CN108044607B - 一种外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种外骨骼助力机器人，包括：背部固定架，包括腰部固定架、肩部固定架和两个背部梁；两个背部梁平行固设于腰部固定架与肩部固定架之间；锁紧件，每个背部梁上固定一个锁紧件；气缸，具有活塞杆和无杆侧端盖；无杆侧端盖与锁紧件之间铰接；连接件，一端与活塞杆之间铰接；联动轴，设置在腰部固定架上；连接件的另一端固定连接在联动轴上；下肢部件，与联动轴的一端固定连接；绑带扣，每个背部梁上设置一个绑带扣；肩带，一端设置在绑带扣上，另一端设置在肩部固定架上；腰带，两端分别与腰部固定架的两端相连。本发明，结构简单，轻便灵活，可实现穿戴者自由行走，其主要应用于频繁弯腰负重场景，能够快速为穿戴者提供辅助力。

Description

一种外骨骼助力机器人

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，尤其涉及一种外骨骼助力机器人。

背景技术

随着经济水平的不断提高，我国各行各业都呈现了突飞猛进的发展态势，尤其是制造业与物流业。但是，制造车间或物流货物仓库中的搬运作业目前仍主要依靠单纯的人力，一方面，单纯依靠人力搬运工件或货物，劳动强度大，工作效率低；另一方面，在搬运过程中，工作人员需要频繁弯腰负重，长期从事搬运作业会对人体造成一定的伤害。在搬运作业中，腰部是工作人员的主要受力部位，因此，设计一种能够辅助搬运的腰部机械外骨骼装置显得尤为重要。

机械外骨骼，又名“外骨骼装甲”或“外骨骼机甲”，其结构类似昆虫的外骨骼，能够穿戴在人体上，从而给人提供保护、额外的动力或能力，增强人体机能。在现有技术中，已经公布了很多穿戴式的外骨骼装置，其功能囊括了负重行走、搬起重物、医疗辅助康复、单兵作战服等。但目前的外骨骼装置结构复杂，导致装置较重，不利于搬运作业的进行，且成本较高，同时，一般腰部助力外骨骼均设有髋关节动力装置，安装在腰部助力机器人的背部支架与外骨骼下肢连接处，且髋关节动力装置设置在腰部两侧，腰部两端髋关节动力装置之间的宽度为固定值，但是每个使用者的腰部宽度不一定相同，因此，腰部助力外骨骼对穿戴者的体型有一定的要求，适用范围具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种轻便灵活、可实现穿戴者自由行走的外骨骼助力机器人。

为实现上述目的，本发明提供了一种外骨骼助力机器人，所述外骨骼助力机器人包括：

背部固定架，所述背部固定架包括腰部固定架、肩部固定架和两个背部梁；两个所述背部梁平行固设于所述腰部固定架与所述肩部固定架之间；

锁紧件，每个所述背部梁上固定一个所述锁紧件；

气缸，所述气缸具有活塞杆和无杆侧端盖；所述无杆侧端盖与所述锁紧件之间铰接；

连接件，所述连接件的一端与所述活塞杆铰接；

联动轴，所述联动轴设置在所述腰部固定架上；所述连接件的另一端固定连接在所述联动轴上；

下肢部件，所述下肢部件与所述联动轴的一端固定连接，所述下肢部件随所述联动轴的转动而转动；

绑带扣，每个所述背部梁上设置一个所述绑带扣；

肩带，所述肩带的一端设置在所述绑带扣上，所述肩带的另一端设置在所述肩部固定架上；

腰带，所述腰带的两端分别与所述腰部固定架的两端相连，用于将所述腰部固定架固定于穿戴者的腰部；

当所述气缸工作时，所述下肢部件压紧所述穿戴者的大腿，所述活塞杆压入所述气缸中，拉动所述连接件的一端，从而所述连接件的另一端带动所述联动轴和所述下肢部件转动，所述肩带向后拉动所述穿戴者的肩部，从而完成直腰动作。

优选的，所述腰部固定架包括腰部背板、两个固定板和两个固定装置；两个所述固定板平行设于所述腰部背板上，每个所述固定板上具有一个所述固定装置；所述背部梁的一端固定于所述固定装置中。

进一步优选的，所述固定装置包括一个或多个固定块，每个所述固定块均包括第一压块、第二压块和两个卡块；所述第一压块固定在所述固定板上，所述第二压块设置于所述第一压块上，所述背部梁固定在所述第一压块与所述第二压块之间；所述第一压块、所述第二压块与所述固定板的两端均开有卡槽，每个所述卡块设置在所述卡槽内，用于将所述第一压块和所述第二压块固定在所述固定板上。

再进一步优选的，所述卡块的两端分别与所述第二压块和所述固定板螺栓连接。

优选的，所述肩部固定架包括连接杆、托架和肩带板；

所述连接杆，所述连接杆的两端分别与两个所述背部梁的另一端端部相连；

所述托架，设置在所述连接杆上；

所述肩带板，通过十字轴与所述托架相连。

优选的，所述活塞杆上设有气缸接头，所述气缸接头与所述连接件铰接。

优选的，所述连接件与所述联动轴之间通过平键连接。

优选的，所述下肢部件包括相互连接的髋弯管和腿挡；所述髋弯管包括第一弯管和第二弯管，所述第一弯管上开有多个第一螺纹孔，所述第二弯管上开有多个第二螺纹孔，所述第一弯管与所述第二弯管通过固定螺栓依次穿设所述第二螺纹孔和所述第一螺纹孔固定连接。

进一步优选的，所述腰部背板的两端均设有两个轴承座，所述轴承座内设有轴承，所述联动轴穿设于所述轴承内。

本发明实施例提供的外骨骼助力机器人，采用髋弯管、腿挡与背部固定架相结合，代替传统的髋关节动力装置，髋弯管和背部固定架均置于穿戴者的背部，因此对穿戴者的体型没有要求，同时，可以根据穿戴者的身高调节背部梁以及髋弯管的长度，适用人群的范围大。此机器人轻便灵活，可实现穿戴者自由行走，结构简单，成本低，其主要应用于频繁弯腰负重场景，能够快速为穿戴者提供辅助力，从而轻松完成搬运作业。

附图说明

图1为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的结构示意图二；

图3为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的主视图；

图4为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的局部放大图；

图5为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的腰部固定架部分图一；

图6为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的腰部固定架部分图二；

图7为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的直腰状态图；

图8为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的弯腰状态图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例涉及提供的外骨骼助力机器人，髋弯管和背部固定架均置于穿戴者的背部，对穿戴者的体型没有要求，同时，可以根据穿戴者的身高调节背部梁以及髋弯管的长度，适用人群的范围大，且此机器人轻便灵活，可实现穿戴者自由行走，并能够快速为穿戴者提供辅助力。

图1、图2、图3、图4、图5和图6分别为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的结构示意图一、结构示意图二、主视图、局部放大图、腰部固定架部分图一和腰部固定架部分图二。结合图1、图2、图3、图4、图5、图6所示：

本发明实施例提供的外骨骼助力机器人具体包括：背部固定架1、锁紧件2、气缸3、连接件4、联动轴5、下肢部件6、气缸接头7、绑带扣8、肩带9和腰带10。

具体的，背部固定架1包括腰部固定架11、肩部固定架12和两个背部梁13，两个背部梁13平行固设于腰部固定架11与肩部固定架12之间。每个背部梁13上固定一个锁紧件2。气缸3具有活塞杆31和无杆侧端盖32，无杆侧端盖32与锁紧件2之间铰接，优选的，活塞杆31上还设有气缸接头7，气缸接头7与连接件4铰接。连接件4的一端与活塞杆31之间铰接，连接件4的另一端固定连接在联动轴5上，联动轴5设置在腰部固定架11上，优选的，连接件4与联动轴5之间通过平键(图中未示出)连接。下肢部件6与联动轴5的一端固定连接，下肢部件6随联动轴5的转动而转动。

其中，腰部固定架11包括腰部背板111、两个固定板112和两个固定装置113，两个固定板112平行设于腰部背板111上，每个固定板112上具有一个固定装置113，背部梁13的一端固定于固定装置113中。固定装置113包括一个或多个固定块114，每个固定块114均包括第一压块1141、第二压块1142和两个卡块1143，第一压块1141固定在固定板112上，第二压块1142设置于第一压块1141上，背部梁13固定在第一压块1141与第二压块1142之间，第一压块1141、第二压块1142与固定板112的两端均开有卡槽1144，每个卡块1143设置在卡槽1144内，用于将第一压块1141和第二压块1142固定在固定板112上，如图5所示，远离腰部背板111的两个固定块114未安装卡块1143，靠近腰部背板111的两个固定块114安装有卡块1143。优选的，卡块1143的两端分别与第二压块1142和固定板112螺栓连接。腰部背板111的两端均设有两个轴承座115，轴承座115内设有轴承116，联动轴5穿设于轴承116内。

肩部固定架12包括连接杆121、托架122和肩带板123。连接杆121的两端分别与两个背部梁13的另一端端部相连，托架122设置在连接杆121上，肩带板123通过十字轴124与托架122相连。

下肢部件6包括相互连接的髋弯管61和腿挡62。髋弯管61包括第一弯管611和第二弯管612，第一弯管611上开有多个第一螺纹孔613，第二弯管612上开有多个第二螺纹孔614，第一弯管611与第二弯管612通过固定螺栓依次穿设第二螺纹孔614和第一螺纹孔613固定连接。

此外，每个背部梁13上设置一个绑带扣8；肩带9的一端设置在绑带扣8上，肩带9的另一端设置在肩部固定架12上；腰带10的两端分别与腰部固定架11的两端相连，用于将腰部固定架11固定于穿戴者的腰部。

通过图1、图2、图3、图4、图5和图6可知，本发明实施例外骨骼助力机器人的整体结构以及各个零件之间的连接关系。图7和图8分别为本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的直腰状态图和弯腰状态图，下面结合图7和图8，对外骨骼助力机器人的弯腰直立过程进行介绍。

当外骨骼助力机器人处于弯腰状态时，如图8所示，气缸3中的活塞杆31处于伸长状态，气缸3与背部梁13之间呈一定的角度，同时，背部梁13与髋弯管61之间的夹角小于180度。当气缸3工作时，活塞杆31压入气缸3中，拉动连接件4的一端，从而连接件4的另一端带动联动轴5和下肢部件6转动，由于下肢部件6穿戴于穿戴者的大腿部，腰带(图中未示出)将腰部固定架11固定在穿戴者的腰部，下肢部件6的转动轴部分即联动轴5与穿戴者的胯部齐高，且直腰过程中穿戴者的大腿部固定，因此，当连接件4的另一端带动联动轴5和下肢部件6转动时，肩带(图中未示出)向后拉动穿戴者的肩部，迫使背部梁13相对下肢部件6逆时针转动，使得穿戴者的背部抬起，从而穿戴者完成腰部直立动作，外骨骼助力机器人转化为直腰状态，如图7所示，气缸3与背部梁13之间平行，且背部梁13与髋弯管61之间的夹角近似180度。

以上是对本实施例提供的外骨骼助力机器人的各个部件、它们之间的连接关系以及弯腰直立过程进行了介绍，下面结合图1-图8，对外骨骼助力机器人的工作原理进行详述。

为既能保证外骨骼助力机器人穿戴牢固，又能保证结构简单轻便，背部固定架1主要由腰部固定架11、肩部固定架12和两个背部梁13构成，腰部固定架11用于腰部的固定，肩部固定架12用于肩部的固定，背部梁13用于连接腰部固定架11和肩部固定架12，平行设置于两者之间，其两端分别固定在腰部固定架11和肩部固定架12上，同时，为减轻外骨骼助力机器人的重量，背部梁13采用中空直筒状。

其中，腰部固定架11起到主要固定支撑的作用，腰部背板111与两个固定板112一体连接，两个固定板112平行连接于腰部背板111上，穿戴时，腰部背板111具有固定板112的一侧朝向穿戴者的头部。腰部固定架11的每个固定板112上均设有固定装置113，用于固定背部梁13的一端，固定装置113包括一个或多个固定块114，为使得腰部固定架11与肩部固定架12之间的间距可调，固定装置113优选包括多个固定块114，在本实施例中，以固定装置113包括两个固定块114为例进行介绍。同时，固定块114为方便拆卸安装的固定装置，包括第一压块1141、第二压块1142和两个卡块1143，第一压块1141与第二压块1142的对接面上均开有用于放置背部梁13的放置槽，第一压块1141固定在固定板112上，然后将背部梁13的一端卡在第一压块1141与第二压块1142之间，并用两个卡块1143将固定板112、第一压块1141和第二压块1142紧紧固定在一起，同时为了固定得更加牢固，卡块1143不发生相对偏移，固定板112、第一压块1141和第二压块1142安装卡块1143的两侧上均开有卡槽1144，卡块1143安装在卡槽1144上，卡块1143的横截面为倒置n字形，其与固定板112和第二压块1142相接触的两端通过螺栓(图中未示出)与固定板112和第二压块1142固定，从而保证了与腰部固定架11固定的背部梁13一端固定的牢固性，且拆卸方便，调节简单。

肩部固定架12起到了肩部的固定作用，肩部固定架12中的连接杆121用于背部梁13的固定，连接杆121的两端分别与两个背部梁13的另一端端部相连。但是，由于在搬运行走过程中，穿戴者的肩部可能会发生相对于腰部的转动，因此，需要肩部固定架12能够相对腰部固定架11发生相对转动，故肩部固定架12还包括托架122、肩带板123和十字轴124，托架122与连接杆121固定连接，用于肩带板123与连接杆121之间的连接，同时托架122与肩带板123之间通过十字轴124连接，从而使得肩带板123相对于托架122以及腰部固定架11发生上下左右的转动，从而使用者穿戴外骨骼助力机器人时行动更自如，不受外骨骼助力机器人的限制。

同时，每个背部梁13上均设一个锁紧件2，用于气缸3的固定，为方便调节腰部固定架11与肩部固定架12之间的距离，锁紧件2可以在背部梁13上移动，从而保证在调节腰部固定架11与肩部固定架12之间的间距时气缸3的无杆侧端盖32与连接件4之间的设定间距不变，保证气缸3的活塞杆31在设定的行程内正常作业。同时，由于气缸3的活塞杆31作业时，气缸3与背部梁13之间会有一定的角度变化，因此，气缸3的两固定端应该活动连接，即气缸3的活塞杆31通过气缸接头7与连接件4铰接，气缸3的无杆侧端盖32与锁紧件2铰接。

此外，下肢部件6包括相互连接的髋弯管61和腿挡62，髋弯管61用于带动腿挡62作业，腿挡62作用于穿戴者的大腿部分，考虑到穿戴的舒适程度，腿挡62可采用与大腿部分相贴合的弯板状结构、L型软管等。

在本实施例中，当使用外骨骼助力机器人时，首先将气缸3的下进气口与气瓶(图中未示出)相连，气瓶为气缸3提供高压气体，并在该机器人上安装陀螺仪(图中未示出)，利用陀螺仪判断穿戴者的动作意图。同时，根据穿戴者的上身长调节锁紧件2在背部梁13上的位置，当需要调节长度比较大时，可以更换较长的背部梁13，并根据穿戴者的下身长调节第一弯管611与第二弯管612之间的安装位置，使得腿挡62位于穿戴者大腿的合适位置处。之后将腰带10安装在腰部背板111上，并将两个肩带9分别安在两组绑带扣8与肩带板123之间，穿戴者利用腰带10将腰部固定架11固定在其腰上，利用肩带9将肩部固定架12固定在其肩上，从而将整个外骨骼助力机器人穿戴于身上，主要部分位于穿戴者的背部，下肢部件6中的腿挡62部分位于穿戴者的大腿部分。

当穿戴者处于直立状态时，背部梁13与髋弯管61之间的夹角近似180度，穿戴者作出弯腰动作趋势，陀螺仪判断人的动作意图，并控制机器人作出相应的反应，气缸3的上进气口通过低压空气，保证穿戴者在弯腰过程中不会受到外骨骼助力机器人任何的阻碍，从而顺利完成弯腰动作。

当穿戴者处于弯腰状态时，背部梁13与髋弯管61之间的夹角小于180度，穿戴者作出直腰动作趋势，陀螺仪判断人的动作意图，并控制机器人作出相应的反应，气缸3的下进气口通入高压气体，气缸3的活塞杆31收回，拉动连接件4的一端，由于连接件4的另一端与联动轴5通过平键固定连接，使得连接件4的另一端带动联动轴5及其上的下肢部件6相对转动，从而背部梁13逆时针转动，从而完成直腰动作。另一方面，由于两个腿挡62分别连接不同的气缸3，因此，穿戴者在行走过程中，腿挡62部分会随大腿的运动而摆动，从而保证穿戴者能够自如行走。

本发明实施例提供的外骨骼助力机器人，采用髋弯管、腿挡与背部固定架相结合，代替传统的髋关节动力装置，髋弯管和背部固定架均置于穿戴者的背部，因此对穿戴者的体型没有要求，同时，可以根据穿戴者的身高调节背部梁以及髋弯管的长度，适用人群的范围大。此机器人轻便灵活，可实现穿戴者自由行走，结构简单，成本低，其主要应用于频繁弯腰负重场景，能够快速为穿戴者提供辅助力，从而轻松完成搬运作业。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种外骨骼助力机器人，其特征在于，所述外骨骼助力机器人包括：

背部固定架，所述背部固定架包括腰部固定架、肩部固定架和两个背部梁；两个所述背部梁平行固设于所述腰部固定架与所述肩部固定架之间；

锁紧件，每个所述背部梁上固定一个所述锁紧件；

气缸，所述气缸具有活塞杆和无杆侧端盖；所述无杆侧端盖与所述锁紧件之间铰接；

连接件，所述连接件的一端与所述活塞杆铰接；

联动轴，所述联动轴设置在所述腰部固定架上；所述连接件的另一端固定连接在所述联动轴上；

下肢部件，所述下肢部件与所述联动轴的一端固定连接，所述下肢部件随所述联动轴的转动而转动；

绑带扣，每个所述背部梁上设置一个所述绑带扣；

肩带，所述肩带的一端设置在所述绑带扣上，所述肩带的另一端设置在所述肩部固定架上；

腰带，所述腰带的两端分别与所述腰部固定架的两端相连，用于将所述腰部固定架固定于穿戴者的腰部；

当所述气缸工作时，所述下肢部件压紧所述穿戴者的大腿，所述活塞杆压入所述气缸中，拉动所述连接件的一端，从而所述连接件的另一端带动所述联动轴和所述下肢部件转动，所述肩带向后拉动所述穿戴者的肩部，从而完成直腰动作。

2.根据权利要求1所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述腰部固定架包括腰部背板、两个固定板和两个固定装置；两个所述固定板平行设于所述腰部背板上，每个所述固定板上具有一个所述固定装置；所述背部梁的一端固定于所述固定装置中。

3.根据权利要求2所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述固定装置包括一个或多个固定块，每个所述固定块均包括第一压块、第二压块和两个卡块；所述第一压块固定在所述固定板上，所述第二压块设置于所述第一压块上，所述背部梁固定在所述第一压块与所述第二压块之间；所述第一压块、所述第二压块与所述固定板的两端均开有卡槽，每个所述卡块设置在所述卡槽内，用于将所述第一压块和所述第二压块固定在所述固定板上。

4.根据权利要求3所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述卡块的两端分别与所述第二压块和所述固定板螺栓连接。

5.根据权利要求2所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述肩部固定架包括连接杆、托架和肩带板；

所述连接杆的两端分别与两个所述背部梁的另一端端部相连；

所述托架设置在所述连接杆上；

所述肩带板通过十字轴与所述托架相连。

6.根据权利要求1所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述连接件与所述联动轴之间通过平键连接。

7.根据权利要求1所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述下肢部件包括相互连接的髋弯管和腿挡；所述髋弯管包括第一弯管和第二弯管，所述第一弯管上开有多个第一螺纹孔，所述第二弯管上开有多个第二螺纹孔，所述第一弯管与所述第二弯管通过固定螺栓依次穿设所述第二螺纹孔和所述第一螺纹孔固定连接。

8.根据权利要求2所述的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述腰部背板的两端均设有两个轴承座，所述轴承座内设有轴承，所述联动轴穿设于所述轴承内。

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