搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节及外骨骼机器人的制作方法

1.本实用新型涉及外骨骼装置技术领域，尤其涉及一种搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节及外骨骼机器人。


背景技术：

2.搬移托举外骨骼用于搬运重物，大幅增强人体搬移托举的能力。肘关节结构作为搬移托举外骨骼的关键部件，连接肩关节和抓手，起到支撑和旋转力矩输出的作用，减轻甚至解放人体负担。可用于军事、科考、医疗、建筑、维修等领域。
3.目前近几年国内外骨骼研究起步晚，相比国际外骨骼高技术水平，工程化与实用化程度低，离实用尚有较大差距。国内上肢驱动方式多数采用传动的液压驱动，具有传动功率大、平稳等优点，但同时存在低速、噪声大、集成度不高、体积重量大，助力柔顺性差，易造成穿戴者强烈的不舒适感，人机动作灵活度差、外骨骼的助力效率低等问题，无法满足抢险救援、野外勘探等应用需求。国内急需研制一种集成化程度高、柔顺性好、噪音小、结构简单且旋转力矩大的外骨骼机器人集成化电动肘关节，解决现存技术的缺点和不足之处。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节及外骨骼机器人，用于解决现有上肢驱动采用液压驱动存在低速、噪声大、集成度不高、体积重量大、助力柔顺性差、易造成穿戴者强烈的不舒适感、人机动作灵活度差、外骨骼的助力效率低等问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节，包括机械大臂、机械小臂、驱动电机、减速齿轮组、肘关节、丝杠螺套和输出丝杠；所述机械小臂的传动端转动式安装在所述机械大臂上，
7.所述肘关节的一端转动式安装在所述机械大臂上，所述输出丝杠转动式安装在所述肘关节内，所述丝杠螺套的一端伸入所述肘关节内，与所述输出丝杠的动力输出端螺纹连接，所述丝杠螺套的另一端与所述机械小臂的输出端转动连接，所述驱动电机安装在所述肘关节上，并通过所述减速齿轮组与所述输出丝杠的动力输入端传动连接，所述驱动电机通过所述输出丝杠控制所述丝杠螺套伸出所述肘关节的长度，调节所述机械大臂和所述机械小臂间的夹角。
8.与现有技术相比，本实用新型提供的搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节，创造性的将驱动电机、减速齿轮组、丝杠螺套和输出丝杠集合成一体的电动模块，有效的提高了电动肘关节的集成度，采用电动的驱动方式，提高了助力柔顺性，动作速度响应快，降低噪音，通过输出丝杠与机械小臂采用转动连接的方式，能够将输出丝杠的直线输出转换成机械小臂的角度输出，输出效果更好。本实用新型提供的电动肘关节结构简单，集成度高，体积重量减小，有效的提高了整机的性能，同时降低了加工成本，具有很高的实用性。
9.本实用新型还公开了一种包含搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节的外骨骼机器人，包括附带行走功能的外骨骼以及机械手；
10.所述化电动肘关节通过所述机械大臂与所述外骨骼的肩关节螺纹连接，所述机械手固定安装在所述机械小臂上。
11.上述外骨骼机器人的技术效果与搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节的效果相同，此处不再重复说明。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
13.图1本实用新型提供的搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节的截面图；
14.图2为图1中搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节的爆炸图；
15.图3为图1中搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节的外形图。
16.附图标记：
17.1-减速齿轮组、2-机械小臂、3-连接头、4-角位移传感器、5-丝杠螺套、6-肘关节壳体、7-驱动电机、8-输出丝杠、9-轴承盖、10-肘关节端盖、11-机械大臂、12-螺套导轨。
具体实施方式
18.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
19.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
20.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
21.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
22.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
23.详见图1至图3所示，本实用新型提供的搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节，包括机械大臂11、机械小臂2、驱动电机7、减速齿轮组1、肘关节、丝杠螺套5和输出丝杠8；机械小臂2的传动端转动式安装在机械大臂11上；肘关节的一端转动式安装在机械大臂11上，输出丝杠8转动式安装在肘关节内，丝杠螺套5的一端伸入肘关节内，与输出丝杠8的动力输出端螺纹连接，丝杠螺套5的另一端与机械小臂2的输出端转动连接，驱动电机7安装在肘关节上，并通过减速齿轮组1与输出丝杠8的动力输入端传动连接，驱动电机7通过输出丝杠8控制丝杠螺套5伸出肘关节的长度，调节机械大臂11和机械小臂2间的夹角。
24.具体实施时：
25.电动肘关节的驱动电机7工作，驱动电机7通过减速齿轮组1带动带动输出丝杠8转动，丝杠螺套5螺纹式安装在输出丝杠8上，在输出丝杠8转动时，丝杠螺套5会在输出丝杠8的带动下伸出或缩回，由于丝杠螺套5通过环状凸台滑动式安装在螺套导轨12上，丝杠螺套5会沿螺套导轨12滑动。丝杠螺套5 与机械小臂2间是转动连接的，丝杠螺套5的直线输出，会转换成机械小臂2 的角度输出，连接头3带动机械小臂2在肘关节端盖10的铰接点处旋转，从而实现外骨骼肘关节的屈曲功能。肘关节角度范围为0～110
°
，角位移传感器4实时反馈机械小臂2转动的角度。在机械大臂11处设计有长度调节装置，以适应不同穿戴者。
26.作为一种可实施方式，肘关节包括肘关节壳体6和端盖组件；肘关节壳体6 为中空结构，输出丝杠8的动力输入端转动式安装在肘关节壳体6的一端，并穿出肘关节壳体6，端盖组件扣装在肘关节壳体6上，并将输出丝杠8的穿出端罩设在内，减速齿轮组1安装在端盖组件内，并与输出丝杠8的动力输入端和驱动电机7传动连接，端盖组件转动式安装在机械大臂11上。
27.端盖组件的设置，方便了对减速齿轮组1的安装固定，同时也能够更好的对输出丝杠8的穿出端和减速齿轮组1进行封闭。输出丝杠8的穿出端，方便了驱动电机7和减速齿轮组1间的传动连接，确保了驱动电机7的输出动力能够通过减速齿轮组1输出至输出丝杠8。
28.作为一种可实施方式，端盖组件包括轴承盖9和肘关节端盖10；轴承盖9 扣装在肘关节壳体6上，将输出丝杠8的穿出端和减速齿轮组1罩设在内，肘关节端盖10安装在肘关节壳体6上，轴承盖9位于肘关节端盖10和肘关节壳体6之间，肘关节壳体6通过肘关节端盖10转动式安装在机械大臂11上。
29.轴承盖9的设置，方便了对输出丝杠8的安装固定，由附图可知，肘关节壳体6、轴承盖9和肘关节端盖10间是组合安装的，轴承盖9扣装在肘关节壳体6上，肘关节端盖10安装用的螺栓穿过轴承盖9后，将肘关节端盖10安装在肘关节壳体6上，组合安装的形式在安装和维护时更加的方便。进一步的，为了确保输出丝杠8的转动效果，输出丝杠8的动力输入端采用轴承的形式安装在肘关节壳体6上，也可以是安装在轴承盖9上，也可以是与肘关节壳体6 和轴承盖9均采用轴承的形式安装，轴承盖9对输出丝杠8起到固定的作用，确保输出丝杠8与丝杠螺套5间的传递效果。更进一步的，输出丝杠8的穿出端位置还会安装固定挡圈，确保输出丝杠8带动丝杠螺套5在伸出或缩回时，不会在丝杠螺套5运动方向上发生位置的偏移，也保证了减速齿轮组1的动力传输效果。
30.作为一种可实施方式，肘关节外壳6上设置有垂直于肘关节外壳6的延伸部，驱动电机7安装在延伸部上，驱动电机7的输出端与减速齿轮组1传动连接。
31.延伸部的设置，确保了对驱动电机7的安装，轴承盖9的形状与肘关节外壳6对应位
置的形状是对应的，也为减速齿轮组1的安装提供了充足的安装空间。
32.作为一种可实施方式，减速齿轮组1包括电机齿轮、传动齿轮和丝杠齿轮；电机齿轮与驱动电机7的输出端固定连接，丝杠齿轮与输出丝杠8的动力输入端固定连接，传动齿轮安装在肘关节壳体6上，传动齿轮与电机齿轮和丝杠齿轮传动连接。
33.采用三级齿轮的形式，实现了对驱动电机7输出动力的传递，同时，通过选用不同的齿轮比，更进一步的确保了动力的传输，提高了驱动电机7的旋转力矩。
34.作为一种可实施方式，肘关节还包括螺套导轨12；螺套导轨12安装在肘关节外壳6上，丝杠螺套5滑动式安装在螺套导轨12上。
35.螺套导轨12的设置，使得丝杠螺套5只能够沿螺套导轨12方向运动，避免了螺套导轨12运动过程中可能发生的晃动，确保了丝杠螺套5对机械小臂2 的驱动效果。
36.作为一种可实施方式，丝杠螺套5上设置有环状凸台，丝杠螺套5通过环状凸台与螺套导轨12滑动连接。
37.螺套导轨12是安装在肘关节壳体6上的，丝杠螺套5是可收纳在肘关节壳体6内的，设置的环状凸台方便了螺套导轨12与丝杠螺套5间的滑动连接。进一步的，丝杠螺套5为圆柱空心装结构，其外径小于等于肘关节壳体6空腔的直径，确保了丝杠螺套5的运动效果。
38.作为一种可实施方式，电动肘关节还包括连接头3；连接头3安装在丝杠螺套5远离输出丝杠8的一端，丝杠螺套5通过连接头3与机械小臂2转动连接。
39.连接头3的设置，方便了丝杠螺套5与机械小臂2间的转动连接。
40.作为一种可实施方式，肘关节与机械大臂11间的连接点位于机械小臂2与机械大臂11间连接点的斜下方。
41.使得机械大臂11、机械小臂2与电动肘关节间的传动效果更好，进一步的，机械小臂2纵截面为倒置的u形结构，使得电动肘关节、输出丝杠8和丝杠螺套5在工作过程中，能够更好的收纳在机械小臂2内，确保了机械大臂11和机械小臂2的屈伸效果。
42.作为一种可实施方式，电动肘关节还包括角位移传感器4；角位移传感器4 安装在机械小臂2与机械大臂11间的传动销上。
43.角位移传感器4的设置，能够实时对机械小臂2的转动角度进行反馈。
44.本实用新型还公开了一种包含搬移托举外骨骼机器人集成电动肘关节的外骨骼机器人，包括附带行走功能的外骨骼以及机械手；
45.化电动肘关节通过机械大臂11与外骨骼的肩关节螺纹连接，机械手固定安装在机械小臂2上。
46.上述附带行走功能的外骨骼还可以包括膝关节外骨骼、液压驱动系统以及髋部调节装置。液压驱动系统用于为膝关节外骨骼和髋部调节装置提供助力。
47.上述液压驱动系统可以包括供液单元、第一液压缸、第一控制阀单元、第二液压缸和第二控制阀单元。其中，供液单元用于输出液压油，以驱动第一液压缸和第二液压缸。第一控制阀单元用于控制由供液单元供给至第一液压缸的液压油的流量。当穿戴者站立时，第一控制阀单元控制第一液压缸处于伸出状态。当穿戴者行走时，第一控制阀单元控制第一液压缸处于伸/曲循环状态。第二控制阀单元用于控制由供液单元供给至第二液压缸的液压油的流量。当穿戴者站立时，第二控制阀单元控制第二液压缸处于伸出状态。当穿戴者行走时，第二控制阀单元控制第二液压缸处于伸/曲循环状态。
48.与现有技术相比，将本实用新型提供的液压驱动系统应用于外骨骼，且外骨骼至少包括髋关节、膝关节和踝关节时，可以将第一液压缸与膝关节外骨骼动力连接，利用第一液压缸的伸/缩驱动膝关节的伸/曲。将第二液压缸与髋部调节装置动力连接，利用第二液压缸的伸/缩驱动髋部调节装置的伸/曲。
49.由于在人体正常行走时，髋、膝、踝关节主要在矢状面内运动，其中，踝关节所需力矩小，能量消耗主要产生于髋、膝关节。因此，本实用新型提供的液压驱动系统针对所需力矩小的踝关节不设计驱动。也就是说，外骨骼下肢设计为单腿双自由度(应理解，此处的双自由度包括膝关节自由度和髋关节自由度)的驱动方式，在符合人体骨骼运动特征的同时，最大限度降低液压驱动系统的能量消耗，以达到外骨骼与人体运动的巧妙融合。
50.当穿戴者站立时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆伸出，进而使膝关节处于直立状态，以为穿戴者的膝关节提供助力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，供液单元还可以向第二液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第二液压缸所具有的活塞杆伸出，进而使髋部调节装置处于伸直状态，以为穿戴者的髋关节提供助力。
51.从以上应用过程可知，利用供液单元、第一控制阀单元和第一液压缸可以为膝关节提供满足其需求的驱动力，同时，利用供液单元、第二控制阀单元和第二液压缸可以为髋部调节装置提供满足其需求的驱动力。基于此，可以实现对外骨骼的助力。另外，第一液压缸和第二液压缸共用一个供液单元，从整体上简化液压驱动系统的情况下，可以减小液压驱动系统的体积，以及减轻液压驱动系统的重量。
52.当穿戴者行走且处于伸腿状态时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆伸出，同时在第一液压缸所具有的活塞杆的推动下，第一液压缸的有杆腔内的液压油回流至供液单元。基于此，膝关节外骨骼随穿戴者膝关节的伸直而逐渐伸直，为穿戴者膝关节的伸直提供驱动力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，供液单元向第二液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第二液压缸所具有的活塞杆伸出。基于此，髋部调节装置随穿戴者髋关节的伸直而逐渐伸直，为穿戴者髋关节的伸直提供驱动力。
53.当穿戴者行走且处于曲腿状态时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的有杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆缩回，同时在第一液压缸所具有的活塞杆的推动下，第一液压缸的无杆腔内的液压油回流至供液单元。基于此，膝关节外骨骼随穿戴者膝关节的收回而逐渐缩回，为穿戴者膝关节的缩回提供驱动力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，第二液压缸所具有的活塞杆缩回。基于此，髋部调节装置随穿戴者髋关节的收回而逐渐缩回，为穿戴者髋关节的缩回提供驱动力。
54.从以上应用过程可知，本实用新型提供的液压驱动系统在穿戴者行走时，可以驱动膝关节外骨骼和髋部调节装置随穿戴者的行走状态呈伸/曲循环状态，以提高外骨骼运动的灵活度。
55.作为一种可能的实现方式，第一液压缸和第二液压缸均具有压力阈值。液压驱动系统还包括安全阀，设置在供液单元的出口处。当第一液压缸和第二液压缸的实测压力大于或等于压力阈值时，利用所述安全阀溢流。
56.作为一种可能的实现方式，液压驱动系统还包括压力信号测量单元，压力信号测
量单元用于测量第一液压缸和第二液压缸所具有的无杆腔和有杆腔之间的压差信号。通信单元，通信单元用于接收第一液压缸的压差信号以及第二液压缸的压差信号。处理单元，在接收由通信单元发送的第一液压缸的压差信号以及第二液压缸的压差信号的情况下，生成第一控制信号和第二控制信号。通信单元还用于向第一控制阀单元发送第一控制信号，第一控制阀单元用于根据第一控制信号控制进入第一液压缸内的液压油的流量。通信单元还用于向第二控制阀单元发送第二控制信号，第二控制阀单元用于根据第二控制信号控制进入第二液压缸内的液压油的流量。
57.作为一种可能的实现方式，第一控制阀单元包括第一电磁阀和第二电磁阀；第一电磁阀和第二电磁阀均设置在供液单元和第一液压缸之间。第一电磁阀和第二电磁阀并联。第二控制阀单元包括第三电磁阀和第四电磁阀。第三电磁阀和第四电磁阀均设置在供液单元和第二液压缸之间。第三电磁阀和第四电磁阀并联。当穿戴者站立时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于伸出状态。第三电磁阀打开以驱动第二液压缸处于伸出状态。第二电磁阀和第四电磁阀关闭。当穿戴者行走且曲腿时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于曲回状态。第三电磁阀打开以使第二液压缸处于曲回状态。第二电磁阀和第四电磁阀打开。
58.当穿戴者行走且伸腿时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于伸出状态；第三电磁阀打开以驱动第二液压缸处于伸出状态；第二电磁阀和第四电磁阀打开。
59.作为一种可能的实现方式，供液单元包括油箱，与油箱连通的电机泵，电机泵将液压油从油箱吸出以供给至第一液压缸和第二液压缸。油箱还用于回收第一液压缸和第二液压缸溢出的液压油。
60.作为一种可能的实现方式，供液单元还包括过滤器，过滤器设置在油箱和电机泵之间，和/或，过滤器设置在电机泵与第一控制阀单元和第二控制阀单元之间。
61.作为一种可能的实现方式，液压驱动系统还包括一体式壳体，一体式壳体上至少集成有第一液压缸、第一控制阀单元、第二液压缸和第二控制阀单元。
62.为了确保髋部调节装置活动自由度，本实用新型实施例提供的液压驱动系统还包括油管销，第二液压缸可以通过油管销可转动的安装在一体式壳体上，油管销内部设置有通道，与一体式壳体内部的通道一起构成管路。也就是说，油管销一方面可以作为安装第二液压缸的安装件使用，另一方面可以作为管路的一部分使用。基于此，可以实现一个构件两种用途的目的，以从整体上简化液压驱动系统的结构、减小液压驱动系统的体积以及减轻液压驱动系统的重量。
63.具体的，油管销包括油管销本体、密封盖、有杆腔连接孔和无杆腔连接孔。油管销可转动的安装在一体式壳体后，第二液压缸所具有的有杆腔与有杆腔连接孔连通，第二液压缸所具有的无杆腔与无杆腔连接孔连通。也就是说，通过有杆腔连接孔和无杆腔连接孔在第二液压缸和第二控制阀单元之间形成进油回路和回油回路。
64.通过上述髋关节调节装置穿戴者可以在穿戴外骨骼进行快速调节，匹配人体的髋部尺寸，人增强了外骨骼的调节便捷性，优化整机的性能，提高外骨骼的运动助力效率。
65.具体的，髋关节调节装置包括左髋构件和右髋构件，左髋构件和右髋构件通过调节杆和与调节杆相配合的铰链连接在一起。调节杆的一端安装在左髋构件上，另一端螺纹插接在铰链上。调节杆通过内轴承和外轴承安装在轴承座上，调节杆与左髋构件连接的一
端一体成型有凸环，内轴承和外轴承分别安装在凸环的左右两侧。轴承座安装在左髋构件上，内外轴承可以保证调节杆旋转的稳定性。
66.铰链远离调节杆的一端铰接在背板上，背板上通过对称铰接的铰链安装在右髋构件上，背板上安装有供铰链铰接用的铰接轴，即背板上左右对称铰接有铰链，左侧铰链连接有右髋构件，右侧铰链连接有调节杆。铰链横截面为矩形，与其对应连接的右髋构件上的通孔为矩形孔。
67.铰链上安装有用于调节调节杆长度的调节联动圆筒。铰链上开设有供调节杆移动的中心空腔，中心空腔的长度长于调节杆的长度，保证调节杆可以随意调节长度。调节联动圆筒通过锁死装置安装在铰链上，锁死装置在本次实施例中采用的是顶紧螺栓，通过旋转顶紧螺栓，实现调节联动圆筒在铰链上是活动还是固定不动。铰链开设有与锁死装置相匹配的槽口，锁死装置提高了髋部调节限位便捷性。调节联动圆筒的内侧壁上安装有内螺纹，调节杆的外侧壁上安装有与调节联动圆筒的内螺纹相配合的外螺纹。
68.在具体应用时，通过松开锁死装置，正反转旋转调节杆，调整左右髋结构之间的尺寸，使得尺寸进行精确调节，更好地与人体匹配，提高了穿戴舒适度和动作灵活度。当达到合适的尺寸之后，停止旋转，用锁死装置锁死调节杆相对于铰链的位置，实现固定，完成调节。改进了传统调节方式繁琐，费时耗力，以及调节方式无法实现穿戴者穿戴外骨骼的情况下实时连续调节的问题；实现更好的人机匹配性，保障了外骨骼的助力效果，且结构简单，重量轻，降低成本。
69.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
70.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。