[發明專利]一種肩關節助力無源外骨骼機器人

在審

• 申請號: 202011378683.6
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112372625A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 曾博;趙哲;劉旭亮;朱曉榮;周世通;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: 陳鵬

本發明提供了一種肩關節助力無源外骨骼機器人，包括背板、腰板、背桿組件、臂組件和助力關節組件，所述背板和腰板為穿戴者的背部和腰部提供符合人體工程學的支撐；所述背桿組件用于連接背板和腰板，與背板和腰板共同組成基于人體工程學的仿生背脊機構；所述臂組件固定在背板后部，包括至少一個單臂組件，用于支撐助力關節組件，并將手臂負載有效傳遞到背部；所述助力關節組件與臂組件末端抱緊連接，產生用于重力補償的輔助轉矩以支撐穿戴者手臂負載。本發明外骨骼機器人通過對助力關節組件的設計，具備了超大輔助轉矩的柔順輸出能力，可以在任意工作角度輸出適當的輔助轉矩，不產生突變或沖擊，且輸出轉矩相比現有同類型外骨骼有數倍的提高。

技術領域

本發明涉及一種肩關節助力外骨骼機器人，特別涉及一種肩關節助力無源外骨骼機器人，該設備通過在肩關節處提供輔助轉矩以增強穿戴者手臂力量和耐性，緩解穿戴者長時間工作造成重復性勞損，對于執行工作平面高于視線水平面的重復任務非常有效，可應用于軍事、工業、救援、醫療、商業等領域。

背景技術

隨著社會發展，全球老齡化、醫療康復以及搶險救災等問題愈發突出，外骨骼機器人作為一種能夠輔助并增強人體機能的穿戴式機器人，其可以將人體的智力與機器人的體力進行完美結合，實現單純機器人完成不了的復雜運動，具有非常廣泛的應用前景。

面向托舉搬運的肩關節外骨骼是外骨骼機器人研究的重要分支，主要用于輔助人體負重行走、托舉重物以及搬運物資等方面。目前外骨骼按其能量來源可分為：電機驅動、氣動驅動、液壓驅動以及被動儲能。

國外肩關節助力的單關節外骨骼較少，涉及肩關節的外骨骼主要有：雷神公司的XOS-2全身式外骨骼，其肩關節包括水平面、矢狀面、額狀面內的3個旋轉自由度，以液壓為驅動力，可提供很高的瞬時加速度。日本筑波大學的HAL-5B全身式外骨骼，其上肢部分設計了肩關節主動自由度，利用直流伺服電機驅動。日本神奈川工科大學的PAS全身式外骨骼，在肩關節的矢狀面轉動方向布置了主動驅動關節，后背布置有氣動泵，驅動方式為氣動驅動。賓夕法尼亞大學的RUPERT上肢外骨骼，驅動方式為氣動肌肉驅動，在肩關節上布置了一個氣動肌肉，以克服重力方向的載荷。華盛頓大學的CADEN-7上肢外骨骼，驅動方式為以電機為主要輸出的鋼絲繩傳動驅動。

上述方案主要利用傳感器感知人體運動意圖，并通過控制程序驅動執行機構將力施加于穿戴者，均屬于主動有源外骨骼。現階段由于意圖感知、柔順控制等的技術瓶頸，經常會引起穿戴者的不適，同時由于其系統復雜，存在可靠性低、成本高、續航短、穿戴體驗差的缺點。為解決上述問題，被動無源的外骨骼慢慢成為主流方案之一。

國外的無源外骨骼主要有：加拿大的Zero G上肢外骨骼機器人，其利用彈簧平衡原理實現了運動中彈性勢能到重力勢能的轉化。德國的Robot-Mate被動上肢外骨骼機器人，其將人體小臂捆綁在結構末端，由人來實現重物的搬運托舉功能。荷蘭的基于重力平衡機構的上肢外骨骼，將肩關節的運動角度通過連桿結構的方式進行機械關聯，將彈簧設置在固定基座上，通過相關聯的連桿將彈性勢能與大臂和小臂的重力勢能相互轉化。卡內基梅隆大學的重力平衡機械臂，沒有利用任何儲能裝置，而是在基座上通過摩擦輪連接了具有重心調整功能的重塊，在上臂運動的過程中，可以保證整體的重心不會運動，從而實現平衡效果。

現有肩關節助力無源外骨骼主要通過機械裝置在手臂運動過程為其提供輔助轉矩，但由于尺寸、重量的限制，其輸出轉矩都在10Nm以內，僅能針對已知輕小負載，提供一定比例的助力，無法滿足大轉矩助力的需求。根據需求分析，肩關節助力外骨骼需要較大的驅動力來保證驅動關節快速輸出大轉矩，需要較小的質量和體積功率比來實現外骨骼在室外等復雜環境中獨立工作的能力。因此，對尺寸、重量、輸出轉矩、穿戴舒適性有嚴格要求的肩關節助力外骨骼來說，大轉矩助力的問題同樣亟待解決。

發明內容

本發明目的在于提供一種可輸出大輔助轉矩的肩關節助力無源外骨骼機器人，為增強穿戴者手臂力量和耐性提供結構簡單、運動靈活的解決方案，能夠實現對較大重量負載的長時間托舉搬運。