一种外骨骼助力机器人的制作方法

1.本技术涉及机器人技术领域，特别涉及一种外骨骼助力机器人。


背景技术：

2.人体增强技术是当前科学技术发展中非常热门的一块领域，外骨骼助力机器人技术就属于人体增强技术的分支之一。外骨骼助力机器人是一种人工穿戴的一体化设备，将人与机械完美的结合，机器人通过传感器判断人的意图进行跟随并助力，缓解人类大负重与长时间负重的疲惫感。
3.外骨骼助力机器人能够帮助人体承受负载并增强承受大负载的耐久力，在军用和民用方面均有广阔的市场前景。例如，外骨骼助力机器人不仅能够帮助士兵背负武器装备长途行军或作战，还可以辅助穿戴者背负或运送货物，以及提高重体力劳动者的日常作业能力。当前的外骨骼助力机器人受限于结构方面的限制，负载能力有限，且无法适应山地等复杂环境的使用需求。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种外骨骼助力机器人，具有较大的负载能力，并且能够适应复杂多变的环境。
5.第一方面，提供了一种外骨骼助力机器人，包括：背负机构，用于穿戴于人体上；承载机构，用于承载货物，所述承载机构沿水平方向延伸设置，前端与所述背负机构相连接；两条机械腿，连接于所述承载机构的后端；两套驱动机构，安装于所述承载机构上，所述驱动机构与所述机械腿一一对应，用于驱动所述机械腿进行行走。
6.根据本技术实施例提供的外骨骼助力机器人，用于承载货物的承载机构沿水平方向延伸设置，并且前端与背负机构相连接，后端与两条机械腿相连接，进而使得当外骨骼助力机器人被穿戴在人体上时，二者整体能够类似于人马结构，人马结构的前腿是两条人腿，后腿是两条机械腿，承载机构构成“马背”，通过人的主导，利用四足动物的高负载能力与高环境适应性实现助力，使得本技术实施例提供的外骨骼助力机器人具有较大的负载能力。本技术实施例提供的外骨骼助力机器人能在大负载情况下适应复杂多变的环境，不仅能达到助力效果，还能安全稳定的前行。
7.此外，由于承载机构在水平方向上具有一定长度，使得人腿与机械腿之间能够保持一定的距离，防止运动中机械腿干扰人腿的运动。
8.本技术结构简单，设计新颖，充分提高了助力机器人的负载能力，同时增强了其对崎岖路面环境的适应性。
9.在一种可能的设计中，所述背负机构包括背板，所述承载机构包括两条平行且间隔设置的脊骨，所述脊骨的前端与所述背板相连接，后端与所述机械腿相连接；两条所述脊骨的上端通过载物板固定连接，下端通过底板固定连接。
10.在这里，脊骨呈板状结构，是主要的受力部件。两条脊骨正对且平行间隔设置，二
者之间的间距与人腿髋关节间距相互吻合。两条脊骨的上端和下端分别通过载物板、底板固定连接，使得承载机构的整体具有足够的机械强度，承载重物时不易发生变形，并且能够减轻自身的重量，进而可以提高负载能力。
11.在一种可能的设计中，所述承载机构还包括垂直且间隔设置于两条所述脊骨之间的第一支撑板和第二支撑板，两条所述脊骨通过所述第一支撑板和所述第二支撑板固定连接。通过以上设置，能够对两条脊骨进行更好的定位，使得承载机构具有更好的机械强度，承载重物时不易发生变形。
12.在一种可能的设计中，所述机器人还包括力传感器，所述力传感器的前端通过传感器载板与所述背板相连接，后端通过传感器连接板与两条所述脊骨相连接。
13.力传感器被设置于背板(传感器载板)与承载机构(传感器连接板)之间，能够用来检测人腿的运动，即对人腿进行运动形态判断和运动意图辨识，进而能够根据检测结果来控制机械腿的运行。
14.可选地，力传感器可以为六维力传感器。
15.在一种可能的设计中，所述机器人还包括蓄电池，所述蓄电池安装于两条所述脊骨、底板以及载物板所围成的空间内。
16.在一种可能的设计中，所述机器人还包括：控制器和采集卡，所述力传感器通过所述采集卡与所述控制器电连接；所述控制器、所述采集卡分别通过控制器载板和采集卡载板固定安装于两条所述脊骨之间。
17.在一种可能的设计中，所述脊骨的外侧还固定设置有电机挂板，所述驱动机构包括髋关节电机和膝关节电机；所述髋关节电机和所述膝关节电机固定于所述电机挂板上，并且二者的输出轴正对且轴线重合；所述髋关节电机用于驱动所述机械腿的大腿部分进行摆动，所述膝关节电机用于驱动所述机械腿的小腿部分进行摆动。
18.在一种可能的设计中，所述电机挂板包括间隔且平行设置的两块，所述髋关节电机固定于髋关节电机固定板上，所述髋关节电机固定板与两块所述电机挂板固定连接；所述膝关节电机固定于膝关节电机固定板上，所述膝关节电机固定板通过电机盖板与所述髋关节电机固定板固定连接。
19.在一种可能的设计中，所述驱动机构还包括长杆、小腿曲柄和铰接头；所述小腿曲柄与所述膝关节电机的输出轴固定连接；所述长杆的一端与所述小腿曲柄铰接，另一端与所述铰接头的上部铰接；所述铰接头的中部与所述大腿部分的下部铰接，所述铰接头的下部与所述小腿部分的上部铰接。
20.在一种可能的设计中，所述脊骨包括相互连接的倾斜部和水平部，所述倾斜部的前端与所述背板的底部相连接，所述水平部的后端与所述机械腿相连接，所述倾斜部和所述水平部之间形成钝角。
附图说明
21.图1是本技术实施例提供的外骨骼助力机器人的结构示意图。
22.图2是本技术实施例提供的外骨骼助力机器人穿戴于人体上的结构示意图。
23.图3是图1中区域a的放大图。
24.图4是本技术实施例提供的承载机构的爆炸图。
25.图5是图1中区域b的放大图。
26.图6是本技术实施例提供的驱动机构与机械腿的爆炸图。
27.附图标记：10、背负机构；11、背板；12、背带；13、腰带；14、传感器载板；
28.20、承载机构；21、脊骨；21a、倾斜部；21b、水平部；22、载物板；23、底板；24a、第一支撑板；24b、第二支撑板；25a、控制器载板；25b，采集卡载板；26、电机挂板；27、传感器连接板；28、背囊；
29.30、驱动机构；31、髋关节电机；32、髋关节电机固定板；33、膝关节电机；34、膝关节电机固定板；35、电机盖板；36、长杆；36a、长杆本体；36b、长杆上部连接头；36c、长杆下部连接头；37、小腿曲柄；38、小腿连接件；39、铰接件；
30.40、机械腿；41、大腿部分；41a、大腿连杆；41b、大腿杆上部连接头；41c、大腿杆下部连接头；42、小腿部分；42a、小腿连杆；42b、小腿连接头；43、足底部；
31.50、力传感器；
32.60、蓄电池；
33.70、控制器；
34.80、采集卡；
35.100、外骨骼助力机器人；
36.200、人体。
具体实施方式
37.下面详细描述本技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
38.在本技术的描述中，需要理解的是，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所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，也可以是电连接或可以相互通讯；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技术中的具体含义。
40.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“侧”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于安装的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。
41.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
42.还需说明的是，本技术实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部
件，对于本技术实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。
43.本技术实施例提供一种外骨骼助力机器人，具有较大的负载能力，并且能够适应复杂多变的环境。图1是本技术实施例提供的外骨骼助力机器人100的结构示意图。图2是本技术实施例提供的外骨骼助力机器人100穿戴于人体200上的结构示意图。图3是图1中区域a的放大图。
44.如图1
‑
3所示，本技术实施例提供的外骨骼助力机器人100包括背负机构10、承载机构20、两套驱动机构30以及两条机械腿40。其中，
45.背负机构10用于穿戴于人体200上，背负机构10包括背板11、背带12以及腰带13。其中，背带12的上端连接于背板11的上端，下端连接于腰带13上，背带12包括两根，分别设置于背板11的两侧。腰带13的两端固定于背板11的下部。通过将背带12和腰带13穿戴于人体200上，能够将背板11背负于人体200的背部。
46.承载机构20用于承载货物，承载机构20沿水平方向延伸设置，前端与背板11相连接，后端与两条机械腿40固定连接。两套驱动机构30安装于承载机构20上，驱动机构30与机械腿40一一对应设置，用于驱动机械腿40进行行走。两套驱动机构30以及两条机械腿40均对称设置于承载机构20相对的两侧。
47.根据本技术实施例提供的外骨骼助力机器人100，用于承载货物的承载机构20沿水平方向延伸设置，并且前端与背板11相连接，后端与两条机械腿40相连接，进而使得当外骨骼助力机器人100被穿戴在人体200上时，二者整体能够类似于人马结构，人马结构的前腿是两条人腿，后腿是两条机械腿，承载机构20构成“马背”，通过人的主导，利用四足动物的高负载能力与高环境适应性实现助力，使得本技术实施例提供的外骨骼助力机器人具有较大的负载能力。本技术实施例提供的外骨骼助力机器人100能在大负载情况下适应复杂多变的环境，不仅能达到助力效果，还能安全稳定的前行。
48.此外，由于承载机构20在水平方向上具有一定长度，使得人腿与机械腿之间能够保持一定的距离，防止运动中机械腿干扰人腿的运动。
49.本技术结构简单，设计新颖，充分提高了助力机器人的负载能力，同时增强了其对崎岖路面环境的适应性。
50.如图1
‑
3所示，承载机构20包括两条平行且间隔设置的脊骨21，脊骨21的前端与背板11相连接，后端与机械腿40相连接；两条脊骨21的上端通过载物板22固定连接，下端通过底板23固定连接。
51.在这里，脊骨21呈板状结构，是主要的受力部件。两条脊骨21正对且平行间隔设置，二者之间的间距与人腿髋关节间距相互吻合。两条脊骨21的上端和下端分别通过载物板22、底板23固定连接，使得承载机构20的整体具有足够的机械强度，承载重物时不易发生变形，并且能够减轻自身的重量，进而可以提高负载能力。
52.载物板22位于两条脊骨21的上端，能够承载货物。可选地，可以在载物板22上布设通孔(例如方孔或者圆孔)，在方便货物放置的同时，能够进一步减轻承载机构20的重量。
53.底板23位于两条脊骨21的下端，在底板23上，即位于两条脊骨21、底板23以及载物板22所围成的空间内可以用于容纳外骨骼助力机器人100的蓄电池、控制器等部件。
54.如图2所示，脊骨21包括相互连接的倾斜部21a和水平部21b，倾斜部21a的前端与
所述背板11的底部相连接，水平部21b的后端与机械腿40相连接，倾斜部21a和水平部21b之间形成钝角。通过以上设置，使得人体200与脊骨21的左侧底部之间能够保持一定的间隙，能够减少承载机构20与人体200(例如人腿)的干涉，进而能够提高外骨骼助力机器人100的工作效率。
55.图4是本技术实施例提供的承载机构20的爆炸图。如图4所示，承载机构20还包括垂直且间隔设置于两条所述脊骨21之间的第一支撑板24a和第二支撑板24b，两条脊骨21通过所述第一支撑板24a和第二支撑板24b固定连接。通过以上设置，能够对两条脊骨21进行更好的定位，使得承载机构20具有更好的机械强度，承载重物时不易发生变形。
56.如图1
‑
4所示，第一支撑板24a可以设置于两条脊骨21的中部，并且位于底板23的后端，第二支撑板24b可以设置于两条脊骨21的后部。
57.如图1
‑
4所示，外骨骼助力机器人100还包括力传感器50，该力传感器50的前端通过传感器载板14与背板11相连接，后端通过传感器连接板27与两条脊骨21相连接。
58.也就是说，背板11上还固定设置有传感器载板14，例如二者通过螺钉或者螺栓相连接，力传感器50固定于传感器载板14上。两条脊骨21的前端通过传感器连接板27相连接，并且传感器连接板27与力传感器50固定连接。
59.在这里，力传感器50可以通过螺钉或者螺栓等分别与传感器载板14以及传感器连接板27固定连接。传感器载板14和传感器连接板27也可以直接连接，此时可以将力传感器50设置于二者的连接间隙内。
60.力传感器50被设置于背板11(传感器载板14)与承载机构20(传感器连接板27)之间，能够用来检测人腿的运动，即对人腿进行运动形态判断和运动意图辨识，进而能够根据检测结果来控制机械腿40的运行。
61.可选地，力传感器50可以为六维力传感器。
62.如图4所示，外骨骼助力机器人100还包括控制器70和采集卡80，力传感器50通过采集卡80与控制器70电连接。力传感器50采集到的感应信号发送给采集卡80，采集卡80将该感应信号进行放大，之后将放大后的感应信号发送给控制器70，控制器70根据该放大后的感应信号通过驱动机构30来对机械腿40进行控制。
63.如图4所示，控制器70、采集卡80分别通过控制器载板25a和采集卡载板25b固定安装于两条脊骨21之间。控制器载板25a、采集卡载板25b层叠设置，并且位于第一支撑板24a和第二支撑板24b之间。通过以上设置，能够实现空间的有效利用，减小了外骨骼助力机器人100的体积，并且提高美观度。
64.可选地，为了方便拆卸，控制器载板25a、采集卡载板25b可以通过插销等形式卡在第一支撑板24a和第二支撑板24b之间。
65.如图4所示，外骨骼助力机器人100还包括蓄电池60，该蓄电池60能够为驱动机构30、力传感器50、控制器70以及采集卡80等提供电源。蓄电池60安装于两条脊骨21、底板23以及载物板22所围成的空间内。通过以上设置，能够实现空间的有效利用，减小外骨骼助力机器人100的体积，并且提高美观度。
66.如图1
‑
4所示，承载机构20还包括设置于载物板22上的背囊28，从而能够方便存放货物。可选地，背囊28可以可拆卸的连接于载物板22上，以方便对背囊28清洗更换。
67.如图3、4所示，脊骨21的外侧还固定设置有电机挂板26，该电机挂板26可以通过螺
栓或者螺钉连接于脊骨21之上，用于安装驱动机构30的电机。
68.为与人腿相互配合，机械腿40包含髋关节与膝关节两个自由度。驱动机构30包括髋关节电机31和膝关节电机33。髋关节电机31与机械腿40的大腿部分41传动连接，用于驱动大腿部分41进行摆动。膝关节电机33与机械腿40的小腿部分42传动连接，用于驱动小腿部分42进行摆动。控制器70与髋关节电机31和膝关节电机33电连接，通过控制上述两个电机的配合使用，能够驱动机械腿40进行行走。
69.如图3、4所示，髋关节电机31和膝关节电机33均固定于电机挂板26上，并且二者的输出轴正对且轴线重合。通过以上设置，能够使得驱动机构30对机械腿40的驱动更加平稳可控。此外，将膝关节电机33上移至髋关节处，还能够减小机械腿40的惯性。同样能够方便对机械腿40进行驱动控制。
70.图5是图1中区域b的放大图。图6是本技术实施例提供的驱动机构30与机械腿40的爆炸图。
71.如图3
‑
6所示，电机挂板26包括间隔且平行设置的两块，髋关节电机31固定于髋关节电机固定板32上，髋关节电机固定板32与两块电机挂板26固定连接，并且髋关节电机31被固定于髋关节电机固定板32与两块电机挂板26围成的空间内。髋关节电机31的输出轴穿出髋关节电机固定板32上开设的通孔后与大腿部分41传动连接。
72.膝关节电机33固定于膝关节电机固定板34上，膝关节电机固定板34通过多块电机盖板35与髋关节电机固定板32固定连接。膝关节电机33被固定于髋关节电机固定板32与膝关节电机固定板34之间，膝关节电机33的输出轴穿出膝关节电机固定板34上开设的通孔后与小腿部分42传动连接。
73.可选地，在电机固定板上可以安装限位块(图中未示出)，以限制机械腿40的运动范围。
74.如图4
‑
6所示，大腿部分41包括大腿连杆41a，以及分别固定连接于大腿连杆41a上端和下端的大腿杆上部连接头41b和大腿杆下部连接头41c。大腿杆上部连接头41b与髋关节电机31的输出轴传动连接。
75.小腿部分42包括小腿连杆42a，以及分别连接于小腿连杆42a上端和下端的小腿连接头42b和足底部43。该足底部43呈球状，可以由弹性材料(例如橡胶或者塑胶等)支撑，能够减缓与地面的碰撞。
76.如图4
‑
6所示，驱动机构30还包括长杆36、小腿曲柄37和铰接头39。小腿曲柄37通过小腿连接件38与膝关节电机33的输出轴固定连接。长杆36包括长杆本体36a，以及分别固定连接于长杆本体36a上端和下端的长杆上部连接头36b和长杆下部连接头36c。长杆上部连接头36b与小腿曲柄37铰接，长杆下部连接头36c与铰接头39的上部铰接。铰接头39的中部与大腿杆下部连接头41c的铰接，铰接头39的下部与小腿连接头42b铰接。通过以上设置，使得对小腿部分41的传动形成平行四边形连杆机构，能够可靠稳定的驱动小腿部分41进行摆动。
77.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。