一种混合驱动全身外骨骼机器人

五金工具产品及配附件制造技术1.本发明涉及外骨骼协作和助力机器人技术领域，尤其是涉及一种混合驱动全身外骨骼机器人。背景技术：2.助力型外骨骼机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置，通过外部助力装置增强人的搬运能力，具有广泛的应用前景。目前，大多数助力型外骨骼机器人只针对单个关节或者某部分肢体进行助力；并且目前的驱动方式多为电机加高减速比减速器组合的驱动形式或者阀控液压驱动形式，能量利用效率较低，或者是全被动外骨骼机器人无法实现大负载助力应用；同时现有的外骨骼机器人更多的是跟随助力功能，缺乏自主协作能力；更为无法实现重载情况下的机器人与人之间的重心平衡，存在重载情况下摔倒的隐患。3.所以，根据现有助力型外骨骼机器人发展状况有必要提出一种在实现跟随助力的同时，实现穿戴者与机器人进行协作、高效助力、调整重心平衡的功能。技术实现要素：4.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种混合驱动全身外骨骼机器人，通过下肢助力系统和上肢协作助力系统，实现了自主协作、重心平衡和负载助力的功能。5.为达到上述目的，本发明的技术方案是：6.一种混合驱动全身外骨骼机器人，包括下肢助力系统、上肢协作助力系统和背部结构，所述下肢助力系统、上肢协作助力系统和背部结构均为左右对称结构，两个所述上肢协作助力系统分别安装于背部结构的上端两侧，两个所述下肢助力系统分别安装于背部结构的下端两侧，所述上肢协作助力系统包括三自由度球面并联关节和末端执行机构，所述末端执行机构固定安装于三自由度球面并联关节的末端且受三自由度球面并联关节控制驱动，所述下肢助力系统包括膝关节、髋关节和踝关节，所述膝关节的上端铰接连接髋关节，膝关节的下端铰接连接踝关节，所述踝关节固定连接足部穿戴装置。7.所述背部结构包括背部支撑板和穿戴结构，所述穿戴结构固定安装于背部支撑板的前表面，所述背部支撑板的上端固定安装有手臂支架，两个所述三自由度球面并联关节的上端分别固定安装于手臂支架的两端，所述背部支撑板的下端固定安装有下肢连接件，两个所述髋关节的上端分别固定安装于下肢连接件的两端。8.所述三自由度球面并联关节包括并排放置的三个驱动电机、并联驱动连杆、大臂传动连杆、小臂传动连杆、大臂连杆和小臂连杆，并排放置的三个驱动电机的输出端连接并联驱动连杆和大臂连杆，所述驱动电机安装于手臂支架，所述并联驱动连杆与大臂传动连杆上端铰接，所述大臂传动连杆向大臂连杆传送动力，所述小臂传动连杆向小臂连杆传送动力，所述大臂传动连杆下端与小臂传动连杆上端铰接，所述大臂连杆下端与小臂连杆上端铰接，所述末端执行机构与小臂连杆末端固定连接。9.并排放置的三个驱动电机的输出端连接力臂二和两个力臂一，两个力臂一分别铰接于并联驱动连杆的两端，所述并联驱动连杆的自身中间处形成一个铰接点，所述铰接点处铰接有连接块，所述连接块另一端铰接大臂传动连杆上端，连接块的两个铰接孔为垂直分布，所述力臂二转动连接于大臂连杆的上端。10.所述大臂传动连杆的下端铰接有连杆一，所述连杆一的另一端铰接于大臂连杆，所述小臂传动连杆上端、大臂传动连杆下端、连杆一共同铰接，所述小臂传动连杆下端铰接有连杆二，所述连杆二的另一端铰接于大臂连杆下端和小臂连杆上端。11.所述驱动电机的旋转中心a、大臂传动连杆上端旋转点b、小臂传动连杆下端旋转点c、大臂连杆下端旋转点d围成的abcd为平行四边形结构。12.所述膝关节包括膝关节支架、膝关节摆杆和膝关节液压缸，所述膝关节液压缸两端分别与膝关节支架和膝关节摆杆铰接，膝关节液压缸的动力由膝关节泵站通过液压管进行传输，所述膝关节支架上端与髋关节铰接，所述膝关节支架下端与膝关节摆杆铰接，所述膝关节摆杆下端与踝关节铰接。13.所述背部结构还包括固定安装于背部支撑板后表面下部的膝关节泵站和控制器模块，所述背部支撑板后表面上部提供供负载挂载的位置和空间。14.所述膝关节采用分布式液压驱动膝关节，所述髋关节采用弹性被动驱动髋关节，踝关节采用无动力踝关节。15.所述末端执行机构可搬运重物，重量为g1的负载对背部结构产生的力矩t1＝g1*l1，重量为g2的重物对背部结构产生的力矩t2＝g2*l2，t1＝t2。16.本发明的有益效果是：17.1、根据人体行走关节做功特点，提出一种混合驱动下肢设计方法，髋关节和膝关节分别采用弹性被动驱动关节和泵控液压驱动方式，这种设计方法相较全部关节驱动的外骨骼机器人能够减少能量消耗，相较完全被动的外骨骼机器人有更好的助力功能，能够实现高效重载助力。18.2、上肢持握重物时，通过调节大臂连杆与小臂连杆位姿可以达到调整上肢负载等效力臂l2，通过调整等效力臂l2实现上肢负载力矩与背部负载力矩的平衡，防止倾倒情况发生，提升穿戴舒适性和安全性。19.3、上肢设计采用平行四边形连杆传动机构保证输入杆与输出杆运动和输出力一致性，简化了控制，同时避免了力在传递过程中的损耗，进一步提高能效。20.4、上肢具备自主运动功能，协助穿戴者完成任务，例如，通过更换上肢协作助力系统末端夹具可协助士兵完成多角度的防御和射击等任务，同时根据人体行走特征提出的弹性被动驱动髋关节和主动驱动膝关节能够帮助士兵背负重物，合理的实现跟随人体下肢的高效助力驱动，整套混合驱动全身外骨骼机器人能够同时实现重载助力和穿戴者协作的功能。附图说明21.图1为本发明的整体立体图；22.图2为本发明的三自由度球面并联关节的立体图；23.图3为本发明的三自由度球面并联关节的局部爆炸图；24.图4为本发明的三自由度球面并联关节的局部剖视图；25.图5为本发明的局部侧视图；26.图6为本发明的下肢助力系统的安装立体图；27.图7为本发明的背部结构的局部立体图；28.图8为本发明的背部结构的局部爆炸图；29.图9为本发明负重时重心调整示意图；30.图10为本发明在人体行走过程中髋关节功率步态关系示意图；31.图11为本发明在人体行走过程中膝关节功率步态关系示意图；32.图12为本发明的一种应用示意图。33.图中：三自由度球面并联关节11、驱动电机111、并联驱动连杆112、大臂传动连杆113、小臂传动连杆114、大臂连杆115、小臂连杆116、连杆一117、连杆二118、连接块119、末端执行机构12、膝关节21、膝关节支架211、膝关节摆杆212、膝关节液压缸213、髋关节22、踝关节23、足部穿戴装置231、背部支撑板31、下肢连接件311、手臂支架312、穿戴结构32、膝关节泵站33、控制器模块34、负载41、重物42、力臂一51、力臂二52。具体实施方式34.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。35.如图1-图12所示，一种混合驱动全身外骨骼机器人，包括下肢助力系统、上肢协作助力系统和背部结构，所述下肢助力系统、上肢协作助力系统和背部结构均为左右对称结构，参照图1，其中背部结构是一套结构且关于其自身竖直中心线对称，下肢助力系统、上肢协作助力系统均是两套结构且两套结构关于背部结构的竖直中心线对称。36.参照图1、图7、图8，所述背部结构包括背部支撑板31和穿戴结构32，所述穿戴结构32固定安装于背部支撑板31的前表面，穿戴结构32用于供人穿戴。所述背部支撑板31的上端后表面固定安装有手臂支架312，所述背部支撑板31的下端前表面固定安装有下肢连接件311，下肢连接件311为两个且关于背部结构的竖直中心线对称，下肢连接件311位于穿戴结构32的下方。37.参照图7、图8、图9，背部结构还包括固定安装于背部支撑板31后表面下部的膝关节泵站33和控制器模块34，膝关节泵站33的数量为两个且关于背部结构的竖直中心线对称，控制器模块34用于总控制。所述背部支撑板31后表面上部提供供负载41挂载的位置和空间。38.参照图1，两个所述上肢协作助力系统分别安装于背部结构的上端两侧，两个所述下肢助力系统分别安装于背部结构的下端两侧，所述上肢协作助力系统包括三自由度球面并联关节11和末端执行机构12，所述末端执行机构12固定安装于三自由度球面并联关节11的末端且受三自由度球面并联关节11控制驱动。两个所述三自由度球面并联关节11的上端分别固定安装于手臂支架312的两端。39.参照图2、图3、图4，所述三自由度球面并联关节11包括并排放置的三个驱动电机111、并联驱动连杆112、大臂传动连杆113、小臂传动连杆114、大臂连杆115和小臂连杆116，并排放置的三个驱动电机111的输出端连接并联驱动连杆112和大臂连杆115，并排放置的三个驱动电机111的输出端连接力臂二52和两个力臂一51，两个力臂一51分别铰接于并联驱动连杆112的两端，所述并联驱动连杆112的自身中间处形成一个铰接点，即并联驱动连杆112由在中间处铰接的两部分组成，所述铰接点处铰接有连接块119，所述连接块119另一端铰接大臂传动连杆113上端，连接块119的两个铰接孔为垂直分布，所述力臂二52转动连接于大臂连杆115的上端。关于三个驱动电机111驱动并联驱动连杆112和大臂连杆115的相关技术可参考申请号为202110119824.0的中国专利。40.参照图2，所述驱动电机111安装于手臂支架312，所述并联驱动连杆112与大臂传动连杆113上端铰接，所述大臂传动连杆113向大臂连杆115传送动力，所述小臂传动连杆114向小臂连杆116传送动力，所述大臂传动连杆113下端与小臂传动连杆114上端铰接，所述大臂传动连杆113的下端铰接有连杆一117，所述小臂传动连杆114上端、大臂传动连杆113下端、连杆一117共同铰接。所述连杆一117的另一端铰接于大臂连杆115的中上部位。41.所述大臂连杆115下端与小臂连杆116上端铰接，所述小臂传动连杆114下端铰接有连杆二118，所述连杆二118的另一端铰接于大臂连杆115下端和小臂连杆116上端，即连杆二118、大臂连杆115下端和小臂连杆116上端共同铰接。42.所述末端执行机构12与小臂连杆116末端固定连接。43.参照图1，所述下肢助力系统包括膝关节21、髋关节22和踝关节23，所述膝关节21的上端铰接连接髋关节22，膝关节21的下端铰接连接踝关节23，所述踝关节23固定连接足部穿戴装置231。44.两个所述髋关节22的上端分别固定安装于下肢连接件311的两端。45.参照图6，所述膝关节21包括膝关节支架211、膝关节摆杆212和膝关节液压缸213，所述膝关节液压缸213两端分别与膝关节支架211和膝关节摆杆212铰接，膝关节液压缸213的动力由膝关节泵站33通过液压管进行传输，所述膝关节支架211上端与髋关节22铰接，所述膝关节支架211下端与膝关节摆杆212铰接，所述膝关节摆杆212下端与踝关节23铰接。46.参照图5，所述驱动电机111的旋转中心a、大臂传动连杆113上端旋转点b、小臂传动连杆114下端旋转点c、大臂连杆115下端旋转点d围成的abcd为平行四边形结构。平行四边形结构能够保证关节输入杆cd与电机输出杆ab运动和输出力一致，在实际控制过程中只需控制驱动电机111运动，不需考虑传动连杆其他机构信息，简化了控制，确保精确和高效控制，同时避免了力在传递过程中的损耗，进一步提高能效。47.图10和图11所示为青年人和老年人在行走过程中步态周期与髋膝关节功率特点，其中正值表示外界对关节输入功率，负值为关节对外界输出功率。48.参照图10，青年人和老年人髋关节输入功区域i与输出功区域ii面积近似相等，这表明可将髋关节22作为一个弹性蓄能关节，对外界进行规律的输出和吸收做功。因此髋关节22采用弹性被动驱动髋关节，49.参照图11，青年人和老年人膝关节输入功与输出功区域面积不相等，并且输出功区域明显大于输入功面积区域，这表明可将膝关节21需不断对外界进行规律做功。因此膝关节21采用分布式液压驱动膝关节。50.踝关节23采用无动力踝关节。51.参照图9，所述末端执行机构12可搬运重物42，可通过调节大臂连杆115与小臂连杆116位姿可以达到调整上肢负载等效力臂l2，重量为g1的负载41对背部结构产生的力矩t1＝g1*l1，一般来说背部的负载41质量较大，如果不设法平衡力矩t1，将对穿戴者带来明显的不适，甚至是向后倾倒的危险。重量为g2的重物42对背部结构产生的力矩t2＝g2*l2，t1＝t2，此时力矩t1，t2进行相互平衡，并且可以通过调整关节角度改变力臂l2的长度，从而实现力矩t2的调整。由于t2的存在可以对力矩t1进行平衡，减小背部的负载41对人造成的穿戴不舒适，也减小了倾倒的风险，达到平衡人机之间重心。52.参照图12，上肢协作助力系统具备上肢助力和协作功能，下肢具备大负载高效助力功能。上肢具备自主运动功能，例如，通过更换上肢协作助力系统末端夹具可协助士兵完成多角度的防御和射击等任务，同时根据人体行走特征提出的弹性被动驱动髋关节和主动驱动膝关节能够帮助士兵背负重物，合理的实现跟随人体下肢的高效助力驱动。53.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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