[发明专利]基于柔性传动机构的主被动结合六自由度上肢助力外骨骼

说明书

本发明一种基于柔性传动机构的主被动结合六自由度上肢助力外骨骼，属于机械外骨骼产品技术领域；包括腰部组件、背部组件、肩架组件、肩部组件、肘部组件和柔性传动组件；腰部组件固定于人体后腰部，背部组件位于人体背部，与腰部组件的上端通过腰背连接组件连接；肩架组件固定于背部组件的上端，两个肩部组件对称设置于肩架组件的两端，两个所述肘部组件分别与两个肩部组件的下端连接，固定于人体的两个肘部，两组所述柔性传动组件一端分别固定于背部组件的两侧，另一端分别与两个肘部组件连接，用于辅助使用者前臂提供助力；实现肩内关节前伸/回缩，内缩/外推，肩外关节屈/伸，内收/外展，内旋/外旋，肘关节屈/伸六个自由度的运动。

技术领域

本发明属于机械外骨骼产品技术领域，具体涉及一种基于柔性传动机构的主被动结合六自由度上肢助力外骨骼。

背景技术

近年来，人们越来越重视外骨骼技术在制造业中的应用。随着社会老龄化日益严重以及在工业环境中与工作相关的肌肉骨骼疾病(MSD)的治疗费用增加，在工业4.0的趋势下，外骨骼技术最近正在成为预防与工作相关的MSD的潜在解决方案。而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，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。在未来，许多工作对人体功能的要求越来越高，甚至超出了身体的极限。外骨骼助力机器人将特别重要，并最终将成为人机友好合作不可或缺的产品。

现有技术中，上肢助力外骨骼大多依靠外部电源为电机、液压或气压驱动装置提供能源从而实现驱动，例如发明专利CN106031669A公开了“七自由度上肢助力外骨骼机器人”，该设计包括了7个伺服电机，这种主动式有源上肢助力外骨骼机器人虽然驱动力大，但结构和控制复杂，重量大且工作时间严重受限于电源。而文献“A light-weight passiveupper arm assistive exoskeleton based on multi-linkage spring-energydissipation mechanism for overhead tasks”介绍了一种用于重力补偿的被动式无源上肢助力外骨骼，但该外骨骼只能在大臂处于特定的角度时提供助力作用，以帮助穿戴者长时间维持托举状态，而不能在托举过程中提供足够强大的助力作用以完成搬运工作。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于电机驱动、弹簧蓄能、钢丝绳传动的新型主被动结合式六自由度上肢助力外骨骼机器人，该机器人能够实现肩内关节前伸/回缩，内缩/外推，肩外关节屈/伸，内收/外展，内旋/外旋，肘关节屈/伸六个自由度的运动，在保证肩部球形关节运动的基础上新设立两个肩内关节自由度，进一步保证了肩部运动的灵活性；同时，实现了部分驱动与关节分离，提高了助力外骨骼的续航时间以及灵活程度。

本发明的技术方案是：一种基于柔性传动机构的主被动结合六自由度上肢助力外骨骼，其特征在于：包括腰部组件、背部组件、肩架组件、肩部组件、肘部组件以及柔性传动组件；所述腰部组件和背部组件均为平板结构，所述腰部组件固定于人体后腰部，所述背部组件位于人体背部，与腰部组件的上端通过所述腰背连接组件连接；所述肩架组件固定于背部组件的上端，用于辅助使用者进行肩内关节的前伸/回缩、内缩/外推运动；两个所述肩部组件对称设置于肩架组件的两端，用于辅助使用者进行肩外关节的屈/伸、内收/外展、内旋/外旋运动；两个所述肘部组件分别与两个肩部组件的下端连接，固定于人体的两个肘部，用于辅助使用者进行肘关节的屈/伸运动；两组所述柔性传动组件一端分别固定于背部组件的两侧，另一端分别与两个肘部组件连接，用于辅助使用者前臂提供助力；

所述肩架组件包括肩背连接件、肩架和肩部连杆组件；所述肩架为水平设置于人体肩颈处的平板结构，其下方通过肩背连接件与所述背部组件连接；所述肩部连杆组件包括肩部第一杆件、肩部第二杆件、肩部第三杆件、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承；所述肩部第一杆件和肩部第二杆件平行叠放，两端均开有同轴通孔，其一端通过第一深沟球轴承与所述肩架一端的通孔连接，另一端通过第二深沟球轴承与肩部第三杆件一端的通孔连接；两个肩部连杆组件对称设置于肩架的两端；