一种用于原地举升负载的上肢助力机构制造技术

本发明专利技术涉及一种上肢助力机构，包括：前臂机构、上臂机构、后背板、肩关节板；前臂机构一端为负载固定部，另一端与上臂机构的一端通过肘关节转盘连接；上臂机构的另一端与肩关节板通过肩关节转盘连接；上臂机构设有齿轮组，齿轮组能够使上臂机构与肘关节转盘连接的一端转动；肩关节板与后背板连接；齿轮组由第一电机驱动进行转动，肩关节转盘由第二电机驱动进行转动，肘关节转盘由第三电机驱动进行转动。本发明专利技术根据对操作人员原地举升负载受力分析设计了三自由度助力形式，实现精准助力，避免了更多自由度助力的引入带来助力机构自身重量的提升以及机构冗余性。

An upper limb assist mechanism for in-situ lifting load

The invention relates to an upper limb booster mechanism, which comprises a forearm mechanism, an upper arm mechanism, a back plate and a shoulder joint plate; one end of the forearm mechanism is a load fixing part, the other end is connected with one end of the upper arm mechanism through an elbow joint turntable; the other end of the upper arm mechanism is connected with the shoulder joint plate through a shoulder joint turntable; and the upper arm mechanism is provided with a shoulder joint turntable. Gear group, gear group can make the upper arm mechanism and elbow joint turntable connected to one end of rotation; shoulder joint plate and back plate connected; gear group by the first motor drive to rotate, shoulder joint turntable by the second motor drive to rotate, elbow joint turntable by the third motor drive to rotate. According to the force analysis of the operator's in-situ lifting load, the present invention designs a three-degree-of-freedom boosting form, realizes precise boosting, avoids the introduction of more degree-of-freedom boosting force to bring about the weight lifting of the boosting mechanism itself and the redundancy of the mechanism.

【技术实现步骤摘要】
一种用于原地举升负载的上肢助力机构
本专利技术涉及助力机械
，尤其涉及一种用于原地举升负载的上肢助力机构。
技术介绍
目前，装卸货物等物流作业过程中存在以下问题：1、数量大且质量较轻的负载重物靠单人反复搬运，时间久后会导致操作人员肌肉酸痛；2、质量大的重型负载单人无法独立作业，需要多人协同，增加了人力成本。因此，通过对操作人员的外部助力实现单人作业能力的提升是解决以上问题的关键所在。专利《七自由度上肢助力外骨骼机器人》(201510101996.X)、《一种主被动混合上肢康复训练外骨骼》(201610161507)主要面向的是瘫痪病人的康复医疗领域设计的上肢外骨骼，因此其并未考虑外骨骼自身重量，并且自由度尽量与人上肢贴合，这样才能保证上肢恢复的有效性，但此种形式的外骨骼由于自由度较多导致机构较为复杂且质量较大，因此不适于举升负载使用。专利《一种可穿戴搬运助力装置》(201610154098)主要是考虑了从地面搬起重物时对腰部进行助力，而并未对上肢进行有效助力；《一种用于辅助搬运的全身外骨骼助力机器人》(201611165523)主要是面向搬运助力的外骨骼，其机构主要是对矢状面内以及冠状面的关节进行助力，并不适用于举升负载。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种用于原地举升负载的上肢助力机构，用以解决现有机构不能再举升负载时为操作人员提供科学的助力的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：本专利技术的一个实施例中，一种用于原地举升负载的上肢助力机构，上肢助力机构包括：前臂机构、上臂机构、后背板、肩关节板；前臂机构一端为负载固定部，另一端与上臂机构的一端通过肘关节转盘连接，且实现前臂机构在矢状面内转动；上臂机构的另一端与肩关节板通过肩关节转盘连接，且实现上臂机构在矢状面内转动；上臂机构设有齿轮组，齿轮组能够使上臂机构与肘关节转盘连接的一端转动，且转动轴与上臂机构的轴线平行或重合；肩关节板与后背板连接；齿轮组由第一电机驱动进行转动，肩关节转盘由第二电机驱动进行转动，肘关节转盘由第三电机驱动进行转动。本专利技术的一个实施例中，齿轮组包括：驱动齿轮和从动齿轮；驱动齿轮和从动齿轮相互啮合；上臂机构包括：转动部和固定部；转动部和固定部的轴线共线，且转动部能够绕轴线转动；转动部和固定部连接；固定部和第一电机固定连接，固定部和肩关节转盘通过肩关节支座固定连接，且肩关节转盘带动固定部转动；第一电机的输出轴与驱动齿轮固定连接；转动与从动齿轮连接，并与肘关节转盘的转轴通过肘关节支座连接，且从动齿轮带动转动部转动。本专利技术的一个实施例中，从动齿轮为设置在转动部的半齿轮。本专利技术的一个实施例中，第二电机固定安装在后背板上，且第二电机的输出轴上固定安装有肩关节拉线转盘，第二电机的输出轴上设有第二电机制动器；肩关节拉线转盘与肩关节转盘均与肩关节拉线连接。本专利技术的一个实施例中，第三电机固定安装在后背板上，且第三电机的输出轴上固定安装有肘关节拉线转盘，第三电机的输出轴上设有第三电机制动器；肘关节拉线转盘与肘关节转盘均与肘关节拉线连接。本专利技术的一个实施例中，肩关节板包括第一肩关节板和第二肩关节板；第一肩关节板包括第一面板与第二面板；第一面板与第二面板夹角为150°，且为一体结构；第二肩关节板包括第三面板和第四面板；第三面板和第四面板夹角为120°，且为一体结构；第一面板与肩关节转盘的转轴连接；第二面板设有直线安装槽，第三面板设有至少两个共线的安装孔，第二面板与第三面板通过螺栓固定连接，且螺栓穿过安装孔和直线安装槽；第四面板与后背板通过转轴连接，且连接处设有第二肩关节编码器，用来测量上臂机构在冠状面内的转动角度。本专利技术的一个实施例中，前臂机构与肘关节转盘固定连接，且肘关节转盘带动前臂机构转动；上肢助力机构还设有弹簧；弹簧的一端与转动部连接，另一端与前臂机构连接，且当前臂机构伸直时，弹簧处于拉伸状态。本专利技术的一个实施例中，前臂机构设有负载固定部的一端设有持握部，且持握部上设有三维力传感器；负载固定部为挂钩结构。本专利技术的一个实施例中，转动部上设有肘关节编码器，用来测量肘关节转盘转动的角度；第一肩关节板上设有第一肩关节编码器，用来测量肩关节转盘转动的角度。本专利技术的一个实施例中，后背板上设有电气驱控盒，电气驱控盒包括接收器和控制器，接收器接收第一肩关节编码器、第二肩关节编码器、肘关节编码器、第一电机的编码器、三维力传感器的信号；控制器控制第一电机、第二电机、第三电机的转动。本专利技术实施例的有益效果是：1、本专利技术在设计之前，首先对操作人员原地举升负载的动作过程通过三维运动捕捉以及运动跑台装置进行了实验测试并进行了详细受力分析，针对负载举升过程中受力较大的关节设计了三自由度助力形式，实现精准助力，避免了更多自由度助力的引入带来助力机构自身重量的提升以及机构冗余性；2、本专利技术通过对三个自由度的助力，不仅能够使操作人员举升期望能够承受的负载，还能帮助操作人员对其个人本无法举升的载荷进行举升；3、本专利技术通过助力的形式，在操作过程中极大地节省了操作人员消耗的体力，有效减轻了操作人员长时间举升重物带来的肌肉疲劳；4、本专利技术通过电机对各个自由度的运动进行助力，同时可以将矢状面内的各个自由度的运动角度进行锁定，可以实现举升后的负载搬运或维持高度等作业；5、本专利技术在举升负载前先通过对弹簧的拉伸进行储能，提升了本专利技术对负载举升的被动助力效果。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为本专利技术实施例在右手使用时后面的结构示意图；图2为本专利技术实施例在右手使用时前面的结构示意图；图3为本专利技术实施例在右手使用时的后视图；附图标记：1-挂钩；2-把手；3-前臂机构；4-弹簧；5-肘关节编码器；6-肘关节转盘；7-上臂机构；8-齿轮组；9-第一电机；10-肩关节支座；11-第一肩关节编码器；12-肩关节转盘；13-第一肩关节板；14-第二肩关节板；15-第二肩关节编码器；16-后背板；17-肩关节拉线；18-第二电机；19-第二电机制动器；20-肩关节拉线转盘；21-肘关节拉线；22-第三电机；23-第三电机制动器；24-肘关节拉线转盘；25-电气驱控盒具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理，并非用于限定本专利技术的范围。为了使本专利技术的实施例在进行助力时更加科学有效，在进行设计之前，首先对操作人员原地举升负载的动作过程通过三维运动捕捉以及运动跑台装置进行了实验测试并进行了详细受力分析。通过分析得知，在举升负载过程中，操作人员上肢肩关节矢状面转动、水平面旋转方向以及肘关节矢状面转动三个自由度受负载力矩影响最大。因此设计上肢助力机构应从这三个自由度去考虑，而上肢其余自由度由于在举升负载时并未受到负载力矩较大影响，因此，不需要考虑助力。基于以上考虑，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于原地举升负载的上肢助力机构，其特征在于，所述上肢助力机构包括：前臂机构(3)、上臂机构(7)、后背板(16)、肩关节板；所述前臂机构(3)一端为负载固定部，另一端与所述上臂机构(7)的一端通过肘关节转盘(6)连接，且实现所述前臂机构(3)在矢状面内转动；所述上臂机构(7)的另一端与肩关节板通过肩关节转盘(12)连接，且实现所述上臂机构(7)在矢状面内转动；所述上臂机构(7)设有齿轮组(8)，所述齿轮组(8)能够使所述上臂机构(7)与肘关节转盘(6)连接的一端转动，且转动轴与所述上臂机构(7)的轴线平行或重合；所述肩关节板与后背板(16)连接；所述齿轮组(8)由第一电机(9)驱动进行转动，所述肩关节转盘(12)由第二电机(18)驱动进行转动，所述肘关节转盘(6)由第三电机(22)驱动进行转动。

【技术特征摘要】
1.一种用于原地举升负载的上肢助力机构，其特征在于，所述上肢助力机构包括：前臂机构(3)、上臂机构(7)、后背板(16)、肩关节板；所述前臂机构(3)一端为负载固定部，另一端与所述上臂机构(7)的一端通过肘关节转盘(6)连接，且实现所述前臂机构(3)在矢状面内转动；所述上臂机构(7)的另一端与肩关节板通过肩关节转盘(12)连接，且实现所述上臂机构(7)在矢状面内转动；所述上臂机构(7)设有齿轮组(8)，所述齿轮组(8)能够使所述上臂机构(7)与肘关节转盘(6)连接的一端转动，且转动轴与所述上臂机构(7)的轴线平行或重合；所述肩关节板与后背板(16)连接；所述齿轮组(8)由第一电机(9)驱动进行转动，所述肩关节转盘(12)由第二电机(18)驱动进行转动，所述肘关节转盘(6)由第三电机(22)驱动进行转动。2.根据权利要求1所述的上肢助力机构，其特征在于，所述齿轮组(8)包括：驱动齿轮和从动齿轮；所述驱动齿轮和从动齿轮相互啮合；所述上臂机构(7)包括：转动部和固定部；所述转动部和固定部的轴线共线，且转动部能够绕轴线转动；所述转动部和固定部连接；所述固定部和第一电机(9)固定连接，所述固定部和肩关节转盘通过肩关节支座(10)固定连接，且所述肩关节转盘(12)带动所述固定部转动；所述第一电机(9)的输出轴与所述驱动齿轮固定连接；所述转动与从动齿轮连接，并与肘关节转盘(6)的转轴通过肘关节支座连接，且所述从动齿轮带动所述转动部转动。3.根据权利要求2所述的上肢助力机构，其特征在于，所述从动齿轮为设置在所述转动部的半齿轮。4.根据权利要求2所述的上肢助力机构，其特征在于，所述第二电机(18)固定安装在所述后背板(16)上，且所述第二电机(18)的输出轴上固定安装有肩关节拉线转盘(20)，所述第二电机(18)的输出轴上设有第二电机制动器(19)；所述肩关节拉线转盘(20)与所述肩关节转盘(12)均与肩关节拉线(17)连接。5.根据权利要求4所述的上肢助力机构，其特征在于，所述第三电机(22)固定安装在所述后背板(16)上，且所述第三电机(22)的输出轴上固定安装有肘关节拉线转盘(24...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鑫，陈琳，常远，王道臣，张利剑，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11