一種負載自適應被動平衡上肢外骨骼的製作方法

2023-09-14 20:22:15 2

本發明涉及一種外骨骼機器人，具體涉及一種負載自適應被動平衡上肢外骨骼。

背景技術：

目前，上肢被動外骨骼機器人以其獨有的人機結合方式受到了廣大的研究者的青睞，現有的上肢被動外骨骼多以彈簧為主動力來實現平衡，而當工況中載荷發生變化時，基本依靠人工進行手動調整。這樣的結構不但負載質量不高，而且使其平衡效果受到了很大的限制，不能很好的滿足各個角度的重力平衡條件，而且調整過程過於繁瑣，降低了工作效率。

技術實現要素：

本發明為解決現有外骨骼機器人負載質量不高，不能很好的滿足各個角度的重力平衡條件，而且調整過程過於繁瑣，降低了工作效率的問題，而提出一種負載自適應被動平衡上肢外骨骼。

本發明的一種負載自適應被動平衡上肢外骨骼，其組成包括大臂、肘關節、小臂、手部、大臂支撐杆和小大臂支撐杆；

大臂包括大臂上杆、大臂下杆、肩關節和大臂驅動機構，大臂驅動機構包括尾部固定件、氣彈簧頂板、氣彈簧、氣彈簧滑軌、連接板、兩個大臂支撐杆滑軌、兩個大臂支撐杆滑塊和兩個氣彈簧滑塊，氣彈簧的缸體尾部與尾部固定件固接，氣彈簧的活塞杆與氣彈簧頂板固接，連接板固裝在氣彈簧頂板的左側，一個氣彈簧滑塊與連接板固接，兩個氣彈簧滑塊均與氣彈簧滑軌滑動連接，氣彈簧滑軌與大臂下杆固接，兩個大臂支撐杆滑軌上下平行設置且固裝在氣彈簧頂板的右側，兩個大臂支撐杆滑塊與兩個大臂支撐杆滑軌一一對應，大臂支撐杆滑塊與大臂支撐杆滑軌滑動連接，大臂上杆與大臂下杆的結構相同，大臂上杆和大臂下杆對稱設置在肩關節的上下端，肩關節位於大臂上杆和大臂下杆的左端，且肩關節分別通過軸承與大臂上杆和大臂下杆鉸接，大臂驅動機構設置在大臂下杆中，且大臂驅動機構中的尾部固定件和大臂驅動機構中的兩個氣彈簧滑塊均與大臂下杆固接；

小臂包括小臂上杆、小臂下杆、腕關節和小臂驅動機構，小臂驅動機構與大臂驅動機構的結構相同，小臂上杆與小臂下杆的結構相同，小臂上杆和小臂下杆對稱設置在腕關節的上下端，腕關節位於小臂上杆和小臂下杆的右端，且腕關節分別通過軸承與小臂上杆和小臂下杆鉸接，小臂驅動機構設置在小臂上杆中，且小臂驅動機構中的尾部固定件和小臂驅動機構中的兩個氣彈簧滑塊均與大臂下杆固接；

肘關節包括大臂肘關節組件、小臂肘關節組件、肘關節驅動機構、大臂過渡齒輪、大臂過渡齒輪軸、小臂過渡齒輪、小臂過渡齒輪軸和兩個滾子軸承，大臂肘關節組件包括大臂絲槓螺母、大臂絲槓螺母連接件、大臂下滾珠軸承、大臂肘關節殼體、大臂絲槓、大臂上滾珠軸承、大臂傳動齒輪和兩個大臂滾針推力軸承，大臂絲槓螺母與大臂絲槓螺紋連接，大臂絲槓的上端由內至外依次套裝有兩個大臂滾針推力軸承和大臂上滾珠軸承，大臂絲槓的下端由內至外依次套裝有大臂絲槓螺母連接件和大臂下滾珠軸承，大臂絲槓螺母與大臂絲槓螺母連接件固接，大臂上滾珠軸承、大臂下滾珠軸承和兩個大臂滾針推力軸承均支撐在大臂肘關節殼體中，大臂絲槓的下端外露在大臂肘關節殼體外且與大臂傳動齒輪固接；小臂肘關節組件包括小臂傳動齒輪、小臂肘關節殼體、小臂絲槓螺母、小臂絲槓螺母連接件、小臂上滾珠軸承、小臂絲槓、兩個小臂滾針推力軸承，小臂絲槓螺母與小臂絲槓螺紋連接，小臂絲槓的上端套裝有小臂絲槓螺母連接件，小臂絲槓的下端套裝有兩個小臂滾針推力軸承，小臂絲槓螺母與小臂絲槓螺母連接件固接，小臂絲槓螺母連接件套裝在小臂絲槓上，小臂上滾珠軸承和兩個小臂滾針推力軸承均支撐在小臂肘關節殼體中，小臂絲槓的下端外露在小臂肘關節殼體外且與小臂傳動齒輪固接；肘關節驅動機構包括減速器輸出齒輪、減速器外殼、主軸、電機和減速器，減速器設置在減速器外殼中，減速器的輸入端與電機連接，減速器的輸出端與主軸連接，減速器輸出齒輪固裝在主軸上；大臂肘關節組件和小臂肘關節組件設置在肘關節驅動機構的左右側，減速器外殼與大臂肘關節殼體和小臂肘關節殼體固接，大臂過渡齒輪設置在減速器輸出齒輪與大臂傳動齒輪之間，且大臂過渡齒輪同時與減速器輸出齒輪和大臂傳動齒輪嚙合，大臂過渡齒輪通過一個滾子軸承與大臂過渡齒輪軸連接，大臂過渡齒輪軸與大臂肘關節殼體固接，小臂過渡齒輪設置在減速器輸出齒輪與小臂傳動齒輪之間，且小臂過渡齒輪同時與減速器輸出齒輪和小臂傳動齒輪嚙合，小臂過渡齒輪通過另一個滾子軸承與小臂過渡齒輪軸連接，小臂過渡齒輪軸與小臂肘關節殼體固接；

大臂、肘關節、小臂和手部由左至右依次布置，大臂上杆和大臂下杆分別通過軸承與大臂肘關節殼體鉸接，小臂上杆和小臂下杆分別通過軸承與小臂肘關節殼體鉸接，大臂支撐杆設置在大臂驅動機構與大臂肘關節組件之間，且大臂支撐杆的一端與大臂驅動機構中的兩個大臂支撐杆滑塊固接，大臂支撐杆的另一端與大臂絲槓螺母連接件兩側伸出軸通過軸承鉸接，小大臂支撐杆設置在小臂驅動機構與小臂肘關節組件之間，且小大臂支撐杆的一端與小臂驅動機構中的兩個大臂支撐杆滑塊固接，小大臂支撐杆的另一端與小臂絲槓螺母連接件41兩側伸出軸通過軸承鉸接，手部與腕關節鉸接。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

一、本發明利用氣彈簧輸出恆力的方式使得在轉動過程中的各個角度都能夠完美達到平衡效果。

二、由於氣彈簧是功率密度較高的被動儲能裝置，相比彈簧結構來說，極大程度提高了設備的負載能力和緊湊型，單臂負載能力可達25kg以上。

三、電機自動調整反饋系統的引入使得本發明可以具備在承載重物變化時的快速切換能力，使得工作效率大大提升，並且擴大了其應用場合。

四、本發明結構可以平衡掉由於貨物重量產生的重力，減輕人體上肢的負重。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構立體圖；

圖2是大臂A與肘關節B的連接關係立體圖(去掉大臂下杆A2)；

圖3是本發明的主剖視圖；

圖4是肘關節驅動機構B3的主剖視圖；

圖5是肘關節B的主剖視圖；

圖6是大臂支撐杆E與大臂驅動機構A4和大臂肘關節組件B1之間的連接關係立體圖；

圖7是小大臂支撐杆K與小臂驅動機構C4和小臂肘關節組件B2之間的連接關係立體圖；

圖8是手部D的結構立體圖；

圖9是本發明的使用狀態圖；

圖10是本發明的原理簡圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1～圖8說明本實施方式，本實施方式包括大臂A、肘關節B、小臂C、手部D、大臂支撐杆E和小大臂支撐杆F；

大臂A包括大臂上杆A1、大臂下杆A2、肩關節A3和大臂驅動機構A4，大臂驅動機構A4包括尾部固定件3、氣彈簧頂板4、氣彈簧5、氣彈簧滑軌6、連接板7、兩個大臂支撐杆滑軌8、兩個大臂支撐杆滑塊9和兩個氣彈簧滑塊10，氣彈簧5的缸體尾部與尾部固定件3固接，氣彈簧5的活塞杆與氣彈簧頂板4固接，連接板7固裝在氣彈簧頂板4的左側，一個氣彈簧滑塊10與連接板7固接，兩個氣彈簧滑塊10均與氣彈簧滑軌6滑動連接，氣彈簧滑軌6與大臂下杆A2固接，兩個大臂支撐杆滑軌8上下平行設置且固裝在氣彈簧頂板4的右側，兩個大臂支撐杆滑塊9與兩個大臂支撐杆滑軌8一一對應，大臂支撐杆滑塊9與大臂支撐杆滑軌8滑動連接，大臂上杆A1與大臂下杆A2的結構相同，大臂上杆A1和大臂下杆A2對稱設置在肩關節A3的上下端，肩關節A3位於大臂上杆A1和大臂下杆A2的左端，且肩關節A3分別通過軸承與大臂上杆A1和大臂下杆A2鉸接，大臂驅動機構A4設置在大臂下杆A2中，且大臂驅動機構A4中的尾部固定件3和大臂驅動機構A4中的兩個氣彈簧滑塊10均與大臂下杆2固接；

小臂C包括小臂上杆C1、小臂下杆C2、腕關節C3和小臂驅動機構C4，小臂驅動機構C4與大臂驅動機構A4的結構相同，小臂上杆C1與小臂下杆C2的結構相同，小臂上杆C1和小臂下杆C2對稱設置在腕關節C3的上下端，腕關節C3位於小臂上杆C1和小臂下杆C2的右端，且腕關節C3分別通過軸承與小臂上杆C1和小臂下杆C2鉸接，小臂驅動機構C4設置在小臂上杆C1中，且小臂驅動機構C4中的尾部固定件3和小臂驅動機構C4中的兩個氣彈簧滑塊10均與大臂下杆2固接；

肘關節B包括大臂肘關節組件B1、小臂肘關節組件B2、肘關節驅動機構B3、大臂過渡齒輪B4、大臂過渡齒輪軸B5、小臂過渡齒輪B6、小臂過渡齒輪軸B7和兩個滾子軸承B8，大臂肘關節組件B1包括大臂絲槓螺母18、大臂絲槓螺母連接件19、大臂下滾珠軸承20、大臂肘關節殼體22、大臂絲槓23、大臂上滾珠軸承24、大臂傳動齒輪21和兩個大臂滾針推力軸承17，大臂絲槓螺母18與大臂絲槓23螺紋連接，大臂絲槓23的上端由內至外依次套裝有兩個大臂滾針推力軸承17和大臂上滾珠軸承24，大臂絲槓23的下端由內至外依次套裝有大臂絲槓螺母連接件19和大臂下滾珠軸承20，大臂絲槓螺母18與大臂絲槓螺母連接件19固接，大臂上滾珠軸承24、大臂下滾珠軸承20和兩個大臂滾針推力軸承17均支撐在大臂肘關節殼體22中，大臂絲槓23的下端外露在大臂肘關節殼體22外且與大臂傳動齒輪21固接，這樣設置，通過大臂傳動齒輪21可以將轉動傳遞到大臂絲槓23上，使得大臂絲槓螺母18帶動大臂絲槓螺母連接件19上下移動；小臂肘關節組件(B2)包括小臂傳動齒輪38、小臂肘關節殼體39、小臂絲槓螺母40、小臂絲槓螺母連接件41、小臂上滾珠軸承42、小臂絲槓43、兩個小臂滾針推力軸承44，小臂絲槓螺母40與小臂絲槓43螺紋連接，小臂絲槓43的上端套裝有小臂絲槓螺母連接件41，小臂絲槓43的下端套裝有兩個小臂滾針推力軸承44，小臂絲槓螺母40與小臂絲槓螺母連接件41固接，小臂絲槓螺母連接件41套裝在小臂絲槓43上，小臂上滾珠軸承42和兩個小臂滾針推力軸承44均支撐在小臂肘關節殼體39中，小臂絲槓43的下端外露在小臂肘關節殼體39外且與小臂傳動齒輪38固接；這樣設置，通過小臂傳動齒輪38可以將轉動傳遞到小臂絲槓43上，使得小臂絲槓螺母40帶動小臂絲槓螺母連接件41上下移動；肘關節驅動機構B3包括減速器輸出齒輪25、減速器外殼26、主軸27、電機28和減速器29，減速器29設置在減速器外殼26中，減速器29的輸入端與電機28連接，減速器29的輸出端與主軸27連接，減速器輸出齒輪25固裝在主軸27上；大臂肘關節組件B1和小臂肘關節組件B2設置在肘關節驅動機構B3的左右側，減速器外殼26與大臂肘關節殼體22和小臂肘關節殼體39固接，大臂過渡齒輪B4設置在減速器輸出齒輪25與大臂傳動齒輪21之間，且大臂過渡齒輪B4同時與減速器輸出齒輪25和大臂傳動齒輪21嚙合，大臂過渡齒輪B4通過一個滾子軸承B8與大臂過渡齒輪軸B5連接，大臂過渡齒輪軸B5與大臂肘關節殼體22固接，小臂過渡齒輪B6設置在減速器輸出齒輪25與小臂傳動齒輪38之間，且小臂過渡齒輪B6同時與減速器輸出齒輪25和小臂傳動齒輪38嚙合，小臂過渡齒輪B6通過另一個滾子軸承B8與小臂過渡齒輪軸B7連接，小臂過渡齒輪軸B7與小臂肘關節殼體39固接；

大臂A、肘關節B、小臂C和手部D由左至右依次布置，大臂上杆A1和大臂下杆A2分別通過軸承與大臂肘關節殼體22鉸接，小臂上杆C1和小臂下杆C2分別通過軸承與小臂肘關節殼體39鉸接，大臂支撐杆E設置在大臂驅動機構A4與大臂肘關節組件B1之間，且大臂支撐杆E的一端與大臂驅動機構A4中的兩個大臂支撐杆滑塊9固接，大臂支撐杆E的另一端與大臂絲槓螺母連接件19兩側伸出軸通過軸承鉸接，小大臂支撐杆F設置在小臂驅動機構C4與小臂肘關節組件B2之間，且小大臂支撐杆F的一端與小臂驅動機構C4中的兩個大臂支撐杆滑塊9固接，小大臂支撐杆F的另一端與小臂絲槓螺母連接件41兩側伸出軸通過軸承鉸接，手部D與腕關節C3鉸接。

當大臂支撐杆E在人的牽引作用下轉動時，會帶動大臂支撐杆滑塊9與大臂支撐杆滑軌8相對滑動的同時帶動氣彈簧頂板4沿著氣彈簧5的活塞杆伸縮方向移動，氣彈簧5的活塞杆隨之產生伸縮運動。

具體實施方式二：結合圖3和圖8說明本實施方式，本實施方式的手部D包括手腕連接架11、載重鉤12、第一銷軸13、力傳感器14、吊耳15、第二銷軸16、握手30和第三銷軸31，載重鉤12設置在手腕連接架11的下面，且載重鉤12與手腕連接架11通過第一銷軸13鉸接，力傳感器14設置在載重鉤12與手腕連接架11之間，且力傳感器14的上端與手腕連接架11插接，力傳感器14的下端與吊耳15螺紋連接，吊耳15與載重鉤12通過第二銷軸16鉸接，與手腕連接架11通過第三銷軸31鉸接。這樣設置，當載重鉤12放上重物時，通過槓桿的作用，力傳感器14就會被拉伸達到測量質量的作用。握手30具有翻轉的自由度。其它組成及連接關係與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：結合圖3說明本實施方式，本實施方式的大臂絲槓23與小臂絲槓43的直徑、螺距均相同。這樣設置可以保證大臂A和小臂C同步轉動。其它組成及連接關係與具體實施方式一或二相同。

本發明的工作原理：

在大臂A上，通過大臂上杆A1、肩關節A3、大臂下杆A2、大臂肘關節殼體22四個部件的鉸鏈連接構成一個平行四邊形，利用圖10所示的原理，將氣彈簧5伸縮運動，改變為手部D的旋轉運動，並且可以計算得出其與重力之間的關係式F*H＝G*L，其中，F——氣彈簧活塞推力值、H——絲槓螺母18距離手臂連杆轉軸距離、G——重物的重力、L——大臂上杆A1與肩關節A3的鉸接中心至大臂上杆A1與大臂肘關節殼體22鉸接中心(或者大臂下杆A2與肩關節A3的鉸接中心至大臂下杆A2與大臂肘關節殼體22鉸接中心)之間的距離。通過F*H＝G*L就可以實現針對不同重力的平衡效果。電機28轉動，通過減速器輸出齒輪25將運動分別經由大臂過渡齒輪B4和小臂過渡齒輪B6傳遞到大臂傳動齒輪21和小臂傳動齒輪38上，大臂傳動齒輪21可以將轉動傳遞到大臂絲槓23上，使得大臂絲槓螺母18帶動大臂絲槓螺母連接件19上下移動。這樣就實現了H的調整，在實際工況中，可以根據末端力傳感器14採集的數據實時的對H進行調整，使其滿足平衡效果，已達到被動平衡重力的條件。

小臂C的原理大臂A相同。