[发明专利]一种肩关节助力无源外骨骼机器人

说明书

本发明提供了一种肩关节助力无源外骨骼机器人，包括背板、腰板、背杆组件、臂组件和助力关节组件，所述背板和腰板为穿戴者的背部和腰部提供符合人体工程学的支撑；所述背杆组件用于连接背板和腰板，与背板和腰板共同组成基于人体工程学的仿生背脊机构；所述臂组件固定在背板后部，包括至少一个单臂组件，用于支撑助力关节组件，并将手臂负载有效传递到背部；所述助力关节组件与臂组件末端抱紧连接，产生用于重力补偿的辅助转矩以支撑穿戴者手臂负载。本发明外骨骼机器人通过对助力关节组件的设计，具备了超大辅助转矩的柔顺输出能力，可以在任意工作角度输出适当的辅助转矩，不产生突变或冲击，且输出转矩相比现有同类型外骨骼有数倍的提高。

技术领域

本发明涉及一种肩关节助力外骨骼机器人，特别涉及一种肩关节助力无源外骨骼机器人，该设备通过在肩关节处提供辅助转矩以增强穿戴者手臂力量和耐性，缓解穿戴者长时间工作造成重复性劳损，对于执行工作平面高于视线水平面的重复任务非常有效，可应用于军事、工业、救援、医疗、商业等领域。

背景技术

随着社会发展，全球老龄化、医疗康复以及抢险救灾等问题愈发突出，外骨骼机器人作为一种能够辅助并增强人体机能的穿戴式机器人，其可以将人体的智力与机器人的体力进行完美结合，实现单纯机器人完成不了的复杂运动，具有非常广泛的应用前景。

面向托举搬运的肩关节外骨骼是外骨骼机器人研究的重要分支，主要用于辅助人体负重行走、托举重物以及搬运物资等方面。目前外骨骼按其能量来源可分为：电机驱动、气动驱动、液压驱动以及被动储能。

国外肩关节助力的单关节外骨骼较少，涉及肩关节的外骨骼主要有：雷神公司的XOS-2全身式外骨骼，其肩关节包括水平面、矢状面、额状面内的3个旋转自由度，以液压为驱动力，可提供很高的瞬时加速度。日本筑波大学的HAL-5B全身式外骨骼，其上肢部分设计了肩关节主动自由度，利用直流伺服电机驱动。日本神奈川工科大学的PAS全身式外骨骼，在肩关节的矢状面转动方向布置了主动驱动关节，后背布置有气动泵，驱动方式为气动驱动。宾夕法尼亚大学的RUPERT上肢外骨骼，驱动方式为气动肌肉驱动，在肩关节上布置了一个气动肌肉，以克服重力方向的载荷。华盛顿大学的CADEN-7上肢外骨骼，驱动方式为以电机为主要输出的钢丝绳传动驱动。

上述方案主要利用传感器感知人体运动意图，并通过控制程序驱动执行机构将力施加于穿戴者，均属于主动有源外骨骼。现阶段由于意图感知、柔顺控制等的技术瓶颈，经常会引起穿戴者的不适，同时由于其系统复杂，存在可靠性低、成本高、续航短、穿戴体验差的缺点。为解决上述问题，被动无源的外骨骼慢慢成为主流方案之一。

国外的无源外骨骼主要有：加拿大的Zero G上肢外骨骼机器人，其利用弹簧平衡原理实现了运动中弹性势能到重力势能的转化。德国的Robot-Mate被动上肢外骨骼机器人，其将人体小臂捆绑在结构末端，由人来实现重物的搬运托举功能。荷兰的基于重力平衡机构的上肢外骨骼，将肩关节的运动角度通过连杆结构的方式进行机械关联，将弹簧设置在固定基座上，通过相关联的连杆将弹性势能与大臂和小臂的重力势能相互转化。卡内基梅隆大学的重力平衡机械臂，没有利用任何储能装置，而是在基座上通过摩擦轮连接了具有重心调整功能的重块，在上臂运动的过程中，可以保证整体的重心不会运动，从而实现平衡效果。

现有肩关节助力无源外骨骼主要通过机械装置在手臂运动过程为其提供辅助转矩，但由于尺寸、重量的限制，其输出转矩都在10Nm以内，仅能针对已知轻小负载，提供一定比例的助力，无法满足大转矩助力的需求。根据需求分析，肩关节助力外骨骼需要较大的驱动力来保证驱动关节快速输出大转矩，需要较小的质量和体积功率比来实现外骨骼在室外等复杂环境中独立工作的能力。因此，对尺寸、重量、输出转矩、穿戴舒适性有严格要求的肩关节助力外骨骼来说，大转矩助力的问题同样亟待解决。

发明内容

本发明目的在于提供一种可输出大辅助转矩的肩关节助力无源外骨骼机器人，为增强穿戴者手臂力量和耐性提供结构简单、运动灵活的解决方案，能够实现对较大重量负载的长时间托举搬运。