CN107984461A - 面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，以解决在面对操作空间狭窄和无法获得外接能源的情况下，减轻人力搬运装卸货物负担的问题，它包括背部安装板、气路控制装置、供气系统、两套腕部偏差检测装置和两套上肢助力系统；腕部偏差检测装置包括安装座、滑块、导轨、滑动变阻器和两个弹簧；导轨安装在安装座上，滑块安装在导轨上且能在导轨上滑动，滑块上下两侧的导轨上分别装有弹簧，滑动变阻器安装在助力小臂上；上肢助力系统包括托板、助力小臂、气动肌肉、助力大臂、肩关节连接件、肩关节过渡件和肩关节安装件；肩关节连接件、肩关节过渡件和肩关节安装件串接在一起构成一个空间球面结构。本发明适用物流行业。

Description

面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种穿戴式机械装置，具体涉及面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人。

背景技术

随着现代物流行业的蓬勃发展，现在已经出现了多种运用在货物传输各个环节的运载工具。但其中部分应用于货物装卸环节的运载工具对使用场所要求高、便携性能差，不适用于物流传输终端的小件搬运装卸工作，故大部分装卸工作实际上都是靠人力进行的。这种长时间高负荷的劳动负担亟待解决。

发明内容

本发明提供一种面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，为解决在面对操作空间狭窄和无法获得外接能源的情况下，减轻人力搬运装卸货物负担的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人包括背部安装板、气路控制装置、供气系统、两套腕部偏差检测装置和两套上肢助力系统；

腕部偏差检测装置包括安装座、滑块、导轨、滑动变阻器和两个弹簧；导轨安装在安装座上，安装座安装在助力小臂上，滑块安装在导轨上且能在导轨上滑动，滑块上下两侧的导轨上分别装有弹簧，滑动变阻器安装在助力小臂上，滑动变阻器的滑帽与滑块连接；

上肢助力系统包括托板、助力小臂、气动肌肉、助力大臂、肩关节连接件、肩关节过渡件和肩关节安装件；托板安装在助力小臂一端，助力小臂另一端与助力大臂转动连接，助力大臂与肩关节连接件旋转连接，肩关节连接件、肩关节过渡件和肩关节安装件串接在一起构成一个空间球面结构，空间球面结构运动中心与人体肩关节活动中心一致，气动肌肉一端通过安装件与助力大臂铰接，气动肌肉的另一端与助力小臂固接，两个肩关节安装件均连接背部安装板；供气系统经气路控制装置给气动肌肉输送气源，气路控制装置用于控制气动肌肉输出力大小。

进一步地，气路控制装置包括控制器和四套调速控制组件；控制器安装于背部安装板上，四组调速控制组件安装在背部安装板的背面；

每套调速控制组件包括舵机和调速阀；舵机的输出轴与调速阀旋钮相连接，调速阀安装在布置在背部安装板上的阀座上，每个气动肌肉的进气口和出气口处分别安装一个调速阀，滑动变阻器与控制器相连接，控制器控制舵机的转速和停止。

进一步地，供气系统包括高压储气瓶、减压阀、开关阀和气动接头；高压储气瓶先通过减压阀，然后与气动肌肉进气口处的调速阀连通，连通的管路上还安装有开关阀和气动接头。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本机器人采用了应用使用者的小臂的运动来操作上肢助力系统的动作的方式。便于使用者在搬运动作中进行操控。控制方式简单易操作，同时控制中存在对操作人员的力反馈，操作特性易于掌握。减轻了人力搬运装卸货物负担的问题。

2、通过借助外部分析软件进行结构优化设计与使用新型气动肌肉作为驱动器，使得机器人驱动力-自重比较高，能量使用效率得到提高。

3、肩部关节采用空间球面关节方式进行设计，通过调节设计参数使得上肢助力系统肩关节运动中心与人体肩关节中心重合。在将机器人对人体运动干涉减到最小的同时保证了装置的结构紧凑性，有利于在狭小环境下使用。

4、通过高压储气瓶作为主要能源储备尽可能的储存高压的气体，更加适应搬运工作对于活动空间灵活性的需求，同时也不会浪费使用者太多时间用来补充能量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为腕部偏差检测装置示意图；

图3为本发明的一种变形状态图；

图4为本发明的另一种变形状态图；

图5为调速控制组件的示意图；

图6为气路控制装置控制气动肌肉原理图；

图7为供气系统和调速阀连接关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地说明。

参见图1-图5说明，面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人包括背部安装板3、气路控制装置4、供气系统5、两套腕部偏差检测装置1和两套上肢助力系统2；

腕部偏差检测装置1包括安装座1-1、滑块1-3、导轨1-5、滑动变阻器1-6和两个弹簧1-2；导轨1-5安装在安装座1-1上，安装座1-1安装在助力小臂2-2上，滑块1-3安装在导轨1-5上且能在导轨1-5上滑动，滑块1-3上下两侧的导轨1-5上分别装有弹簧1-2，滑动变阻器1-6安装在助力小臂2-2上，滑动变阻器1-6的滑帽与滑块1-3连接；

上肢助力系统2包括托板2-1、助力小臂2-2、气动肌肉2-4、助力大臂2-5、肩关节连接件2-9、肩关节过渡件2-10和肩关节安装件2-11；托板2-1安装在助力小臂2-2一端，助力小臂2-2另一端与助力大臂2-5转动连接，助力大臂2-5与肩关节连接件2-9旋转连接，肩关节连接件2-9、肩关节过渡件2-10和肩关节安装件2-11串接在一起构成一个空间球面结构，空间球面结构运动中心与人体肩关节活动中心一致，气动肌肉2-4一端通过安装件2-8与助力大臂2-5铰接，气动肌肉2-4的另一端与助力小臂2-2固接，两个肩关节安装件2-11均连接背部安装板3；供气系统5经气路控制装置4给气动肌肉2-4输送气源，气路控制装置4用于控制气动肌肉2-4输出力大小。

腕部偏差检测装置中导轨安装座1-1通过螺栓与外助力小臂2-2相互固连，由此把导轨1-5在空间上固定在了与助力小臂2-2侧面相平行的位置上。优选地，滑块1-3上固装有直线轴承，直线轴承套装在导轨1-5上，可以顺畅地沿导轨1-5移动。滑块1-3上开有安装孔，通过安装在其上的手部捆绑环节与操作者手腕相连。因此，操作者手腕与助力小臂2-2的位置差异就可以通过滑块1-3在导轨1-5上的位置反映出来，这一位置偏差信号将会由固定在助力小臂2-2上的滑动变阻器1-6检测出来。两个相同的弹簧1-2分别设置在滑块1-3两端，在保证没有位置偏差时滑块1-3必定处于中位的同时，会在装置作用时给予使用者力反馈，方便使用者学习掌握装置特性。

上肢助力系统中托板2-1用于托起要搬运的重物，在搬运的过程中人手只需保证重物不侧翻即可。托板2-1通过安装件及螺栓与助力小臂2-2相连，助力小臂2-2上开有通孔，通孔为减重工艺孔，在保证强度的同时减轻装置重量。助力小臂2-2与助力大臂2-5之间通过轴与滚动轴承2-3相连。助力大臂2-5与大臂结构板2-6上分别开有多个螺纹孔，助力大臂2-5与大臂结构板2-6通过穿过螺纹孔的螺栓可拆卸连接，大臂结构板2-6上安装有安装件2-8，气动肌肉2-4与安装件2-8铰接，肩关节连接件2-9与大臂结构板2-6铰接。如此设置，助力大臂2-5与大臂结构板2-6通过调整螺栓安装位置来适应不同体型操作者的需求。

上肢助力系统的驱动力来源为气动肌肉2-4，气动肌肉2-4上端通过自带的螺纹与安装件2-8相连，安装件2-8通过销轴与大臂结构板2-6保证位置固定并保留一个转动自由度。气动肌肉2-4的下端通过钢丝与助力小臂2-2上的凸起部分相连，保证驱动力能有效的传递。大臂结构板2-6与肩关节连接件2-9通过滑动轴承2-7相互连接，肩关节连接件2-9、肩关节过渡件2-10和肩关节安装件2-11互相串联，构成一个空间球面机构，保证了其运动中心与人体肩关节活动中心一致，整个上肢助力系统通过肩关节安装件2-11与背部安装板相互固连。

在上述实施例的基础上，为了保证气动肌肉2-4稳定运作，参见图1、图5和图6说明，作为一个可实施方式，气路控制装置4包括控制器4-1和四套调速控制组件；控制器4-1安装于背部安装板3上，四组调速控制组件安装在背部安装板3的背面，每套调速控制组件包括舵机4-2-1和调速阀4-2-2；舵机4-2-1的输出轴与调速阀4-2-2旋钮相连接，调速阀4-2-2安装在布置在背部安装板3上的阀座4-2-3上，每个气动肌肉2-4的进气口和出气口处分别安装一个调速阀4-2-2，滑动变阻器1-6与控制器4-1相连接，控制器4-1控制舵机4-2-1的转速和停止。舵机输出的转角与滑动变阻器1-6所检测出来的位置偏差信号成正比，对应气动肌肉2-4进气流量也与偏差信号成比例，以此达到控制效果，控制原理如图6所示。进一步解释为：当使用者的手腕相对外骨骼小臂向上运动时，滑块1-3与导轨1-5产生相对位移，带动滑动变阻器1-6滑帽运动，使滑块1-3与滑动变阻器1-6中位产生位置偏差。这一偏差信号被硬件电路转化为电压值的变化，从而能被控制器4-1读取到。控制器为Arduino UNO。Arduino UNO将滑动变阻器1-6(电位器)输入的偏差信号映射为舵机4-2-1的转动角度，与舵机4-21输出轴相连的调速阀4-2-2根据输入转角控制着气动肌肉2-4进气流量变化，从而实现气动肌肉2-4作用速度和输出力的控制。

参见图1、图6和图7说明，作为另一个可实施方式，供气系统5包括高压储气瓶5-1、减压阀5-2、开关阀5-3和气动接头5-4；高压储气瓶5-1先通过减压阀5-2，然后与气动肌肉3-2进气口处的调速阀4-2-2连通，连通的管路上还安装有开关阀5-3和气动接头5-4。高压储气瓶5-1出口处接有开关阀5-3用于控制整个供气系统的开闭。由于气动肌肉2-4存在工作最大压力，因此在高压储气瓶5-1出口处设置减压阀5-2保证气动肌肉2-4进气口处压力不超过正常工作值上限。气路输出节点处通过气动接头5-4分别向两个气动肌肉2-4供气。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：它包括背部安装板(3)、气路控制装置(4)、供气系统(5)、两套腕部偏差检测装置(1)和两套上肢助力系统(2)；

腕部偏差检测装置(1)包括安装座(1-1)、滑块(1-3)、导轨(1-5)、滑动变阻器(1-6)和两个弹簧(1-2)；导轨(1-5)安装在安装座(1-1)上，安装座(1-1)安装在助力小臂(2-2)上，滑块(1-3)安装在导轨(1-5)上且能在导轨(1-5)上滑动，滑块(1-3)上下两侧的导轨(1-5)上分别装有弹簧(1-2)，滑动变阻器(1-6)安装在助力小臂(2-2)上，滑动变阻器(1-6)的滑帽与滑块(1-3)连接；

上肢助力系统(2)包括托板(2-1)、助力小臂(2-2)、气动肌肉(2-4)、助力大臂(2-5)、肩关节连接件(2-9)、肩关节过渡件(2-10)和肩关节安装件(2-11)；托板(2-1)安装在助力小臂(2-2)一端，助力小臂(2-2)另一端与助力大臂(2-5)转动连接，助力大臂(2-5)与肩关节连接件(2-9)旋转连接，肩关节连接件(2-9)、肩关节过渡件(2-10)和肩关节安装件(2-11)串接在一起构成一个空间球面结构，空间球面结构运动中心与人体肩关节活动中心一致，气动肌肉(2-4)一端通过安装件(2-8)与助力大臂(2-5)铰接，气动肌肉(2-4)的另一端与助力小臂(2-2)固接，两个肩关节安装件(2-11)均连接背部安装板(3)；供气系统(5)经气路控制装置(4)给气动肌肉(2-4)输送气源，气路控制装置(4)用于控制气动肌肉(2-4)输出力大小。

2.根据权利要求1所述面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：气路控制装置(4)包括控制器(4-1)和四套调速控制组件；

控制器(4-1)安装于背部安装板(3)上，四组调速控制组件安装在背部安装板(3)的背面，每套调速控制组件包括舵机(4-2-1)和调速阀(4-2-2)；舵机(4-2-1)的输出轴与调速阀(4-2-2)旋钮相连接，调速阀(4-2-2)安装在布置在背部安装板(3)上的阀座(4-2-3)上，每个气动肌肉(2-4)的进气口和出气口处分别安装一个调速阀(4-2-2)，滑动变阻器(1-6)与控制器(4-1)相连接，控制器(4-1)控制舵机(4-2-1)的转速和停止。

3.根据权利要求2所述面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：供气系统(5)包括高压储气瓶(5-1)、减压阀(5-2)、开关阀(5-3)和气动接头(5-4)；高压储气瓶(5-1)先通过减压阀(5-2)，然后与气动肌肉(3-2)进气口处的调速阀(4-2-2)连通，连通的管路上还安装有开关阀(5-3)和气动接头(5-4)。

4.根据权利要求1、2或3所述面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：上肢助力系统(2)还包括大臂结构板(2-6)，助力大臂(2-5)与大臂结构板(2-6)上分别开有多个螺纹孔，助力大臂(2-5)与大臂结构板(2-6)通过穿过螺纹孔的螺栓可拆卸连接，大臂结构板(2-6)上安装有安装件(2-8)，气动肌肉(2-4)与安装件(2-8)铰接，肩关节连接件(2-9)与大臂结构板(2-6)铰接。

5.根据权利要求4所述面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：滑块(1-3)上固装有直线轴承，直线轴承套装在导轨(1-5)上。

6.根据权利要求5所述面向搬运工作的气动上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：助力小臂(2-2)上开设有多个通孔。