一种负载自适应被动平衡上肢外骨骼的制作方法

本发明涉及一种外骨骼机器人，具体涉及一种负载自适应被动平衡上肢外骨骼。

背景技术：

目前，上肢被动外骨骼机器人以其独有的人机结合方式受到了广大的研究者的青睐，现有的上肢被动外骨骼多以弹簧为主动力来实现平衡，而当工况中载荷发生变化时，基本依靠人工进行手动调整。这样的结构不但负载质量不高，而且使其平衡效果受到了很大的限制，不能很好的满足各个角度的重力平衡条件，而且调整过程过于繁琐，降低了工作效率。

技术实现要素：

本发明为解决现有外骨骼机器人负载质量不高，不能很好的满足各个角度的重力平衡条件，而且调整过程过于繁琐，降低了工作效率的问题，而提出一种负载自适应被动平衡上肢外骨骼。

本发明的一种负载自适应被动平衡上肢外骨骼，其组成包括大臂、肘关节、小臂、手部、大臂支撑杆和小大臂支撑杆；

大臂包括大臂上杆、大臂下杆、肩关节和大臂驱动机构，大臂驱动机构包括尾部固定件、气弹簧顶板、气弹簧、气弹簧滑轨、连接板、两个大臂支撑杆滑轨、两个大臂支撑杆滑块和两个气弹簧滑块，气弹簧的缸体尾部与尾部固定件固接，气弹簧的活塞杆与气弹簧顶板固接，连接板固装在气弹簧顶板的左侧，一个气弹簧滑块与连接板固接，两个气弹簧滑块均与气弹簧滑轨滑动连接，气弹簧滑轨与大臂下杆固接，两个大臂支撑杆滑轨上下平行设置且固装在气弹簧顶板的右侧，两个大臂支撑杆滑块与两个大臂支撑杆滑轨一一对应，大臂支撑杆滑块与大臂支撑杆滑轨滑动连接，大臂上杆与大臂下杆的结构相同，大臂上杆和大臂下杆对称设置在肩关节的上下端，肩关节位于大臂上杆和大臂下杆的左端，且肩关节分别通过轴承与大臂上杆和大臂下杆铰接，大臂驱动机构设置在大臂下杆中，且大臂驱动机构中的尾部固定件和大臂驱动机构中的两个气弹簧滑块均与大臂下杆固接；

小臂包括小臂上杆、小臂下杆、腕关节和小臂驱动机构，小臂驱动机构与大臂驱动机构的结构相同，小臂上杆与小臂下杆的结构相同，小臂上杆和小臂下杆对称设置在腕关节的上下端，腕关节位于小臂上杆和小臂下杆的右端，且腕关节分别通过轴承与小臂上杆和小臂下杆铰接，小臂驱动机构设置在小臂上杆中，且小臂驱动机构中的尾部固定件和小臂驱动机构中的两个气弹簧滑块均与大臂下杆固接；

肘关节包括大臂肘关节组件、小臂肘关节组件、肘关节驱动机构、大臂过渡齿轮、大臂过渡齿轮轴、小臂过渡齿轮、小臂过渡齿轮轴和两个滚子轴承，大臂肘关节组件包括大臂丝杠螺母、大臂丝杠螺母连接件、大臂下滚珠轴承、大臂肘关节壳体、大臂丝杠、大臂上滚珠轴承、大臂传动齿轮和两个大臂滚针推力轴承，大臂丝杠螺母与大臂丝杠螺纹连接，大臂丝杠的上端由内至外依次套装有两个大臂滚针推力轴承和大臂上滚珠轴承，大臂丝杠的下端由内至外依次套装有大臂丝杠螺母连接件和大臂下滚珠轴承，大臂丝杠螺母与大臂丝杠螺母连接件固接，大臂上滚珠轴承、大臂下滚珠轴承和两个大臂滚针推力轴承均支撑在大臂肘关节壳体中，大臂丝杠的下端外露在大臂肘关节壳体外且与大臂传动齿轮固接；小臂肘关节组件包括小臂传动齿轮、小臂肘关节壳体、小臂丝杠螺母、小臂丝杠螺母连接件、小臂上滚珠轴承、小臂丝杠、两个小臂滚针推力轴承，小臂丝杠螺母与小臂丝杠螺纹连接，小臂丝杠的上端套装有小臂丝杠螺母连接件，小臂丝杠的下端套装有两个小臂滚针推力轴承，小臂丝杠螺母与小臂丝杠螺母连接件固接，小臂丝杠螺母连接件套装在小臂丝杠上，小臂上滚珠轴承和两个小臂滚针推力轴承均支撑在小臂肘关节壳体中，小臂丝杠的下端外露在小臂肘关节壳体外且与小臂传动齿轮固接；肘关节驱动机构包括减速器输出齿轮、减速器外壳、主轴、电机和减速器，减速器设置在减速器外壳中，减速器的输入端与电机连接，减速器的输出端与主轴连接，减速器输出齿轮固装在主轴上；大臂肘关节组件和小臂肘关节组件设置在肘关节驱动机构的左右侧，减速器外壳与大臂肘关节壳体和小臂肘关节壳体固接，大臂过渡齿轮设置在减速器输出齿轮与大臂传动齿轮之间，且大臂过渡齿轮同时与减速器输出齿轮和大臂传动齿轮啮合，大臂过渡齿轮通过一个滚子轴承与大臂过渡齿轮轴连接，大臂过渡齿轮轴与大臂肘关节壳体固接，小臂过渡齿轮设置在减速器输出齿轮与小臂传动齿轮之间，且小臂过渡齿轮同时与减速器输出齿轮和小臂传动齿轮啮合，小臂过渡齿轮通过另一个滚子轴承与小臂过渡齿轮轴连接，小臂过渡齿轮轴与小臂肘关节壳体固接；

大臂、肘关节、小臂和手部由左至右依次布置，大臂上杆和大臂下杆分别通过轴承与大臂肘关节壳体铰接，小臂上杆和小臂下杆分别通过轴承与小臂肘关节壳体铰接，大臂支撑杆设置在大臂驱动机构与大臂肘关节组件之间，且大臂支撑杆的一端与大臂驱动机构中的两个大臂支撑杆滑块固接，大臂支撑杆的另一端与大臂丝杠螺母连接件两侧伸出轴通过轴承铰接，小大臂支撑杆设置在小臂驱动机构与小臂肘关节组件之间，且小大臂支撑杆的一端与小臂驱动机构中的两个大臂支撑杆滑块固接，小大臂支撑杆的另一端与小臂丝杠螺母连接件41两侧伸出轴通过轴承铰接，手部与腕关节铰接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明利用气弹簧输出恒力的方式使得在转动过程中的各个角度都能够完美达到平衡效果。

二、由于气弹簧是功率密度较高的被动储能装置，相比弹簧结构来说，极大程度提高了设备的负载能力和紧凑型，单臂负载能力可达25kg以上。

三、电机自动调整反馈系统的引入使得本发明可以具备在承载重物变化时的快速切换能力，使得工作效率大大提升，并且扩大了其应用场合。

四、本发明结构可以平衡掉由于货物重量产生的重力，减轻人体上肢的负重。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是大臂A与肘关节B的连接关系立体图(去掉大臂下杆A2)；

图3是本发明的主剖视图；

图4是肘关节驱动机构B3的主剖视图；

图5是肘关节B的主剖视图；

图6是大臂支撑杆E与大臂驱动机构A4和大臂肘关节组件B1之间的连接关系立体图；

图7是小大臂支撑杆K与小臂驱动机构C4和小臂肘关节组件B2之间的连接关系立体图；

图8是手部D的结构立体图；

图9是本发明的使用状态图；

图10是本发明的原理简图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式包括大臂A、肘关节B、小臂C、手部D、大臂支撑杆E和小大臂支撑杆F；

大臂A包括大臂上杆A1、大臂下杆A2、肩关节A3和大臂驱动机构A4，大臂驱动机构A4包括尾部固定件3、气弹簧顶板4、气弹簧5、气弹簧滑轨6、连接板7、两个大臂支撑杆滑轨8、两个大臂支撑杆滑块9和两个气弹簧滑块10，气弹簧5的缸体尾部与尾部固定件3固接，气弹簧5的活塞杆与气弹簧顶板4固接，连接板7固装在气弹簧顶板4的左侧，一个气弹簧滑块10与连接板7固接，两个气弹簧滑块10均与气弹簧滑轨6滑动连接，气弹簧滑轨6与大臂下杆A2固接，两个大臂支撑杆滑轨8上下平行设置且固装在气弹簧顶板4的右侧，两个大臂支撑杆滑块9与两个大臂支撑杆滑轨8一一对应，大臂支撑杆滑块9与大臂支撑杆滑轨8滑动连接，大臂上杆A1与大臂下杆A2的结构相同，大臂上杆A1和大臂下杆A2对称设置在肩关节A3的上下端，肩关节A3位于大臂上杆A1和大臂下杆A2的左端，且肩关节A3分别通过轴承与大臂上杆A1和大臂下杆A2铰接，大臂驱动机构A4设置在大臂下杆A2中，且大臂驱动机构A4中的尾部固定件3和大臂驱动机构A4中的两个气弹簧滑块10均与大臂下杆2固接；

小臂C包括小臂上杆C1、小臂下杆C2、腕关节C3和小臂驱动机构C4，小臂驱动机构C4与大臂驱动机构A4的结构相同，小臂上杆C1与小臂下杆C2的结构相同，小臂上杆C1和小臂下杆C2对称设置在腕关节C3的上下端，腕关节C3位于小臂上杆C1和小臂下杆C2的右端，且腕关节C3分别通过轴承与小臂上杆C1和小臂下杆C2铰接，小臂驱动机构C4设置在小臂上杆C1中，且小臂驱动机构C4中的尾部固定件3和小臂驱动机构C4中的两个气弹簧滑块10均与大臂下杆2固接；

肘关节B包括大臂肘关节组件B1、小臂肘关节组件B2、肘关节驱动机构B3、大臂过渡齿轮B4、大臂过渡齿轮轴B5、小臂过渡齿轮B6、小臂过渡齿轮轴B7和两个滚子轴承B8，大臂肘关节组件B1包括大臂丝杠螺母18、大臂丝杠螺母连接件19、大臂下滚珠轴承20、大臂肘关节壳体22、大臂丝杠23、大臂上滚珠轴承24、大臂传动齿轮21和两个大臂滚针推力轴承17，大臂丝杠螺母18与大臂丝杠23螺纹连接，大臂丝杠23的上端由内至外依次套装有两个大臂滚针推力轴承17和大臂上滚珠轴承24，大臂丝杠23的下端由内至外依次套装有大臂丝杠螺母连接件19和大臂下滚珠轴承20，大臂丝杠螺母18与大臂丝杠螺母连接件19固接，大臂上滚珠轴承24、大臂下滚珠轴承20和两个大臂滚针推力轴承17均支撑在大臂肘关节壳体22中，大臂丝杠23的下端外露在大臂肘关节壳体22外且与大臂传动齿轮21固接，这样设置，通过大臂传动齿轮21可以将转动传递到大臂丝杠23上，使得大臂丝杠螺母18带动大臂丝杠螺母连接件19上下移动；小臂肘关节组件(B2)包括小臂传动齿轮38、小臂肘关节壳体39、小臂丝杠螺母40、小臂丝杠螺母连接件41、小臂上滚珠轴承42、小臂丝杠43、两个小臂滚针推力轴承44，小臂丝杠螺母40与小臂丝杠43螺纹连接，小臂丝杠43的上端套装有小臂丝杠螺母连接件41，小臂丝杠43的下端套装有两个小臂滚针推力轴承44，小臂丝杠螺母40与小臂丝杠螺母连接件41固接，小臂丝杠螺母连接件41套装在小臂丝杠43上，小臂上滚珠轴承42和两个小臂滚针推力轴承44均支撑在小臂肘关节壳体39中，小臂丝杠43的下端外露在小臂肘关节壳体39外且与小臂传动齿轮38固接；这样设置，通过小臂传动齿轮38可以将转动传递到小臂丝杠43上，使得小臂丝杠螺母40带动小臂丝杠螺母连接件41上下移动；肘关节驱动机构B3包括减速器输出齿轮25、减速器外壳26、主轴27、电机28和减速器29，减速器29设置在减速器外壳26中，减速器29的输入端与电机28连接，减速器29的输出端与主轴27连接，减速器输出齿轮25固装在主轴27上；大臂肘关节组件B1和小臂肘关节组件B2设置在肘关节驱动机构B3的左右侧，减速器外壳26与大臂肘关节壳体22和小臂肘关节壳体39固接，大臂过渡齿轮B4设置在减速器输出齿轮25与大臂传动齿轮21之间，且大臂过渡齿轮B4同时与减速器输出齿轮25和大臂传动齿轮21啮合，大臂过渡齿轮B4通过一个滚子轴承B8与大臂过渡齿轮轴B5连接，大臂过渡齿轮轴B5与大臂肘关节壳体22固接，小臂过渡齿轮B6设置在减速器输出齿轮25与小臂传动齿轮38之间，且小臂过渡齿轮B6同时与减速器输出齿轮25和小臂传动齿轮38啮合，小臂过渡齿轮B6通过另一个滚子轴承B8与小臂过渡齿轮轴B7连接，小臂过渡齿轮轴B7与小臂肘关节壳体39固接；

大臂A、肘关节B、小臂C和手部D由左至右依次布置，大臂上杆A1和大臂下杆A2分别通过轴承与大臂肘关节壳体22铰接，小臂上杆C1和小臂下杆C2分别通过轴承与小臂肘关节壳体39铰接，大臂支撑杆E设置在大臂驱动机构A4与大臂肘关节组件B1之间，且大臂支撑杆E的一端与大臂驱动机构A4中的两个大臂支撑杆滑块9固接，大臂支撑杆E的另一端与大臂丝杠螺母连接件19两侧伸出轴通过轴承铰接，小大臂支撑杆F设置在小臂驱动机构C4与小臂肘关节组件B2之间，且小大臂支撑杆F的一端与小臂驱动机构C4中的两个大臂支撑杆滑块9固接，小大臂支撑杆F的另一端与小臂丝杠螺母连接件41两侧伸出轴通过轴承铰接，手部D与腕关节C3铰接。

当大臂支撑杆E在人的牵引作用下转动时，会带动大臂支撑杆滑块9与大臂支撑杆滑轨8相对滑动的同时带动气弹簧顶板4沿着气弹簧5的活塞杆伸缩方向移动，气弹簧5的活塞杆随之产生伸缩运动。

具体实施方式二：结合图3和图8说明本实施方式，本实施方式的手部D包括手腕连接架11、载重钩12、第一销轴13、力传感器14、吊耳15、第二销轴16、握手30和第三销轴31，载重钩12设置在手腕连接架11的下面，且载重钩12与手腕连接架11通过第一销轴13铰接，力传感器14设置在载重钩12与手腕连接架11之间，且力传感器14的上端与手腕连接架11插接，力传感器14的下端与吊耳15螺纹连接，吊耳15与载重钩12通过第二销轴16铰接，与手腕连接架11通过第三销轴31铰接。这样设置，当载重钩12放上重物时，通过杠杆的作用，力传感器14就会被拉伸达到测量质量的作用。握手30具有翻转的自由度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的大臂丝杠23与小臂丝杠43的直径、螺距均相同。这样设置可以保证大臂A和小臂C同步转动。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

本发明的工作原理：

在大臂A上，通过大臂上杆A1、肩关节A3、大臂下杆A2、大臂肘关节壳体22四个部件的铰链连接构成一个平行四边形，利用图10所示的原理，将气弹簧5伸缩运动，改变为手部D的旋转运动，并且可以计算得出其与重力之间的关系式F*H＝G*L，其中，F——气弹簧活塞推力值、H——丝杠螺母18距离手臂连杆转轴距离、G——重物的重力、L——大臂上杆A1与肩关节A3的铰接中心至大臂上杆A1与大臂肘关节壳体22铰接中心(或者大臂下杆A2与肩关节A3的铰接中心至大臂下杆A2与大臂肘关节壳体22铰接中心)之间的距离。通过F*H＝G*L就可以实现针对不同重力的平衡效果。电机28转动，通过减速器输出齿轮25将运动分别经由大臂过渡齿轮B4和小臂过渡齿轮B6传递到大臂传动齿轮21和小臂传动齿轮38上，大臂传动齿轮21可以将转动传递到大臂丝杠23上，使得大臂丝杠螺母18带动大臂丝杠螺母连接件19上下移动。这样就实现了H的调整，在实际工况中，可以根据末端力传感器14采集的数据实时的对H进行调整，使其满足平衡效果，已达到被动平衡重力的条件。

小臂C的原理大臂A相同。