CN215920446U - 一种外骨骼助力机器人的储能机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种外骨骼助力机器人的储能机构，所述储能机构包括腰环连接件、外摆件和储能部，所述腰环连接件可滑动连接于上方的腰部机构，所述外摆件上端转动连接所述腰环连接件，下端转动连接所述储能部，用于提供人体侧向的活动自由度；所述储能部包括拉力转换件和压簧储能件，所述拉力转换件将向上的拉力转化为对所述压簧储能件向下的压力。

Description

一种外骨骼助力机器人的储能机构

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储能机构。

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物资搬运外骨骼助力机器人，可实现在物资搬运过程中对人体的上肢和下肢提供助力，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储能机构，所述储能机构包括腰环连接件、外摆件和储能部，所述腰环连接件可滑动连接于上方的腰部机构，所述外摆件上端转动连接所述腰环连接件，下端转动连接所述储能部，用于提供人体侧向的活动自由度；所述储能部包括拉力转换件和压簧储能件，所述拉力转换件将向上的拉力转化为对所述压簧储能件向下的压力。

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、腰部机构、储能机构和腿部机构。

在一实施例中，所述腰环连接件安装在腰部机构的滑动槽上，腰部机构上设有多个定位孔，使用旋钮配合定位孔进行固定所述腰环连接件，调整定位孔的位置，可以调整所述腰环连接件在腰部机构上的位置。

在一实施例中，所述外摆件通过销轴安装在所述腰环连接件上，用于提供人体侧向的活动自由度。

在一实施例中，所述外摆件下端转动连接转接杆，所述转接杆用于转动连接所述储能部，并使用螺套压紧固定，用于提供人体侧向的活动自由度。

在一实施例中，所述拉力转换件包括固定连接在一起的拉杆和凸轮，所述凸轮围绕转轴转动，所述拉杆在拉力下向上运动，所述凸轮在所述拉杆带动下转动进而向下压缩所述压簧储能件。

在一实施例中，所述储能部还包括P型的壳体和壳体盖板，用于固定和收纳所述拉力转换件和所述压簧储能件；P型的壳体的上部设有转轴的安装孔，所述凸轮通过滚针轴承套在转轴上；所述拉杆从P型的壳体顶部开口伸出与转接杆连接。

在一实施例中，所述压簧储能件收纳于P型的壳体的下部，包括凸轮随动器、滚子转轴、转轴座、弹簧导向座、弹簧和弹簧座，所述凸轮随动器置于凸轮下表面，安装在所述转轴座中，可绕所述滚子转轴转动；所述弹簧导向座插接在所述转轴座的下端，向下套接所述弹簧；所述弹簧安装在所述弹簧座上。

在一实施例中，所述弹簧座采用变径设计，用于保护所述弹簧始终处于工作长度内。

在一实施例中，所述储能部中安装腿部机构的连接杆，可以通过调整安装长度进行长度调节。

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。

本实用新型设计的半包裹式腿部机构采用了半包裹式结构，利于结合绑缚带使机械腿与人体腿部更好的贴合，增加穿戴的舒适性，同时设计了身高调整机构，可适应不同人体穿戴。

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储能机构示意图。

图3为本实用新型一种外骨骼助力机器人的储能部爆炸示意图。

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；31腰环连接件；32旋钮；33销轴；34外摆件；35转接杆；36螺套；37储能部；371转轴；372壳体；373第一隔套；374键；375拉杆；376凸轮；377凸轮随动器；378滚子转轴；379转轴座；3710弹簧导向座；3711弹簧；3712弹簧座；3713滚针轴承；3714第二隔套；3715壳体盖板；41肢杆；42挡腿板。

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。

一种物资搬运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、腰部机构2、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；所述腰部机构2通过所述储能机构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将拉力传导到所述储能机构3；随着穿戴者起身，储能机构释放弹性势能，给穿戴者提供助力；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，所述储能机构3包括腰环连接件31、旋钮32、销轴33、外摆件34、转接杆35、螺套36和储能部37。所述腿部机构4包括腿部肢杆41和挡腿板42。腰环连接件31安装在腰部机构2的滑动槽上，腰部机构2上设有多个定位孔，使用旋钮32配合定位孔进行固定腰环连接件31。调整定位孔的位置，可以调整腰环连接件31在腰部机构2上的位置。外摆件34上端转动连接腰环连接件31上，采用球铰、或销轴连接，鉴于安装方便性和安装空间，优先采用销轴33实现连接外摆件34上端和腰环连接件31的连接；外摆件34下端连接转接杆35，采用球铰、或销轴连接，鉴于安装方便性和安装空间，优先采用销轴33安装，转接杆35用于转动连接储能部37，并使用螺套36压紧固定，从而实现连接外摆件34下端转动连接所述储能部37。通过外摆件34上端与腰环连接件31的转动连接和外摆件34下端与转接杆35的转动连接，提供人体侧向的活动自由度。

所述腿部机构包括肢杆41和挡腿板42，所述肢杆41上端连接所述储能机构，安装在储能部37中，可以通过调整安装长度进行长度调节。下端连接所述挡腿板42，挡腿板42安装在肢杆41上，造型呈半包裹状，可有效分散压力，满足人体肢体的体表随形需求，体现穿戴的贴合性和舒适性。

参见图3，所述储能部37包括拉力转换件和压簧储能件，所述拉力转换件将向上的拉力转化为对所述压簧储能件向下的压力。所述拉力转换件包括固定连接在一起的拉杆375和凸轮376，所述凸轮376围绕转轴371转动，所述拉杆375在拉力下向上运动，所述凸轮376在所述拉杆375带动下转动进而向下压缩所述压簧储能件。所述储能部37还包括P型的壳体372和壳体盖板3715，用于固定和收纳拉力转换件和压簧储能件。P型的壳体372的上部设有转轴371的安装孔，凸轮376通过滚针轴承3713套在转轴371上。拉杆375从P型的壳体372顶部开口伸出与转接杆35连接。

压簧储能件收纳于P型的壳体372的下部，包括凸轮随动器377、滚子转轴378、转轴座379、弹簧导向座3710、弹簧3711、弹簧座3712。凸轮随动器377置于凸轮376下表面，安装在转轴座379中，可绕滚子转轴378转动。弹簧导向座3710插接在转轴座379的下端，向下套接弹簧3711。弹簧3711安装在弹簧座3712上。凸轮376绕转轴371转动，压迫凸轮随动器377向下运动，从而弹簧导向座3710向下压缩弹簧3711储能，通过弹簧3711周期性的储能和释放能量，一方面辅助大腿肌肉和髋关节完成物资搬运的起身动作，完成部分大腿肌肉和髋关节的功能，另一方面拉力通过背架机构1传导到手部机构，辅助手臂完成搬起物资的动作，从而减小了人体肌肉收缩所使用的能量，降低搬运时的能量损耗。

弹簧座3712采用变径设计，用于保护弹簧3711始终处于工作长度内。第一隔套373、第二隔套3714用于调整凸轮376与P型的壳体372、壳体盖板3715之间的间隙。

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，同时另一只手按压锁绳器调整绳索的长度，调整完成后，穿戴者在弯腰俯身搬的过程中，安装在髋部的拉杆375带动凸轮376绕转轴371转动，进而使弹簧导向座3710压缩弹簧3711储能，穿戴者使用搬运工装挂接在重物上，随着穿戴者起身，储能部37释放弹性势能，给穿戴者提供助力，同时重物的重力通过绳索传导至背架机构1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，重量通过绳索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 (10)

1.一种外骨骼助力机器人的储能机构，其特征在于：所述储能机构包括腰环连接件、外摆件和储能部，所述腰环连接件可滑动连接于上方的腰部机构，所述外摆件上端转动连接所述腰环连接件，下端转动连接所述储能部，用于提供人体侧向的活动自由度；所述储能部包括拉力转换件和压簧储能件，所述拉力转换件将向上的拉力转化为对所述压簧储能件向下的压力。

2.根据权利要求1所述储能机构，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、腰部机构、储能机构和腿部机构。

3.根据权利要求1所述储能机构，其特征在于：所述腰环连接件安装在腰部机构的滑动槽上，腰部机构上设有多个定位孔，使用旋钮配合定位孔进行固定所述腰环连接件，调整定位孔的位置，可以调整所述腰环连接件在腰部机构上的位置。

4.根据权利要求1所述储能机构，其特征在于：所述外摆件转动安装在所述腰环连接件上，用于提供人体侧向的活动自由度。

5.根据权利要求1所述储能机构，其特征在于：所述外摆件下端转动连接转接杆，所述转接杆用于转动连接所述储能部，并使用螺套压紧固定，用于提供人体侧向的活动自由度。

6.根据权利要求1所述储能机构，其特征在于：所述拉力转换件包括固定连接在一起的拉杆和凸轮，所述凸轮围绕转轴转动，所述拉杆在拉力下向上运动，所述凸轮在所述拉杆带动下转动进而向下压缩所述压簧储能件。

7.根据权利要求6所述储能机构，其特征在于：所述储能部还包括P型的壳体和壳体盖板，用于固定和收纳所述拉力转换件和所述压簧储能件；P型的壳体的上部设有转轴的安装孔，所述凸轮通过滚针轴承套在转轴上；所述拉杆从P型的壳体顶部开口伸出与转接杆连接。

8.根据权利要求7所述储能机构，其特征在于：所述压簧储能件收纳于P型的壳体的下部，包括凸轮随动器、滚子转轴、转轴座、弹簧导向座、弹簧和弹簧座，所述凸轮随动器置于凸轮下表面，安装在所述转轴座中，可绕所述滚子转轴转动；所述弹簧导向座插接在所述转轴座的下端，向下套接所述弹簧；所述弹簧安装在所述弹簧座上。

9.根据权利要求8所述储能机构，其特征在于：所述弹簧座采用变径设计，用于保护所述弹簧始终处于工作长度内。

10.根据权利要求1所述储能机构，其特征在于：所述储能部中安装腿部机构的连接杆，可以通过调整安装长度进行长度调节。

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