用于重载手持工具的上肢外骨骼辅助作业装置的制作方法

本技术涉及外骨骼辅助装置，尤其是涉及用于重载手持工具的上肢外骨骼辅助作业装置。

背景技术：

1、在建筑施工、市政改造、矿山抢修等作业场景中，作业人员需长期手持电锤、冲击钻等重载手持工具进行钻孔、凿除、破碎等作业。该类重载工具自身重量较大，且作业过程中会持续产生高频脉冲冲击载荷，作业人员的手部、前臂、肩需要长期承受工具自重与往复冲击振动，极易造成肌肉劳损、关节酸痛、肢体麻木等职业损伤，长期作业还会引发肩周炎、腕管综合征等慢性职业病，严重危害作业人员身体健康。

2、大多通过关节驱动模组实现工具自重的载荷转移，将工具自重分担至人体腰肩躯干，一定程度上降低人体负重压力，但现有方案中，工具与外骨骼机械臂末端之间大多采用刚性连接结构，作业过程中电锤、电镐产生的高频冲击载荷会几乎无衰减地直接传递至外骨骼机械臂各关节，冲击载荷会冲击关节驱动模组，造成驱动部件过载、抖动，降低驱动器件使用寿命，同时冲击还会通过外骨骼反向传导至穿戴者身体，减振缓冲效果差；部分方案简单增设固定参数的弹簧阻尼缓冲结构，阻尼、刚度参数不可调节，无法适配垂直、水平、斜向等不同作业姿态下差异化的冲击受力特征，姿态改变之后缓冲性能无法同步匹配，斜向作业、水平作业工况下缓冲效果恶化。

3、上述内容仅用于辅助理解本技术的技术方案，并不代表承认上述内容是针对本技术的最接近现有技术。

技术实现思路

1、基于此，本技术提供了用于重载手持工具的上肢外骨骼辅助作业装置，至少解决上述技术问题之一。

2、本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：用于重载手持工具的上肢外骨骼辅助作业装置，包括承载基座、机械臂总成、驱动模组、多源传感采集模块、电池供电模块及控制器；

3、所述承载基座为整机承载基体，穿戴贴合于人体腰部及肩部，用于承接并分散作业载荷；

4、所述机械臂总成固定安装于所述承载基座的外侧，对应人体上肢活动范围布设，所述机械臂总成包括肩膀段、大臂段和小臂段，所述小臂段的末端通过可变阻尼浮动单元连接有工具连接机构；

5、所述工具连接机构用于对接重载手持工具；

6、所述驱动模组装配于机械臂总成的各运动关节处，用于输出助力力矩驱动机械臂运动；

7、所述多源传感采集模块包括力传感器及姿态传感器，所述力传感器集成于所述工具连接机构内部，用于实时采集重载手持工具的自重载荷及作业冲击载荷；

8、所述姿态传感器布设于机械臂总成的肩膀段、大臂段和小臂段上，用于实时采集机械臂手臂姿态、运动角速度及加速度数据；

9、所述可变阻尼浮动单元用于适配重载手持工具不同作业姿态下的冲击缓冲，所述控制器依据姿态传感器输出的姿态信号对可变阻尼浮动单元的阻尼参数进行联动调节。

10、在一些实施例中，所述电池供电模块、控制器均固定安装于所述承载基座上，所述电池供电模块为装置整体供电，所述控制器分别电性连接驱动模组、力传感器、姿态传感器，所述控制器基于传感器实时采集的载荷数据与姿态数据形成闭环控制，动态调节驱动模组的助力输出，将重载手持工具的自重与作业冲击载荷通过机械臂总成直接分流传导至承载基座，隔绝载荷向人手、前臂传递，实现动态自适应助力控制；

11、所述电池供电模块采用轻量化储能电池，可拆卸式安装于承载基座的背部配重区域，实现整机均衡配重，不影响上肢作业活动。

12、在一些实施例中，所述工具连接机构为刚性快换接头结构，所述力传感器嵌装于刚性快换接头并与固定于工具连接机构中的重载手持工具保持接触，实现工具载荷的精准采集，且保证载荷完整传递至机械臂总成。

13、在一些实施例中，所述肩膀段包括肩架，可旋转的设于承载基座上，所述肩架上固定有拓展连接架；

14、所述肩膀段的姿态传感器固定于所述肩架上；

15、所述大臂段包括大臂架，所述大臂架的一端可旋转的设有第一连接架，所述第一连接架可旋转的连接至拓展连接架，所述大臂架的另一端可旋转的设有第二连接架；

16、所述大臂架上设有拓展板；

17、所述大臂段的姿态传感器固定于大臂架内。

18、在一些实施例中，所述小臂段包括小臂架，所述小臂架上固定有旋转块，所述旋转块可旋转的设于第二连接架上；

19、所述小臂段的姿态传感器固定于小臂架内。

20、在一些实施例中，所述驱动模组为电动推杆，对应装配于机械臂肩关节、肘关节运动关节处，精准响应控制器的助力调节指令，分别为第一电动推杆和第二电动推杆；

21、所述第一电动推杆的固定端上设有第一拓展块，其输出端上设有第二拓展块，所述第一拓展块可旋转的设于承载基座上，所述第二拓展块可旋转的连接至肩架；

22、所述第二电动推杆的固定端上设有第三拓展块，其输出端上设有第四拓展块，所述第三拓展块可旋转的设于拓展板上，所述第二拓展块可旋转的连接至第二连接架。

23、在一些实施例中，所述可变阻尼浮动单元包括定位架、安装板和自锁组件，所述定位架和安装板之间通过阻尼器连接；

24、所述安装板固定于小臂架的末端；

25、所述阻尼器上套设有阻尼弹簧，所述阻尼弹簧的一端固定于阻尼器的滑动副上，其另一端则固定有调节架，所述调节架的一端固定有从动板，所述从动板的上开设有贯穿孔；

26、所述定位架上固定有调节电动推杆，所述调节电动推杆的输出端的一端贯穿所述贯穿孔并固定有驱动板。

27、在一些实施例中，所述自锁组件为气囊式摩擦锁止机构，包括微型气泵、电磁气阀以及锁止气囊；

28、所述微型气泵和电磁气阀受控于控制器；

29、所述锁止气囊设置于调节架上；

30、所述电磁气阀控制锁止气囊充放气，气囊充气膨胀实现摩擦抱紧锁止调节架的自由度，气囊泄压实现调节架的自由度释放。

31、在一些实施例中，所述工具连接机构包括转轴，所述转轴可旋转的设于定位架上；

32、所述转轴上固定有定位环，所述定位环上设有定位槽，所述力传感器固定于所述定位槽内；

33、所述转轴上开设有与定位环内相贯通的螺纹孔和限定槽，所述螺纹孔内螺纹设有螺杆。

34、在一些实施例中，所述承载基座采用一体化贴合式结构，贴合人体腰肩生理曲线设置，可将机械臂传导的集中载荷均匀分散至人体腰肩躯干，提升载荷分流稳定性与穿戴舒适性。

35、本技术的有益效果在于：本装置在机械臂肩膀段、大臂段、小臂段分别布设独立的imu惯性姿态传感器，可独立采集各臂段的空间姿态、运动角速度及加速度参数，实现上肢多分段运动状态的全方位精准感知，解决了传统外骨骼姿态检测单一、误差大、抗冲击干扰能力弱的问题，为动态助力调节提供精准的数据支撑，在工具连接机构内部集成力传感器，可实时精准采集重载手持工具的自重载荷与作业冲击载荷，结合多段姿态传感数据形成完整的多源传感闭环控制系统，控制器可根据实时作业工况动态调节驱动模组的助力输出，避免固定参数助力带来的适配性差问题，精准匹配不同作业强度、不同运动姿态的助力需求；

36、设置可变阻尼浮动单元与气囊式自锁组件，阻尼器配合阻尼弹簧可对作业瞬时冲击载荷进行柔性缓冲卸力，有效抵消重载工具作业产生的振动与冲击，避免冲击载荷影响作业精度与人体舒适度，同时，通过调节电动推杆可动态调节阻尼参数，适配不同冲击强度的作业工况，搭配微型气泵、电磁气阀控制的锁止气囊，可实现调节架自由度的快速锁止与释放，作业稳定姿态下可刚性锁止保证作业精度，姿态调节过程中可柔性释放保证活动灵活，兼顾了作业稳定性与姿态可调性，完美适配重载工具凿击、打磨、钻孔等高低冲击作业工况。