CN111360790A - 一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，它涉及一种外骨骼，它包括背部承载装置、两个肩部运动机构和两个大臂助力机构；背部承载装置的两侧分别布置有一个肩部机构和一个大臂助力机构；每个所述大臂助力机构包括大臂捆绑架、弹性伸缩件和肩部连接件；弹性伸缩件的一端转动安装在大臂捆绑架上，另一端转动安装在肩部连接件上，肩部连接件与肩部运动机构固接，大臂捆绑架可转动地设置于肩部连接件上；所述大臂捆绑架转动轴线与弹性伸缩件的两端转动轴线均平行；所述肩部运动机构与背部承载装置连接，用于随人体肩部被动运动。本发明结构紧凑，有助于减轻工作人员长期工作时肩颈部的压力负荷，降低穿戴者的疲劳损伤。

Description

一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼

技术领域

本发明涉及一种外骨骼，具体涉及一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼。

背景技术

外骨骼机器人是一种特殊的人机协作的机器人，其特殊之处在于使用时需要操作者将其穿戴在身上进行作业，从而实现机器人驱动能力与人体机能的协同工作。而助力型上肢外骨骼装置研究作为外骨骼机器人研究的一个重要分支，这种外骨骼系统面向身体健全的普通人，当进行诸如汽车底盘装拆的工作时，上肢需要长期保持托举姿势，并且随着上肢运动位置发生改变，重物对肩关节的负载力矩也会不断变化，这对肩、颈部产生较大的疲劳损伤，并且随着力臂的增加这种情况会愈加严重，容易发生工具脱手砸伤等安全问题，从而影响正常的作业任务及工作效率。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，该上肢外骨骼结构紧凑，有助于减轻工作人员长期工作时肩颈部的压力负荷，避免安全事故的发生。

一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼包括背部承载装置、两个肩部运动机构和两个大臂助力机构；背部承载装置的两侧分别布置有一个肩部机构和一个大臂助力机构；

每个所述大臂助力机构包括大臂捆绑架、弹性伸缩件和肩部连接件；弹性伸缩件的一端转动安装在大臂捆绑架上，另一端转动安装在肩部连接件上，肩部连接件与肩部运动机构固接，大臂捆绑架可转动地设置于肩部连接件上；所述大臂捆绑架转动轴线与弹性伸缩件的两端转动轴线均平行；所述肩部运动机构与背部承载装置连接，用于随人体肩部被动运动。

本发明相比现有技术的有益效果是：

当本发明上肢助力外骨骼处于一定状态时，大臂助力机构中的弹性伸缩件与大臂助力机构整体和上肢形成受力平衡，当被动外骨骼在被穿戴后的使用过程中，此时大臂受力，整体呈下压状态使得大臂助力机构与水平面所成角度减小，使弹性伸缩件受压收缩，提供一定量的反力，支撑工人们保持抬举动作。本发明通过合理的机械结构设计，在操作者进行搬运、托举等动作时对其上肢进行助力，在实现增强人体上肢出力能力的同时，能够将负载通过机械结构从承载能力较弱的肩颈部传递到承载能力更强的腰背部，从而减轻人体上肢长时间工作时的承载负担，降低穿戴者的疲劳损伤，避免安全事故的发生。本发明可以广泛应用于生产装配、货物搬运、救援抢险等场合，以及其它需要上肢进行长期负荷输出的场合。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为大臂捆绑架的外部结构图；

图3为大臂捆绑架的内部结构图；

图4为去掉内盖的大臂捆绑架的结构图；

图5为肩部运动机构和背部承载装置的结构图；

图6为连接装置的结构图；

图7为本发明的工作原理图；

图8为工作过程中负载变化和外骨骼助力的相互关系图。

具体实施方式

参见图1-图3所示，本实施方式的一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼包括背部承载装置3、两个肩部运动机构2和两个大臂助力机构1；

背部承载装置3的两侧分别布置有一个肩部机构2和一个大臂助力机构1；

每个所述大臂助力机构1包括大臂捆绑架1-1、弹性伸缩件1-2和肩部连接件1-3；弹性伸缩件1-2的一端转动安装在大臂捆绑架1-1上，另一端转动安装在肩部连接件1-3上，肩部连接件1-3与肩部运动机构2固接，大臂捆绑架1-1可转动地设置于肩部连接件1-3上；

所述大臂捆绑架1-1转动轴线与弹性伸缩件1-2的两端转动轴线均平行；

所述肩部运动机构2与背部承载装置3连接，用于随人体肩部被动运动。两套肩部机构2和两套大臂助力机构1分别镜像布置。

如此的连接方式，使得大臂捆绑架1-1、肩部连接件1-3及弹性伸缩件1-2构成一个单边长可变的三角形结构，以弹性伸缩件1-2的被动线性伸缩变形来为工人们提供一定量的上臂抬举力。

可选地，弹性伸缩件1-2为气弹簧。采用气弹簧被动驱动的方式，保证了外骨骼的结构紧凑性，同时也提高了便携性，以及后期维护的方便化，降低维护成本。本实施方式的外骨骼可减轻工人长期工作时肩颈部的压力负荷，并且在上肢运动过程中的每个姿态位置，负载载荷能够最大程度地被平衡抵消，从而提升工作效率并避免安全事故的发生。该外骨骼兼顾了便携性、轻量性及可穿戴性，减少不必要机构带来的压力负荷。

可选地，如图2-图4所示，所述大臂捆绑架1-1包括外盖1-11、内盖1-12和绑带件1-13；外盖1-11和内盖1-12扣合在一起，气弹簧和肩部连接件1-3布置扣合的空腔内，气弹簧的一端通过轴承与外盖1-11转动连接，另一端通过轴承与肩部连接件1-3转动连接，肩部连接件1-3通过轴承安装在外盖1-11和内盖1-12上，绑带件1-13安装在内盖1-12上。本实施例所述轴承为深沟球轴承。

作为一个示例：如图3所示，肩部连接件1-3为槽钢型或带槽的构件，工作时，气弹簧能置于肩部连接件1-3的槽。肩部连接件1-3的上部通过两处深沟球轴承进行径向固定和轴向固定，分别与外盖1-11、内盖1-12及肩部运动机构2进行连接；同时肩部连接件1-3的下部通过两处的深沟球轴承连接到气弹簧铰链上实现与气弹簧的联动；而气弹簧通过螺栓及轴承连接固定在外盖1-11上的轴承座上。

作为另一个示例：如图4所示，绑带件1-13通过捆绑连接件1-4固定到内盖1-12上，从而实现工人们工作时大臂处的受力通过绑带件1-13转化为助力结构中的负载。可选地，绑带件1-13为带有绑带的绑带板。绑带板上并排多处打孔与捆绑连接件1-4的连接，实现绑带件1-13的位置调节，通过在绑带板上并排多处打孔的方式来更好地满足不同工人的身体条件，以提高此装置的可穿戴性能。

如图5所示，每个所述肩部运动机构2为连杆机构，所述连杆机构包括前连杆2-1、中连杆2-2和后连杆2-3；前连杆2-1一端与肩部连接件1-3固接，另一端与所述中连杆2-2的一端转动连接；中连杆2-2的另一端与后连杆2-3的一端转动连接，后连杆2-3的另一端与背部承载装置3转动连接，所述前连杆2-1和中连杆2-2、中连杆2-2和后连杆2-3及后连杆2-3与背部承载装置3的转动轴线平行，在穿戴时竖向布置。三根连杆分别通过两个深沟球轴承连接在一起，构成连杆机构，以提高工人在使用装置时的自由性；同时后连杆2-3通过深沟球轴承与背部承载装置3连接在一起，从而实现连杆机构与大臂助力机构1及背部承载装置3的整体联动，保证使用灵活性。

如图5所示，所述背部承载装置3包括前背板3-1、后背板3-2和胯部固定件3-3；

前背板3-1和后背板3-2连接，用于被穿戴于人体后背；胯部固定件3-3固定在后背板3-2上，用于穿戴于人体腰背部；后连杆2-3与后背板3-2连接。前背板3-1通过螺栓连接与后背板3-2固连；作为一个示例：前背板3-1为镂空板，中间掏空的形状以减轻装置的总体重量，提高便携性以及使用时的低负荷；而前背板3-1外部形状设计贴合人体背部形状，较大程度上保证工人们工作时手部及肩部的活动范围；同时在其上安装绑带3-11，方便穿戴并将承载量传导至人体的肩部，如图5所示。可选地，背部承载装置3的材质为碳纤维。背部承载装置3的整体或各个部件为碳纤维。采用高强度碳纤维板进行制作，在保证足够强度的前提下，满足了使用轻量化的要求，计算估计整个背部承载装置3总重不超过2kg。轻量化的设计可满足工作时的较高的灵活性和较高的助力能量密度，并且具有较好的人机协调性。

如图6所示，作为一个示例：背部承载装置3通过连接装置与肩部运动机构2连接，每套所述连接装置包括每套所述连接装置包括前卡件4-1、后卡件4-2、轴4-3和后背连接板4-4；前卡件4-1固定在后背连接板4-4上，后背连接板4-4固定在后背板3-2上，轴4-3被连接在一起的前卡件4-1和后卡件4-2固定，后连杆2-3通过轴承安装在轴4-3的上端。前卡件4-1与后卡件4-2用螺栓连接固连从而使得轴4-3固定在其中，实现后连杆2-3与连接装置的固定连接；前卡件4-1通过螺栓连接可固定在后背连接板4-4上，从而实现肩部运动机构2与背部承载装置3的整体连接，完成工作时承载向肩背部的转移。同时，如图5和图6所示，后背连接板4-4上设计成多卡孔的结构，后背板3-2通过前背板3-1及后背连接板4-4上的螺栓固连被卡紧，这样设计提供了更大程度的尺寸适配性，通过这样后背板3-2和后背连接板4-4可以连续化的上下调节，保证穿戴的舒适性。可根据使用要求实现一定量的粗调节，提高装置在使用时的舒适性。

如图5所示，胯部连接件3-3固连到后背板3-2上。可选地，所述胯部固定件3-3为带有网孔的U形槽板，该槽板上装有绑带。整体设计贴合人体腰背部，并在上面加装绑带，调节穿戴时的松紧程度，同时在其上进行网状孔眼设计，较大程度上减轻装置的总体重量。背部承载装置3整体采用这样的分离式设计，将其分为前背板3-1、后背板3-2和胯部固定件3-3，提高了使用的时的便携性，同时也方便化后期的更换调节，减小维护费用。

工作原理

当外骨骼在如图3状态时，大臂助力机构1中的气弹簧与大臂助力机构1整体和上肢形成受力平衡。当外骨骼在被穿戴后的使用过程中，此时大臂受力，整体呈下压状态使得大臂助力机构1与水平面所成角度减小，使气弹簧受压收缩，提供一定量的反力，支撑工人们保持抬举动作。

如图7所示，这个过程可以等效为单边长改变的三角形问题：外盖1-11与气弹簧、肩部连接件1-3固连的两点之间距离固定，可等效为长度AB；肩部连接件1-3长度不变，可等效为边长BC，同时肩部连接件1-3通过图1和图3的结构保持与水平面垂直；气弹簧长度变化，其可等效为边长AC。初始时α＝90°，α表示AB(外盖1-11上的两个轴承连线)与水平方向夹角；

当受压时α变小，使得AC变短，气弹簧受压产生如图7中的受力情况：

计算可得：

AC·h＝AB·BC·cosα：

T_exo＝F_gas·h＝F_gas·AB·BC·cosα/AC，T_load＝F_load·AB·cosα；

可得：F_gas＝250N，F_load＝5kgf，AB＝164mm，BC＝38mm

其中，T_exo表示外骨骼的输出力矩，F_gas表示气弹簧的力，F_load表示运动过程中负载的力，T_load表示在人工作时的负载力矩；

如图8所示曲线图。图中，左侧纵坐标表示力矩，右侧纵坐标表示平衡误差，横坐标表示工作角度α，其中，左侧力矩数值对应曲线分别是：第一条双点划线曲线表示外骨骼输出力矩-工作时负载力矩的差值(用ΔT表示)；第二条单点划线曲线表示外骨骼输出力矩-工作时负载力矩的差值，与工作时负载力矩的比值，即为误差比例(用ΔT/T_load表示)；第三条实线曲线表示外骨骼的输出力矩(用T_exo表示)；第四条虚线曲线表示人工作时的负载力矩(用T_load表示)；此时：经过结构参数优化，在90°至0°的助力区间内，外骨骼可以完全平衡负载端载荷产生的力矩，并且误差控制在-4～+5％之间，实现了助力区域内各个工作位置处的负载自平衡，说明外骨骼能够完全平衡各个工作位置处人所需要的负载助力，相当于人不出力。

其中：α设计的可运动范围是可从90°至-90°，人体助力工作区域为90°至0°，当α达到90°或-90°，采用肩部连接件1-3槽内边缘对气弹簧进行限位，以起到保护作用。同时肩部运动机构2的使用保证了工人们工作时水平面最佳灵活性，保证运动范围内完全自由。而气弹簧被压缩所产生的反作用力通过连杆机构传导至背部承载装置3，转而由承载能力更强的腰背部来负担载荷，实现负荷转移，以减小肩颈部负载量。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：它包括背部承载装置(3)、两个肩部运动机构(2)和两个大臂助力机构(1)；

背部承载装置(3)的两侧分别布置有一个肩部机构(2)和一个大臂助力机构(1)；

每个所述大臂助力机构(1)包括大臂捆绑架(1-1)、弹性伸缩件(1-2)和肩部连接件(1-3)；弹性伸缩件(1-2)的一端转动安装在大臂捆绑架(1-1)上，另一端转动安装在肩部连接件(1-3)上，肩部连接件(1-3)与肩部运动机构(2)固接，大臂捆绑架(1-1)可转动地设置于肩部连接件(1-3)上；

所述大臂捆绑架(1-1)转动轴线与弹性伸缩件(1-2)的两端转动轴线均平行；

所述肩部运动机构(2)与背部承载装置(3)连接，用于随人体肩部被动运动。

2.根据权利要求1所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述弹性伸缩件(1-2)为气弹簧。

3.根据权利要求2所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述大臂捆绑架(1-1)包括外盖(1-11)、内盖(1-12)和绑带件(1-13)；

外盖(1-11)和内盖(1-12)扣合在一起，气弹簧和肩部连接件(1-3)布置扣合的空腔内，气弹簧的一端通过轴承与外盖(1-11)转动连接，另一端通过轴承与肩部连接件(1-3)转动连接，肩部连接件(1-3)通过轴承安装在外盖(1-11)和内盖(1-12)上，绑带件(1-13)安装在内盖(1-12)上。

4.根据权利要求3所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：每个所述肩部运动机构(2)为连杆机构，所述连杆机构包括前连杆(2-1)、中连杆(2-2)和后连杆(2-3)；

前连杆(2-1)一端与肩部连接件(1-3)固接，另一端与所述中连杆(2-2)的一端转动连接；

中连杆(2-2)的另一端与后连杆(2-3)的一端转动连接，后连杆(2-3)的另一端与背部承载装置(3)转动连接，所述前连杆(2-1)和中连杆(2-2)、中连杆(2-2)和后连杆(2-3)及后连杆(2-3)与背部承载装置(3)的转动轴线平行，在穿戴时竖向布置。

5.根据权利要求3或4所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述背部承载装置(3)包括前背板(3-1)、后背板(3-2)和胯部固定件(3-3)；

前背板(3-1)和后背板(3-2)连接，用于被穿戴于人体后背；

胯部固定件(3-3)固定在后背板(3-2)上，用于穿戴于人体腰背部；

后连杆(2-3)与后背板(3-2)连接。

6.根据权利要求5所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：还包括两套连接装置，每套所述连接装置包括前卡件(4-1)、后卡件(4-2)、轴(4-3)和后背连接板(4-4)；

前卡件(4-1)固定在后背连接板(4-4)上，后背连接板(4-4)固定在后背板(3-2)上，轴(4-3)被连接在一起的前卡件(4-1)和后卡件(4-2)固定，后连杆(2-3)通过轴承安装在轴(4-3)的上端。

7.根据权利要求6所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述背部承载装置(3)的材质为碳纤维。

8.根据权利要求7所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述前背板(3-1)为镂空板。

9.根据权利要求8所述一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述胯部固定件(3-3)为带有网孔的U形槽板，该槽板上装有绑带。

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