CN111660284A - 一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，包括：两台多自由度辅助操作机械臂、可穿戴背板、两台三自由度辅助支撑腿、驱动与传动模块、传感模块、控制模块、电源模块；所述多自由度辅助操作机械臂包括：机械臂本体和末端执行装置；所述三自由度辅助支撑腿包括：短连杆、长连杆、伸缩杆、末端支撑装置，伸缩杆通过轴向伸缩改变支撑腿长度，髋部关节用于改变支撑腿前后及左右摆角；所述可穿戴背板包括：双臂基座、支撑腿基座、电源基座、控制卡槽以及与人体连接的绑带。控制模块与传感模块、驱动和传动模块连接，控制双臂和支撑腿的运动。本发明可对人体上肢工作提供协助，同时通过支撑腿将背部载荷传递到地面，减轻人体负荷。

Description

一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人

技术领域

本发明涉及可穿戴协作机器人技术领域，具体是一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人。

背景技术

可穿戴协作机器人是指可通过穿戴方式固定于人体并能协助人体完成一定任务的机器人，它是介于可穿戴机器人与协作机器人之间的一类新型机器人，能够有效突破可穿戴外骨骼机器人关节运动受限以及协作机器人的自主移动性较差的缺点。可穿戴协作机器人通过在人体躯干或四肢固定机械臂或机械手，可补充或扩展人的工作能力，使得原本需要多人完成的任务可由一人完成，一定程度上实现人们对于拥有三头六臂的想象。可穿戴协作机器人兼具机器人的耐疲劳性和人体的灵活、精准性等特性，能够极大程度发挥人机协作的优势。

尽管可穿戴协作机器人具有独特优势，但由于穿戴式结构的影响，机器人自重及负重能力受到严格限制。较大的机器人自重或负重会使机器人的穿戴舒适性在长时间穿戴时大打折扣。因此，可穿戴协作机器人的轻量化一直是研究重点。

经对现有技术文献的检所发现：

中国专利(申请号2015101308616)：腰部可穿戴功能辅助机械臂。该专利主要提供了一种包含七自由度绳驱双臂与下肢外骨骼的装置，其中绳驱双臂仿照人体双臂设计，可在三维空间内灵活运动；下肢外骨骼可以将装置自重传导至地面，减轻人体负载。该装置可采用肌电信号、智能手环、脑机接口三种模式控制，适用于健康和残疾等多种人群。不足的是，该装置下肢采用外骨骼助力方式，其设计必须满足人体关节自身的运动限制，并且其仅能起到减轻载荷的效果，不能对人体进行辅助支撑与平衡。

中国专利(申请号2019108216026)：可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂。该专利主要提供了一种三自由度可穿戴辅助机械臂，机械臂配合手爪的开合可实现在三维空间的抓取任务。该专利采用液压驱动与同步带传动，有效减小了机械臂转动惯量，但机器人整体质量未能明显减小，穿戴舒适性未能获得明显改善。

发明内容

本发明在分析可穿戴协作机器人优势与不足的基础上，设计了一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人。本发明在辅助人体上肢完成一定操作的同时，可对人体以及上肢机械臂提供一定辅助支撑与平衡，有效减少人体负荷，避免疲劳损伤。

为实现上述目标功能，本发明采用如下技术方案：

一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，包括；可穿戴背板、安装在可穿戴背板上的多自由度辅助操作机械臂、安装在可穿戴背板下方的两台三自由度辅助支撑腿、传感模块、控制模块、电源模块；

每个三自由度辅助支撑腿均包括：短连杆、与短连杆侧面铰接的长连杆；所述长连杆的一个侧面设有沿着长连杆延伸方向而延伸的丝杆、套设在丝杆上并与丝杆形成螺纹配合的伸缩杆，所述长连杆面对该伸缩杆的一面设有导轨，伸缩杆底部卡持在该导轨上；所述长连杆上还设有丝杠驱动电机，丝杠驱动电机带动丝杆产生旋转运动，通过丝杠传动将旋转运动转换为伸缩杆的直线运动，伸缩杆的运动换向通过控制电机正反转实现。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明增加了辅助支撑装置，机器人的本身的重量限制要求降低，轻量化设计难度降低。同时，可穿戴协作机器人的带载能力也有明显提高，能够更大程度辅助工人作业。另外通过卸载大部分载荷，穿戴舒适性大大提高。

本发明还具有提供辅助支撑功能，能够对工人进行必要的支撑，减轻易疲劳、易损伤位姿对工人关节和肌肉的伤害。

附图说明

图1为本发明三维结构示意图。

图2为本发明后视图。

图3为本发明右视图。

图4为三自由度辅助机械臂结构示意图。

图5为三自由度辅助支撑腿结构示意图。

图6为平托机构示意图。

图7为辅助机械臂控制原理图。

图8为辅助支撑腿控制原理图。

其中：多自由度辅助操作机械臂1、可穿戴背板2、三自由度辅助支撑腿3、末端支撑块4、多自由度辅助支撑腿5、机械臂基座6、关节电机7、固定背板8、支撑腿基座9、肩部背带10、机械臂本体11、末端支撑块4、控制卡槽13、电源14、基座连杆110、小臂连杆111、大臂连杆112、编码器113、接触面板120、倒三角结构121、配重块122、短连杆501、长连杆502、电机503、联轴器504、丝杠505、伸缩杆50606、滑轨507、电机座508。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请结合图1至图5所示，本发明公开一种具有三自由度辅助操作机械臂和辅助支撑腿的可穿戴协作机器人，具体包括：两台三自由度辅助操作机械臂1、可穿戴背板2、两台三自由度辅助支撑腿3、驱动与传动模块以及传感与控制模块；其中：可穿戴背板2分别通过机械臂基座6和支撑腿基座9与两台辅助操作机械臂1、两台辅助支撑腿3连接，从而使三者组成一个机器人整体。驱动与传动模块、控制系统模块、传感模块对机械双臂与支撑腿的运动进行驱动、控制及反馈。

所述的两台三自由度辅助操作机械臂1包括：基座连杆110、小臂连杆111、大臂连杆112、末端平托12以及各关节对应的驱动及传动机构。其中：基座连杆110一端与可穿戴背板2相连，另一端与大臂连杆112相连，小臂连杆111与大臂连杆112相连，最后末端平托12与小臂连杆111相连，最终构成三自由度辅助操作机械臂1整体。

如图6所示，所述末端平托12包括：接触面板120、倒三角结构121、配重块122。配重块122安装于倒三角结构121转轴下方，利用重力作用使配重块122始终保持铅垂状态，保证倒三角块接触面板120水平。接触面板120采用防滑性能较好的橡胶作为接触面材料。

所述两台三自由度辅助支撑腿3包括：短连杆501、长连杆502、丝杠驱动电机503、联轴器504、丝杠505、伸缩杆506、T型导轨507、电机支座508以及末端支撑块4。其中：短连杆501一端与可穿戴背板2相连，另一端与长连杆502相连，伸缩杆506可沿与长连杆502连接的T型导轨507滑动，丝杠驱动电机503产生旋转运动，最终通过丝杠传动将旋转运动转换为伸缩杆506的直线运动，伸缩杆的运动换向可通过控制电机503正反转实现；最后末端支撑块4与伸缩杆506相连，最终构成三自由度辅助支撑腿3整体结构。末端支撑块4可根据工况的不同替换为球状末端或能与脚手架连接的勾手。其中球状末端采用防滑性能优良的橡胶作为表面材料，以防止打滑。

所述背部可穿戴结构2包括：机械臂基座6、支撑腿基座9、与人体连接的肩部背带10、控制卡槽13。其中：机械臂基座6、支撑腿基座9分别与辅助操作双臂1、辅助支撑腿3连接，使三者实现物理连接。其中：控制面板安装在控制卡槽13中，通过预留接口与传感模块、驱动模块连接，实现对机械双臂与支撑腿的运动控制。

所述机械臂基座中心下方安装有驱动机械双臂绕纵轴转动的电机。

所述驱动与传动模块包括：直流伺服电机、伺服电机驱动器、电机减速器以及具有自锁性能的丝杠机构。其中：旋转关节处均采用伺服电机连接齿轮减速器进行直接驱动的方式，电机及减速器均布置于关节处；直线关节处采用伺服电机驱动、具有自锁性能的丝杠传动的方式，变旋转运动为直线运动，同时有效防止反向驱动现象的发生，保证支撑稳定性。

所述传感模块包括：编码器、惯性测量单元、力传感器。传感模块可实现对机械臂关节角度、角速度、角加速度、关节位移以及接触力的感知与测量。同时，传感模块还可对人体姿态、肢体运动进行检测与感知，配合控制系统模块，实现一定程度人机交互。

所述辅助操作机械臂采用基于机器学习的自主控制方式，控制原理如图7所示。采用自主控制方式时，需建立包含机械双臂及人体双臂的任务模型，结合此任务模型，机器人可通过前期示教进行自主学习。在机械臂工作过程中，惯性测量单元布连接于人体双臂并对其运动进行监测。机器人可通过该监测信号并结合任务模型判断当前任务过程状态，进而控制机械双臂按前期示教方式采取对应动作，从而达到与人协作的效果。该种控制方式适用于流程明确、工作具体的任务。

所述辅助支撑腿采用肌电控制方式，控制原理如图8所示。采用该种控制方式时，肌电传感器布置在人体躯干及四肢不同位置上(例如胸肌或腹肌)，本实施例采集人体胸肌、腹肌及小腿部位肌电信号，不同采集位置上的的肌肉分别控制辅助支撑腿的不同关节运动。本实施例中胸肌控制辅助支撑腿的左右摆动、腹肌控制辅助支撑腿的前后摆动、小腿部位肌肉控制伸缩杆伸缩运动。肌电信号的强度可控制辅助支撑腿各关节运动速度及幅度。穿戴者仅需较短时间的训练即可灵活控制辅助支撑腿运动。该种控制方式可实现辅助支撑腿的灵活运动，能够完成较为复杂工作条件下的辅助支撑任务。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，包括；可穿戴背板、安装在可穿戴背板上的多自由度辅助操作机械臂、安装在可穿戴背板下方的两台三自由度辅助支撑腿、传感模块、控制模块、电源模块；

每个三自由度辅助支撑腿均包括：短连杆、与短连杆侧面铰接的长连杆；所述长连杆的一个侧面设有沿着长连杆延伸方向而延伸的丝杆、套设在丝杆上并与丝杆形成螺纹配合的伸缩杆，所述长连杆面对该伸缩杆的一面设有导轨，伸缩杆底部卡持在该导轨上；所述长连杆上还设有丝杠驱动电机，丝杠驱动电机带动丝杆产生旋转运动，通过丝杠传动将旋转运动转换为伸缩杆的直线运动，伸缩杆的运动换向通过控制电机正反转实现。

2.根据权利要求1所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述多自由度辅助操作机械臂包括：机械臂本体和末端执行装置；其中，末端执行装置为机械灵巧手或专用执行机构。

3.根据权利要求2所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述专用执行机构为平托机构，包括：接触面板、倒三角块、配重块；配重块安装于倒三角块转轴下方，利用重力作用使配重块始终保持铅垂状态而使倒三角块上接触面水平。

4.根据权利要求1所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述丝杠传动可依靠自身摩擦实现自锁；在无驱动力作用时，由于自锁性能，伸缩杆不能进行伸缩运动，即辅助支撑腿为反向驱动自锁；当支撑达到稳定状态时，电机不工作。

5.根据权利要求4所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，伸缩杆的底部区安装有末端支撑装置，所述末端支撑装置为球状末端或能与脚手架连接的勾手。

6.根据权利要求1所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述可穿戴背板包括：机械臂基座、支撑腿基座、电源基座、控制卡槽、与人体连接的肩部绑带；其中机械臂基座、支撑腿基座分别与辅助操作双臂、辅助支撑腿连接，使三者实现物理连接；其中控制面板安装在控制卡槽中，通过预留接口与传感模块、驱动模块连接，实现对机械双臂和支撑腿的传感和控制。

7.根据权利要求2所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，多自由度辅助操作机械臂中的旋转关节处均采用伺服电机连接齿轮减速器进行直接驱动的方式，电机及减速器均布置于关节处。

8.根据权利要求1所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述传感模块包括：编码器、惯性测量单元、肌电传感器、力传感器；传感模块通过不同传感器的配置对机械臂关节角度、角速度、角加速度、关节位移以及接触力进行测量与感知；同时传感模块可对人体姿态、肢体运动进行检测与感知，配合控制系统模块，最终机器人可实现一定程度的人机交互。

9.根据权利要求1所述的具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，辅助操作机械臂采用基于机器学习的自主控制方式；采用自主控制方式时，需建立包含机械双臂及人体双臂的任务模型，结合此任务模型，机器人可通过前期示教进行自主学习；在机械臂工作过程中，惯性测量单元对人体双臂运动进行监测；机器人通过该监测信号判断当前任务状态，控制机械双臂按前期示教方式采取对应动作，从而达到与人协作的效果。

10.根据权利要求1所述的一种具有辅助支撑功能的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述辅助支撑腿采用肌电控制方式；肌电传感器布置在人体躯干不同位置上，不同采集位置上的的肌肉分别控制辅助支撑腿的不同运动方向，同时肌电信号的强度控制辅助支撑腿的运动速度及幅度。

Images