CN110216653A - 一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿开采设备技术领域，具体是一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人。包括重型机具支承臂和下肢承重助力装置。重型机具支承臂包括背部垂直升降机构、水平承重机械臂和机具安装台。背部垂直升降机构包括靠垫、安装板、滑行轨道、液压缸和气液增压泵，靠垫安装在安装板前面，滑行轨道两端固定在安装板背面，滑行轨道与水平承重机械臂通过滑动副a连接，水平承重机械臂与液压缸的活塞杆连接，液压缸的缸体固定在安装板上，液压缸由气液增压泵提供动力，水平承重机械臂端部安装机具安装台。本发明重型工具支承臂垂直方向上采用液压伺服助力系统实现，垂直方向零操作力，操作轻便；无电设计，安全可靠。

Description

一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人

技术领域

本发明属于煤矿开采设备技术领域，具体是一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人。

背景技术

目前，煤矿装备虽然得到了突飞猛进的发展，然而在井下的诸多作业中仍然需要人工艰辛体力劳动，其中复杂巷道维修、小型硐室的掘进等许多场合仍然有人工破煤；或者进行打帮锚杆的人工作业劳动。由于空间有限、准备工作繁琐或原有设施的保护等大型设备不宜完成，常规的轮式或履带机器人不能适应复杂环境，无法具有与人可比的灵活性，也难以应用。

总结这些作业特点，人工体力劳动主要包括人工频繁移动风镐、防突钻机等小型施工机动机具，并给这些机具作业提供推进力与力的支点。

机器人代替人工是煤矿人多年来的梦想，已经经历了无数次的尝试，主要集中在矿山搜救、巡检、喷浆作业等应用场景中，都进行了有益的尝试。其中巡检机器人由于构筑了专门的轨道，因此，得以在井下试用，其它则由于难以适应井下的非结构环境，使得采用轮式或履带移动机构的机器人功能难以发挥。

CN201680077327公开了一种用于重型工具支承和使用的人体外骨骼装置，采用一条多关节支承臂支承于下肢外骨骼上，支承臂用于支承重型工具。该发明的支承臂能够抵消一部分重型工具的重力，在重型工具移动工作点时，人需要付出重型工具与支承臂支承力的差值才能使其移动；移动后，需要锁紧支承臂才能开始作业。CN201810502354公开了一种具有减振功能的工业外骨骼，也同样在采用一条多关节支承臂支承于下肢外骨骼上，支承臂用于支承重型工具，其支承臂能够吸收重型工具的振动，重型工具的移动原理同CN201680077327，需要一定的操作力，同时，重型工具作业时需要锁紧支承臂。

CN201510130861公开了一种腰部可穿戴功能辅助机械臂，该辅助机械臂需要复杂的电气控制实现辅助臂末端的移动与定位。

CN201610115341公开了一种连杆关节一体化液压驱动外骨骼，该发明驱动采用伺服阀控制液压缸完成动作，该方法中由于采用伺服阀所以必须采用电气进行控制。

根据煤矿工作条件，为安全起见，外骨骼不适合使用电气控制；同时，重型工具在移动过程中仍然需要人力完成，省力效果不理想；每次移动重型工具需要支承臂进行解锁和锁紧操作，操作比较麻烦。为此，本发明提出一种几乎无操作力进行移动重型工具，同时无需其他操作，即可移动重型工具，同时采用无电设计，达到本质安全型设备的要求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人。

本发明采取以下技术方案：一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人，包括重型机具支承臂和下肢承重助力装置。重型机具支承臂包括背部垂直升降机构、水平承重机械臂和机具安装台。

背部垂直升降机构包括靠垫、安装板、滑行轨道、液压缸和气液增压泵，靠垫安装在安装板前面，滑行轨道两端固定在安装板背面，滑行轨道与水平承重机械臂通过滑动副a连接，水平承重机械臂与液压缸的活塞杆连接，液压缸的缸体固定在安装板上，液压缸由气液增压泵提供动力，水平承重机械臂端部安装机具安装台。

下肢承重助力装置包括仿生机械腿、髋关节助力器和膝关节助力器，仿生机械腿分别安装在安装板两侧，所述的仿生机械腿包括髋关节连杆、大腿连杆、小腿连杆、脚部连杆和绑带，髋关节连杆上设置有可实现髋关节的屈/伸运动的转动副f、可实现髋关节的外展/内收运动的转动副g和可实现髋关节的外旋/内旋运动的转动副h，髋关节连杆通过转动副f与安装板连接，髋关节连杆通过转动副g与转动副h连接，转动副h与大腿连杆连接，大腿连杆与小腿连杆通过转动副i连接，大腿连杆与小腿连杆上分别安装有绑带，小腿连杆与脚部连杆通过转动副j连接，大腿连杆上端固定有连接块I，转动副g上安装有连接块II，连接块I与连接块II之间安装髋关节助力器，连接块I上还与膝关节助力器的一端连接，膝关节助力器的另一端与小腿连杆连接。

进一步的，水平承重机械臂包括连杆臂a、连杆臂b和连杆臂c，连杆臂a为“L”型，连杆臂a一端与滑动副a连接，连杆臂a另一端通过转动副b与连杆臂b，连杆臂b通过转动副c与连杆臂c连接，连杆臂c上安装机具安装台构。

进一步的，机具安装台上设置有转动副d和转动副e，连杆臂c与转动副e连接，转动副e与转动副d连接，转动副d与机具安装台构连接，转动副e的轴线为竖直方向，转动副d的轴线为水平方向。

进一步的，机具安装台包括第一安装块和第二安装块，第一安装块上侧设置有用于与转动副d连接的连接销孔，第一安装块和第二安装块上设置有一一对称设置螺栓孔，第一安装块和第二安装块通过穿设在螺栓孔内的螺栓连接，第一安装块和第二安装块组成可以安装机具的框架结构。

进一步的，髋关节助力器为拉伸弹簧，所述的膝关节助力器为压缩弹簧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明重型机具支承臂采用水平面内的三连杆机构，再加上垂直方向液压伺服助力机构，实现在零操作力下机具在人体上肢活动范围内进行三维自由移动。无需额外锁紧操作。

2）重型工具支承臂垂直方向上采用液压伺服助力系统实现，垂直方向零操作力，操作轻便；无电设计，安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的外骨骼助力机器人的另一视角的结构示意图；

图3是图1中A处放大图；

图4是图1中B处放大图；

图5是图2中C处放大图；

图6是机具安装台的结构示意图I；

图7是机具安装台的结构示意图II；

图8为髋关节连杆与大腿连杆连接处结构示意图；

图中1-安装板，2-滑行轨道，3-水平承重机械臂，4-液压缸，5-气液增压泵，6-机具安装台，7-靠垫，8-活塞杆，9-绑带，10-髋关节连杆，11-大腿连杆，12-髋关节助力器，13-膝关节助力器，14-小腿连杆，15-脚部连杆，16-连接块I，17-连接块II。

具体实施方式

本发明提出的一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人，主要包括重型机具支承臂和下肢承重助力装置两部分。

重型机具支承臂是由背部垂直升降机构、水平承重机械臂3和机具安装台构6成。如图1、2所示，背部垂直升降机构包括靠垫7、安装板1、滑行轨道2、液压缸4和气液增压泵5。滑行轨道2两端固定在安装板1上，轨道与水平承重机械臂3通过滑动副a连接，气液增压泵5为液压缸4提供动力，液压缸4缸体固定在安装板1上，活塞杆8与水平承重机械臂3相连，控制阀16安装在图3所示位置，上下拨动控制阀16开关，即可控制液压缸4推动水平承重机械臂3沿滑行轨道2上下移动，且机械臂位移又作为输出信号可以反馈回控制阀的开关信号，实现精准控制。水平承重机械臂3是由三节连杆臂组成，连杆间用转动副b、c连接，转动副轴线都平行于Z轴，可实现机具安装台6在水平面X-Y面内的任意位置移动。机具安装台6是用来安装重型风镐、锚杆钻机等机具的平台，如图5所示，机具安装台6具有两个方向的转动副d和e，转动副d轴线平行于Y轴，转动副e轴线平行于Z轴，可实现机具的俯仰角和水平旋转，满足机具的灵活操作要求。

下肢承重助力装置是由仿生机械腿、髋关节助力器和膝关节助力器构成。仿生机械腿包括髋关节连杆10、大腿连杆11、小腿连杆14、脚部连杆15和绑带9。如图4所示，髋关节连杆10具有三个转动副f、g、h，转动副f轴线平行于Y轴，可实现髋关节的屈/伸运动，转动副g轴线平行于X轴，可实现髋关节的外展/内收运动，转动副h轴线平行于Z轴，可实现髋关节的外旋/内旋运动。大腿连杆11与小腿连杆14使用现有的长度可调结构，满足不同人员穿戴需要，且都安装绑带9，实现与人体的连接。大腿连杆11与小腿连杆14通过转动副i连接，转动副轴线平行于Y轴，实现人体膝关节的屈/伸运动。小腿连杆14与脚部连杆15通过转动副j连接，转动副轴线平行于Y轴，实现踝关节的屈/伸运动。髋关节助力器12为拉伸弹簧，所述的膝关节助力器13为压缩弹簧，压缩弹簧安装在壳体内，壳体一端与连接块I16连接，另一端设置连接杆，连接杆与小腿连杆14连接。在人体直立行走的关节角度范围内不起作用，当人体下蹲动作时，关节角度变大，助力器储能，当人体起立时，储能释放，实现助力功能，降低劳动强度。

如图6,7所示，机具安装台6包括第一安装块6.1和第二安装块6.2，第一安装块6.1上侧设置有用于与转动副d连接的连接销孔6.3，第一安装块6.1和第二安装块6.2上设置有一一对称设置螺栓孔6.4，第一安装块6.1和第二安装块6.2通过穿设在螺栓孔6.4内的螺栓连接，第一安装块6.1和第二安装块6.2组成可以安装机具的框架结构。机具安装在第一安装块6.1和第二安装块6.2组成框架内。

其原理是将该外骨骼机器人穿戴在作业人员身上，重型风镐等机具的重量由外骨骼装置承担，机具升降的动力由液压驱动，当人员进行蹲起姿态作业，由站姿变跪姿时部分重力势能由髋关节助力器和膝关节助力器储存起来，由跪姿变站姿时储存的势能释放助力操作人员起立。

Claims (5)

1.一种矿用液压伺服外骨骼助力机器人，其特征在于：包括重型机具支承臂和下肢承重助力装置，

重型机具支承臂包括背部垂直升降机构、水平承重机械臂（3）和机具安装台（6），

背部垂直升降机构包括靠垫（7）、安装板（1）、滑行轨道（2）、液压缸（4）和气液增压泵（5），靠垫（7）安装在安装板（1）前面，滑行轨道（2）两端固定在安装板（1）背面，滑行轨道（2）与水平承重机械臂（3）通过滑动副a连接，水平承重机械臂（3）与液压缸（4）的活塞杆（8）连接，液压缸（4）的缸体固定在安装板（1）上，液压缸（4）由气液增压泵（5）提供动力，水平承重机械臂（3）端部安装机具安装台（6）；

下肢承重助力装置包括仿生机械腿、髋关节助力器（12）和膝关节助力器（13），

仿生机械腿分别安装在安装板（1）两侧，所述的仿生机械腿包括髋关节连杆（10）、大腿连杆（11）、小腿连杆（14）、脚部连杆（15）和绑带（9），髋关节连杆（10）上设置有可实现髋关节的屈/伸运动的转动副f、可实现髋关节的外展/内收运动的转动副g和可实现髋关节的外旋/内旋运动的转动副h，髋关节连杆（10）通过转动副f与安装板（1）连接，髋关节连杆（10）通过转动副g与转动副h连接，转动副h与大腿连杆（11）连接，大腿连杆（11）与小腿连杆（14）通过转动副i连接，大腿连杆（11）与小腿连杆（14）上分别安装有绑带（9），小腿连杆（14）与脚部连杆（15）通过转动副j连接，大腿连杆（11）上端固定有连接块I（16），转动副g上安装有连接块II（17），连接块I（16）与连接块II（17）之间安装髋关节助力器（12），连接块I（16）上还与膝关节助力器（13）的一端连接，膝关节助力器（13）的另一端与小腿连杆（14）连接。

2.根据权利要求1所述的矿用液压伺服外骨骼助力机器人，其特征在于：所述的水平承重机械臂（3）包括连杆臂a（3.1）、连杆臂b（3.2）和连杆臂c（3.3），连杆臂a（3.1）为“L”型，连杆臂a（3.1）一端与滑动副a连接，连杆臂a（3.1）另一端通过转动副b与连杆臂b（3.2），连杆臂b（3.2）通过转动副c与连杆臂c（3.3）连接，连杆臂c（3.3）上安装机具安装台构（6）。

3.根据权利要求2所述的矿用液压伺服外骨骼助力机器人，其特征在于：所述的机具安装台（6）上设置有转动副d和转动副e，连杆臂c（3.3）与转动副e连接，转动副e与转动副d连接，转动副d与机具安装台构（6）连接，转动副e的轴线为竖直方向，转动副d的轴线为水平方向。

4.根据权利要求3所述的矿用液压伺服外骨骼助力机器人，其特征在于：所述的机具安装台（6）包括第一安装块（6.1）和第二安装块（6.2），第一安装块（6.1）上侧设置有用于与转动副d连接的连接销孔（6.3），第一安装块（6.1）和第二安装块（6.2）上设置有一一对称设置螺栓孔（6.4），第一安装块（6.1）和第二安装块（6.2）通过穿设在螺栓孔（6.4）内的螺栓连接，第一安装块（6.1）和第二安装块（6.2）组成可以安装机具的框架结构。

5.根据权利要求4所述的矿用液压伺服外骨骼助力机器人，其特征在于：所述的髋关节助力器（12）为拉伸弹簧，所述的膝关节助力器（13）为压缩弹簧。