[0001] 本发明涉及一种外骨骼机器人， 具体涉及一种负载自适应被动平衡上肢外骨骼 背景技术

[0002] 目前， 上肢被动外骨骼机器人以其独有的人机结合方 式受到了广大的研究者的 青睐， 现有的上肢被动外骨骼多以弹簧为主动力来实 现平衡， 而当工况中载荷 发生变化吋， 基本依靠人工进行手动调整。 这样的结构不但负载质量不高， 而 且使其平衡效果受到了很大的限制， 不能很好的满足各个角度的重力平衡条件 ， 而且调整过程过于繁琐， 降低了工作效率。

技术问题

[0003] 本发明为解决现有外骨骼机器人负载质量不高 ， 不能很好的满足各个角度的重 力平衡条件， 而且调整过程过于繁琐， 降低了工作效率的问题， 而提出一种负 载自适应被动平衡上肢外骨骼。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 本发明的一种负载自适应被动平衡上肢外骨骼 ， 其组成包括大臂、 肘关节、 小 臂、 手部、 大臂支撑杆和小大臂支撑杆；

[0005] 大臂包括大臂上杆、 大臂下杆、 肩关节和大臂驱动机构， 大臂驱动机构包括尾 部固定件、 气弹簧顶板、 气弹簧、 气弹簧滑轨、 连接板、 两个大臂支撑杆滑轨 、 两个大臂支撑杆滑块和两个气弹簧滑块， 气弹簧的缸体尾部与尾部固定件固 接， 气弹簧的活塞杆与气弹簧顶板固接， 连接板固装在气弹簧顶板的左侧， 一 个气弹簧滑块与连接板固接， 两个气弹簧滑块均与气弹簧滑轨滑动连接， 气弹 簧滑轨与大臂下杆固接， 两个大臂支撑杆滑轨上下平行设置且固装在气 弹簧顶 板的右侧， 两个大臂支撑杆滑块与两个大臂支撑杆滑轨一 一对应， 大臂支撑杆 滑块与大臂支撑杆滑轨滑动连接， 大臂上杆与大臂下杆的结构相同， 大臂上杆 和大臂下杆对称设置在肩关节的上下端， 肩关节位于大臂上杆和大臂下杆的左 端， 且肩关节分别通过轴承与大臂上杆和大臂下杆 铰接， 大臂驱动机构设置在 大臂下杆中， 且大臂驱动机构中的尾部固定件和大臂驱动机 构中的两个气弹簧 滑块均与大臂下杆固接；

[0006] 小臂包括小臂上杆、 小臂下杆、 腕关节和小臂驱动机构， 小臂驱动机构与大臂 驱动机构的结构相同， 小臂上杆与小臂下杆的结构相同， 小臂上杆和小臂下杆 对称设置在腕关节的上下端， 腕关节位于小臂上杆和小臂下杆的右端， 且腕关 节分别通过轴承与小臂上杆和小臂下杆铰接， 小臂驱动机构设置在小臂上杆中 ， 且小臂驱动机构中的尾部固定件和小臂驱动机 构中的两个气弹簧滑块均与大 臂下杆固接；

[0007] 肘关节包括大臂肘关节组件、 小臂肘关节组件、 肘关节驱动机构、 大臂过渡齿 轮、 大臂过渡齿轮轴、 小臂过渡齿轮、 小臂过渡齿轮轴和两个滚子轴承， 大臂 肘关节组件包括大臂丝杠螺母、 大臂丝杠螺母连接件、 大臂下滚珠轴承、 大臂 肘关节壳体、 大臂丝杠、 大臂上滚珠轴承、 大臂传动齿轮和两个大臂滚针推力 轴承， 大臂丝杠螺母与大臂丝杠螺纹连接， 大臂丝杠的上端由内至外依次套装 有两个大臂滚针推力轴承和大臂上滚珠轴承， 大臂丝杠的下端由内至外依次套 装有大臂丝杠螺母连接件和大臂下滚珠轴承， 大臂丝杠螺母与大臂丝杠螺母连 接件固接， 大臂上滚珠轴承、 大臂下滚珠轴承和两个大臂滚针推力轴承均支 撑 在大臂肘关节壳体中， 大臂丝杠的下端外露在大臂肘关节壳体外且与 大臂传动 齿轮固接； 小臂肘关节组件包括小臂传动齿轮、 小臂肘关节壳体、 小臂丝杠螺 母、 小臂丝杠螺母连接件、 小臂上滚珠轴承、 小臂丝杠、 两个小臂滚针推力轴 承， 小臂丝杠螺母与小臂丝杠螺纹连接， 小臂丝杠的上端套装有小臂丝杠螺母 连接件， 小臂丝杠的下端套装有两个小臂滚针推力轴承 ， 小臂丝杠螺母与小臂 丝杠螺母连接件固接， 小臂丝杠螺母连接件套装在小臂丝杠上， 小臂上滚珠轴 承和两个小臂滚针推力轴承均支撑在小臂肘关 节壳体中， 小臂丝杠的下端外露 在小臂肘关节壳体外且与小臂传动齿轮固接； 肘关节驱动机构包括减速器输出 齿轮、 减速器外壳、 主轴、 电机和减速器， 减速器设置在减速器外壳中， 减速 器的输入端与电机连接， 减速器的输出端与主轴连接， 减速器输出齿轮固装在 主轴上； 大臂肘关节组件和小臂肘关节组件设置在肘关 节驱动机构的左右侧， 减速器外壳与大臂肘关节壳体和小臂肘关节壳 体固接， 大臂过渡齿轮设置在减 速器输出齿轮与大臂传动齿轮之间， 且大臂过渡齿轮同吋与减速器输出齿轮和 大臂传动齿轮啮合， 大臂过渡齿轮通过一个滚子轴承与大臂过渡齿 轮轴连接， 大臂过渡齿轮轴与大臂肘关节壳体固接， 小臂过渡齿轮设置在减速器输出齿轮 与小臂传动齿轮之间， 且小臂过渡齿轮同吋与减速器输出齿轮和小臂 传动齿轮 啮合， 小臂过渡齿轮通过另一个滚子轴承与小臂过渡 齿轮轴连接， 小臂过渡齿 轮轴与小臂肘关节壳体固接；

[0008] 大臂、 肘关节、 小臂和手部由左至右依次布置， 大臂上杆和大臂下杆分别通过 轴承与大臂肘关节壳体铰接， 小臂上杆和小臂下杆分别通过轴承与小臂肘关 节 壳体铰接， 大臂支撑杆设置在大臂驱动机构与大臂肘关节 组件之间， 且大臂支 撑杆的一端与大臂驱动机构中的两个大臂支撑 杆滑块固接， 大臂支撑杆的另一 端与大臂丝杠螺母连接件两侧伸出轴通过轴承 铰接， 小大臂支撑杆设置在小臂 驱动机构与小臂肘关节组件之间， 且小大臂支撑杆的一端与小臂驱动机构中的 两个大臂支撑杆滑块固接， 小大臂支撑杆的另一端与小臂丝杠螺母连接件 41两 侧伸出轴通过轴承铰接， 手部与腕关节铰接。

发明的有益效果

有益效果

[0009] 一、 本发明利用气弹簧输出恒力的方式使得在转动 过程中的各个角度都能够完 美达到平衡效果。

[0010] 二、 由于气弹簧是功率密度较高的被动储能装置， 相比弹簧结构来说， 极大程 度提高了设备的负载能力和紧凑型， 单臂负载能力可达 25kg以上。

[0011] 三、 电机自动调整反馈系统的引入使得本发明可以 具备在承载重物变化吋的快 速切换能力， 使得工作效率大大提升， 并且扩大了其应用场合。

[0012] 四、 本发明结构可以平衡掉由于货物重量产生的重 力， 减轻人体上肢的负重。

对附图的简要说明

附图说明

[0013] 图 1是本发明的整体结构立体图； [0014] 图 2是大臂 A与肘关节 B的连接关系立体图 （去掉大臂下杆 A2) ；

[0015] 图 3是本发明的主剖视图；

[0016] 图 4是肘关节驱动机构 B3的主剖视图；

[0017] 图 5是肘关节 B的主剖视图；

[0018] 图 6是大臂支撑杆 E与大臂驱动机构 A4和大臂肘关节组件 B1之间的连接关系立 体图；

[0019] 图 7是小大臂支撑杆 K与小臂驱动机构 C4和小臂肘关节组件 B2之间的连接关系 立体图；

[0020] 图 8是手部 D的结构立体图；

[0021] 图 9是本发明的使用状态图；

[0022] 图 10是本发明的原理简图。

本发明的实施方式

[0023] 具体实施方式一： 结合图 1〜图 8说明本实施方式， 本实施方式包括大臂 A、 肘 关节 B、 小臂 C、 手部 D、 大臂支撑杆 E和小大臂支撑杆 F;

[0024] 大臂 A包括大臂上杆 Al、 大臂下杆 A2、 肩关节 A3和大臂驱动机构 A4， 大臂驱 动机构 A4包括尾部固定件 3、 气弹簧顶板 4、 气弹簧 5、 气弹簧滑轨 6、 连接板 7、 两个大臂支撑杆滑轨 8、 两个大臂支撑杆滑块 9和两个气弹簧滑块 10， 气弹簧 5的 缸体尾部与尾部固定件 3固接， 气弹簧 5的活塞杆与气弹簧顶板 4固接， 连接板 7 固装在气弹簧顶板 4的左侧， 一个气弹簧滑块 10与连接板 7固接， 两个气弹簧滑 块 10均与气弹簧滑轨 6滑动连接， 气弹簧滑轨 6与大臂下杆 A2固接， 两个大臂支 撑杆滑轨 8上下平行设置且固装在气弹簧顶板 4的右侧， 两个大臂支撑杆滑块 9与 两个大臂支撑杆滑轨 8—一对应， 大臂支撑杆滑块 9与大臂支撑杆滑轨 8滑动连接 ， 大臂上杆 A1与大臂下杆 A2的结构相同， 大臂上杆 A1和大臂下杆 A2对称设置在 肩关节 A3的上下端， 肩关节 A3位于大臂上杆 A1和大臂下杆 A2的左端， 且肩关节 A3分别通过轴承与大臂上杆 A1和大臂下杆 A2铰接， 大臂驱动机构 A4设置在大臂 下杆 A2中， 且大臂驱动机构 A4中的尾部固定件 3和大臂驱动机构 A4中的两个气 弹簧滑块 10均与大臂下杆 2固接； [0025] 小臂 C包括小臂上杆 CI、 小臂下杆 C2、 腕关节 C3和小臂驱动机构 C4， 小臂驱 动机构 C4与大臂驱动机构 A4的结构相同， 小臂上杆 C1与小臂下杆 C2的结构相同 ， 小臂上杆 C1和小臂下杆 C2对称设置在腕关节 C3的上下端， 腕关节 C3位于小臂 上杆 C1和小臂下杆 C2的右端， 且腕关节 C3分别通过轴承与小臂上杆 C1和小臂下 杆 C2铰接， 小臂驱动机构 C4设置在小臂上杆 C1中， 且小臂驱动机构 C4中的尾部 固定件 3和小臂驱动机构 C4中的两个气弹簧滑块 10均与大臂下杆 2固接；

[0026] 肘关节 B包括大臂肘关节组件 Bl、 小臂肘关节组件 B2、 肘关节驱动机构 B3、 大 臂过渡齿轮 B4、 大臂过渡齿轮轴 B5、 小臂过渡齿轮 B6、 小臂过渡齿轮轴 B7和两 个滚子轴承 B8， 大臂肘关节组件 Bl包括大臂丝杠螺母 18、 大臂丝杠螺母连接件 1 9、 大臂下滚珠轴承 20、 大臂肘关节壳体 22、 大臂丝杠 23、 大臂上滚珠轴承 24、 大臂传动齿轮 21和两个大臂滚针推力轴承 17， 大臂丝杠螺母 18与大臂丝杠 23螺 纹连接， 大臂丝杠 23的上端由内至外依次套装有两个大臂滚针推� ��轴承 17和大 臂上滚珠轴承 24， 大臂丝杠 23的下端由内至外依次套装有大臂丝杠螺母连� ��件 1 9和大臂下滚珠轴承 20， 大臂丝杠螺母 18与大臂丝杠螺母连接件 19固接， 大臂上 滚珠轴承 24、 大臂下滚珠轴承 20和两个大臂滚针推力轴承 17均支撑在大臂肘关 节壳体 22中， 大臂丝杠 23的下端外露在大臂肘关节壳体 22外且与大臂传动齿轮 2 1固接， 这样设置， 通过大臂传动齿轮 21可以将转动传递到大臂丝杠 23上， 使得 大臂丝杠螺母 18带动大臂丝杠螺母连接件 19上下移动； 小臂肘关节组件 （B2) 包括小臂传动齿轮 38、 小臂肘关节壳体 39、 小臂丝杠螺母 40、 小臂丝杠螺母连 接件 41、 小臂上滚珠轴承 42、 小臂丝杠 43、 两个小臂滚针推力轴承 44， 小臂丝 杠螺母 40与小臂丝杠 43螺纹连接， 小臂丝杠 43的上端套装有小臂丝杠螺母连接 件 41， 小臂丝杠 43的下端套装有两个小臂滚针推力轴承 44， 小臂丝杠螺母 40与 小臂丝杠螺母连接件 41固接， 小臂丝杠螺母连接件 41套装在小臂丝杠 43上， 小 臂上滚珠轴承 42和两个小臂滚针推力轴承 44均支撑在小臂肘关节壳体 39中， 小 臂丝杠 43的下端外露在小臂肘关节壳体 39外且与小臂传动齿轮 38固接； 这样设 置， 通过小臂传动齿轮 38可以将转动传递到小臂丝杠 43上， 使得小臂丝杠螺母 4 0带动小臂丝杠螺母连接件 41上下移动； 肘关节驱动机构 B3包括减速器输出齿轮 25、 减速器外壳 26、 主轴 27、 电机 28和减速器 29， 减速器 29设置在减速器外壳 2 6中， 减速器 29的输入端与电机 28连接， 减速器 29的输出端与主轴 27连接， 减速 器输出齿轮 25固装在主轴 27上； 大臂肘关节组件 B 1和小臂肘关节组件 B2设置在 肘关节驱动机构 B3的左右侧， 减速器外壳 26与大臂肘关节壳体 22和小臂肘关节 壳体 39固接， 大臂过渡齿轮 B4设置在减速器输出齿轮 25与大臂传动齿轮 21之间 ， 且大臂过渡齿轮 B4同吋与减速器输出齿轮 25和大臂传动齿轮 21啮合， 大臂过 渡齿轮 B4通过一个滚子轴承 B8与大臂过渡齿轮轴 B5连接， 大臂过渡齿轮轴 B5与 大臂肘关节壳体 22固接， 小臂过渡齿轮 B6设置在减速器输出齿轮 25与小臂传动 齿轮 38之间， 且小臂过渡齿轮 B6同吋与减速器输出齿轮 25和小臂传动齿轮 38啮 合， 小臂过渡齿轮 B6通过另一个滚子轴承 B8与小臂过渡齿轮轴 B7连接， 小臂过 渡齿轮轴 B7与小臂肘关节壳体 39固接；

[0027] 大臂 A、 肘关节 B、 小臂 C和手部 D由左至右依次布置， 大臂上杆 A1和大臂下杆 A2分别通过轴承与大臂肘关节壳体 22铰接， 小臂上杆 C1和小臂下杆 C2分别通过 轴承与小臂肘关节壳体 ₃₉ 铰接， 大臂支撑杆 E设置在大臂驱动机构 A4与大臂肘关 节组件 B1之间， 且大臂支撑杆 E的一端与大臂驱动机构 A4中的两个大臂支撑杆 滑块 9固接， 大臂支撑杆 E的另一端与大臂丝杠螺母连接件 19两侧伸出轴通过轴 承铰接， 小大臂支撑杆 F设置在小臂驱动机构 C4与小臂肘关节组件 B2之间， 且小 大臂支撑杆 F的一端与小臂驱动机构 C4中的两个大臂支撑杆滑块 9固接， 小大臂 支撑杆 F的另一端与小臂丝杠螺母连接件 41两侧伸出轴通过轴承铰接， 手部 D与 腕关节 C3铰接。

[0028] 当大臂支撑杆 E在人的牵引作用下转动吋， 会带动大臂支撑杆滑块 9与大臂支撑 杆滑轨 8相对滑动的同吋带动气弹簧顶板 4沿着气弹簧 5的活塞杆伸缩方向移动， 气弹簧 5的活塞杆随之产生伸缩运动。

[0029] 具体实施方式二： 结合图 3和图 8说明本实施方式， 本实施方式的手部 D包括手 腕连接架 11、 载重钩 12、 第一销轴 13、 力传感器 14、 吊耳 15、 第二销轴 16、 握 手 30和第三销轴 31， 载重钩 12设置在手腕连接架 11的下面， 且载重钩 12与手腕 连接架 11通过第一销轴 13铰接， 力传感器 14设置在载重钩 12与手腕连接架 11之 间， 且力传感器 14的上端与手腕连接架 11插接， 力传感器 14的下端与吊耳 15螺 纹连接， 吊耳 15与载重钩 12通过第二销轴 16铰接， 与手腕连接架 11通过第三销 轴 31铰接。 这样设置， 当载重钩 12放上重物吋， 通过杠杆的作用， 力传感器 14 就会被拉伸达到测量质量的作用。 握手 30具有翻转的自由度。 其它组成及连接 关系与具体实施方式一相同。

[0030] 具体实施方式三： 结合图 3说明本实施方式， 本实施方式的大臂丝杠 23与小臂 丝杠 43的直径、 螺距均相同。 这样设置可以保证大臂 A和小臂 C同步转动。 其它 组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

[0031] 本发明的工作原理：

[0032] 在大臂 A上， 通过大臂上杆 Al、 肩关节 A3、 大臂下杆 A2、 大臂肘关节壳体 22 四个部件的铰链连接构成一个平行四边形， 利用图 10所示的原理， 将气弹簧 5伸 缩运动， 改变为手部 D的旋转运动， 并且可以计算得出其与重力之间的关系式 F* H=G*L， 其中， F—气弹簧活塞推力值、 H—丝杠螺母 18距离手臂连杆转轴 距离、 G _重物的重力、 L—大臂上杆 A1与肩关节 A3的铰接中心至大臂上杆 A1与大臂肘关节壳体 22铰接中心 （或者大臂下杆 A2与肩关节 A3的铰接中心至大 臂下杆 A2与大臂肘关节壳体 22铰接中心） 之间的距离。 通过 F*H=G*L就可以实 现针对不同重力的平衡效果。 电机 28转动， 通过减速器输出齿轮 25将运动分别 经由大臂过渡齿轮 B4和小臂过渡齿轮 B6传递到大臂传动齿轮 21和小臂传动齿轮 3 8上， 大臂传动齿轮 21可以将转动传递到大臂丝杠 23上， 使得大臂丝杠螺母 18带 动大臂丝杠螺母连接件 19上下移动。 这样就实现了 H的调整， 在实际工况中， 可 以根据末端力传感器 14采集的数据实吋的对 H进行调整， 使其满足平衡效果， 已 达到被动平衡重力的条件。

[0033] 小臂 C的原理大臂 A相同。