⅱ314、第一段臂315、第二段臂316、三个臂支撑板304、两个臂轴承座支撑板308。
32.结合图4和图8，臂结构基座301顶端开矩形通孔，用于配合第二自由度传动轴202上的矩形轴段，传递第二自由度电机201的输出动力，底部与第三自由度电机盖302固连通过螺钉，第三自由度电机座306平行间隔设置于第三自由度电机盖302下方，并通过三个均匀分布的臂支撑板304将第三自由度电机盖302与第三自由度电机座306之间连为第三腔体，第三腔体用于安装固定第三自由度电机303，第三自由度传动轴305顶端与第三自由度电机303输出位置固连，第三自由度传动轴305下端自上而下依次安装第三自由度轴承ⅰ307、第三自由度轴承ⅰ309、第三自由度轴承ⅱ310、臂端盖311、臂套筒312、第三自由度轴承ⅲ313、第三自由度轴承ⅱ314；臂轴承座支撑板308呈l形，对称设置在第三自由度轴承ⅰ309两侧，配合螺栓将第三自由度轴承ⅰ309、臂端盖311、臂套筒312、第三自由度轴承ⅱ314连为整体，确保下端第一段臂315和第二段臂316可以沿第三自由度传动轴305轴向自由旋转的同时，为其提供支撑力，并保护第三自由度电机303输出位置不因机械臂作业影响遭到损坏；第三自由度传动轴305末端深入第一段臂315顶面，通过螺钉进行固连，第一段臂315末端与第二段臂316滑动配合用以调节固定位置，并通过螺栓固连，第二段臂316末端与肘结构部件4连接；第三自由度电机303的输出通过第三自由度传动轴305传递至第一段臂315和第二段臂316，并传递至肘结构部件4，实现第三个自由度的调整。
33.在具体实施时，肘结构部件4包括第四自由度电机401、第四自由度传动轴402、第四自由度轴承ⅰ403、第四自由度轴承ⅱ404、肘结构基座405、枪械连接件406、枪械简化模型407；第四自由度电机401外壳通过螺钉与肘结构基座405固连。
34.结合图5和图9，沿肘结构基座405的中心轴线开有一个五阶通孔，依次为直径递减的第五阶孔、第六阶孔、第七阶孔、第八阶孔，第九阶孔在第七阶孔的孔壁开有一个窗口，肘结构基座405上侧有一矩形凸台，凸台上侧开槽，用于与臂结构部件3通过螺钉固连，第四自由度传动轴402一端固定在第四自由度电机401输出位置，第四自由度传动轴402的另一端伸入肘结构基座405的五阶通孔中，其上依次安装第四自由度轴承ⅰ403、第四自由度轴承ⅱ404，第四自由度轴承ⅰ403安装于第六阶孔，第四自由度轴承ⅱ404安装于第八阶孔中，两轴承保证为第四自由度传动轴提供限位，避免机械臂末端作业时对第四自由度电机401的输出位置的损害，第四自由度传动轴402末端与枪械连接件406通过螺钉固连，枪械连接件406用于搭载枪械，图例中枪械由模型代替；第四自由度电机401的动力通过第四自由度传动轴402传递至枪械连接件406，进而传递至枪械，枪械通过第三自由度和第四自由度可以实现其坐标系内方位角和俯仰角的调整，从而实现大范围瞄准。
35.如图11所示，穿戴式射击用机械臂工作状态，通过背架连接结构1和肩结构部件2所带有的第一自由度和第二自由度将末端的枪械抬到一能够射击目标的位置，通过臂结构部件3和肘结构部件4所带的自由度调整武器朝向，瞄准打击目标，当目标被遮挡时，通过调节第一自由度和第二自由度，更新末端枪械的空间位置，直到达到枪械不受遮挡的位置为止。实用时穿戴式射击用机械臂收纳状态示意图如图12所示。
36.本发明包含四个自由度，相对于其他机械臂的自由度分配方法更适合作为射击用机械臂，是面向作战任务的情况下，能够满足全方位打击，同时整体结构可以折叠收放于穿
戴者背部，缩小了占用空间，四个自由度均有主动电机驱动，可以与穿戴者合作完成作战任务。结构简单，大部分零件可以通过高强度、轻质的铝合金进行制作，易于加工、装配，降低整体装置成本，整体结构质量较轻，降低穿戴者在运动过程中的负担。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。