CN109223454A - 一种助力外骨骼机器人腰部辅助运动机械结构 - Google Patents

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Abstract

一种助力外骨骼机器人腰部辅助运动机械结构，胸部绑缚、髋部绑缚分别用于与人体的胸部和髋部连接固定；偏航驱动机构与髋部绑缚均连接在髋部连接底座上，扭转外壳与偏航驱动机构的输出端固连，滚转驱动机构安装在扭转外壳上，旋转滚轮与滚转驱动机构的输出端固连；脊柱结构的下端与扭转外壳铰接，并通过扭转外壳限制脊柱结构俯仰方向的运动；脊柱结构的上端固连在胸部绑缚上；脊柱结构两侧安装有滑轮，滑轮表面加工有导向槽，两根钢丝绳分别在两侧滑轮的导向槽内运动；两根钢丝绳一端固连在旋转滚轮，且沿脊柱方向分别穿过脊柱结构的两侧，另一端固连在脊柱结构的最上端，通过钢丝绳长度调整结构调整两条钢丝绳的长度。

Description

一种助力外骨骼机器人腰部辅助运动机械结构
技术领域
本发明属于外骨骼机器人领域，涉及一种助力外骨骼机器人腰部辅助运动机械结构。
背景技术
助力外骨骼机器人可广泛应用于军事和工业领域，帮助需要长时间行军负重的士兵和长时间重复体力劳动的工人减少身体损伤，提高工作效率。随着助力外骨骼机器人技术发展，当前对仿生结构研究对拟人化运动要求的进一步提高，传统外骨骼在腰部的单一固定方式限制了整个系统的拟人化程度，需要一种即能满足承载要求，又能匹配人体腰部运动的腰部外骨骼，提高整个外骨骼机器人人机匹配度，增强穿戴舒适性。引入外骨骼腰部辅助运动机械结构，可以显著改善负重型助力外骨骼、搬抬托举型全身外骨骼和单关节外骨骼穿戴舒适性和运动灵活性，具有广泛的应用前景。
腰部外骨骼是一种辅助腰部运动，避免腰部损伤的动力系统，由人体穿戴，利用腰部机械结构吸收外部冲击，通过伺服电机驱动结构跟随人体腰部沿滚转和偏离两个自由度小范围运动，实现腰部拟人化运动。目前大多数助力外骨骼，包括下肢助力、腰部助力和髋部助力外骨骼，对腰部处理方式几乎为刚性固定，从机械结构上限制腰部运动，以达到保护腰部的目的。另外也有增加腰部自由度的方式，例如专利腰部助力外骨骼机构及其助力方法(CN201810268992.4)，阐明了一种腰部助力机构及其助力原理，整个腰部外骨骼穿戴在人体上身，采用仿人结构，后背的背负单元可背负负重，通过后背的气动肌腱和身前的液压缸驱动背部机构运动，实现腰部助力。
通过对人体运动进行捕捉分析，人体负重行走过程中腰部滚转和偏航自由度运动范围在正负十度左右，并随负重质量增加而减小。传统助力外骨骼，腰部完全固定，从机械结构上限制腰部运动，导致运动过程中人-机上、下肢角动量不平衡，造成人机协同运动非拟人化，降低穿戴舒适性，长时活动会对人体局部造成损伤。
专利腰部助力外骨骼机构及其助力方法(CN201810268992.4)增加了腰部自由度，但其执行机构种类多，应用背景不明确，实际应用效果不好。首先，此腰部外骨骼穿戴于人体，专利中用了液压缸和气压肌腱两种执行机构，一没有说明液压和气压的动力源安装位置，二没有说明液压、气压和电池三种动力源体积、重量，三没有说明液压和气压两种高压源穿戴于人体的安全性及可维护性，故此专利采用多种动力源和高压源执行机构不符合助力外骨骼机器人高效率、轻质化、安全性的要求，不适合穿戴使用；其次，专利中说明的应用方向一个是重复劳动，一个是负重。就重复劳动而言，此发明中胸口前的两个液压缸会妨碍劳动者运动。液压缸在胸前会存在伸缩运动，劳动者也无法从事搬运动作。就负重而言，人体在背负和搬抬托举物资的过程中，人体的腰部俯仰运动和髋部冗余，而且腰部位置与髋部接近，没有必要让脆弱复杂的腰部承担冗余的俯仰运动，这也是几乎所有用于背负的助力外骨骼腰部均不设置俯仰自由度的原因。再次，此发明所述腰部外骨骼缺乏单独使用的可行性。多种能源机构，液压和气压的动力源重量、效率和复杂的球铰承载脊柱结构使整个腰部助力外骨骼重量大，若背负负重，单独使用腰部外骨骼，虽然保护了腰部，但损伤了人体下肢。如果和下肢助力外骨骼结合使用，其腰部复杂的结构和执行结构会大幅增加系统重量，增加系统能耗，实用性差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种助力外骨骼机器人腰部辅助运动机械结构，解决助力外骨骼机器人欠缺腰部滚转和偏航自由度，造成负重行走、搬抬托举重物、高强度重复性劳动过程中外骨骼穿戴舒适性差，人机匹配性差，人机物三者重心在人体额状面内无法调整的问题。
本发明的技术解决方案是：腰部外骨骼两端绑缚于人体胸部、腰部，位于绑缚结构之间的机械结构实现拟人化运动。拟人化运动包括滚转和偏航两个自由度，通过多个结构单元串联实现。滚转、偏航两个自由度的运动由模块化集成式电动执行机构驱动，利用绳轮传动形式将两执行机构放置于腰部后侧。电动执行机构中电机轴尾部通过电磁离合器连接和断开双向阻尼器，实现腰部结构可分为主动、被动两种工作模式。主动模式下电动驱动机构驱动脊柱结构运动，被动模式电动驱动机构不上电，人体受到外部负载冲击时能量由双向阻尼器吸收。
一种腰部辅助运动外骨骼机械结构，包括胸部绑缚、髋部绑缚、脊柱结构、钢丝绳、滑轮、钢丝绳长度调整结构、滚转驱动机构、偏航驱动机构、旋转滚轮、扭转外壳、髋部连接底座；
胸部绑缚、髋部绑缚分别用于与人体的胸部和髋部连接固定；偏航驱动机构与髋部绑缚均连接在髋部连接底座上，扭转外壳与偏航驱动机构的输出端固连，滚转驱动机构安装在扭转外壳上，旋转滚轮与滚转驱动机构的输出端固连；脊柱结构的下端与扭转外壳铰接，并通过扭转外壳限制脊柱结构俯仰方向的运动；脊柱结构的上端固连在胸部绑缚上；脊柱结构两侧安装有滑轮，滑轮表面加工有导向槽，两根钢丝绳分别在两侧滑轮的导向槽内运动；两根钢丝绳一端固连在旋转滚轮，且沿脊柱方向分别穿过脊柱结构的两侧，另一端固连在脊柱结构的最上端，通过钢丝绳长度调整结构调整两条钢丝绳的长度。
进一步的，结构还包括运动约束部件，通过运动约束部件保证整个外骨骼机械结构在初始时处于垂直状态，并保证脊椎结构各单元之间具有近似的旋转刚度，使脊柱结构各单元滚转运动方向一致。
进一步的，所述的脊柱结构包括一个固定单元.以及至少两个活动单元.；固定单元作为整个脊柱结构的最上端用于与胸部绑缚固定以及安装钢丝绳长度调整结构；固定单元的下端与活动单元之间、以及相邻活动单元之间通过铰接方式连接，并通过设置在每个活动脊柱单元上的机械结构对相邻脊柱单元的滚转角度进行限位。
进一步的，每个活动脊柱单元两侧均安装滑轮，滑轮的安装位置位于活动脊柱单元中部以上。
进一步的，所述的运动约束部件为在固定单元与活动单元之间、以及相邻活动单元之间铰接点的两侧对称安装螺旋弹簧或者弹簧片.，初始状态时，螺旋弹簧或者弹簧片处于压缩状态。
进一步的，滚转运动时，固定单元相对扭转外壳的滚转角度a应小于人体脊柱最大滚转角，固定单元与活动单元之间以及相邻活动单元之间限位的滚转角度之和为角度a。
进一步的，所述的脊柱结构为片状结构，片状结构的下端为宽度逐渐变窄的结构b，片状结构的上端设置凹槽，该凹槽用于滚转过程中对相邻脊柱单元的结构b进行限位；片状结构的两侧为滑轮的安装位置且两侧设有凹槽；滑轮位置处凹槽与滑轮上导向槽一起对钢丝绳的运动进行限位，两侧其余位置凹槽深度应避开滚转运动过程中钢丝绳的运动范围。
进一步的，滚转驱动机构、偏航驱动机构的电机端均连接双向旋转阻尼器。
进一步的，双向旋转阻尼器通过电磁离合器与电机端连接，通过电磁离合器实现双向阻尼器和电机转子的连接和断开。
进一步的，所述的旋转滚轮圆柱面加工有两条相互平行的线槽，两条钢丝绳通过正反两个方向绕于线槽内，钢丝绳末端固定与线槽内。
本发明与现有技术相比有益效果为：
本发明结构当人体上身受到外界冲击，冲击力通过胸部绑缚传递到脊椎结构，通过钢丝绳和锥齿轮传动分别转化为滚转和偏航两个自由度的扭矩，在伺服电机不工作情况下，由驱动机构转轴传递扭矩至两个双向旋转阻尼器，吸收外部冲击，保护人体腰部。当人体需要辅助运动时，滚转驱动机构、偏航驱动机构驱动钢丝绳和锥齿轮，驱动胸部绑缚沿两个自由度方向运动。具体的：
(1)腰部外骨骼结构采用部分拟人化设计，采用人体工学绑缚结构，脊椎结构采用多段串联设计，提高了人体穿戴舒适性，增加了外骨骼腰部的滚转和偏航自由度；
(2)滚转和偏航两执行机构均采用机电伺服驱动，效率高，能量密度大，安全性、维护性好，噪声低；
(3)滚转自由度在主动驱动的基础上增加各串联脊柱结构间的运动约束部件，通过弹簧变形收缩存贮释放能量，吸收外界冲击，增加脊椎结构的承载能力，降低驱动机构功率等级，降低系统质量；
(4)滚转自由度传动采用谐波和绳轮传动，结构简单紧凑。通过绳轮传动实现脊椎串联结构拟人运动，实现腰部滚转助力；
(5)偏航自由度采用谐波加锥齿轮传动，结构简单紧凑；
(6)机电伺服驱动内置电磁离合器和双向阻尼器，能够通过离合器切断和联入电机转轴，实现整个腰部外骨骼的主动助力和缓冲隔振功能的切换，当外骨骼机构主动辅助人体运动时，离合器断开，由电机驱动机构运动；当外骨骼机器人被动辅助运动时，离合器连接，在机构运动回路中添加阻尼实现吸收外界冲击。
(7)腰部外骨骼设置滚转和偏航两个方向自由度，增强人体行走过程中对上肢、负重和下肢之间惯量和重心的平衡调整能力。腰部外骨骼不设置俯仰自由度，能够保证人体正常完成背负和搬抬托举物资的任务，大幅降低腰部损伤的风险。
附图说明
图1、2为本发明结构示意图；
图3为本发明脊柱结构示意图；
图4为本发明偏航驱动机构/滚转驱动机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
如图1、2所示，本发明结构包括胸部绑缚1、髋部绑缚2、脊柱结构3、钢丝绳4、滑轮5、钢丝绳长度调整结构6、滚转驱动机构7、偏航驱动机构8、旋转滚轮10、扭转外壳11、髋部连接底座12；
胸部绑缚1、髋部绑缚2分别用于与人体的胸部和髋部连接固定；偏航驱动机构8与髋部绑缚2均连接在髋部连接底座12上，扭转外壳11与偏航驱动机构8的输出端固连，滚转驱动机构7安装在扭转外壳11上，旋转滚轮10与滚转驱动机构7的输出端固连；旋转滚轮10圆柱面加工有两条相互平行的线槽，两条钢丝绳4通过正反两个方向绕于线槽内，末端通过螺栓固定与滚轮上。两条钢丝绳4另一端固定于钢丝绳长度调整结构。脊柱结构3的下端与扭转外壳11铰接，并通过扭转外壳11限制脊柱结构3俯仰方向的运动；脊柱结构3的上端固连在胸部绑缚1上；脊柱结构两侧安装有滑轮5，滑轮表面加工有导向槽，两根钢丝绳4分别在两侧滑轮5的导向槽内运动；两根钢丝绳一端固连在旋转滚轮10，且沿脊柱方向分别穿过脊柱结构3的两侧，另一端固连在脊柱结构3的最上端，通过钢丝绳长度调整结构6调整两条钢丝绳的长度。如图2所示，滚转驱动机构7、偏航驱动机构8的电机轴末端通过小型电磁离合器均连接双向旋转阻尼器9。电磁离合器由控制器控制，实现双向阻尼器9和电机转子的连接和断开。当外骨骼机构主动辅助人体运动时，离合器断开，由电机驱动机构运动；当外骨骼机器人被动辅助运动时，离合器连接，在机构运动回路中添加阻尼实现吸收外界冲击。
优选的，本发明结构还包括运动约束部件，通过运动约束部件保证整个外骨骼机械结构在初始时处于垂直状态，并保证脊椎结构各单元之间具有近似的旋转刚度，使脊柱结构各单元滚转运动方向一致。运动约束部件可以为在固定单元与活动单元之间、以及相邻活动单元之间铰接点的两侧对称安装的螺旋弹簧或者弹簧片3.3，初始状态时，螺旋弹簧或者弹簧片处于压缩状态。例如，在相临两个单元铰接连接点两侧机械限位处安装弹簧片，弹簧片呈L型，处于压缩状态，一端固定在机械限位处，一端做圆角处理，与在相邻单元结构平面接触；弹簧片或压缩弹簧处于压缩状态。
脊柱结构3包括一个固定单元3.1以及至少两个活动单元3.2；固定单元作为整个脊柱结构的最上端用于与胸部绑缚1固定以及安装钢丝绳长度调整结构6；固定单元的下端与活动单元之间、以及相邻活动单元之间通过铰接方式连接，并通过设置在每个活动脊柱单元上的机械结构对相邻脊柱单元的滚转角度进行限位。如图3所示，脊柱结构3的固定单元以及活动单元为片状结构，片状结构的下端为宽度逐渐变窄的结构b，片状结构的上端设置凹槽，该凹槽用于滚转过程中对相邻脊柱单元的结构b进行限位；片状结构的两侧为滑轮的安装位置且两侧设有凹槽；滑轮位置处凹槽与滑轮上导向槽一起对钢丝绳的运动进行限位，两侧其余位置凹槽深度应避开滚转运动过程中钢丝绳的运动范围。滑轮5的安装位置优选位于活动脊柱单元中部以上。滚转运动时，固定单元相对扭转外壳的滚转角度a应小于人体脊柱最大滚转角，固定单元与活动单元之间以及相邻活动单元之间限位的滚转角度之和为角度a。
上述胸部绑缚1、髋部绑缚2采用聚酯纤维等低刚度复合材料，内侧有柔性材料包裹，符合人体胸部和髋部外形，分别佩带于人体胸部和髋部。
上述钢丝绳长度调整机构包含调整结构，固定螺栓和锁紧螺母。钢丝绳4固定与固定螺栓卡槽内，调整结构固定于脊柱结构，固定螺栓和调整结构通过螺纹啮合，通过旋转固定螺栓调整钢丝绳预紧长度，锁紧螺母与固定螺栓通过螺纹啮合。
本发明腰部辅助运动外骨骼机械结构工作方式如下：穿戴者预先调整胸部绑缚1与脊柱结构3固定单元的连接位置，匹配自身穿戴条件。分别将胸部绑缚1和髋部绑缚2穿戴于胸部和腰部，并绑缚牢固。
脊柱结构通过多个单元首尾串联在一起，以销轴形式连接，形成了整个腰部外骨骼滚转自由度。每两个单元之间安装运动约束部件，主要由弹簧片或压缩弹簧构成，运动约束部件处于预压缩状态，预压缩长度保证两单元沿销轴旋转到任意一侧达到机械限位时，另一侧弹簧仍处于压缩状态。各运动约束部件弹簧刚度一致，保证脊柱结构初始状态竖直，且绳驱动过程中，各单元运动方向一致。
滚转驱动机构7输出端连接旋转滚轮10，驱动机构带动滚轮旋转时，滚轮拉紧一侧钢丝绳，放松另一侧钢丝绳。受拉紧一侧的钢丝绳另一端固连在脊柱结构固定单元中上部一侧，另一侧钢丝绳处于放松状态，固定单元沿销轴向拉紧一侧旋转。钢丝绳沿各单元滑轮5和结构导向槽运动，受拉紧钢丝绳对每个单元的滑轮在钢丝绳与滑轮接触点施加垂直钢丝绳方向的压力，使每个单元沿下方的销轴向受力方向旋转，各单元旋转角度之和为脊柱结构滚转角度。
髋部连接底座12内部安装有直交轴传动部件，例如直交轴锥齿轮传动；偏航驱动机构8输出端通过直交轴传动部件连接扭转外壳11，偏航驱动机构工作时，输出端驱动扭转外壳、滚转驱动机构、脊柱结构、胸部绑缚等沿竖直转轴旋转，使胸部绑缚和髋部绑缚产生指定的偏航角度。
如图4所示，偏航驱动机构、滚转驱动机构中双向阻尼器9的定子与机构外壳7.1固连。电磁锁采用断电吸合形式，电磁锁定子7.2.1与电机转轴7.3固连，转子7.2.2与双向阻尼器输入端固连，当腰部外骨骼断开电源，电磁锁定、转子吸合，双向阻尼器输入端联入电机转轴，即处于被动保护模式。在被动保护模式下，人体腰部滚转和偏航两个自由度运动反向驱动机构运动，驱动双向阻尼器旋转，驱动机构的自身摩擦阻力和阻尼器阻尼会对人体运动产生一定的缓冲作用，一定程度上避免人体腰部在工作时受到外界冲击造成的损伤。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种助力外骨骼机器人腰部辅助运动机械结构，其特征在于：包括胸部绑缚(1)、髋部绑缚(2)、脊柱结构(3)、钢丝绳(4)、滑轮(5)、钢丝绳长度调整结构(6)、滚转驱动机构(7)、偏航驱动机构(8)、旋转滚轮(10)、扭转外壳(11)、髋部连接底座(12)；
胸部绑缚(1)、髋部绑缚(2)分别用于与人体的胸部和髋部连接固定；偏航驱动机构(8)与髋部绑缚(2)均连接在髋部连接底座(12)上，扭转外壳(11)与偏航驱动机构(8)的输出端固连，滚转驱动机构(7)安装在扭转外壳(11)上，旋转滚轮(10)与滚转驱动机构(7)的输出端固连；脊柱结构(3)的下端与扭转外壳(11)铰接，并通过扭转外壳(11)限制脊柱结构(3)俯仰方向的运动；脊柱结构(3)的上端固连在胸部绑缚(1)上；脊柱结构两侧安装有滑轮(5)，滑轮表面加工有导向槽，两根钢丝绳(4)分别在两侧滑轮(5)的导向槽内运动；两根钢丝绳一端固连在旋转滚轮(10)，且沿脊柱方向分别穿过脊柱结构(3)的两侧，另一端固连在脊柱结构(3)的最上端，通过钢丝绳长度调整结构(6)调整两条钢丝绳的长度。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：还包括运动约束部件，通过运动约束部件保证整个外骨骼机械结构在初始时处于垂直状态，并保证脊椎结构各单元之间具有近似的旋转刚度，使脊柱结构各单元滚转运动方向一致。
3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于：所述的脊柱结构(3)包括一个固定单元(3.1)以及至少两个活动单元(3.2)；固定单元作为整个脊柱结构的最上端用于与胸部绑缚(1)固定以及安装钢丝绳长度调整结构(6)；固定单元的下端与活动单元之间、以及相邻活动单元之间通过铰接方式连接，并通过设置在每个活动脊柱单元上的机械结构对相邻脊柱单元的滚转角度进行限位。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：每个活动脊柱单元两侧均安装滑轮(5)，滑轮(5)的安装位置位于活动脊柱单元中部以上。
5.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：所述的运动约束部件为在固定单元与活动单元之间、以及相邻活动单元之间铰接点的两侧对称安装螺旋弹簧或者弹簧片(3.3)，初始状态时，螺旋弹簧或者弹簧片处于压缩状态。
6.根据权利要求3所述的结构，其特征在于：滚转运动时，固定单元相对扭转外壳的滚转角度a应小于人体脊柱最大滚转角，固定单元与活动单元之间以及相邻活动单元之间限位的滚转角度之和为角度a。
7.根据权利要求1或3所述的结构，其特征在于：所述的脊柱结构(3)为片状结构，片状结构的下端为宽度逐渐变窄的结构b，片状结构的上端设置凹槽，该凹槽用于滚转过程中对相邻脊柱单元的结构b进行限位；片状结构的两侧为滑轮的安装位置且两侧设有凹槽；滑轮位置处凹槽与滑轮上导向槽一起对钢丝绳的运动进行限位，两侧其余位置凹槽深度应避开滚转运动过程中钢丝绳的运动范围。
8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：滚转驱动机构(7)、偏航驱动机构(8)的电机端均连接双向旋转阻尼器(9)。
9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于：双向旋转阻尼器(9)通过电磁离合器与电机端连接，通过电磁离合器实现双向阻尼器(9)和电机转子的连接和断开。
10.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于：所述的旋转滚轮(10)圆柱面加工有两条相互平行的线槽，两条钢丝绳(4)通过正反两个方向绕于线槽内，钢丝绳末端固定与线槽内。
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