CN111975747A - 助力机器人 - Google Patents

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CN111975747A
CN111975747A CN202010663294.1A CN202010663294A CN111975747A CN 111975747 A CN111975747 A CN 111975747A CN 202010663294 A CN202010663294 A CN 202010663294A CN 111975747 A CN111975747 A CN 111975747A
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孙健铨
刘王智懿
傅睿卿
李金科
吴新宇
王大帅
季心宇
李鹏飞
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Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
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Abstract

本申请公开了一种助力机器人，包括：绑缚组件，包括关节运动端绑缚件，关节运动端绑缚件上设置有惯性传感器；驱动组件，与惯性传感器通信连接，用于根据惯性传感器的信号向关节运动端绑缚件提供驱动力；传导组件，包括传导线，一端连接驱动组件，另一端连接关节运动端绑缚件，驱动组件通过传导线向关节运动端绑缚件提供驱动力。本申请助力机器人通过驱动组件驱动传导线向关节运动端绑缚件提供助力，增加了助力的柔顺性，降低了整体质量和控制难度。

Description

助力机器人
技术领域
本申请属于机器人技术领域，特别涉及一种助力机器人。
背景技术
随着现代化战争手段的发展，武器装备不断改善，士兵背负负重量物品呈越来越重的趋势，直接影响了士兵的人体机能。目前，士兵一般要背负约25千克装备巡逻或行军，这些负重不仅会增加士兵关节和软组织受伤的风险，而且还会加大士兵的体能消耗，降低作战效能。
由于传统刚性外骨骼机器人的刚度特性，外骨骼机器人结构冗杂，严重限制士兵的机动能力，对士兵带来额外负载，使得士兵与刚性外骨骼机器人的贴合欠佳，控制难度较大。
发明内容
本申请主要提供一种助力机器人，以解决现有技术中刚性外骨骼机器人自重较大，便携性差及控制难度大等技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种助力机器人，所述助力机器人包括：
绑缚组件，包括关节运动端绑缚件，所述关节运动端绑缚件上设置有惯性传感器；
驱动组件，与所述惯性传感器通信连接，用于根据所述惯性传感器的信号向所述关节运动端绑缚件提供驱动力；
传导组件，包括传导线，一端连接所述驱动组件，另一端连接所述关节运动端绑缚件，所述驱动组件通过所述传导线向所述关节运动端绑缚件提供驱动力。
根据本申请提供的一实施方式，所述传导线包括线套和穿设于所述线套的驱动线；所述绑缚组件还包括关节助力端绑缚件；
所述线套的一端连接于所述驱动组件，另一端固定于所述关节助力端绑缚件；所述驱动线的一端连接于所述驱动组件，另一端连接于所述关节运动端绑缚件。
根据本申请提供的一实施方式，所述驱动组件包括旋转电机和绕线盘，所述驱动线一端绕设于所述绕线盘上，另一端穿设于所述线套与所述关节运动端绑缚件连接，所述旋转电机正反旋转带动所述绕线盘转动。
根据本申请提供的一实施方式，所述绕线盘包括第一绕线槽和第二绕线槽，所述驱动线包括第一驱动线和第二驱动线，所述绑缚组件包括左关节运动端绑缚件和右关节运动端绑缚件；
所述第一驱动线一端绕设于所述第一绕线槽上，另一端连接所述左关节运动端绑缚件，所述第二驱动线一端绕设于所述第二绕线槽上，另一端连接所述右关节运动端绑缚件。
根据本申请提供的一实施方式，所述绕线盘的绕线槽上设置有绕线头，所述绕线头铰接于所述绕线槽的凹孔；
所述线套包括第一线套和第二线套，所述第一线套穿设于所述第二线套，所述驱动线穿设于所述第一线套，所述第一线套一端固定于所述绕线头，另一端连接所述关节运动端绑缚件，所述第二线套一端固定于所述驱动组件的出线口，另一端连接于所述关节助力绑缚件。
根据本申请提供的一实施方式，所述绑缚组件包括第一关节运动端绑缚件和第一关节助力端绑缚件，以及第二关节运动端绑缚件和第二关节助力端绑缚件；
所述驱动组件包括第一驱动件和第二驱动件；
所述传导组件包括第一传导线和第二传导线，所述第一传导线连接所述第一驱动件、第一关节运动端绑缚件和第一关节助力端绑缚件；所述第二传导线连接所述第二驱动件、第二关节运动端绑缚件和第二关节助力端绑缚件。
根据本申请提供的一实施方式，所述第一关节助力端绑缚件为腰部绑缚件，所述第一关节运动端绑缚件为大腿绑缚件；所述第二关节助力端绑缚件为足跟绑缚件，所述第二关节运动端绑缚件为足底绑缚件。
根据本申请提供的一实施方式，所述腰部绑缚件包括主腰带、大腿助力加载带和足底助力加载带，所述大腿助力加载带和所述足底助力加载带悬设于所述主腰带上，所述大腿助力加载带远离所述主腰带一侧设置有固定装置，用于固定所述第一传导线；
所述大腿助力加载带和所述足底助力加载带分别以所述主腰带中心对称，所述足底助力加载带相对于所述大腿助力加载带远离所述主腰带中心。
根据本申请提供的一实施方式，所述足跟绑缚件一端与所述足底助力加载带连接，另一端与所述足底绑缚件连接；
所述足跟绑缚件连接所述足底绑缚件一端设置有所述固定装置，用于固定所述第二传导线；
所述大腿绑缚件通过尼龙件与小腿绑缚件连接。
根据本申请提供的一实施方式，所述传导线与所述关节运动端绑缚件之间连接有弹性件。
本申请提供了一种助力机器人，包括绑缚组件、驱动组件和传导组件，绑缚组件包括关节运动端绑缚件，关节运动端绑缚件上设置有惯性传感器；驱动组件，与惯性传感器通信连接，用于根据惯性传感器的信号向关节运动端绑缚件提供驱动力；传导组件，包括传导线，一端连接驱动组件，另一端连接关节运动端绑缚件，驱动组件通过传导线向关节运动端绑缚件提供驱动力。本申请的驱动组件根据惯性传感器的信号控制传导线向关节运动端绑缚件提供助力，减轻了穿戴者由于自身体重和负重对下肢带来的负担，并且减轻了同等负重情况下穿戴者的代谢支出，提高了穿戴者的抗疲劳能力，增加了穿戴者的运动时长；绑缚组件和传导组件的设计，降低了助力机器人的自重，提高了穿戴者的运动柔顺性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本申请助力机器人一实施例的结构示意图；
图2是本申请助力机器人中驱动组件的结构示意图；
图3是图2所示的助力机器人中驱动组件的爆炸示意图；
图4是图1所示的助力机器人中腰部绑缚件的结构示意图；
图5是图1所示的助力机器人中足跟绑缚件的结构示意图；
图6是图1所示的助力机器人中大腿绑缚件的结构示意图；
图7是图1所示的助力机器人中小腿绑缚件的结构示意图；
图8是图1所示的助力机器人中足底绑缚件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
请参阅图1，图1是本申请助力机器人一实施例的结构示意图。本申请的助力机器人10适用于士兵巡逻或行军时减轻负重，降低士兵的体能消耗，避免士兵由于长时间负重而损伤关节或软骨组织，降低作战效能。
本实施例的助力机器人10包括绑缚组件100、驱动组件200和传导组件300。
其中，绑缚组件100包括关节运动端绑缚件11，关节运动端绑缚件11上设置有惯性传感器(图中未示)，用于感测穿戴者的关节运动。
驱动组件200，与惯性传感器通信连接，用于根据惯性传感器感测的穿戴者关节运动信号向关节运动端绑缚件11提供助力。
传导组件300，包括传导线31，传导线31一端连接驱动组件200，另一端连接关节运动端绑缚件11，以使得驱动组件200根据惯性传感器的信号控制传导线31向关节运动端绑缚件11提供助力。
上述实施例中，驱动组件200根据惯性传感器感测的穿戴者关节运动信号控制传导线31向关节运动端绑缚件11提供助力，减轻了穿戴者由于自身体重和负重对下肢带来的负担，并且减轻了同等负重情况下穿戴者的代谢支出，提高了穿戴者的抗疲劳能力，增加了穿戴者的运动时长；绑缚组件100和传导组件300的设计，降低了助力机器人10的自重，提高了穿戴者的运动柔顺性。
为了利于传导线31传导驱动组件200的驱动力，本实施例中的传导线31包括线套32和驱动线33，驱动线33穿设于线套32。在具体实施例中，驱动线33可以为鲍登线、钢丝绳或者尼龙线等。
绑缚组件100还包括关节助力端绑缚件12，用于助力关节运动端绑缚件11。
由图1可知，线套32的一端连接于驱动组件200，另一端固定于关节助力端绑缚件12；驱动线33一端连接于驱动组件200，另一端连接于关节运动端绑缚件11。在具体实施例中，驱动组件200通过驱动穿设于线套32中的驱动线33，实现对关节运动端绑缚件11的助力。
为了方便驱动组件200在穿戴者行走运动时助力穿戴者的关节，本实施例采用旋转电机21作为驱动源，由旋转电机21正反转动控制传导线31助力穿戴者左右侧的关节，以减轻穿戴者由于自身体重和负重对下肢带来的负担，并且减轻了同等负重情况下穿戴者的代谢支出，提高了穿戴者的抗疲劳能力。
具体地，可参阅图2和图3，图2是本申请助力机器人中驱动组件的结构示意图，图3是图2所示助力机器人中驱动组件的爆炸示意图。驱动组件200包括旋转电机21和绕线盘22，驱动线33一端绕设于绕线盘22上，另一端穿设于线套32与关节运动端绑缚件11连接。在具体实施例中，旋转电机21为直流无刷结构电机。
在具体应用场景中，位于关节运动端绑缚件11上的惯性传感器感测到穿戴者的关节运动，并将具体关节运动信息，例如左腿关节迈出信息，发送给驱动组件200，驱动组件200根据惯性传感器的通讯信息控制旋转电机21向左(向右)旋转，旋转电机21带动绕线盘22向左(向右)转动，绕设于绕线盘22右侧(左侧)上的驱动线33助力与其连接的右侧(左侧)关节运动端绑缚件11。
为了防止当旋转电机21正反转动带动绕线盘22转动时，绕设于绕线盘22上的驱动线33出现混绕，导致不能快速助力关节运动端绑缚件11，本实施例的绕线盘22包括第一绕线槽221和第二绕线槽222，驱动线33绕设于绕线盘22的不同绕线槽上有利于驱动线33及时传导旋转电机21对不同关节运动端绑缚件11的助力。
具体地，驱动线33包括第一驱动线331和第二驱动线332，绑缚组件100包括左关节运动端绑缚件14和右关节运动端绑缚件15。第一驱动线331一端绕设于绕线盘22的第一绕线槽221上，另一端连接左关节运动端绑缚件14；第二驱动线332一端绕设于绕线盘22的第二绕线槽222上，另一端连接右关节运动端绑缚件15。在具体实施例中，第一驱动线331一端也可绕设于第二绕线槽222上，另一端连接右关节运动端绑缚件15，本实施例对第一驱动线331或第二驱动线332连接的绕线槽(图中第一绕线槽221或第二绕线槽222的总称)及关节运动端绑缚件11不作限定。
在具体应用场景中，旋转电机21左右(正反)旋转带动绕线盘22转动，当旋转电机21向左(向右)旋转带动绕线盘22向左(向右)转动，使得位于旋转电机21左侧(右侧)的第一驱动线331松弛，第二驱动线332拉紧，助力与其连接的右(左)关节运动端绑缚件15(14)。本实施例中，旋转电机21正反转动驱动对应侧的关节运动端绑缚件11，当旋转电机21助力穿戴者一侧关节运动端绑缚件11时，另一侧关节运动端绑缚件11处于松弛状态，使得穿戴者左右运动周期分离，单侧运动对对策运动无干扰。也就是说，松弛一侧的关节运动端绑缚件11对拉紧一侧的关节运动端绑缚件11无影响。
为了解决绕线盘22快速转动对驱动线33造成影响，本实施例在绕线盘22的凹孔223内设置有空心结构的绕线头23，绕线头23铰接于绕线槽的凹孔223内，驱动线33一端绕设于绕线盘22上，另一端通过绕线头23穿设于线套32中，以使驱动线33保持于绕线槽内，避免驱动线33串线问题。
具体地，线套32包括第一线套和第二线套(关于第一线套及第二线套的位置关系图中未详细示出)，第一线套穿设于第二线套中，驱动线33穿设于第一线套。第一线套一端固定于绕线头23一端，另一端连接关节运动端绑缚件11；第二线套一端固定于驱动组件200的出线口24，另一端连接于关节助力绑缚件12。
在具体应用场景中，旋转电机21带动绕线盘22正反旋转时，驱动线33助力与其连接的关节运动端绑缚件11；同时由于第一线套一端固定于绕线头23一端，绕线头23铰接于绕线盘22的凹孔223内，旋转电机21旋转转动时，绕线头23也会随之转动，使得连接于绕线头23上的第一线套助力关节运动端绑缚件11；并且由于驱动线33及第一线套的收紧，第二线套处于拉紧状态，使得第二线套助力与其连接的关节助力绑缚件12，而关节助力绑缚件12与关节运动绑缚件11连接，即可助力关节运动端绑缚件11。
为了避免驱动组件200驱动传导线31助力关节运动端绑缚件11时，传导线31快速拉动关节运动端绑缚件11而导致穿戴者行动未同步，出现摔跤等情况，本实施例在传导线31与关节运动端绑缚件11之间连接有弹性件32，弹性件32一端连接驱动线33，另一端固定连接于关节运动端绑缚件11上，起到缓冲助力作用。
上述实施例，通过旋转电机21正反旋转带动绕线盘22转动，绕设于绕线盘22第一绕线槽221和第二绕线槽222的第一驱动线331和第二驱动线332分别助力穿戴者的左关节运动端绑缚件14和右关节运动端绑缚件15，当旋转电机21助力一侧关节运动端绑缚件11时，另一侧关节运动端绑缚件11处于松弛状态，也就是说，旋转电机21的驱动力分别作用于穿戴者左右关节，使得穿戴者左右运动周期分离，单侧运动对对策运动无干扰；通过设置绕线头23，避免绕线盘22快速转动而导致驱动线33拉出绕线槽内，出现串线问题；第一线套穿设于第二线套中，驱动线33穿设于第一线套，驱动线33、第一线套和第二线套的设置提高了对关节运动端绑缚件11的助力效能；传导线31与关节运动端绑缚件11之间连接弹性件32，起到缓冲助力作用。
由于穿戴者的行走运动是由身体两侧的不同关节同时作用，为了实现对同侧不同关节的同时助力，本实施例采用不同的驱动组件200助力关节运动端绑缚件11和关节助力端绑缚件12，驱动组件200包括第一驱动件210和第二驱动件220，第一驱动件210的驱动力作用于身体两侧的一对相同关节，第二驱动件220的驱动力作用于身体两侧的另一对相同关节。
具体地，绑缚组件100包括第一关节运动端绑缚件111和第一关节助力端绑缚件121，以及第二关节运动端绑缚件112和第二关节助力端绑缚件122；传导组件300包括第一传导线311和第二传导线312。第一传导线311连接第一驱动件210、第一关节运动端绑缚件111和第一关节助力端绑缚件121；第二传导线312连接第二驱动件220、第二关节运动端绑缚件112和第二关节助力端绑缚件122。其中，第一关节助力端绑缚件121为腰部绑缚件1211，第一关节运动端绑缚件111为大腿绑缚件1111；第二关节助力端绑缚件122为足跟绑缚件1221，第二关节运动端绑缚件112为足底绑缚件1121。也就是说，第一驱动件210通过第一传导线311向腰部绑缚件1211和大腿绑缚件1111助力，助力穿戴者的左右髋关节；第二驱动件220通过第二传导线312向足跟绑缚件1221和足底绑缚件1121助力，助力穿戴者的左右踝关节。通过两个驱动件对腰部绑缚件1211、大腿绑缚件1111、足跟绑缚件1221和足底绑缚件1121四个关节进行驱动助力，即第一驱动件210的驱动力作用于穿戴者的左右髋关节，第二驱动件220的驱动力作用于穿戴者的左右踝关节，实现了机械结构的优化集成，大幅度提高了助力效率。
可参阅图4-6，图4是图1所示的助力机器人中腰部绑缚件的结构示意图，图5是图1所示的助力机器人中足跟绑缚件的结构示意图，图6是图1所示的助力机器人中大腿绑缚件的结构示意图，图7是图1所示的助力机器人中小腿绑缚件的结构示意图，图8是图1所示的助力机器人中足底绑缚件的结构示意图。
在具体实施例中，绑缚组件100包括腰部绑缚件1211、大腿绑缚件1111、足跟绑缚件1221、足底绑缚件1121，大腿绑缚件1111、足跟绑缚件1221、足底绑缚件1121分别设置于穿戴者身体的左右两侧，也就是说，大腿绑缚件1111、足跟绑缚件1221、足底绑缚件1121有左右两套。
其中，腰部绑缚件1211包括主腰带1212、大腿助力加载带1213和足底助力加载带1214，大腿助力加载带1213和足底助力加载带1214悬设于主腰带1212上，呈倒三角结构。驱动组件200安装于腰部绑缚件1211上。
大腿助力加载带1213以主腰带1212为中心对称，大腿助力加载带1213远离主腰带1211一侧设置有固定装置(图中未示)，用于固定第一传导线311，利于第一驱动件210驱动第一传导线311助力腰部绑缚件1211和大腿绑缚件1111。
足底助力加载带1214以主腰带1212为中心对称，足底助力加载带1214另一端连接足跟绑缚件1221，足底助力加载带1214相对于大腿助力加载带1213远离主腰带1212中心。
大腿绑缚件1111通过尼龙件与小腿绑缚件1112连接，大腿绑缚件1111呈扇环状，惯性传感器和弹簧件32一端固定于大腿绑缚件1111上；小腿绑缚件1112设置一开口，用于连接来自大腿绑缚件1111的尼龙带。
足底绑缚件1121用于绑缚于穿戴者的脚部，惯性传感器和弹簧件32一端固定于足底绑缚件1121上。
足跟绑缚件1221一端与腰部绑缚件1211的足底助力加载带1214连接，另一端设置有固定第二传导线312的固定装置(图中未示)。
在其他实施例中，助力机器人10还包括控制电路板(图中未示)、电池(图中未示)和相关线路(图中未示)，电池用于为驱动组件200、控制电路板及惯性传感器供电，惯性传感器连接控制电路板。
上述实施例中，第一驱动件210通过第一传导线331助力第一关节运动端绑缚件111和第一关节助力端绑缚件121；第二驱动件220通过第二传导线332助力第二关节运动端绑缚件112和第二关节助力端绑缚件122，实现通过两个驱动件对腰部绑缚件1211、大腿绑缚件1111、足跟绑缚件1221和足底绑缚件1121四个关节进行驱动助力，实现了机械结构的优化集成，大幅度提高了助力效率。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种助力机器人，其特征在于，所述助力机器人包括：
绑缚组件，包括关节运动端绑缚件，所述关节运动端绑缚件上设置有惯性传感器；
驱动组件，与所述惯性传感器通信连接，用于根据所述惯性传感器的信号向所述关节运动端绑缚件提供驱动力；
传导组件，包括传导线，一端连接所述驱动组件，另一端连接所述关节运动端绑缚件，所述驱动组件通过所述传导线向所述关节运动端绑缚件提供驱动力。
2.根据权利要求1所述的助力机器人，其特征在于，所述传导线包括线套和穿设于所述线套的驱动线；所述绑缚组件还包括关节助力端绑缚件；
所述线套的一端连接于所述驱动组件，另一端固定于所述关节助力端绑缚件；所述驱动线的一端连接于所述驱动组件，另一端连接于所述关节运动端绑缚件。
3.根据权利要求2所述的助力机器人，其特征在于，所述驱动组件包括旋转电机和绕线盘，所述驱动线一端绕设于所述绕线盘上，另一端穿设于所述线套与所述关节运动端绑缚件连接，所述旋转电机正反旋转带动所述绕线盘转动。
4.根据权利要求3所述的助力机器人，其特征在于，所述绕线盘包括第一绕线槽和第二绕线槽，所述驱动线包括第一驱动线和第二驱动线，所述绑缚组件包括左关节运动端绑缚件和右关节运动端绑缚件；
所述第一驱动线一端绕设于所述第一绕线槽上，另一端连接所述左关节运动端绑缚件，所述第二驱动线一端绕设于所述第二绕线槽上，另一端连接所述右关节运动端绑缚件。
5.根据权利要求4所述的助力机器人，其特征在于，所述绕线盘的绕线槽上设置有绕线头，所述绕线头铰接于所述绕线槽的凹孔；
所述线套包括第一线套和第二线套，所述第一线套穿设于所述第二线套，所述驱动线穿设于所述第一线套，所述第一线套一端固定于所述绕线头，另一端连接所述关节运动端绑缚件，所述第二线套一端固定于所述驱动组件的出线口，另一端连接于所述关节助力绑缚件。
6.根据权利要求2所述的助力机器人，其特征在于，
所述绑缚组件包括第一关节运动端绑缚件和第一关节助力端绑缚件，以及第二关节运动端绑缚件和第二关节助力端绑缚件；
所述驱动组件包括第一驱动件和第二驱动件；
所述传导组件包括第一传导线和第二传导线，所述第一传导线连接所述第一驱动件、第一关节运动端绑缚件和第一关节助力端绑缚件；所述第二传导线连接所述第二驱动件、第二关节运动端绑缚件和第二关节助力端绑缚件。
7.根据权利要求6所述的助力机器人，其特征在于，所述第一关节助力端绑缚件为腰部绑缚件，所述第一关节运动端绑缚件为大腿绑缚件；所述第二关节助力端绑缚件为足跟绑缚件，所述第二关节运动端绑缚件为足底绑缚件。
8.根据权利要求7所述的助力机器人，其特征在于，所述腰部绑缚件包括主腰带、大腿助力加载带和足底助力加载带，所述大腿助力加载带和所述足底助力加载带悬设于所述主腰带上，所述大腿助力加载带远离所述主腰带一侧设置有固定装置，用于固定所述第一传导线；
所述大腿助力加载带和所述足底助力加载带分别以所述主腰带中心对称，所述足底助力加载带相对于所述大腿助力加载带远离所述主腰带中心。
9.根据权利要求8所述的助力机器人，其特征在于，所述足跟绑缚件一端与所述足底助力加载带连接，另一端与所述足底绑缚件连接；
所述足跟绑缚件连接所述足底绑缚件一端设置有所述固定装置，用于固定所述第二传导线；
所述大腿绑缚件通过尼龙件与小腿绑缚件连接。
10.根据权利要求1所述的助力机器人，其特征在于，所述传导线与所述关节运动端绑缚件之间连接有弹性件。
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