CN115107004A - 一种托举型上肢助力外骨骼 - Google Patents

Abstract

一种托举型上肢助力外骨骼，包括穿戴背架、左臂助力机构及右臂助力机构，左臂助力机构和右臂助力机构镜像对称安装在穿戴背架的左右两侧；穿戴背架与人体的背部躯体通过背带和腰部绑带进行穿戴式配合；左臂助力机构与人体的左臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合；右臂助力机构与人体的右臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合；穿戴背架包括左肩关节运动补偿机构、右肩关节运动补偿机构及躯体支撑固定机构；左肩关节运动补偿机构和右肩关节运动补偿机构镜像对称安装在躯体支撑固定机构左右两侧。本发明的外骨骼能够针对人体肩关节转动中心位置变化进行补偿，降低工人的劳动强度，改善工人的工作舒适性，提高工作效果，提高外骨骼助力效果。

Description

一种托举型上肢助力外骨骼

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，特别是涉及一种托举型上肢助力外骨骼。

背景技术

在现代化的流水线生产中，一些关键工位的工作仍然需要人工实现，并且需要工人大量重复进行物品的托举搬运动作，导致工人的劳动强度非常高，容易导致工人出现肌肉损伤。

为此，行业内的技术人员陆续提出了助力外骨骼的解决方案。例如，公开号为CN110039518A的中国专利申请，公开了一种上肢机电助力搬抬托举外骨骼机器人，该外骨骼机器人的肩关节和肘关节处均采用电机驱动，虽然两个主动关节驱动力能够帮助上肢进行主动搬抬，但缺少了针对人体肩关节运动时转动中心位置变化的补偿能力。再例如，公开号为CN215740260U的中国专利申请，公开了一种上肢外骨骼，该外骨骼虽然主要针对肩关节的运动进行助力，但却忽略了人体肘关节处的助力，在减小整体质量的前提下，也降低了整体的助力效果。

因此，由于人体肩关节不同于人体其他关节，在人体肩关节进行外展运动时，肩关节的转动中心会随着肩关节的外展程度发生改变，设计一种能够针对人体肩关节运动时转动中心的位置变化进行补偿的上肢助力外骨骼势在必行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种托举型上肢助力外骨骼，能够针对人体肩关节转动中心位置变化进行补偿，降低工人的劳动强度，改善工人的工作舒适性，提高工作效果，提高外骨骼的助力效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种托举型上肢助力外骨骼，包括穿戴背架、左臂助力机构及右臂助力机构，所述左臂助力机构和右臂助力机构镜像对称安装在穿戴背架的左右两侧；所述穿戴背架与人体的背部躯体通过背带和腰部绑带进行穿戴式配合；所述左臂助力机构与人体的左臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合；所述右臂助力机构与人体的右臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合。

所述穿戴背架包括左肩关节运动补偿机构、右肩关节运动补偿机构及躯体支撑固定机构；所述左肩关节运动补偿机构和右肩关节运动补偿机构镜像对称安装在躯体支撑固定机构左右两侧。

所述左肩关节运动补偿机构和右肩关节运动补偿机构结构相同，均包括L型下支架、L型上支架、滑块及滑轨；所述L型下支架的水平支臂与躯体支撑固定机构相固连；所述滑轨竖直固装在L型下支架的竖直支臂上；所述滑块设置在滑轨上，滑块相对于滑轨具有直线移动自由度；所述L型上支架的竖直支臂与滑块固定连接。

所述躯体支撑固定机构包括上横杆、上立杆、下立杆及下横杆；所述L型下支架的水平支臂与上横杆端部固定连接；所述上立杆上端与上横杆中部固定连接，上立杆下端与下立杆上端固定连接；所述下立杆与下横杆中部固定连接。

所述L型下支架的水平支臂与上横杆端部之间设有多个调距螺栓孔，L型下支架的水平支臂与上横杆端部之间的接合长度可调。

所述上立杆下端与下立杆上端之间设有多个调距螺栓孔，上立杆下端与下立杆上端之间的接合长度可调。

所述上立杆与下立杆接合后构成的组合立杆的数量为一根或多根。

所述左臂助力机构和右臂助力机构结构相同，均包括L型肩部转接架、直流减速电机、轴套式电机安装座、轴承、传力轴、气动人工肌肉、大臂骨架及小臂骨架；所述L型肩部转接架的水平支臂与L型上支架的水平支臂相铰接，L型肩部转接架的竖直支臂与轴套式电机安装座固定连接；所述直流减速电机同轴固连在轴套式电机安装座上；所述轴承的外圈固定嵌装在轴套式电机安装座内部，轴承的内圈固定套装在传力轴上，传力轴相对于轴套式电机安装座具有回转自由度；所述直流减速电机的电机轴与传力轴内端同轴固定连接；所述大臂骨架上端与传力轴外端固定连接，大臂骨架下端与小臂骨架上端相铰接，小臂骨架下端为自由端；所述气动人工肌肉上端与大臂骨架相铰接，气动人工肌肉下端与小臂骨架相铰接。

所述大臂骨架采用平行双臂结构，分为内侧大臂和外侧大臂；所述内侧大臂和外侧大臂结构相同，均包括大臂上杆和大臂下杆；所述大臂上杆下端与大臂下杆上端固定连接；所述内侧大臂的大臂上杆上端为自由端；所述外侧大臂的大臂上杆上端与传力轴外端固定连接；所述气动人工肌肉上端铰接在外侧大臂的大臂上杆杆体上。

所述小臂骨架采用平行双臂结构，分为内侧小臂和外侧小臂；所述内侧小臂和外侧小臂结构相同，均包括小臂主杆和小臂副杆；所述小臂主杆上端与大臂下杆下端相铰接，小臂主杆下端为自由端；所述小臂副杆下端与小臂主杆杆体固定连接，小臂副杆上端与气动人工肌肉下端相铰接；在所述内侧小臂的小臂主杆与外侧小臂的小臂主杆之间固定连接有U型小臂支撑架。

本发明的有益效果：

本发明的托举型上肢助力外骨骼，能够针对人体肩关节转动中心位置变化进行补偿，降低工人的劳动强度，改善工人的工作舒适性，提高工作效果，提高外骨骼的助力效果。

附图说明

图1为本发明的一种托举型上肢助力外骨骼的结构示意图；

图2为本发明的左/右肩关节运动补偿机构的爆炸结构示意图；

图3为本发明的左/右臂助力机构的爆炸结构示意图(大臂骨架、小臂骨架及气动人工肌肉未示出)；

图4为本发明的大臂骨架、小臂骨架及气动人工肌肉组合体的爆炸结构示意图；

图中，I—穿戴背架，II—左臂助力机构，III—右臂助力机构，1—左肩关节运动补偿机构，2—右肩关节运动补偿机构，3—L型下支架，4—L型上支架，5—滑块，6—滑轨，7—上横杆，8—上立杆，9—下立杆，10—下横杆，11—L型肩部转接架，12—直流减速电机，13—轴套式电机安装座，14—轴承，15—传力轴，16—气动人工肌肉，17—大臂骨架，18—小臂骨架，19—大臂上杆，20—大臂下杆，21—小臂主杆，22—小臂副杆，23—U型小臂支撑架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种托举型上肢助力外骨骼，包括穿戴背架I、左臂助力机构II及右臂助力机构III，所述左臂助力机构II和右臂助力机构III镜像对称安装在穿戴背架I的左右两侧；所述穿戴背架I与人体的背部躯体通过背带和腰部绑带进行穿戴式配合；所述左臂助力机构II与人体的左臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合；所述右臂助力机构III与人体的右臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合。

所述穿戴背架I包括左肩关节运动补偿机构1、右肩关节运动补偿机构2及躯体支撑固定机构；所述左肩关节运动补偿机构1和右肩关节运动补偿机构2镜像对称安装在躯体支撑固定机构左右两侧。

所述左肩关节运动补偿机构1和右肩关节运动补偿机构2结构相同，均包括L型下支架3、L型上支架4、滑块5及滑轨6；所述L型下支架3的水平支臂与躯体支撑固定机构相固连；所述滑轨6竖直固装在L型下支架3的竖直支臂上；所述滑块5设置在滑轨6上，滑块5相对于滑轨6具有直线移动自由度；所述L型上支架4的竖直支臂与滑块5固定连接。

所述躯体支撑固定机构包括上横杆7、上立杆8、下立杆9及下横杆10；所述L型下支架3的水平支臂与上横杆7端部固定连接；所述上立杆8上端与上横杆7中部固定连接，上立杆8下端与下立杆9上端固定连接；所述下立杆9与下横杆10中部固定连接。

所述L型下支架3的水平支臂与上横杆7端部之间设有多个调距螺栓孔，L型下支架3的水平支臂与上横杆7端部之间的接合长度可调。

所述上立杆8下端与下立杆9上端之间设有多个调距螺栓孔，上立杆8下端与下立杆9上端之间的接合长度可调。

所述上立杆8与下立杆9接合后构成的组合立杆的数量为一根或多根。

所述左臂助力机构II和右臂助力机构III结构相同，均包括L型肩部转接架11、直流减速电机12、轴套式电机安装座13、轴承14、传力轴15、气动人工肌肉16、大臂骨架17及小臂骨架18；所述L型肩部转接架11的水平支臂与L型上支架4的水平支臂相铰接，L型肩部转接架11的竖直支臂与轴套式电机安装座13固定连接；所述直流减速电机12同轴固连在轴套式电机安装座13上；所述轴承14的外圈固定嵌装在轴套式电机安装座13内部，轴承14的内圈固定套装在传力轴15上，传力轴15相对于轴套式电机安装座13具有回转自由度；所述直流减速电机12的电机轴与传力轴15内端同轴固定连接；所述大臂骨架17上端与传力轴15外端固定连接，大臂骨架17下端与小臂骨架18上端相铰接，小臂骨架18下端为自由端；所述气动人工肌肉16上端与大臂骨架17相铰接，气动人工肌肉16下端与小臂骨架18相铰接。

所述大臂骨架17采用平行双臂结构，分为内侧大臂和外侧大臂；所述内侧大臂和外侧大臂结构相同，均包括大臂上杆19和大臂下杆20；所述大臂上杆19下端与大臂下杆20上端固定连接；所述内侧大臂的大臂上杆19上端为自由端；所述外侧大臂的大臂上杆19上端与传力轴15外端固定连接；所述气动人工肌肉16上端铰接在外侧大臂的大臂上杆19杆体上。

所述小臂骨架18采用平行双臂结构，分为内侧小臂和外侧小臂；所述内侧小臂和外侧小臂结构相同，均包括小臂主杆21和小臂副杆22；所述小臂主杆21上端与大臂下杆20下端相铰接，小臂主杆21下端为自由端；所述小臂副杆22下端与小臂主杆21杆体固定连接，小臂副杆22上端与气动人工肌肉16下端相铰接；在所述内侧小臂的小臂主杆21与外侧小臂的小臂主杆21之间固定连接有U型小臂支撑架23。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

当工人穿戴好本申请的托举型上肢助力外骨骼后，启动直流减速电机12，可由直流减速电机12直接驱动大臂骨架17进行摆转运动，启动气动人工肌肉16，可直接由气动人工肌肉16驱动小臂骨架18进行摆转运动，由于人体的手臂已经与大臂骨架17和小臂骨架18绑在一起，因此通过气动人工肌肉16可以助力人体手臂进行屈伸动作，同时通过直流减速电机12助力人体手臂进行整体抬臂动作。

当本申请的托举型上肢助力外骨骼在辅助工人对物品进行托举搬运动作时，随着人体肩关节的运动，会带动左/右肩关节运动补偿机构内的L型下支架3与L型上支架4沿滑轨6进行相对运动，从而实现对人体肩关节转动中心位置变化的补偿，提高了外骨骼与人体的运动协调性，改善工人的工作舒适性，进一步提高了外骨骼的助力效果。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：包括穿戴背架、左臂助力机构及右臂助力机构，所述左臂助力机构和右臂助力机构镜像对称安装在穿戴背架的左右两侧；所述穿戴背架与人体的背部躯体通过背带和腰部绑带进行穿戴式配合；所述左臂助力机构与人体的左臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合；所述右臂助力机构与人体的右臂通过腕部绑带和臂部绑带进行穿戴式配合。

2.根据权利要求1所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述穿戴背架包括左肩关节运动补偿机构、右肩关节运动补偿机构及躯体支撑固定机构；所述左肩关节运动补偿机构和右肩关节运动补偿机构镜像对称安装在躯体支撑固定机构左右两侧。

3.根据权利要求2所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述左肩关节运动补偿机构和右肩关节运动补偿机构结构相同，均包括L型下支架、L型上支架、滑块及滑轨；所述L型下支架的水平支臂与躯体支撑固定机构相固连；所述滑轨竖直固装在L型下支架的竖直支臂上；所述滑块设置在滑轨上，滑块相对于滑轨具有直线移动自由度；所述L型上支架的竖直支臂与滑块固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述躯体支撑固定机构包括上横杆、上立杆、下立杆及下横杆；所述L型下支架的水平支臂与上横杆端部固定连接；所述上立杆上端与上横杆中部固定连接，上立杆下端与下立杆上端固定连接；所述下立杆与下横杆中部固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述L型下支架的水平支臂与上横杆端部之间设有多个调距螺栓孔，L型下支架的水平支臂与上横杆端部之间的接合长度可调。

6.根据权利要求4所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述上立杆下端与下立杆上端之间设有多个调距螺栓孔，上立杆下端与下立杆上端之间的接合长度可调。

7.根据权利要求4所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述上立杆与下立杆接合后构成的组合立杆的数量为一根或多根。

8.根据权利要求3所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述左臂助力机构和右臂助力机构结构相同，均包括L型肩部转接架、直流减速电机、轴套式电机安装座、轴承、传力轴、气动人工肌肉、大臂骨架及小臂骨架；所述L型肩部转接架的水平支臂与L型上支架的水平支臂相铰接，L型肩部转接架的竖直支臂与轴套式电机安装座固定连接；所述直流减速电机同轴固连在轴套式电机安装座上；所述轴承的外圈固定嵌装在轴套式电机安装座内部，轴承的内圈固定套装在传力轴上，传力轴相对于轴套式电机安装座具有回转自由度；所述直流减速电机的电机轴与传力轴内端同轴固定连接；所述大臂骨架上端与传力轴外端固定连接，大臂骨架下端与小臂骨架上端相铰接，小臂骨架下端为自由端；所述气动人工肌肉上端与大臂骨架相铰接，气动人工肌肉下端与小臂骨架相铰接。

9.根据权利要求8所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述大臂骨架采用平行双臂结构，分为内侧大臂和外侧大臂；所述内侧大臂和外侧大臂结构相同，均包括大臂上杆和大臂下杆；所述大臂上杆下端与大臂下杆上端固定连接；所述内侧大臂的大臂上杆上端为自由端；所述外侧大臂的大臂上杆上端与传力轴外端固定连接；所述气动人工肌肉上端铰接在外侧大臂的大臂上杆杆体上。

10.根据权利要求9所述的一种托举型上肢助力外骨骼，其特征在于：所述小臂骨架采用平行双臂结构，分为内侧小臂和外侧小臂；所述内侧小臂和外侧小臂结构相同，均包括小臂主杆和小臂副杆；所述小臂主杆上端与大臂下杆下端相铰接，小臂主杆下端为自由端；所述小臂副杆下端与小臂主杆杆体固定连接，小臂副杆上端与气动人工肌肉下端相铰接；在所述内侧小臂的小臂主杆与外侧小臂的小臂主杆之间固定连接有U型小臂支撑架。

Images