【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械工程学、机器人与机构学研究领域，具体是一种用于搬运动作助力、增强人体机能的腰髋关节外骨骼机器人。
技术介绍
1、腰部在人体中担任着承重的重任，在搬运状态下腰部往往承受着远超人体体重的重量。因此，众多从事物流业、建筑业、医疗业、制造业的劳动者备受腰背痛的困扰，而对于腰部疾病的治疗、康复手段，目前仍主要以按摩、拔罐、针灸等传统方式进行，对严重患者甚至需要进行手术治疗。腰部疾病的预防显得尤为重要，如何减轻工作时的腰部负担成为了一个相当重要的课题。腰髋关节外骨骼机器人作为一种可穿戴式的机器人，可以对人体提供支撑与保护，对腰髋关节机器人的应用可以有效地预防减少腰背损伤的发生，同时增强了穿戴者的搬运能力，减少体能消耗。
2、当前国际上相对成熟的腰部外骨骼机器人有美国ekso bionics公司开发的eksoevo外骨骼、意大利比萨圣安娜大学生物机器人研究所研制的apo外骨骼机器人、法国japetmedical devices公司研制的japet腰部外骨骼，国内也有上海傲鲨智能开发的bes-hv电驱型腰部外骨骼、迈宝智能开发的飞燕系列有源腰部助力外骨骼。公开的专利有武汉阿派朗科技有限责任公司的一种腰部助力外骨骼机构(cn218856957u)、重庆牛迪创新科技有限公司的一种一体式负重外骨骼以及腰部外骨骼(cn218138043u)等。但是上述外骨骼机器人在结构上都存在着人机运动相容性不足的问题，在腰部机构方面，没有考虑到人体脊柱是由多节脊椎关节串联而成，而采用了单关节的机构设计，导致对脊柱机构产生压迫；在髋关节机
技术实现思路
1、本专利提出了一种人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人的技术方案来解决上述问题，它基于人体腰髋关节解剖学与运动学特性，规划了腰髋关节外骨骼机器人的自由度配置。
2、据此本专利设计了一个人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人，所述机器人包括腰部被动助力超冗余度混联机构、髋关节主动助力欠驱动串联机构、腰髋连接机构和穿戴件；所述腰髋连接机构连接腰部被动助力超冗余度混联机构和髋关节主动助力欠驱动串联机构；所述腰部被动助力超冗余度混联机构上端、髋关节主动助力欠驱动串联机构的第一个关节以及腿部球铰，都与穿戴件连接。
3、人体在搬运过程中主要受力的脊椎为l1～s1(即腰椎第一节至骶椎第一节)，因此腰部被动助力超冗余度混联机构的并联单元共有五节，分别对应了l1～l2至l5～s1这五节脊椎结构。每一节并联单元都采取基于6-sps的并联机构设计；
4、所述腰部被动助力超冗余度混联机构包括上连接件、可伸缩杆、下连接杆和并联机构；上连接件的上端与穿戴件相连接，下端与可伸缩杆的上端固定连接，可伸缩杆的下端与下连接件的上端固定连接；下连接件的下端与并联机构中的第一节并联单元固定连接。
5、每个并联单元包括穿戴连接件、底盘、连接板、球铰盖片和伸缩单元；穿戴连接件固定在圆环状底盘上，穿戴连接件与连接板转动连接，连接板与穿戴件固定连接；底盘之间平行设置，球铰盖片固定在底盘的上下两面，伸缩单元中的球铰头通过球铰盖片与底盘球接。最后一组并联单元中的底盘固定连接l形板；
6、伸缩单元包括球铰头、伸缩杆、套筒端盖、弹簧和套筒；伸缩杆的头部滑动安装在套筒内，套筒端盖与套筒的一端固定连接，伸缩杆的杆部通过套筒端盖上的孔穿出，球铰头的尾端与伸缩杆尾部固定连接；另一个球铰头与套筒的另固定连接；每个伸缩单元设置有两个弹簧，其中一个弹簧安装于套筒与伸缩杆头部之间，另一个弹簧安装在伸缩杆头部与套筒端盖之间。
7、腰髋连接机构ⅲ包括传动节和中间节；中间节与l形板9固连，中间节两侧设有节数相同的传动节，中间节与传动节之间转动连接，中间节之间转动连接。
8、髋关节主动助力欠驱动串联机构包括：两个转动副机构、一个移动副机构与一个球铰机构；第一个转动副机构包括：安装座、执行器；执行器固定在执行器安装座上，执行器安装座与穿戴件相连固定连接且执行器安装座与腰髋连接机构ⅲ中最外侧的两个传动节转动连接；执行器的输出轴构成第一个转动副旋转轴；第二个转动副机构包括：转子、转动副连接件和转动件；转动副连接件的一端与转子固定连接，另一端与转动件转动连接形成第二转动副旋转轴；移动副机构包括:移动副轴与移动副滑块；移动副轴与移动副滑块滑动连接形成移动副；球铰机构包括：腿板、腿部盖片、腿部球铰头与腿杆；腿杆与腿部球铰头固定连接，腿部球铰头与腿板连接形成球面副并通过腿部盖片限位；腿板与穿戴者大腿通过绑带固定；执行器的输出轴固定连接转子，转动件的尾端固定连接移动副轴的顶端，腿杆一端与移动副滑块固定连接，移动副滑块做直线运动，带动整个球铰机构运动。
9、穿戴件包括上穿戴件、下穿戴件、腿部绑带；腰部被动助力超冗余度混联机构与上穿戴件固定，作用于穿戴者腰背部，髋关节主动助力欠驱动串联机构固定于下穿戴件两侧，球铰部分通过绑带与穿戴者大腿连接，作用于穿戴者髋关节至大腿；腰髋连接机构作为腰部被动助力超冗余度混联机构与髋关节主动助力欠驱动串联机构的连接部分，与下穿戴件相连接。
10、第二个转动副旋转轴与第一个转动副的旋转轴正交；第一个转动副的旋转轴与人体冠状轴平行；第二个转动副旋转轴与人体矢状轴平行。
11、与现有技术相比，本专利技术的优点为：
12、本专利技术公开的人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人能够适应穿戴者从事多种弯腰搬运的工作，工作范围与人体正常运动范围协调，不阻碍穿戴者前屈后伸、外展内收、内旋外旋的正常运动，并能为穿戴者的俯身搬运动作提供主被动结合式的助力，减轻腰背部负荷，降低腰髋关节发病几率并增强作业能力。
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1.一种人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人，其特征在于：所述机器人包括腰部被动助力超冗余度混联机构、髋关节主动助力欠驱动串联机构、腰髋连接机构和穿戴件；所述腰髋连接机构连接腰部被动助力超冗余度混联机构和髋关节主动助力欠驱动串联机构；所述腰部被动助力超冗余度混联机构上端、髋关节主动助力欠驱动串联机构的第一个关节以及腿部球铰，都与穿戴件连接。
2.根据权利要求1所述的人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人，其特征在于：所述腰部被动助力超冗余度混联机构包括上连接件、伸缩杆、下连接杆和并联机构；
3.根据权利要求2所述的人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人，其特征在于：并联机构包括多组并联单元，每一组并联单元都采取基于6-SPS的并联机构设计。
4.根据权利要求3所述的人机运动相容的腰髋关节外骨骼机器人，其特征在于：每个并联单元包括穿戴连接件、底盘、连接板、球铰盖片和伸缩单元；穿戴连接件固定在圆环状底盘上，穿戴连接件与连接板转动连接，连接板与穿戴件固定连接；底盘之间平行设置，球铰盖片固定在底盘的上下两面，伸缩单元中的球铰头通过球铰盖片与底盘球接。
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