CN112936221B - 基于外骨骼的拉绳自动可调节装置及助力搬运方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外骨骼的拉绳自动可调节装置及助力搬运方法，所述装置包括箱体、传动机构、自锁机构、背部连接机构、信号采集模块和控制驱动模块，所述信号采集模块、控制驱动模块和自锁机构依次连接，控制驱动模块用于在接收到信号采集模块传递的压力信号后实现对自锁机构的控制，所述传动机构和自锁机构设置在箱体内，传动机构用于使拉绳拉出或卷缩，自锁机构用于在搬运重物时固定拉绳长度，所述背部连接机构固定在箱体上。本发明装置能够应用于穿戴式腰部外骨骼装备，可以方便可靠地实现工业领域徒手搬运过程拉绳长度的自动可调节，减轻搬运过程手臂肌肉的负担。

Description

基于外骨骼的拉绳自动可调节装置及助力搬运方法

技术领域

本发明涉及一种基于外骨骼的拉绳自动可调节装置及助力搬运方法，可应用于穿戴式腰部外骨骼装备，属于人机交互领域。

背景技术

在中国制造业领域，虽然自动化设备已广泛使用，但生产线上需要徒手搬运的工人仍占一部分比例。长期徒手搬运容易导致工作效率下降、肌肉受伤风险增加，存在安全隐患。

目前，已有大量的被动式辅助外骨骼出现在工业领域，但多数外骨骼只注重对腰部肌肉的保护；部分外骨骼对手臂的助力由于拉绳、织带的长度不可调，而在搬运过程中对穿戴者造成不便。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供了一种基于外骨骼的拉绳自动可调节装置，该装置能够应用于穿戴式腰部外骨骼装备，可以方便可靠地实现工业领域徒手搬运过程拉绳长度的自动可调节，减轻搬运过程手臂肌肉的负担。

本发明的第二个目的在于提供一种助力搬运方法，该方法基于上述拉绳自动可调节装置实现。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于外骨骼的拉绳自动可调节装置，包括箱体、传动机构、自锁机构、背部连接机构、信号采集模块和控制驱动模块，所述信号采集模块、控制驱动模块和自锁机构依次连接，控制驱动模块用于在接收到信号采集模块传递的压力信号后实现对自锁机构的控制，所述传动机构和自锁机构设置在箱体内，传动机构用于使拉绳拉出或卷缩，自锁机构用于在搬运重物时固定拉绳长度，所述背部连接机构固定在箱体上。

进一步的，所述自锁机构包括连接头、连接杆、棘爪和棘轮，所述连接杆为两根，所述棘爪为两只，所述棘轮为两个，两只棘爪和两个棘轮均为对称设置，且两根连接杆、两只棘爪和两个棘轮为一一对应的关系；

所述连接头的一端与控制驱动模块连接，连接头的另一端与两根连接杆的一端铰接在一起，每根连接杆的另一端与对应的棘爪铰接；在未搬运重物时，每只棘爪位于对应的棘轮上方；在搬运重物时，信号采集模块采集到压力信号，并传递给控制驱动模块，以使控制驱动模块驱动连接头下推连接杆，从而带动棘爪向下移动与棘轮接触，实现对棘轮的锁定，以固定拉绳长度。

进一步的，所述传动机构为两个，两个传动机构为对称设置，且两个传动机构、两根连接杆、两只棘爪和两个棘轮为一一对应的关系；

每个传动机构包括转轴、导绳槽、卷簧和外盖，所述导绳槽缠有一条拉绳，且导绳槽固定在转轴上，所述卷簧的内圈固定在转轴上，所述外盖限定对应棘轮的轴向自由度，且外盖与卷簧固定连接。

进一步的，所述箱体包括外壳、外支撑板、内支撑板、支撑杆和导孔，所述外支撑板为两块，所述导孔为两个，两块外支撑板和两个导孔均为对称设置，且两块外支撑板、两个导孔、两个传动机构、两根连接杆、两只棘爪和两个棘轮为一一对应的关系；

两块外支撑板、内支撑板和支撑杆设置在外壳内，且每块外支撑板与对应传动机构的转轴一端连接，内支撑板分别与两个传动机构的转轴另一端连接，所述自锁机构的两只棘爪一端固定在支撑杆上，两个导孔设置在外壳上，每个传动机构的导绳槽上的拉绳一端穿过对应的导孔，并经过肩部与穿戴者的手掌固定。

进一步的，所述背部连接机构包括背部连接板和背部支撑，所述背部连接板的一端与箱体固定连接，背部连接板的另一端与背带或外骨骼装备连接，所述背部支撑为两个，两个背部支撑的一端与背部连接板固定连接，两个背部支撑的另一端通过绑带与穿戴者的大腿部位连接。

进一步的，所述信号采集模块包括压力传感器、运放单元、第一控制单元和发送端，所述压力传感器嵌入手套的拇指部位，所述运放单元、第一控制单元和发送端集成在手套的手背部位，所述压力传感器、运放单元、第一控制单元和发送端依次连接，所述发送端与控制驱动模块连接。

进一步的，所述控制驱动模块包括电池、降压单元、第二控制单元、驱动单元、接收端和电磁组件，所述电池、降压单元和第二控制单元依次连接，且电池还与电磁组件连接，所述接收端分别与信号采集模块、第二控制单元连接，所述第二控制单元、驱动单元、电磁组件和自锁机构依次连接。

进一步的，所述电磁组件包括电磁铁和推杆，所述电池和驱动单元分别与电磁铁连接，所述电磁铁固定在箱体上方，并与推杆连接，所述推杆与自锁机构连接。

进一步的，所述电磁组件还包括外罩，所述电磁铁通过外罩固定在箱体上方。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种助力搬运方法，该方法基于上述的拉绳自动可调节装置实现，所述背部连接机构与外骨骼装备连接，所述方法包括：

在未搬运重物时，将缠在传动机构的导绳槽上的拉绳一端与穿戴者的手掌固定，将设置信号采集模块的手套穿戴到穿戴者的手部；

在搬运重物时，穿戴者的手指与重物接触，信号采集模块的压力传感器采集压力信号，达到预设阈值时，信号采集模块的第一控制单元通过发送端将压力信号传递给控制驱动模块，控制驱动模块的接收端将压力信号传递给第二控制单元，第二控制单元控制驱动单元驱动电磁组件使自锁机构的连接头下推连接杆，从而带动棘爪向下移动与棘轮接触，实现对棘轮的锁定，以固定拉绳长度，直到重物被释放，此时棘爪与棘轮脱离接触，传动机构的卷簧带动拉绳卷进导绳槽。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

本发明装置设置了传动机构、自锁机构、信号采集模块和控制驱动模块，正常状态下，此时穿戴者未搬运重物，通过传动机构可以使拉绳拉出或卷缩(可自由伸缩)，当穿戴者搬运重物时，信号采集模块采集到压力信号，并传递给控制驱动模块，以使控制驱动模块驱动自锁机构完成自锁，以固定拉绳长度，实现了搬运前后过程拉绳长度的自动可调节，对穿戴者上肢的运动产生了最小程度的干涉，将手臂负荷由肩背部分担，避免手臂的过度劳损，实现搬运过程的助力，借助信号采集模块和控制驱动模块降低了机械结构的复杂性，控制逻辑简单有效，机械结构精简轻便；与目前主流的工业领域应用的外骨骼产品高度适配，弥补了常见被动外骨骼对上肢运动干涉较大、助力效果不显著的缺点；与外骨骼产品配合可实现对穿戴者搬运过程的有效助力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例的基于外骨骼的拉绳自动可调节装置的轴测结构图。

图2为本发明实施例的基于外骨骼的拉绳自动可调节装置的正视结构图。

图3为本发明实施例的基于外骨骼的拉绳自动可调节装置省略背部支撑的正视结构图。

图4为本发明实施例的基于外骨骼的拉绳自动可调节装置省略外壳和背部支撑的正视结构图。

图5为图4的A-A剖视图。

图6为本发明实施例的基于外骨骼的拉绳自动可调节装置省略外壳和背部支撑的侧视结构图。

图7为本发明实施例的基于外骨骼的拉绳自动可调节装置省略外壳、背部支撑、电磁铁和外罩的剖视结构图。

图8为本发明实施例的信号采集模块的结构框图。

图9为本发明实施例的控制驱动模块的结构框图。

其中，1-箱体，101-外壳，102-外支撑板，103-内支撑板，104-支撑杆，105-导孔，2-传动机构，201-转轴，202-导绳槽，203-卷簧，204-外盖，205-卷簧盖，206-轴承，3-自锁机构，301-连接头，302-连接杆，303-棘爪，304-棘轮，4-背部连接机构，401-背部连接板，402-背部支撑，5-信号采集模块，501-压力传感器，502-运放单元，503-第一控制单元，504-发送端，6-控制驱动模块，601-电池，602-降压单元，603-第二控制单元，604-驱动单元，605-接收端，606-电磁铁，607-推杆，608-外罩。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。

实施例：

如图1～图9所示，本实施例提供了一种基于外骨骼的拉绳自动可调节装置，该装置能够应用于穿戴式腰部外骨骼装备，包括箱体1、传动机构2、自锁机构3、背部连接机构4、信号采集模块5和控制驱动模块6，箱体1、传动机构2、自锁机构3和背部连接机构4构成了装置的机械结构部分，信号采集模块5和控制驱动模块6构成了装置的电控部分，信号采集模块5与控制驱动模块6连接，控制驱动模块6用于在接收到信号采集模块5传递的压力信号后实现对自锁机构3的控制，传动机构2和自锁机构3设置在箱体1内，传动机构2用于使拉绳拉出或卷缩，自锁机构3用于在搬运重物时固定拉绳长度，背部连接机构4固定在箱体1上。

进一步地，自锁机构3包括连接头301、连接杆302、棘爪303和棘轮304，连接杆302为两根，棘爪303为两只，棘轮304为两个，两只棘爪303和两个棘轮304均为左右对称设置，两根连接杆302、两只棘爪303和两个棘轮304为一一对应的关系。

连接头301的一端与控制驱动模块6连接，连接头301的另一端与两根连接杆302的一端铰接在一起，每根连接杆302的另一端与对应的棘爪303铰接；在穿戴者未搬运重物时，每只棘爪303位于对应的棘轮304上方，未与棘轮304接触，拉绳拉出时带动棘轮304正转，卷缩时棘轮304正常反转；在穿戴者搬运重物时，信号采集模块5采集到压力信号，并传递给控制驱动模块6，以使控制驱动模块6驱动连接头301下推连接杆302，从而带动棘爪303向下移动与棘轮304接触，实现对棘轮304的锁定，棘轮304锁定后无法反转，以固定拉绳长度，借助肩背部肌肉对重物施加拉力，减少手臂肌肉疲劳，助力搬运过程。

进一步地，传动机构2为两个，两个传动机构2为左右对称设置，且两个传动机构2、两根连接杆302、两只棘爪303和两个棘轮304为一一对应的关系。

每个传动机构2包括转轴201、导绳槽202、卷簧203和外盖204，导绳槽202缠有一条拉绳，且导绳槽202固定在转轴201上，导绳槽204可以实现对拉绳的限位，由于有两个传动机构2，因此拉绳有两条，可以与穿戴者的两只手掌固定，卷簧203的内圈固定在转轴201上，拉绳拉出时卷簧203产生弹性势能，完成搬运动作后释放弹性势能，带动拉绳卷缩，外盖204限定对应304的轴向自由度，且外盖204与卷簧203固定连接；为了保护卷簧203，每个传动机构2还包括卷簧盖205，卷簧盖205将卷簧203盖住；为了保证转轴201稳定工作，每个传动机构2还包括轴承206，轴承206设置在转轴201上。

进一步地，箱体1包括外壳101、外支撑板102、内支撑板103、支撑杆104和导孔105，外支撑板为两块，导孔105为两个，两块外支撑板为102和两个导孔105均为左右对称设置，且两块外支撑板102、两个导孔105、两个传动机构2、两根连接杆302、两只棘爪303和两个棘轮304为一一对应的关系。

外壳101可以容纳传动机构2和自锁机构3，两块外支撑板102、内支撑板103和支撑杆104设置在外壳101内，且每块外支撑板102与对应传动机构的转轴201一端连接，内支撑板103分别与两个传动机构2的转轴201另一端连接，实现对转轴201的固定，并起支撑、限位作用；自锁机构3的两只棘爪303一端固定在支撑杆104上，两个导孔105设置在外壳101上，具体设置在外壳101上端，其中一个导孔105设置在外壳101上端左部位置，另一个导孔105设置在外壳101上端右部位置，每个传动机构2的导绳槽202上的拉绳一端穿过对应的导孔105，并经过肩部与穿戴者的手掌固定。

进一步地，背部连接机构4用于连接箱体1与外骨骼，包括背部连接板401和背部支撑402，背部连接板401的一端与箱体1固定连接，背部连接板401的另一端与背带或外骨骼装备连接，实现在穿戴者背部的固定，背部支撑402为两个，两个背部支撑402的一端与背部连接板401固定连接，两个背部支撑402的另一端通过绑带与穿戴者的大腿部位连接，具体地，其中一个背部支撑402的另一端通过绑带与穿戴者的左大腿部位连接，另一个背部支撑402的另一端通过绑带与穿戴者的右大腿部位连接，实现力的传导，减轻搬运过程手臂和肩部的负担。

进一步地，信号采集模块5可以设置在手套上，其包括压力传感器501、运放单元502、第一控制单元503和发送端504，压力传感器501嵌入手套的拇指部位，运放单元502、第一控制单元503和发送端504集成在手套的手背部位，压力传感器501、运放单元502、第一控制单元503和发送端504依次连接，发送端504与控制驱动模块6连接，其中压力传感器501选用薄膜压力传感器，第一控制单元503选用Arduino单片机，发送端504为蓝牙发送端。

在穿戴者搬运重物时，压力传感器501采集的压力信号经运放单元502放大信号后传递至第一控制单元503；当拇指处压力达到预设阈值时，第一控制单元503将压力信号传递给发送端504，发送端504将驱动指令传递给控制驱动模块6，同时将压力信号传递给控制驱动模块6。

进一步地，控制驱动模块6包括电池601、降压单元602、第二控制单元603、驱动单元604、接收端605和电磁组件，电池601、降压单元602和第二控制单元603依次连接，且电池601还与电磁组件连接，电池601为第二控制单元603、电磁组件供电，接收端605分别与信号采集模块5、第二控制单元603连接，第二控制单元603、驱动单元604、电磁组件和自锁机构3依次连接，其中电池601为锂电池，参数为12V，8000mA，第二控制单元603选用Arduino单片机，接收端605为蓝牙接收端，接收端605与信号采集模块5的发送端504完成配对后，待接收到驱动指令，将压力信号传递给第二控制单元603，以使第二控制单元603通过驱动单元604驱动电磁组件实现对自锁机构3的锁定。

进一步地，电磁组件包括电磁铁606和推杆607，电池601和驱动单元604分别与电磁铁606连接，电磁铁606由电池601供电，并由驱动单元604驱动，电磁铁606固定在箱体1上方，并与推杆607连接，推杆607与连接头301的一端固定连接，推杆607作为执行机构，实现在触发条件下对自锁机构3的锁定；为了实现对电磁铁606的固定，电磁组件还包括外罩608，电磁铁606通过外罩608固定在箱体1上方，外罩608还可实现电磁屏蔽和隔热作用；具体地，电池601固定在外罩608上方，降压单元602、第二控制单元603、驱动单元604集成的电路板固定在箱体1上方。

本实施例借助机械结构部分和电控部分的配合完成搬运作业过程拉绳的自动可调节，通过背部连接机构4可与常见外骨骼装备直接连接，实现搬运过程手臂肌肉的助力效果，具体过程如下：

在未搬运重物时，将缠在导绳槽202上的拉绳一端与穿戴者的手掌固定，手臂伸长时，拉绳被拉出，手臂摆回时，卷簧203带动拉绳卷进导绳槽202，不会对手臂的自由摆动产生干涉，将设置信号采集模块5的手套穿戴到穿戴者的手部。

在搬运重物时，穿戴者的手指与重物接触，压力传感器501采集压力信号，达到预设阈值时，第一控制单元503通过发送端504将压力信号传递给控制驱动模块6的接收端605，接收端605将压力信号传递给第二控制单元603，第二控制单元603控制驱动单元604动作，驱动单元604接通电磁铁606，推动推杆607使连接头401下推连接杆302，从而带动棘爪303向下移动与棘轮304接触，实现对棘轮304的锁定，以固定拉绳长度，直到重物被释放，此时棘爪303与棘轮304脱离接触，卷簧203带动拉绳卷进导绳槽202。

综上所述，本发明设置了传动机构、自锁机构、信号采集模块和控制驱动模块，正常状态下，此时穿戴者未搬运重物，通过传动机构可以使拉绳拉出或卷缩(可自由伸缩)，当穿戴者搬运重物时，信号采集模块采集到压力信号，并传递给控制驱动模块，以使控制驱动模块驱动自锁机构完成自锁，以固定拉绳长度，实现了搬运前后过程拉绳长度的自动可调节，对穿戴者上肢的运动产生了最小程度的干涉，将手臂负荷由肩背部分担，避免手臂的过度劳损，实现搬运过程的助力，借助信号采集模块和控制驱动模块降低了机械结构的复杂性，控制逻辑简单有效，机械结构精简轻便；与目前主流的工业领域应用的外骨骼产品高度适配，弥补了常见被动外骨骼对上肢运动干涉较大、助力效果不显著的缺点；与外骨骼产品配合可实现对穿戴者搬运过程的有效助力。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于外骨骼的拉绳自动可调节装置，其特征在于，包括箱体、传动机构、自锁机构、背部连接机构、信号采集模块和控制驱动模块，所述信号采集模块、控制驱动模块和自锁机构依次连接，控制驱动模块用于在接收到信号采集模块传递的压力信号后实现对自锁机构的控制，所述传动机构和自锁机构设置在箱体内，传动机构用于使拉绳拉出或卷缩，自锁机构用于在搬运重物时固定拉绳长度，所述背部连接机构固定在箱体上；

所述自锁机构包括连接头、连接杆、棘爪和棘轮，所述连接杆为两根，所述棘爪为两只，所述棘轮为两个，两只棘爪和两个棘轮均为对称设置，且两根连接杆、两只棘爪和两个棘轮为一一对应的关系；

所述连接头的一端与控制驱动模块连接，连接头的另一端与两根连接杆的一端铰接在一起，每根连接杆的另一端与对应的棘爪铰接；在未搬运重物时，每只棘爪位于对应的棘轮上方；在搬运重物时，信号采集模块采集到压力信号，并传递给控制驱动模块，以使控制驱动模块驱动连接头下推连接杆，从而带动棘爪向下移动与棘轮接触，实现对棘轮的锁定，以固定拉绳长度。

2.根据权利要求1所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述传动机构为两个，两个传动机构为对称设置，且两个传动机构、两根连接杆、两只棘爪和两个棘轮为一一对应的关系；

每个传动机构包括转轴、导绳槽、卷簧和外盖，所述导绳槽缠有一条拉绳，且导绳槽固定在转轴上，所述卷簧的内圈固定在转轴上，所述外盖限定对应棘轮的轴向自由度，且外盖与卷簧固定连接。

3.根据权利要求2所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述箱体包括外壳、外支撑板、内支撑板、支撑杆和导孔，所述外支撑板为两块，所述导孔为两个，两块外支撑板和两个导孔均为对称设置，且两块外支撑板、两个导孔、两个传动机构、两根连接杆、两只棘爪和两个棘轮为一一对应的关系；

两块外支撑板、内支撑板和支撑杆设置在外壳内，且每块外支撑板与对应传动机构的转轴一端连接，内支撑板分别与两个传动机构的转轴另一端连接，所述自锁机构的两只棘爪一端固定在支撑杆上，两个导孔设置在外壳上，每个传动机构的导绳槽上的拉绳一端穿过对应的导孔，并经过肩部与穿戴者的手掌固定。

4.根据权利要求1-3任一项所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述背部连接机构包括背部连接板和背部支撑，所述背部连接板的一端与箱体固定连接，背部连接板的另一端与背带或外骨骼装备连接，所述背部支撑为两个，两个背部支撑的一端与背部连接板固定连接，两个背部支撑的另一端通过绑带与穿戴者的大腿部位连接。

5.根据权利要求1-3任一项所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述信号采集模块包括压力传感器、运放单元、第一控制单元和发送端，所述压力传感器嵌入手套的拇指部位，所述运放单元、第一控制单元和发送端集成在手套的手背部位，所述压力传感器、运放单元、第一控制单元和发送端依次连接，所述发送端与控制驱动模块连接。

6.根据权利要求1-3任一项所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述控制驱动模块包括电池、降压单元、第二控制单元、驱动单元、接收端和电磁组件，所述电池、降压单元和第二控制单元依次连接，且电池还与电磁组件连接，所述接收端分别与信号采集模块、第二控制单元连接，所述第二控制单元、驱动单元、电磁组件和自锁机构依次连接。

7.根据权利要求6所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述电磁组件包括电磁铁和推杆，所述电池和驱动单元分别与电磁铁连接，所述电磁铁固定在箱体上方，并与推杆连接，所述推杆与自锁机构连接。

8.根据权利要求7所述的拉绳自动可调节装置，其特征在于，所述电磁组件还包括外罩，所述电磁铁通过外罩固定在箱体上方。

9.一种助力搬运方法，该方法基于权利要求1-8任一项所述的拉绳自动可调节装置实现，所述背部连接机构与外骨骼装备连接，其特征在于，所述方法包括：

在未搬运重物时，将缠在传动机构的导绳槽上的拉绳一端与穿戴者的手掌固定，将设置信号采集模块的手套穿戴到穿戴者的手部；

在搬运重物时，穿戴者的手指与重物接触，信号采集模块的压力传感器采集压力信号，达到预设阈值时，信号采集模块的第一控制单元通过发送端将压力信号传递给控制驱动模块，控制驱动模块的接收端将压力信号传递给第二控制单元，第二控制单元控制驱动单元驱动电磁组件使自锁机构的连接头下推连接杆，从而带动棘爪向下移动与棘轮接触，实现对棘轮的锁定，以固定拉绳长度，直到重物被释放，此时棘爪与棘轮脱离接触，传动机构的卷簧带动拉绳卷进导绳槽。