CN109176463A - 一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，包括左外骨骼手臂和右外骨骼手臂，所述左外骨骼手臂和右外骨骼手臂分别与外骨骼躯干连接，所述外骨骼髋关节分别与左外骨骼下肢和右外骨骼下肢连接，其特征在于，还设有左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂及电力自控系统，所述左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂分别与外骨骼髋关节连接，所述电力自控系统分别与左外骨骼手臂和右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢和右外骨骼下肢及左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂电连接。本发明结构简单，适用性好，安全性高，不仅适用于医疗康复老人或病人防倾防摔保持平衡使用，还适用于对重物的辅助搬运，提高可搬运重物重量。

Description

一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼

技术领域

本发明涉及机械外骨骼技术领域，具体涉及一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼。

背景技术

当前，机械外骨骼技术迅速发展，在军事领域、医疗护理领域、工程建设、救灾发掘、户外活动、重复性较高的汽车生产工作和搬运行业已有诸多运用，而且随着时代的发展，机械外骨骼的作用会愈加广泛，需求也越加紧迫。

随着中国加速进入老龄化社会，老年病医疗资源严重不足，尤其是康复理疗人才紧缺，因此，对机械外骨骼的开发设计具有极大市场价值。但开发设计此类机械外骨骼，首先要注意的是人体的安全性，虽然目前日本、韩国和瑞士等国家开发了应用于医疗康复领域的外骨骼助力机器人，帮助体弱和行走不便的老人行走，已经取得了一定的成果，但在人体安全性和防倾倒伤害防护方面的措施不多。

CN201610684165.4公开了一种人体穿戴式减压助力机械外骨骼装置，包括自上而下依次连接的肩关节外骨骼多杆机构、脊柱关节外骨骼双六轴平台机构、髋关节外骨骼多杆机构和两个小腿足部支撑外骨骼机构，脊柱关节外骨骼双六轴平台机构的顶部和底部分别与肩关节外骨骼多杆机构底部中间和髋关节外骨骼多杆机构的顶部中间固定连接，每个小腿足部支撑外骨骼机构的上端分别与髋关节外骨骼多杆机构的下端左侧和右侧连接，此发明虽提供了一种多自由度、可大范围活动的协助老年人行走，且可减轻人体负重的外骨骼方案，但其仍存在一些问题：（1）结构复杂，体积较大，与人体契合度变差，在穿戴时会出现身体不平衡的问题；（2）不平衡的重心设计使其驱动器一直处于工作状态，特别是在背负重物时，能耗大，且对整机助行里程影响较大；（3）在背负重物时存在向后倾倒的风险，无有效的防止倾倒措施，极大可能对穿戴人，尤其是老年人造成不可逆的伤亡事故。

另外，重复性较高的搬运行业追求高效且更人性化的搬运工作，外骨骼助力搬运机器人也极具开发潜力。为此，各国科研工作者在外骨骼领域的设计方案层出不穷，但现有各种方案均存在一些不足。例如：CN 201611165525.6公开了一种负重外骨骼脱离装置及脱离方法，包括检测模块、报警模块、人体控制模块、主控制模块、脱离模块，脱离装置的工作原理是检测模块检测外骨骼机器人平衡参数，并将平衡参数发给主控制模块，在出现不平衡状态时，控制报警模块发出危险信号，并检测人体控制模块信号，然后控制脱离模块的电磁铁脱离绑在人身上的铁片；此技术方案仍存在以下不足：（1）在检测到不平衡模块信号时外骨骼已经处于不平衡状态，即使脱离外骨骼，也会造成人员损伤，安全性虽有提升但实用性不高；（2）仅采用脱离装置脱离理论上存在更大风险，脱离的同时倾倒可能会对人体造成更大威胁；（3）对外骨骼本体无防护措施，可能在发生不平衡时损坏外骨骼，让拥有者蒙受损失。

CN 201611165525.6公开了一种外骨骼搬运助力机器人，包括背部支架、中央控制器、外骨骼上肢部件与外骨骼下肢部件，中央控制器固定安装至背部支架的后侧；两个结构相同的下肢部件分别安装在背部支架的两侧，髋关节动力装置安装在腰部助力机器的背部支架与外骨骼下肢连接处，肩关节动力装置安装在外骨骼肩部，髋关节动力装置与肩关节动力装置由传动装置、谐波减速器、盘式电机与角度传感器组成，角度传感器用于测得角度值由中央控制器控制相应关节的运动，外骨骼下肢包括外骨骼大腿、外骨骼鞋及伸缩装置，外骨骼上肢包括外骨骼上臂、下臂和肘关节自锁机构；此方案存在以下不足：（1）外骨骼搬运需使用外骨骼上肢部件通过人工控制来实现托或抱等方式来搬运，对较重货物无法搬运或无法实现平衡搬运，对体积稍大货物搬运存在搬运不牢固不稳定的隐患；（2）仅靠角度传感器来控制搬运机器人搬运货物，机器人的运动范围和动作有极大限制；（3）平衡性难以实现，存在倾倒和摔坏所搬运物品的风险，更无法对人员形成有力保护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种结构简单、安全性好，可辅助搬运携带重物，可时刻保持外骨骼及人体平衡性或在出现倾倒危险时能紧急反应支撑并回正重心保持平衡的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，包括左外骨骼手臂和右外骨骼手臂，所述左外骨骼手臂和右外骨骼手臂分别与外骨骼躯干连接，所述外骨骼躯干与外骨骼髋关节连接，所述外骨骼髋关节分别与左外骨骼下肢和右外骨骼下肢连接，其特征在于，还设有左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂及电力自控系统，所述左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂分别与外骨骼髋关节或外骨骼躯干连接，所述电力自控系统分别与左外骨骼手臂和右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢和右外骨骼下肢及平衡辅助机械臂电连接。

进一步，所述平衡辅助机械臂包括大臂、小臂和机械手，所述大臂的一端通过三维关节与外骨骼髋关节连接，另一端通过二维关节与小臂一端铰接，所述小臂另一端通过二维关节与机械手铰接。

进一步，所述三维关节由相互垂直的两个二维关节构成，所述二维关节优选由伺服控制器和伺服电机控制的铰链结构。

进一步，所述平衡辅助机械臂的大臂和小臂还设有伸缩机构，伸缩机构可在出现倾倒危险时，快速伸缩大小臂，在实现支撑地面的同时，使外骨骼快速回正重心，保持平衡。

进一步，所述伸缩机构优选电动缸或直线电机等。

进一步，所述平衡辅助机械臂还可为柔性平衡辅助机械臂。

进一步，所述柔性平衡辅助机械臂包括可伸缩管道、三或四条拉线和拉线机构，所述拉线均布在可伸缩管道侧部，拉线一端固定可伸缩管道的端部，另一端通过拉线机构固定在可伸缩管道的另一端，其可伸缩管道通过气体或液体驱动可伸缩管道伸长和支撑，通过均布的拉线实现收缩和弯曲；所述柔性平衡辅助臂包括三组或四组柔性丝杆和固定机构以及驱动机构，所述柔性丝杆一端与固定机构固连，另一端通过驱动机构连接，通过调节一组或多组丝杆实现柔性平衡辅助臂的伸缩和角度调节。

进一步，所述电力自控系统包括储能机构和与储能机构电连接的控制机构，所述储能机构与左外骨骼手臂和右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢、右外骨骼下肢、左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂电连接，所述控制机构包括安装在外骨骼髋关节上或外骨骼躯干上的平衡检测模块、安装在外骨骼躯干上的主控制器和分别安装在左外骨骼手臂、右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢、右外骨骼下肢、左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂上的辅助控制器，所述平衡检测模块与主控制器电连接，所述主控制器与各辅助控制器电连接。

进一步，所述平衡辅助机械臂的机械手为可以减缓冲击的弹性机械手，可在回正时缓慢释放能量做回正动力。

进一步，所述平衡辅助机械臂还设有负重联动机构，负重联动机构包括设置在各肢体和平衡辅助机械臂上的力传感器，力传感器负重联动机构在检测到外骨骼手臂或外骨骼下肢受力达到设定值时，平衡辅助机械臂可为外骨骼手臂或外骨骼下肢减负。

进一步，所述柔性平衡辅助机械臂还设有激光位移传感器或拉线位移传感器，用于测量拉线或丝杆拉出长度，以便确定弯曲角度或收缩程度。

本发明具有以下积极效果：1）可有效保护使用机械外骨骼帮助行走人员的安全，而且可有效防止外骨骼与硬物碰击损伤；2）可时刻保持机械外骨骼及人体平衡性或在出现倾倒危险时，能紧急反应支撑并回正重心，保持平衡状态；3）所述平衡辅助手臂可解放使用机械外骨骼助行人员的双手，不仅可搬运携带重物，而且可进行多功能的调配使用；4）结构简单，适用性好，安全性高，不仅适用于医疗康复老人或病人防倾防摔保持平衡使用，还适用于对重物的辅助搬运，提高可搬运重物重量；同时，本发明可对机械外骨骼进行进一步改进和推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例1电力自控系统的结构图；

图3为本发明实施例2的结构示意图；

图4为本发明实施例3的髋关节上柔性平衡辅助机械臂的安装位置示意图；

图5为本发明实施例3的柔性平衡辅助机械臂的结构示意图。

图中，1-外骨骼手臂，11-左外骨骼手臂，12-右外骨骼手臂，2-外骨骼躯干，3-外骨骼髋关节，4-外骨骼下肢，41-左外骨骼下肢，42-右外骨骼下肢，5-平衡辅助机械臂，51-左平衡辅助机械臂，52-右平衡辅助机械臂，511-大臂，512-小臂，513-机械手，514-伸缩机构，515-三维关节，516-二维关节，517-第二二维关节，5’-柔性平衡辅助机械臂，51’-拉线机构，52’-拉线，53’-可伸缩管道,6-电力自控系统，61-储能机构，62-控制机构，621-平衡检测模块，622-主控制器，623-辅助控制器。

具体实施方式

实施例1

参照图1和图2，一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，包括左外骨骼手臂11和右外骨骼手臂12，所述左外骨骼手臂11和右外骨骼手臂12分别与外骨骼躯干2连接，所述外骨骼躯干2与外骨骼髋关节3连接，所述外骨骼髋关节3分别与左外骨骼下肢41和右外骨骼下肢42连接，其特征在于，还设有左平衡辅助机械臂51和右平衡辅助机械臂52及电力自控系统6，所述左平衡辅助机械臂51和右平衡辅助机械臂52分别与外骨骼髋关节3或外骨骼躯干4连接，所述电力自控系统6分别与左外骨骼手臂11和右外骨骼手臂12、外骨骼躯干2、外骨骼髋关节3及左外骨骼下肢41和右外骨骼下肢及平衡辅助机械臂5电连接。

平衡辅助机械臂5主要包括大臂511、小臂512和机械手513，大臂511的一端通过三维关节515与外骨骼髋关节3连接，另一端通过二维关节516与小臂512一端铰接，小臂512另一端通过第二二维关节517与机械手513铰接，三维关节515为相互垂直的两个二维关节516构成，二维关节516为伺服控制器和伺服电机控制的铰链结构。

平衡辅助机械臂5的大臂511和小臂512还设有伸缩机构514，伸缩机构514可在出现倾倒危险时，快速伸缩大小臂，实现地面支撑的同时，使外骨骼快速回正重心，保持平衡。伸缩机构511为电动缸或直线电机。

电力自控系统6包括储能机构61和控制机构62，储能机构61包括外骨骼手臂1、外骨骼躯干2、外骨骼髋关节3、外骨骼下肢4及平衡辅助机械臂5；控制机构62包括平衡检测模块621、主控制器622和多个安装在肢体上的辅助控制器623；平衡检测模块621安装在外骨骼髋关节3上或外骨骼躯干2上，检测平衡信号值并传输至安装在外骨骼躯干2上的主控制器622，主控制器622与设定的值比较并控制调整位于平衡辅助机械臂5上的辅助控制器623，由辅助控制器623控制三维关节515、二维关节516及伸缩机构514动作，实现平衡辅助机械臂5的空间位置调整，修正外骨骼整体重心，在出现倾倒的较大危险时，控制平衡辅助机械臂5向建构物或地面支撑，减少撞击对人体损伤。

实施例2

参照图3，一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼装甲，与实施例1的主要区别在于本实施例为外骨骼装甲，所述外骨骼装甲为在实施例1的基础上增加了防护及可以使防护随外骨骼运动的铰接结构，另外在铰接处增加对转动部分的防护。

实施例3

参照图4和图5，一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼或外骨骼装甲，与实施例1的主要区别，本实施例的平衡辅助机械臂设有四个，两个对称布置在外骨骼髋关节3前部，两个对称布置在外骨骼髋关节3后部,同时本实施例平衡辅助机械臂采用柔性平衡辅助机械臂5’,柔性平衡辅助机械臂5’包括可伸缩管道53’、三条拉线52’和拉线机构51’，所述三或四条拉线52’均布在可伸缩管道53’侧部，拉线52’一端固定可伸缩管道53’的端部，另一端通过拉线机构51’固定在可伸缩管道53’的另一端，其可伸缩管道53’通过液体驱动可伸缩管道53’伸长和支撑，通过均布的拉线52’实现收缩和弯曲。

Claims (10)

1.一种多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，包括左外骨骼手臂和右外骨骼手臂，所述左外骨骼手臂和右外骨骼手臂分别与外骨骼躯干连接，所述外骨骼躯干与外骨骼髋关节连接，所述外骨骼髋关节分别与左外骨骼下肢和右外骨骼下肢连接，其特征在于，还设有左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂及电力自控系统，所述左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂分别与外骨骼髋关节或外骨骼躯干连接，所述电力自控系统分别与左外骨骼手臂和右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢和右外骨骼下肢及左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂电连接。

2.根据权利要求1所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂分别包括大臂、小臂和机械手，所述大臂的一端通过三维关节与外骨骼髋关节连接，另一端通过二维关节与小臂一端铰接，所述小臂另一端通过二维关节与机械手铰接。

3.根据权利要求2所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述三维关节由相互垂直的两个二维关节构成，所述二维关节为铰链结构。

4.根据权利要求2或3所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述平衡辅助机械臂的大臂、小臂还设有伸缩机构；所述伸缩机构为电动缸或直线电机。

5.根据权利要求1-4之一所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述平衡辅助机械臂为柔性平衡辅助机械臂。

6.根据权利要求5所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述柔性平衡辅助机械臂包括可伸缩管道、三或四条拉线和拉线机构，所述拉线均布在可伸缩管道侧部，拉线一端固定可伸缩管道的端部，另一端通过拉线机构固定在可伸缩管道的另一端，其可伸缩管道通过气体或液体驱动可伸缩管道伸长和支撑，通过均布的拉线实现收缩和弯曲；所述柔性平衡辅助臂包括三组或四组柔性丝杆和固定机构以及驱动机构，所述柔性丝杆一端与固定机构固连，另一端通过驱动机构连接，通过调节一组或多组丝杆实现柔性平衡辅助臂的伸缩和角度调节。

7.根据权利要求1-6之一所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述电力自控系统包括储能机构和与储能机构电连接的控制机构，所述储能机构与左外骨骼手臂和右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢和右外骨骼下肢及左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂电连接，所述控制机构包括安装在外骨骼髋关节上或外骨骼躯干上的平衡检测模块、安装在外骨骼躯干上的主控制器和分别安装在左外骨骼手臂、右外骨骼手臂、外骨骼躯干、外骨骼髋关节、左外骨骼下肢和右外骨骼下肢及左平衡辅助机械臂和右平衡辅助机械臂上的辅助控制器，所述平衡检测模块与主控制器电连接，所述主控制器与各辅助控制器电连接。

8.根据权利要求2-7之一所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述平衡辅助机械臂的机械手为可以减缓冲击的弹性机械手。

9.根据权利要求7或8所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述平衡辅助机械臂设有负重联动机构，负重联动机构主要包括设置在各肢体上和平衡辅助机械臂上的力传感器。

10.根据权利要求5所述的多功能辅助臂自平衡机械外骨骼，其特征在于，所述柔性平衡辅助机械臂设有激光位移传感器或拉线传感器。