CN120116201A - 一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，公开了一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其包括躯干固定结构、两个手臂组件和两个操作部，两个手臂组件对称设置在躯干固定结构的外侧，躯干固定结构包括腰髋绑带和背带；手臂组件包括支杆、大臂连杆和小臂连杆，支杆的下端铰接于腰髋绑带上，操作部设于小臂连杆的端部。操作部包括手腕支架和操作件，操作件集成有旋转端和推拉端，可将旋转端或推拉端调整至朝向手车断路器的位置，满足对不同检修操作的辅助需求。支杆‑大臂连杆‑小臂连杆组成了三段铰接形式，通过腰髋、肩部和肘部三个驱动件协同助力，实现了全身共同发力的改进目的，针对高压室手车断路器的操作任务起到有效的辅助效果。

Description

一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别是涉及一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人。

背景技术

目前，高压室开关柜是电力系统中用于控制、保护和监测高压电气设备的关键部分。其中，手车式开关柜的主要电器元件(如断路器等)安装于可抽出的手车上，具有三种状态：工作位置、试验位置和检修位置。

在线路、设备停送电以及断路器检修工作中，需要在以上三种状态之间进行切换。从工作位置至试验位置切换时，作业人员使用手动摇把将动静、触头分合，手摇动作持续时间长。从试验位置至检修位置切换时，作业人员需握紧手车断路器的把手，将手车从柜内拉出和从柜外推入。但是，因手车断路器的重量大，拉出时前倾身体弯腰，结合肘部弯曲、肩部向后内收动作，同时直腰发力，以将手车断路器拉出。推入时，结合肘部伸直、肩部向前外展开动作，同时前倾弯腰，以将手车断路器推入柜内。

对高压室进行大规模检修时，作业人员重复性操作用力，劳动强度大，容易出现手臂酸疼等职业损伤。现有可穿戴式外骨骼机器人仅能对肩部、肘部关节动作进行助力，无法针对高压室手车断路器的操作任务起到有效的辅助效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在大规模检修时作业人员重复性操作用力，劳动强度大，容易出现手臂酸疼等职业损伤，现有可穿戴式外骨骼机器人无法针对高压室手车断路器的操作任务起到有效的辅助效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人的技术方案：

辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人包括躯干固定结构、两个手臂组件和两个操作部，两个所述手臂组件对称设置在所述躯干固定结构的外侧；

所述躯干固定结构包括腰髋绑带和背带，所述腰髋绑带与所述背带连接，所述腰髋绑带具有腰部约束空间，在穿戴时通过所述背带和所述腰髋绑带对腰部至肩部之间的躯干约束固定；

所述手臂组件包括支杆、大臂连杆和小臂连杆，所述支杆的下端铰接于所述腰髋绑带上，所述支杆与所述腰髋绑带之间安装有腰髋驱动件；所述大臂连杆铰接于所述支杆的上端，所述大臂连杆与所述支杆之间安装有肩部驱动件；

所述小臂连杆铰接于所述大臂连杆远离所述支杆的端部，所述小臂连杆与所述大臂连杆之间安装有肘部驱动件，所述操作部设置在所述小臂连杆远离所述大臂连杆的端部；

所述操作部包括手腕支架和操作件，所述手腕支架与所述小臂连杆之间设有腕关节活动部，所述操作件可转动安装于所述手腕支架上，所述操作件具有相对设置的旋转端和推拉端，通过转动所述操作件以切换操作状态；所述操作件还具有旋转驱动器，所述旋转驱动器与所述旋转端传动连接。

进一步的，所述腕关节活动部包括环槽和滑块，所述环槽固定连接于所述小臂连杆远离所述大臂连杆的端部，所述小臂连杆的长度方向垂直于所述环槽所在的径向平面设置，所述滑块与所述环槽滑动配合，所述手腕支架与所述滑块固定连接。

进一步的，所述手腕支架远离所述小臂连杆的端部设有握把，所述握把与所述环槽沿所述小臂连杆的长度方向间隔布置，且所述操作件设置于所述手腕支架远离所述握把的一侧。

进一步的，所述旋转端为内六角套筒，所述推拉端为C字型结构，所述推拉端具有C字型卡口，所述C字型卡口用于与手车断路器的把手卡接配合。

进一步的，所述支杆为可伸缩支杆，所述支杆包括第一段和第二段，所述第一段与所述腰髋驱动件传动连接，所述第二段与所述第一段沿所述支杆的轴线方向滑动连接，且所述第二段相对于所述第一段绕所述支杆的圆周方向旋转配合。

进一步的，所述腰髋绑带的外侧还固定设有腰部基座，所述腰部基座铰接安装有转动板，所述转动板的转动轴线平行于所述躯干固定结构的宽度方向延伸，所述腰髋驱动件安装于所述转动板上。

进一步的，所述腰髋驱动件为腰髋电机，所述腰髋驱动件的轴线方向与所述转动板的板面垂直布置；所述肩部驱动件为肩部电机，所述肩部驱动件的轴线与所述大臂连杆、所述支杆之间的铰接轴线重合；所述肘部驱动件为肘部电机，所述肘部驱动件的轴线与所述小臂连杆、所述大臂连杆之间的铰接轴线重合。

进一步的，所述支杆的上部与所述背带之间还连接有柔性带。

进一步的，所述背带为Y字型结构，所述背带的上部设有两个弧形板，两个所述弧形板沿所述躯干固定结构的长度方向间隔布置，且所述弧形板用于肩部定位配合。

进一步的，所述大臂连杆设置有大臂连接套，所述小臂连杆设置有小臂连接套。

本发明的一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人与现有技术相比，其有益效果在于：该辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人包括躯干固定结构、两个手臂组件和两个操作部，两个手臂组件对称设置在躯干固定结构的外侧，外骨骼机器人采用仿人体双臂结构设计，更符合自然操作姿势。躯干固定结构包括相连的腰髋绑带和背带，腰髋绑带具有腰部约束空间，通过腰部约束空间与肩部背带进行联合固定。操作时反作用力从手臂组件传递分散至躯干主体，减少了腰部或肩部等局部肌肉受力疲劳，保证躯干整体受力的可靠性。

其中，手臂组件包括支杆、大臂连杆和小臂连杆，支杆的下端通过腰髋驱动件安装于腰髋绑带上，大臂连杆通过肩部驱动件安装于支杆的上端，小臂连杆通过肘部驱动件安装于大臂连杆的端部。利用支杆-大臂连杆-小臂连杆组成了三段铰接形式，结合腰髋、肩部和肘部三个驱动件协同助力，确保了作业人员的腰部、肩部和肘部关节可共同发力，手臂组件的活动形式与手车推拉操作的运动轨迹相匹配，同时提供了更符合人体工学的助力效果。正是将传统的肩部或肘部助力优化为躯干+前肢组成的动力链，缓解了肩、肘、手臂在反复推拉中出现肌肉损伤的情况，降低了劳动强度，避免出现手臂酸疼等职业损伤。

另外，操作部设于小臂连杆远离大臂连杆的端部，操作部包括手腕支架和操作件，手腕支架与小臂连杆之间设有腕关节活动部，操作件具有相对设置的旋转端和推拉端，以及旋转驱动器。操作部通过腕关节活动部实现类似于人体腕部的轴线扭转动作，可灵活地调整操作角度和方向，并且操作件集成了旋转端和推拉端，根据实际的切换场景，可将旋转端或推拉端调整至朝向手车断路器的位置，满足了检修手车断路器中对不同操作的辅助需求。

如需要对手车断路器进行分合闸时，将旋转端调整至手臂组件的前端并插入手车断路器的相应接口，利用旋转驱动器带动旋转端转动，以替代手动摇把的分合闸操作。如需要对手车断路器进行推拉时，将推拉端调整至手臂组件的前端并卡入手车断路器的把手上，通过腰髋、肩部和肘部三个驱动件协同助力，实现了从“局部减负”到“全身共同发力”的改进目的，尤其是针对高压室手车断路器的操作任务起到有效的辅助效果。

附图说明

图1是本发明实施例中辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人的立体示意图；

图2是本发明实施例中辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人的侧视示意图；

图3是本发明实施例中操作部的局部放大图；

图4是本发明实施例中躯干固定结构与支杆之间的连接示意图；

图中：1、躯干固定结构；10、腰部约束空间；11、腰髋绑带；12、背带；120、弧形板；13、腰部基座；14、转动板；2、手臂组件；21、支杆；210、柔性带；211、第一段；212、第二段；22、大臂连杆；23、小臂连杆；24、腰髋驱动件；25、肩部驱动件；26、肘部驱动件；27、大臂连接套；28、小臂连接套；3、操作部；31、手腕支架；310、握把；32、操作件；321、旋转端；322、推拉端；323、旋转驱动器；33、腕关节活动部；331、环槽；332、滑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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发明中的具体含义。

如图1至图4所示，本发明实施例的一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，包括躯干固定结构1、两个手臂组件2和两个操作部3，两个手臂组件2对称设置在躯干固定结构1的外侧；躯干固定结构1包括腰髋绑带11和背带12，腰髋绑带11与背带12连接，腰髋绑带11具有腰部约束空间10，在穿戴时通过背带12和腰髋绑带11对腰部至肩部之间的躯干约束固定。

手臂组件2包括支杆21、大臂连杆22和小臂连杆23，支杆21的下端铰接于腰髋绑带11上，支杆21与腰髋绑带11之间安装有腰髋驱动件24；大臂连杆22铰接于支杆21的上端，大臂连杆22与支杆21之间安装有肩部驱动件25；小臂连杆23铰接于大臂连杆22远离支杆21的端部，小臂连杆23与大臂连杆22之间安装有肘部驱动件26，操作部3设置在小臂连杆23远离大臂连杆22的端部。

操作部3包括手腕支架31和操作件32，手腕支架31与小臂连杆23之间设有腕关节活动部33，操作件32可转动安装于手腕支架31上，操作件32具有相对设置的旋转端321和推拉端322，通过转动操作件32以切换操作状态；操作件32还具有旋转驱动器323，旋转驱动器323与旋转端321传动连接。

该辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人包括躯干固定结构1、两个手臂组件2和两个操作部3，两个手臂组件2对称设置在躯干固定结构1的外侧，外骨骼机器人采用仿人体双臂结构设计，更符合自然操作姿势。躯干固定结构1包括相连的腰髋绑带11和背带12，腰髋绑带11具有腰部约束空间10，通过腰部约束空间10与肩部背带12进行联合固定。操作时反作用力从手臂组件2传递分散至躯干主体，减少了腰部或肩部等局部肌肉受力疲劳，保证躯干整体受力的可靠性。

其中，手臂组件2包括支杆21、大臂连杆22和小臂连杆23，支杆21的下端通过腰髋驱动件24安装于腰髋绑带11上，大臂连杆22通过肩部驱动件25安装于支杆21的上端，小臂连杆23通过肘部驱动件26安装于大臂连杆22的端部。利用支杆21-大臂连杆22-小臂连杆23组成了三段铰接形式，结合腰髋、肩部和肘部三个驱动件协同助力，确保了作业人员的腰部、肩部和肘部关节可共同发力，手臂组件2的活动形式与手车推拉操作的运动轨迹相匹配，同时提供了更符合人体工学的助力效果。正是将传统的肩部或肘部助力优化为躯干+前肢组成的动力链，缓解了肩、肘、手臂在反复推拉中出现肌肉损伤的情况，降低了劳动强度，避免出现手臂酸疼等职业损伤。

另外，操作部3设于小臂连杆23远离大臂连杆22的端部，操作部3包括手腕支架31和操作件32，手腕支架31与小臂连杆23之间设有腕关节活动部33，操作件32具有相对设置的旋转端321和推拉端322，以及旋转驱动器323。操作部3通过腕关节活动部33实现类似于人体腕部的轴线扭转动作，可灵活地调整操作角度和方向，并且操作件32集成了旋转端321和推拉端322，根据实际的切换场景，可将旋转端321或推拉端322调整至朝向手车断路器的位置，满足了检修手车断路器中对不同操作的辅助需求。

如需要对手车断路器进行分合闸时，将旋转端321调整至手臂组件2的前端并插入手车断路器的相应接口，利用旋转驱动器323带动旋转端321转动，以替代手动摇把的分合闸操作。如需要对手车断路器进行推拉时，将推拉端322调整至手臂组件2的前端并卡入手车断路器的把手上，通过腰髋、肩部和肘部三个驱动件协同助力，实现了从“局部减负”到“全身共同发力”的改进目的，尤其是针对高压室手车断路器的操作任务起到有效的辅助效果。

在本实施例中，腕关节活动部33包括环槽331和滑块332，环槽331固定连接于小臂连杆23远离大臂连杆22的端部，小臂连杆23的长度方向垂直于环槽331所在的径向平面设置，滑块332与环槽331滑动配合，手腕支架31与滑块332固定连接。腕关节活动部33设计为环槽331和滑块332的形式，且环槽331所在的径向平面垂直于小臂连杆23的长度方向，手腕支架31通过滑块332与环槽331装配连接，使手腕支架31和操作件32可绕小臂连杆23进行灵活转动，更符合人体腕关节的旋转运动轨迹，并能在手臂组件2至操作部3之间起到可靠传递推拉力的作用。

作为进一步的优选方案，手腕支架31远离小臂连杆23的端部设有握把310，握把310与环槽331沿小臂连杆23的长度方向间隔布置，且操作件32设置于手腕支架31远离握把310的一侧。操作件32和握把310分置于手腕支架31的两侧，为作业人员提供了可靠的抓握点，不仅保证了操作件32和人员手部动作的一致性，而且，还提高了手腕支架31和操作件32的位置稳定性，握把310可采用绝缘材料制成，减少作业人员直接接触带电部件的可能性。

具体的，旋转端321为内六角套筒，推拉端322为C字型结构，推拉端322具有C字型卡口，C字型卡口用于与手车断路器的把手卡接配合。旋转端321为内六角套筒，内六角套筒适配手车断路器常见的六角螺栓或螺母，无需额外工具即可完成旋转操作；推拉端322为C字型卡口结构，通过卡口抱合实现了自锁式抓取，避免推拉过程中容易滑脱，实现了操作件32与高压手车断路器物理接口进行高精度匹配的目的。

如图4所示，支杆21为可伸缩支杆，支杆21包括第一段211和第二段212，第一段211与腰髋驱动件24传动连接，第二段212与第一段211沿支杆21的轴线方向滑动连接，且第二段212相对于第一段211绕支杆21的圆周方向旋转配合。通过第二段212与第一段211沿支杆21的轴线方向滑动连接，可对支杆21的长度灵活调整，结合紧固件(图中未示出)对支杆21的伸缩长度进行锁定，满足了不同身高作业人员的穿戴需求，同时在弯腰直腰等动作时可适应躯干姿势；第二段212相对于第一段211的旋转配合，可适应人体肩部关节及手臂的大范围自由运动，减少对人体活动范围的限制。

在本实施例中，参考作业人员的前后左右方位，定义：躯干固定结构1的长度方向为左右方向，躯干固定结构1的宽度方向为前后方向。腰髋绑带11的外侧还固定设有腰部基座13，腰部基座13铰接安装有转动板14，转动板14的转动轴线平行于躯干固定结构1的宽度方向延伸，腰髋驱动件24安装于转动板14上。腰部基座13和转动板14组成了位于支杆21与腰髋绑带11之间的第一转动副，可适应不同肩宽体型的作业人员，腰髋驱动件24作为支杆21与腰髋绑带11之间的第二转动副，可辅助人员进行弯腰和直腰动作，特别是在推入和拉出手车断路器的过程中，腰髋驱动件24能够对腰部关节起到有效的助力作用。

优选的，腰髋驱动件24为腰髋电机，腰髋驱动件24的轴线方向与转动板14的板面垂直布置；肩部驱动件25为肩部电机，肩部驱动件25的轴线与大臂连杆22、支杆21之间的铰接轴线重合；肘部驱动件26为肘部电机，肘部驱动件26的轴线与小臂连杆23、大臂连杆22之间的铰接轴线重合。腰髋电机、肩部电机、肘部电机均有动态助力和锁止功能，能够可靠地驱动手臂组件2助力动作，而且还可达到静态稳定支撑的效果。

其中，支杆21的上部与背带之间还连接有柔性带210。柔性带210选用柔软且不可拉伸的材质，用于连接约束支杆21，一方面防止支杆21过度偏移人体躯干，并保证了支杆21的活动自由度。另一方面，在推拉手车断路器的过程中，柔性带210形成了“支杆21-背带12-躯干”的辅助受力路径。

另外，背带为Y字型结构，背带的上部设有两个弧形板，两个弧形板沿躯干固定结构1的长度方向间隔布置，且弧形板用于肩部定位配合。背带12为Y字型结构，且背带12上部的弧形板120与人体肩部轮廓匹配度更好，保证了穿戴时的紧凑性和舒服程度。大臂连杆22设置有大臂连接套27，小臂连杆23设置有小臂连接套28，通过大臂连接套27和小臂连接套28确保了大臂连杆22、小臂连杆23与人体手臂的可靠连接固定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，包括躯干固定结构、两个手臂组件和两个操作部，两个所述手臂组件对称设置在所述躯干固定结构的外侧；

所述躯干固定结构包括腰髋绑带和背带，所述腰髋绑带与所述背带连接，所述腰髋绑带具有腰部约束空间，在穿戴时通过所述背带和所述腰髋绑带对腰部至肩部之间的躯干约束固定；

所述手臂组件包括支杆、大臂连杆和小臂连杆，所述支杆的下端铰接于所述腰髋绑带上，所述支杆与所述腰髋绑带之间安装有腰髋驱动件；所述大臂连杆铰接于所述支杆的上端，所述大臂连杆与所述支杆之间安装有肩部驱动件；

所述小臂连杆铰接于所述大臂连杆远离所述支杆的端部，所述小臂连杆与所述大臂连杆之间安装有肘部驱动件，所述操作部设置在所述小臂连杆远离所述大臂连杆的端部；

所述操作部包括手腕支架和操作件，所述手腕支架与所述小臂连杆之间设有腕关节活动部，所述操作件可转动安装于所述手腕支架上，所述操作件具有相对设置的旋转端和推拉端，通过转动所述操作件以切换操作状态；所述操作件还具有旋转驱动器，所述旋转驱动器与所述旋转端传动连接。

2.根据权利要求1所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述腕关节活动部包括环槽和滑块，所述环槽固定连接于所述小臂连杆远离所述大臂连杆的端部，所述小臂连杆的长度方向垂直于所述环槽所在的径向平面设置，所述滑块与所述环槽滑动配合，所述手腕支架与所述滑块固定连接。

3.根据权利要求2所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述手腕支架远离所述小臂连杆的端部设有握把，所述握把与所述环槽沿所述小臂连杆的长度方向间隔布置，且所述操作件设置于所述手腕支架远离所述握把的一侧。

4.根据权利要求1所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述旋转端为内六角套筒，所述推拉端为C字型结构，所述推拉端具有C字型卡口，所述C字型卡口用于与手车断路器的把手卡接配合。

5.根据权利要求1所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述支杆为可伸缩支杆，所述支杆包括第一段和第二段，所述第一段与所述腰髋驱动件传动连接，所述第二段与所述第一段沿所述支杆的轴线方向滑动连接，且所述第二段相对于所述第一段绕所述支杆的圆周方向旋转配合。

6.根据权利要求5所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述腰髋绑带的外侧还固定设有腰部基座，所述腰部基座铰接安装有转动板，所述转动板的转动轴线平行于所述躯干固定结构的宽度方向延伸，所述腰髋驱动件安装于所述转动板上。

7.根据权利要求6所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述腰髋驱动件为腰髋电机，所述腰髋驱动件的轴线方向与所述转动板的板面垂直布置；所述肩部驱动件为肩部电机，所述肩部驱动件的轴线与所述大臂连杆、所述支杆之间的铰接轴线重合；所述肘部驱动件为肘部电机，所述肘部驱动件的轴线与所述小臂连杆、所述大臂连杆之间的铰接轴线重合。

8.根据权利要求1至7任一项所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述支杆的上部与所述背带之间还连接有柔性带。

9.根据权利要求1至7任一项所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述背带为Y字型结构，所述背带的上部设有两个弧形板，两个所述弧形板沿所述躯干固定结构的长度方向间隔布置，且所述弧形板用于肩部定位配合。

10.根据权利要求1至7任一项所述的辅助操作高压室手车断路器的外骨骼机器人，其特征是，所述大臂连杆设置有大臂连接套，所述小臂连杆设置有小臂连接套。