[发明专利]一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人

说明书

一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，包括躯干和手臂，躯干两侧分别安装有一条手臂，躯干内部安装有控制器、驱动器和电池，通过控制器和驱动器控制手臂运动，实现搬抬托举。本发明外骨骼机器人采用电机驱动，传动精度高，可控性好，适用于多关节多自由度的协调控制，在完成搬抬功能的同时，实现系统轻量化、低能耗及穿戴灵活性。

技术领域

本发明涉及一种上肢搬抬托举机电助力外骨骼机器人，属于辅助搬抬托举作业等需要增强人体上肢机能的领域。

背景技术

上肢搬抬托举机电助力外骨骼机器人是一种力量增强型外骨骼动力系统，由人体穿戴并控制机器人进行搬抬、托举，完成装填和短距离运输炮弹、弹药箱、货物补给等任务。外骨骼由驱动组件、传动机构、绑缚结构、感知网络和控制器等组成，通过主动关节的外部动力，增强人体的上肢力量。

上肢搬抬托举型助力外骨骼应用领域主要包括军用、消防、物流和工厂等，尤其是工作在户外、山区或厂房等环境，对自身重量、搬运重量、搬运种类和工作时间有着严苛要求的场景。

现有上肢外骨骼研究按照用途可分为助力型和康复型两大类。康复型外骨骼主要用于患者上肢康复训练，属于医疗设备，没有随身穿戴运动的要求，因此，对本体质量和能耗要求较低。现有上肢外骨骼均属于此类。而助力型外骨骼用于帮助穿戴者增强上肢力量，需要人体长时间穿戴，同时进行高强度重复性工作，使用环境复杂，因此，要求外骨骼自身质量轻，穿脱方便，助力效率高。

现有用于助力的上肢外骨骼驱动源类型一般为液压助力、气动助力。液压助力相对于气压助力来说具有更高的功率/质量比，且随着质量增加而提高。但是，液压油易泄露以及污染，液压元件制造成本相对较高，且液压传动效率低，传动精度不高，噪声也很大，适用于质量较大、高负载的外骨骼，穿戴体验较差。气动助力无污染，运行阻力小，安全性高，不受高温干扰；但气体密度变动大，传动平稳性差，精度较低。与液压助力和气动助力相比，机电助力采用电机驱动，传动精度高，可控性好，更加适用于多关节多自由度的协调控制。因此，对尺寸、重量、输出力矩、转速和控制平稳性有严格要求的上肢助力外骨骼来说，急需轻量化机电助力解决方案。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种上肢搬抬托举机电助力外骨骼机器人，在完成搬抬功能的同时，实现系统轻量化、低能耗及穿戴灵活性。

本发明的技术解决方案是：

一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，包括躯干和手臂，躯干两侧分别安装有一条手臂，躯干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。

躯干包括背部绑缚结构和护腰，外骨骼机器人通过背部绑缚结构和护腰穿戴于人体背部和腰部。

背部绑缚结构和护腰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；

背部绑缚结构和护腰上的肩带和护腰长度可调节，以适应不同人体尺寸。

手臂包括肩关节、大臂连杆、大臂、肘关节、小臂和末端执行器；肩关节安装在躯干上，旋转轴方向垂直于人体矢状面；肩关节通过大臂连杆和大臂连接，大臂和小臂通过肘关节连接，且肘关节安装在大臂输出端，旋转轴方向也垂直于人体矢状面；小臂末端安装有末端执行器。

小臂上设置有小臂调整机构，用于调节小臂的长短。

大臂内部设置有大臂联动机构，实现肩关节和肘关节外展/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，大臂联动机构通过第一钢丝绳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。

大臂上还设置有联动锁止机构，所述联动锁止机构安装于伸出大臂外壳的大臂联动机构肩部转轴上，联动锁止机构的开合通过锁止机构开关实现。