CN215920445U - 一种外骨骼助力机器人的背架机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种外骨骼助力机器人的背架机构，所述背架机构包括左右设置的肩托和Y型背架，左右设置的肩托可拆卸地安装固定于所述Y型背架上端；所述Y型背架包括Y型背板和卷绳机构；所述左右设置的肩托前端通过连接件的一端连接手部机构；所述卷绳机构位于所述Y型背板的中心部；所述连接件的另一端可伸缩的固定于所述卷绳机构。

Description

一种外骨骼助力机器人的背架机构

技术领域

本实用新型属于可穿戴设备技术领域，具体涉及一种外骨骼助力机器人的背架机构。

背景技术

在复杂地理环境和恶劣工况下，大批量重型物资的搬运一般依靠人来完成，随之带来人体体能消耗快速增加，但由于人体体能有限，这种低效率的搬运方式极大地拖延了任务完成时间。物资搬运外骨骼的应用可以极大地缓解人体作业的高强度和高消耗，在不限制运动灵活度的前提下，可减缓人体疲劳度，降低其骨骼肌肉受伤几率，提高工作效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种外骨骼助力机器人的背架机构，可实现在物资搬运过程中对人体提供助力，并进行长时间的辅助作业，可降低人体搬运时的体能消耗，保护骨骼肌肉免受损伤，人机工效好，适应性强，可满足物资的搬运转移时人体体能增强的需求。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型技术方案如下：

一种外骨骼助力机器人的背架机构，所述背架机构包括左右设置的肩托和Y型背架，左右设置的肩托可拆卸地安装固定于所述Y型背架上端；所述Y型背架包括Y型背板和卷绳机构；所述Y型背板包括左右上支部、中心部和下支部；所述左右设置的肩托前端通过连接件的一端各连接一手部机构；所述卷绳机构位于所述Y型背板的中心部；所述连接件的另一端可伸缩的固定于所述卷绳机构。

在一实施例中，所述外骨骼助力机器人从上到下包括背架机构、第一储能机构、腰部机构、第二储能机构和腿部机构。

在一实施例中，所述Y型背板的下支部设有凹槽，所述凹槽内设有齿形面与下方的连接部件配合，用于背部的长度调节。

在一实施例中，所述肩托包括锁绳器，所述锁绳器安装在所述肩托的前端凸起的螺纹孔中，用于控制所述连接件的收放。

在一实施例中，所述左右设置的肩托插入所述Y型背板的两个前端口，通过螺钉固定于所述Y型背板前端的扁平孔中。

在一实施例中，所述Y型背架还包括导向轮和导向轮转轴，所述导向轮用于对所述连接件进行导向，通过所述导向轮转轴安装在所述Y型背板的两个上支部上。

在一实施例中，所述卷绳机构包括心轴、滚珠轴承、卷绳轮、卷簧和盒盖；所述心轴固定在所述Y型背板的中心，所述卷绳轮通过所述滚珠轴承安装在心轴上，用于所述连接件的缠绕收纳；所述卷簧安装于卷绳轮中，同时一端固定在心轴的狭缝中，另一端折弯后固定在所述卷绳轮的缺口上，用于驱动卷绳轮转动。

在一实施例中，所述心轴对称固定在所述Y型背板中心的圆形凹槽。

在一实施例中，所述盒盖用于心轴的固定和卷绳机构的防护。

在一实施例中，所述卷绳机构左右对称设置；每个所述连接件的一端穿过并固定在所述卷绳轮的小孔中，另一端多道缠绕在所述卷绳轮的外侧凹槽上，然后穿过所述导向轮、所述肩托上的导向孔和锁绳器的出绳通道，再穿过所述手部机构上的过绳孔，折回穿过所述肩托上的导向孔和锁绳器的回绳通道并固定到所Y型背板上。

在一实施例中，所述手部机构包括搬运工装和搬运手套，搬运箱体用搬运工装，搬运柔软不规则的物资用搬运手套。

在一实施例中，所述搬运工装包括环形部和板状部，搬运人将手掌插入环形部，伸出环形部的手指从背面扣在工装的板状部。

在一实施例中，所述板状部包括弯铲型和平铲型，搬运含有把手或有卡槽的箱体用弯铲型，搬运无把手或卡槽的箱体用平铲型。

如上所述，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型设计的被动型绳索牵引式背架机构上设计有绳索牵引机构，可以在物资搬运过程中对物资进行挂接，起到对人体上肢进行助力的作用，同时通过调整肩托离肩高度，有效减轻肩部因受压产生的酸痛感。

本实用新型采用模块化设计，穿脱快捷，隐形布局有多处尺寸适应性调节机构，免工具拆卸与维护，可根据穿戴者的身高定量化调整背架、腿部的长度。

本实用新型设计了柔性无级调节绑缚系统，肩带设有绑缚调节机构，方便调节人机绑带接触位置，包裹性好，避免长期压迫固定位置导致的肢体酸麻和疲劳感。

本实用新型可实现免工具快速拆卸，折叠收纳，借用系统自带的绑带捆扎牢固，装入箱体中运输。

本实用新型无需外部动力，可实现长时间的辅助作业，可降低人体搬运时体能消耗，保护骨骼肌肉免授损伤，人机功效好，适应性强，具备关节保护功能和模块化挂接接口。

附图说明

图1为本实用新型一种外骨骼助力机器人的整体结构示意图。

图2为本实用新型一种外骨骼助力机器人的背架机构示意图。

图3为本实用新型一种外骨骼助力机器人的背架结构爆炸示意图。

其中，附图标记汇总如下：

1背架机构；2腰部机构；3储能机构；4腿部机构；11搬运工装；12钢丝绳；13锁绳器；14肩托；15导向轮转轴；16导向轮；17Y型背架；171Y型背板；172心轴；173滚珠轴承；174卷绳轮；175卷簧；176盒盖。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

以下结合附图，通过具体实施例对本实用新型技术方案做进一步的说明。

一种外骨骼助力机器人的结构示意图如图1所示，从上到下包括背架机构1、第一储能机构、腰部机构2、第二储能机构3和腿部机构4；所述背架机构1前端连接手部机构，后端连接所述第一储能机构，所述第一储能机构下端连接所述腰部机构3；所述腰部机构2通过所述第二储能机构3连接所述腿部机构4；穿戴者在弯腰俯身物资搬运过程中，所述第一储能机构随弯腰而变形储能，同时，所述手部机构拉动所述背架机构1，所述背架机构1牵动所述腰部机构2，进而所述腰部机构2将拉力传导到所述第二储能机构3；随着穿戴者起身，第一和第二储能机构释放弹性势能，给穿戴者腰部和臂部提供助力；穿戴者在物资转运过程中，重量通过手部机构传递到穿戴者身上各处，减轻手臂的负担。

参见图2，所述背架机构1包括左右设置的肩托14和Y型背架17，左右设置的肩托14可拆卸地安装固定于Y型背架17上端。所述左右设置的肩托14前端通过连接件连接手部机构。所述连接件的另一端可伸缩的固定于所述Y型背架17的中心部。所述连接件为刚性绳索，本实施例优选钢丝绳12。所述手部机构用于与搬运对象的接触。针对不同的搬运对象，设计了不同的手部机构。如图2所示，搬运箱体用搬运工装，搬运柔软不规则的物资用搬运手套。搬运工装包括环形部和板状部，搬运人将手掌插入环形部，伸出环形部的手指从背面扣在工装的板状部，一方面可以保护手，一方面便于手部发力。针对不同的搬运对象设计了不同的搬运工装，搬运含有把手或有卡槽的箱体，工装的板状部呈向上的弯铲型，可以插入箱体的把手或卡槽。搬运无把手或卡槽的箱体，板状部为平铲型，可以插入箱体的底部。不同的手部机构通过快速连接机构可方便地更换。本实施例优选搬运工装。

所述肩托14包括锁绳器13，所述Y型背架17包括Y型背板171、导向轮转轴15、导向轮16和卷绳机构。所述Y型背板包括左右上支部、中心部和下支部。所述搬运工装11固定在钢丝绳12上，用于对物资进行挂接和稳定。锁绳器13安装在肩托14的第一个凸起的螺纹孔中，用于控制钢丝绳12的收放。所述左右设置的肩托14插入所述Y型背板171的左右上支部的前端口，通过螺钉固定于所述Y型背板171前端的扁平孔中。导向轮16用于对钢丝绳12进行导向，通过导向轮转轴15安装在所述Y型背板171的左右上支部上。

参见图3，所述卷绳机构包括心轴172、滚珠轴承173、卷绳轮174、卷簧175和盒盖176。心轴172固定在Y型背板171的圆形凹槽的中心，卷绳轮174通过滚珠轴承173安装在心轴172上，用于钢丝绳12的缠绕收纳。卷簧175安装于卷绳轮174中，同时一端固定在心轴172的狭缝中，另一端折弯后固定在卷绳轮174的缺口上，用于驱动卷绳轮174转动。盒盖176用于心轴172的固定和卷绳机构的防护。 卷绳机构左右对称设置。每个钢丝绳12的一端穿过并固定在卷绳轮174的小孔中，另一端多道缠绕在卷绳轮174的外侧凹槽上，然后穿过导向轮16、肩托14上的导向孔和锁绳器13的出绳通道，再穿过搬运工装11上的过绳孔，折回穿过肩托14上的导向孔和锁绳器13的回绳通道并固定到Y型背板171上。

参见图3，所述Y型背板171的下支部设有凹槽，所述凹槽内设有齿形面与下方的连接部件配合，用于背部的长度调节。

下面结合一种物资搬运外骨骼助力机器人某些具体的动作，通过工作原理说明本实用新型在物资搬运中助力的过程。

穿戴者通过肩带、腰带、腿部人机绑缚带与物资搬运外骨骼助力机器人连接在一起，形成人机闭环系统。穿戴者交替将手穿过搬运工装11，同时另一只手按压锁绳器13调整钢丝绳12的长度，调整完成后，穿戴者在弯腰俯身搬的过程中，储能机构将弯腰的拉力转化为对弹簧的压缩弹性势能，穿戴者使用搬运工装11挂接在重物上，随着穿戴者起身，储能部37释放弹性势能，给穿戴者腰部和臂部提供助力，同时重物的重力通过钢丝绳12传导至Y型背架17上，进而分散转移至穿戴者身上各处。穿戴者在物资转运过程中，重量通过钢丝绳12传递到穿戴者身上各处，大大减轻了手臂的负担。在多次重复该系列动作的过程中，物资搬运外骨骼助力机器人可以降低人体搬运时的体能消耗，保护骨骼肌肉免受损伤。

本实用新型主要具有以下技术特点：

柔性灵活，符合人机工程学的被动型绳索牵引式背架机构1与仿生式髋部储能机构设计，有效提高穿戴运动的舒适性，增加了对各关节与肌肉的保护和运动灵活性。

轻便助力，经过数字建模与仿真分析优化得到了高承载的运动相容性外骨骼框架结构，采用轻金属和非金属复合材料满足高动态承载性。

场景多样，满足不同任务要求，尤其适用于搬运作业的场景，具有较强的任务场景的适应性。

调整适配，模块化设计，穿脱快捷，隐形布局有多处尺寸适应性调节机构，免工具拆卸与维护，可根据穿戴者的身高体型定量化调整背架、腿部的长度。

包裹舒适，柔性无级调节绑缚系统，肩带设有绑缚调节机构，方便调节人机绑带接触位置，避免长期压迫固定位置导致的肢体酸麻和疲劳感。

收纳便捷，借用系统自带的绑带捆扎牢固，装入箱体中运输。

本实用新型可以用于仓储、物流、救援等场景，并且能在地形复杂的环境中行走自如，让使用者在搬运更大重量的同时仍然能够较为轻松的完成各种动作。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种外骨骼助力机器人的背架机构，其特征在于：所述背架机构包括左右设置的肩托和Y型背架，左右设置的肩托可拆卸地安装固定于所述Y型背架上端；所述Y型背架包括Y型背板和卷绳机构；所述Y型背板包括左右上支部、中心部和下支部；所述左右设置的肩托前端通过连接件的一端各连接一手部机构；所述卷绳机构位于所述Y型背板的中心部；所述连接件的另一端可伸缩的固定于所述卷绳机构。

2.根据权利要求1所述背架机构，其特征在于：所述外骨骼助力机器人从上到下包括背架机构、第一储能机构、腰部机构、第二储能机构和腿部机构。

3.根据权利要求1所述背架机构，其特征在于：所述Y型背板的下支部设有凹槽，所述凹槽内设有齿形面与下方的连接部件配合，用于背部的长度调节。

4.根据权利要求1所述背架机构，其特征在于：所述肩托包括锁绳器，所述锁绳器安装在所述肩托的前端凸起的螺纹孔中，用于控制所述连接件的收放。

5.根据权利要求1所述背架机构，其特征在于：所述左右设置的肩托插入所述Y型背板的左右上支部的前端口，通过螺钉固定于所述Y型背板前端的扁平孔中。

6.根据权利要求1所述背架机构，其特征在于：所述Y型背架还包括导向轮和导向轮转轴，所述导向轮用于对所述连接件进行导向，通过所述导向轮转轴安装在所述Y型背板的两个上支部上。

7.根据权利要求6所述背架机构，其特征在于：所述卷绳机构包括心轴、滚珠轴承、卷绳轮、卷簧和盒盖；所述心轴固定在所述Y型背板的中心，所述卷绳轮通过所述滚珠轴承安装在心轴上，用于所述连接件的缠绕收纳；所述卷簧安装于卷绳轮中，同时一端固定在心轴的狭缝中，另一端折弯后固定在所述卷绳轮的缺口上，用于驱动卷绳轮转动。

8.根据权利要求7所述背架机构，其特征在于：所述心轴对称固定在所述Y型背板中心的圆形凹槽。

9.根据权利要求7所述背架机构，其特征在于：所述盒盖用于心轴的固定和卷绳机构的防护。

10.根据权利要求7所述背架机构，其特征在于：所述卷绳机构左右对称设置；每个所述连接件的一端穿过并固定在所述卷绳轮的小孔中，另一端多道缠绕在所述卷绳轮的外侧凹槽上，然后穿过所述导向轮、所述肩托上的导向孔和锁绳器的出绳通道，再穿过所述手部机构上的过绳孔，折回穿过所述肩托上的导向孔和锁绳器的回绳通道并固定到所Y型背板上。

11.根据权利要求1-10任一所述背架机构，其特征在于：所述手部机构包括搬运工装和搬运手套，搬运箱体用搬运工装，搬运柔软不规则的物资用搬运手套。

12.根据权利要求11所述背架机构，其特征在于：所述搬运工装包括环形部和板状部，搬运人将手掌插入环形部，伸出环形部的手指从背面扣在工装的板状部。

13.根据权利要求12所述背架机构，其特征在于：所述板状部包括弯铲型和平铲型，搬运含有把手或有卡槽的箱体用弯铲型，搬运无把手或卡槽的箱体用平铲型。

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