一种外骨骼搬运助力机器人的制作方法

本发明属于助力机器人研究领域，具体涉及一种外骨骼搬运助力机器人。

背景技术：

随着我国经济的快速发展,物流行业已经成为我国经济发展中的支柱行业，据统计，2009年我国社会物流总费用达到6.1万亿元，占同期GDP的比重为18.1％；2010年总费用为7.1万亿元，占同期GDP的比重为17.8％。但目前物流行业在货物仓库及装车的过程中主要还是依靠单纯的人力搬运来完成。所以说发明一种价格适中，结构简单，易于穿戴的用于辅助搬运的全身外骨骼助力机器人以此提高人体在搬运货物使得效率则显得尤为重要。

经文献检索，申请号为201210319331.2的中国发明专利提出了一种可穿戴于人体四肢的重型物资搬运助力仿生外骨骼，上肢外骨骼为7自由度系统，由3自由度肩关节、1自由度肘关节、2自由度腕关节、1自由度手部以及背部的电机驱动系统箱组成，7自由度均采用电机驱动。下肢外骨骼为6自由度系统，由3自由度髋关节、1自由度膝关节、2自由度踝关节以及背部的电液驱动系统箱组成，6自由度均采用液压驱动。人体穿戴好整套外骨骼装备后，借助电机或液压等机械动力，在物资搬运时可大幅提高效率和灵活性，达到省时省力的目的。但该装置的缺点也较为明显：

1)在关节处设计简单，而且并没有感应器系统与控制系统不能够准确的检测穿戴者和外骨骼的运动信息，从而无法感应与控制外骨骼的运动目的；2)下肢采用液压助力，启动速度较慢，液压缸使得系统较为笨重，增加结构重量，并不适用于人体的穿戴；3)该装置不能够改变下肢的结构长度，在穿戴时不具有通用性，并不适合不同人的穿戴；4)装置较为笨重,不易穿戴

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种结构简单，能够准确感应与控制，下肢可调节长度并且易穿戴的外骨骼搬运助力机器人，以解决上诉缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种外骨骼搬运助力机器人，该装置具有结构简单，能够准确感应与控制，下肢可调节长度，易穿戴并且具有通用性的特点。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种外骨骼搬运助力机器人，包括背部支架、中央控制器、肩关节动力装置、外骨骼髋关节、外骨骼髋关节动力装置、外骨骼上肢部件与外骨骼下肢部件；所述背部支架上安装有中央控制器；所述背部支架上端两侧分别与肩关节动力装置连接；所述背部支架下端与外骨骼髋关节中的U形腰部支架固连，U形腰部支架的两端均设置有输出卡盘凹槽；所述输出卡盘凹槽与外骨骼髋关节动力装置一端的髋关节连接轴相连接；所述髋关节动力装置另一端的外骨骼大腿伸缩装置的与外骨骼下肢部件相连接；

所述肩关节动力装置主要包括肩关节角度传感器、肩关节电机外壳、肩关节驱动电机、肩关节谐波减速器和肩关节动力装置电机外壳；所述肩关节驱动电机输出轴上安装有肩关节谐波减速器，所述肩关节驱动电机和肩关节谐波减速器外侧分别安装有肩关节电机外壳与肩关节动力装置电机外壳，且肩关节电机外壳与肩关节动力装置电机外壳通过螺栓连接；所述肩关节驱动电机上设置有肩关节角度传感器，肩关节动力装置电机外壳与肩部连接装置第二孔连接，所述肩部连接装置第二孔设置在肩部连接装置上，所述肩部连接装置通过其上的肩部连接装置第一孔与背部支架相连接；所述肩部连接装置与外骨骼上肢部件中的外骨骼上臂垂直固定设置在一起；所述肩关节角度传感器测量肩关节运动的角度信号，并将信号传递给中央控制器，中央控制器根据检测到的信号控制肩关节电机的转动；

所述外骨骼上肢部件包括外骨骼上臂、肘关节自锁机构和外骨骼下臂；所述外骨骼上臂与外骨骼下臂通过肘关节自锁机构连接；所述外骨骼上臂安装有上臂绑带，外骨骼下臂安装有下臂绑带；

所述外骨骼髋关节动力装置包括增量式编码器、驱动电机、谐波减速器外壳、动力输出端卡盘、轴承挡盘、动力装置第一外壳、电机外壳、谐波减速器、动力输入端卡盘、输出端卡盘轴承、动力输出片与绝对式编码器；所述电机外壳内安装有驱动电机；所述驱动电机输入端与增量式编码器连接，且增压式编码器置于电机外壳的外侧；驱动电机的输出端与谐波减速器输入端相连接；所述谐波减速器置于谐波减速器外壳内；所述谐波减速器与动力输入端卡盘通过螺栓相连接；所述谐波减速器外壳与动力装置第一外壳上对应位置处开设有谐波减速器外壳孔与动力装置第一外壳孔；所述谐波减速器外壳与动力装置第一外壳通过谐波减速器外壳孔与动力装置第一外壳孔通过螺栓固连；所述动力输入端卡盘与输出端卡盘轴承依次安装在动力装置第一外壳内；所述动力输入端卡盘一侧设置有凸起轴，凸起轴安装在输出端卡盘轴承上，所述输出端卡盘轴承安装在动力输出端卡盘内；所述输出端卡盘轴承右侧设置有动力输出片；所述动力输出片通过螺栓与动力输出端卡盘上开设的孔相连接；所述动力输出片右侧面中心设置有动力输出片轴；所述动力输出片轴上安装有绝对式编码器；所述绝对式编码器右侧面中心处设置有髋关节连接轴；

所述外骨骼髋关节包括U形腰部支架、背部支架减震器、髋关节连接装置、髋关节连接装置伸缩端、外骨骼大腿伸缩装置和支撑减震器；所述U形腰部支架两端均通过髋关节连接轴与髋关节连接装置转动连接；所述髋关节连接装置下端固定设置有髋关节连接装置伸出端；所述髋关节连接装置伸出端与外骨骼大腿伸缩装置螺栓连接；所述支撑减震器一端与支撑减震器连接第一孔销钉连接，另一端与支撑减震器连接第二孔销钉连接，所述支撑减震器连接第一孔设置在外骨骼大腿伸缩装置上，支撑减震器连接第二孔设置在U形腰部支架上；当背部支架转动时，支撑减震器跟随背部支架的转动而转动，背部支架不转动时支撑减震器对背部支架起支撑的作用，并且由于支撑减震器外部为弹簧，在背部支架转动的过程中，起到缓冲作用；背部支架与U形腰部支架通过腰部支架连接装置转动连接，所述腰部支架连接装置固定设置在U形腰部支架上；背部支架减震器固定安装在背部支架与腰部支架之间，对背部支架有支撑与减震缓冲的作用；所述外骨骼大腿伸缩装置下端安装有外骨骼下肢部件中外骨骼大腿；

所述外骨骼下肢部件包括外骨骼腿与外骨骼鞋装置；所述外骨骼腿包括大腿伸缩固定器、外骨骼大腿、膝关节轴承支架、膝关节伸缩装置、小腿伸缩固定器、外骨骼小腿；所述外骨骼大腿一端中空，且该中空处开设有槽，所述外骨骼伸缩装置的末端置于外骨骼大腿内部并通过大腿伸缩固定器固定；所述大腿伸缩固定器置于外骨骼大腿的外侧；所述外骨骼大腿另一端端末设置有外骨骼大腿连接装置，所述外骨骼大腿连接装置两侧均安装有膝关节轴承；所述膝关节轴承外圈安装在膝关节轴承支撑架上；所述膝关节轴承支撑架上开设有孔，该孔通过销钉与膝关节伸缩装置一端连接；所述膝关节伸缩装置另一端置于外骨骼小腿内；所述外骨骼小腿一端中空，且该中空处开设有槽，所述膝关节伸缩装置的末端置于外骨骼小腿内部并通过小腿伸缩固定器固定；所述小腿伸缩固定器置于外骨骼小腿的外侧；所述外骨骼小腿另一端设置有外骨骼小腿连接杆；所述外骨骼小腿连接杆上开设有连接杆孔；所述外骨骼小腿连接杆可以在踝关节第二连接装置上下移动；所述踝关节第二连接装置安装在小腿连接板上；所述小腿连接板为L形，所述小腿连接板上还安装有踝关节第一连接装置；所述踝关节第一连接装置内安装有踝关节伸缩装置；所述踝关节伸缩装置与外骨骼鞋装置相连接；

所述中央控制器包括角度信号分析模块和角度控制单元；所述角度信号分析模块一端与肩关节角度传感器、增量式编码器与绝对式编码器相连接，角度信号分析模块另一端与角度控制单元相连接，角度控制单元控制驱动电机的转动。

进一步的，所述外骨骼鞋装置包括支撑架固定装置、外骨骼鞋、外骨骼鞋连接器和外骨骼鞋支撑架；所述外骨骼鞋为鞋底状，外骨骼鞋的前端设置有竖直的绑带连接装置、后端设置有竖直的外骨骼鞋连接杆；所述外骨骼鞋连接杆通过销钉与外骨骼鞋支撑架固连；所述外骨骼鞋支撑架通过支撑架固定装置固定在踝关节伸缩装置上。

进一步的，所述支撑减震器外部为弹簧，内部设置有可伸缩的杆。

进一步的，所述中央控制器包括角度信号分析模块和角度控制单元；所述角度信号分析模块分别接受来自于肩关节角度传感器与增量式编码器与绝对式编码器的角度信号，角度信号分析模块将这些角度信号处理后传递给角度控制单元，角度控制单元控制驱动电机的转动；驱动电机旋转时，增量式编码器测量电机旋转的角度，并将测得的角度信号传递给安装在背部的中央控制器；所述绝对式编码器固定安装在动力输出片上，当动力输出片转动时带动绝对式编码器的转动，绝对式编码器将测得角度值信号传递给中央控制器。

进一步的，所述背部支架上还设置有背部绑带和电源插座；所述背部支架与背部绑带固定连接在一起，所述中央控制器安装在背部支架的后侧并与电源插座电连接；所述电源插座安装在背部支架的后侧。

进一步的，所述背部绑带其内部为柔性缓冲材料。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所述一种用于辅助搬运的腰部助力机器人，该机构能实现帮助穿戴者辅助搬运重物的基本功能，并且采用电机驱动，启动速度快，使得穿戴者，外观结构设计简单能够较为方便的穿戴，并且能够准确感应与控制，下肢可调节长度，并且下肢可以支撑背部支架的重量，适应不同人群穿戴的优点，运动效果良好的优点从而克服现有机构一些固有的缺点，更加适用于社会的需求。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明整体结构背部示意图；

图3是本发明外骨骼肩关节结构示意图；

图4是本发明外骨骼背部支架及髋关节结构示意图；

图5是本发明髋关节动力装置结构示意图；

图6是本发明外骨骼下肢膝关节结构示意图；

图7是本发明外骨骼下肢踝关节及鞋部结构示意图；

图8是本发明控制流程及控制系统示意图；

图9是本发明肘关节自锁装置示意图。

附图标记如下：

1、背部支架；2、背部绑带；3、增量式编码器；4、驱动电机；5、谐波减速器外壳；6、动力输出端卡盘；7、轴承挡盘；8、动力装置第一外壳；9、电机外壳；10、谐波减速器；11、动力输入端卡盘；12、输出端卡盘轴承；13、动力输出片；14、绝对式编码器；15、支撑减震器连接二孔；16、髋关节连接轴；17、髋关节连接装置；18、髋关节连接装置伸出端；19、外骨骼大腿伸缩装置；20、支撑减震器连接一孔；21、大腿伸缩固定器；22、外骨骼大腿；23、输出卡盘凹槽；24、膝关节轴承支撑架；25、膝关节伸缩装置；26、小腿伸缩固定器；27、外骨骼小腿；28、外骨骼小腿连接杆；29、连接杆螺纹孔；30、膝关节轴承；31、支撑减震器；32、小腿连接板；33-1、踝关节第一连接装置；33-2、踝关节第二连接装置；34、踝关节伸缩装置；35、支撑架固定装置；36、绑带连接装置；37、外骨骼鞋；38、外骨骼鞋连接杆；39、外骨骼鞋支撑架；40、中央控制器；40-1、角度信号分析模块；40-2、角控制单元；41、电源插座；43、动力输出片轴；44、谐波减速器外壳孔；45、动力装置第一外壳孔。46、背部支架减震器；47、U形腰部支架；48、腰部支架连接器；49、背部支架连接器；50、外骨骼上臂；51、上臂绑带；52、肘关节自锁装置；53、外骨骼下臂；54、下臂绑带；55、肩部连接装置；56、肩部连接装置第一孔；57、肩部连接装置第二孔；58、肩关节角度传感器；59背部支架孔；60、肩关节电机外壳；61、肩关节驱动电机；62、肩关节谐波减速器；63、肩关节动力装置外壳。

具体实施方式

为对本发明作进一步的了解，现结合附图作进一步的描述：

为本发明所述外骨骼搬运助力机器人的一种实施方式，包括背部支架1、中央控制器40、两个结构相同的上肢部件与两个结构相同的下肢部件。

结合附图1与图2和图9，背部支架1主要包括背部绑带2，电源插座41，中央控制器40；所述背部绑带2与背部支架1固定连接在一起，背部绑带2其内部为柔性缓冲材料，在穿戴时背部绑带2将人与背部支架1柔性绑缚在一起；所述中央控制器40安装在背部支架1的后侧并与电源插座41电链接；电源插座41为背部支架1的一部分，在背部支架1的后侧，工作时通过电线将其与室内的电源连接。外骨骼上肢主要包括外骨骼上臂50、肘关节自锁机构52与外骨骼下臂53，肘关节自锁机构52采用沙发铰链自锁机构，可以在弯曲角度为90～180时任意角度自锁，当人搬起重物后当肘关节弯曲到90～180之间时对外骨骼上肢形成自锁，起到对人体上肢支撑的作用；外骨骼上臂50安装有上臂绑带51，外骨骼下臂安装有下臂绑带54，绑带内部均为柔性材料起到固定人体胳膊的作用。

根据图3所示，肩关节动力装置主要包括肩关节角度传感器58、肩关节电机外壳60、肩关节驱动电机61、肩关节谐波减速器62与肩关节动力装置外壳63，其中肩关节角度传感器测量肩关节运动的角度信号，并将信号传递给中央控制装置，中央控制装置根据检测到的信号控制肩关节电机61的转动，肩关节动力装置电机外壳63固定安装在肩关节连接装置55的外侧，肩关节谐波减速器62输出端一侧外骨骼上臂50通过螺钉连接在一起，肩关节驱动电机61带动肩关节谐波减速器62转动后会带动外骨骼上臂绕肩关节的转动；肩部连接装置第一孔56与背部支架1上的背部支架孔59通过销钉连接在一起，保证外骨骼肩关节的转动。

据图4所示，外骨骼髋关节主要包括U形腰部支架47、背部支架减震器46、髋关节连接装置17、髋关节连接装置伸缩端18、外骨骼大腿伸缩装置19与支撑减震器31，其中髋关节连接装置17与髋关节连接轴16转动连接，髋关节连接装置伸出端18与外骨骼大腿伸缩装置19固定连接在一起；所述支撑减震器31外部为弹簧，内部为可以伸缩的杆，支撑减震器31的一端支撑减震器连接第一孔20销钉连接，另一端与支撑减震器连接第二孔15销钉连接，当背部支架转动时，支撑减震器31跟随背部支架的转动而转动，背部支架不转动时支撑减震器31起到对背部支架1支撑的作用，并且由于支撑减震器31的外部为弹簧，在背部支架转动的过程中，起到一定的缓冲作用；背部支架1与U形腰部支架47通过腰部支架连接装置48与背部支架连接装置转动连接在一起，两者之间有一个转动的自由度；背部支架减震器46固定安装在背部支架1与腰部支架47之间，起到对背部支架的支撑与减震缓冲的作用。

结合图4与图5，外骨骼髋关节动力装置安装在背部支架1的两侧，包括增量式编码器3、驱动电机4、动力输出卡盘6、轴承挡盘7、动力装置第一外壳8、电机外壳9、谐波减速器10、动力输入卡盘11、输出端卡盘轴承12、动力输出片13与绝对式编码器14，动力装置分别安装在外骨骼助力机器人背部支架的两侧；增量式编码器3固定安装在电机外壳9上，驱动电机4的两端为输出端，其中一端深入到增量式编码器3中，电机旋转时，增量式编码器3测量电机旋转的角度，并将测得的角度信号传递给安装在背部的中央控制器40；所述驱动电机4固定套在电机外壳9里面并与电池25电连接，驱动电机4两端的输出轴一端与增量式编码器3连接，另一端与谐波减速器10的输入端端口过盈连接在一起，驱动电机4转动时将动力传递给谐波减速器3，谐波减速器3将驱动电机4的转速减速后传递给动力输入端卡盘11；所述谐波减速器10与动力输入端卡盘11螺栓固定连接在一起，当动力输入端卡盘11转动时与动力输出端卡盘6卡在一起，以带动动力输出端卡盘6的运动，动力输出端卡盘6固定嵌套在背部支架1中的输出卡盘凹槽23内，当动力输出端卡盘6转动时，带动背部支架1的运动，输出端卡盘轴承12嵌套在动力输出卡盘的轴孔中，输出端卡盘轴承12与动力输出端卡盘凸起轴过盈连接在一起，动力输入卡盘轴43与输出端卡盘轴承12的内壁过盈连接在一起；所述轴承挡盘7通过输出端卡盘轴43上的螺纹孔与轴承挡盘7的螺纹孔固定连接在一起，轴承挡盘7起到对输出端卡盘轴承12固定的作用，防止输出端卡盘轴承12在工作时的脱落。当动力输出卡盘11与动力输入卡盘6没有卡在一起时，动力输入端卡盘6与动力输出端卡盘11之间的转动不会相互影响。谐波减速器外壳5与电机外壳9之间通过螺栓螺纹固定连接在一起，动力装置第一外壳8与谐波减速器外壳5通过动力装置第一外壳8上的动力装置第一外壳孔44与谐波减速器外壳5上的孔，动力装置第一外壳孔8固定连接在背部支架1上。所述动力输出片13通过螺纹孔固定连接在动力输出端卡盘凸起轴上，动力输出片轴43与绝对式编码器14转动连接,当动力输入卡盘6转动时带动绝对式编码器14的转动，绝对式编码器14将测得角度值信号传递给中央控制器40。

据图6所示，外骨骼腿包括外骨骼大腿伸缩装置19、大腿伸缩固定器21、外骨骼大腿22、膝关节轴承支架24、膝关节伸缩装置25、小腿伸缩固定器26、外骨骼大腿27，所述外骨骼伸缩装置19的末端与外骨骼大腿27通过大腿伸缩固定器21将外骨骼伸缩装置19与外骨骼大腿27连接在一起；所述膝关节轴承30内孔并与外骨骼大腿22的末端过盈连接在一起；所述膝关节轴承支撑架24与膝关节轴承30的外壁过盈连接，膝关节轴承支撑架24与膝关节伸缩装置25通过销钉连接固定连接在一起，工作时膝关节伸缩装置25随膝关节轴承30的转动而转动；所述膝关节伸缩装置25末端与外骨骼大腿27通过小腿伸缩固定器26固定连接在一起。

据图7所示，外骨骼小腿连接杆28、小腿连接板32、踝关节伸缩装置34、外骨骼鞋支撑架39、外骨骼鞋37，所述外骨骼小腿连接杆28上开有连接杆孔29，外骨骼小腿连接杆28深入到踝关节连接装置二中，通过螺栓将小腿连接板32、外骨骼小腿连接杆28与踝关节第二连接装置33-2固定连接在一起；所述踝关节伸缩装置34一端开有孔，并深入到踝关节第一连接装置33-1中，通过螺栓将踝关节伸缩装置34、踝关节第一连接装置33-1与小腿连接板32固定连接在一起；所述两侧的外骨骼鞋支撑架39通过支撑架固定装置35将其固定连接在一起，支撑架固定装置35与踝关节伸缩装置34转动连接；所述外骨骼鞋37通过外骨骼鞋连接器38与外骨骼鞋支撑架39转动连接，外骨骼鞋上的绑带连接装置用以安装连接绑带，将脚与外骨骼鞋进行柔性绑缚在一起。

结合附图8，所述中央控制器40包括角度信号分析模块40-1与角度控制单元40-2；所述角度信号分析模块40-1分别接受来自于外骨骼肩关节上的肩关节角度传感器58与外骨骼髋关节上的增量式编码器3与绝对式编码器14的角度信号，角度信号分析模块40-1将这些角度信号处理后传递给角度控制单元40-2，角度控制单元40-2控制驱动电机4的转动。

进一步的肩关节与动力装置中的驱动电机4与电源插座41电连接，为驱动电机4的转动提供电能。

本发明的工作过程如下：

当人体在搬运重物时，人体首先穿戴上外骨骼搬运助力机器人，根据穿戴者的身材,调整外骨骼下肢的长度。外骨骼下肢长度调节好后,人体穿戴好助力机器人其中背部绑带2将人体与背部支架1柔性绑缚在一起，上臂绑带51与下臂绑带54将人胳膊与外骨骼上肢绑缚在一起。

人体穿戴好外骨骼搬运助力机器人后,当要弯腰搬运重物时，人在弯腰的过程中，人体带动背部支架运动，由于动力输出端卡盘6固定安装在背部支架1的输出卡盘凹槽23中，所以背部支架1的运动带动动力输出端卡盘6的运动。此时,人在弯腰运动的过程中，动力输出端卡盘6与动力输入端卡盘11并没有卡在一起，人弯腰到一定角度后,动力输出端卡盘6与动力输入端卡盘11卡在一起。人在弯腰的带动输出端卡盘运动的过程中,绝对式编码器14测量人体弯腰的角度信号，并将角度信号传递给中央控制器40。当人体运动带动动力输出端卡盘6运动到预先设定好的角度值时,此时动力输出端卡盘6与动力输入端卡盘11卡在一起，中央控制器40控制驱动电机4正转，驱动电机4正转带动动力输出端卡盘6正转，由于此时动力输出端卡盘6与动力输入端卡盘11卡在一起，带动动力输入端卡盘11正转，动力输入端卡盘11固定安装在背部支架1的输出卡盘凹槽23中带动背部支架的正转。以此在搬运时给人提供一定的辅助力量帮助人体抬起重物。当驱动电机4运动时，增量式编码器3将测得的驱动电机4运动的角度信号传递给中央控制器40，当驱动电机4运动到预先设定好的角度值后，此时人体已经抬起重物，动力输入端卡盘11回到运动的初始位置，增量式编码器3将测得的驱动电机4的角度信号传递给中央控制器40，中央控制器40控制驱动电机4翻转，动力输入端卡盘11翻转时，动力输入端卡盘11与动力输出端卡盘6脱离啮合，当动力输出端卡盘6恢复到初始位置时，增量式编码器3将测得的角度信号传递给中央控制器40，中央控制器40控制驱动电机停止转动。

人体在搬运过程中，外骨骼肩关节角度传感器58检测到肩关节的运动，肩关节角度传感器将角度信号传递给中央控制器，中央控制器会控制肩关节传动装置电机的运动，具体工作过程如髋关节的工作过程。

当在搬运物体时，当肘关节弯曲到90～180°之间时肘关节自锁机构52对外骨骼上肢形成自锁，起到对人体上肢支撑的作用。

发明虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。