本發(fā)明涉及一種外骨骼機(jī)器人，具體涉及一種負(fù)載自適應(yīng)被動(dòng)平衡上肢外骨骼。

背景技術(shù)：

目前，上肢被動(dòng)外骨骼機(jī)器人以其獨(dú)有的人機(jī)結(jié)合方式受到了廣大的研究者的青睞，現(xiàn)有的上肢被動(dòng)外骨骼多以彈簧為主動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)平衡，而當(dāng)工況中載荷發(fā)生變化時(shí)，基本依靠人工進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。這樣的結(jié)構(gòu)不但負(fù)載質(zhì)量不高，而且使其平衡效果受到了很大的限制，不能很好的滿足各個(gè)角度的重力平衡條件，而且調(diào)整過程過于繁瑣，降低了工作效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有外骨骼機(jī)器人負(fù)載質(zhì)量不高，不能很好的滿足各個(gè)角度的重力平衡條件，而且調(diào)整過程過于繁瑣，降低了工作效率的問題，而提出一種負(fù)載自適應(yīng)被動(dòng)平衡上肢外骨骼。

本發(fā)明的一種負(fù)載自適應(yīng)被動(dòng)平衡上肢外骨骼，其組成包括大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、手部、大臂支撐桿和小大臂支撐桿；

大臂包括大臂上桿、大臂下桿、肩關(guān)節(jié)和大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括尾部固定件、氣彈簧頂板、氣彈簧、氣彈簧滑軌、連接板、兩個(gè)大臂支撐桿滑軌、兩個(gè)大臂支撐桿滑塊和兩個(gè)氣彈簧滑塊，氣彈簧的缸體尾部與尾部固定件固接，氣彈簧的活塞桿與氣彈簧頂板固接，連接板固裝在氣彈簧頂板的左側(cè)，一個(gè)氣彈簧滑塊與連接板固接，兩個(gè)氣彈簧滑塊均與氣彈簧滑軌滑動(dòng)連接，氣彈簧滑軌與大臂下桿固接，兩個(gè)大臂支撐桿滑軌上下平行設(shè)置且固裝在氣彈簧頂板的右側(cè)，兩個(gè)大臂支撐桿滑塊與兩個(gè)大臂支撐桿滑軌一一對(duì)應(yīng)，大臂支撐桿滑塊與大臂支撐桿滑軌滑動(dòng)連接，大臂上桿與大臂下桿的結(jié)構(gòu)相同，大臂上桿和大臂下桿對(duì)稱設(shè)置在肩關(guān)節(jié)的上下端，肩關(guān)節(jié)位于大臂上桿和大臂下桿的左端，且肩關(guān)節(jié)分別通過軸承與大臂上桿和大臂下桿鉸接，大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在大臂下桿中，且大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的尾部固定件和大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)氣彈簧滑塊均與大臂下桿固接；

小臂包括小臂上桿、小臂下桿、腕關(guān)節(jié)和小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，小臂上桿與小臂下桿的結(jié)構(gòu)相同，小臂上桿和小臂下桿對(duì)稱設(shè)置在腕關(guān)節(jié)的上下端，腕關(guān)節(jié)位于小臂上桿和小臂下桿的右端，且腕關(guān)節(jié)分別通過軸承與小臂上桿和小臂下桿鉸接，小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在小臂上桿中，且小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的尾部固定件和小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)氣彈簧滑塊均與大臂下桿固接；

肘關(guān)節(jié)包括大臂肘關(guān)節(jié)組件、小臂肘關(guān)節(jié)組件、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、大臂過渡齒輪、大臂過渡齒輪軸、小臂過渡齒輪、小臂過渡齒輪軸和兩個(gè)滾子軸承，大臂肘關(guān)節(jié)組件包括大臂絲杠螺母、大臂絲杠螺母連接件、大臂下滾珠軸承、大臂肘關(guān)節(jié)殼體、大臂絲杠、大臂上滾珠軸承、大臂傳動(dòng)齒輪和兩個(gè)大臂滾針推力軸承，大臂絲杠螺母與大臂絲杠螺紋連接，大臂絲杠的上端由內(nèi)至外依次套裝有兩個(gè)大臂滾針推力軸承和大臂上滾珠軸承，大臂絲杠的下端由內(nèi)至外依次套裝有大臂絲杠螺母連接件和大臂下滾珠軸承，大臂絲杠螺母與大臂絲杠螺母連接件固接，大臂上滾珠軸承、大臂下滾珠軸承和兩個(gè)大臂滾針推力軸承均支撐在大臂肘關(guān)節(jié)殼體中，大臂絲杠的下端外露在大臂肘關(guān)節(jié)殼體外且與大臂傳動(dòng)齒輪固接；小臂肘關(guān)節(jié)組件包括小臂傳動(dòng)齒輪、小臂肘關(guān)節(jié)殼體、小臂絲杠螺母、小臂絲杠螺母連接件、小臂上滾珠軸承、小臂絲杠、兩個(gè)小臂滾針推力軸承，小臂絲杠螺母與小臂絲杠螺紋連接，小臂絲杠的上端套裝有小臂絲杠螺母連接件，小臂絲杠的下端套裝有兩個(gè)小臂滾針推力軸承，小臂絲杠螺母與小臂絲杠螺母連接件固接，小臂絲杠螺母連接件套裝在小臂絲杠上，小臂上滾珠軸承和兩個(gè)小臂滾針推力軸承均支撐在小臂肘關(guān)節(jié)殼體中，小臂絲杠的下端外露在小臂肘關(guān)節(jié)殼體外且與小臂傳動(dòng)齒輪固接；肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速器輸出齒輪、減速器外殼、主軸、電機(jī)和減速器，減速器設(shè)置在減速器外殼中，減速器的輸入端與電機(jī)連接，減速器的輸出端與主軸連接，減速器輸出齒輪固裝在主軸上；大臂肘關(guān)節(jié)組件和小臂肘關(guān)節(jié)組件設(shè)置在肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的左右側(cè)，減速器外殼與大臂肘關(guān)節(jié)殼體和小臂肘關(guān)節(jié)殼體固接，大臂過渡齒輪設(shè)置在減速器輸出齒輪與大臂傳動(dòng)齒輪之間，且大臂過渡齒輪同時(shí)與減速器輸出齒輪和大臂傳動(dòng)齒輪嚙合，大臂過渡齒輪通過一個(gè)滾子軸承與大臂過渡齒輪軸連接，大臂過渡齒輪軸與大臂肘關(guān)節(jié)殼體固接，小臂過渡齒輪設(shè)置在減速器輸出齒輪與小臂傳動(dòng)齒輪之間，且小臂過渡齒輪同時(shí)與減速器輸出齒輪和小臂傳動(dòng)齒輪嚙合，小臂過渡齒輪通過另一個(gè)滾子軸承與小臂過渡齒輪軸連接，小臂過渡齒輪軸與小臂肘關(guān)節(jié)殼體固接；

大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂和手部由左至右依次布置，大臂上桿和大臂下桿分別通過軸承與大臂肘關(guān)節(jié)殼體鉸接，小臂上桿和小臂下桿分別通過軸承與小臂肘關(guān)節(jié)殼體鉸接，大臂支撐桿設(shè)置在大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與大臂肘關(guān)節(jié)組件之間，且大臂支撐桿的一端與大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)大臂支撐桿滑塊固接，大臂支撐桿的另一端與大臂絲杠螺母連接件兩側(cè)伸出軸通過軸承鉸接，小大臂支撐桿設(shè)置在小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與小臂肘關(guān)節(jié)組件之間，且小大臂支撐桿的一端與小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)大臂支撐桿滑塊固接，小大臂支撐桿的另一端與小臂絲杠螺母連接件41兩側(cè)伸出軸通過軸承鉸接，手部與腕關(guān)節(jié)鉸接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

一、本發(fā)明利用氣彈簧輸出恒力的方式使得在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的各個(gè)角度都能夠完美達(dá)到平衡效果。

二、由于氣彈簧是功率密度較高的被動(dòng)儲(chǔ)能裝置，相比彈簧結(jié)構(gòu)來說，極大程度提高了設(shè)備的負(fù)載能力和緊湊型，單臂負(fù)載能力可達(dá)25kg以上。

三、電機(jī)自動(dòng)調(diào)整反饋系統(tǒng)的引入使得本發(fā)明可以具備在承載重物變化時(shí)的快速切換能力，使得工作效率大大提升，并且擴(kuò)大了其應(yīng)用場(chǎng)合。

四、本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以平衡掉由于貨物重量產(chǎn)生的重力，減輕人體上肢的負(fù)重。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖；

圖2是大臂A與肘關(guān)節(jié)B的連接關(guān)系立體圖(去掉大臂下桿A2)；

圖3是本發(fā)明的主剖視圖；

圖4是肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B3的主剖視圖；

圖5是肘關(guān)節(jié)B的主剖視圖；

圖6是大臂支撐桿E與大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4和大臂肘關(guān)節(jié)組件B1之間的連接關(guān)系立體圖；

圖7是小大臂支撐桿K與小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4和小臂肘關(guān)節(jié)組件B2之間的連接關(guān)系立體圖；

圖8是手部D的結(jié)構(gòu)立體圖；

圖9是本發(fā)明的使用狀態(tài)圖；

圖10是本發(fā)明的原理簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1～圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括大臂A、肘關(guān)節(jié)B、小臂C、手部D、大臂支撐桿E和小大臂支撐桿F；

大臂A包括大臂上桿A1、大臂下桿A2、肩關(guān)節(jié)A3和大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4，大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4包括尾部固定件3、氣彈簧頂板4、氣彈簧5、氣彈簧滑軌6、連接板7、兩個(gè)大臂支撐桿滑軌8、兩個(gè)大臂支撐桿滑塊9和兩個(gè)氣彈簧滑塊10，氣彈簧5的缸體尾部與尾部固定件3固接，氣彈簧5的活塞桿與氣彈簧頂板4固接，連接板7固裝在氣彈簧頂板4的左側(cè)，一個(gè)氣彈簧滑塊10與連接板7固接，兩個(gè)氣彈簧滑塊10均與氣彈簧滑軌6滑動(dòng)連接，氣彈簧滑軌6與大臂下桿A2固接，兩個(gè)大臂支撐桿滑軌8上下平行設(shè)置且固裝在氣彈簧頂板4的右側(cè)，兩個(gè)大臂支撐桿滑塊9與兩個(gè)大臂支撐桿滑軌8一一對(duì)應(yīng)，大臂支撐桿滑塊9與大臂支撐桿滑軌8滑動(dòng)連接，大臂上桿A1與大臂下桿A2的結(jié)構(gòu)相同，大臂上桿A1和大臂下桿A2對(duì)稱設(shè)置在肩關(guān)節(jié)A3的上下端，肩關(guān)節(jié)A3位于大臂上桿A1和大臂下桿A2的左端，且肩關(guān)節(jié)A3分別通過軸承與大臂上桿A1和大臂下桿A2鉸接，大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4設(shè)置在大臂下桿A2中，且大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4中的尾部固定件3和大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4中的兩個(gè)氣彈簧滑塊10均與大臂下桿2固接；

小臂C包括小臂上桿C1、小臂下桿C2、腕關(guān)節(jié)C3和小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4，小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4與大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4的結(jié)構(gòu)相同，小臂上桿C1與小臂下桿C2的結(jié)構(gòu)相同，小臂上桿C1和小臂下桿C2對(duì)稱設(shè)置在腕關(guān)節(jié)C3的上下端，腕關(guān)節(jié)C3位于小臂上桿C1和小臂下桿C2的右端，且腕關(guān)節(jié)C3分別通過軸承與小臂上桿C1和小臂下桿C2鉸接，小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4設(shè)置在小臂上桿C1中，且小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4中的尾部固定件3和小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4中的兩個(gè)氣彈簧滑塊10均與大臂下桿2固接；

肘關(guān)節(jié)B包括大臂肘關(guān)節(jié)組件B1、小臂肘關(guān)節(jié)組件B2、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B3、大臂過渡齒輪B4、大臂過渡齒輪軸B5、小臂過渡齒輪B6、小臂過渡齒輪軸B7和兩個(gè)滾子軸承B8，大臂肘關(guān)節(jié)組件B1包括大臂絲杠螺母18、大臂絲杠螺母連接件19、大臂下滾珠軸承20、大臂肘關(guān)節(jié)殼體22、大臂絲杠23、大臂上滾珠軸承24、大臂傳動(dòng)齒輪21和兩個(gè)大臂滾針推力軸承17，大臂絲杠螺母18與大臂絲杠23螺紋連接，大臂絲杠23的上端由內(nèi)至外依次套裝有兩個(gè)大臂滾針推力軸承17和大臂上滾珠軸承24，大臂絲杠23的下端由內(nèi)至外依次套裝有大臂絲杠螺母連接件19和大臂下滾珠軸承20，大臂絲杠螺母18與大臂絲杠螺母連接件19固接，大臂上滾珠軸承24、大臂下滾珠軸承20和兩個(gè)大臂滾針推力軸承17均支撐在大臂肘關(guān)節(jié)殼體22中，大臂絲杠23的下端外露在大臂肘關(guān)節(jié)殼體22外且與大臂傳動(dòng)齒輪21固接，這樣設(shè)置，通過大臂傳動(dòng)齒輪21可以將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到大臂絲杠23上，使得大臂絲杠螺母18帶動(dòng)大臂絲杠螺母連接件19上下移動(dòng)；小臂肘關(guān)節(jié)組件(B2)包括小臂傳動(dòng)齒輪38、小臂肘關(guān)節(jié)殼體39、小臂絲杠螺母40、小臂絲杠螺母連接件41、小臂上滾珠軸承42、小臂絲杠43、兩個(gè)小臂滾針推力軸承44，小臂絲杠螺母40與小臂絲杠43螺紋連接，小臂絲杠43的上端套裝有小臂絲杠螺母連接件41，小臂絲杠43的下端套裝有兩個(gè)小臂滾針推力軸承44，小臂絲杠螺母40與小臂絲杠螺母連接件41固接，小臂絲杠螺母連接件41套裝在小臂絲杠43上，小臂上滾珠軸承42和兩個(gè)小臂滾針推力軸承44均支撐在小臂肘關(guān)節(jié)殼體39中，小臂絲杠43的下端外露在小臂肘關(guān)節(jié)殼體39外且與小臂傳動(dòng)齒輪38固接；這樣設(shè)置，通過小臂傳動(dòng)齒輪38可以將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到小臂絲杠43上，使得小臂絲杠螺母40帶動(dòng)小臂絲杠螺母連接件41上下移動(dòng)；肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B3包括減速器輸出齒輪25、減速器外殼26、主軸27、電機(jī)28和減速器29，減速器29設(shè)置在減速器外殼26中，減速器29的輸入端與電機(jī)28連接，減速器29的輸出端與主軸27連接，減速器輸出齒輪25固裝在主軸27上；大臂肘關(guān)節(jié)組件B1和小臂肘關(guān)節(jié)組件B2設(shè)置在肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)B3的左右側(cè)，減速器外殼26與大臂肘關(guān)節(jié)殼體22和小臂肘關(guān)節(jié)殼體39固接，大臂過渡齒輪B4設(shè)置在減速器輸出齒輪25與大臂傳動(dòng)齒輪21之間，且大臂過渡齒輪B4同時(shí)與減速器輸出齒輪25和大臂傳動(dòng)齒輪21嚙合，大臂過渡齒輪B4通過一個(gè)滾子軸承B8與大臂過渡齒輪軸B5連接，大臂過渡齒輪軸B5與大臂肘關(guān)節(jié)殼體22固接，小臂過渡齒輪B6設(shè)置在減速器輸出齒輪25與小臂傳動(dòng)齒輪38之間，且小臂過渡齒輪B6同時(shí)與減速器輸出齒輪25和小臂傳動(dòng)齒輪38嚙合，小臂過渡齒輪B6通過另一個(gè)滾子軸承B8與小臂過渡齒輪軸B7連接，小臂過渡齒輪軸B7與小臂肘關(guān)節(jié)殼體39固接；

大臂A、肘關(guān)節(jié)B、小臂C和手部D由左至右依次布置，大臂上桿A1和大臂下桿A2分別通過軸承與大臂肘關(guān)節(jié)殼體22鉸接，小臂上桿C1和小臂下桿C2分別通過軸承與小臂肘關(guān)節(jié)殼體39鉸接，大臂支撐桿E設(shè)置在大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4與大臂肘關(guān)節(jié)組件B1之間，且大臂支撐桿E的一端與大臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)A4中的兩個(gè)大臂支撐桿滑塊9固接，大臂支撐桿E的另一端與大臂絲杠螺母連接件19兩側(cè)伸出軸通過軸承鉸接，小大臂支撐桿F設(shè)置在小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4與小臂肘關(guān)節(jié)組件B2之間，且小大臂支撐桿F的一端與小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)C4中的兩個(gè)大臂支撐桿滑塊9固接，小大臂支撐桿F的另一端與小臂絲杠螺母連接件41兩側(cè)伸出軸通過軸承鉸接，手部D與腕關(guān)節(jié)C3鉸接。

當(dāng)大臂支撐桿E在人的牽引作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)大臂支撐桿滑塊9與大臂支撐桿滑軌8相對(duì)滑動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)氣彈簧頂板4沿著氣彈簧5的活塞桿伸縮方向移動(dòng)，氣彈簧5的活塞桿隨之產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖3和圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的手部D包括手腕連接架11、載重鉤12、第一銷軸13、力傳感器14、吊耳15、第二銷軸16、握手30和第三銷軸31，載重鉤12設(shè)置在手腕連接架11的下面，且載重鉤12與手腕連接架11通過第一銷軸13鉸接，力傳感器14設(shè)置在載重鉤12與手腕連接架11之間，且力傳感器14的上端與手腕連接架11插接，力傳感器14的下端與吊耳15螺紋連接，吊耳15與載重鉤12通過第二銷軸16鉸接，與手腕連接架11通過第三銷軸31鉸接。這樣設(shè)置，當(dāng)載重鉤12放上重物時(shí)，通過杠桿的作用，力傳感器14就會(huì)被拉伸達(dá)到測(cè)量質(zhì)量的作用。握手30具有翻轉(zhuǎn)的自由度。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的大臂絲杠23與小臂絲杠43的直徑、螺距均相同。這樣設(shè)置可以保證大臂A和小臂C同步轉(zhuǎn)動(dòng)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一或二相同。

本發(fā)明的工作原理：

在大臂A上，通過大臂上桿A1、肩關(guān)節(jié)A3、大臂下桿A2、大臂肘關(guān)節(jié)殼體22四個(gè)部件的鉸鏈連接構(gòu)成一個(gè)平行四邊形，利用圖10所示的原理，將氣彈簧5伸縮運(yùn)動(dòng)，改變?yōu)槭植緿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且可以計(jì)算得出其與重力之間的關(guān)系式F*H＝G*L，其中，F(xiàn)——?dú)鈴椈苫钊屏χ?、H——絲杠螺母18距離手臂連桿轉(zhuǎn)軸距離、G——重物的重力、L——大臂上桿A1與肩關(guān)節(jié)A3的鉸接中心至大臂上桿A1與大臂肘關(guān)節(jié)殼體22鉸接中心(或者大臂下桿A2與肩關(guān)節(jié)A3的鉸接中心至大臂下桿A2與大臂肘關(guān)節(jié)殼體22鉸接中心)之間的距離。通過F*H＝G*L就可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同重力的平衡效果。電機(jī)28轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器輸出齒輪25將運(yùn)動(dòng)分別經(jīng)由大臂過渡齒輪B4和小臂過渡齒輪B6傳遞到大臂傳動(dòng)齒輪21和小臂傳動(dòng)齒輪38上，大臂傳動(dòng)齒輪21可以將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到大臂絲杠23上，使得大臂絲杠螺母18帶動(dòng)大臂絲杠螺母連接件19上下移動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了H的調(diào)整，在實(shí)際工況中，可以根據(jù)末端力傳感器14采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的對(duì)H進(jìn)行調(diào)整，使其滿足平衡效果，已達(dá)到被動(dòng)平衡重力的條件。

小臂C的原理大臂A相同。