CN114800449B - 一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，当穿戴者穿戴外骨骼机器人后，气弹簧的拉力会在滑槽板的铰接中心产生力矩，该力矩通过肩部部件及肩部绑缚传递到人的手臂，为穿戴者举升重物提供助力；另外，在举升的过程中，外骨骼的滑块在滑槽板中滑动，改变气弹簧拉力到铰接中心的力臂，从而为穿戴者提供一个合适且不断变化的助力力矩，当穿戴者搬运重物的过程中，助力力矩能够在人手举升到高点时对手臂起到支持作用，而在完成搬运完成后人手下垂到低点时又不会产生过大的阻碍，能够很好的适配日常的搬运过顶作业。

Description

一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人。

背景技术

在我国，随着国家社会工业化及现代化的进程的加快，职业性肌肉骨骼损伤成为影响工人自身健康与工作效率的主要原因。其主要表现为在职业作业中因过度机械重复、长期负重、不良姿态、搬举重物、重体力劳动等不科学的作业活动而导致的疾病。

随着机器人技术与人机交互技术的不断发展与研究，愈来愈多新技术应用于人工辅助作业，为其提供作业保护或者作业支持，其中助力外骨骼机器人技术为提高人体体能提供一种解决方案。因此，目前外骨骼机器人被广泛应用于辅助工业生产，其主要可分为有源和无源两种外骨骼；有源外骨骼机器人采用电机等有源装置，为外骨骼提供动力，其助力可控，效果明显，但成本高，结构复杂臃肿，同时可靠性低；无源设备依靠机械结构提供助力，简单轻便，工作可靠，价格低廉，适合大规模推广，但大多数只能提供简单助力，不能在相应场景下为人体提供连续变化的辅助助力。

基于现有研究基础和目前无源上肢助力外骨骼机器人的缺陷，本发明提供了一种可变助力力矩的无源上肢助力外骨骼机器人，旨在过顶运动和搬运作业中为穿戴者提供合理的助力，降低作业疲劳。相关研究表明，将重物由低到高的托举过程中，由于上肢关节和肌肉负载是成多元增长状态，为了模拟这一变化，因此所需的助力力矩也需要随托举状态进行变化。

经对现有技术文献检索发现：

中国专利(申请号：201910142742.0)一种可穿戴上肢助力外骨骼。

该专利主要提供了一种用工业弹簧作为储能装置的无源上肢助力外骨骼，主要用于为作业人员上肢提供辅助力矩，减少其关节疼痛。但是该专利助力方式较为单一，在实际使用过程中无法随着上肢的运动而改变助力力矩，在自然放下过程中因力矩保持不变，会阻碍穿戴者上肢正常运动。

中国专利(申请号：202010225907.3)一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼。该专利提供了一种可以在搬运过程中为上肢提供助力的外骨骼装置，其可以在人体搬运过程中为上肢提供助力，但方式较为单一，无法适应实际情况下穿戴者所需助力力矩的变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，为使用者提供无源的助力力矩，且可以随人体托举高度变化而改变助力力矩大小。

为实现上述发明目的，本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括：肩部调节机构、变力臂机构、高度调节机构和宽度调节机构；

所述肩部调节机构包括手臂绑缚连接件、肩部调节杆和肩部连接杆；手臂绑缚连接件和肩部调节杆通过螺钉固连，肩部调节杆套接于肩部连接杆外，可进行滑动，再通过圆柱销卡住两者间的圆孔进行限位，从而实现尺寸调节，适配不同人的手臂长度；

所述变力臂机构包括滑槽板、滑块、盖板、连架杆、主支撑杆和气弹簧；两块滑槽板通过螺钉固连于肩部连接杆两侧，滑槽板末端用螺钉与盖板固定连接，滑块两边突出并卡于两块滑槽板之间，可在滑槽板的滑槽内自由滑动，滑块两端的突出位置分别与两根连架杆铰接，底部与气弹簧铰接，连架杆另一端与主支撑杆通过销钉铰接，主支撑杆上端与两滑槽板铰接；气弹簧提供恒定的拉力，人手从高到低托举重物的过程中，滑块带着气弹簧一端滑动，气弹簧拉力与滑槽板旋转中心的力臂从小到大变化，从而为搬运作业提供合理的柔性助力；

所述高度调节机构包括调节滑杆、旋钮和槽杆；调节滑杆上端通过螺钉和主支撑杆固连，并与气弹簧铰接，调节滑杆套接于槽杆外，可自由上下滑动，旋钮旋入调节滑杆的螺纹孔内，槽杆表面设置有凹槽，通过旋紧旋钮，使旋钮嵌于凹槽内，进而固定调节滑杆和槽杆；

所述宽度调节机构包括球轴承、轴承座、连接块和腰托；球轴承外圈嵌入在轴承座内，内圈紧套槽杆，并在轴承座内能够自由转动，以适应人体手臂各个方向的运动；连接块表面打有两组四排螺纹孔，分别用于与轴承座和腰托通过螺钉连接，通过调整对齐不同的螺纹孔位，实现宽度的多级调节，以适应多场景下的不同作业人员；

上肢助力外骨骼机器人使用时，通过手臂绑缚连接件上的绑缚带将肩部调节机构穿戴于作业人员的大臂上，包裹住作业人员的整个手臂；同时，腰部与腰托缝合的腰带围绕人体腰部，通过扣紧卡扣，即可穿戴在人体腰部。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，当穿戴者穿戴外骨骼机器人后，气弹簧的拉力会在滑槽板的铰接中心产生力矩，该力矩通过肩部部件及肩部绑缚传递到人的手臂，为穿戴者举升重物提供助力；另外，在举升的过程中，外骨骼的滑块在滑槽板中滑动，改变气弹簧拉力到铰接中心的力臂，从而为穿戴者提供一个合适且不断变化的助力力矩，当穿戴者搬运重物的过程中，助力力矩能够在人手举升到高点时对手臂起到支持作用，而在完成搬运完成后人手下垂到低点时又不会产生过大的阻碍，能够很好的适配日常的搬运过顶作业。

同时，本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人还具有以下有益效果：

(1)、本发明适用于搬运中的上肢助力与过顶作业中的上肢助力，因其自身结构特性，也可适用于其他多种场景的上肢助力。

(2)、在穿戴者上肢由上往下自由运动过程中，助力的力矩会逐渐减小至只托举手臂重量，在人体搬运过程中提供柔性的连续变化的助力力矩，在高位托举或者高位维持过程中提供较大力矩，在低位状态提供的力矩可忽略不计，不影响操作者上肢自由运动。

(3)、本发明适用于多种类型人群和多种作业场景。本发明的肩部结构长度，腰部结构的高度和宽度均可调整，可以适配不同身高，不同身形尺寸的穿戴者，为穿戴者提供舒适的穿戴体验。

(4)、本装置结构简单，轻巧可靠，穿戴简单，负重小，拆卸维修方便，可以适应各种复杂工况。

附图说明

图1为本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人一种具体实施方式架构图。

图2为图1所示上肢助力外骨骼机器人的零件爆炸图。

图3为肩部调节机构分解图。

图4为变力臂机构分解图。

图5为为滑槽板示意图。

图6上肢运动时力臂变化曲线图。

图7为高度调节机构分解图。

图8为宽度调节机构分解图。

其中，图2中各零件编号为：肩部调节结构1、变力臂机构2、高度调节机构3、宽度调节机构4、手臂绑缚连接件101、肩部调节杆102、肩部连接杆103、滑槽板201、滑块202、盖板203、连架杆204、气弹簧205、主支撑杆206、调节滑杆301、旋钮302、槽杆303、球轴承401、轴承座402、宽度调节块403、腰托404。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1为本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人一种具体实施方式架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，包括：肩部调节结构1、变力臂机构2、高度调节机构3和宽度调节机构4；可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人各个组成零件如图2所示。

如图3所示，肩部调节机构1包括手臂绑缚连接件101、肩部调节杆102和肩部连接杆103；手臂绑缚连接件101和肩部调节杆102通过螺钉固连，肩部调节杆102套接于肩部连接杆103外，可进行滑动，再通过圆柱销卡住两者间的圆孔进行限位，从而实现尺寸调节，适配不同人的手臂长度；

如图4所示，变力臂机构2包括滑槽板201、滑块202、盖板203、连架杆204、气弹簧205和主支撑杆206；两块滑槽板201通过螺钉固连于肩部连接杆103两侧，滑槽板201末端用螺钉与盖板203固定连接，滑块202两边突出并卡于两块滑槽板201之间，可在滑槽板201的滑槽内自由滑动，滑块202两端的突出位置分别与两根连架杆204铰接，底部与气弹簧205铰接，连架杆204的另一端与主支撑杆206通过销钉铰接，主支撑杆206上端与两滑槽板201铰接；气弹簧205提供恒定的拉力，人手从高到低托举重物的过程中，滑块202带着气弹簧205一端滑动，气弹簧205的拉力与滑槽板201旋转中心的力臂从小到大变化，类似于抛物线的曲线规律变化，从而为搬运作业提供合理的柔性助力；

在本实施例中，变力臂机构2为曲柄滑块机构，根据主支撑杆206与两滑槽板201间的铰接点到主支撑杆206与连架杆204间的铰接点的长度a、连架杆204长度b，可以确定滑块202的运动范围，在保证气弹簧205拉力到滑槽板201与主支撑杆206铰接中心的力臂足够大的同时，考虑外骨骼各部件的加工安装条件及整体的小巧轻便性，最终优选a的长度为60mm，b的长度为80mm。

此外，在本实施例中，如图5所示，滑槽板201两端的轴线夹角α为42°±0.5°，滑槽板201一端打有螺纹孔，用于连接肩部连接杆103进而连接穿戴者的手臂，另一端设有滑槽，中间打有铰接孔，滑槽的长度范围可适配穿戴者举升手臂的过程中滑块的滑动范围，滑槽板打螺纹孔的一端与设置滑槽端到铰接孔的距离比为1：3，滑槽板201卡入滑块202后进而连接气弹簧205。通过将滑槽板201设计为图5所示的特定形状，可使人体手臂托举到高点时力臂达到最大，在手臂下垂到低点的过程中力臂逐渐减小，从而为过顶作业提供合理的力矩辅助。

如图6所示，图6中横坐标为人体躯干与大臂之间的夹角，纵坐标为外骨骼穿戴后气弹簧拉力到滑槽板与主支撑杆铰接中心的力臂；当滑槽板整体为直线形，即夹角α为0°时，穿戴外骨骼后，穿戴者手臂举升过程如图中“优化前”曲线所示；日常生活及生产作业中，人手举升到极限高时，手臂和人体躯干大约成180°角，人手从举起到180°到慢慢下垂的过程中，由图可见最高点处助力力臂较小，在运动到中间位置时力臂达到最大，对人手的下垂产生阻碍，且在170°附近力臂变化急剧，会给穿戴者带来明显不适。而当按上述方案将夹角α设计为42°，对曲线进行优化设计后，手臂举升过程如图中“优化后”曲线所示，人手在最高点处助力力臂最大，在人手下垂过程中力臂慢慢减小，最终接近于0mm。此设计方案能在人手举到最高点提供一个足够大的助力，起到支撑作用，而在下垂过程中，助力力矩逐渐减小直至为0Nm，在整个托举搬运的过程中提供一个合理的，柔性变化的力矩。

气弹簧205选用可拆卸式的气弹簧，以便在不同的助力场景下，可以更换不同拉力的气弹簧以获得最佳助力效果。

如图7所示，高度调节机构3包括调节滑杆301、旋钮302和槽杆303；调节滑杆301上端通过螺钉和主支撑杆206固连，并与气弹簧205铰接，调节滑杆301套接于槽杆303外，可自由上下滑动，旋钮302旋入调节滑杆301的螺纹孔内，槽杆303表面设置有凹槽，通过旋紧旋钮302，使旋钮302嵌于凹槽内，进而固定调节滑杆301和槽杆303；

如图8所示，宽度调节机构4包括球轴承401、轴承座402、宽度调节块403和腰托404；球轴承401的外圈嵌入在轴承座402内，其内圈紧套槽杆303，并在轴承座402内能够自由转动，以适应人体手臂各个方向的运动；宽度调节块403表面打有两组四排螺纹孔，分别用于与轴承座402和腰托404通过螺钉连接，通过调整对齐不同的螺纹孔位，实现宽度的多级调节，以适应多场景下的不同作业人员；

上肢助力外骨骼机器人使用时，通过手臂绑缚连接件上的绑缚带将肩部调节机构穿戴于作业人员的大臂上，包裹住作业人员的整个手臂；同时，腰部与腰托缝合的腰带围绕人体腰部，通过扣紧卡扣，即可穿戴在人体腰部。

整套装置中，除滑块采用钢制材料外，其余零部件均用7075型铝合金加工制成，整体轻便小巧。另外，整套装备的绑缚选用尼龙面料，各部分之间缝制在一起或通过扣子连接，装置的腰托与腰带缝制在一起，穿戴时扣紧在人的胯部，肩部的绑缚带缝有快拆魔术贴，和肩部绑缚连接件粘接在一起，穿戴时包裹住人的手臂。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括：肩部调节机构、变力臂机构、高度调节机构和宽度调节机构；

所述肩部调节机构包括手臂绑缚连接件、肩部调节杆和肩部连接杆；手臂绑缚连接件和肩部调节杆通过螺钉固连，肩部调节杆套接于肩部连接杆外，可进行滑动，再通过圆柱销卡住两者间的圆孔进行限位，从而实现尺寸调节，适配不同人的手臂长度；

所述变力臂机构包括滑槽板、滑块、盖板、连架杆、主支撑杆和气弹簧；两块滑槽板通过螺钉固连于肩部连接杆两侧，滑槽板末端用螺钉与盖板固定连接，滑块两边突出并卡于两块滑槽板之间，可在滑槽板的滑槽内自由滑动，滑块两端的突出位置分别与两根连架杆铰接，底部与气弹簧铰接，连架杆另一端与主支撑杆通过销钉铰接，主支撑杆上端与两滑槽板铰接；气弹簧提供恒定的拉力，人手从低到高托举重物的过程中，滑块带着气弹簧一端滑动，气弹簧拉力与滑槽板旋转中心的力臂从小到大变化，从而为搬运作业提供合理的柔性助力；

所述高度调节机构包括调节滑杆、旋钮和槽杆；调节滑杆上端通过螺钉和主支撑杆固连，并与气弹簧铰接，调节滑杆套接于槽杆外，可自由上下滑动，旋钮旋入调节滑杆的螺纹孔内，槽杆表面设置有凹槽，通过旋紧旋钮，使旋钮嵌于凹槽内，进而固定调节滑杆和槽杆；

所述宽度调节机构包括球轴承、轴承座、连接块和腰托；球轴承外圈嵌入在轴承座内，内圈紧套槽杆，并在轴承座内能够自由转动，以适应人体手臂各个方向的运动；连接块表面打有两组四排螺纹孔，分别用于与轴承座和腰托通过螺钉连接，通过调整对齐不同的螺纹孔位，实现宽度的多级调节，以适应多场景下的不同作业人员；

上肢助力外骨骼机器人使用时，通过手臂绑缚连接件上的绑缚带将肩部调节机构穿戴于作业人员的大臂上，包裹住作业人员的整个手臂；同时，腰部与腰托缝合的腰带围绕人体腰部，通过扣紧卡扣，即可穿戴在人体腰部。

2.根据权利要求1所述的一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述滑槽板两端的轴线夹角α为42°±0.5°，滑槽板一端打有螺纹孔，用于连接肩部部件进而连接穿戴者的手臂，另一端设有滑槽，中间打有铰接孔，滑槽的长度范围可适配穿戴者举升手臂的过程中滑块的滑动范围，滑槽板打螺纹孔的一端与设置滑槽端到铰接孔的距离比为1：3，滑槽板卡入滑块后进而连接气弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述气弹簧为可拆卸式的气弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，其特征在于，所述变力臂机构为曲柄滑块机构，设主支撑杆与两滑槽板间的铰接点到主支撑杆与连架杆间的铰接点的长度a，连架杆长度b，a的长度为60mm，b的长度为80mm。

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