CN113370183A - 一种弯腰搬运助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明按照对标健康人体俯身弯腰动作中的运动学和动力学特征，依据人体工学原理，提供一种弯腰搬运助力机器人，可为从事负重弯腰作业的工人或有髋关节运动障碍用户，在搬运重物过程中提供弯腰助力，也可通过功能调整，为其行走提供髋关节和膝关节助力。通过电机拉线提供助力，降低腰部负荷，缓解髋关节和腰椎负担，也可转换为无动力源助力功能，为用户在负重行走提供抬腿和屈膝助力，从而减轻行走过程中髋、膝关节负担，不仅减轻人体关节在长时间从事负重作业过程中的损伤，还可增大负重能力，延长工作寿命。机器人设计结构简单、造价低、使用方便，在技术领域和市场需求方面都具有重要意义。

Description

一种弯腰搬运助力机器人

技术领域

本发明涉及人体运动辅助机器人领域，尤其涉及一种弯腰搬运助力机器人。

背景技术

我国老龄化问题日益严峻，老年人弯腰搬运物品很容易造成脊椎和腰肌损伤。另外，长期从事搬运、装载货物等体力劳动的人群，在搬运作业过程中，也应该保护下肢关节和脊椎尽少遭受过度损伤，以防关节和腰肌过载，从而减少作业中因负重造成的职业病损伤。国内弯腰搬运助力机器人多见于辅助运动设备领域，或人机交互体验感差、功能不够仿生，或造价高且结构繁复，或控制方法复杂、功能单一等，严重阻碍助力机器人在负重工况或老年日常活动等场景下的普及。如申请号201910632695.8的专利，公布了一种下肢外骨骼助力装置，可实现多个自由度的运动，由四组电机提供拉力，通过腰束固定架来调整腰束位置，通过伺服电机控制实施助力，但该设备控制系统复杂，体积较大，电机质量较大，不利于用户灵活使用。申请号201911024006.3的发明专利公布了一种下肢膝关节的助力机器人，通过关节助力装置为大腿与小腿发生屈膝动作提供助力，结构简单，但功能单一，使用工况少。因此，按照对标健康人体搬运动作中人体各肢段的运动学特征，依据动力学和人体工学原理，设计机械结构简单、造价低、使用方便、轻量化的搬运助力机器人，在技术领域和市场需求方面都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于搬运过程中人体动力学原理所设计的弯腰搬运助力机器人，可为用户在搬运重物过程中提供弯腰助力，也可通过功能调整，为用户在行走过程中提供髋关节和膝关节助力。

为达到上述目的，本发明通过如下技术方案予以实现：

所述的一种弯腰搬运助力机器人，由硬件和软件控制系统组成，其中硬件包括上身撑板机构1、骨盆装置2、髋关节动力装置3、膝关节助力装置4，所述上身撑板机构1下端固连在骨盆装置2所对应位置，左右两个所述髋关节动力装置3向上插入骨盆装置2相应位置形成旋转副，髋关节动力装置3通过骨盆装置2内的动力源驱动，两个所述髋关节动力装置3下端分别固连所述膝关节助力装置4，为膝关节运动提供助力。

所述的上身撑板机构1包括姿态角传感器101、第一主撑板102、第一束缚带103、转轴盖104、第二主撑板105、第二束缚带106，所述第一主撑板102下端圆轴向上插入第二主撑板105下端所开的轴槽内，然后一体置入转轴盖104中并进行封装固定，形成转动副，两个所述姿态角传感器101分别固定于第一主撑板102和第二主撑板105的上端相应位置，第一束缚带103固定在第一主撑板102相应位置，第二束缚带106固定在第二主撑板105相应位置，并且，第一束缚带103与第二束缚带106相邻端可进行卡接固定，使上身撑板机构1可以紧固地穿戴在使用者上身。

所述的骨盆装置2包括腰部撑板201、第一支撑架202、臀部护板203、绕线电机204、中控模块205、紧固螺钉206、第二支撑架207、第三束缚带208，所述臀部护板203固连在腰部撑板201下表面，第一支撑架202与第二支撑架207的上端通过圆柱形通孔套接固定在腰部撑板201左右两端相应位置，第一支撑架202与第二支撑架207的下端固连于臀部护板203相应位置，对用户臀部形成稳定的包围结构；所述绕线电机204置于臀部护板203背部凹槽内部，中控模块205扣在臀部护板203凹槽上，并通过两个所述的紧固螺钉206封装固定为整体结构，第三束缚带208两端分别与腰部护板201的两个端头固定，用于把骨盆装置2紧固地穿戴在用户的骨盆上。

所述的髋关节动力装置3包括拉线301、支撑管架302、封装底座303、轴承304、编码器305、法兰306、角速度传感器307、定滑轮组308、转向钢丝309、弹簧挡片310、储能弹簧311、永磁片312、电磁片313、弹簧盖片314、封装盖板315，两条所述拉线301下端头分别卡入封装盖板315内壁下部相应的开槽位置并固定，另一端绕于封装盖板315左侧壁环形凹槽内，之后向上分别穿过封装底座303上所开的两个通孔，再从下向上穿过支撑管架302的空心通孔，在支撑管架302上端口引出后向上缠绕在绕线电机204的相应绕线位置，接受传动带动封装盖板315转动，所述轴承304内圈包络在封装底座303中轴上并过盈配合，编码器305外壳向左插入封装底座303中轴的中心圆槽内并固定，编码器305输出轴插入法兰306左侧中心孔内并固定，封装盖板315向左扣入封装底座303内进行装配，装配时确保封装盖板315左侧的轴孔内径与轴承304外径形成过盈配合，使得封装底座303和封装盖板315在所封装轴承304带动下能够形成灵活转动，同时封装盖板315内壁与法兰306右侧基座同心固连，确保在封装底座303和封装盖板315相对转动时，内部封装的编码器305能够实时检测转动角度，所述角速度传感器307固连于封装盖板315下面方片部分内壁的相应位置，所述定滑轮组308固定于封装盖板315圆柱筒结构内部相应位置，转向钢丝309起始端与封装底座303右侧壁的凸起位置固连，之后转向钢丝309置入封装盖板315相应弧形槽内，再穿过定滑轮组308夹紧中心，通过定滑轮组308的夹取定位，实现直线到弧线的方向调整，最后终端焊接固定在弹簧挡片310下表面中心位置，弹簧挡片310上表面再与储能弹簧311下端焊接固连，永磁片312下表面向下与储能弹簧311上端焊接固连后，一体置入封装盖板315侧壁的圆柱筒结构内部，电磁片313贴合固定于弹簧盖片314内壁，通过控制电磁片313的通电断电实现给磁去磁，实现对永磁片312进行磁力吸合和断开，进而控制储能弹簧311的张弛施力状态，所述弹簧盖片314向下封装固定在封装盖板315外侧壁的圆柱筒结构端口上。

所述的膝关节助力装置4包括大腿撑片401、第四束缚带402、关节上护片403、扭转弹簧404、圆柱转轴405、关节下护片406、第五束缚带407，所述大腿撑片401下端固连于关节上护片403上端，将一组所述扭转弹簧404分别置入关节上护片403下端相应位置后，将关节下护片406向上与上护片403通过对应通孔对齐并用圆柱转轴405穿过通孔安装固定，形成带有扭转弹簧404阻尼作用的转动副机构，所述第四束缚带402固连于关节上护片403相应位置，第五束缚带407固连于关节下护片406相应位置，为用户提供绑缚固定功用。

所述的一种弯腰搬运助力机器人的软件控制系统，其提供一种功能切换控制方法，由有动力源助力控制与无动力源助力控制两部分组成，通过姿态角传感器101所检测的角度数值来确定使用功能，判断人体上身临界于俯身弯腰搬运重物状态，即当角度数值大于5度时，准备启动绕线电机204开始有动力源弯腰助力功能，为加强对人体弯腰搬重物姿势判断的准确性，避免因误操作对用户造成的不安全助力，同时进行二次判断，即判断左右两个所述编码器305是否同步同速变化，当同步同速变化时，启动左右两片所述电磁片313，通过电磁斥力，分别摘掉与所对应的永磁片312吸合固连，则左右两片所述储能弹簧311开始处于非工作状态，绕线电机204通过驱动所述拉线301向下传功，最后分别拉动封装盖板315进行转动，为用户髋关节提供转动力矩，实现搬动重物后上身伸展过程中所需助力，当上述判结果为否时，判断出用户处于非弯腰助力状态，再次进行判断，当左右两片所述角速度传感器307处于周期性镜像变化状态时，则启动无动力源助力功能，关闭绕线电机204供电，同时关闭左右两片所述电磁片313供电，此时通过永磁力分别与所对应的永磁片312紧密吸合固连，储能弹簧311开始工作状态，则用户在步态行走中，通过储能弹簧311的周期性充能和释能，实现无动力源的步态行走助力功能。

本发明的有益效果在于：基于人体动力学与运动学原理，为长期从事负重弯腰作业的工人或患有髋关节运动障碍用户，提供一种弯腰助力功能。通过电机拉线传动为用户在弯腰搬起重物过程中提供助力，降低腰部负荷，缓解髋关节和腰椎负担，并可通过功能调整，转换为无动力源助力功能，为用户在负重行走过程中提供抬大腿和屈膝助力，从而减轻行走过程中髋关节和膝关节负担，不仅减轻人体关节在长时间从事负重作业过程中的损伤，还可增大负重能力，延长工作寿命。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1 本发明的一种弯腰搬运助力机器人正面轴测图。

图2 本发明的一种弯腰搬运助力机器人背面轴测图。

图3 本发明的上身撑板机构后视视角的结构爆炸图。

图4 本发明的骨盆装置俯视视角的结构爆炸图。

图5 本发明的髋关节动力装置的结构爆炸图。

图6 本发明的膝关节助力装置的结构爆炸图。

图7 本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参照图1和图2，作为一种优选实例，本发明所述的一种弯腰搬运助力机器人，由硬件和软件控制系统组成，其中硬件包括上身撑板机构1、骨盆装置2、髋关节动力装置3、膝关节助力装置4，所述上身撑板机构1下端固连在骨盆装置2所对应位置，左右两个所述髋关节动力装置3向上插入骨盆装置2相应位置形成旋转副，髋关节动力装置3通过骨盆装置2内的动力源驱动，两个所述髋关节动力装置3下端分别固连所述膝关节助力装置4，为膝关节运动提供助力。

参照图3，本发明所述的上身撑板机构1包括姿态角传感器101、第一主撑板102、第一束缚带103、转轴盖104、第二主撑板105、第二束缚带106，所述第一主撑板102下端圆轴向上插入第二主撑板105下端所开的轴槽内，然后一体置入转轴盖104中并进行封装固定，形成转动副，两个所述姿态角传感器101分别固定于第一主撑板102和第二主撑板105的上端相应位置，第一束缚带103固定在第一主撑板102相应位置，第二束缚带106固定在第二主撑板105相应位置，并且，第一束缚带103与第二束缚带106相邻端可进行卡接固定，使上身撑板机构1可以紧固地穿戴在使用者上身。

参照图4，本发明所述的骨盆装置2包括腰部撑板201、第一支撑架202、臀部护板203、绕线电机204、中控模块205、紧固螺钉206、第二支撑架207、第三束缚带208，所述臀部护板203固连在腰部撑板201下表面，第一支撑架202与第二支撑架207的上端通过圆柱形通孔套接固定在腰部撑板201左右两端相应位置，第一支撑架202与第二支撑架207的下端固连于臀部护板203相应位置，对用户臀部形成稳定的包围结构；所述绕线电机204置于臀部护板203背部凹槽内部，中控模块205扣在臀部护板203凹槽上，并通过两个所述的紧固螺钉206封装固定为整体结构，第三束缚带208两端分别与腰部护板201的两个端头固定，用于把骨盆装置2紧固地穿戴在用户的骨盆上。

参照图5，本发明所述的髋关节动力装置3包括拉线301、支撑管架302、封装底座303、轴承304、编码器305、法兰306、角速度传感器307、定滑轮组308、转向钢丝309、弹簧挡片310、储能弹簧311、永磁片312、电磁片313、弹簧盖片314、封装盖板315，两条所述拉线301下端头分别卡入封装盖板315内壁下部相应的开槽位置并固定，另一端绕于封装盖板315左侧壁环形凹槽内，之后向上分别穿过封装底座303上所开的两个通孔，再从下向上穿过支撑管架302的空心通孔，在支撑管架302上端口引出后向上缠绕在绕线电机204的相应绕线位置，接受传动带动封装盖板315转动，所述轴承304内圈包络在封装底座303中轴上并过盈配合，编码器305外壳向左插入封装底座303中轴的中心圆槽内并固定，编码器305输出轴插入法兰306左侧中心孔内并固定，封装盖板315向左扣入封装底座303内进行装配，装配时确保封装盖板315左侧的轴孔内径与轴承304外径形成过盈配合，使得封装底座303和封装盖板315在所封装轴承304带动下能够形成灵活转动，同时封装盖板315内壁与法兰306右侧基座同心固连，确保在封装底座303和封装盖板315相对转动时，内部封装的编码器305能够实时检测转动角度，所述角速度传感器307固连于封装盖板315下面方片部分内壁的相应位置，所述定滑轮组308固定于封装盖板315圆柱筒结构内部相应位置，转向钢丝309起始端与封装底座303右侧壁的凸起位置固连，之后转向钢丝309置入封装盖板315相应弧形槽内，再穿过定滑轮组308夹紧中心，通过定滑轮组308的夹取定位，实现直线到弧线的方向调整，最后终端焊接固定在弹簧挡片310下表面中心位置，弹簧挡片310上表面再与储能弹簧311下端焊接固连，永磁片312下表面向下与储能弹簧311上端焊接固连后，一体置入封装盖板315侧壁的圆柱筒结构内部，电磁片313贴合固定于弹簧盖片314内壁，通过控制电磁片313的通电断电实现给磁去磁，实现对永磁片312进行磁力吸合和断开，进而控制储能弹簧311的张弛施力状态，所述弹簧盖片314向下封装固定在封装盖板315外侧壁的圆柱筒结构端口上。

参照图6，本发明所述的膝关节助力装置4包括大腿撑片401、第四束缚带402、关节上护片403、扭转弹簧404、圆柱转轴405、关节下护片406、第五束缚带407，所述大腿撑片401下端固连于关节上护片403上端，将一组所述扭转弹簧404分别置入关节上护片403下端相应位置后，将关节下护片406向上与上护片403通过对应通孔对齐并用圆柱转轴405穿过通孔安装固定，形成带有扭转弹簧404阻尼作用的转动副机构，所述第四束缚带402固连于关节上护片403相应位置，第五束缚带407固连于关节下护片406相应位置，为用户提供绑缚固定功用。

参照图7，本发明所述的一种弯腰搬运助力机器人的软件控制系统，其提供一种功能切换控制方法，由有动力源助力控制与无动力源助力控制两部分组成，通过姿态角传感器101所检测的角度数值来确定使用功能，判断人体上身临界于俯身弯腰搬运重物状态，即当角度数值大于5度时，准备启动绕线电机204开始有动力源弯腰助力功能，为加强对人体弯腰搬重物姿势判断的准确性，避免因误操作对用户造成的不安全助力，同时进行二次判断，即判断左右两个所述编码器305是否同步同速变化，当同步同速变化时，启动左右两片所述电磁片313，通过电磁斥力，分别摘掉与所对应的永磁片312吸合固连，则左右两片所述储能弹簧311开始处于非工作状态，绕线电机204通过驱动所述拉线301向下传功，最后分别拉动封装盖板315进行转动，为用户髋关节提供转动力矩，实现搬动重物后上身伸展过程中所需助力，当上述判结果为否时，判断出用户处于非弯腰助力状态，再次进行判断，当左右两片所述角速度传感器307处于周期性镜像变化状态时，则启动无动力源助力功能，关闭绕线电机204供电，同时关闭左右两片所述电磁片313供电，此时通过永磁力分别与所对应的永磁片312紧密吸合固连，储能弹簧311开始工作状态，则用户在步态行走中，通过储能弹簧311的周期性充能和释能，实现无动力源的步态行走助力功能。

作为一种优选实例，使用本发明进行弯腰搬运助力时，首先进行上身穿戴，向外展开上身撑板机构1中第一主撑板102，本侧手臂完成穿戴后，展开另一侧第二主撑板105穿戴另一只手臂，穿戴完成后将第一束缚带103与第二束缚带106的相邻位置卡接固定，然后，人体腰部通过骨盆装置2开口处进入并贴合腰部撑板201后，使用第三束缚带208包缚固定，最后，在腿部相应位置贴合膝关节助力装置4，通过第四束缚带402和第五束缚带407进行绑缚固定，从而完成所述弯腰搬运助力机器人的穿戴准备工作，用户在保持自身重心稳定的直立姿势下进行开机使用，即可在搬起重物的过程中为用户提供助力。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种弯腰搬运助力机器人，其特征在于：由硬件和软件控制系统组成，其中硬件包括上身撑板机构（1）、骨盆装置（2）、髋关节动力装置（3）、膝关节助力装置（4），所述上身撑板机构（1）下端固连在骨盆装置（2）所对应位置，左右两个所述髋关节动力装置（3）向上插入骨盆装置（2）相应位置形成旋转副，髋关节动力装置（3）通过骨盆装置（2）内的动力源驱动，两个所述髋关节动力装置（3）下端分别固连所述膝关节助力装置（4），为膝关节运动提供助力，髋关节动力装置（3）包括拉线（301）、支撑管架（302）、封装底座（303）、轴承（304）、编码器（305）、法兰（306）、角速度传感器（307）、定滑轮组（308）、转向钢丝（309）、弹簧挡片（310）、储能弹簧（311）、永磁片（312）、电磁片（313）、弹簧盖片（314）、封装盖板（315），两条所述拉线（301）下端头分别卡入封装盖板（315）内壁下部相应的开槽位置并固定，另一端绕于封装盖板（315）左侧壁环形凹槽内，之后向上分别穿过封装底座（303）上所开的两个通孔，再从下向上穿过支撑管架（302）的空心通孔，在支撑管架（302）上端口引出后向上缠绕在绕线电机（204）的相应绕线位置，接受传动带动封装盖板（315）转动，所述轴承（304）内圈包络在封装底座（303）中轴上并过盈配合，编码器（305）外壳向左插入封装底座（303）中轴的中心圆槽内并固定，编码器（305）输出轴插入法兰（306）左侧中心孔内并固定，封装盖板（315）向左扣入封装底座（303）内进行装配，装配时确保封装盖板（315）左侧的轴孔内径与轴承（304）外径形成过盈配合，使得封装底座（303）和封装盖板（315）在所封装轴承（304）带动下能够形成灵活转动，同时封装盖板（315）内壁与法兰（306）右侧基座同心固连，确保在封装底座（303）和封装盖板（315）相对转动时，内部封装的编码器（305）能够实时检测转动角度，所述角速度传感器（307）固连于封装盖板（315）下面方片部分内壁的相应位置，所述定滑轮组（308）固定于封装盖板（315）圆柱筒结构内部相应位置，转向钢丝（309）起始端与封装底座（303）右侧壁的凸起位置固连，之后转向钢丝（309）置入封装盖板（315）相应弧形槽内，再穿过定滑轮组（308）夹紧中心，通过定滑轮组（308）的夹取定位，实现直线到弧线的方向调整，最后终端焊接固定在弹簧挡片（310）下表面中心位置，弹簧挡片（310）上表面再与储能弹簧（311）下端焊接固连，永磁片（312）下表面向下与储能弹簧（311）上端焊接固连后，一体置入封装盖板（315）侧壁的圆柱筒结构内部，电磁片（313）贴合固定于弹簧盖片（314）内壁，通过控制电磁片（313）的通电断电实现给磁去磁，实现对永磁片（312）进行磁力吸合和断开，进而控制储能弹簧（311）的张弛施力状态，所述弹簧盖片（314）向下封装固定在封装盖板（315）外侧壁的圆柱筒结构端口上。

2.根据权利要求1所述的一种弯腰搬运助力机器人，其特征在于：上身撑板机构（1）包括姿态角传感器（101）、第一主撑板（102）、第一束缚带（103）、转轴盖（104）、第二主撑板（105）、第二束缚带（106），所述第一主撑板（102）下端圆轴向上插入第二主撑板（105）下端所开的轴槽内，然后一体置入转轴盖（104）中并进行封装固定，形成转动副，两个所述姿态角传感器（101）分别固定于第一主撑板（102）和第二主撑板（105）的上端相应位置，第一束缚带（103）固定在第一主撑板（102）相应位置，第二束缚带（106）固定在第二主撑板（105）相应位置，并且，第一束缚带（103）与第二束缚带（106）相邻端可进行卡接固定，使上身撑板机构（1）可以紧固地穿戴在使用者上身。

3.根据权利要求1所述的一种弯腰搬运助力机器人，其特征在于：骨盆装置（2）包括腰部撑板（201）、第一支撑架（202）、臀部护板（203）、绕线电机（204）、中控模块（205）、紧固螺钉（206）、第二支撑架（207）、第三束缚带（208），所述臀部护板（203）固连在腰部撑板（201）下表面，第一支撑架（202）与第二支撑架（207）的上端通过圆柱形通孔套接固定在腰部撑板（201）左右两端相应位置，第一支撑架（202）与第二支撑架（207）的下端固连于臀部护板（203）相应位置，对用户臀部形成稳定的包围结构；所述绕线电机（204）置于臀部护板（203）背部凹槽内部，中控模块（205）扣在臀部护板（203）凹槽上，并通过两个所述的紧固螺钉（206）封装固定为整体结构，第三束缚带（208）两端分别与腰部护板（201）的两个端头固定，用于把骨盆装置（2）紧固地穿戴在用户的骨盆上。

4.根据权利要求1所述的一种弯腰搬运助力机器人，其特征在于：膝关节助力装置（4）包括大腿撑片（401）、第四束缚带（402）、关节上护片（403）、扭转弹簧（404）、圆柱转轴（405）、关节下护片（406）、第五束缚带（407），所述大腿撑片（401）下端固连于关节上护片（403）上端，将一组所述扭转弹簧（404）分别置入关节上护片（403）下端相应位置后，将关节下护片（406）向上与上护片（403）通过对应通孔对齐并用圆柱转轴（405）穿过通孔安装固定，形成带有扭转弹簧（404）阻尼作用的转动副机构，所述第四束缚带（402）固连于关节上护片（403）相应位置，第五束缚带（407）固连于关节下护片（406）相应位置，为用户提供绑缚固定功用。

5.根据权利要求1所述的一种弯腰搬运助力机器人，其特征在于：一种弯腰搬运助力机器人的软件控制系统，其提供一种功能切换控制方法，由有动力源助力控制与无动力源助力控制两部分组成，通过姿态角传感器（101）所检测的角度数值来确定使用功能，判断人体上身临界于俯身弯腰搬运重物状态，即当角度数值大于5度时，准备启动绕线电机（204）开始有动力源弯腰助力功能，为加强对人体弯腰搬重物姿势判断的准确性，避免因误操作对用户造成的不安全助力，同时进行二次判断，即判断左右两个所述编码器（305）是否同步同速变化，当同步同速变化时，启动左右两片所述电磁片（313），通过电磁斥力，分别摘掉与所对应的永磁片（312）吸合固连，则左右两片所述储能弹簧（311）开始处于非工作状态，绕线电机（204）通过驱动所述拉线（301）向下传功，最后分别拉动封装盖板（315）进行转动，为用户髋关节提供转动力矩，实现搬动重物后上身伸展过程中所需助力，当上述判结果为否时，判断出用户处于非弯腰助力状态，再次进行判断，当左右两片所述角速度传感器（307）处于周期性镜像变化状态时，则启动无动力源助力功能，关闭绕线电机（204）供电，同时关闭左右两片所述电磁片（313）供电，此时通过永磁力分别与所对应的永磁片（312）紧密吸合固连，储能弹簧（311）开始工作状态，则用户在步态行走中，通过储能弹簧（311）的周期性充能和释能，实现无动力源的步态行走助力功能。

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