CN110900568B - 一种腰部助力外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
一种腰部助力外骨骼机器人，背部绑缚结构(25)将背部连接组件(4)穿戴于人体背部；腰部绑缚结构(26)将腰部连接组件(3)穿戴于人体腰部；人体穿戴好外骨骼机器人后，背部连接组件(4)始终与人体背部贴合，腰部连接组件(3)始终与人体腰部贴合；在弯腰搬抬物体过程中，大腿组件(2)与人体大腿保持贴合，大腿组件(2)与背部连接组件(4)能够检测人体腿部与背部姿态变化，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力；在行走搬运物体过程中，腰部关节组件(1)驱动大腿组件(2)相对腰部连接组件(3)运动，不干扰人体正常行走，同时大腿组件(2)能够为物体提供支撑力，在大腿组件(2)支撑作用下减少人体手臂的力。
Description
技术领域
本发明涉及一种腰部助力外骨骼机器人，属于穿戴装备技术领域。
背景技术
现有腰部助力外骨骼按照助力方式可分为主动助力型和被动助力型两大类。被动助力型依靠储能元件和机构的适应性为穿戴者提供一定的助力，其系统自重往往较轻，结构简单，成本往往较低；但由于缺乏主动控制，人机交互体验不足。而主动助力型依靠多感知融合能够更好地识别人体运动意图，从而带来更佳的人机交互体验。
现有腰部助力外骨骼研究按照驱动源类型可分为液压助力、气动助力与机电助力三种。液压助力相对于机电和气压助力来说具有更高的功率/质量比，且随着质量增加而提高。但是，液压油易泄露以及污染，液压元件制造成本相对较高，且液压传动效率低，传动精度不高，噪声也很大，适用于质量较大、高负载的外骨骼，穿戴体验较差。气动助力无污染，运行阻力小，安全性高，不受高温干扰；但气体密度变动大，传动平稳性差，精度较低。而机电助力采用电机驱动，传动精度高，可控性好，更加适用于多关节多自由度的协调控制。因此，对尺寸、重量、输出力矩、转速和控制平稳性有严格要求的腰部助力外骨骼来说，急需轻量化机电助力解决方案。现有腰部机电助力外骨骼的传感配置通常采用双编码器形式，并用其代替力感知，这样虽然降低了传感器设计的复杂性，一定程度上减小了结构尺寸，但会增加成本，且提升了控制上的复杂性。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种腰部助力外骨骼机器人，用于增强人体搬抬机能的腰部助力外骨骼，在完成搬抬功能的同时，实现系统轻量化、低能耗及穿戴灵活性，减少穿戴者的腰肌损伤。
本发明解决的技术方案为：一种腰部助力外骨骼机器人，包括：腰部关节组件(1)、大腿组件(2)、腰部连接组件(3)、背部连接组件(4)、背部绑缚结构(25)和腰部绑缚结构(26)；
背部连接组件(4)与腰部连接组件(3)固连；腰部连接组件(3)通过腰部关节组件(1)与大腿组件(2)连接；
背部绑缚结构(25)将背部连接组件(4)穿戴于人体背部；
腰部绑缚结构(26)将腰部连接组件(3)穿戴于人体腰部；
人体穿戴好外骨骼机器人后，背部连接组件(4)始终与人体背部贴合，腰部连接组件(3)始终与人体腰部贴合；在弯腰搬抬物体过程中，大腿组件(2)与人体大腿保持贴合，大腿组件(2)与背部连接组件(4)能够检测人体腿部与背部姿态变化，反馈给腰部关节组件(1)，由腰部关节组件(1)驱动腰部连接组件(3)并带动背部连接组件(4)运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力；在行走搬运物体过程中，腰部关节组件(1)驱动大腿组件(2)相对腰部连接组件(3)运动，不干扰人体正常行走，同时大腿组件(2)能够为物体提供支撑力，在大腿组件(2)支撑作用下减少人体手臂的力。
优选的，外骨骼机器人穿戴在人体后，背部连接组件(4)始终与人体背部贴合，腰部连接组件(3)始终与人体腰部贴合；在弯腰搬抬物体过程中，大腿组件(2)与人体大腿保持贴合，大腿组件(2)与背部连接组件(4)能够检测人体腿部与背部姿态变化，识别到人体运动趋势，并由腰部关节组件(1)和大腿组件(2)形成控制信号，反馈给腰部关节组件(1)；腰部关节组件(1)根据控制信号输出力矩，驱动腰部连接组件(3)和背部连接组件(4)运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力。
优选的，背部绑缚结构(25)为编制材料，内部填充人体工程学记忆海绵，背部绑缚结构(25)上设置肩带，肩带长度可调节。
优选的，腰部绑缚结构(26)为编制材料，内部填充人体工程学记忆海绵，腰部绑缚结构(26)上设置护腰带，护腰带长度可调节。
优选的，腰部关节组件(1)，包括无框电机(5)、电机壳体(6)、电机轴(7)、定子压环(8)、谐波减速器(9)、固定端法兰(10)、输出法兰(11)、增量式位置传感器(12)；
无框电机(5)安装在电机壳体(6)内，并与电机壳体(6)胶结，定子压环(8)将无框电机(5)压紧在电机壳体(6)内；无框电机的转子与电机轴(7)胶结，实现无框电机的转子带动电机轴(7)的旋转运动；
固定端法兰(10)的一端与谐波减速器(9)固连，固定端法兰(10)的另一端与腰部连接组件(3)固连，实现腰部连接组件(3)绕腰部关节组件(1)的旋转运动。
输出法兰(11)的一端与谐波减速器(9)固连，输出法兰(11)的另一端与大腿组件(2)固连，实现大腿组件(2)绕腰部关节组件(1)的旋转运动；
谐波减速器(9)安装在电机壳体(6)上；
无框电机(5)通电后，无框电机(5)的转子转动，带动电机轴(7)转动，电机轴(7)的输出经过谐波减速器(9)减速增力距后，带动输出法兰(11)相对固定端法兰(10)转动；
增量式位置传感器(12)，能够检测电机轴(7)的转动位置。
优选的，增量式位置传感器(12)，包括定子和转子，增量式位置传感器(12)的转子与电机轴(7)固连，增量式位置传感器(12)的定子与电机壳体(6)固连，从而实现其正常运转。
优选的，定子压环(8)，为圆环状，对无框电机(5)进行限位后，定子压环(8)与电机壳体(6)螺接。
优选的，输出法兰(11)，包括圆环形连接部和连接臂；圆环形连接部与连接臂的一端连接，连接臂的另一端连接大腿组件(2)；圆环形连接部连接在谐波减速器(9)上；输出法兰(11)的连接臂上设置有多排孔位，用于调整大腿长度，即调整大腿组件(2)相对于腰部关节组件(1)的位置。
优选的，固定端法兰(10)，包括圆环形连接部和连接臂；圆环形连接部与连接臂的一端连接，连接臂的另一端连接腰部连接组件(3)；圆环形连接部连接在谐波减速器(9)上.
优选的，增量式位置传感器(12)，能够检测电机轴(7)的转动位置，具体为：电机轴(7)上设置标志位，增量式位置传感器(12)能够监测到标志位的转动角度。
优选的，增量式位置传感器(12)，包括定子和转子，增量式位置传感器(12)的转子与电机轴(7)固连，增量式位置传感器(12)的定子与电机壳体(6)固连，从而实现其正常运转。
优选的，增量式位置传感器(12)能够满足所需精度的情况下做到了小型化，沿轴向的厚度仅4mm，相比于相近性能产品在尺寸上具有较为明显的优势，从而有助于减小外骨骼机器人尺寸。
优选的，大腿组件(2)，包括：力传感器(13)、陀螺仪(14)、大腿支撑件(15)、大腿连接件(16)及托板(27)；
力传感器(13)的一端与输出法兰(11)固连，力传感器(13)的另一端与大腿连接件(16)固连；
大腿支撑件(15)安装在大腿连接件(16)上，且大腿支撑件(15)能够调整在大腿连接件(16)上的位置与转动角度，与人体大腿贴合，实现人体在蹲起动作时大腿外展和内收动作的随动；
陀螺仪(14)固定在输出法兰(11)上，用于检测输出法兰(11)的位姿；
力传感器(13)用来检测大腿支撑件(15)与大腿之间的接触力；
托板(27)安装在力传感器(13)上。
优选的，大腿支撑件(15)为弧形板；弧形板的内侧与人体腿围数据匹配，从而保证与大腿贴合，弧形板外侧设有圆孔，与大腿连接件(16)连接；
优选的，大腿支撑件(15)上还设置有限制大腿支撑件(15)翻转角度和移动的限位功能，使大腿支撑件(15)只在大腿运动范围内转动。
优选的，大腿连接件(16)为L形，大腿支撑件(15)与大腿连接件(16)的一端连接，大腿连接件(16)的另一端与力传感器(13)的另一端相连。
优选的，陀螺仪(14)固定在输出法兰(11)上，检测输出法兰(11)的运动，从而实现检测大腿的姿态。
优选的，腰部连接组件(3)，包括：腰部固定件(17)和腰部连接件(18)，分别与腰部关节组件(1)和背部连接组件(4)固连。
腰部固定件(17)的两端与腰部关节组件(1)的固定端法兰(10)连接；腰部固定件(17)的中部通过腰部连接件(18)与背部连接组件(4)连接；
腰部固定件(17)上设置有腰部绑缚结构(26)，并通过腰部绑缚结构(26)与人体腰部相连。
优选的，腰部固定件(17)为弧形，弧度与人体腰部曲面数据匹配。
优选的，腰部连接件(18)上设置有多排孔位，用来调整腰围，以适应不同穿戴人。
优选的，背部连接组件(4)，包括：背板(19)、陀螺仪(20)、控制器(21)、电池(22)、驱动器(23)、电池左固定架(24)、电池右固定架(27)、电池顶盖(28)和锁紧销(29)。
陀螺仪(20)集成于控制器(21)上、，控制器(21)均固定于背板(19)上；电池(22)通过被电池左固定架(24)和电池右固定架(27)进行左右限位，并被电池顶盖(28)压紧；电池顶盖(28)的一端安装在电池左固定架(24)上，并可绕其转动，另一端与电池右固定架(27)接触，用锁紧销(29)分别穿过电池顶盖(28)和电池右固定架(27)上的圆孔并锁紧，以实现电池(22)可拆卸的安装在背板(19)上的快速拆装；背板(19)紧贴人体背部；
驱动器(23)固定于背板(19)上，驱动器(23)用于驱动无框电机(5)；
背板(19)通过背部绑缚结构(25)与人体背部相连；
陀螺仪(20)检测背板(19)的运动姿态，从而检测到人体背部姿态，将背板(19)的运动姿态送至控制器(21)，控制器(21)根据背板(19)的运动姿态，识别人体运动趋势，形成控制信号，送至腰部关节组件(1)，驱动腰部关节组件(1)输出力矩，带动背板(19)向着人体弯腰的反方向运动。
优选的，人体穿戴好外骨骼机器人后，背板(19)始终与人体背部贴合，腰部固定件(17)始终与人体腰部贴合，在搬抬货物过程中，大腿支撑件(15)与大腿也保持贴合，通过陀螺仪(14)和陀螺仪(20)，检测输出法兰(11)和背板(19)的运动姿态，实现人体腿部与背部姿态检测，识别人体运动趋势，并与增量式位置传感器(12)和力传感器(13)信息融合形成控制信号，送至腰部关节组件(1)，腰部关节组件(1)依据控制信号输出力矩，驱动背板(19)拉动人体背部运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力。
在搬运货物过程中，大腿支撑件(15)绕腰部关节组件(1)旋转一定角度，使其与大腿分开，不干扰人体正常行走，同时，物体保持在托板(27)上，力传感器(13)检测到托板(27)上放置物体，形成的控制信号控制无框电机(5)转动，使托板(27)对物体形成支撑力，(支撑力由输出法兰(11)传导到力传感器(13)、板(27)上，形成对物体的支撑力)，在其支撑作用下减少人体手臂的力，不会在长期搬运物体时感觉手臂酸痛。
优选的，陀螺仪(14)和陀螺仪(20)检测到背板(19)与人体弯腰方向相同时，形成的控制信号控制无框电机(5)转动，使背板(19)向着人体弯腰方向相反的方向运动，为人体背部和腰部提供支撑力；
在搬运货物过程中，物体保持在托板(27)上时，力传感器(13)检测到托板(27)上放置物体，形成的控制信号控制无框电机(5)转动，使托板(27)对物体形成支撑力。(支撑力由输出法兰(11)传导到力传感器(13)、板(27)上，形成对物体的支撑力)
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于主动驱动、多传感单元配置以及仿生调整与绑缚结构的设计，为增强人体腰部和手臂的搬抬机能、减少腰部和手臂运动损伤提供了具有质量轻、结构简单、能耗低、运动灵活等优点的解决方案，能够实现对不同物体的搬抬和运输。
(2)本发明主要面向腰部搬抬助力领域，采用机电助力方式，结合多感知网络设计实现了腰部搬抬主动助力；通过仿生调整结构与绑缚结构设计实现了高人机相容性设计及快速穿脱；通过驱动与感知的小型化集成设计实现了系统的轻量化。
(3)本发明实现了腰部助力外骨骼的轻量化与灵活性，首先对人体腰部自由度进行了必要的简化。简化后的腰部只有1个主动助力关节，提供人体腰部矢状面内的旋转运动；同时，在人体行走过程中通过控制适当抬起大小腿机构至不与人体干涉，省去了不必要的腰部外展/内收等自由度的设置，如此设置降低了系统重量、机构复杂性以及控制系统复杂程度。
(4)本发明主动关节设计采用了模块化驱动感知一体化设计理念，通过无框电机、谐波减速器以及传感器的小型化进一步降低系统自重，减小尺寸，实现系统的轻量化。
(5)本发明为腰部助力外骨骼集成位置、力及姿态多种感知单元，更加精确地实现人体运动意图识别。
(6)本发明通过仿生调整与绑缚结构设置，降低外骨骼对人体的束缚感，提升人机相容性，并实现快速穿脱。
(7)本发明为减少人体搬运物体行走时手臂出力，降低人体疲劳感，在大腿组件中设置托板，并通过控制实现对物体实时支撑。
附图说明
图1为腰部助力外骨骼正面图；
图2为腰部助力外骨骼背面图；
图3为腰部助力外骨骼关节组件截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种腰部助力外骨骼机器人，背部绑缚结构(25)将背部连接组件(4)穿戴于人体背部；腰部绑缚结构(26)将腰部连接组件(3)穿戴于人体腰部；人体穿戴好外骨骼机器人后，背部连接组件(4)始终与人体背部贴合，腰部连接组件(3)始终与人体腰部贴合；在弯腰搬抬物体过程中，大腿组件(2)与人体大腿保持贴合，大腿组件(2)与背部连接组件(4)能够检测人体腿部与背部姿态变化，反馈给腰部关节组件(1)，由腰部关节组件(1)驱动腰部连接组件(3)并带动背部连接组件(4)运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力；在行走搬运物体过程中，腰部关节组件(1)驱动大腿组件(2)相对腰部连接组件(3)运动，不干扰人体正常行走，同时大腿组件(2)能够为物体提供支撑力，在大腿组件(2)支撑作用下减少人体手臂的力。
本发明腰部助力外骨骼机器人是一种力量增强型外骨骼动力系统，由人体穿戴并控制机器人进行物资搬抬、装填和短距离运输炮弹、弹药箱、货物补给等任务。外骨骼由驱动组件、传动机构、绑缚结构、感知网络和控制器等组成，通过主动关节的外部动力，增强人体的腰部力量，减少作业人员的腰部和手臂损伤。腰部助力外骨骼应用领域主要包括军用、物流、工业和消防等，一般工作在户外、山区或厂房等环境，对自身重量、搬运重量和工作时间有着严苛的要求。
如图1所示，一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于包括：腰部关节组件(1)、大腿组件(2)、腰部连接组件(3)、背部连接组件(4)、背部绑缚结构(25)和腰部绑缚结构(26)；
背部连接组件(4)与腰部连接组件(3)固连；腰部连接组件(3)通过腰部关节组件(1)与大腿组件(2)连接；
背部绑缚结构(25)将背部连接组件(4)穿戴于人体背部；
腰部绑缚结构(26)将腰部连接组件(3)穿戴于人体腰部；
背部绑缚结构(25)为编制材料，内部填充人体工程学记忆海绵，背部绑缚结构(25)上设置肩带，肩带长度可调节。
腰部绑缚结构(26)为编制材料，内部填充人体工程学记忆海绵，腰部绑缚结构(26)上设置护腰带，护腰带长度可调节。
如图2所示，腰部关节组件(1)，包括无框电机(5)、电机壳体(6)、电机轴(7)、定子压环(8)、谐波减速器(9)、固定端法兰(10)、输出法兰(11)、增量式位置传感器(12)；
无框电机(5)安装在电机壳体(6)内，并与电机壳体(6)胶结，定子压环(8)将无框电机(5)压紧在电机壳体(6)内；无框电机的转子与电机轴(7)胶结，实现无框电机的转子带动电机轴(7)的旋转运动；
定子压环(8)，为圆环状，对无框电机(5)进行限位后，定子压环(8)与电机壳体(6)螺接。
谐波减速器(9)安装在电机壳体(6)上。
固定端法兰(10)的一端与谐波减速器(9)固连，固定端法兰(10)的另一端与腰部连接组件(3)固连，实现腰部连接组件(3)绕腰部关节组件(1)的旋转运动。
输出法兰(11)的一端与谐波减速器(9)固连，输出法兰(11)的另一端与大腿组件(2)固连，实现大腿组件(2)绕腰部关节组件(1)的旋转运动。
无框电机(5)通电后，无框电机(5)的转子转动，带动电机轴(7)转动，电机轴(7)的输出经过谐波减速器(9)减速增力距后，带动输出法兰(11)相对固定端法兰(10)转动；
输出法兰(11)，包括圆环形连接部和连接臂；圆环形连接部与连接臂的一端连接，连接臂的另一端连接大腿组件(2)；圆环形连接部连接在谐波减速器(9)上；输出法兰(11)的连接臂上设置有多排孔位，用于调整大腿长度，即调整大腿组件(2)相对于腰部关节组件(1)的位置。
固定端法兰(10)，包括圆环形连接部和连接臂；圆环形连接部与连接臂的一端连接，连接臂的另一端连接腰部连接组件(3)；圆环形连接部连接在谐波减速器(9)上.
增量式位置传感器(12)，包括定子和转子，增量式位置传感器(12)的转子与电机轴(7)固连，增量式位置传感器(12)的定子与电机壳体(6)固连，从而实现其正常运转。
增量式位置传感器(12)，能够检测电机轴(7)的转动位置，具体为：电机轴(7)上设置标志位，增量式位置传感器(12)能够监测到标志位的转动角度。
增量式位置传感器(12)能够满足所需精度的情况下做到了小型化，沿轴向的厚度仅4mm，相比于相近性能产品在尺寸上具有较为明显的优势，从而有助于减小外骨骼机器人尺寸。
如图1和图3所示，大腿组件(2)，包括：力传感器(13)、陀螺仪(14)、大腿支撑件(15)、大腿连接件(16)及托板(27)；
力传感器(13)的一端与输出法兰(11)固连，力传感器(13)的另一端与大腿连接件(16)固连；
大腿支撑件(15)安装在大腿连接件(16)上，且大腿支撑件(15)能够调整在大腿连接件(16)上的位置与转动角度，与人体大腿贴合，实现人体在蹲起动作时大腿外展和内收动作的随动；
陀螺仪(14)固定在输出法兰(11)上，用于检测输出法兰(11)的位姿；
力传感器(13)用来检测大腿支撑件(15)与大腿之间的接触力；
托板(27)安装在力传感器(13)上。
大腿支撑件(15)为弧形板；弧形板的内侧与人体腿围数据匹配，从而保证与大腿贴合，弧形板外侧设有圆孔，与大腿连接件(16)连接；大腿支撑件(15)上还设置有限制大腿支撑件(15)翻转角度和移动的限位功能，使大腿支撑件(15)只在大腿运动范围内转动。
大腿连接件(16)为L形，大腿支撑件(15)与大腿连接件(16)的一端连接，大腿连接件(16)的另一端与力传感器(13)的另一端相连。
陀螺仪(14)固定在输出法兰(11)上，检测输出法兰(11)的运动，从而实现检测大腿的姿态。
腰部连接组件(3)，包括：腰部固定件(17)和腰部连接件(18)，分别与腰部关节组件(1)和背部连接组件(4)固连。
腰部固定件(17)的两端与腰部关节组件(1)的固定端法兰(10)连接；腰部固定件(17)的中部通过腰部连接件(18)与背部连接组件(4)连接；
腰部固定件(17)上设置有腰部绑缚结构(26)，并通过腰部绑缚结构(26)与人体腰部相连。腰部固定件(17)为弧形，弧度与人体腰部曲面数据匹配。
腰部连接件(18)上设置有多排孔位，用来调整腰围，以适应不同穿戴人。
背部连接组件(4)，包括：背板(19)、陀螺仪(20)、控制器(21)、电池(22)、驱动器(23)、电池左固定架(24)、电池右固定架(27)、电池顶盖(28)和锁紧销(29)。
陀螺仪(20)集成于控制器(21)上、，控制器(21)均固定于背板(19)上；电池(22)通过被电池左固定架(24)和电池右固定架(27)进行左右限位，并被电池顶盖(28)压紧；电池顶盖(28)的一端安装在电池左固定架(24)上，并可绕其转动，另一端与电池右固定架(27)接触，用锁紧销(29)分别穿过电池顶盖(28)和电池右固定架(27)上的圆孔并锁紧，以实现电池(22)可拆卸的安装在背板(19)上的快速拆装；背板(19)紧贴人体背部；
驱动器(23)固定于背板(19)上，驱动器(23)用于驱动无框电机(5)；
背板(19)通过背部绑缚结构(25)与人体背部相连；
陀螺仪(20)检测背板(19)的运动姿态，从而检测到人体背部姿态，将背板(19)的运动姿态送至控制器(21)，控制器(21)根据背板(19)的运动姿态，识别人体运动趋势，形成控制信号，送至腰部关节组件(1)，驱动腰部关节组件(1)输出力矩，带动背板(19)向着人体弯腰的反方向运动。
腰部助力外骨骼机器人的搬抬助力实现优选方案如下：
人体穿戴好外骨骼机器人后，背板(19)始终与人体背部贴合，腰部固定件(17)始终与人体腰部贴合，在搬抬货物过程中，大腿支撑件(15)与大腿也保持贴合。按下电源开关后，人开始做出弯腰动作，此时，通过陀螺仪(14)和陀螺仪(20)能够检测输出法兰(11)和背板(19)的运动姿态，实现人体腿部与背部姿态检测，识别人体运动趋势，并与增量式位置传感器(12)和力传感器(13)信息融合形成控制信号，送至腰部关节组件(1)，腰部关节组件(1)依据控制信号输出力矩，驱动背板(19)拉动人体背部运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力。
在搬运货物过程中，大腿支撑件(15)绕腰部关节组件(1)旋转一定角度，使其与大腿分开，不干扰人体正常行走，同时，物体保持在托板(27)上，力传感器(13)检测到托板(27)上放置物体，形成的控制信号控制无框电机(5)转动，使托板(27)对物体形成支撑力，(支撑力由输出法兰(11)传导到力传感器(13)、板(27)上，形成对物体的支撑力)，在其支撑作用下减少人体手臂的力，不会在长期搬运物体时感觉手臂酸痛。
背板(19)优选采用碳纤维复合材料，极大地减轻系统重量；
背板(19)优选采用仿生结构设计，其内侧弧度基于亚洲成年男子背部平均轮廓数据，以更好地适应穿戴者，并能有效减小穿戴者弯腰过程中的应力集中，提升舒适度；同时，在背板(19)的中间和四周设计有多排槽，能够针对不同穿戴者调整绑缚位置，提升舒适度；
背板(19)的中间还设计有倒三角形的仿脊柱结构，提升美观程度。
腰部关节组件(1)和大腿组件(2)相对于腰部组件(3)和背部组件(4)的位置可不做完全对称安装的要求，能够适配更大范围身材的穿戴者，且不会对搬抬重物产生影响。
大腿支撑件(15)与大腿连接件(16)之间可设计为滑配，便于蹲起过程中，大腿带动大腿支撑件(15)沿大腿连接件(16)的轴线自由移动和翻转，从而不限制大腿的运动。
人体穿戴好外骨骼机器人后，背板(19)始终与人体背部贴合，腰部固定件(17)始终与人体腰部贴合，在搬抬货物过程中，大腿支撑件(15)与大腿也保持贴合。按下电源开关后，人开始做出弯腰动作，此时，通过陀螺仪(14)和陀螺仪(20)能够检测输出法兰(11)和背板(19)的运动姿态，实现人体腿部与背部姿态检测，识别人体运动趋势，并与增量式位置传感器(12)和力传感器(13)信息融合形成控制信号，送至腰部关节组件(1)，腰部关节组件(1)依据控制信号输出力矩，驱动背板(19)拉动人体背部运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力。
在搬运货物过程中，大腿支撑件(15)绕腰部关节组件(1)旋转一定角度，使其与大腿分开，不干扰人体正常行走，同时，物体保持在托板(27)上，力传感器(13)检测到托板(27)上放置物体，形成的控制信号控制无框电机(5)转动，使托板(27)对物体形成支撑力，(支撑力由输出法兰(11)传导到力传感器(13)、板(27)上，形成对物体的支撑力)，在其支撑作用下减少人体手臂的力，不会在长期搬运物体时感觉手臂酸痛。
本发明实现弯腰助力的进一步方案：根据大量弯腰搬抬实验，采集被试者背部姿态的角度与角速度信息，合理设定阈值提升搬抬意图的识别成功率，降低人体在弯腰—直腰过程中产生的对不确定运动的误判。
本发明实现搬抬助力的进一步方案：根据大量行走搬抬实验，大腿组件(2)的抬起角度应控制在50°～70°之间，角度过低会与人体大腿的运动产生干涉，而角度过高会影响弯腰搬抬动作且不利于平稳地放置物体，影响控制任务的稳定性。
本发明的腰部助力外骨骼经过了测试：
穿戴时间测试：穿戴者完成一次穿戴，搬运一个箱子至5米外放好，并脱下，平均时才约20s，说明绑缚系统设计合理，人机匹配性较好。
耗氧量测试：穿戴者在穿戴和不穿戴外骨骼的情况下，分别进行码垛任务，将5个总高1.2m、单个重量30kg的箱子依次搬运至10m外的空地，并再次完成码垛，如此往复搬抬5分钟。测试结果表明，穿戴腰部助力外骨骼的受试比不穿的人耗氧量减少8.6％，助力效果较好。
Claims (6)
1.一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于包括：腰部关节组件(1)、大腿组件(2)、腰部连接组件(3)、背部连接组件(4)、背部绑缚结构(25)和腰部绑缚结构(26)；
背部连接组件(4)与腰部连接组件(3)固连；腰部连接组件(3)通过腰部关节组件(1)与大腿组件(2)连接；
背部绑缚结构(25)将背部连接组件(4)穿戴于人体背部；
腰部绑缚结构(26)将腰部连接组件(3)穿戴于人体腰部；
人体穿戴好外骨骼机器人后，背部连接组件(4)始终与人体背部贴合，腰部连接组件(3)始终与人体腰部贴合；在弯腰搬抬物体过程中，大腿组件(2)与人体大腿保持贴合，大腿组件(2)与背部连接组件(4)能够检测人体腿部与背部姿态变化，反馈给腰部关节组件(1)，由腰部关节组件(1)驱动腰部连接组件(3)并带动背部连接组件(4)运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力；在行走搬运物体过程中，腰部关节组件(1)驱动大腿组件(2)相对腰部连接组件(3)运动，不干扰人体正常行走，同时大腿组件(2)能够为物体提供支撑力，在大腿组件(2)支撑作用下减少人体手臂的力；
腰部关节组件(1)，包括无框电机(5)、电机壳体(6)、电机轴(7)、定子压环(8)、谐波减速器(9)、固定端法兰(10)、输出法兰(11)、增量式位置传感器(12)；
无框电机(5)安装在电机壳体(6)内，并与电机壳体(6)胶结，定子压环(8)将无框电机(5)压紧在电机壳体(6)内；无框电机的转子与电机轴(7)胶结，实现无框电机的转子带动电机轴(7)的旋转运动；
固定端法兰(10)的一端与谐波减速器(9)固连，固定端法兰(10)的另一端与腰部连接组件(3)固连，实现腰部连接组件(3)绕腰部关节组件(1)的旋转运动；
输出法兰(11)的一端与谐波减速器(9)固连，输出法兰(11)的另一端与大腿组件(2)固连，实现大腿组件(2)绕腰部关节组件(1)的旋转运动；
谐波减速器(9)安装在电机壳体(6)上；
无框电机(5)通电后，无框电机(5)的转子转动，带动电机轴(7)转动，电机轴(7)的输出经过谐波减速器(9)减速增力距后，带动输出法兰(11)相对固定端法兰(10)转动；
增量式位置传感器(12)，能够检测电机轴(7)的转动位置；
增量式位置传感器(12)，包括定子和转子，增量式位置传感器(12)的转子与电机轴(7)固连，增量式位置传感器(12)的定子与电机壳体(6)固连，从而实现其正常运转；
定子压环(8)，为圆环状，对无框电机(5)进行限位后，定子压环(8)与电机壳体(6)螺接；
大腿组件(2)的抬起角度应控制在50°～70°之间，角度过低会与人体大腿的运动产生干涉，而角度过高会影响弯腰搬抬动作且不利于平稳地放置物体，影响控制任务的稳定性；
外骨骼机器人穿戴在人体后，背部连接组件(4)始终与人体背部贴合，腰部连接组件(3)始终与人体腰部贴合；在弯腰搬抬物体过程中，大腿组件(2)与人体大腿保持贴合，大腿组件(2)与背部连接组件(4)能够检测人体腿部与背部姿态变化，识别到人体运动趋势，并由腰部关节组件(1)和大腿组件(2)形成控制信号，反馈给腰部关节组件(1)；腰部关节组件(1)根据控制信号输出力矩，驱动腰部连接组件(3)和背部连接组件(4)运动，在人体弯腰过程中提供支撑力，实现弯腰助力；
大腿组件(2)，包括：力传感器(13)、陀螺仪(14)、大腿支撑件(15)、大腿连接件(16)及托板(27)；
力传感器(13)的一端与输出法兰(11)固连，力传感器(13)的另一端与大腿连接件(16)固连；
大腿支撑件(15)安装在大腿连接件(16)上，且大腿支撑件(15)能够调整在大腿连接件(16)上的位置与转动角度，与人体大腿贴合，实现人体在蹲起动作时大腿外展和内收动作的随动；
陀螺仪(14)固定在输出法兰(11)上，用于检测输出法兰(11)的位姿；
力传感器(13)用来检测大腿支撑件(15)与大腿之间的接触力；
托板(27)安装在力传感器(13)上。
2.根据权利要求1所述的一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于：背部绑缚结构(25)为编制材料，内部填充人体工程学记忆海绵，背部绑缚结构(25)上设置肩带，肩带长度可调节。
3.根据权利要求1所述的一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于：腰部绑缚结构(26)为编制材料，内部填充人体工程学记忆海绵，腰部绑缚结构(26)上设置护腰带，护腰带长度可调节。
4.根据权利要求1所述的一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于：输出法兰(11)，包括圆环形连接部和连接臂；圆环形连接部与连接臂的一端连接，连接臂的另一端连接大腿组件(2)；圆环形连接部连接在谐波减速器(9)上；输出法兰(11)的连接臂上设置有多排孔位，用于调整大腿长度，即调整大腿组件(2)相对于腰部关节组件(1)的位置。
5.根据权利要求1所述的一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于：固定端法兰(10)，包括圆环形连接部和连接臂；圆环形连接部与连接臂的一端连接，连接臂的另一端连接腰部连接组件(3)；圆环形连接部连接在谐波减速器(9)上。
6.根据权利要求1所述的一种腰部助力外骨骼机器人，其特征在于：增量式位置传感器(12)，能够检测电机轴(7)的转动位置，具体为：电机轴(7)上设置标志位，增量式位置传感器(12)能够监测到标志位的转动角度。
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