【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业外骨骼，具体涉及一种准无动力外骨骼机器人。
技术介绍
1、在生产制造中有大量的钻孔作业，由于加工部件复杂、生产批量较小等原因，很多钻卯或装配作业仍无法用机器人完成，需要工人手持加工工具，维持一定的姿势进行重复性负重作业。这类重复性负重作业容易导致工人肌肉骨骼系统损伤，严重危害工人身体健康，对企业造成大量的经济损失。外骨骼能有效减少工人负荷，帮助工人使用正确的工作姿势，从而减少工人发生肌肉骨骼系统损伤的情况，增加工作效率，保护工人的同时为企业带来更大的收益，因此外骨骼一直是各国研究的热门项目。然而，现有的有动力外骨骼成本较高，系统复杂，可靠性难以保证，较难在实际生产中应用。当前在实际生产中大面积投入使用的是无动力外骨骼，但现有的无动力外骨骼只能实现人体或工具重力的部分平衡，无法帮助工人抵消加工反作用力，所以对于钻铆等有较大的加工反作用力的作业助力效果有限。
2、在专利号cn202210823352.1的专利技术中，公开了一种托举型上肢助力外骨骼，通过电机助力人体手臂进行整体抬臂动作，减轻工人劳动强度；但该外骨骼为有动力外骨骼，电机重量较重，控制复杂，不易于使用。在专利号cn202310063299.4的专利技术中，公开了一种可穿戴的无源准无动力外骨骼助力装置，其使用气弹簧辅助工人上臂抬举，减轻上臂负荷；但该机构只能够减轻工具重力对工人肩关节的负荷，无法抵消加工反作用力，助力效果有限。因此，有必要针对航空业工人的作业特点设计一套能够辅助工人钻铆并抵消加工反作用力的无源外骨骼系统，改善工人人机工效负荷水平
技术实现思路
1、专利技术目的：为解决上述问题，本专利技术提供了一种准无动力外骨骼机器人，能够平衡加工的反作用力与工具的重力，提高了助力效率，降低了工人上肢负荷。
2、技术方案：为实现上述目的，本专利技术所述的准无动力外骨骼机器人包括腰部固定模块、背部连杆模块、肩部连杆模块、上臂连杆模块、前臂连杆模块、锁止关节模块、末端制孔模块；所述背部连杆模块包括与腰部固定模块连接的肩内外旋关节、与肩内外旋关节上端连接的肩部弹簧减荷装置、肩关节锁套；所述肩部弹簧减荷装置内设有四根拉伸弹簧及滑轮组；肩关节锁套一头固定于弹簧底部，另一头穿过滑轮组并与前臂连杆模块连接；
3、所述肩部连杆模块包括肩关节连杆；肩关节连杆两头分别与两个锁止关节模块连接；
4、所述上臂连杆模块包括与锁止关节模块连接的肩关节上臂连杆、上臂弹簧减荷装置、与上臂弹簧减荷装置连接的肘关节上臂连杆、上臂套索；所述上臂弹簧减荷装置内设有两根压缩弹簧及与肘关节上臂连杆连接的弹簧导杆、位于压缩弹簧两端的弹簧活动盖板及弹簧固定盖板；上臂套索一头固定于弹簧活动盖板的中心轴，另一头穿过弹簧固定盖板上的导向滑轮并与前臂连杆模块连接；
5、所述前臂连杆模块包括肘关节前臂连杆、腕关节前臂连杆、前臂螺纹锁紧机构；肘关节前臂连杆一端与锁止关节模块连接，另一端与前臂螺纹锁紧机构连接；腕关节前臂连杆一端设于肘关节前臂连杆内，另一端与锁止关节模块连接。
6、进一步的，所述腰部固定模块包括背部固定杆、与背部固定杆下端连接的腰部固定板、与背部固定杆上端连接的背部固定板、背部背带、腰部护具、固定于腰部固定板一侧的回转关节轴、关节轴固定环。
7、进一步的，所述锁止关节模块包括前肢体连杆、后肢体连杆、设于前肢体连杆一侧的齿盘、与后肢体连杆连接的关节芯体。
8、进一步的，所述关节芯体包括两轴同心设置的关节基座与关节顶盖、同轴固连的凸轮与槽轮、设于关节基座一侧的微型电机、与微型电机连接的蜗杆、蜗轮、滚子、棘爪；关节基座与关节顶盖与前肢体连杆连接。
9、进一步的，所述末端制孔模块包括气动滑台、与气动滑台及锁止关节模块连接的底座、固定于气动滑台上的电钻。
10、进一步的，所述弹簧活动盖板与弹簧固定盖板上分别有两个比弹簧导杆外径稍大的孔。
11、进一步的，所述关节基座设有对称的凹槽，凹槽中设有棘爪。
12、进一步的，所述每个棘爪均设有两个滚子，滚子嵌于凸轮的外弧面与槽轮的内槽面组成的槽中。
13、进一步的，所述当关节解锁时，涡轮转动且凸轮推动滚子，棘爪沿关节基座的凹槽向外转动，转动到特定角度时，棘爪与齿盘接触，关节锁死；当关节需要解锁时，涡轮反向转动，槽轮推动滚子，棘爪沿凹槽向内转动，棘爪脱离齿盘，关节解锁。
14、进一步的，所述机器人的重力平衡系统中的四个自由度受重力影响：肩肘关节的屈伸自由度、肩关节的内收外摆自由度、腕关节的尺屈自由度、腕关节的桡屈自由度。
15、有益效果：相较于现有技术，具有如下显著效果：通过锁止关节与弹簧减荷装置配合，能够平衡作业过程中的重力并且转移抵消加工反作用力，全面减小工人负荷，提高助力效率；采用无动力弹簧减荷装置降低工人作业过程中的关节力矩，避免大型电机与复杂控制系统，提高外骨骼的鲁棒性与易用性；利用动滑轮组减小弹簧减荷装置中弹簧所需的拉伸距离，减小机构尺寸，实现外骨骼轻量化与小型化；通过锁止关节使用可电控的多齿啮合的齿盘-棘爪滑块锁止机构锁死关节，能够抵消不同大小与方向的载荷，适应不同的加工姿势，提高外骨骼柔性；采用模块化设计，能够替换并重新组合锁止关节模块与各肢体连杆模块，改变外骨骼的承载能力与自由度，具有可重构性。
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1.一种准无动力外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部固定模块(Ⅰ)、背部连杆模块(Ⅱ)、肩部连杆模块(Ⅲ)、上臂连杆模块(Ⅳ)、前臂连杆模块(Ⅴ)、锁止关节模块(Ⅵ)、末端制孔模块(Ⅶ)；所述背部连杆模块(Ⅱ)包括与腰部固定模块(Ⅰ)连接的肩内外旋关节(8)、与肩内外旋关节(8)上端连接的肩部弹簧减荷装置(9)、肩关节锁套(13)；所述肩部弹簧减荷装置(9)内设有四根拉伸弹簧(903)及滑轮组(905)；肩关节锁套(13)一头固定于弹簧(903)底部，另一头穿过滑轮组(905)并与前臂连杆模块(Ⅴ)连接；
2.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部固定模块(Ⅰ)包括背部固定杆(2)、与背部固定杆(2)下端连接的腰部固定板(1)、与背部固定杆(2)上端连接的背部固定板(3)、背部背带(4)、腰部护具(5)、固定于腰部固定板(1)一侧的回转关节轴(6)、关节轴固定环(7)。
3.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述锁止关节模块(Ⅵ)包括前肢体连杆(28)、后肢体连杆(29)、设于前肢体连杆(28)一侧的齿盘(27)、与后
4.根据权利要求3所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述关节芯体(26)包括两轴同心设置的关节基座(2601)与关节顶盖(2602)、同轴固连的凸轮(2606)与槽轮(2607)、设于关节基座(2601)一侧的微型电机(2603)、与微型电机(2603)连接的蜗杆(2604)、蜗轮(2605)、滚子(2608)、棘爪(2609)；关节基座(2601)与关节顶盖(2602)与前肢体连杆(28)连接。
5.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述末端制孔模块(Ⅶ)包括气动滑台(29)、与气动滑台(29)及锁止关节模块(Ⅵ)连接的底座(28)、固定于气动滑台(29)上的电钻(31)。
6.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述弹簧活动盖板(1703)与弹簧固定盖板(1704)上分别有两个比弹簧导杆(1702)外径稍大的孔。
7.根据权利要求4所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述关节基座(2601)设有对称的凹槽，凹槽中设有棘爪(2609)。
8.根据权利要求4所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述每个棘爪(2609)均设有两个滚子(2608)，滚子(2608)嵌于凸轮(2606)的外弧面与槽轮(2607)的内槽面组成的槽中。
9.根据权利要求4所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述当关节解锁时，涡轮(2605)转动且凸轮(2606)推动滚子(2608)，棘爪(2609)沿关节基座(2601)的凹槽向外转动，转动到特定角度时，棘爪(2609)与齿盘(27)接触，关节锁死；当关节需要解锁时，涡轮(2605)反向转动，槽轮(2607)推动滚子(2608)，棘爪(2609)沿凹槽向内转动，棘爪(2609)脱离齿盘(27)，关节解锁。
10.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述机器人的重力平衡系统中的四个自由度受重力影响：肩肘关节的屈伸自由度、肩关节的内收外摆自由度、腕关节的尺屈自由度、腕关节的桡屈自由度。
...【技术特征摘要】
1.一种准无动力外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部固定模块(ⅰ)、背部连杆模块(ⅱ)、肩部连杆模块(ⅲ)、上臂连杆模块(ⅳ)、前臂连杆模块(ⅴ)、锁止关节模块(ⅵ)、末端制孔模块(ⅶ)；所述背部连杆模块(ⅱ)包括与腰部固定模块(ⅰ)连接的肩内外旋关节(8)、与肩内外旋关节(8)上端连接的肩部弹簧减荷装置(9)、肩关节锁套(13)；所述肩部弹簧减荷装置(9)内设有四根拉伸弹簧(903)及滑轮组(905)；肩关节锁套(13)一头固定于弹簧(903)底部，另一头穿过滑轮组(905)并与前臂连杆模块(ⅴ)连接；
2.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述腰部固定模块(ⅰ)包括背部固定杆(2)、与背部固定杆(2)下端连接的腰部固定板(1)、与背部固定杆(2)上端连接的背部固定板(3)、背部背带(4)、腰部护具(5)、固定于腰部固定板(1)一侧的回转关节轴(6)、关节轴固定环(7)。
3.根据权利要求1所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述锁止关节模块(ⅵ)包括前肢体连杆(28)、后肢体连杆(29)、设于前肢体连杆(28)一侧的齿盘(27)、与后肢体连杆(29)连接的关节芯体(26)。
4.根据权利要求3所述的无动力外骨骼机器人，其特征在于，所述关节芯体(26)包括两轴同心设置的关节基座(2601)与关节顶盖(2602)、同轴固连的凸轮(2606)与槽轮(2607)、设于关节基座(2601)一侧的微型电机(2603)、与微型电机(2603)连接的蜗杆(2604)、蜗轮(2605)、滚子(2608)、棘爪(2609)；关节基座(2601)与...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴青聪，赖纪超，王佳龙，王梓杰，许子晗，王金璐，汪子琪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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