腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人及其控制方法技术

本发明专利技术属于外骨骼机器人领域，具体涉及一种腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人及其控制方法。包括可调节背架机构，两组无源上肢助力机构，两组双电机腰髋助力机构，无源上肢机构对称设置在背架机构两侧，无源上肢机构包括肩关节前屈/后伸机构、肩部旋内/旋外机构及绑带机构，腰部调节机构与腰髋双助力电机机构连接，人体搬运动作为髋关节与腰椎协同运动。本发明专利技术采用腰髋双电机助力，腰部电机为上肢与腰部相对转动提供助力，髋部电机为髋关节产生相对转动以及行走提供助力，以适应不同人体搬运习惯同时解决行走助力问题。运习惯同时解决行走助力问题。运习惯同时解决行走助力问题。

【技术实现步骤摘要】
腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人及其控制方法


[0001]本专利技术属于外骨骼机器人领域，具体涉及一种腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，目前工业生产过程中从零件加工，到大型零件组装已基本实现自动化，同时在流水线生产中重型货物的搬运工作基本由机械设备所代替，但在特殊环境下依靠人力进行重物搬运依然是最可靠的方式之一。搬运外骨骼机器人是一种能够穿戴在操作者身上、并与其上肢，腿部相连接、能够根据操作者的意图进行协同运动和辅助做功的机器人机构。人体搬运动作为髋关节与腰椎协同运动，而搬运过程还包括持重行走，传统的搬运外骨骼将髋关节与腰部简化为一个关节，而人体搬运起身姿势各异，多为髋关节与腰部的组合运动，将人体五连杆模型简化为四连杆，使得相对运动转角减小的同时忽略了搬运过程中实际运动状态，使得助力效果降低，舒适性下降忽略不同人体搬运习惯，因此单一的髋关节助力或腰部助力方式难以适用，不能很好地做到人机协同运动，人机运动时容易发生干涉，而人体上肢在搬运过程中也需要承担一部分拉力，在上肢重心过高，有源助力方式常常具有较高的质量，在助力的同时其本身通常也会为人体造成负担，同时人体复杂上肢关节非常灵活，冗余自由度较多，能够完成多种复杂的运动，而外骨骼肩关节自由部过多的情况下对人体搬运助力效果较差。
[0003]在专利号为CN115070734A的专利技术专利中，公开了一种上肢外骨骼机器人，其采用线驱动，省去了腰部助力关节，采用线驱动的方式控制较难，人机协同性较差，在获得助力的同时下蹲过程中人体需要克服阻力，助力效果不高。
[0004]在专利号CN106493714B的专利技术专利中，公开了一种外骨骼搬运助力机器人，该专利技术在髋关节以及肩部采用有源驱动方式，但腰部运动被限制，同时肩关节仅保留前屈后伸自由度使得穿戴者的舒适度有所降低，且人机协同运动难以保证。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人及控制方法，解决了现有搬运外骨骼不能很好的匹配人体搬运过程中腰部与髋关节运动匹配的问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人，包括背架机构和对称设置在背架机构上端两侧的两组无源上肢助力机构，对称设置在背架机构下端两侧的两组双电机腰髋助力机构以及和双电机腰髋助力机构连接的腿杆；
[0007]所述双电机腰髋助力机构包括呈L型设置的腰部连接杆，第一扭矩传感器，第一连接法兰，电机连杆，第一电机，第二电机，第二连接法兰，第二扭矩传感器和髋关节连接杆；
[0008]所述第一电机和第二电机均设置在电机连杆上，第一电机通过第一连接法兰和第一扭矩传感器和腰部连接杆的L型的一端连接，腰部连接杆L型的另一端和背架机构连接；所述第二电机通过第二连接法兰和第二扭矩传感器和髋关节连接杆连接，髋关节连接杆另
一端和腿杆连接。
[0009]进一步的，所述背架机构具有适应不同人体的上下调节功能和腰部宽度调节功能。
[0010]进一步的，背架机构包括呈类T型的背板，压紧旋钮，背板套，拉杆，按钮，卡爪，扭簧和长度调节壳；
[0011]背板套上设有与背板适配的空心槽，通过压紧旋钮实现背板在背板套内上下位置的可调，从而实现背架机构上下调节；
[0012]背板套下端设置在长度调节壳上，长度调节壳内部两侧均设有拉杆，拉杆外端分别和腰部连接杆连接，拉杆上均匀的设有多个与卡爪配合的条形凹槽；
[0013]所述卡爪呈十字型，卡爪上下方向的两端设有与长度调节壳转动连接的转轴，转轴上套有扭簧，卡爪水平方向的其中一个翅上设有与拉杆上的条形凹槽配合的凸起，相对的另一个翅的外部配设按钮内部预留卡爪翅向内转动的空间；
[0014]通过按钮解除卡爪与条形凹槽的卡合，实现拉杆相对于长度调节壳位置的可调，松开按钮在扭簧的作用下卡爪复位从而实现对拉杆的卡合；
[0015]背板上方与人体背部接触，背板下方呈外凸的弧形，最大凸出处向外凸出六厘米，为人体弯腰提供预留量。
[0016]进一步的，无源上肢助力机构包括背部连杆，内旋连杆，屈伸第一连杆和拉簧，屈伸第二连杆；
[0017]背部连杆与背架连接的一端设有多列螺纹孔，通过不同螺纹孔和背架的连接实现两个无源上肢助力机构之间的距离的可调，所述背部连杆另一端和内旋连杆通过轴承连接，且通过轴承实现肩部的旋内/旋外，内旋连杆另一端和屈伸第一连杆的一端通过螺栓连接，屈伸第一连杆的另一端通过轴承和屈伸第二连杆连接，且通过轴承实现肩部的前屈/后伸；
[0018]屈伸第二连杆设有上部凸起，屈伸第一连杆与内旋连杆连接的一端设有上部凸起，拉簧设置在屈伸第二连杆的上部凸起和屈伸第一连杆的上部凸起之间。
[0019]进一步的，背部连杆末端即与内旋连杆连接端存在限位块，限位块外部开口角度为135度，使得人体肩部旋内/旋外角度在0—225度内；
[0020]屈伸第二连杆通过螺栓连接大臂绑缚。
[0021]进一步的，第一电机外圈通过螺钉与电机连杆连接，第一电机内圈通过螺钉与第一连接法兰外圈连接，第一扭矩传感器内圈通过螺钉与第一连接法兰内圈连接，第一扭矩传感器外圈与腰部连接杆连接；
[0022]腰部连接杆与电机连杆上置有限位块，使得电机连杆在腰部摆动范围为0—88度，腰部连接杆通过螺栓与拉杆连接，第一绑缚连接块通过螺钉固定在腰部连接杆上，用于固定腰部绑缚。
[0023]进一步的，第二电机通过螺钉外圈与电机连杆连接，第二电机内圈通过螺钉与第二连接法兰外圈连接，第二扭矩传感器内圈通过螺钉与第二连接法兰内圈连接，第二连接法兰外圈与髋关节连接杆连接，第一扭矩传感器外圈与腰部连接杆连接，髋关节连接杆与电机连杆上均设置有限位块，髋关节连接杆在腰部摆动范围为0—155度，第二绑缚连接块通过螺钉固定在电机连杆上用于连接臀部绑缚。
[0024]进一步的，第一电机和第二电机内置关节角度传感器。
[0025]一种上述的搬运外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0026]步骤(1)：穿戴者穿戴好外骨骼后，手部佩戴压力传感器后保持静止状态，进行初始信息采集与标定；
[0027]步骤(2)：穿戴者开始运动时，通过电机内置的关节角度传感器、第一扭矩传感器、第二扭矩传感器和手部的压力传感器采集人体运动时的信息；
[0028]步骤(3)：控制器根据步骤(2)腰部电机的关节角度传感器采集的数据，判断外骨骼运动助力状态；
[0029]步骤(4)：控制器根据步骤(2)手部的压力传感器采集的数据、步骤(3)判断得到的助力状态，根据控制律计算外骨骼实际输出力矩；
[0030]步骤(5)：根据步骤(4)计算得到的实际输出力矩，控制器控制底层伺服系统驱动相应的电机实现外骨骼系统的运动；
[0031]步骤(6)：实时测量外骨骼的运动学信息，监测底层伺服系统输出是否正确，将其作为反馈输入到控制器中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种腰髋集成助力电机的搬运外骨骼机器人，其特征在于，包括背架机构(2)和对称设置在背架机构(2)上端两侧的两组无源上肢助力机构(1)，对称设置在背架机构(2)下端两侧的两组双电机腰髋助力机构(3)以及和双电机腰髋助力机构(3)连接的腿杆(4)；所述双电机腰髋助力机构(3)包括呈L型设置的腰部连接杆(302)，第一扭矩传感器(303)，第一连接法兰(304)，电机连杆(305)，第一电机(306)，第二电机(307)，第二连接法兰(310)，第二扭矩传感器(311)和髋关节连接杆(312)；所述第一电机(306)和第二电机(307)均设置在电机连杆(305)上，第一电机(306)通过第一连接法兰(304)和第一扭矩传感器(303)和腰部连接杆(302)的L型的一端连接，腰部连接杆(302)L型的另一端和背架机构(2)连接；所述第二电机(307)通过第二连接法兰(310)和第二扭矩传感器(311)和髋关节连接杆(312)连接，髋关节连接杆(312)另一端和腿杆(4)连接。2.根据权利要求1所述的搬运外骨骼机器人，其特征在于，所述背架机构(2)具有适应不同人体的上下调节功能和腰部宽度调节功能。3.根据权利要求2所述的搬运外骨骼机器人，其特征在于，背架机构(2)包括呈类T型的背板(201)，压紧旋钮(202)，背板套(203)，拉杆(204)，按钮(205)，卡爪(206)，扭簧(207)和长度调节壳(208)；背板套(203)上设有与背板(201)适配的空心槽，通过压紧旋钮(202)实现背板(201)在背板套(203)内上下位置的可调，从而实现背架机构上下调节；背板套(203)下端设置在长度调节壳(208)上，长度调节壳(208)内部两侧均设有拉杆(204)，拉杆(204)外端分别和腰部连接杆(310)连接，拉杆(204)上均匀的设有多个与卡爪(206)配合的条形凹槽；所述卡爪(206)呈十字型，卡爪上下方向的两端设有与长度调节壳(208)转动连接的转轴，转轴上套有扭簧(207)，卡爪(206)水平方向的其中一个翅上设有与拉杆上的条形凹槽配合的凸起，相对的另一个翅的外部配设按钮(205)内部预留卡爪翅向内转动的空间；通过按钮(205)解除卡爪与条形凹槽的卡合，实现拉杆相对于长度调节壳(208)位置的可调，松开按钮(205)在扭簧(207)的作用下卡爪复位从而实现对拉杆的卡合；背板(201)上方与人体背部接触，背板下方呈外凸的弧形，最大凸出处向外凸出六厘米，为人体弯腰提供预留量。4.根据权利要求3所述的搬运外骨骼机器人，其特征在于，无源上肢助力机构(1)包括背部连杆(101)，内旋连杆(102)，屈伸第一连杆(103)和拉簧(104)，屈伸第二连杆(105)；背部连杆(101)与背架(201)连接的一端设有多列螺纹孔，通过不同螺纹孔和背架的连接实现两个无源上肢助力机构(1)之间的距离的可调，所述背部连杆(101)另一端和内旋连杆(102)通过轴承连接，且通过轴承实现肩部的旋内/旋外，内旋连杆(102)另一端和屈伸第一连杆(103)的一端通过螺栓连接，屈伸第一连杆(103)的另一端通过轴承和屈伸第二连杆(105)连接，且通过轴承实现肩部的前屈/后伸；屈伸第二连杆(105)设有上部凸起，屈伸第一连杆(103)与内旋连杆(102)连接的一端设有上部凸起，拉簧(104)设置在屈伸第二连杆的上部凸起和屈伸第一连杆(103)的上部凸起之间。5.根据权利要求4所述的搬运外骨骼机器人，其特征在于，背部连杆(101)末端即与内
旋连杆(102)连接端存在限位块，限位块外部开口角度为135度，使得人体肩部旋内/旋外角度在0—225度内；屈伸第二连杆(105)通过螺栓连接大臂绑缚(106)。6.根据权利要求5所述的搬运外骨骼机器人，其特征在于，第一电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：管小荣，徐钰婷，王铮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：