[發(fā)明專利]一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910219158.0
• 申請日: 2019-03-21
• 公開（公告）號: CN110039518B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設計）人: 劉旭亮;曾博;朱曉榮;何程函;于志遠;劉宏偉
• 申請（專利權）人: 北京精密機電控制設備研究所
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張輝

1.一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，其特征在于：包括軀干(1)和手臂，軀干(1)兩側分別安裝有一條手臂，軀干(1)內部安裝有控制器和驅動器，通過控制器和驅動器控制手臂運動，實現搬抬托舉；

手臂包括肩關節(jié)(2)、大臂連桿(3)、大臂(4)、肘關節(jié)(7)、小臂(8)和末端執(zhí)行器(15)；肩關節(jié)(2)安裝在軀干(1)上，旋轉軸方向垂直于人體矢狀面；肩關節(jié)(2)通過大臂連桿(3)和大臂(4)連接，大臂(4)和小臂(8)通過肘關節(jié)(7)連接，且肘關節(jié)(7)安裝在大臂(4)輸出端，旋轉軸方向也垂直于人體矢狀面；小臂(8)末端安裝有末端執(zhí)行器(15)；

肩關節(jié)和肘關節(jié)中均含有無框電機、諧波減速器和位置傳感器，是高度集成的一體化關節(jié)，在驅動器的驅動信號控制下提供主動驅動力；同時位置傳感器能夠實時監(jiān)測關節(jié)位置，并反饋給軀干中的控制器，用于位置控制；

大臂(4)內部設置有大臂聯動機構(5)，實現肩關節(jié)(2)和肘關節(jié)(7)外展/內收自由度的聯動；肩關節(jié)和肘關節(jié)外展/內收自由度的兩軸線處均設計有帶凹槽的輪轂，大臂聯動機構(5)通過第一鋼絲繩(20)從相對的兩個方向分別纏繞在輪轂凹槽內，實現肩肘關節(jié)聯動以及兩個肘關節(jié)之間距離的自由調整；

大臂(4)上還設置有聯動鎖止機構(6)，所述聯動鎖止機構(6)安裝于伸出大臂外殼的大臂聯動機構(5)肩部轉軸上，聯動鎖止機構(6)的開合通過鎖止機構開關(12)實現；

聯動鎖止機構(6)包括圓柱齒輪(16)、兩個嚙合連桿(17)、滑動軸(18)、彈簧(19)和第二鋼絲繩(21)；

圓柱齒輪(16)安裝于大臂聯動機構(5)肩部轉軸上，兩個嚙合連桿(17)沿大臂矢狀面對稱，并通過銷軸與大臂外殼上的安裝孔連接；兩個嚙合連桿(17)一端與圓柱齒輪(16)嚙合，另一端均穿過滑動軸(18)；大臂外殼上設置有凸臺，滑動軸(18)與所述凸臺之間安裝有彈簧(19)，提供嚙合連桿與齒輪嚙合的回彈力；第二鋼絲繩(21)一端穿過滑動軸(18)上的孔，另一端與鎖止機構開關(12)固連；

鎖止機構開關(12)被按下時，所述滑動軸(18)在第二鋼絲繩(21)拉動下能夠沿大臂外殼的滑槽運動，實現圓柱齒輪(16)和兩個嚙合連桿(17)之間的離合；

末端執(zhí)行器(15)包括控制手柄(10)和夾持裝置轉接板(11)；

控制手柄(10)包括抓握手柄(101)、腕關節(jié)連接件(102)、鎖止機構開關(12)、腕關節(jié)機構(103)和交互力傳感器(104)；抓握手柄(101)與腕關節(jié)連接件(102)連接，腕關節(jié)連接件(102)上安裝有腕關節(jié)機構(103)，腕關節(jié)機構(103)通過交互力傳感器(104)與末端執(zhí)行器(15)外殼連接；抓握手柄(101)通過腕關節(jié)機構實現人體腕部旋轉運動的隨動，交互力傳感器(104)檢測人體和外骨骼機器人之間的三維交互力；

夾持裝置轉接板(11)與末端執(zhí)行器外殼連接，夾持裝置轉接板(11)正面和側面加工有轉接接口，進行作業(yè)前，針對物體的尺寸和形狀，在夾持裝置轉接板(11)處安裝擴展夾持機構。

2.根據權利要求1所述的一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，其特征在于：軀干(1)包括背部綁縛結構(13)和護腰(14)，外骨骼機器人通過背部綁縛結構(13)和護腰(14)穿戴于人體背部和腰部。

3.根據權利要求2所述的一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，其特征在于：背部綁縛結構(13)和護腰(14)采用內部填充人體工程學記憶海綿的編織材料制成，并通過低剛度復合材料護板支撐；

背部綁縛結構(13)和護腰(14)上的肩帶和護腰長度可調節(jié)，以適應不同人體尺寸。

4.根據權利要求1所述的一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，其特征在于：小臂(8)上設置有小臂調整機構(9)，用于調節(jié)小臂(8)的長短。

5.根據權利要求1所述的一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，其特征在于：上肢搬抬托舉助力外骨骼機器人的搬抬托舉實現過程如下：

(1)進行作業(yè)前，針對物體的尺寸和形狀，在夾持裝置轉接板(11)處安裝好擴展夾持機構；

(2)人體穿戴好上肢搬抬托舉助力外骨骼機器人，雙手握緊抓握手柄(101)；

(3)按下鎖止機構開關(12)，打開位于大臂(4)處的聯動鎖止機構(6)，根據物體的尺寸調整雙臂夾持裝置間距；調整到位后，松開鎖止機構開關(12)，雙臂操作抓握手柄(101)夾緊物體；

(4)按下電源開關，穿戴者開始進行搬抬作業(yè)，軀干(1)中的控制器根據穿戴者動作和交互力傳感器(104)感知的負載變化產生控制信號，驅動器在該控制信號作用下產生驅動信號，肩關節(jié)(2)依據該驅動信號輸出力矩，驅動大臂連桿(3)運動，帶動大臂(4)和肘關節(jié)(7)依據穿戴者姿態(tài)運動；肘關節(jié)(7)也依據該驅動信號輸出力矩驅動小臂(8)和末端執(zhí)行器(15)，實現對負重的托舉搬運。