本發(fā)明屬于助力機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、穿戴式腰部外骨骼機(jī)器人可以為人們的腰部提供諸如助力、保護(hù)、支撐等功能，其融合了機(jī)械、電子、控制、傳感等多種技術(shù)，可通過匹配的跟隨控制策略驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)人體腰部的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)能力，在工業(yè)生產(chǎn)、康復(fù)醫(yī)療、軍事等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

2、目前大多數(shù)用于腰部的有源助力外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)形式，通常是在人體髖關(guān)節(jié)處放置一對驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這類構(gòu)型的外骨骼機(jī)器人通過雙電機(jī)髖關(guān)節(jié)助力模式對人體髖關(guān)節(jié)進(jìn)行助力，可用來輔助人體下肢行走，并且也具有一定的腰部助力功能，在人體彎腰或起身時(shí)，兩個(gè)髖關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可同時(shí)向彎腰方向和起身方向旋轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)輔助人體腰部伸展運(yùn)動(dòng)。但根據(jù)人體行走習(xí)慣，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要選擇高速低負(fù)載型，而對于腰部運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)而言，則需要選用低速高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此這類雙電機(jī)髖關(guān)節(jié)助力模式的外骨骼機(jī)器人，其腰部助力功能的實(shí)際應(yīng)用效果較差，并且需要兩個(gè)電機(jī)來同步驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，人體腿部的負(fù)荷也較大，因此亟需一種專門用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人。

3、并且，在腰部助力的外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用場景中，有很大一部分需要腰部長時(shí)間保持一種姿勢，這種場景下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要長期保持一定扭矩，但卻沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這種情況下電能全部轉(zhuǎn)換為熱能，會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生大量的熱，從而使電機(jī)溫度急劇升高甚至燒毀。有些電機(jī)帶有抱閘，具有一定的制動(dòng)功能，但其制動(dòng)大都通過摩擦片之間的摩擦力使電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間無法相對轉(zhuǎn)動(dòng)，在負(fù)載較大時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，容易產(chǎn)生危險(xiǎn)，并且?guī)е苿?dòng)功能的電機(jī)其體積和重量也較大，影響了機(jī)器人系統(tǒng)的緊湊性設(shè)計(jì)。

4、例如，邁寶智能科技(蘇州)有限公司設(shè)計(jì)的一種主動(dòng)式腰部助力外骨骼(cn112621722a)，其在人體髖關(guān)節(jié)處分別放置一對電機(jī)來對髖關(guān)節(jié)助力，除了輔助人體行走外，也能通過電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)人體彎腰和起身的腰部助力功能。但其兩個(gè)電機(jī)的對稱安裝結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的整體重量；這種構(gòu)型通過背部和大腿部相對轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)人體腰部彎曲和伸直，為了保證人體能同時(shí)轉(zhuǎn)彎及側(cè)移，額外增加了支持腿部轉(zhuǎn)彎及側(cè)移的機(jī)構(gòu)，這大大增加了大腿部及綁縛機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度；電機(jī)相對的高速低扭矩特性也和腰部助力所需低速高扭矩特性不匹配，降低了腰部助力的功效；髖關(guān)節(jié)也沒有相應(yīng)的保持機(jī)構(gòu)，在腰部需要長時(shí)間保持某一姿勢時(shí)，電機(jī)將持續(xù)無轉(zhuǎn)動(dòng)輸出扭矩，溫升較大，既浪費(fèi)電能，也不利于后續(xù)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于背景技術(shù)中所述現(xiàn)有外骨骼機(jī)器人的不足，本發(fā)明提供了一種可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)，具有腰部助力效果佳、人體負(fù)荷小、用戶體驗(yàn)佳、具有姿態(tài)保持功能、使用時(shí)靈活方便、制造和后續(xù)維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

2、提供的一種可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其包括綁縛組件、框架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸出輪、卷帶、柔性帶、棘輪、棘爪、軸桿、電磁鐵和拉伸彈簧；

3、所述綁縛組件連接于框架，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過支架和支板也安裝于框架，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上固定連接有輸出輪，所述卷帶的一端固定連接于輸出輪的輪面、并繞卷于輸出輪，具體在輸出輪的輪面上開設(shè)有卡槽，可通過壓塊將卷帶一端壓于該卡槽內(nèi)，卷帶的另一端通過柔性帶同時(shí)連接于綁縛組件的兩個(gè)大腿綁帶，該柔性帶具體可選用拉力帶；

4、所述輸出輪上還固定連接有棘輪，所述棘輪同軸心設(shè)置在輸出輪旁，可通過多個(gè)周向陣列的螺釘與輸出輪緊固連接，使棘輪和輸出輪安裝牢靠；所述棘爪設(shè)置于棘輪旁，所述支架在棘爪相應(yīng)位置處安裝有軸桿，棘爪的中部鉸接于軸桿，具體在棘爪的中部開設(shè)有轉(zhuǎn)孔，棘爪通過其轉(zhuǎn)孔套于軸桿上，在棘爪的尾部遠(yuǎn)離棘輪的一面通過拉伸彈簧連接于支架的下部，在棘爪的尾部另一面旁設(shè)置有電磁鐵，所述電磁鐵通過安裝架固定連接于機(jī)架的底面，所述棘爪的尾部為鐵磁性材質(zhì)。

5、上述結(jié)構(gòu)的外骨骼機(jī)器人采用單電機(jī)背部柔性帶腰部助力模式，其工作原理如下：

6、當(dāng)人體彎腰或起身時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，使輸出輪上的卷帶放卷或收卷，卷帶的動(dòng)作通過柔性帶傳遞給大腿綁帶，輔助人體腰部伸展，來實(shí)現(xiàn)腰部助力的功能；

7、在電磁鐵未通電時(shí)，在拉伸彈簧對棘爪的尾部的拉緊下，棘爪的爪部能夠卡入棘輪的齒槽中限制棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而限制輸出輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，在此狀態(tài)下，卷帶也無法放卷，從而阻止腰部彎曲，來實(shí)現(xiàn)腰部負(fù)載保持功能；

8、而當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，電磁鐵對棘爪尾部進(jìn)行吸引，能夠克服拉伸彈簧對棘爪尾部的拉力，使拉伸彈簧進(jìn)一步被拉伸，而棘爪以軸桿為軸心擺動(dòng)，使棘爪的爪部遠(yuǎn)離棘輪，來解除腰部負(fù)載保持功能，從而恢復(fù)正常的腰部運(yùn)動(dòng)和助力功能。

9、上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁鐵的控制可通過智能控制手套來實(shí)現(xiàn)，所述智能控制手套的各手指背部位置安裝有彎曲傳感器，手指指端正面安裝有薄膜壓力傳感器，手掌背部安裝有信號(hào)采集及通信控制電路，可通過彎曲傳感器和薄膜壓力傳感器采集手指端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及手指和物體接觸力，并通過有線或無線通信方式傳遞給電控箱內(nèi)的主控板，從而來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁鐵的運(yùn)作；該驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁鐵的控制方式為現(xiàn)有技術(shù)，因本技術(shù)旨在保護(hù)外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁鐵具體的控制方式及邏輯在此不再贅述。

10、優(yōu)選地、所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)為能夠正反轉(zhuǎn)的低速高負(fù)載型的減速電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，這樣的低速高負(fù)載型驅(qū)動(dòng)電機(jī)更加符合腰部運(yùn)動(dòng)特性，有利于提升在大負(fù)載場景下的腰部助力效果。

11、進(jìn)一步地、上述的可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人還包括限位導(dǎo)向組件，所述限位導(dǎo)向組件包括限位件、限位桿和張緊導(dǎo)向軸；

12、所述限位件設(shè)置于輸出輪的下方、并固定連接于框架下部，限位件上開設(shè)有通孔，限位件的通孔內(nèi)安裝有兩個(gè)平行設(shè)置的限位桿；所述支架在卷帶放卷處安裝有張緊導(dǎo)向軸，所述卷帶繞過張緊導(dǎo)向軸并穿過兩個(gè)限位桿之間的間隙設(shè)置；如此卷帶在收卷和放卷時(shí)，不會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的腰部助力效果。

13、進(jìn)一步地、上述的可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人還包括安裝塊，所述安裝塊的底面一體連接有拉環(huán)，所述卷帶的末端在穿過所述限位件的通孔后固定連接于安裝塊，所述柔性帶一端通過魔術(shù)貼可拆卸連接于大腿綁帶，柔性帶的另一端通過魔術(shù)貼可拆卸連接于安裝塊的拉環(huán)；這樣設(shè)置的柔性帶便于驅(qū)動(dòng)部件和大腿綁帶的連接和斷開，斷開后便于人體的穿戴。

14、優(yōu)選地、所述安裝塊頂面還固定連接有防撞橡膠件，避免卷帶收卷時(shí)安裝塊與限位件直接剛性接觸。

15、優(yōu)選地、所述綁縛組件還包括背板、腰側(cè)護(hù)板、肩帶和腰帶；所述背板固定連接于框架，背板和驅(qū)動(dòng)電機(jī)分設(shè)于框架的前后兩側(cè)，兩個(gè)腰側(cè)護(hù)板分設(shè)于背板的左右兩側(cè)、并分別固定連接于背板，所述肩帶一端固定連接于背板、另一端固定連接于相應(yīng)的腰側(cè)護(hù)板，所述腰帶兩端分別可拆卸連接于相應(yīng)的腰側(cè)護(hù)板，所述大腿綁帶通過拉伸帶固定連接于相應(yīng)的腰側(cè)護(hù)板；人體軀干通過前部腰帶和肩帶與人體結(jié)合綁緊，人體大腿通過下部大腿綁帶結(jié)合綁緊，這樣的綁縛組件能夠與人體綁縛牢靠，不會(huì)影響腰部助力效果。

16、優(yōu)選地、在背板處還設(shè)置有殼蓋，所述殼蓋固定連接于框架，所述支架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸出輪、棘輪和棘爪均位于殼蓋內(nèi)，殼蓋在卷帶放卷處開設(shè)有避障通孔；這樣殼蓋能對人體背部各助力驅(qū)動(dòng)零部件進(jìn)行保護(hù)，也使外觀佳。

17、優(yōu)選地、在殼蓋內(nèi)、電機(jī)的上方還設(shè)置有電控箱，所述電控箱固定連接于背板，電控箱內(nèi)安裝有主控板、電池等元器件，具有信號(hào)采集、傳輸、計(jì)算、和控制等功能，同時(shí)為系統(tǒng)供電；且與電控箱電氣連接的外延顯示控制面板安裝于肩帶上，方便設(shè)備運(yùn)行過程中人員對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控和運(yùn)行模式的調(diào)整。

18、優(yōu)選地、所述框架為中空的管結(jié)構(gòu)，框架表面開設(shè)有穿線通孔，框架的中空腔內(nèi)分布有線纜；這樣設(shè)置的線纜可以做到隱藏不外露，線纜可穿過框架表面的穿線通孔與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁鐵和電控箱內(nèi)的電池、各控制元器件進(jìn)行連接。

19、通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明至少包括以下有益效果：

20、本技術(shù)所述的可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人，其設(shè)計(jì)為單電機(jī)背部柔性帶腰部助力模式，從背部到腿部的直線助力，更加符合腰部運(yùn)動(dòng)特性，可以提高負(fù)載能力，增加腰部助力效果；采用的單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力元，相比于背景技術(shù)中所述的雙電機(jī)髖關(guān)節(jié)助力模式的外骨骼機(jī)器人，減少了電機(jī)數(shù)量的使用，不僅可以降低成本，也可以降低系統(tǒng)重量，減輕了人體負(fù)荷，且單驅(qū)動(dòng)電機(jī)和相應(yīng)的助力零部件單元均集成在人體背部，極大減輕了人體腿部的負(fù)荷，提升了用戶體驗(yàn)感。

21、本技術(shù)所述的可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人，其在背部的助力驅(qū)動(dòng)單元處還集成了棘輪棘爪配合的保持機(jī)構(gòu)，具有腰部負(fù)載和姿態(tài)保持功能，即在腰部在運(yùn)動(dòng)到一定位置后，可以長時(shí)間保持這種姿態(tài)而不損耗電能，滿足適應(yīng)多種運(yùn)動(dòng)模式的要求；在長時(shí)間保持姿勢的場景下，不僅可以大大降低系統(tǒng)功耗，保持腰部負(fù)載能力，并且可以有效降低電機(jī)溫升，增加電機(jī)使用壽命；其通過機(jī)械自鎖來實(shí)現(xiàn)姿勢保持，相比于背景技術(shù)中所述的帶抱閘的電機(jī)制動(dòng)模式，具有更高的可靠性和更大的負(fù)載能力。

22、本技術(shù)所述的可用于腰部助力的外骨骼機(jī)器人，其腰部助力模式是通過柔性帶進(jìn)行力的傳遞來拉動(dòng)大腿綁帶實(shí)現(xiàn)腰部伸展運(yùn)動(dòng)，由于柔性帶為柔性可折彎，不影響人體的轉(zhuǎn)彎和側(cè)移，使用時(shí)靈活方便；相較于背景技術(shù)中所述的雙電機(jī)髖關(guān)節(jié)助力模式(其需要復(fù)雜的剛性結(jié)構(gòu)與大腿部進(jìn)行綁縛用以傳遞來自髖關(guān)節(jié)電機(jī)的扭矩，并且需要設(shè)置兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副來實(shí)現(xiàn)下肢轉(zhuǎn)彎和側(cè)移的運(yùn)動(dòng)功能)，不僅大大簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，無需增加額外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，降低了制造和后續(xù)維護(hù)成本。