CN110605706A - 一种外骨骼式辅助增力机械手臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼式辅助增力机械手臂，安装在外骨骼的机械身上，机械手臂包括机械手、第一手臂、第二手臂、配力筋、配力组件，配力组件安装在机械身上，第二手臂一端铰接机械身、一端铰接第一手臂，第一手臂的另一端铰接机械手，配力组件用于维持机械手、第一手臂、第二手臂的相对位置与姿态形状。机械手臂还包括定型筋组件，定型筋组件贯穿机械手、第一手臂、第二手臂和配力组件，定型筋组件用于机械手、第一手臂、第二手臂进行位置更改时的状态判定。配力组件包括张紧轮，配力筋一端固定在机械手上，之后以先上后下的裹绕方向绕过第一手臂、第二手臂的铰接处，再从上方绕过第二手臂与机械身的铰接处，最后连接至张紧轮上。

Description

一种外骨骼式辅助增力机械手臂

技术领域

本发明涉及外骨骼机械领域，具体是一种外骨骼式辅助增力机械手臂。

背景技术

外骨骼是一种新兴的助力机械，人穿戴上后，可以搬运很大力量的负重进行位置转移。

现有技术中，外骨骼中的机械手臂形状僵硬，不同关节的相对位置不能进行适应性调整，调整起来麻烦，连接复杂；而且，在搬运负重时，不能充分保证位置锁死，气缸带动的机械关节常常出力波动，发生负重掉落等状况，十分危险。如何提高手臂部分的调整流畅性与可操作性是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外骨骼式辅助增力机械手臂，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种外骨骼式辅助增力机械手臂，安装在外骨骼的机械身上，机械手臂包括机械手、第一手臂、第二手臂和配力组件，配力组件安装在机械身上，第二手臂一端铰接机械身、一端铰接第一手臂，第一手臂的另一端铰接机械手，配力组件用于维持机械手、第一手臂、第二手臂的相对位置与姿态形状。

使用者站入外骨骼内，然后手臂穿戴上辅助增力机械手臂中，之后借用机械手臂进行负重搬运等操作，机械手臂承担绝大部分的负重重量，人的手臂只需要给到相对位置、高度等参数量即可。配力组件根据实际负重进行相应的手臂力量调节，节省能源消耗。

进一步的，机械手臂还包括定型筋组件，定型筋组件贯穿机械手、第一手臂、第二手臂和配力组件，定型筋组件用于机械手、第一手臂、第二手臂进行位置更改时的状态判定。

机械手臂大部分时间需要保持形状，以便搬运时的稳定性，负重行走时保持位置不变，而有时候需要进行形状变化，例如放下物件或手臂需要调整提拿角度以便手臂以较舒适的体位进行放置，此时，需要给到指令机械手臂中以便机械手臂收到信号打开某种开关，让手臂进行挥动与位置改变，除去需要改变手臂形状的时刻，其余时间应当将第一手臂、第二手臂的位置进行锁死，即可手臂因为外部扰动或轻微晃动，也要维持手臂位置不变，只有在手臂、手掌或手指给到定型筋组件指令时才打开“位置锁”。

进一步的，定型筋组件包括主筋、导轮、插销、主筋复位弹簧、固定板和拉起套，第一手臂、第二手臂的铰接处均设置手臂铰接节；手臂铰接节是对第一手臂、第二手臂进行铰接，用于形状变化，

手臂铰接节包括铰接销和销复位弹簧，铰接销作为铰接处主轴，同一铰接处共有两根铰接销并共线安装，销复位弹簧将铰接销推挤而具有相互靠近的趋势，每根铰接销中间位置具有圆锥斜面，相互朝向的一端为大面；每一处手臂铰接节中的两个铰接销分别向两旁插入第一手臂、第二手臂的铰接孔中后，由于摩擦力，第一手臂、第二手臂的相对旋转受到限制，为了提升相对旋转的限制力，还可以再圆锥斜面上设置圆周布置的若干条状凸起筋，在第一手臂、第二手臂的铰接孔中设置相应的若干条状凹陷槽，设置地较多时并在筋槽的插入面上设置导向面可以基本保证使用时的无级旋转，筋槽相互嵌合后能保证第一手臂、第二手臂充分相对旋转限制；当两个铰接销中间的插销插入铰接销中间位置的部分变窄，两个铰接销受到销复位弹簧的排挤而相互靠近后，铰接销从铰接孔中稍微脱离，第一手臂、第二手臂进入可相对旋转的状态，插销插入两个铰接销中间的程度就是改变第一手臂、第二手臂是否旋转锁死的信号量，而插销的位置变化通过主筋拉动；

拉起套设置在机械手上并连接主筋的一端，固定板固定在配力组件内或机械身上，主筋的另一端通过主筋复位弹簧连接在固定板上，主筋贯穿第一手臂和第二手臂，导轮安装在第一手臂、第二手臂的铰接处，导轮用于主筋在弯折处的导向；插销固定在主筋上，插销的长度方向与铰接销垂直，插销头部为圆锥形并插入铰接处两根铰接销之间。主筋从机械手一路延伸至配力组件内或机械身上，中间穿过手臂的铰接处，铰接处的插销就固定在主筋上，为了主筋的拉动顺畅，在每个铰接节以及主筋需要转弯的地方设置导轮，主筋可以收到拉起套处的拉力后，将所有铰接处的插销从铰接销之间拉出一定的距离，解开铰接处的旋转锁定，而拉起套松开后，主筋受到另一端主筋复位弹簧的力回复原位，即：铰接节处的旋转锁死状态。

拉起套松开，无动作的情况下是铰接节旋转锁死状态，拉起套被拉起时是可旋转状态，拉起套在机械手内受到手指的作用而进行状态变化，实现信号给出。

进一步的，机械手臂还包括配力筋,配力组件包括张紧轮，配力筋一端固定在机械手上，之后以先上后下的裹绕方向绕过第一手臂、第二手臂的铰接处，再从上方绕过第二手臂与机械身的铰接处，最后连接至张紧轮上。配力筋是机械手臂的出力部件，负重加载在机械手臂上的力，绝大部分加载在机械手上，是一个方向向下的力，这个力对于第一手臂和第二手臂的作用就是使其发生向下的旋转，而配力筋先上后下绕过第一手臂、第二手臂的铰接处，如果机械手受到外力有一个向下的趋势，那么配力筋的趋势是在第一手臂、第二手臂的铰接处被拉长，当配力筋刚性足够时，自身不会因为形变而被拉长，所以只能从配力筋的末端获得长度来源，当配力筋的末端连接的张紧轮不进行放绳操作时，机械手也就不会被压下去，从而完成负重操作。张紧轮必须以恒定的力进行张紧，大了的话会反向拉起第一手臂和机械手，使其二者不断向上升起角度，而小了的话就无法抵抗负重重力，所以张紧轮要具有恒定力矩的旋转动力来源或旋转锁扣。

进一步的，配力组件还包括力矩电机，张紧轮通过力矩电机驱动。如前述，张紧轮要具有恒定力矩的旋转动力来源或旋转锁扣，而机械手臂是搬运时要给到恒定的托起力，拿起与放下时要进行力道变化及位置变化，所以如果使用旋转锁扣的张紧轮定位结构，那么会显著复杂化机械手臂，而使用大小可控的恒定力矩驱动张紧轮是较为方便的手段，力矩电机是一种输出力矩可控的电机，通过定转子输入电流或电压的变化，在输出轴上输出力矩不同的旋转动力，电控信号不变，力矩也不变，从而在张紧轮上进行位置定位，使用时，根据负重，不断调高力矩电机的输出力矩直至和负重相平衡，然后保持这一力矩，直至放下时不断地减小力矩电机的输出力矩。

作为优化，张紧轮与力矩电机之间设置液力耦合器。虽然力矩电机可以在零转速的状态下运行并提供扭转力矩，但是，长时间堵转运行会引起力矩电机的发热，不利于力矩电机的使用寿命，而在张紧轮与力矩电机之间设置液力耦合器，可以让力矩电机旋转起来，以电机端的小力矩高转速转为为张紧轮端的无转速和大力矩，虽然液力耦合器进行联轴时，力矩转化会有损失即波动，但是这一波动完全可以由使用者自身的手臂力量进行补偿，负重并不会受到影响。

作为优化，拉起套设置在机械手的拇指上。机械手在负重时，手指除去拇指外，大部分情况下是放置到负重的底部的，使用食指至小拇指的四根手指中的一根来拉动拉起套的话不方便，大部分情况下只有拇指处于自由状态，使用其来控制拉起套方便易行，不受负重影响。

作为优化，定型筋组件还包括导向板，导向板安装在第一手臂、第二手臂的铰接处，导向板中央设有一导向孔，插销的尾段位于导向孔内并沿导向孔滑动。导向板对插销起导向作用，让插销以最优的角度插入到每一个手臂铰接节处的两个铰接销之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在机械手臂中加入定型筋组件，让使用者可以通过手指来控制是否打开手臂的旋转锁死，只有当手指给出信号后，第一手臂与第二手臂才能进行旋转，防止其他时间手臂形状位置发生改变影响使用；配力筋的最终驱动力来自于力矩电机，可以根据负重调配合适的托起力，防止能量浪费；定型筋组件和配力筋配合使用，既能保证负重的可靠托起与位置保持，又可以在行进过程中进行高度位置调整。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明定型筋组件的总体连接原理图；

图3为本发明手臂铰接节处的连接示意图；

图4为图3中的视图A-A；

图5为图3中的视图B-B；

图6为本发明机械手内的结构示意图；

图7为本发明手指的结构示意图；

图8为本发明配力筋的作用原理图；

图9为本发明配力组件内的结构示意图。

图中：1-机械手、11-手指、111-指套、2-第一手臂、3-第二手臂、4-配力组件、41-壳体、42-张紧轮、43-液力耦合器、44-力矩电机、5-定型筋组件、51-主筋、52-导轮、53-导向板、54-插销、55-主筋复位弹簧、56-固定板、57-拉起套、6-配力筋、7-手臂铰接节、71-铰接销、72-销复位弹簧、8-机械身、9-机械足。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种外骨骼式辅助增力机械手臂，安装在外骨骼的机械身9上，机械手臂包括机械手1、第一手臂2、第二手臂3和配力组件4，配力组件4安装在机械身8上，第二手臂3一端铰接机械身8、一端铰接第一手臂2，第一手臂2的另一端铰接机械手1，配力组件4用于维持机械手1、第一手臂2、第二手臂3的相对位置与姿态形状。

使用者站入外骨骼内，然后手臂穿戴上辅助增力机械手臂中，之后借用机械手臂进行负重搬运等操作，机械手臂承担绝大部分的负重重量，人的手臂只需要给到相对位置、高度等参数量即可。配力组件4根据实际负重进行相应的手臂力量调节，节省能源消耗。

如图1所示，机械手臂还包括定型筋组件5，定型筋组件5贯穿机械手1、第一手臂2、第二手臂3和配力组件4，定型筋组件5用于机械手1、第一手臂2、第二手臂3进行位置更改时的状态判定。

机械手臂大部分时间需要保持形状，以便搬运时的稳定性，负重行走时保持位置不变，而有时候需要进行形状变化，例如放下物件或手臂需要调整提拿角度以便手臂以较舒适的体位进行放置，此时，需要给到指令机械手臂中以便机械手臂收到信号打开某种开关，让手臂进行挥动与位置改变，除去需要改变手臂形状的时刻，其余时间应当将第一手臂2、第二手臂3的位置进行锁死，即可手臂因为外部扰动或轻微晃动，也要维持手臂位置不变，只有在手臂、手掌或手指给到定型筋组件5指令时才打开“位置锁”。

如图2~7所示，以第一手臂2、第二手臂3铰接处为例，定型筋组件5包括主筋51、导轮52、插销54、主筋复位弹簧55、固定板56和拉起套57，第一手臂2、第二手臂3的铰接处均设置手臂铰接节7；手臂铰接节7是对第一手臂2、第二手臂3进行铰接，用于形状变化，

如图3、5所示，手臂铰接节7包括铰接销71和销复位弹簧72，铰接销71作为铰接处主轴，同一铰接处共有两根铰接销71并共线安装，销复位弹簧72将铰接销71推挤而具有相互靠近的趋势，每根铰接销71中间位置具有圆锥斜面，相互朝向的一端为大面；每一处手臂铰接节7中的两个铰接销71分别向两旁插入第一手臂2、第二手臂3的铰接孔中后，由于摩擦力，第一手臂2、第二手臂3的相对旋转受到限制，为了提升相对旋转的限制力，还可以再圆锥斜面上设置圆周布置的若干条状凸起筋，在第一手臂2、第二手臂3的铰接孔中设置相应的若干条状凹陷槽，设置地较多时并在筋槽的插入面上设置导向面可以基本保证使用时的无级旋转，筋槽相互嵌合后能保证第一手臂2、第二手臂3充分相对旋转限制；当两个铰接销71中间的插销54插入铰接销71中间位置的部分变窄，两个铰接销71受到销复位弹簧72的排挤而相互靠近后，铰接销71从铰接孔中稍微脱离，第一手臂2、第二手臂3进入可相对旋转的状态，插销54插入两个铰接销71中间的程度就是改变第一手臂2、第二手臂3是否旋转锁死的信号量，而插销54的位置变化通过主筋51拉动；

拉起套57设置在机械手1上并连接主筋51的一端，固定板56固定在配力组件4内或机械身8上，主筋51的另一端通过主筋复位弹簧55连接在固定板56上，主筋51贯穿第一手臂2和第二手臂3，导轮52安装在第一手臂2、第二手臂3的铰接处，导轮52用于主筋51在弯折处的导向；插销54固定在主筋51上，插销54的长度方向与铰接销71垂直，插销54头部为圆锥形并插入铰接处两根铰接销71之间。主筋51从机械手1一路延伸至配力组件4内或机械身8上，中间穿过手臂的铰接处，铰接处的插销54就固定在主筋51上，为了主筋51的拉动顺畅，在每个铰接节以及主筋51需要转弯的地方设置导轮52，主筋51可以收到拉起套57处的拉力后，将所有铰接处的插销54从铰接销71之间拉出一定的距离，解开铰接处的旋转锁定，而拉起套57松开后，主筋51受到另一端主筋复位弹簧55的力回复原位，即：铰接节处的旋转锁死状态。

拉起套57松开，无动作的情况下是铰接节旋转锁死状态，拉起套57被拉起时是可旋转状态，拉起套57在机械手1内受到手指的作用而进行状态变化，实现信号给出。

如图8所示，机械手臂还包括配力筋6,配力组件4包括张紧轮42，配力筋6一端固定在机械手1上，之后以先上后下的裹绕方向绕过第一手臂2、第二手臂3的铰接处，再从上方绕过第二手臂3与机械身8的铰接处，最后连接至张紧轮42上。配力筋6是机械手臂的出力部件，负重加载在机械手臂上的力，绝大部分加载在机械手1上，是一个方向向下的力，这个力对于第一手臂2和第二手臂3的作用就是使其发生向下的旋转，而配力筋6先上后下绕过第一手臂2、第二手臂3的铰接处，如果机械手受到外力有一个向下的趋势，那么配力筋6的趋势是在第一手臂2、第二手臂3的铰接处被拉长，当配力筋6刚性足够时，自身不会因为形变而被拉长，所以只能从配力筋6的末端获得长度来源，当配力筋6的末端连接的张紧轮42不进行放绳操作时，机械手1也就不会被压下去，从而完成负重操作。张紧轮42必须以恒定的力进行张紧，大了的话会反向拉起第一手臂2和机械手1，使其二者不断向上升起角度，而小了的话就无法抵抗负重重力，所以张紧轮42要具有恒定力矩的旋转动力来源或旋转锁扣。

如图9所示，配力组件4还包括力矩电机44，张紧轮42通过力矩电机44驱动。如前述，张紧轮42要具有恒定力矩的旋转动力来源或旋转锁扣，而机械手臂是搬运时要给到恒定的托起力，拿起与放下时要进行力道变化及位置变化，所以如果使用旋转锁扣的张紧轮42定位结构，那么会显著复杂化机械手臂，而使用大小可控的恒定力矩驱动张紧轮42是较为方便的手段，力矩电机44是一种输出力矩可控的电机，通过定转子输入电流或电压的变化，在输出轴上输出力矩不同的旋转动力，电控信号不变，力矩也不变，从而在张紧轮42上进行位置定位，使用时，根据负重，不断调高力矩电机44的输出力矩直至和负重相平衡，然后保持这一力矩，直至放下时不断地减小力矩电机44的输出力矩，在行进过程中，如果需要进行高度位置调整，无需改变力矩电机44的输出力，只需要拉起拉起套57然后使用人手臂自带的力进行太高与放低即可，因为力矩电机44的力只够与负重重力维持平衡，而人手臂自带的力平衡不了，会拉扯配力筋6在张紧轮42上进行放线或收线。

如图9所示，张紧轮42与力矩电机44之间设置液力耦合器43。虽然力矩电机44可以在零转速的状态下运行并提供扭转力矩，但是，长时间堵转运行会引起力矩电机44的发热，不利于力矩电机44的使用寿命，而在张紧轮42与力矩电机44之间设置液力耦合器43，可以让力矩电机44旋转起来，以电机端的小力矩高转速转为为张紧轮42端的无转速和大力矩，虽然液力耦合器43进行联轴时，力矩转化会有损失即波动，但是这一波动完全可以由使用者自身的手臂力量进行补偿，负重并不会受到影响。

如图6、7所示，拉起套57设置在机械手1的拇指上。机械手1在负重时，手指除去拇指外，大部分情况下是放置到负重的底部的，使用食指至小拇指的四根手指中的一根来拉动拉起套57的话不方便，大部分情况下只有拇指处于自由状态，使用其来控制拉起套57方便易行，不受负重影响。

如图3、4所示，定型筋组件5还包括导向板53，导向板53安装在第一手臂2、第二手臂3的铰接处，导向板53中央设有一导向孔，插销54的尾段位于导向孔内并沿导向孔滑动。导向板53对插销54起导向作用，让插销54以最优的角度插入到每一个手臂铰接节7处的两个铰接销71之间。

本发明的使用过程是：使用者穿戴上带有本发明机械手臂的机械外骨骼，手掌插入机械手1中，并将拉起套57套上拇指，拇指拉动拉起套57让第一手臂2和第二手臂3能够进行旋转并进行位置调定，使用机械手拿起负重，力矩电机44不断提升输出力矩，当正好托起负重后，保持力矩电机44的输出力矩，然后松开拉起套57进行位置定位，到达目的地后，拉起拉起套57然后缓慢降低力矩电机44的输出力矩放下负重。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种外骨骼式辅助增力机械手臂，安装在外骨骼的机械身（9）上，其特征在于：所述机械手臂包括机械手（1）、第一手臂（2）、第二手臂（3）和配力组件（4），所述配力组件（4）安装在机械身（8）上，所述第二手臂（3）一端铰接机械身（8）、一端铰接第一手臂（2），所述第一手臂（2）的另一端铰接机械手（1），所述配力组件（4）用于维持机械手（1）、第一手臂（2）、第二手臂（3）的相对位置与姿态形状。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述机械手臂还包括定型筋组件（5），所述定型筋组件（5）贯穿机械手（1）、第一手臂（2）、第二手臂（3）和配力组件（4），定型筋组件（5）用于机械手（1）、第一手臂（2）、第二手臂（3）进行位置更改时的状态判定。

3.根据权利要求2所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述定型筋组件（5）包括主筋（51）、导轮（52）、插销（54）、主筋复位弹簧（55）、固定板（56）和拉起套（57），所述第一手臂（2）、第二手臂（3）的铰接处均设置手臂铰接节（7）；

所述手臂铰接节（7）包括铰接销（71）和销复位弹簧（72），所述铰接销（71）作为铰接处主轴，同一铰接处共有两根铰接销（71）并共线安装，所述销复位弹簧（72）将铰接销（71）推挤而具有相互靠近的趋势，每根所述铰接销（71）中间位置具有圆锥斜面，相互朝向的一端为大面；

所述拉起套（57）设置在机械手（1）上并连接主筋（51）的一端，所述固定板（56）固定在配力组件（4）内或机械身（8）上，所述主筋（51）的另一端通过主筋复位弹簧（55）连接在固定板（56）上，主筋（51）贯穿第一手臂（2）和第二手臂（3），所述导轮（52）安装在第一手臂（2）、第二手臂（3）的铰接处，导轮（52）用于主筋（51）在弯折处的导向；所述插销（54）固定在主筋（51）上，插销（54）的长度方向与铰接销（71）垂直，插销（54）头部为圆锥形并插入铰接处两根铰接销（71）之间。

4.根据权利要求3所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述机械手臂还包括配力筋（6）,所述配力组件（4）包括张紧轮（42），所述配力筋（6）一端固定在机械手（1）上，之后以先上后下的裹绕方向绕过第一手臂（2）、第二手臂（3）的铰接处，再从上方绕过第二手臂（3）与机械身（8）的铰接处，最后连接至张紧轮（42）上。

5.根据权利要求4所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述配力组件（4）还包括力矩电机（44），所述张紧轮（42）通过力矩电机（44）驱动。

6.根据权利要求5所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述张紧轮（42）与力矩电机（44）之间设置液力耦合器（43）。

7.根据权利要求3所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述拉起套（57）设置在机械手（1）的拇指上。

8.根据权利要求3所述的一种外骨骼式辅助增力机械手臂，其特征在于：所述定型筋组件（5）还包括导向板（53），所述导向板（53）安装在第一手臂（2）、第二手臂（3）的铰接处，导向板（53）中央设有一导向孔，所述插销（54）的尾段位于导向孔内并沿导向孔滑动。