CN113927570A - 一种外骨骼机器人的动力总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼机器人的动力总成，包括腰部绑缚模块、动力模块和动作检测模块；腰部绑缚模块包括腰部转接件和腰部绑带，腰部转接件上设置有用于穿过腰部绑带的腰部穿线孔；动力模块包括电机和谐波减速器，电机的电机输出轴与谐波减速器的波发生器固连，谐波减速器的输出轴与腰部转接件固连；电机通过快速插销与髋部连接杆铰接，快速插销的长度方向与人体髋关节的转动轴的轴向平行；动作检测模块包括腿部连接杆和腿部压力板，腿部连接杆与髋部连接杆固连，腿部压力板安装在腿部连接杆上，腿部压力板上设置有惯性测量单元和腿部穿线孔，腿部穿线孔用于穿设腿部绑带。本发明能够保证外骨骼机器人的动作输出与人体搬运动作的协调一致。

Description

一种外骨骼机器人的动力总成

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种外骨骼机器人的动力总成。

背景技术

作为人体穿戴的辅助助力设备，近年来助力外骨骼机器人,在越来越多的领域得到广泛应用。作业人员在仓库、物流现场等从事搬运作业时，经常俯身搬运，主要依靠上肢及腰部力量，长时间的搬运作业容易造成腰部和上肢疲劳，甚至损伤。

现有的外骨骼机器人与人体的融合程度低，比如存在着外骨骼机器人的动作输出与人体搬运动作不协调的现象，导致了穿戴的不舒适、使用的不方便，严重时会增大人体受力，增大穿戴者的能量消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种外骨骼机器人的动力总成，以解决上述现有技术存在的问题，实现外骨骼机器人的动作输出与人体搬运动作的协调一致，以进一步降低穿戴者的作业强度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种外骨骼机器人的动力总成，包括腰部绑缚模块、动力模块和动作检测模块；

所述腰部绑缚模块包括腰部转接件和腰部绑带，所述腰部转接件的形状与人体髋骨的形状相匹配，所述腰部转接件上设置有用于穿过所述腰部绑带的腰部穿线孔，所述腰部绑带用于绑缚在穿戴者的腰部，所述腰部转接件与腰部连接杆固连；

所述动力模块包括电机和谐波减速器，所述电机的电机输出轴与所述谐波减速器的波发生器固连，所述谐波减速器的输出轴与所述腰部转接件固连；所述电机通过快速插销与髋部连接杆铰接，所述快速插销的长度方向与人体髋关节的转动轴的轴向平行；

所述动作检测模块包括腿部连接杆和腿部压力板，所述腿部连接杆一端与所述髋部连接杆远离所述电机的一端固连，所述腿部压力板安装在所述腿部连接杆的另一端，所述腿部压力板上设置有惯性测量单元和腿部穿线孔，所述腿部穿线孔用于穿设腿部绑带，所述腿部绑带用于绑缚在穿戴者的腿部；所述惯性测量单元和所述电机分别与外骨骼机器人的控制器电连接。

优选的，还包括髋部调节模块，所述髋部调节模块包括锁紧套、固定套和调节把手，所述锁紧套和所述固定套均固设在所述腿部连接杆靠近所述髋部连接杆的一端，所述固定套上设置有外螺纹，所述调节把手上设置有内螺纹，所述调节把手与所述固定套螺纹连接，所述锁紧套用于夹紧所述髋部连接杆，所述调节把手靠近所述锁紧套的一端的孔径较另一端的孔径较小，所述调节把手用于调节所述锁紧套的松紧程度。

优选的，还包括显示单元，所述显示单元包括显示屏、显示控制卡和保护罩；所述腰部转接件上固设有固定座，所述显示屏和所述显示控制卡均固设在所述固定座上，所述保护罩罩设在所述显示屏和所述显示控制卡上，所述保护罩与所述固定座可拆卸连接，所述显示屏与所述显示控制卡电连接，所述显示控制卡与所述控制器电连接。

优选的，所述动力模块还包括电机支架、电机罩和编码器；所述电机安装在所述电机支架上，所述电机罩罩设在所述电机上且与所述电机支架固连，所述电机的电机输出轴通过第一轴承和第二轴承与所述电机支架转动配合，所述谐波减速器固连在所述电机支架远离所述电机的一侧；所述电机输出轴远离所述谐波减速器的一端固设有连接法兰，所述连接法兰上固设有磁环套，所述磁环套上固设有磁环，所述编码器安装在所述电机罩的内壁上，所述编码器与所述磁环对应设置，所述磁环旋转时，所述编码器能够产生信号，所述编码器、所述磁环、所述磁环套、所述连接法兰及所述电机输出轴同轴。

优选的，在所述谐波减速器的波发生器上固设有键，所述电机输出轴的端部对应所述键设置有键槽，所述键设置在所述键槽中，所述电机输出轴的端部还通过螺栓固定安装有端盖，所述端盖与所述电机输出轴同轴，所述端盖与所述键的端面紧密贴合。

优选的，所述编码器的编码器罩与所述电机罩固连；所述谐波减速器的外壳通过螺钉与所述电机支架固连。

优选的，所述磁环套安装在所述连接法兰的凸台上，所述谐波减速器与所述轴承之间通过隔圈隔离。

优选的，所述电机包括定子线圈和转子，所述定子线圈和所述转子均位于所述电机支架与所述电机罩围成的腔体内；所述转子通过螺丝与所述电机输出轴或所述连接法兰固连；所述谐波减速器还包括外壳、柔轮和钢轮，所述钢轮与所述外壳固连，所述柔轮通过螺丝与所述谐波减速器的输出轴固连，所述谐波减速器的输出轴通过第三轴承与所述外壳转动配合；所述电机带动所述波发生器转动时，所述柔轮带动所述谐波减速器的输出轴相对于所述电机支架和所述外壳以恒定减速比旋转。

优选的，所述腿部压力板中设置有长孔，所述腿部连接杆远离所述腰部连接杆的一端穿过所述长孔且固设有端部球头，所述端部球头的直径大于所述长孔的孔径。

优选的，所述腰部转接件和所述腿部压力板的内侧均铺贴有内衬。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的外骨骼机器人的动力总成能够保证外骨骼机器人的动作输出与人体搬运动作的协调一致，从而进一步降低穿戴者的作业强度。本发明的外骨骼机器人的动力总成的结构紧凑，通过惯性测量单元、控制器、动力总成实现穿戴者搬运动作的采集、控制和助力输出，动作输出与人体搬运动作协调一致，辅助作业人员完成搬运，显著降低了劳动者的作业强度。

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获得其他的附图。

图1为本发明外骨骼机器人的动力总成的结构示意图；

图2为本发明外骨骼机器人的动力总成的部分结构示意图一；

图3为本发明外骨骼机器人的动力总成的部分结构示意图二；

图4为本发明外骨骼机器人的动力总成的部分结构示意图三；

图5为本发明外骨骼机器人的动力总成的部分结构示意图四；

其中：100、外骨骼机器人的动力总成；1、电机罩；2、电机支架；3、定子线圈；4、外壳；5、电机输出轴；6、键；7、端盖；8、第一轴承；9、隔圈；10、波发生器；11、连接法兰；12、磁环套；13、磁环；14、编码器；15、编码器罩；16、快速插销；17、髋部连接杆；18、腰部连接杆；19、腰部转接件；20、腰部穿线孔；21、保护罩；22、固定座；23、调节把手；24、腿部连接杆；25、腿部压力板；26、腿部穿线孔；27、惯性测量单元；28、端部球头；29、锁紧套；30、固定套；31、转子；32、谐波减速器的输出轴；33、柔轮；34、第二轴承；35、第三轴承；36、钢轮。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付出创造性劳动的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。

本发明的目的是提供一种外骨骼机器人的动力总成，以解决上述现有技术存在的问题，实现外骨骼机器人的动作输出与人体搬运动作的协调一致，以进一步降低穿戴者的作业强度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图5所示：本实施例提供了一种外骨骼机器人的动力总成100，包括腰部绑缚模块、动力模块、显示单元、髋部调节模块和动作检测模块。

其中，腰部绑缚模块包括腰部转接件19和腰部绑带，腰部转接件19的形状与人体髋骨的形状相匹配，腰部转接件19上设置有用于穿过腰部绑带的腰部穿线孔20，腰部绑带用于绑缚在穿戴者的腰部，腰部转接件19与腰部连接杆18固连，腰部转接件19对应腰部连接杆18设置有轴孔，腰部连接杆18与该轴孔固连，腰部转接件19的内侧面与人体腰部侧面吻合；腰部绑缚模块通过腰部绑带绑缚固定到人体腰侧，既为动力模块提供了助力动作的支点，又通过腰部连接杆18将来自吊带总成的负载传递到腰间。异形的腰部转接件19和内衬材料，完美地吻合了人体腰部曲面，减小了负载力对人体腰部的冲击和压迫，提高了外骨骼的佩戴舒适度。

动力模块包括电机支架2、电机罩1、电机、编码器14和谐波减速器，电机安装在电机支架2上，电机罩1罩设在电机上且与电机支架2固连，即电机设置在电机罩1与电机支架2围成的腔体内。电机的电机输出轴5通过第一轴承8和第二轴承34与电机支架2转动配合，第一轴承8和第二轴承34均套设在电机输出轴5上，谐波减速器固连在电机支架2远离电机的一侧，谐波减速器的外壳4通过螺钉与电机支架2固连，谐波减速器与第一轴承8之间通过隔圈9隔离，电机输出轴5一端伸出电机支架2并与谐波减速器波发生器10键6连接，在谐波减速器的波发生器10上固设有键6，电机输出轴5的端部对应键6设置有键6槽，键6设置在键6槽中，电机输出轴5的端部还通过螺栓固定安装有端盖7，端盖7与电机输出轴5同轴，端盖7与键6的端面紧密贴合；谐波减速器的输出轴32与外骨骼机器人中的腰部转接件19固连。电机输出轴5远离谐波减速器的一端固设有连接法兰11，连接法兰11上固设有磁环套12，磁环套12安装在连接法兰11的凸台上，磁环套12上固设有磁环13，编码器14安装在电机罩1的内壁上，编码器14与磁环13对应设置，磁环13旋转时，编码器14能够产生信号，编码器14、磁环13、磁环套12、连接法兰11及电机输出轴5同轴。编码器14的编码器罩15与电机罩1固连。电机包括定子线圈3和转子31，定子线圈3和转子31均位于电机支架2与电机罩1围成的腔体内；转子31通过螺丝与电机输出轴5或连接法兰11固连。谐波减速器还包括外壳4、柔轮33和钢轮36，钢轮36与外壳4固连，柔轮33通过螺丝与谐波减速器的输出轴32固连，谐波减速器的输出轴32通过第三轴承35与外壳4转动配合；电机带动波发生器10转动时，柔轮33带动谐波减速器的输出轴32相对于电机支架2和外壳4以恒定减速比旋转。电机支架2通过快速插销16与髋部连接杆17铰接，快速插销16的长度方向与人体髋关节的转动轴的轴向平行。

动作检测模块包括腿部连接杆24和腿部压力板25，腿部连接杆24为一拟合人体髋部至大腿前侧轨迹的圆形截面连接杆，腿部连接杆24一端与髋部连接杆17远离电机的一端固连，腿部压力板25安装在腿部连接杆24的另一端，腿部压力板25中设置有长孔，腿部连接杆24远离腰部连接杆18的一端穿过长孔且固设有端部球头28，端部球头28的直径大于长孔的孔径，故腿部连接杆24末端与腿部压力板25之间具有旋转自由度，在人体俯身搬运重物时，腿部压力板25可以跟随人体大腿的弯曲做出角度调整，与搬运者的大腿动作协调适配

腿部压力板25上设置有惯性测量单元27和腿部穿线孔26，惯性测量单元27即IMU模块为现有成熟技术，在此不对其进行赘述；腿部穿线孔26用于穿设腿部绑带，腿部绑带用于绑缚在穿戴者的腿部；惯性测量单元27和电机分别与外骨骼机器人的控制器电连接。述腰部转接件19和腿部压力板25的内侧均铺贴有内衬。

髋部调节模块包括锁紧套29、固定套30和调节把手23，锁紧套29和固定套30均固设在腿部连接杆24靠近髋部连接杆17的一端，固定套30上设置有外螺纹，调节把手23上设置有内螺纹，调节把手23与固定套30螺纹连接，锁紧套29用于夹紧髋部连接杆17，锁紧套29的底部夹设在髋部连接杆17和固定套30之间，调节把手23靠近锁紧套29的一端的孔径较另一端的孔径较小，调节把手23用于调节锁紧套29顶部的松紧程度。通过旋转调节把手23使得锁紧套29松开时，可调节腿部连接杆24与髋部连接杆17的对接长度，通过旋转调节把手23使得锁紧套29锁紧时，锁紧套29夹紧髋部连接杆17，腿部连接杆24与髋部连接杆17牢固地连接在一起，如此实现了腿部连接杆24的可调连接，以适配不同体型的人群。

显示单元包括显示屏、显示控制卡和保护罩21；腰部转接件19上固设有固定座22，显示屏和显示控制卡均固设在固定座22上，保护罩21罩设在显示屏和显示控制卡上，保护罩21与固定座22可拆卸连接，在保护罩21上设置有透明观察窗，通过透明观察窗能够直接观察到显示屏上显示的信息，显示屏与显示控制卡电连接，显示控制卡与控制器电连接。显示屏用于实时显示外骨骼机器人的工作状态、电量、时间等信息，提高了外骨骼机器人的人机交互能力。

在腰部转接件19上还设置有第一限位块和第二限位块，当腰部转接件19相对电机支架2转动到一定角度时，第一限位块或第二限位块会与电机支架2产生接触，从而限制动力模块的转动角度，模拟了人体髋关节的活动自由度，防止电机旋转时对人体关节造成反力伤害。

本实施例外骨骼机器人的动力总成100的工作原理如下：

当人体俯身抓住重物起身时，大腿肌肉动作，腿部压力板25上的惯性测量单元27因大腿动作，产生信号，惯性测量单元27将信号传给控制器，由控制器控制电机旋转输出动力，电机通过腰部转接件19，带动外骨骼机器人上肢(腰部转接件19、腰部连接杆18、吊带总成等)旋转，产生搬运助力；

电机旋转时，带动连接法兰11、磁环套12、磁环13一起旋转，编码器14固定不动，磁环13旋转时，编码器14产生信号，实时检测电机的旋转角度，从而使得控制器能够实时监测电机输出轴5的旋转角度；电机支架2底部与髋部连接杆17通过快速插销16连接，具有一个向身体侧面旋转的自由度，模拟了人体髋关节侧转的自由度，髋部连接杆17可以调节角度，保证与髋部连接杆17末端连接的腿部压力板25的调节范围，适配不同体型的人群。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：包括腰部绑缚模块、动力模块和动作检测模块；

所述腰部绑缚模块包括腰部转接件和腰部绑带，所述腰部转接件的形状与人体髋骨的形状相匹配，所述腰部转接件上设置有用于穿过所述腰部绑带的腰部穿线孔，所述腰部绑带用于绑缚在穿戴者的腰部，所述腰部转接件与腰部连接杆固连；

所述动力模块包括电机和谐波减速器，所述电机的电机输出轴与所述谐波减速器的波发生器固连，所述谐波减速器的输出轴与所述腰部转接件固连；所述电机通过快速插销与髋部连接杆铰接，所述快速插销的长度方向与人体髋关节的转动轴的轴向平行；

所述动作检测模块包括腿部连接杆和腿部压力板，所述腿部连接杆一端与所述髋部连接杆远离所述电机的一端固连，所述腿部压力板安装在所述腿部连接杆的另一端，所述腿部压力板上设置有惯性测量单元和腿部穿线孔，所述腿部穿线孔用于穿设腿部绑带，所述腿部绑带用于绑缚在穿戴者的腿部；所述惯性测量单元和所述电机分别与外骨骼机器人的控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：还包括髋部调节模块，所述髋部调节模块包括锁紧套、固定套和调节把手，所述锁紧套和所述固定套均固设在所述腿部连接杆靠近所述髋部连接杆的一端，所述固定套上设置有外螺纹，所述调节把手上设置有内螺纹，所述调节把手与所述固定套螺纹连接，所述锁紧套用于夹紧所述髋部连接杆，所述调节把手靠近所述锁紧套的一端的孔径较另一端的孔径较小，所述调节把手用于调节所述锁紧套的松紧程度。

3.根据权利要求1所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：还包括显示单元，所述显示单元包括显示屏、显示控制卡和保护罩；所述腰部转接件上固设有固定座，所述显示屏和所述显示控制卡均固设在所述固定座上，所述保护罩罩设在所述显示屏和所述显示控制卡上，所述保护罩与所述固定座可拆卸连接，所述显示屏与所述显示控制卡电连接，所述显示控制卡与所述控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：所述动力模块还包括电机支架、电机罩和编码器；所述电机安装在所述电机支架上，所述电机罩罩设在所述电机上且与所述电机支架固连，所述电机的电机输出轴通过第一轴承和第二轴承与所述电机支架转动配合，所述谐波减速器固连在所述电机支架远离所述电机的一侧；所述电机输出轴远离所述谐波减速器的一端固设有连接法兰，所述连接法兰上固设有磁环套，所述磁环套上固设有磁环，所述编码器安装在所述电机罩的内壁上，所述编码器与所述磁环对应设置，所述磁环旋转时，所述编码器能够产生信号，所述编码器、所述磁环、所述磁环套、所述连接法兰及所述电机输出轴同轴。

5.根据权利要求4所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：在所述谐波减速器的波发生器上固设有键，所述电机输出轴的端部对应所述键设置有键槽，所述键设置在所述键槽中，所述电机输出轴的端部还通过螺栓固定安装有端盖，所述端盖与所述电机输出轴同轴，所述端盖与所述键的端面紧密贴合。

6.根据权利要求4所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：所述编码器的编码器罩与所述电机罩固连；所述谐波减速器的外壳通过螺钉与所述电机支架固连。

7.根据权利要求4所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：所述磁环套安装在所述连接法兰的凸台上，所述谐波减速器与所述轴承之间通过隔圈隔离。

8.根据权利要求4所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：所述电机包括定子线圈和转子，所述定子线圈和所述转子均位于所述电机支架与所述电机罩围成的腔体内；所述转子通过螺丝与所述电机输出轴或所述连接法兰固连；所述谐波减速器还包括外壳、柔轮和钢轮，所述钢轮与所述外壳固连，所述柔轮通过螺丝与所述谐波减速器的输出轴固连，所述谐波减速器的输出轴通过第三轴承与所述外壳转动配合；所述电机带动所述波发生器转动时，所述柔轮带动所述谐波减速器的输出轴相对于所述电机支架和所述外壳以恒定减速比旋转。

9.根据权利要求1所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：所述腿部压力板中设置有长孔，所述腿部连接杆远离所述腰部连接杆的一端穿过所述长孔且固设有端部球头，所述端部球头的直径大于所述长孔的孔径。

10.根据权利要求1所述的外骨骼机器人的动力总成，其特征在于：所述腰部转接件和所述腿部压力板的内侧均铺贴有内衬。

Images