一种主被动复合多关节助力搬运外骨骼系统技术方案

一种主被动复合多关节助力搬运外骨骼系统，包括刚性仿生支撑组件、柔性绑缚系统、肩关节助力模块、大臂组件、腰部连接组件、髋关节助力模块、大腿组件、运动感知模块、电源模块；采用刚柔耦合绑缚方案，在人体与外骨骼刚性结构之间建立缓冲空间；背板结构、背杆机构、腰板结构采用了包括轻质碳纤维、高强度聚氨酯、高强度玻纤等复合材料，助力模块、大臂组件的主要结构采用了镁合金、航空铝等轻质金属材料；肩关节采用无源柔顺助力方式，在弯腰搬运及行走复杂作业中，对髋关节采用关节模组直驱助力方式，将有源外骨骼智能自适应的优势与无源外骨骼低成本、高可靠的优势相融合。高可靠的优势相融合。高可靠的优势相融合。

【技术实现步骤摘要】
一种主被动复合多关节助力搬运外骨骼系统


[0001]本专利技术涉及一种主被动复合多关节助力搬运外骨骼系统，属于智能装备、机器人、穿戴装备领域。

技术介绍

[0002]搬运外骨骼是外骨骼机器人研制中受到重点关注的一种，其通过对穿戴者的外部助力，实现在搬抬、托举、提拉等工作姿态中的机能增强，有效缓解重复作业造成的腰膝劳损、上肢肌肉疲劳，可应用于仓库、供给等多个场景。目前已公布的搬运外骨骼主要为单关节助力，包括髋关节助力(腰部助力)和肩肘关节助力(上肢助力)两类。
[0003]中国专利CN110900568B《一种腰部助力外骨骼机器人》、CN108044607A《一种外骨骼助力机器人》、CN110815191A《可穿戴腰部助力外骨骼》、CN110883762A《一种腰部髋关节驱动增强型外骨骼》均为腰部助力类型，通过在髋关节处施加辅助力矩，针对弯腰搬运过程进行助力，其仅考虑了弯腰从地面搬起重物的姿态，无法在向上托举重物的阶段进行助力。
[0004]中国专利CN108724152B《一种用于原地举升负载的上肢助力机构》、CN209140889U《一种基于丝传动结构的上肢肩部外骨骼》、CN112372625A《一种肩关节助力无源外骨骼机器人》均为上肢助力类型，通过在肩、肘关节处施加辅助力矩，针对上肢抬举过程进行助力，其仅考虑了站立状态上肢托举重物的姿态，无法在弯腰从地面搬起重物的阶段进行助力。
[0005]在实际应用场景中，弯腰搬抬和上肢托举一般是一个完整且连续的过程，穿戴者需要连贯地完成搬起、放下、行走、搬抬、托举放置等作业动作及动作间的相互切换。目前已公布的搬运外骨骼均不能实现搬运作业全过程的有效助力，并且由于机械、电气和传感器的多重干涉，很难同时穿戴多款外骨骼于人体并稳定可靠地平顺助力。
[0006]此外，外骨骼按照动力来源可分为有源外骨骼(主动助力型)和无源外骨骼(被动助力型)两类。有源外骨骼受限于机动性、灵活性、可靠性和能源效率等问题，难以短期满足工程化应用要求；无源外骨骼可针对特定任务中较为固定的动作姿态进行有效助力，但其助力工况单一、复杂工况下的助力效率较低，针对多工况、多任务的需求，难以落地胜任。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了搬运作业全过程即搬起、放下、行走、搬抬、托举、放置等动作的有效辅助问题。
[0008]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0009]一种主被动复合多关节助力搬运外骨骼系统，包括刚性仿生支撑组件、柔性绑缚系统、肩关节助力模块、大臂组件、腰部连接组件、髋关节助力模块、大腿组件、运动感知模块、电源模块；
[0010]所述刚性仿生支撑组件作为外骨骼的支撑主体，用于连接固定其他各个模块，并具有载荷传递再分配的作用；
[0011]所述柔性绑缚系统用于将刚性仿生支撑组件穿戴于人体，且在刚性仿生支撑组件
和柔性绑缚系统之间建立缓冲空间，使刚性结构不直接贴合于人体；
[0012]所述肩关节助力模块通过自身输出轴抱紧对称固定于大臂组件末端，用于提供与人体肩关节运动速度、加速度特征适配的辅助力矩；
[0013]所述大臂组件通过可拆卸螺钉对称固定在刚性仿生支撑组件的两侧，用于支撑肩关节助力模块，并将手臂负载传递到背部和腰部；
[0014]所述腰部连接组件通过柔性绑缚系统固定于人体腰部，是本专利技术外骨骼上下肢机构间的连接主体，用于连接刚性仿生支撑组件和大腿组件，同时与髋关节助力模块连接；
[0015]所述髋关节助力模块通过螺钉固定于腰部连接组件，通过销轴与大腿组件连接，用于提供与人体髋关节运动速度、加速度特征适配的辅助力矩；
[0016]所述大腿组件上端与输出法兰通过轴销连接，下端通过微位移传感器组件与大腿主体件连接；
[0017]所述运动感知模块用于感知运动姿态以及进行运动模式识别，并用于作为控制输入；
[0018]所述电源模块放置于柔性绑缚系统的腰部绑缚两侧腰包中，用于为髋关节助力模块和运动感知模块提供能源输入。
[0019]优选的，所述肩关节助力模块与所述髋关节助力模块通过所述刚性仿生支撑组件、大臂组件、大腿组件与人体连接，用于在搬运作业全过程同时为肩关节和髋关节提供辅助力矩；
[0020]所述不同关节处的辅助力矩，根据作业过程中肩关节与髋关节协同运动的转动角度匹配相应助力力矩曲线。
[0021]优选的，所述刚性仿生支撑组件包括背板结构、背杆机构、腰板结构；
[0022]所述背板结构中部设有若干孔位，用于与背杆机构上端固连；背板结构两侧位置对称设有若干孔位，用于拆卸式连接两侧大臂组件；背板结构上部设有肩带接口；
[0023]所述背杆机构由若干不同直径的轻质碳纤维管嵌套组成，管壁等距设有若干孔位，配合弹簧压片实现长度调节功能；背杆机构将背板结构和腰板结构相连，将负载由背部传递并分散至腰部的；
[0024]所述腰板结构中心位置设有若干孔位，用于固定腰部连接组件和背杆机构；腰板结构为U型结构，穿戴后不与人体背部直接贴合，使得减少作业过程外骨骼的错位窜动。
[0025]优选的，所述柔性绑缚系统包括背部绑缚、肩带、腰部绑缚、大臂绑缚、大腿绑缚；
[0026]所述背部绑缚由高弹性网面材料制成，四周缝制有弹性插槽，用于与背板结构拆卸式连接，穿戴后背部绑缚始终贴合于人体背部，并在人体背部与背板结构之间留出缓冲空间；
[0027]所述肩带上端通过背板结构上的预留接口与背板结构固连，下端通过绑带及接插件与腰部绑缚连接；
[0028]所述腰部绑缚两侧由低弹性的编织材料制成，中间由高弹性网布材料制成，两侧缝制有插槽，腰板结构两端插入插槽并通过粘贴方式连接；安装后腰部绑缚中间高弹性位置被腰板结构支撑拉伸，穿戴时此处始终贴合于人体腰部，并在人体腰部与腰板结构之间留出缓冲空间；
[0029]所述大臂绑缚采用铆钉与肩关节助力模块固连，通过柔性绑带与人体大臂固定；
[0030]所述大腿绑缚通过柔性绑带与人体大腿固定。
[0031]优选的，所述肩关节助力模块通过自身输出轴与大臂组件末端抱紧连接，并通过大臂绑缚穿戴于人体，在穿戴者手臂抬举重物过程中，肩关节助力模块跟随大臂角度变化输出辅助力矩以支撑手臂负载，实现在上肢托举重物过程中的主动助力；
[0032]所述肩关节助力模块采用无源柔顺助力方法，基于人体关节刚度特性和人体运动的生物力学分析，通过弹性储能元件和凸轮机构，不需要外部能量来源，产生与人体肩关节运动速度、加速度特征适配的辅助力矩；
[0033]所述肩关节助力模块采用轻质化、高集成设计，单个肩关节助力模块的输出力矩不小于30Nm，可提供不小于18kg助力，并且重量不大于600g。
[0034]优选的，所述大臂组件采用自适应机构，通过空间不同平面内的3个旋转自由度和末端的1个旋转自由度复合，实现对人体肩关节的迅速贴合，满足肩部球窝关节工作空间的3个运动自由度要求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主被动复合多关节助力搬运外骨骼系统，其特征在于，包括刚性仿生支撑组件、柔性绑缚系统、肩关节助力模块、大臂组件、腰部连接组件、髋关节助力模块、大腿组件、运动感知模块、电源模块；所述刚性仿生支撑组件作为外骨骼的支撑主体，用于连接固定其他各个模块，并具有载荷传递再分配的作用；所述柔性绑缚系统用于将刚性仿生支撑组件穿戴于人体，且在刚性仿生支撑组件和柔性绑缚系统之间建立缓冲空间，使刚性结构不直接贴合于人体；所述肩关节助力模块对称固定于大臂组件上，用于提供与人体肩关节运动速度、加速度特征适配的辅助力矩；所述大臂组件对称固定在刚性仿生支撑组件的两侧，用于支撑肩关节助力模块，并将手臂负载传递到背部和腰部；所述腰部连接组件通过柔性绑缚系统固定于人体腰部，用于连接刚性仿生支撑组件和大腿组件，同时与髋关节助力模块连接；所述髋关节助力模块固定于腰部连接组件，并与大腿组件连接，用于提供与人体髋关节运动速度、加速度特征适配的辅助力矩；所述大腿组件上端与输出法兰连接，下端与大腿主体件连接；所述运动感知模块用于感知运动姿态以及进行运动模式识别，并用于作为控制输入；所述电源模块放置于柔性绑缚系统的腰包中，用于为髋关节助力模块和运动感知模块提供能源。2.根据权利要求1所述的外骨骼系统，其特征在于，所述刚性仿生支撑组件包括背板结构、背杆机构、腰板结构；所述背板结构中部设有若干孔位，用于与背杆机构上端固连；背板结构两侧位置对称设有若干孔位，用于拆卸式连接两侧大臂组件；背板结构上部设有肩带接口；所述背杆机构由若干不同直径的轻质碳纤维管嵌套组成，管壁等距设有若干孔位，配合弹簧压片实现长度调节功能；背杆机构将背板结构和腰板结构相连，将负载由背部传递并分散至腰部的；所述腰板结构中心位置设有若干孔位，用于固定腰部连接组件和背杆机构；腰板结构为U型结构，穿戴后不与人体背部直接贴合，使得减少作业过程外骨骼的错位窜动。3.根据权利要求1所述的外骨骼系统，其特征在于，所述肩关节助力模块与所述髋关节助力模块通过所述刚性仿生支撑组件、大臂组件、大腿组件与人体连接，用于在搬运作业全过程同时为肩关节和髋关节提供辅助力矩；所述不同关节处的辅助力矩，根据作业过程中肩关节与髋关节协同运动的转动角度匹配相应助力力矩曲线。4.根据权利要求2所述的外骨骼系统，其特征在于，所述柔性绑缚系统包括背部绑缚、肩带、腰部绑缚、大臂绑缚、大腿绑缚；所述背部绑缚由高弹性网面材料制成，四周缝制有弹性插槽，用于与背板结构拆卸式连接，穿戴后背部绑缚始终贴合于人体背部，并在人体背部与背板结构之间留出缓冲空间；所述肩带上端通过背板结构上的预留接口与背板结构固连，下端通过绑带及接插件与腰部绑缚连接；
所述腰部绑缚两侧由低弹性的编织材料制成，中间由高弹性网布材料制成，两侧缝制有插槽，腰板结构两端插入插槽并通过粘贴方式连接；安装后腰部绑缚中间高弹性位置被腰板结构支撑拉伸，穿戴时此处始终贴合于人体腰部，并在人体腰部与腰板结构之间留出缓冲空间；所述大臂绑缚采用铆钉与肩关节助力模块固连，通过柔性绑带与人体大臂固定；所述大腿...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵哲，曾思，朱晓荣，周世通，曾博，于志远，程远超，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：