[发明专利]一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人

说明书

本发明公开了一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，当穿戴者穿戴外骨骼机器人后，气弹簧的拉力会在滑槽板的铰接中心产生力矩，该力矩通过肩部部件及肩部绑缚传递到人的手臂，为穿戴者举升重物提供助力；另外，在举升的过程中，外骨骼的滑块在滑槽板中滑动，改变气弹簧拉力到铰接中心的力臂，从而为穿戴者提供一个合适且不断变化的助力力矩，当穿戴者搬运重物的过程中，助力力矩能够在人手举升到高点时对手臂起到支持作用，而在完成搬运完成后人手下垂到低点时又不会产生过大的阻碍，能够很好的适配日常的搬运过顶作业。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人。

背景技术

在我国，随着国家社会工业化及现代化的进程的加快，职业性肌肉骨骼损伤成为影响工人自身健康与工作效率的主要原因。其主要表现为在职业作业中因过度机械重复、长期负重、不良姿态、搬举重物、重体力劳动等不科学的作业活动而导致的疾病。

随着机器人技术与人机交互技术的不断发展与研究，愈来愈多新技术应用于人工辅助作业，为其提供作业保护或者作业支持，其中助力外骨骼机器人技术为提高人体体能提供一种解决方案。因此，目前外骨骼机器人被广泛应用于辅助工业生产，其主要可分为有源和无源两种外骨骼；有源外骨骼机器人采用电机等有源装置，为外骨骼提供动力，其助力可控，效果明显，但成本高，结构复杂臃肿，同时可靠性低；无源设备依靠机械结构提供助力，简单轻便，工作可靠，价格低廉，适合大规模推广，但大多数只能提供简单助力，不能在相应场景下为人体提供连续变化的辅助助力。

基于现有研究基础和目前无源上肢助力外骨骼机器人的缺陷，本发明提供了一种可变助力力矩的无源上肢助力外骨骼机器人，旨在过顶运动和搬运作业中为穿戴者提供合理的助力，降低作业疲劳。相关研究表明，将重物由低到高的托举过程中，由于上肢关节和肌肉负载是成多元增长状态，为了模拟这一变化，因此所需的助力力矩也需要随托举状态进行变化。

经对现有技术文献检索发现：

中国专利(申请号：201910142742.0)一种可穿戴上肢助力外骨骼。

该专利主要提供了一种用工业弹簧作为储能装置的无源上肢助力外骨骼，主要用于为作业人员上肢提供辅助力矩，减少其关节疼痛。但是该专利助力方式较为单一，在实际使用过程中无法随着上肢的运动而改变助力力矩，在自然放下过程中因力矩保持不变，会阻碍穿戴者上肢正常运动。

中国专利(申请号：202010225907.3)一种气弹簧储能被动型上肢助力外骨骼。该专利提供了一种可以在搬运过程中为上肢提供助力的外骨骼装置，其可以在人体搬运过程中为上肢提供助力，但方式较为单一，无法适应实际情况下穿戴者所需助力力矩的变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，为使用者提供无源的助力力矩，且可以随人体托举高度变化而改变助力力矩大小。

为实现上述发明目的，本发明一种可变助力力矩的上肢助力外骨骼机器人，其特征在于，包括：肩部调节机构、变力臂机构、高度调节机构和宽度调节机构；

所述肩部调节机构包括手臂绑缚连接件、肩部调节杆和肩部连接杆；手臂绑缚连接件和肩部调节杆通过螺钉固连，肩部调节杆套接于肩部连接杆外，可进行滑动，再通过圆柱销卡住两者间的圆孔进行限位，从而实现尺寸调节，适配不同人的手臂长度；

所述变力臂机构包括滑槽板、滑块、盖板、连架杆、主支撑杆和气弹簧；两块滑槽板通过螺钉固连于肩部连接杆两侧，滑槽板末端用螺钉与盖板固定连接，滑块两边突出并卡于两块滑槽板之间，可在滑槽板的滑槽内自由滑动，滑块两端的突出位置分别与两根连架杆铰接，底部与气弹簧铰接，连架杆另一端与主支撑杆通过销钉铰接，主支撑杆上端与两滑槽板铰接；气弹簧提供恒定的拉力，人手从高到低托举重物的过程中，滑块带着气弹簧一端滑动，气弹簧拉力与滑槽板旋转中心的力臂从小到大变化，从而为搬运作业提供合理的柔性助力；