[發明專利]一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人

有效

• 申請號: 201910219158.0
• 申請日: 2019-03-21
• 公開（公告）號: CN110039518B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（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

一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，包括軀干和手臂，軀干兩側分別安裝有一條手臂，軀干內部安裝有控制器、驅動器和電池，通過控制器和驅動器控制手臂運動，實現搬抬托舉。本發明外骨骼機器人采用電機驅動，傳動精度高，可控性好，適用于多關節多自由度的協調控制，在完成搬抬功能的同時，實現系統輕量化、低能耗及穿戴靈活性。

技術領域

本發明涉及一種上肢搬抬托舉機電助力外骨骼機器人，屬于輔助搬抬托舉作業等需要增強人體上肢機能的領域。

背景技術

上肢搬抬托舉機電助力外骨骼機器人是一種力量增強型外骨骼動力系統，由人體穿戴并控制機器人進行搬抬、托舉，完成裝填和短距離運輸炮彈、彈藥箱、貨物補給等任務。外骨骼由驅動組件、傳動機構、綁縛結構、感知網絡和控制器等組成，通過主動關節的外部動力，增強人體的上肢力量。

上肢搬抬托舉型助力外骨骼應用領域主要包括軍用、消防、物流和工廠等，尤其是工作在戶外、山區或廠房等環境，對自身重量、搬運重量、搬運種類和工作時間有著嚴苛要求的場景。

現有上肢外骨骼研究按照用途可分為助力型和康復型兩大類。康復型外骨骼主要用于患者上肢康復訓練，屬于醫療設備，沒有隨身穿戴運動的要求，因此，對本體質量和能耗要求較低。現有上肢外骨骼均屬于此類。而助力型外骨骼用于幫助穿戴者增強上肢力量，需要人體長時間穿戴，同時進行高強度重復性工作，使用環境復雜，因此，要求外骨骼自身質量輕，穿脫方便，助力效率高。

現有用于助力的上肢外骨骼驅動源類型一般為液壓助力、氣動助力。液壓助力相對于氣壓助力來說具有更高的功率/質量比，且隨著質量增加而提高。但是，液壓油易泄露以及污染，液壓元件制造成本相對較高，且液壓傳動效率低，傳動精度不高，噪聲也很大，適用于質量較大、高負載的外骨骼，穿戴體驗較差。氣動助力無污染，運行阻力小，安全性高，不受高溫干擾；但氣體密度變動大，傳動平穩性差，精度較低。與液壓助力和氣動助力相比，機電助力采用電機驅動，傳動精度高，可控性好，更加適用于多關節多自由度的協調控制。因此，對尺寸、重量、輸出力矩、轉速和控制平穩性有嚴格要求的上肢助力外骨骼來說，急需輕量化機電助力解決方案。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種上肢搬抬托舉機電助力外骨骼機器人，在完成搬抬功能的同時，實現系統輕量化、低能耗及穿戴靈活性。

本發明的技術解決方案是：

一種上肢機電助力搬抬托舉外骨骼機器人，包括軀干和手臂，軀干兩側分別安裝有一條手臂，軀干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。

軀干包括背部綁縛結構和護腰，外骨骼機器人通過背部綁縛結構和護腰穿戴于人體背部和腰部。

背部綁縛結構和護腰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；

背部綁縛結構和護腰上的肩帶和護腰長度可調節，以適應不同人體尺寸。

手臂包括肩關節、大臂連桿、大臂、肘關節、小臂和末端執行器；肩關節安裝在軀干上，旋轉軸方向垂直于人體矢狀面；肩關節通過大臂連桿和大臂連接，大臂和小臂通過肘關節連接，且肘關節安裝在大臂輸出端，旋轉軸方向也垂直于人體矢狀面；小臂末端安裝有末端執行器。

小臂上設置有小臂調整機構，用于調節小臂的長短。

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

大臂上還設置有聯動鎖止機構，所述聯動鎖止機構安裝于伸出大臂外殼的大臂聯動機構肩部轉軸上，聯動鎖止機構的開合通過鎖止機構開關實現。