CN113232011B - 一种主被动结合的上肢助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明一种主被动结合的上肢助力机器人，属于机器人技术领域；包括腰部机构、背部机构和肩部机构，所述腰部机构和背部机构分别位于人体后腰部和背部；还包括肩部机构和被动助力机构；所述肩部机构的下端与背部机构连接，上端位于背部机构的上方，通过驱动力辅助肩关节进行外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸运动；所述被动助力机构下端与背部机构连接，上端与肩部机构连接，用于给使用者和肩部机构提供多方向的助推力和支撑力；本发明的肩部机构具有六个自由度，不仅为肩部提供支持力，还利用被动助力机构及扭簧提供肩关节外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸三个自由度方向的助力，有效的为人体搬运以及托举货物提供多方向的助力。

Description

一种主被动结合的上肢助力机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种主被动结合的上肢助力机器人。

背景技术

随着社会发展的日渐自动化，一些能够取代或者增强人体能力的机器人系统越来越得到研究者的青睐。外骨骼机器人作为一种能够辅助并增强人体机能的穿戴式机器人，不仅起到增强人体机能的作用，还能为人体上肢作业提供辅助。人们在正常的劳动过程中，也存在着因为人体体能下降等原因，造成人们工作效率降化，甚至造成潜在的安全隐患。由于工厂工人每天都会从事繁重的重复性工作，尤其是那些需要抬起双手完成的组装工作，因此许多工人的背部和肩部都有劳损，而上肢助力外骨骼机器人不但可以减轻重体力劳动者的劳动强度、避免身体损伤，还可以提高特殊作业和危险作业者的安全度和工作效率，同时可胜任重物搬运、野外救援、抢险救灾等高负荷高强度任务，在民用领域具有显著的优势。

目前，外骨骼机器人助力方式有主动助力和被动助力两种方式，主动助力方案中，最为常见的是使用电机、液压或气压作为原动机的方案，发明专利CN106031669A公开了“七自由度上肢助力外骨骼机器人”，该设计通过七个电机控制其七个自由度，虽然系统设计简单，精度高，但随着源部件的增加，重量大，成本高，结构庞大，能源耗尽时会增加穿戴者负担；被动助力方式中，最常见的是弹簧等蓄能元件，发明专利CN110561393A公开了，“一种可折叠上肢助力外骨骼装置”，该设计有六自由度，包括肩部与手肘的运动，通过弹簧与拉索提供被动助力效果，虽然重量小，成本低，但储能元件的非线性等问题会影响助力效果，而且结构参数对于负载重量变化非常敏感，适应性差。

在主被动结合助力方式中，发明专利CN112022628A公开了“基于柔性传动机构的主被动结合六自由度上肢助力外骨骼”，该设计采用主动与被动助力结合的方式，虽然有很好的助力效果，但其被动式驱动的拉力弹簧工作行程限制问题会影响前臂的辅助作用，而且钢丝绳传动过程存在摩擦，传动效率低。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种主被动结合的上肢助力机器人，通过将主动助力与被动助力相结合，能为人体托举和搬运货物提供多方向的助力。

本发明的技术方案是：一种主被动结合的上肢助力机器人，包括腰部机构、背部机构和肩部机构，所述腰部机构和背部机构分别位于人体后腰部和背部；其特征在于：还包括肩部机构和被动助力机构；所述肩部机构的下端与背部机构连接，上端位于背部机构的上方，通过驱动力辅助肩关节进行外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸运动；所述被动助力机构下端与背部机构连接，上端与肩部机构连接，用于给使用者和肩部机构提供多方向的助推力和支撑力；

所述肩部机构包括肩关节执行器、输出轴连接件、电机固定件、连接组件、支撑板和三级弯管组件；所述电机固定件的外端固定有肩关节执行器，内端与连接组件转动连接，所述转动连接的轴向垂直于肩关节执行器的输出轴，输出轴连接件垂直固定于肩关节执行器的输出轴上；所述电机固定件能够绕连接组件的中心轴转动，输出轴连接件能够绕肩关节执行器的输出轴转动；所述输出轴连接件的两侧固定有支撑板，用于支撑使用者大臂；所述三级弯管组件依次连接为阶梯结构，第一级弯管组件的上端与连接组件固定，第三级弯管组件的下端与背部机构固定连接，三级弯管组件均能够绕各自竖直方向的轴转动，从而辅助调整使用者肩关节的位置；

所述被动助力机构包括依次设置的上端旋转节、套筒盖、套筒、第一拉力弹簧、活塞杆、第一支撑块、第二拉力弹簧、第二支撑块、下端旋转节；所述套筒盖一端为圆柱杆，通过上端旋转节与肩部机构的电机固定件铰接，另一端设置有外螺纹，与套筒的一端螺纹连接；所述套筒内依次同轴放入第一拉力弹簧和活塞杆，所述活塞杆朝向第一拉力弹簧一端为圆板结构，用于沿轴向压缩第一拉力弹簧；所述活塞杆的另一端依次穿过第二拉力弹簧和第二支撑块后通过下端旋转节与背部机构的外侧铰接，所述第二支撑块用于第二拉力弹簧的轴向限位；所述套筒的另一端外周面开有通孔，第一支撑块插入通孔对活塞杆的轴向运动进行限位；

本发明的进一步技术方案是：所述腰部机构与背部机构通过调长组件连接，所述调长组件包括四个条形板，分别为调长第一连接件、调长第二连接件、调长杆、调长第三连接件；所述调长杆竖直设置，其下端通过横向设置的调长第一连接件与腰部组件固定连接，其上部与竖直设置的调长第二连接件配合安装，所述调长第二连接件的上端通过横向设置的调长第三连接件与背部组件固定连接；所述调长杆与调长第二连接件沿长度方向设有多个调长孔洞，能够调节外骨骼的腰背长度适应不同腰背长度的使用者。

本发明的进一步技术方案是：所述连接组件包括第一扭簧、转动杆和连接套；所述连接套为一端封闭的套筒结构，其封闭端与第一级弯管组件连接；所述转动杆一端与电机固定件的内端固定，另一端通过深沟球轴承安装于连接套内；所述第一扭簧套装于转动杆上，并位于连接套内，第一扭簧的一端头固定于转动杆上，并通过螺栓插入连接套外周面对第一扭簧进行限位；所述连接套第一连接套和第二连接套通过螺栓固定而成。

本发明的进一步技术方案是：所述电机固定件板面上设有扣向所述肩关节执行器的1/4凸起圆弧，便于插入电缆为所述肩关节执行器提供电源以及发送控制信号。

本发明的进一步技术方案是：所述三级弯管组件包括第一级弯管组件、第二级弯管组件和第三级弯管组件；所述第一级弯管组件包括第一弯管、第一基座和第一限位块，所述第一弯管的上端通过法兰盘结构与连接组件固定，下端端头穿过第一基座的中心孔与第一限位块固定连接，并与第一基座通过轴承转动连接；所述第二级弯管组件包括第二弯管、第二基座和第二限位块，所述第二弯管的上端通过法兰盘结构与第一基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第二基座的中心孔与第二限位块固定连接，并与第二基座通过轴承转动连接；所述第三级弯管组件包括第三弯管、第三基座、第三限位块和端盖；所述第三弯管的上端通过法兰盘结构与第二基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第三基座的中心孔与第三限位块固定连接，并与第三基座通过轴承转动连接，第三基座的侧壁垂直固定有圆柱结构，所述圆柱结构通过端盖垂直固定于背部机构上；

其中，第一弯管带动连接组件绕第一基座的中心轴转动，第二弯管带动第一级弯管组件绕第二基座的中心轴转动，第三弯管带动第二级弯管组件绕第三基座的中心轴转动；通过三级联动使得肩关节的运动柔性化。

本发明的进一步技术方案是：所述第三级弯管组件还第二扭簧，第三基座的圆柱结构通过轴承同轴安装于端盖内，所述第二扭簧套装于位于端盖内的圆柱结构部分，将第三基座绕圆柱结构旋转的角度限制在0-15°内；所述端盖内设环形槽，圆弧面设有扇形槽，便于所述第二扭簧的固定与安装，当穿戴者搬运或托举时提供大臂内收/外展助力。

本发明的进一步技术方案是：三个所述限位块上均沿周向开有60°的槽，分别与三个基座的底部配合，用于限制三个弯管的旋转角度。

本发明的进一步技术方案是：所述第一拉力弹簧在套筒内处于压缩状态，其自由长度大于套筒长度20mm。

本发明的进一步技术方案是：所述上端旋转节包括上端旋转节第一连接件、上端旋转节第二连接件、上端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；下端旋转节包括下端旋转节第一连接件、下端旋转节第二连接件、下端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；均能够实现3个不同方向的旋转。

本发明的进一步技术方案是：所述上肢助力机器人采用惯性测量单元和薄膜压力传感器作为人机交互接口，惯性测量单元安装与人体左、右大臂肱二头肌位置，且大臂相对于竖直方向的夹角为大臂转动角度，当大臂位于垂直轴前方，则角度为正，反之为负；每只胳臂安装有两个薄膜压力传感器，分别置于大臂肱二头肌和肱三头肌长头位置。

有益效果

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种主被动结合的上肢助力外骨骼机器人，肩部机构具有六个自由度，每个自由度可以实现单独或者联合动作，通过主动元件肩关节执行器提供肩关节前屈/后伸方向的助力，在保证肩部运动的基础上增加被动助力机构，不仅为肩部提供支持力，还利用被动助力机构及扭簧提供肩关节外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸三个自由度方向的助力，有效的为人体搬运以及托举货物提供多方向的助力，在满足强度要求的前提下，对于弯管、腰板以及背板进行镂空设计，减轻外骨骼自身重量，达到更好的助力效果。

外骨骼的驱动方式采用为主被动相结合式的设计方案，单臂只采用一组小型集成电动机，在保证精度高的同时降低了结构重量、成本，肩部机构与助力机构均采用弹簧助力，当穿戴者搬运货物时提供辅助力，放置货物时提供缓冲力，闲置时可以蓄能，通过两种驱动方式相结合，同时达到助力强度以及重量要求。

所述腰板、背板根据人体工学要求设计，对于不同的穿戴者，可以调整腰板与背板位置，利用魔术贴与人体连接；所述腰板与支撑板调均设有调长机构，可适用于各种人群，满足匹配要求。背板、腰板和支撑板均设有方形槽，方便魔术贴通过将上肢与肩部机构固定，避免闭环结构对穿戴的影响，提高使用舒适性。

所述第一拉力弹簧原长大于所述活塞杆行程长度，通过所述第一挡块使第一拉力弹簧一直处于压缩状态，从而保证沿套筒向外的推力，进一步为穿戴者提供推力和缓冲力；所述第二拉力弹簧一端固定于第二挡块，另一端自由，进而保证第二拉力弹簧只能被压缩，仅提供推力，避免穿戴者搬运货物时提供负方向的拉力，减少了肩部工作负担。

该机器人包括四个机构部分，整体结构呈模块化设计，结构紧凑，可为双侧上肢提供的多方向助力，具有更高的实用性，有利于后期的模块升级更新以及维护。通过穿戴外骨骼在搬运20kg物品的实验，结果表明该机器人可减少人体右肢上臂24.8％的能量消耗。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2(a)为本发明的腰部机构结构示意图。

图2(b)为本发明的腰部机构爆炸图。

图3(a)为本发明的右臂被动助力机构示意图。

图3(b)为本发明的右臂被动助力机构爆炸图。

图4(a)为本发明的右臂肩部机构示意图。

图4(b)为本发明的右臂肩部机构爆炸图。

图4(c)为本发明的右臂弯管与基座连接爆炸图。

图4(d)为本发明的右臂第三基座与端盖连接爆炸图

附图标记说明：1-腰部机构；2-被动助力机构；3-背部机构；4-肩部机构；5-腰板；6-背板；7-调长第一连接件；8-调长杆；9-调长第二连接件；10-调长第三连接件；11-上端旋转节；12-下端旋转节；13-上端旋转节第一连接件；14-上端旋转节第二连接件；15-上端旋转节第三连接件；16-套筒盖；17-第一拉力弹簧；18-套筒；19-活塞杆；20-第二拉力弹簧；21-第二支撑块；22-下端旋转节第三连接件；23-下端旋转节第二连接件；24-下端旋转节第一连接件；25-第一支撑块；26-端盖；27-第二扭簧；28-第三限位块；29-第三基座；30-第二限位块；31-第二基座；32-第一限位块；33-第一基座；34-肩关节执行器；35-输出轴连接件；36-电机固定件；37-第一扭簧；38-转动杆；39-第二连接套；40-第一连接套；41-第一弯管；42-支撑板；43-第二弯管；44-第三弯管；45-轴承；46-密封盖。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图1～图4，本实施例一种主被动结合的上肢助力外骨骼机器人，由腰部机构1、被动助力机构2、背部机构3、肩部机构4和魔术贴组成，所述魔术贴是为了使穿戴者与上肢外骨骼机器人更好贴合。

结合图2说明本实施方式，本实施方式所述背部机构3和腰部机构1包括：背板6、腰板5、调长第一连接件7、调长杆8、调长第二连接件9、调长第三连接件10，均为螺栓连接。所述调长杆8、调长第二连接件9设有多通孔，可以通过调节连接长度来调整腰板5所在位置，增加适用人群范围；所述背板6与腰板5根据人体工程学设计，多处进行镂空从而减轻机构重量，通过魔术贴与人体贴合，增加穿戴者的舒适感。所述调长杆8和调长第二连接件9模拟了脊椎力传导，可将腰部力量分担至肩部，减少腰部的劳损。

结合图3说明本实施方式，本实施方式所述被动助力机构2包括：上端旋转节11、上端旋转节第一连接件13、上端旋转节第二连接件14、上端旋转节第三连接件15、套筒盖16、套筒18、第一拉力弹簧17、活塞杆19、第一支撑块25、第二拉力弹簧20、第二支撑块21、下端旋转节12、下端旋转节第一连接件24、下端旋转节第二连接件23、下端旋转节第三连接件22。所述上端旋转节11与肩部机构4铰接，由上端旋转节第一连接件13、上端旋转节第二连接件14、上端旋转节第三连接件15组成，可实现三个方向的转动。所述套筒盖16一端设有螺纹，与套筒18螺纹连接，另一端通过螺栓与上端旋转节11的上端旋转节第三连接件15连接；所述套筒18为套筒结构，外侧开有圆形通孔和方形槽，用于限制活塞杆19的行程和调节第一拉力弹簧17的压缩程度，并使得第一拉力弹簧17一直处于压缩状态；所述活塞杆19设在套筒18内并能往复运动，一端与第一拉力弹簧17接触，另一端与下端旋转节12连接。所述第一拉力弹簧17，位于活塞杆19与套筒盖16之间，一直处于压缩状态，自由长度长于套筒长度20mm左右。所述第一支撑块25置于套筒18开口槽处，防止活塞杆滑出套筒外。所述第二拉力弹簧20套装于活塞杆19上，通过所述第二支撑块21固定，由于一端固定一端自由，所以第二拉力弹簧20只能处于原长和压缩状态。所述下端旋转节12与背部机构3连接，与活塞杆19连接销钉连接，所述被动助力机构2左右对称，因穿戴者存在个体差异，可通过背板的安装位置调节助力结构与人手臂之间的相对位置，达到更好助力效果。

所述套筒18设有方形槽。所述第一支撑块25置于套筒18开口槽处，防述活塞杆19滑出套筒18外，用于调整所述第一弹簧17松紧程度，为提供肩部机构支持力及穿戴者搬运货物时辅助力、放货物时缓冲力。所述第一支撑块中间方形槽宽度与所述活塞杆直径等长，便于所述活塞杆往复移动。

所述上端/下端旋转节包括上端/下端旋转节第一连接件、上端/下端旋转节第二连接件、上端/下端旋转节第三连接件，所述上端/下端旋转节第一连接件与所述肩部机构通过铰接可在yz面旋转180°，所述上端/下端旋转节第二连接件与所述第一连接件通过轴承配合，所述上端/下端旋转节第二连接件可在xy面旋转360°，所述上端/下端旋转节第三连接件与所述套筒盖铰接，所述上端/下端旋转节第三连接件在xz面旋转180°，三者旋转轴相互垂直，可实现3个不同方向的旋转。

结合图4说明所述肩部机构4包括：肩关节执行器34、输出轴连接件35、电机固定件36、支撑板42、转动杆38、第一连接套40、第二连接套39、第一扭簧37、第二扭簧27、第一弯管41、支撑板42、第二弯管43、第三弯管44、第一限位块32、第二限位块30、第三限位块28、第一基座33、第二基座31、第三基座29、端盖26、轴承45、密封盖46。所述肩关节执行器34固定于电机固定件36上，与输出轴连接件35连接，并能够控制其进行旋转运动；电机固定件36板面上设有扣向所述电机的1/4凸起圆弧，便于插入电缆为所述肩关节执行器提供电源以及发送控制信号。所述输出轴连接件35为板状结构，通过螺钉与所述支撑板42连接，设有魔术贴接口，便于与人体上臂贴合；所述转动杆38为柱状结构，可绕轴线转动，并设有通孔，可与第一扭簧28连接实现被动助力；所述第一连接套40与所述第二连接套39螺栓连接，第一连接套40开有弧形槽和通孔，用于固定转动杆38和第一扭簧28；所述第一基座33为圆柱相贯结构，内置第一弯管41并可与其产生相对转动；所述第一弯管41一端为法兰结构，与第一连接套39固定，另一端为圆柱结构，与第一限位块32连接，密封盖46安装在所述弯管上固定所述第一基座33位置；所述第一限位块32设有扇形槽，限制第一弯管41与第一基座33之间的轴承45旋转角度；所述第二基座31内设第二弯管43，可产生相对旋转；所述第二弯管43与第三弯管44结构相似，分别与第二基座31、第三基座29和第二限位块30、第三限位块28连接，所述弯管安装密封盖46固定所述第二基座32、第三基座29位置；第三基座29端面有柱状结构，与端盖26通过轴承45连接并能相对其轴向旋转；所述端盖26内设环形槽，圆弧面设有扇形槽，便于所述第二扭簧的固定与安装，当穿戴者搬运或托举时提供大臂内收/外展助力；端盖26另一端固定于背板；所述第二扭簧27一端固定于第三基座29柱状结构处，另一端与端盖26连接，从而提供被动助力效果。

所述第三基座29端面圆柱结构可绕轴0-15°旋转，便于穿戴者肩关节向下移动，为整个肩部机构支撑；圆柱结构末端开有通孔，便于插入开口销防止轴向窜动。

所述第一连接套40圆弧面设有槽与通孔，便于安装和固定所述第一扭簧37，用于提供穿戴者肩部内旋/外旋运动时助力。

所述输出轴连接件35和支撑板42的两侧开有方孔，能够穿过绑带或魔术贴，用于固定使用者的大臂。

所述肩关节执行器34为QDD Pro-PR60-100-90的电动机，电动机的输出力矩通过行星减速机放大后带动输出轴连接件35进行旋转，进行上肢肩关节的外展/内收运动；该电动机是集成伺服电机、谐波减速器、编码器为一体的智能控制器，带动输出轴连接件35以及相连组件旋转，可进行肩关节的屈曲/伸展运动。

该本发明在使用时，采用惯性测量单元和薄膜压力传感器作为人机交互接口，惯性测量单元安装在左、右大臂肱二头肌位置，且大臂相对于竖直方向的夹角为大臂转动角度，当大臂位于垂直轴前方，则角度为正，反之为负；每只胳臂安装有两个薄膜压力传感器，分别置于大臂肱二头肌和肱三头肌长头位置；

所述被动助力机构2、背部机构3、肩部机构4构成闭环结构，能够对穿戴者肩部起到支撑作用。在穿戴者未搬运托举货物时，由于手臂垂直向下时，手臂与背部夹角为0°，所以第二拉力弹簧20处于压缩状，而第一拉力弹簧17一直处于压缩状，此时第一拉力弹簧17和第二拉力弹簧20都会为手肘提供支持力，实现被动助力；当穿戴者搬运货物时，随着手臂与背部夹角增大，肩关节执行器34开始运转，被动助力效果逐渐减小，只有肩关节执行器34和第一拉力弹簧17提供助力；而第一扭簧37和第二扭簧17在肩部进行内旋/外旋运动时提供助力；当穿戴者放下货物时，夹角减小，第二拉力20弹簧将逐渐处于压缩状，从而为手部提供缓冲力起到保护人体的效果。

综上所述，本发明提供了一种主被动结合的上肢助力外骨骼机器人，通过主动和被动方式驱动，不仅可以实现肩关节屈曲/伸展、外展/内收，大臂旋内/旋外的搬运动作，还可以为肩关节提供多方向助力的助力效果，并利用魔术贴和机器人进行贴合，提高了使用舒适性。机器人具有机械结构限位，避免了关节发生意外情况而对人体造成额外的伤害；机器人呈模块化设计，结构简单、紧凑且巧妙，可以实现单侧或双侧肢体的运动，具有更高的实用性，有利于推广。由于方案有主动助力元件和被动助力元件，因此具有控制精度高、重量轻的特点，加使得肩部与肘部助力效果得到较大提升，大大增强了上肢搬运与托举的能力；同时，肩部自由度较多，各部件之间不产生干涉，每个自由度可以实现单独或者联合动作，能够提高工作效率且保证了该装备灵活性较好。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种主被动结合的上肢助力机器人，包括腰部机构、背部机构和肩部机构，所述腰部机构和背部机构分别位于人体后腰部和背部；其特征在于：还包括被动助力机构；所述肩部机构的下端与背部机构连接，上端位于背部机构的上方，通过驱动力辅助肩关节进行外展/内敛、内旋/外旋、前屈/后伸运动；所述被动助力机构下端与背部机构连接，上端与肩部机构连接，用于给使用者和肩部机构提供多方向的助推力和支撑力；

所述肩部机构包括肩关节执行器、输出轴连接件、电机固定件、连接组件、支撑板和三级弯管组件；所述电机固定件的外端固定有肩关节执行器，内端与连接组件转动连接，所述转动连接的轴向垂直于肩关节执行器的输出轴，输出轴连接件垂直固定于肩关节执行器的输出轴上；所述电机固定件能够绕连接组件的中心轴转动，输出轴连接件能够绕肩关节执行器的输出轴转动；所述输出轴连接件的两侧固定有支撑板，用于支撑使用者大臂；所述三级弯管组件依次连接为阶梯结构，第一级弯管组件的上端与连接组件固定，第三级弯管组件的下端与背部机构固定连接，三级弯管组件均能够绕各自竖直方向的轴转动，从而辅助调整使用者肩关节的位置；

所述被动助力机构包括依次设置的上端旋转节、套筒盖、套筒、第一拉力弹簧、活塞杆、第一支撑块、第二拉力弹簧、第二支撑块、下端旋转节；所述套筒盖一端为圆柱杆，通过上端旋转节与肩部机构的电机固定件铰接，另一端设置有外螺纹，与套筒的一端螺纹连接；所述套筒内依次同轴放入第一拉力弹簧和活塞杆，所述活塞杆朝向第一拉力弹簧一端为圆板结构，用于沿轴向压缩第一拉力弹簧；所述活塞杆的另一端依次穿过第二拉力弹簧和第二支撑块后通过下端旋转节与背部机构的外侧铰接，所述第二支撑块用于第二拉力弹簧的轴向限位；所述套筒的另一端外周面开有通孔，第一支撑块插入通孔对活塞杆的轴向运动进行限位；

所述连接组件包括第一扭簧、转动杆和连接套；所述连接套为一端封闭的套筒结构，其封闭端与第一级弯管组件连接；所述转动杆一端与电机固定件的内端固定，另一端通过深沟球轴承安装于连接套内；所述第一扭簧套装于转动杆上，并位于连接套内，第一扭簧的一端头固定于转动杆上，并通过螺栓插入连接套外周面对第一扭簧进行限位；所述连接套由第一连接套和第二连接套通过螺栓固定而成；

所述三级弯管组件包括第一级弯管组件、第二级弯管组件和第三级弯管组件；所述第一级弯管组件包括第一弯管、第一基座和第一限位块，所述第一弯管的上端通过法兰盘结构与连接组件固定，下端端头穿过第一基座的中心孔与第一限位块固定连接，并与第一基座通过轴承转动连接；所述第二级弯管组件包括第二弯管、第二基座和第二限位块，所述第二弯管的上端通过法兰盘结构与第一基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第二基座的中心孔与第二限位块固定连接，并与第二基座通过轴承转动连接；所述第三级弯管组件包括第三弯管、第三基座、第三限位块和端盖；所述第三弯管的上端通过法兰盘结构与第二基座的侧壁固定连接，下端端头穿过第三基座的中心孔与第三限位块固定连接，并与第三基座通过轴承转动连接，第三基座的侧壁垂直固定有圆柱结构，所述圆柱结构通过端盖垂直固定于背部机构上；

其中，第一弯管带动连接组件绕第一基座的中心轴转动，第二弯管带动第一级弯管组件绕第二基座的中心轴转动，第三弯管带动第二级弯管组件绕第三基座的中心轴转动；通过三级联动使得肩关节的运动柔性化；

所述第三级弯管组件还包括第二扭簧，第三基座的圆柱结构通过轴承同轴安装于端盖内，所述第二扭簧套装于位于端盖内的圆柱结构部分，将第三基座绕圆柱结构旋转的角度限制在0-15°内；所述端盖内设环形槽，圆弧面设有扇形槽，便于所述第二扭簧的固定与安装，当穿戴者搬运或托举时提供大臂内收/外展助力；

三个所述限位块上均沿周向开有60°的槽，分别与三个基座的底部配合，用于限制三个弯管的旋转角度；

所述上端旋转节包括上端旋转节第一连接件、上端旋转节第二连接件、上端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；下端旋转节包括下端旋转节第一连接件、下端旋转节第二连接件、下端旋转节第三连接件，三者旋转轴相互垂直；均能够实现3个不同方向的旋转。

2.根据权利要求1所述主被动结合的上肢助力机器人，其特征在于：所述腰部机构与背部机构通过调长组件连接，所述调长组件包括四个条形板，分别为调长第一连接件、调长第二连接件、调长杆、调长第三连接件；所述调长杆竖直设置，其下端通过横向设置的调长第一连接件与腰部组件固定连接，其上部与竖直设置的调长第二连接件配合安装，所述调长第二连接件的上端通过横向设置的调长第三连接件与背部组件固定连接；所述调长杆与调长第二连接件沿长度方向设有多个调长孔洞，能够调节外骨骼的腰背长度适应不同腰背长度的使用者。

3.根据权利要求1所述主被动结合的上肢助力机器人，其特征在于：所述电机固定件板面上设有扣向所述肩关节执行器的1/4凸起圆弧，便于插入电缆为所述肩关节执行器提供电源以及发送控制信号。

4.根据权利要求1所述主被动结合的上肢助力机器人，其特征在于：所述第一拉力弹簧在套筒内处于压缩状态，其自由长度大于套筒长度20mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述主被动结合的上肢助力机器人，其特征在于：所述上肢助力机器人采用惯性测量单元和薄膜压力传感器作为人机交互接口，惯性测量单元安装于人体左、右大臂肱二头肌位置，且大臂相对于竖直方向的夹角为大臂转动角度，当大臂位于垂直轴前方，则角度为正，反之为负；每只胳臂安装有两个薄膜压力传感器，分别置于大臂肱二头肌和肱三头肌长头位置。

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