CN207206412U - 一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，用以解决现有外骨骼辅助系统结构复杂，笨重，续航能力差，反应不灵敏等问题。该辅助机械臂包括控制电源背包、背部支架、机械臂组件、离合器以及多个压力传感器，机械臂组件包括设置在肩关节位置的第一驱动电机以及设置在腕关节的第二驱动电机，第一驱动电机安装在背部支架的肩托上，第一驱动电机通过伸缩连杆与上臂转轴连接，上臂转轴通过一伸缩连杆与第二驱动电机连接，第二驱动电机通过伸缩连杆与下臂转轴连接，下臂转轴末端设置有若干机械手指，通过离合器同时控制第一驱动电机和第二驱动电机的输出；上臂的肱二头肌两侧、手腕以及手指末端位置设置有压力传感器。

Description

一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂

技术领域

本实用新型涉及辅助机器人技术领域，具体涉及一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂。

背景技术

机械外骨骼，又名"外骨骼装甲"或"外骨骼机甲"，其结构类似昆虫的外骨骼那样，能穿在人身上，给人提供保护、额外的动力或能力，增强人体机能，如使腿残疾的人能自己上楼，让士兵能健步如飞、无障碍奔跑且不会疲劳、不会受伤。

尽管外骨骼的概念在科幻电影中出现已有数十年的历史，但鉴于基础技术的限制，它并没有得到很好的发展。目前国内外仅有少数成型的外骨骼机器人面世，并且普遍耗能较高、体积庞大而复杂、维护成本偏高。现有技术中针对救援型外骨骼机器人上肢结构的设计非常少，在国内的实际应用还没有出现相关的产品。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，用以解决现有外骨骼辅助系统结构复杂，笨重，续航能力差，反应不灵敏等问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，包括控制电源背包、背部支架、机械臂组件、离合器以及多个压力传感器，所述机械臂组件包括设置在肩关节位置的第一驱动电机以及设置在腕关节的第二驱动电机，所述第一驱动电机安装在所述背部支架的肩托上，所述第一驱动电机与上臂转轴连接，所述上臂转轴通过一伸缩连杆与所述第二驱动电机连接，所述第二驱动电机通过所述伸缩连杆与下臂转轴连接，所述下臂转轴末端设置有若干机械手指，通过所述离合器同时控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的输出；上臂的肱二头肌两侧、手腕以及手指末端位置设置有所述压力传感器。

进一步的，所述控制电源背包包括锂电池、水-铝电池以及控制器，所述控制器与所述第一驱动电机、所述第二驱动电机以及所述压力传感器电性连接。可选地，所述锂电池和所述控制器设置在所述水-铝电池和所述背部支架之间。

进一步的，所述水-铝电池上设置有注水口和出水口。

进一步的，所述背部支架包括主弯折轴以及侧支板，两个所述侧支板分别通过若干肋杆对称设置在所述主弯折轴两侧，所述侧支板上端通过一上连杆与所述肩托连接。

进一步的，所述机械手指包括手指连杆以及电磁气缸，所述手指连杆设置在所述电磁气缸内，多个所述手指连杆和所述电磁气缸依次连接形成所述机械手指。

进一步的，左手的所述手腕转轴上设置有警报装置，所述警报装置与所述控制器电性连接。

进一步的，右手的所述手腕转轴上设置有测距装置，所述测距装置与所述控制器电性连接。

进一步的，所述辅助机械臂还包括覆盖整个手臂的壳体，所述壳体由外到内依次为保护层、隔离保温层以及柔软层，所述柔软层与手臂接触。

进一步的，对应上臂的所述壳体上还设置有百叶窗式散热器以及温度传感器，所述百叶窗市散热器和所述温度传感器与所述控制器电性连接。百叶窗市散热器可以自由控制打开闭合，内部温度高于30摄氏度的时候打开散热，在寒冷和防火的时候闭合。

进一步的，所述辅助机械臂在肘关节位置活动范围为120°(以手肘窝O为起点OZ逆时针转动120°)，在肩关节的活动范围是210°；(以X为起点XZ逆时针转动180°和顺时针转动30°)对应所述肘关节和所述肩关节的转动位置设置有限位锁，防止住电机失控过度的行程运动会对使用者的身体造成伤害。

本实用新型具有如下优点：

本申请的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，采用了轻量化设计，使之具有体积小、轻便、灵活性、机动性更强、工作时间更长的优势，能根据实际情况调节动力输出节约电量，并采用锂电池和铝-水电池混合驱动，在保护人体的同时也能减轻对环境造成危害的。通过压力传感器来收集负重信息，再由控制器控制电机输出，系统响应灵活性高且大大减少不必要的能耗浪费。采用双回路设置，系统可以工作也可以关闭，根据个人实际需求使用此工具，不需要使用的时候也能通过离合器解除人机同步，这样在机器遇到故障或不能使用或需要使用的时候，不会对人体的自由活动构成障碍。

另外，可以安装有探测装置和警报装置，例如：能探测环境中火焰方位和空气情况反馈给使用者，具有警报性。(减少由于消防员救火时遇到烟雾浓厚的地方的时候由于没有发现燃气的泄露而导致的爆炸发生的意外事件。)同时还能通过测距来告诉使用者一些重要的信息。

附图说明

图1本实用新型的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂左视图结构示意图。

图2本实用新型的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂右视图结构示意图。

图3本实用新型的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂的背部支架结构示意图。

图4本实用新型的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂的控制电源背包结构示意图。

图5本实用新型的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂的机械手指结构示意图。

图6本实用新型的新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂的伸缩连杆结构示意图。

其中，10-辅助机械臂，20-人体，11-控制电源背包，12-背部支架，13-第一驱动电机，14-离合器，15-上臂转轴，16-伸缩连杆，17-第二驱动电机，18-手腕转轴，19-机械手指，30-测距装置，40-报警装置；121-主弯折轴，122-侧支板，123-肋杆，124-上连杆，125-肩托，111-锂电池，112-控制器，113-水-铝电池，1131-注水口，1132-出水口，191-手指连杆，192-电磁气缸。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

如图1、2所示，一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂10，包括控制电源背包11、背部支架12、机械臂组件以及多个压力传感器，所述机械臂组件包括设置在肩关节位置的第一驱动电机13以及设置在腕关节的第二驱动电机17，所述第一驱动电机13安装在所述背部支架12的肩托125上，所述第一驱动电机13与上臂转轴15连接，所述上臂转轴15通过一伸缩连杆16与所述第二驱动电机17连接，所述第二驱动电机17通过所述伸缩连杆16与下臂转轴18连接，所述下臂转轴18末端设置有若干机械手指19，通过离合器14同时控制第一驱动电机13和第二驱动电机17的输出；；上臂的肱二头肌两侧、手腕以及手指末端位置设置有所述压力传感器。

其中，采用碳纤维作为主要骨骼支撑，电动机为动力输出，免去了液压输出那种笨重的油泵等设备，大大减轻了设备的重量，组成构件也比气压传动的构件更为简单。在同样能量的情况下，减轻负重能延长工作时间。采用了双能源系统，锂电池的体积小，电量大，能够作为户外独立的能源供应设备；其次，水电池也是一项重大的技术突破，因为水是自然界里较为容易获得的一种物质，使用它来进行供能能极大地增加突发情况下的产品的使用时长，而且水电池输出大且仅消耗铝电极，没有污染物排放，不会造成环境污染，是一项环保的能源。

通过离合器来手动接入和断开电机的输出，按需启动电机，既能提高手臂的灵活度又能节约电量。因为电动机的输出速度不快，人的手臂在自由活动的时候如果进行电机的输出不仅会浪费电量还会阻碍人体的正常运动，而离合器的运用可以按需控制电机输出，起到节省电量、增大灵活性的作用。通过手腕上的压力传感器受力大小来控制电动机的输出，灵敏度高，设计更人性化，减少电量的消耗。

如图4所示，所述控制电源背包11包括锂电池111、水-铝电池113以及控制器112，所述控制器112与所述第一驱动电机13、所述第二驱动电机17以及所述压力传感器电性连接。

其中，所述水-铝电池113上设置有注水口1131和出水口1132。

如图3所示，所述背部支架12包括主弯折轴121以及侧支板122，两个所述侧支板122分别通过若干肋杆123对称设置在所述主弯折轴121两侧，所述侧支板122上端通过一上连杆124与所述肩托125连接。

如图5所示，所述机械手指19包括手指连杆191以及电磁气缸192，所述手指连杆191设置在所述电磁气缸192内，多个所述手指连杆191和所述电磁气缸192依次连接形成所述机械手指19。手指的气压锁定，握紧拳头的时候，手指的支架拉伸吸入空气，固定后电子阀关闭，支架保持现状固定，让使用者更牢固地抓取物品，防止物品从手中滑落(只有食指，中指和无名指具有此装置)。装置的解除在尾指上，尾指前端装有压力传感器，当其感受到尾指打开的力量时会给予空气电磁阀一个信号，让其打开排气，手指可以伸展开来。

上臂和下臂由一整个骨架包裹手臂，手臂外壳由三层材料组成，分为最外面的保护层，中间的隔热保温层和最里面的人体舒适层。手臂上装有百叶窗式散热器，可以自由控制打开闭合，内部温度高于30摄氏度的时候打开散热，在寒冷和防火的时候闭合。手肘的活动部分为120°(以手肘窝O为起点OZ逆时针转动120°)，为肩膀的活动范围是210°(以X为起点XZ逆时针转动180°和顺时针转动30°)设置限位锁，防止住电机失控过度的行程运动会对使用者的身体造成伤害。

在主要的关节手肘和肩膀处设置电动机，为支撑提拿重物提供一部分力量。电动机具有自锁功能，在断电不工作的时候会保持自身状态不变。在电机工作的时候，到达指定的位置的之后，如果不对它再输入信号，它便会维持现状不动，那么我们在抬起重物后，不需要再手臂出力和电机输出来维持举持重物这一动作。这样子也就说明了电机的耗电仅仅在于举起和放下重物的这两个过程，电池的能耗进一步降低。

如图1、2所示，左手的所述手腕转轴上设置有警报装置40，所述警报装置40与所述控制器112电性连接。右手的所述手腕转轴上设置有测距装置30，所述测距装置30与所述控制器112电性连接。例如，左手上臂上同时设有天然气传感器来检测空气中可燃物的含量，一旦到达危险浓度便会发出警报，让使用者有充足的时间逃离现场，右手前臂上装有语音控制的红外线测距仪，能辅助使用者测量距离。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，包括控制电源背包、背部支架、机械臂组件、离合器以及多个压力传感器，所述机械臂组件包括设置在肩关节位置的第一驱动电机以及设置在腕关节的第二驱动电机，所述第一驱动电机安装在所述背部支架的肩托上，所述第一驱动电机与上臂转轴连接，所述上臂转轴通过一伸缩连杆与所述第二驱动电机连接，所述第二驱动电机通过所述伸缩连杆与下臂转轴连接，所述下臂转轴末端设置有若干机械手指，通过所述离合器同时控制所述第一驱动电机和所述第二驱动电机的输出；上臂的肱二头肌两侧、手腕以及手指末端位置设置有所述压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，所述控制电源背包包括锂电池、水-铝电池以及控制器，所述控制器与所述第一驱动电机、所述第二驱动电机以及所述压力传感器电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，所述水-铝电池上设置有注水口和出水口。

4.根据权利要求1所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，所述背部支架包括主弯折轴以及侧支板，两个所述侧支板分别通过若干肋杆对称设置在所述主弯折轴两侧，所述侧支板上端通过一上连杆与所述肩托连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，所述机械手指包括手指连杆以及电磁气缸，所述手指连杆设置在所述电磁气缸内，多个所述手指连杆和所述电磁气缸依次连接形成所述机械手指。

6.根据权利要求2所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，左手的所述手腕转轴上设置有警报装置，所述警报装置与所述控制器电性连接。

7.根据权利要求2所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，右手的所述手腕转轴上设置有测距装置，所述测距装置与所述控制器电性连接。

8.根据权利要求2所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，所述辅助机械臂还包括覆盖整个手臂的壳体，所述壳体由外到内依次为保护层、隔离保温层以及柔软层，所述柔软层与手臂接触。

9.根据权利要求8所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，对应上臂的所述壳体上还设置有百叶窗式散热器以及温度传感器，所述百叶窗市散热器和所述温度传感器与所述控制器电性连接。

10.根据权利要求2所述的一种新型节能穿戴式外骨骼辅助机械臂，其特征在于，所述辅助机械臂在肘关节位置活动范围为120°，在肩关节的活动范围是210°；对应所述肘关节和所述肩关节的转动位置设置有限位锁。