CN113172656A - 一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，包括主体机械结构设计、驱动器选择和控制方法。在穿戴者上抬搬运过程中，对于腰关节转动，通过结构设计，将负载传递至腿部，利用大腿反力实现助力；对于肩关节，设计了荆轮荆爪机构实现支撑助力；对于肘关节，利用气动肌肉加线驱动实现助力。整体机构采用多自由度可调设计，符合人机工程学；利用气动肌肉作为驱动器，实现了装置的轻量化；利用语音模块识别穿戴者运动意图，进而控制助力装置运行。针对工业生产、仓库搬运等工况，能够实现对于使用者腰、肩、肘关节的较好助力效果。

Description

一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置

技术领域

本发明属于助力装置领域，特别是一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置。

背景技术

自工业时代以来，期望开发一套可将人的智能和机器的动能相结合的装置，以此来扩展人的肢体能力这一想法，就一直是一大工程研究方向。近年来，随着机械电子工程的发展，越来越多的外骨骼装置开始投入实体化试验和应用。

未来，随着我国工业实力的快速发展，国家和企业对于劳动者作业环境和作业安全等问题的重视程度会越来越高；同时，随着我国社会“老龄化”的发展趋势，在工业领域如何降低工人劳动强度，提高劳动效率也将会成为一个新的热点问题。

目前对外骨骼的主要研究偏向于下肢，且多考虑医疗康复和军事领域。对于上肢助力装置的开发，在结构上一般只考虑肩、肘关节，较少的考虑更易劳损的腰关节；在动力源方面，主要运用电机或者无源驱动。电机驱动可以实现较为显著的助力效果，但是会受电池能源续航能力限制，且电机电池系统自重较大；无源结构自重较轻且无需能源补充，但是上肢助力无法将重量传递到地面，因此这类结构助力效果不显著，有的甚至会加重人体负担。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，适用于工业生产、仓库搬运助力等工况，旨在缓解工人因长期负重劳作所造成的腰部及肩肘关节的疲劳损伤。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，包括连接在背部托板上端的头颈枕托，通过转动杆连接在背部托板左右两侧的肩关节转动件，肩关节转动件下端连接有大臂，所述大臂为可伸缩结构；大臂下端通过肘关节转动件与前臂托件相连；所述背部托板下端左右两侧设有腰背连接件，所述腰背连接件通过腰背连接件与腰腿连杆相连；

所述背板上设有第一气动肌肉，所述第一气动肌肉通过牵引线与腰背连接件和腰腿连杆之间的腰部转动件相连，用于驱动腰腿连杆相对腰背连接件的转动；所述腰背连接件设有转向机构，所述牵引线绕过转向机构，转向机构用于将第一气动肌肉的垂向牵引力转化为水平牵引力；所述腰腿连杆上设有大腿挡托，用于支撑大腿前侧，与第一气动肌肉构成反向力矩，将腰部转动的力传递给大腿，利用大腿的反力实现腰部的转动；

所述大臂上设有第二气动肌肉，第二气动肌肉通过牵引线与大臂和前臂托件之间的肘关节转动件相连，用于驱动前臂托件相对大臂的转动；所述肩关节转动件与大臂之间设有锁止机构，用于小臂上抬过程中实现大臂的下放锁止，以及小臂下落过程中大臂的下放解锁。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)通过腰、腿部的结构，能够实现将腰关节转动的力传递给大腿，利用大腿提供的反力矩实现对腰部转动的助力。

(2)通过肩关节的荆轮荆爪结构，能够实现肩关节上抬过程中的反向锁止作用，实现了搬运过程中对于肩关节的支撑助力效果。

(3)通过选择气动肌肉作为驱动器，与关节电机相比，实现了助力装置更轻便的自重设计，更低的电能依赖性。

(4)通过多项长度可调节与多自由度可转动的结构设计，实现了助力装置穿戴的舒适性，更符合人机工程学设计要求。

附图说明

图1为发明一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置的背面结构图。

图2为发明一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置的侧面结构图。

图3为肩关节锁止结构图。

图4为人体运动学示意图。

图5为腰部转动助力示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图5，本实施例的一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，包括头颈枕托1-1、背部连杆1-2、背部滑块1-3、背部托板1-4、第一气动肌肉安装套管1-5、第二气动肌肉安装滑块1-6、小滑轮1-7、背部气动肌肉1-8、肩背连杆2-2、肩背转杆2-3、肩关节转动件2-4、大臂上杆2-5、松紧束带2-6、大臂下杆2-7、前臂托件2-8、大臂气动肌肉2-9、肘关节转动件2-10、腰背连接件2-12、腰部调节杆2-13、腰部转动件2-14、腰腿连杆2-15、大腿挡托2-16、荆爪3-2、荆轮3-3；

所述头颈枕托1-1留有安装口2-1，用于装配软垫和背带顶部固定。头颈枕托1-1与背部连杆1-2通过转动副连接，可以(绕垂直轴)左右转动，满足人体头部活动需求。背部连杆1-2与背部滑块1-3通过转动副连接，可以(绕冠状轴)上下转动，满足人体头部活动需求。背部滑块1-3与背板1-4上的导轨连接，可沿导轨上下滑动，可以实现一定范围内的头颈高度调节并固定，满足不同身高条件的使用者穿戴要求。

所述背板1-4上左右两侧均固定有背部套管1-5，背部套管1-5内安装第一气动肌肉1-8，第一气动肌肉1-8上端固定，套管1-5上部留有开口，使外接气管通过与第一气动肌肉1-8相连。第一气动肌肉1-8下端连接钢丝线，钢丝线通过腰背连接件2-12上的滑轮1-7与腰部转动件2-14相连，滑轮1-7将第一气动肌肉的垂向牵引力转化为水平牵引力。两根背部套管1-5采用八字形安装方式，可以在背部留出一块较大的空间，用于放置控制系统的硬件设备。

所述肩背连杆2-2与背部托板1-4通过转动副相连，在可以转动的同时，背部托板1-4上设有肩背连杆2-2的高度调节孔，可以调节终端的肩部高度，满足不同身材使用者的需求。肩背连杆2-2与肩背转杆2-3通过转动副连接，用于实现人体肩关节在水平面内绕垂直轴做内、外旋运动。采用上述的两段式转动杆设计，可以更好的贴合人体结构，避免出现结构干涉造成运动卡死的情况，使转动更加灵活。

所述肩关节转动件2-4上端与肩背转杆2-3通过转动副连接，用于实现肩关节在冠状面内绕矢状轴完成内收、外展动作。肩关节转动件2-4下端与大臂上杆2-5连接，用于实现肩关节在矢状面内绕冠状轴完成前驱、后展动作。同时肩关节转动件2-4上固定有舵机，肩关节转动件2-4上设有弧形拨槽3-1，舵机输出轴连接有拨杆，拨杆穿过弧形拨槽3-1后与荆爪3-2接触。在连接部位设计了一套荆爪3-2和荆轮3-3系统，所述荆轮3-3设置在大臂上，作为大臂与肩关节转动件之间的转动副，荆爪3-2通过转动副与肩关节转动件2-4连接，荆爪通过舵机上的拨杆控制运动，实现荆爪3-2和荆轮3-3的分离和啮合，可以拨动以调整开位和锁位。

所述大臂下杆2-7与大臂上杆2-5内侧通过松紧带2-6连接，距离可调，可配合大臂上杆2-5外侧的第二气动肌肉2-9的安装滑块1-6，调节合适位置，用于满足使用者不同臂长的穿戴要求。第二气动肌肉2-9上端固定在安装滑块1-6上，安装滑块1-6与大臂上杆2-5上的导轨配合，可调节安装滑块1-6位置后固定，第二气动肌肉2-9下端与钢丝绳相连，钢丝绳与肘关节转动件2-10相连。

所述前臂托件2-8与大臂下杆2-7通过肘关节转动件2-10连接，可以实现肘关节在矢状面内绕冠状轴完成屈伸转动。同时，人体前臂与前臂托件2-8之间使用绑带限位，不限制人体前臂在冠状面内绕矢状轴做内外旋转动作，保证了穿戴舒适和运动自由。

所述气动肌肉套管1-5下口处留有背带和腰部束带安装口2-11。可以通过束带的松紧来调节适应不同腰围大小的使用者。所述腰背连接件2-12固定在背部套管1-5下端，腰腿连杆2-15与腰背连接件2-12之间设有腰部调节杆2-13，腰部调节杆2-13与腰背连接件2-12设置为可调连接，可根据不同身材的使用者调节腰部转动件2-14的固定位置。腰腿连杆2-15与腰部转动件2-14通过一根转动销轴连接，可以实现大腿向两侧外展的自由运动。大腿挡托2-16与腰腿连杆2-15通过转动副连接。

装配柔性件：按照附图1、2所示，装配上肢助力装置骨架结构，然后使用定制的柔性网布包裹骨架，特别是在人机接触的关键部位，如颈部、背部、手臂、腰部、大腿需加装弹性软垫，确保穿戴舒适，保障人体穿戴安全。加装背部束带、腰部束带以及前臂绑带，都使用长度可调型束带，以满足不同身材使用者的宽紧长短需求。

穿戴外骨骼：首先通过背带穿戴外骨骼，类似于背书包，然后通过腰部束带调节好宽紧，再根据高度调整好颈部枕托高度，根据具体情况调整好肩部和大臂状态，穿戴前臂托件和大腿挡托，保证外骨骼穿戴到位。

参照附图5，第一气动肌肉1-8下端的钢丝线连接腰部转动件2-14。背部第一气动肌肉1-8充气加压后，产生径向膨胀、轴向收缩，给腰部转动件2-14一个转动力矩，使得腰腿连杆产生一个逆时针转动的趋势。但是由于大腿固定，腿部挡托在给大腿施加力的同时，收到大腿部的作用反力，这一反力向上传递至背部，使得人体上半身相对于腰部产生一个顺时针转动的力矩，实现装置对于人体从弯腰到直立状态过程中，对于腰部助力的效果。

参照附图4，肩关节转动处设计了一套荆爪3-2和荆轮3-3系统，荆爪3-2通过舵机控制，可以利用拨杆拨动，以调整开位和锁位。当荆爪3-2处于锁位时，荆轮3-3与荆爪3-2啮合，荆轮3-3只能单向转动，使得肩关节只能做上抬转动，下放动作锁止，用于上抬和搬运保持动作，实现肩关节的助力功能。当助力装置识别到使用者的下放运动意图时，舵机将荆爪拨至开位，荆轮3-3与荆爪3-2分离，锁止状态解除，实现肩关节的自然下放。与腰部助力类似，利用大臂第二气动肌肉2-9的收缩作用，通过钢丝线带动肘关节转动件2-10转动，实现上抬和保持动作时对于肘关节的助力作用。

本发明为智能式助力装置，通过语音模块识辨人体运动意图，可以实现使用者对于助力装置的主动控制。通过前臂托件上安装的压力传感器，可在上抬接触瞬间测得被抬物体重量，计算各气动肌肉的目标助力值，确定气动肌肉的充气控制方案。在使用者下蹲弯腰接触重物时，气动肌肉处于释压状态；当使用者通过语音控制模块发出上抬动作指令时，外部气源经高速开关阀向气动肌肉充气，辅助腰关节和肘关节转动，肩关节由舵机控制处于锁位，保证上抬自由下放锁止。对于腰关节，停止助力使用两种实现方式：一种特殊状态下，当腰关节未达到直立位时，使用者根据实际搬运情况需要停止助力，可以通过语音控制，使得高速开关阀关闭，气动肌肉停止充气，进入搬运保持助力状态；另外正常情况下，腰关节处安装有角位移传感器，实时检测腰关节转动状态，当传感器检测到腰关节已经转动至直立状态时，高速开关阀停止给背部气动肌肉充气，使得腰关节处于助力保持状态，而继续给大臂气动肌肉充气，助力肘关节继续上抬，直到使用者通过语音控制主动叫停。这套方案可以实现助力装置在使用者任意搬运姿态的助力保持。最后，通过语音控制，装置识辨使用者下放运动意图，通过高速口开关阀对气动肌肉释压，完成下放运动。

一种情况下，对于在仓库或生产车间等有限空间内使用，可以利用工厂已有的压缩风管作为外部气源，给助力装置提供动力源。

一种情况下，对于大范围内较重货物的搬运，可以使用高压气囊作为便携式压缩气源供气。

一种情况下，对于大范围内较轻货物的搬运，可以使用预充气的方法，预先对气动肌肉进行充气，此时气动肌肉可等效为弹簧，装置退化为一般的无源储能式助力器件，在弯腰下蹲过程中利用人体各部位自身重力拉伸气动肌肉，储存能量，以实现在上抬过程中和保持状态下气动肌肉的有效助力。

Claims (10)

1.一种基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，包括连接在背部托板上端的头颈枕托，通过转动杆连接在背部托板左右两侧的肩关节转动件，肩关节转动件下端连接有大臂，所述大臂为可伸缩结构；大臂下端通过肘关节转动件与前臂托件相连；所述背部托板下端左右两侧设有腰背连接件，所述腰背连接件通过腰部转动件与腰腿连杆相连；

所述背板上设有第一气动肌肉，所述第一气动肌肉通过牵引线与腰背连接件和腰腿连杆之间的腰部转动件相连，用于驱动腰腿连杆相对腰背连接件的转动；所述腰背连接件设有转向机构，所述牵引线绕过转向机构，转向机构用于将第一气动肌肉的垂向牵引力转化为水平牵引力；所述腰腿连杆上设有大腿挡托，用于支撑大腿前侧，将腰部转动的力传递给大腿，与第一气动肌肉构成反向力矩，利用大腿的反力实现腰部的转动；

所述大臂上设有第二气动肌肉，第二气动肌肉通过牵引线与大臂和前臂托件之间的肘关节转动件相连，用于驱动前臂托件相对大臂的转动；所述肩关节转动件与大臂之间设有锁止机构，用于手臂上抬过程中实现大臂的下放锁止，以及手臂下落过程中大臂的下放解锁。

2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述锁止机构包括舵机、荆爪和荆轮；所述荆轮设置在大臂上，作为大臂与肩关节转动件之间的转动副；所述荆爪通过转动副连接在大臂上；所述舵机固定在肩关节转动件上，肩关节转动件上设有拨槽，舵机输出轴连接有拨杆，拨杆穿过弧形拨槽后与荆爪接触，用于拨动荆爪和荆轮的分离和啮合。

3.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述大臂包括大臂上杆和大臂下杆；所述大臂上杆和大臂下杆之间通过松紧带连接。

4.根据权利要求3所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述大臂上杆上设有导轨和与导轨配合的安装滑块，第二气动肌肉上端与安装滑块连接。

5.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述转向机构为滑轮。

6.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述背部托板左右两侧均设有套管，第一气动肌肉设置在套管内。

7.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述头颈枕托通过背部连杆连接在背部托板上端，所述头颈枕托可相对背部连杆左右转动；所述背部连杆与背部滑块连接，可相对背部滑块前后转动；所述背部滑块与背板上的导轨连接，可沿导轨上下滑动。

8.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，转动杆包括肩背连杆和肩背转杆；所述肩背连杆与背部托板通过转动副相连，肩背连杆与肩背转杆通过转动副连接。

9.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述腰部转动件与腰背连接件之间设有腰部调节杆。

10.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的上肢搬运助力装置，其特征在于，所述助力装置的动力源为外部气源或在气动肌肉使用前进行预充气。

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