CN108724152A - 一种用于原地举升负载的上肢助力机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上肢助力机构，包括：前臂机构、上臂机构、后背板、肩关节板；前臂机构一端为负载固定部，另一端与上臂机构的一端通过肘关节转盘连接；上臂机构的另一端与肩关节板通过肩关节转盘连接；上臂机构设有齿轮组，齿轮组能够使上臂机构与肘关节转盘连接的一端转动；肩关节板与后背板连接；齿轮组由第一电机驱动进行转动，肩关节转盘由第二电机驱动进行转动，肘关节转盘由第三电机驱动进行转动。本发明根据对操作人员原地举升负载受力分析设计了三自由度助力形式，实现精准助力，避免了更多自由度助力的引入带来助力机构自身重量的提升以及机构冗余性。

Description

一种用于原地举升负载的上肢助力机构

技术领域

本发明涉及助力机械技术领域，尤其涉及一种用于原地举升负载的上肢助力机构。

背景技术

目前，装卸货物等物流作业过程中存在以下问题：

1、数量大且质量较轻的负载重物靠单人反复搬运，时间久后会导致操作人员肌肉酸痛；

2、质量大的重型负载单人无法独立作业，需要多人协同，增加了人力成本。

因此，通过对操作人员的外部助力实现单人作业能力的提升是解决以上问题的关键所在。

专利《七自由度上肢助力外骨骼机器人》(201510101996.X)、《一种主被动混合上肢康复训练外骨骼》(201610161507)主要面向的是瘫痪病人的康复医疗领域设计的上肢外骨骼，因此其并未考虑外骨骼自身重量，并且自由度尽量与人上肢贴合，这样才能保证上肢恢复的有效性，但此种形式的外骨骼由于自由度较多导致机构较为复杂且质量较大，因此不适于举升负载使用。

专利《一种可穿戴搬运助力装置》(201610154098)主要是考虑了从地面搬起重物时对腰部进行助力，而并未对上肢进行有效助力；《一种用于辅助搬运的全身外骨骼助力机器人》(201611165523)主要是面向搬运助力的外骨骼，其机构主要是对矢状面内以及冠状面的关节进行助力，并不适用于举升负载。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于原地举升负载的上肢助力机构，用以解决现有机构不能再举升负载时为操作人员提供科学的助力的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明的一个实施例中，一种用于原地举升负载的上肢助力机构，上肢助力机构包括：前臂机构、上臂机构、后背板、肩关节板；

前臂机构一端为负载固定部，另一端与上臂机构的一端通过肘关节转盘连接，且实现前臂机构在矢状面内转动；上臂机构的另一端与肩关节板通过肩关节转盘连接，且实现上臂机构在矢状面内转动；上臂机构设有齿轮组，齿轮组能够使上臂机构与肘关节转盘连接的一端转动，且转动轴与上臂机构的轴线平行或重合；肩关节板与后背板连接；

齿轮组由第一电机驱动进行转动，肩关节转盘由第二电机驱动进行转动，肘关节转盘由第三电机驱动进行转动。

本发明的一个实施例中，齿轮组包括：驱动齿轮和从动齿轮；驱动齿轮和从动齿轮相互啮合；

上臂机构包括：转动部和固定部；转动部和固定部的轴线共线，且转动部能够绕轴线转动；转动部和固定部连接；

固定部和第一电机固定连接，固定部和肩关节转盘通过肩关节支座固定连接，且肩关节转盘带动固定部转动；第一电机的输出轴与驱动齿轮固定连接；转动与从动齿轮连接，并与肘关节转盘的转轴通过肘关节支座连接，且从动齿轮带动转动部转动。

本发明的一个实施例中，从动齿轮为设置在转动部的半齿轮。

本发明的一个实施例中，第二电机固定安装在后背板上，且第二电机的输出轴上固定安装有肩关节拉线转盘，第二电机的输出轴上设有第二电机制动器；肩关节拉线转盘与肩关节转盘均与肩关节拉线连接。

本发明的一个实施例中，第三电机固定安装在后背板上，且第三电机的输出轴上固定安装有肘关节拉线转盘，第三电机的输出轴上设有第三电机制动器；肘关节拉线转盘与肘关节转盘均与肘关节拉线连接。

本发明的一个实施例中，肩关节板包括第一肩关节板和第二肩关节板；

第一肩关节板包括第一面板与第二面板；第一面板与第二面板夹角为150°，且为一体结构；第二肩关节板包括第三面板和第四面板；第三面板和第四面板夹角为120°，且为一体结构；

第一面板与肩关节转盘的转轴连接；第二面板设有直线安装槽，第三面板设有至少两个共线的安装孔，第二面板与第三面板通过螺栓固定连接，且螺栓穿过安装孔和直线安装槽；第四面板与后背板通过转轴连接，且连接处设有第二肩关节编码器，用来测量上臂机构在冠状面内的转动角度。

本发明的一个实施例中，前臂机构与肘关节转盘固定连接，且肘关节转盘带动前臂机构转动；

上肢助力机构还设有弹簧；弹簧的一端与转动部连接，另一端与前臂机构连接，且当前臂机构伸直时，弹簧处于拉伸状态。

本发明的一个实施例中，前臂机构设有负载固定部的一端设有持握部，且持握部上设有三维力传感器；

负载固定部为挂钩结构。

本发明的一个实施例中，转动部上设有肘关节编码器，用来测量肘关节转盘转动的角度；

第一肩关节板上设有第一肩关节编码器，用来测量肩关节转盘转动的角度。

本发明的一个实施例中，后背板上设有电气驱控盒，电气驱控盒包括接收器和控制器，接收器接收第一肩关节编码器、第二肩关节编码器、肘关节编码器、第一电机的编码器、三维力传感器的信号；

控制器控制第一电机、第二电机、第三电机的转动。本发明实施例的有益效果是：

1、本发明在设计之前，首先对操作人员原地举升负载的动作过程通过三维运动捕捉以及运动跑台装置进行了实验测试并进行了详细受力分析，针对负载举升过程中受力较大的关节设计了三自由度助力形式，实现精准助力，避免了更多自由度助力的引入带来助力机构自身重量的提升以及机构冗余性；

2、本发明通过对三个自由度的助力，不仅能够使操作人员举升期望能够承受的负载，还能帮助操作人员对其个人本无法举升的载荷进行举升；

3、本发明通过助力的形式，在操作过程中极大地节省了操作人员消耗的体力，有效减轻了操作人员长时间举升重物带来的肌肉疲劳；

4、本发明通过电机对各个自由度的运动进行助力，同时可以将矢状面内的各个自由度的运动角度进行锁定，可以实现举升后的负载搬运或维持高度等作业；

5、本发明在举升负载前先通过对弹簧的拉伸进行储能，提升了本发明对负载举升的被动助力效果。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例在右手使用时后面的结构示意图；

图2为本发明实施例在右手使用时前面的结构示意图；

图3为本发明实施例在右手使用时的后视图；

附图标记：

1-挂钩；2-把手；3-前臂机构；4-弹簧；5-肘关节编码器；6-肘关节转盘；7-上臂机构；8-齿轮组；9-第一电机；10-肩关节支座；11-第一肩关节编码器；12-肩关节转盘；13-第一肩关节板；14-第二肩关节板；15-第二肩关节编码器；16-后背板；17-肩关节拉线；18-第二电机；19-第二电机制动器；20-肩关节拉线转盘；21-肘关节拉线；22-第三电机；23-第三电机制动器；24-肘关节拉线转盘；25-电气驱控盒

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

为了使本发明的实施例在进行助力时更加科学有效，在进行设计之前，首先对操作人员原地举升负载的动作过程通过三维运动捕捉以及运动跑台装置进行了实验测试并进行了详细受力分析。通过分析得知，在举升负载过程中，操作人员上肢肩关节矢状面转动、水平面旋转方向以及肘关节矢状面转动三个自由度受负载力矩影响最大。因此设计上肢助力机构应从这三个自由度去考虑，而上肢其余自由度由于在举升负载时并未受到负载力矩较大影响，因此，不需要考虑助力。

基于以上考虑，本发明实施例公开了一种用于原地举升负载的上肢助力机构，上肢助力机构包括：前臂机构3、上臂机构7、后背板16、肩关节板；后背板16与操作人员的后背固定，前臂机构3与操作人员的前臂固定，上臂机构7与操作人员的上臂固定，均可以采用固定带等形式进行固定或捆绑。

前臂机构3一端为负载固定部，用于连接固定负载，示例性的，本发明实施例中负载固定部为挂钩1结构，钩住负载，对负载进行举升。前臂机构3的另一端与上臂机构7的一端通过肘关节转盘6连接，且实现前臂机构3的矢状面内转动，肘关节转盘6由第三电机22驱动进行转动，即对第三自由度进行助力。上臂机构7的另一端与肩关节板通过肩关节转盘12连接，且实现上臂机构7的矢状面内转动，肩关节转盘12由第二电机18驱动进行转动，即对第二自由度进行助力。上臂机构7设有齿轮组8，齿轮组8能够使上臂机构7与肘关节转盘6连接的一端转动，且转动轴与上臂机构7的轴线平行或重合，齿轮组8由第一电机9驱动进行转动，即对第一自由度进行助力。此外，肩关节板与后背板16连接，且肩关节板能够在冠状面内进行转动，虽然此处也是自由度，但是在举升负载的过程中，并不需要承受很大的作用力，因此不需要助力。

由于本发明实施例实际应用时更面向普通人使用，从整个机构的简洁程度上来考虑，不易设置得过于复杂，反而会使整个机构的操作难度增加或制造难度和成本增加。因此本发明实施例中，齿轮组8包括：驱动齿轮和从动齿轮；驱动齿轮和从动齿轮相互啮合；通过两个齿轮之间的动力传递，既保证了充足的力矩大小和转动角度大小，还节省了上臂机构7的径向空间。

齿轮组8结合上臂机构7，能够实现在举升过程中前臂的周向转动，即调整前臂的姿态的方位角。因此本发明实施例中，上臂机构7包括：转动部和固定部；转动部和固定部的轴线共线，且转动部能够绕轴线转动；转动部和固定部连接；固定部与肩关节转盘12固定连接，固定部和第一电机9通过肩关节支座10固定连接，且肩关节转盘12带动固定部转动；第一电机9的输出轴与驱动齿轮固定连接；转动与从动齿轮连接，并与肘关节转盘6的转轴通过肘关节支座连接，且从动齿轮带动转动部转动。

通过对人体举升负载时的大量生理数据的分析，在举升负载时，手臂的周向转动角度一般不超过180°，因此，从动齿轮为设置在转动部的半齿轮，可以避免多于的齿划伤他人，也可以对上臂机构7的传动角度进行限位，防止第一电机9异常转动造成操作人员的肘关节损伤。

考虑到肩关节处的结构过于复杂会影响肩关节的运动，本发明实施例中，第二电机18固定安装在后背板16上，且第二电机18的输出轴上固定安装有肩关节拉线转盘20；肩关节拉线转盘20与肩关节转盘12均与肩关节拉线17连接。实际使用时，第二电机18带动肩关节拉线转盘20转动，肩关节拉线转盘20拉动肩关节拉线17，进而带动肩关节转盘12转动，实现上臂机构7的矢状面转动。

基于同样的原因，本法发明实施例中，第三电机22固定安装在后背板16上，且第三电机22的输出轴上固定安装有肘关节拉线转盘24；肘关节拉线转盘24与肘关节转盘6均与肘关节拉线21连接。实际使用时，第三电机22带动肘关节拉线转盘24转动，肘关节拉线转盘24拉动肘关节拉线21，进而带动肘关节转盘6转动，实现前臂机构3的矢状面转动。

示例性的，肩关节拉线17和肘关节拉线21均采用博登拉线，保证拉线的高强度和低形变。

本发明实施例在实际使用时，需要让上肢助力机构尽量不会影响操作人员的运动，因此，肩关节的结构除了要实现上臂机构7矢状面的转动外，还要实现上臂机构7冠状面的转动。本发明实施例中，肩关节板包括第一肩关节板13和第二肩关节板14；第一肩关节板13包括第一面板与第二面板；第一面板与第二面板夹角为150°，且为一体结构；第二肩关节板14包括第三面板和第四面板；第三面板和第四面板夹角为120°，且为一体结构。第一面板与肩关节转盘12的转轴连接。第四面板与后背板16通过转轴连接，且设有第二肩关节编码器15，用来测量上臂机构7在冠状面内的转动角度。虽然该自由度并不需要进行助力，但是在根据上肢助力机构的姿态来调整各个电机的转动角度时，第二肩关节编码器15的测量结果是必不可少的。此外实际使用时，需保证第一面板与第二面板的夹角与第三面板和第四面板的夹角的和为270°，即第一面板与第四面板之间的夹角为90°，保证肩关节转盘12位于后背板16的前侧，且能在矢状面内转动。

本发明实施例在实际使用时，还需要考虑操作人员的身材，比如手臂的长短，因此需要设计能够对上肢助力机构进行局部的尺寸调整。本发明实施例中，第二面板设有直线安装槽，第三面板设有至少两个共线的安装孔，第二面板与第三面板通过螺栓固定连接，且螺栓穿过安装孔和直线安装槽。实际调整时，将螺栓拧松，第一肩关节板13就可以沿直线安装槽前后滑动，实现对上肢助力机构的尺寸调整，调整好后，只需要再次拧紧螺栓，即可将此时的尺寸进行固定。

通过对人体举升负载时的大量生理数据的分析，在举升负载时，前臂受到的作用力较大，因此，如果只依靠第三电机22来对肘关节进行助力，很可能助力效果一般，为了进一步提升助力效果，本发明实施例中，前臂机构3与肘关节转盘6固定连接，且肘关节转盘6带动前臂机构3转动；上肢助力机构还设有弹簧4；弹簧4的一端与转动部连接，另一端与前臂机构3连接，且当前臂机构3伸直时，弹簧4处于拉伸状态。处于拉伸状态的弹簧4，在操作人员搬运起负载前提供一定的弹性储能，并在搬起阶段提供一定的被动助力，进一步的提升助力效果。

优选的，弹簧4的一端与与转动部的中部连接，另一端与前臂机构3的中部连接。如果弹簧4的连接点过于靠近肘关节转盘6，弹簧4产生的力矩较小，助力效果会大打折扣，如果过于远离肘关节转盘6，弹簧4的长度就要大大增加，而对助力效果的提升不甚明显。

出于自动化的考虑，上肢助力机构需要能够对操作人员的动作意图进行识别，因此本发明实施例中，前臂机构3设有负载固定部的一端设有持握部，示例性的，本发明实施例采用把手2，且持握部上设有三维力传感器，用于检测操作人员与上肢助力机构之间的交互力，即操作人员可以对把手2施加作用力，三维力传感器会对该作用力进行识别，并判断操作人员施加的作用力的方向，作为本发明实施例提供助力的运动方向。

为了对前臂机构3的转动角度进行测量，转动部上设有肘关节编码器5，用来测量肘关节转盘6转动的角度；为了对上臂机构7的转动角度进行测量，第二肩关节板14上设有第一肩关节编码器11，用来测量肩关节转盘12转动的角度。

本发明实施例中，后背板16上设有电气驱控盒25，电气驱控盒25接收第一肩关节编码器11、第二肩关节编码器15、肘关节编码器5、第一电机9的编码器、第二电机18的编码器、第三电机22的编码器、三维力传感器的信号；电气驱控盒25控制第一电机9、第二电机18、第三电机22转动。电气驱控盒25结构各个编码器采集到的结果，计算出上肢助力机构的空间姿态，依据三维力传感器的监测结果，分析上肢助力机构朝对应方向进行助力的方向，并以此计算出各个电机的转动角度和速度，实现上肢助力机构的助力过程

本发明实施例的具体使用原理为：

操作人员穿戴上肢助力机构后，原地进行举升负载。由于弹簧4的预紧力，前臂机构3与上臂机构7存在一定的夹角，操作人员首先握住把手2将前臂机构3与上臂机构7夹角进一步增大，实现弹性储能。然后通过挂钩1与负载相连，操作人员开始抬起负载，三维力传感器检测到操作人员与上肢助力机构的交互力值大小，数据传递到电气驱控盒25中，通过肘关节编码器5、第一肩关节编码器11、第二肩关节编码器15以及电机自带编码器采集各关节自由度的角度变化数据传递到电气驱控盒25中。电气驱控盒25的控制系统进行空间力学解算，得到各关节的力矩补偿值。根据力矩补偿值进行计算得到第一电机9、第二电机18以及第三电机22的输出电流值，并将指令输出到第一电机9、第二电机18以及第三电机22分别提供相应的力矩。第一电机9转动带动齿轮组8实现上臂机构7转动，为肩关节周向转动自由度提供助力；第二电机18转动带动肩关节拉线17实现肩关节矢状面转动，为上臂抬起提供助力；第三电机22转动带动肘关节拉线21实现肘关节矢状面转动，为前臂抬起提供助力。当举升负载到需求位置时，由控制系统发出指令，第二电机制动器19上电使得第二电机18制动并保持在相应位置，第三电机制动器23上电使得第三电机22制动并保持在相应位置，最终完成负载的举升。

本发明实施例中，可以将整个上肢助力机构设计为右手使用，也可以设计为左手使用，即左手使用和右手使用时，整个上肢助力机构左右左右对称。本发明实施例也可以设计为左右手同时使用，即将左手使用和右手使用时的上肢助力机构的后背板16设置为一整块板，其他机构均设置在一整块的后背板16上。

综上所述，本发明实施例提供了一种用于原地举升负载的上肢助力机构，本发明根据对操作人员原地举升负载受力分析设计了三自由度助力形式，实现精准助力，避免了更多自由度助力的引入带来助力机构自身重量的提升以及机构冗余性；可帮助操作人员面对无法举升的负载重物时提供额外助力，完成负载的举升；可帮助操作人员减轻长时间举升重物带来的肌肉疲劳。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于原地举升负载的上肢助力机构，其特征在于，所述上肢助力机构包括：前臂机构(3)、上臂机构(7)、后背板(16)、肩关节板；

所述前臂机构(3)一端为负载固定部，另一端与所述上臂机构(7)的一端通过肘关节转盘(6)连接，且实现所述前臂机构(3)在矢状面内转动；所述上臂机构(7)的另一端与肩关节板通过肩关节转盘(12)连接，且实现所述上臂机构(7)在矢状面内转动；所述上臂机构(7)设有齿轮组(8)，所述齿轮组(8)能够使所述上臂机构(7)与肘关节转盘(6)连接的一端转动，且转动轴与所述上臂机构(7)的轴线平行或重合；所述肩关节板与后背板(16)连接；

所述齿轮组(8)由第一电机(9)驱动进行转动，所述肩关节转盘(12)由第二电机(18)驱动进行转动，所述肘关节转盘(6)由第三电机(22)驱动进行转动。

2.根据权利要求1所述的上肢助力机构，其特征在于，所述齿轮组(8)包括：驱动齿轮和从动齿轮；所述驱动齿轮和从动齿轮相互啮合；

所述上臂机构(7)包括：转动部和固定部；所述转动部和固定部的轴线共线，且转动部能够绕轴线转动；所述转动部和固定部连接；

所述固定部和第一电机(9)固定连接，所述固定部和肩关节转盘通过肩关节支座(10)固定连接，且所述肩关节转盘(12)带动所述固定部转动；所述第一电机(9)的输出轴与所述驱动齿轮固定连接；所述转动与从动齿轮连接，并与肘关节转盘(6)的转轴通过肘关节支座连接，且所述从动齿轮带动所述转动部转动。

3.根据权利要求2所述的上肢助力机构，其特征在于，所述从动齿轮为设置在所述转动部的半齿轮。

4.根据权利要求2所述的上肢助力机构，其特征在于，所述第二电机(18)固定安装在所述后背板(16)上，且所述第二电机(18)的输出轴上固定安装有肩关节拉线转盘(20)，所述第二电机(18)的输出轴上设有第二电机制动器(19)；所述肩关节拉线转盘(20)与所述肩关节转盘(12)均与肩关节拉线(17)连接。

5.根据权利要求4所述的上肢助力机构，其特征在于，所述第三电机(22)固定安装在所述后背板(16)上，且所述第三电机(22)的输出轴上固定安装有肘关节拉线转盘(24)，所述第三电机(22)的输出轴上设有第三电机制动器(23)；所述肘关节拉线转盘(24)与所述肘关节转盘(6)均与肘关节拉线(21)连接。

6.根据权利要求5所述的上肢助力机构，其特征在于，所述肩关节板包括第一肩关节板(13)和第二肩关节板(14)；

所述第一肩关节板(13)包括第一面板与第二面板；所述第一面板与第二面板夹角为150°，且为一体结构；所述第二肩关节板(14)包括第三面板和第四面板；所述第三面板和第四面板夹角为120°，且为一体结构；

所述第一面板与肩关节转盘(12)的转轴连接；所述第二面板设有直线安装槽，所述第三面板设有至少两个共线的安装孔，所述第二面板与第三面板通过螺栓固定连接，且螺栓穿过安装孔和直线安装槽；所述第四面板与所述后背板(16)通过转轴连接，且连接处设有第二肩关节编码器(15)，用来测量上臂机构(7)在冠状面内的转动角度。

7.根据权利要求6所述的上肢助力机构，其特征在于，所述前臂机构(3)与所述肘关节转盘(6)固定连接，且所述肘关节转盘(6)带动所述前臂机构(3)转动；

所述上肢助力机构还设有弹簧(4)；所述弹簧(4)的一端与所述转动部连接，另一端与所述前臂机构(3)连接，且当所述前臂机构(3)伸直时，所述弹簧(4)处于拉伸状态。

8.根据权利要求7所述的上肢助力机构，其特征在于，所述前臂机构(3)设有负载固定部的一端设有持握部，且所述持握部上设有三维力传感器；

所述负载固定部为挂钩(1)结构。

9.根据权利要求8所述的上肢助力机构，其特征在于，所述转动部上设有肘关节编码器(5)，用来测量所述肘关节转盘(6)转动的角度；

所述第一肩关节板(13)上设有第一肩关节编码器(11)，用来测量所述肩关节转盘(12)转动的角度。

10.根据权利要求1至9所述的上肢助力机构，其特征在于，所述后背板(16)上设有电气驱控盒(25)，所述电气驱控盒(25)包括接收器和控制器，所述接收器接收第一肩关节编码器(11)、第二肩关节编码器(15)、肘关节编码器(5)、第一电机(9)的编码器、三维力传感器的信号；

所述控制器控制第一电机(9)、第二电机(18)、第三电机(22)的转动。