CN111515935A - 一种搬运助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搬运助力外骨骼机器人，包括动力装置、限位装置、主控模块、上肢部件、背部架体、背部绑带、外骨骼腰部、伸缩助力装置、连接带和下肢部件；背部绑带设置在背部架体上，主控模块设置在背部架体的后侧；两个上肢部件安装在背部架体两侧的上方，两个下肢部件安装在外骨骼腰部两侧的下方；伸缩助力装置与连接带连接背部架体与外骨骼腰部。本发明关节自由度符合人体特征，运动灵活；背部架体与外骨骼腰部之间设置了伸缩助力装置与连接带，能够有效辅助弯腰动作；外骨骼四肢可快速调节长度，方便穿戴；各个关节都设置了限位装置，防止外骨骼机器人出现故障时对使用者造成伤害；能辅助穿戴者搬运重物，降低疲劳强度。

Description

一种搬运助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种助力机器人研究领域，尤其涉及一种搬运助力外骨骼机器人。

背景技术

目前已开发出的搬运助力外骨骼机器人系统及产品很少，现有的外骨骼机器人大都是针对下肢、上肢或者单关节的外骨骼系统，且尚未形成成熟的产品。搬运助力外骨骼机器人具有广泛的应用前景和巨大的市场需求，可广泛适用于货物仓库员、作业工人等职业。

经文献检索，申请号为201611165523.7的中国发明专利提出了一种用于辅助搬运的全身外骨骼助力机器人，上肢外骨骼为3自由度系统，其中肩关节有2个自由度，肘关节有1个自由度。下肢外骨骼为4自由度系统，其中髋关节有1个自由度，膝关节有1个自由度，踝关节有2个自由度。使用者穿戴好整套外骨骼装备后，借助传感系统和电机驱动，在搬运重物时可大幅度提高工作效率和灵活性，达到省时省力的目的。但该装置的缺点也较为明显：自由度少，不能很好地配合使用者完成相应的动作；背部支架与下肢部件刚性连接，弯腰灵活性差；关节缺少机械限位结构，存在安全性问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种搬运助力外骨骼机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种搬运助力外骨骼机器人包括动力装置、限位装置、主控模块、上肢部件、背部架体、背部绑带、外骨骼腰部、伸缩助力装置、连接带和下肢部件；所述背部绑带设置在背部架体上；所述背部架体上端两侧对称设置多个孔，用于调节肩部宽度；所述主控模块设置在背部架体的后侧；两个上肢部件安装在背部架体两侧的上方，两个下肢部件安装在外骨骼腰部两侧的下方；所述外骨骼腰部设置多个孔，用于调节腰部宽度；所述伸缩助力装置与连接带连接背部架体与外骨骼腰部，能够有效辅助弯腰动作；所述伸缩助力装置包括外套筒、内套筒和弹簧，外套筒与内套筒连接，弹簧设置在外套筒和内套筒的内部；所述连接带可伸缩，具有弹性。

所述上肢部件包括肩关节、外骨骼大臂、大臂伸缩装置、大臂绑带、肘关节、外骨骼小臂、小臂伸缩装置、小臂绑带、把手和手部传感装置；所述肩关节包括肩部第一杆件和肩部第二杆件；所述肩部第一杆件设置在背部架体的孔上，实现肩关节的外展/内收；所述肩部第二杆件设置在肩部第一杆件上，呈L型，实现肩关节的外旋/内旋；所述外骨骼大臂设置在肩部第二杆件上，实现肩关节的伸/屈；所述肘关节设置在外骨骼大臂与外骨骼小臂连接处；所述外骨骼大臂与外骨骼小臂上分别设置有大臂绑带与小臂绑带；所述大臂伸缩装置和小臂伸缩装置分别设置在外骨骼大臂与外骨骼小臂上，用于调节其长度；所述把手和手部传感装置设置在外骨骼小臂末端。上肢部件中，肩关节有3个自由度，肘关节有1个自由度。

所述下肢部件包括髋关节、外骨骼大腿、大腿伸缩装置、大腿绑带、膝关节、外骨骼小腿、小腿伸缩装置、小腿绑带、踝关节、外骨骼鞋、脚部传感装置和鞋部绑带；所述髋关节包括Ⅰ杆、Ⅱ杆和Ⅲ杆；所述Ⅰ杆设置在外骨骼腰部的孔上；所述Ⅱ杆设置在Ⅰ杆上，实现髋关节的外展/内收；所述Ⅲ杆设置在Ⅱ杆上，实现髋关节的外旋/内旋；所述外骨骼大腿设置在髋关节的Ⅲ杆上，实现髋关节的伸/屈；所述膝关节设置在外骨骼大腿与外骨骼小腿连接处；所述外骨骼大腿与外骨骼小腿上分别设置有大腿绑带与小腿绑带；所述大腿伸缩装置和小腿伸缩装置分别设置在外骨骼大腿与外骨骼小腿上，用于调节其长度；所述踝关节设置在外骨骼小腿与外骨骼鞋连接处；所述外骨骼鞋上设置脚部传感装置和鞋部绑带。下肢部件中，髋关节有3个自由度，膝关节有1个自由度，踝关节有2个自由度。

所述动力装置包括传动系统、减速器、电机和角度传感器，设置在膝关节、髋关节、肩关节和肘关节上，其中角度传感器安装在电机上。

所述限位装置设置在踝关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节上，限定外骨骼机器人的运动范围，防止外骨骼机器人出现故障时对使用者造成伤害。

本发明所取得的有益效果是：一种搬运助力外骨骼机器人，关节自由度符合人体特征，运动灵活；背部架体与外骨骼腰部之间设置了伸缩助力装置与连接带，能够有效辅助弯腰动作；外骨骼四肢可快速调节长度，方便穿戴，结构简单；各个关节都设置了限位装置，防止外骨骼机器人出现故障时对使用者造成伤害，安全性高；能帮助穿戴者辅助搬运重物，降低疲劳强度，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明肩关节的结构示意图。

图3为本发明髋关节的结构示意图。

图中，1、小臂伸缩装置，2、肘关节，3、小臂绑带，4、大臂伸缩装置，5、背部架体，6、肩关节，6-1、肩部第一杆件，6-2、肩部第二杆件，7、外骨骼大臂，8、大臂绑带，9、背部绑带，10、外套筒，11、弹簧，12、内套筒，13、动力装置，14、外骨骼小臂，15、把手，16、手部传感装置，17、连接带，18、髋关节，18-1、Ⅰ杆，18-2、Ⅱ杆，18-3、Ⅲ杆，19、外骨骼腰部，20、外骨骼大腿，21、大腿绑带，22、大腿伸缩装置，23、膝关节，24、外骨骼小腿，25、小腿绑带，26、小腿伸缩装置，27、踝关节，28、外骨骼鞋，29、脚部传感装置，30、鞋部绑带。

具体实施方式

如图1所示，一种搬运助力外骨骼机器人包括动力装置13、限位装置、主控模块、上肢部件、背部架体5、背部绑带9、外骨骼腰部19、伸缩助力装置、连接带17和下肢部件；所述背部绑带9设置在背部架体5上；所述背部架体5上端两侧对称设置多个孔，用于调节肩部宽度；所述主控模块设置在背部架体5的后侧；两个上肢部件安装在背部架体5两侧的上方，两个下肢部件安装在外骨骼腰部19两侧的下方；所述外骨骼腰部19设置多个孔，用于调节腰部宽度；所述伸缩助力装置与连接带17连接背部架体5与外骨骼腰部19，能够有效辅助弯腰动作；所述伸缩助力装置包括外套筒10、内套筒12和弹簧11，外套筒10与内套筒12连接，弹簧11设置在外套筒10和内套筒12的内部；所述连接带17可伸缩，具有弹性。

所述上肢部件包括肩关节6、外骨骼大臂7、大臂伸缩装置4、大臂绑带8、肘关节2、外骨骼小臂14、小臂伸缩装置1、小臂绑带3、把手15和手部传感装置16；如图2所示，所述肩关节6包括肩部第一杆件6-1和肩部第二杆件6-2；所述肩部第一杆件6-1设置在背部架体5的孔上，实现肩关节6的外展/内收；所述肩部第二杆件6-2设置在肩部第一杆件6-1上，呈L型，实现肩关节6的外旋/内旋；所述外骨骼大臂7设置在肩部第二杆件6-2上，实现肩关节6的伸/屈；所述肘关节2设置在外骨骼大臂7与外骨骼小臂14连接处；所述外骨骼大臂7与外骨骼小臂14上分别设置有大臂绑带8与小臂绑带3；所述大臂伸缩装置4和小臂伸缩装置1分别设置在外骨骼大臂7与外骨骼小臂14上，用于调节其长度；所述把手15和手部传感装置16设置在外骨骼小臂14末端。上肢部件中，肩关节6有3个自由度，肘关节2有1个自由度。

所述下肢部件包括髋关节18、外骨骼大腿20、大腿伸缩装置22、大腿绑带21、膝关节23、外骨骼小腿24、小腿伸缩装置26、小腿绑带25、踝关节27、外骨骼鞋28、脚部传感装置29和鞋部绑带30；如图3所示，所述髋关节18包括Ⅰ杆18-1、Ⅱ杆18-2和Ⅲ杆18-3；所述Ⅰ杆18-1设置在外骨骼腰部19的孔上；所述Ⅱ杆18-2设置在Ⅰ杆18-1上，实现髋关节18的外展/内收；所述Ⅲ杆18-3设置在Ⅱ杆18-2上，实现髋关节18的外旋/内旋；所述外骨骼大腿20设置在髋关节18的Ⅲ杆18-3上，实现髋关节18的伸/屈；所述膝关节23设置在外骨骼大腿20与外骨骼小腿24连接处；所述外骨骼大腿20与外骨骼小腿24上分别设置有大腿绑带21与小腿绑带25；所述大腿伸缩装置22和小腿伸缩装置26分别设置在外骨骼大腿20与外骨骼小腿24上，用于调节其长度；所述踝关节27设置在外骨骼小腿24与外骨骼鞋28连接处；所述外骨骼鞋28上设置脚部传感装置29和鞋部绑带30。下肢部件中，髋关节18有3个自由度，膝关节23有1个自由度，踝关节27有2个自由度。

所述动力装置13包括传动系统、减速器、电机和角度传感器，设置在膝关节23、髋关节18、肩关节6和肘关节2上，其中角度传感器安装在电机上。

所述限位装置设置在踝关节27、膝关节23、髋关节18、肩关节6和肘关节2上，限定外骨骼机器人的运动范围，防止外骨骼机器人出现故障时对使用者造成伤害。如图3所示，所述髋关节限位装置设置在Ⅰ杆18-1、Ⅱ杆18-2、Ⅲ杆18-3和外骨骼大腿20连接处，其中Ⅰ杆18-1与Ⅱ杆18-2连接处限定了髋关节18的外展/内收；Ⅱ杆18-2与Ⅲ杆18-3连接处限定了髋关节18的外旋/内旋；Ⅲ杆18-3与外骨骼大腿20连接处限定了髋关节18的伸/屈。

使用者穿戴搬运助力外骨骼机器人前，根据使用者的身材，调整肩部宽度和腰部宽度，即确定肩部第一杆件6-1设置在背部架体5的孔的位置和Ⅰ杆18-1设置在外骨骼腰部19的孔的位置。调整小腿伸缩装置26、大腿伸缩装置22、大臂伸缩装置4和小臂伸缩装置1，从而确定外骨骼小腿24、外骨骼大腿20、外骨骼大臂7和外骨骼小臂14的长度。使用者穿戴搬运助力外骨骼机器人时，用鞋部绑带30将使用者脚部与外骨骼鞋28固定，用小腿绑带25将使用者小腿与外骨骼小腿24固定，用大腿绑带21将使用者大腿与外骨骼大腿20固定，用背部绑带9将使用者背部与背部架体5固定，用大臂绑带8将使用者大臂与外骨骼大臂7固定，用小臂绑带3将使用者小臂与外骨骼小臂14固定。

使用者穿戴好搬运助力外骨骼机器人后，当要搬运重物时，先弯下腰，使用者髋关节的运动带动外骨骼机器人的髋关节18转动一定角度，外骨骼机器人的伸缩助力装置收缩，连接带17弯曲。使用者上肢肘关节与肩关节的运动带动外骨骼机器人的肘关节2与肩关节6的运动，将重物搬起，同时直起腰，使用者髋关节的运动带动外骨骼机器人的髋关节18转动一定角度，外骨骼机器人的伸缩助力装置拉伸，连接带17弹起，有效辅助弯腰搬起重物。行走过程中，使用者下肢髋关节和膝关节的运动带动外骨骼机器人的髋关节18和膝关节23的运动，辅助使用者行走。同时，外骨骼机器人的上肢部件辅助使用者在行走过程中托举重物。到达目的地后，先弯下腰，使用者髋关节的运动带动外骨骼机器人的髋关节18转动一定角度，外骨骼机器人的伸缩助力装置收缩，连接带17弯曲。使用者上肢肘关节与肩关节的运动带动外骨骼机器人的肘关节2与肩关节6的运动，将重物放下，同时直起腰，使用者髋关节的运动带动外骨骼机器人的髋关节18转动一定角度，外骨骼机器人的伸缩助力装置拉伸，连接带17弹起。在搬运重物的过程中，当关节的电机转动到一定角度后，角度传感器检测到预先设定好的角度，传递给主控模块，主控模块控制电机停止转动。限位装置限定的角度略大于关节运动预先设定好的角度。在搬运重物的过程中，如果外骨骼机器人出现的故障导致电机无法停止转动，那么该关节的限位装置会限制关节转动，从而使电机转速变为0。此时，角度传感器测得的角度超过预先设定好的角度，并且角度传感器测得电机转速突然变为0，信号传给主控模块，主控模块控制电机停止工作。没有电机驱动的关节的限位装置限定了该关节自由转动的角度，保证了工作时关节在安全的角度范围内转动。

Claims (5)

1.一种搬运助力外骨骼机器人，其特征是：包括动力装置、限位装置、主控模块、上肢部件、背部架体、背部绑带、外骨骼腰部、伸缩助力装置、连接带和下肢部件；所述背部绑带设置在背部架体上，背部架体上端两侧对称设置多个孔，所述主控模块设置在背部架体的后侧；两个上肢部件安装在背部架体两侧的上方，两个下肢部件安装在外骨骼腰部两侧的下方；所述外骨骼腰部设置多个孔；所述伸缩助力装置与连接带连接背部架体与外骨骼腰部；所述伸缩助力装置包括外套筒、内套筒和弹簧，外套筒与内套筒连接，弹簧设置在外套筒和内套筒的内部；所述连接带可伸缩，具有弹性。

2.根据权利要求1所述的一种搬运助力外骨骼机器人，其特征是：所述上肢部件包括肩关节、外骨骼大臂、大臂伸缩装置、大臂绑带、肘关节、外骨骼小臂、小臂伸缩装置、小臂绑带、把手和手部传感装置；所述肩关节包括肩部第一杆件和肩部第二杆件；所述肩部第一杆件设置在背部架体的孔上；所述肩部第二杆件设置在肩部第一杆件上，呈L型；所述外骨骼大臂设置在肩部第二杆件上；所述肘关节设置在外骨骼大臂与外骨骼小臂连接处；所述外骨骼大臂与外骨骼小臂上分别设置有大臂绑带与小臂绑带；所述大臂伸缩装置和小臂伸缩装置分别设置在外骨骼大臂与外骨骼小臂上；所述把手和手部传感装置设置在外骨骼小臂末端。

3.根据权利要求1所述的一种搬运助力外骨骼机器人，其特征是：所述下肢部件包括髋关节、外骨骼大腿、大腿伸缩装置、大腿绑带、膝关节、外骨骼小腿、小腿伸缩装置、小腿绑带、踝关节、外骨骼鞋、脚部传感装置和鞋部绑带；所述髋关节包括Ⅰ杆、Ⅱ杆和Ⅲ杆；所述Ⅰ杆设置在外骨骼腰部的孔上；所述Ⅱ杆设置在Ⅰ杆上；所述Ⅲ杆设置在Ⅱ杆上；所述外骨骼大腿设置在髋关节的Ⅲ杆上；所述膝关节设置在外骨骼大腿与外骨骼小腿连接处；所述外骨骼大腿与外骨骼小腿上分别设置有大腿绑带与小腿绑带；所述大腿伸缩装置和小腿伸缩装置分别设置在外骨骼大腿与外骨骼小腿上；所述踝关节设置在外骨骼小腿与外骨骼鞋连接处；所述外骨骼鞋上设置脚部传感装置和鞋部绑带。

4.根据权利要求1所述的一种搬运助力外骨骼机器人，其特征是：所述动力装置包括传动系统、减速器、电机和角度传感器，设置在膝关节、髋关节、肩关节和肘关节上，其中角度传感器安装在电机上。

5.根据权利要求1所述的一种搬运助力外骨骼机器人，其特征是：所述限位装置设置在踝关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节上。

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