[发明专利]一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人

权利要求书

1.一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，其特征在于：包括躯干(1)和手臂，躯干(1)两侧分别安装有一条手臂，躯干(1)内部安装有控制器和驱动器，通过控制器和驱动器控制手臂运动，实现搬抬托举；

手臂包括肩关节(2)、大臂连杆(3)、大臂(4)、肘关节(7)、小臂(8)和末端执行器(15)；肩关节(2)安装在躯干(1)上，旋转轴方向垂直于人体矢状面；肩关节(2)通过大臂连杆(3)和大臂(4)连接，大臂(4)和小臂(8)通过肘关节(7)连接，且肘关节(7)安装在大臂(4)输出端，旋转轴方向也垂直于人体矢状面；小臂(8)末端安装有末端执行器(15)；

肩关节和肘关节中均含有无框电机、谐波减速器和位置传感器，是高度集成的一体化关节，在驱动器的驱动信号控制下提供主动驱动力；同时位置传感器能够实时监测关节位置，并反馈给躯干中的控制器，用于位置控制；

大臂(4)内部设置有大臂联动机构(5)，实现肩关节(2)和肘关节(7)外展/内收自由度的联动；肩关节和肘关节外展/内收自由度的两轴线处均设计有带凹槽的轮毂，大臂联动机构(5)通过第一钢丝绳(20)从相对的两个方向分别缠绕在轮毂凹槽内，实现肩肘关节联动以及两个肘关节之间距离的自由调整；

大臂(4)上还设置有联动锁止机构(6)，所述联动锁止机构(6)安装于伸出大臂外壳的大臂联动机构(5)肩部转轴上，联动锁止机构(6)的开合通过锁止机构开关(12)实现；

联动锁止机构(6)包括圆柱齿轮(16)、两个啮合连杆(17)、滑动轴(18)、弹簧(19)和第二钢丝绳(21)；

圆柱齿轮(16)安装于大臂联动机构(5)肩部转轴上，两个啮合连杆(17)沿大臂矢状面对称，并通过销轴与大臂外壳上的安装孔连接；两个啮合连杆(17)一端与圆柱齿轮(16)啮合，另一端均穿过滑动轴(18)；大臂外壳上设置有凸台，滑动轴(18)与所述凸台之间安装有弹簧(19)，提供啮合连杆与齿轮啮合的回弹力；第二钢丝绳(21)一端穿过滑动轴(18)上的孔，另一端与锁止机构开关(12)固连；

锁止机构开关(12)被按下时，所述滑动轴(18)在第二钢丝绳(21)拉动下能够沿大臂外壳的滑槽运动，实现圆柱齿轮(16)和两个啮合连杆(17)之间的离合；

末端执行器(15)包括控制手柄(10)和夹持装置转接板(11)；

控制手柄(10)包括抓握手柄(101)、腕关节连接件(102)、锁止机构开关(12)、腕关节机构(103)和交互力传感器(104)；抓握手柄(101)与腕关节连接件(102)连接，腕关节连接件(102)上安装有腕关节机构(103)，腕关节机构(103)通过交互力传感器(104)与末端执行器(15)外壳连接；抓握手柄(101)通过腕关节机构实现人体腕部旋转运动的随动，交互力传感器(104)检测人体和外骨骼机器人之间的三维交互力；

夹持装置转接板(11)与末端执行器外壳连接，夹持装置转接板(11)正面和侧面加工有转接接口，进行作业前，针对物体的尺寸和形状，在夹持装置转接板(11)处安装扩展夹持机构。

2.根据权利要求1所述的一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，其特征在于：躯干(1)包括背部绑缚结构(13)和护腰(14)，外骨骼机器人通过背部绑缚结构(13)和护腰(14)穿戴于人体背部和腰部。

3.根据权利要求2所述的一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，其特征在于：背部绑缚结构(13)和护腰(14)采用内部填充人体工程学记忆海绵的编织材料制成，并通过低刚度复合材料护板支撑；

背部绑缚结构(13)和护腰(14)上的肩带和护腰长度可调节，以适应不同人体尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，其特征在于：小臂(8)上设置有小臂调整机构(9)，用于调节小臂(8)的长短。

5.根据权利要求1所述的一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，其特征在于：上肢搬抬托举助力外骨骼机器人的搬抬托举实现过程如下：

(1)进行作业前，针对物体的尺寸和形状，在夹持装置转接板(11)处安装好扩展夹持机构；

(2)人体穿戴好上肢搬抬托举助力外骨骼机器人，双手握紧抓握手柄(101)；

(3)按下锁止机构开关(12)，打开位于大臂(4)处的联动锁止机构(6)，根据物体的尺寸调整双臂夹持装置间距；调整到位后，松开锁止机构开关(12)，双臂操作抓握手柄(101)夹紧物体；

(4)按下电源开关，穿戴者开始进行搬抬作业，躯干(1)中的控制器根据穿戴者动作和交互力传感器(104)感知的负载变化产生控制信号，驱动器在该控制信号作用下产生驱动信号，肩关节(2)依据该驱动信号输出力矩，驱动大臂连杆(3)运动，带动大臂(4)和肘关节(7)依据穿戴者姿态运动；肘关节(7)也依据该驱动信号输出力矩驱动小臂(8)和末端执行器(15)，实现对负重的托举搬运。