CN101219541B - 基于平行四边形连杆的外骨骼机构 - Google Patents
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Abstract
基于平行四边形连杆的外骨骼机构，它涉及一种外骨骼机构。本发明的目的是为解决现有外骨骼手的手指伸长机构存在结构复杂、承载力差、伸长范围小的问题。本发明由机架、第一连接体、第二连接体、指尖体、四个平行四边形连杆机构、两个齿轮传动机构组成，每个关节都采用了平行四边形连杆机构，中间驱动元件采用连杆、齿轮组合机构进行驱动，能以外骨架机构围绕人手作包络运动。本发明具有结构紧凑、承载力强、伸长范围大的优点。当外骨骼机构跟随操作者的手指转动时，由于其转动的同时按外骨骼规律伸长，在转动时外骨骼机构的各关节的旋转中心分别与操作者手指对应关节的旋转中心始终重合，保证了外骨骼手与操作手之间无任何干涉。
Description
技术领域
本发明涉及一种外骨骼机构。
背景技术
外骨骼手在医疗机器人领域以及作为遥操作控制的主手等领域有着广泛的应用前景。目前，国际上采用外骨骼机构能模拟人手指作包络运动的机构最典型的有：EXOS外骨骼手，CyberGrasp数据手套。这些外骨骼机构具有以下两个特点：①需与人手的每段指节配合组成多边形机构才能运动。②都不能实现双向驱动(其只能使人手产生伸展运动)，且运动源自人手。但这些外骨骼手的手指伸长机构存在结构复杂、承载力差、伸长范围小的缺点。
发明内容
本发明的目的是为解决现有外骨骼手的手指伸长机构存在结构复杂、承载力差、伸长范围小的问题，提供一种基于平行四边形连杆的外骨骼机构。本发明由机架1、第一连接体4、第二连接体7、指尖体10、第一平行四边形连杆机构、第二平行四边形连杆机构、第三平行四边形连杆机构、第四平行四边形连杆机构、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一轴14-7、第二轴14-6、第三轴14-5、第四轴14-4、第五轴14-3、第六轴14-2、第七轴14-1、第八轴13-3、第九轴13-2、第十轴13-1、第十一轴12-7、第十二轴12-6、第十三轴12-5、第十四轴12-4、第十五轴12-3、第十六轴12-2、第十七轴12-1、第十八轴11-7、第十九轴11-6、第二十轴11-5、第二十一轴11-4、第二十二轴11-3、第二十三轴11-2和第二十四轴11-1组成，第一平行四边形连杆机构由第一连杆2-1、第二连杆2-2、第三连杆2-3和第四连杆2-4组成，第二平行四边形连杆机构由第五连杆3-1、第六连杆3-2和第七连杆3-3组成，第三平行四边形连杆机构由第八连杆6-1、第九连杆6-2、第十连杆6-3和第十一连杆6-4组成，第四平行四边形连杆机构由第十二连杆9-1、第十三连杆9-2、第十四连杆9-3和第十五连杆9-4组成，第一齿轮传动机构由第一齿轮5-1和第二齿轮5-2组成，第二齿轮传动机构由第三齿轮8-1和第四齿轮8-2组成，第一轴14-7固定在机架1内的中部，第二轴14-6固定在机架1内的底边1-1一侧，第六轴14-2、第七轴14-1、第十一轴12-7和第十二轴12-6呈梯形状固定在第一连接体4内，第六轴14-2和第十二轴12-6固定在第一连接体4内的底边4-1一侧，第六轴14-2和第十二轴12-6的位置为梯形下底的两端，第七轴14-1和第十一轴12-7的位置为梯形上底的两端，第十轴13-1固定在第一连接体4内第七轴14-1和第十一轴12-7之间，第十六轴12-2、第十七轴12-1、第十八轴11-7和第十九轴11-6呈梯形状固定在第二连接体7内，第十六轴12-2和第十九轴11-6固定在第二连接体7内的底边7-1一侧，第十六轴12-2和第十九轴11-6的位置为梯形下底的两端，第十七轴12-1和第十八轴11-7的位置为梯形上底的两端，第二十二轴11-3固定在指尖体10内的底边10-1一侧，第二十四轴11-1固定在指尖体10内第二十二轴11-3的另一侧，第一齿轮5-1设置在第十轴13-1上，第二齿轮5-2设置在第十一轴12-7上，第三齿轮8-1设置在第十七轴12-1上，第四齿轮8-2设置在第十八轴11-7上，第一连杆2-1的一端与第一轴14-7铰接，第二连杆2-2的一端与第六轴14-2铰接，第一连杆2-1的另一端与第二连杆2-2的另一端通过第三轴14-5铰接，第三连杆2-3的一端与第二轴14-6铰接，第二连杆2-2的中段和第三连杆2-3的中段之间通过第四轴14-4铰接，第三连杆2-3的另一端与第四连杆2-4的一端之间通过第五轴14-3铰接，第四连杆2-4的另一端与第七轴14-1铰接，第五连杆3-1的一端与第四连杆2-4的另一端固定连接，第五连杆3-1的另一端与第六连杆3-2的一端之间通过第八轴13-3铰接，第六连杆3-2的另一端与第七连杆3-3的一端之间通过第九轴13-2铰接，第七连杆3-3的另一端与第一齿轮5-1固定连接，第一齿轮5-1和第二齿轮5-2啮合，第八连杆6-1的一端与第二齿轮5-2固定连接，第八连杆6-1的另一端与第九连杆6-2的一端之间通过第十三轴12-5铰接，第九连杆6-2的另一端与第十六轴12-2铰接，第十连杆6-3的一端与第十二轴12-6铰接，第十连杆6-3的中段和第九连杆6-2的中段之间通过第十四轴12-4铰接，第十连杆6-3的另一端与第十一连杆6-4的一端之间通过第十五轴12-3铰接，第十一连杆6-4的另一端与第三齿轮8-1固定连接，第三齿轮8-1和第四齿轮8-2啮合，第十二连杆9-1的一端与第四齿轮8-2固定连接，第十二连杆9-1的另一端与第十三连杆9-2的一端之间通过第二十轴11-5铰接，第十三连杆9-2的另一端与第二十二轴11-3铰接，第十四连杆9-3的一端与第十九轴11-6铰接，第十四连杆9-3的中段与第十三连杆9-2的中段之间通过第二十一轴11-4铰接，第十四连杆9-3的另一端与第十五连杆9-4的一端之间通过第二十三轴11-2铰接，第十五连杆9-4的另一端与第二十四轴11-1铰接。由电动机及齿轮箱15驱动第一平行四边形连杆机构的第一连杆2-1沿第一轴14-7转动，进而驱动整个机构运动。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案是每个关节都采用了平行四边形连杆机构，中间驱动元件采用连杆、齿轮组合机构进行驱动，能以外骨架机构围绕人手作包络运动。具有结构紧凑、承载力强、伸长范围大的优点。当外骨骼机构跟随操作者的手指转动时，由于其转动的同时按外骨骼规律伸长，在转动时外骨骼机构的各关节的旋转中心分别与操作者手指对应关节的旋转中心始终重合，保证了外骨骼手与操作手之间无任何干涉。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明整体结构的剖面图，图3是本发明与操作者的手指附着方式示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1～图3)本实施方式由机架1、第一连接体4、第二连接体7、指尖体10、第一平行四边形连杆机构、第二平行四边形连杆机构、第三平行四边形连杆机构、第四平行四边形连杆机构、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一轴14-7、第二轴14-6、第三轴14-5、第四轴14-4、第五轴14-3、第六轴14-2、第七轴14-1、第八轴13-3、第九轴13-2、第十轴13-1、第十一轴12-7、第十二轴12-6、第十三轴12-5、第十四轴12-4、第十五轴12-3、第十六轴12-2、第十七轴12-1、第十八轴11-7、第十九轴11-6、第二十轴11-5、第二十一轴11-4、第二十二轴11-3、第二十三轴11-2和第二十四轴11-1组成，第一平行四边形连杆机构由第一连杆2-1、第二连杆2-2、第三连杆2-3和第四连杆2-4组成，第二平行四边形连杆机构由第五连杆3-1、第六连杆3-2和第七连杆3-3组成，第三平行四边形连杆机构由第八连杆6-1、第九连杆6-2、第十连杆6-3和第十一连杆6-4组成，第四平行四边形连杆机构由第十二连杆9-1、第十三连杆9-2、第十四连杆9-3和第十五连杆9-4组成，第一齿轮传动机构由第一齿轮5-1和第二齿轮5-2组成，第二齿轮传动机构由第三齿轮8-1和第四齿轮8-2组成，第一轴14-7固定在机架1内的中部，第二轴14-6固定在机架1内的底边1-1一侧，第六轴14-2、第七轴14-1、第十一轴12-7和第十二轴12-6呈梯形状固定在第一连接体4内，第六轴14-2和第十二轴12-6固定在第一连接体4内的底边4-1一侧，第六轴14-2和第十二轴12-6的位置为梯形下底的两端，第七轴14-1和第十一轴12-7的位置为梯形上底的两端，第十轴13-1固定在第一连接体4内第七轴14-1和第十一轴12-7之间，第十六轴12-2、第十七轴12-1、第十八轴11-7和第十九轴11-6呈梯形状固定在第二连接体7内，第十六轴12-2和第十九轴11-6固定在第二连接体7内的底边7-1一侧，第十六轴12-2和第十九轴11-6的位置为梯形下底的两端，第十七轴12-1和第十八轴11-7的位置为梯形上底的两端，第二十二轴11-3固定在指尖体10内的底边10-1一侧，第二十四轴11-1固定在指尖体10内第二十二轴11-3的另一侧，第一齿轮5-1设置在第十轴13-1上，第二齿轮5-2设置在第十一轴12-7上，第三齿轮8-1设置在第十七轴12-1上，第四齿轮8-2设置在第十八轴11-7上，第一连杆2-1的一端与第一轴14-7铰接，第二连杆2-2的一端与第六轴14-2铰接，第一连杆2-1的另一端与第二连杆2-2的另一端通过第三轴14-5铰接，第三连杆2-3的一端与第二轴14-6铰接，第二连杆2-2的中段和第三连杆2-3的中段之间通过第四轴14-4铰接，第三连杆2-3的另一端与第四连杆2-4的一端之间通过第五轴14-3铰接，第四连杆2-4的另一端与第七轴14-1铰接，第五连杆3-1的一端与第四连杆2-4的另一端固定连接，第五连杆3-1的另一端与第六连杆3-2的一端之间通过第八轴13-3铰接，第六连杆3-2的另一端与第七连杆3-3的一端之间通过第九轴13-2铰接，第七连杆3-3的另一端与第一齿轮5-1固定连接，第一齿轮5-1和第二齿轮5-2啮合，第八连杆6-1的一端与第二齿轮5-2固定连接，第八连杆6-1的另一端与第九连杆6-2的一端之间通过第十三轴12-5铰接，第九连杆6-2的另一端与第十六轴12-2铰接，第十连杆6-3的一端与第十二轴12-6铰接，第十连杆6-3的中段和第九连杆6-2的中段之间通过第十四轴12-4铰接，第十连杆6-3的另一端与第十一连杆6-4的一端之间通过第十五轴12-3铰接，第十一连杆6-4的另一端与第三齿轮8-1固定连接，第三齿轮8-1和第四齿轮8-2啮合，第十二连杆9-1的一端与第四齿轮8-2固定连接，第十二连杆9-1的另一端与第十三连杆9-2的一端之间通过第二十轴11-5铰接，第十三连杆9-2的另一端与第二十二轴11-3铰接，第十四连杆9-3的一端与第十九轴11-6铰接，第十四连杆9-3的中段与第十三连杆9-2的中段之间通过第二十一轴11-4铰接，第十四连杆9-3的另一端与第十五连杆9-4的一端之间通过第二十三轴11-2铰接，第十五连杆9-4的另一端与第二十四轴11-1铰接。本实施方式由电动机及齿轮箱15驱动第一平行四边形连杆机构的第一连杆2-1沿第一轴14-7转动，进而驱动整个机构运动。
具体实施方式二：本实施方式第一齿轮传动机构的第一齿轮5-1和第二齿轮5-2的传动比为1∶1.2～1.5。
具体实施方式三：本实施方式第一齿轮传动机构的第一齿轮5-1和第二齿轮5-2的传动比为1∶1.4。
具体实施方式四：本实施方式第二齿轮传动机构的第三齿轮8-1和第四齿轮8-2的传动比为1.2～1.5∶1。
具体实施方式五：本实施方式第二齿轮传动机构的第三齿轮8-1和第四齿轮8-2的传动比为1.4∶1。
具体实施方式六：本实施方式机架1、第一连接体4、第二连接体7、指尖体10、第一连杆2-1、第二连杆2-2、第三连杆2-3、第四连杆2-4、第五连杆3-1、第六连杆3-2、第七连杆3-3、第八连杆6-1、第九连杆6-2、第十连杆6-3、第十一连杆6-4、第十二连杆9-1、第十三连杆9-2、第十四连杆9-3和第十五连杆9-4的材质为LC4铝材。
具体实施方式七：本实施方式第一齿轮5-1、第二齿轮5-2、第三齿轮8-1和第四齿轮8-2的材质为11SMnPb30钢材。
具体实施方式八：本实施方式第一轴14-7、第二轴14-6、第三轴14-5、第四轴14-4、第五轴14-3、第六轴14-2、第七轴14-1、第八轴13-3、第九轴13-2、第十轴13-1、第十一轴12-7、第十二轴12-6、第十三轴12-5、第十四轴12-4、第十五轴12-3、第十六轴12-2、第十七轴12-1、第十八轴11-7、第十九轴11-6、第二十轴11-5、第二十一轴11-4、第二十二轴11-3、第二十三轴11-2和第二十四轴11-1的材质为45#钢。
具体实施方式九：(参见图3)本实施方式第一连接体4的长度等于第一指节21的长度，第二连接体7的长度等于第二指节22的长度，指尖体10的长度等于第三指节23的长度。外骨骼机构依附于操作者的手背和手指上，外骨骼手指随操作者的手指转动而转动，转动的同时按外骨骼规律伸长，使机架和连接体相对于手指的位置保持不变，外骨骼手指各关节的旋转中心分别与操作者手指对应关节的旋转中心保持一致，外骨骼机构准确跟随操作者手指及指尖实现包络运动而不发生任何干涉。如图3所示，第一轴14-7和第二轴14-6的中心连线A与第六轴14-2和第七轴14-1的中心连线B始终相交于人手的手掌20与第一指节21之间关节的轴心24。第十一轴12-7、第十二轴12-6的中心连线C与第十六轴12-2、第十七轴12-1的中心连线D始终相交于第一指节21和第二指节22之间关节的轴心25。第十八轴11-7、第十九轴11-6的中心连线E与第二十二轴11-3和第二十四轴11-1的中心连线F始终相交于第二指节22和第三指节23之间关节的轴心26。
Claims (8)
1.一种基于平行四边形连杆的外骨骼机构，它由机架(1)、第一连接体(4)、第二连接体(7)、指尖体(10)、第一平行四边形连杆机构、第二平行四边形连杆机构、第三平行四边形连杆机构、第四平行四边形连杆机构、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一轴(14-7)、第二轴(14-6)、第三轴(14-5)、第四轴(14-4)、第五轴(14-3)、第六轴(14-2)、第七轴(14-1)、第八轴(13-3)、第九轴(13-2)、第十轴(13-1)、第十一轴(12-7)、第十二轴(12-6)、第十三轴(12-5)、第十四轴(12-4)、第十五轴(12-3)、第十六轴(12-2)、第十七轴(12-1)、第十八轴(11-7)、第十九轴(11-6)、第二十轴(11-5)、第二十一轴(11-4)、第二十二轴(11-3)、第二十三轴(11-2)和第二十四轴(11-1)组成，第一平行四边形连杆机构由第一连杆(2-1)、第二连杆(2-2)、第三连杆(2-3)和第四连杆(2-4)组成，第二平行四边形连杆机构由第五连杆(3-1)、第六连杆(3-2)和第七连杆(3-3)组成，第三平行四边形连杆机构由第八连杆(6-1)、第九连杆(6-2)、第十连杆(6-3)和第十一连杆(6-4)组成，第四平行四边形连杆机构由第十二连杆(9-1)、第十三连杆(9-2)、第十四连杆(9-3)和第十五连杆(9-4)组成，第一齿轮传动机构由第一齿轮(5-1)和第二齿轮(5-2)组成，第二齿轮传动机构由第三齿轮(8-1)和第四齿轮(8-2)组成，其特征在于第一轴(14-7)固定在机架(1)内的中部，第二轴(14-6)固定在机架(1)内的底边(1-1)一侧，第六轴(14-2)、第七轴(14-1)、第十一轴(12-7)和第十二轴(12-6)呈梯形状固定在第一连接体(4)内，第六轴(14-2)和第十二轴(12-6)固定在第一连接体(4)内的底边(4-1)一侧，第六轴(14-2)和第十二轴(12-6)的位置为梯形下底的两端，第七轴(14-1)和第十一轴(12-7)的位置为梯形上底的两端，第十轴(13-1)固定在第一连接体(4)内第七轴(14-1)和第十一轴(12-7)之间，第十六轴(12-2)、第十七轴(12-1)、第十八轴(11-7)和第十九轴(11-6)呈梯形状固定在第二连接体(7)内，第十六轴(12-2)和第十九轴(11-6)固定在第二连接体(7)内的底边(7-1)一侧，第十六轴(12-2)和第十九轴(11-6)的位置为梯形下底的两端，第十七轴(12-1)和第十八轴(11-7)的位置为梯形上底的两端，第二十二轴(11-3)固定在指尖体(10)内的底边(10-1)一侧，第二十四轴(11-1)固定在指尖体(10)内第二十二轴(11-3)的另一侧，第一齿轮(5-1)设置在第十轴(13-1)上，第二齿轮(5-2)设置在第十一轴(12-7)上，第三齿轮(8-1)设置在第十七轴(12-1)上，第四齿轮(8-2)设置在第十八轴(11-7)上，第一连杆(2-1)的一端与第一轴(14-7)铰接，第二连杆(2-2)的一端与第六轴(14-2)铰接，第一连杆(2-1)的另一端与第二连杆(2-2)的另一端通过第三轴(14-5)铰接，第三连杆(2-3)的一端与第二轴(14-6)铰接，第二连杆(2-2)的中段和第三连杆(2-3)的中段之间通过第四轴(14-4)铰接，第三连杆(2-3)的另一端与第四连杆(2-4)的一端之间通过第五轴(14-3)铰接，第四连杆(2-4)的另一端与第七轴(14-1)铰接，第五连杆(3-1)的一端与第四连杆(2-4)的另一端固定连接，第五连杆(3-1)的另一端与第六连杆(3-2)的一端之间通过第八轴(13-3)铰接，第六连杆(3-2)的另一端与第七连杆(3-3)的一端之间通过第九轴(13-2)铰接，第七连杆(3-3)的另一端与第一齿轮(5-1)固定连接，第一齿轮(5-1)和第二齿轮(5-2)啮合，第八连杆(6-1)的一端与第二齿轮(5-2)固定连接，第八连杆(6-1)的另一端与第九连杆(6-2)的一端之间通过第十三轴(12-5)铰接，第九连杆(6-2)的另一端与第十六轴(12-2)铰接，第十连杆(6-3)的一端与第十二轴(12-6)铰接，第十连杆(6-3)的中段和第九连杆(6-2)的中段之间通过第十四轴(12-4)铰接，第十连杆(6-3)的另一端与第十一连杆(6-4)的一端之间通过第十五轴(12-3)铰接，第十一连杆(6-4)的另一端与第三齿轮(8-1)固定连接，第三齿轮(8-1)和第四齿轮(8-2)啮合，第十二连杆(9-1)的一端与第四齿轮(8-2)固定连接，第十二连杆(9-1)的另一端与第十三连杆(9-2)的一端之间通过第二十轴(11-5)铰接，第十三连杆(9-2)的另一端与第二十二轴(11-3)铰接，第十四连杆(9-3)的一端与第十九轴(11-6)铰接，第十四连杆(9-3)的中段与第十三连杆(9-2)的中段之间通过第二十一轴(11-4)铰接，第十四连杆(9-3)的另一端与第十五连杆(9-4)的一端之间通过第二十三轴(11-2)铰接，第十五连杆(9-4)的另一端与第二十四轴(11-1)铰接，由电动机及齿轮箱(15)驱动第一平行四边形连杆机构的第一连杆(2-1)沿第一轴(14-7)转动，进而驱动整个机构运动。
2.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于第一齿轮传动机构的第一齿轮(5-1)和第二齿轮(5-2)的传动比为1∶1.2～1.5。
3.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于第一齿轮传动机构的第一齿轮(5-1)和第二齿轮(5-2)的传动比为1∶1.4。
4.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于第二齿轮传动机构的第三齿轮(8-1)和第四齿轮(8-2)的传动比为1.2～1.5∶1。
5.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于第二齿轮传动机构的第三齿轮(8-1)和第四齿轮(8-2)的传动比为1.4∶1。
6.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于机架(1)、第一连接体(4)、第二连接体(7)、指尖体(10)、第一连杆(2-1)、第二连杆(2-2)、第三连杆(2-3)、第四连杆(2-4)、第五连杆(3-1)、第六连杆(3-2)、第七连杆(3-3)、第八连杆(6-1)、第九连杆(6-2)、第十连杆(6-3)、第十一连杆(6-4)、第十二连杆(9-1)、第十三连杆(9-2)、第十四连杆(9-3)和第十五连杆(9-4)的材质为LC4铝材。
7.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于第一齿轮(5-1)、第二齿轮(5-2)、第三齿轮(8-1)和第四齿轮(8-2)的材质为11SMnPb30钢材。
8.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆的外骨骼机构，其特征在于第一轴(14-7)、第二轴(14-6)、第三轴(14-5)、第四轴(14-4)、第五轴(14-3)、第六轴(14-2)、第七轴(14-1)、第八轴(13-3)、第九轴(13-2)、第十轴(13-1)、第十一轴(12-7)、第十二轴(12-6)、第十三轴(12-5)、第十四轴(12-4)、第十五轴(12-3)、第十六轴(12-2)、第十七轴(12-1)、第十八轴(11-7)、第十九轴(11-6)、第二十轴(11-5)、第二十一轴(11-4)、第二十二轴(11-3)、第二十三轴(11-2)和第二十四轴(11-1)的材质为45#钢。
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