CN101455609B - 基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构 - Google Patents

Abstract

基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构，它涉及一种外骨骼机构。本发明的目的是为解决现有针对手部使用外骨骼机构不能实现双向主动驱动，机构较臃肿，绳索和机构的强摩擦会使得控制变得更为复杂等问题。本发明第一线轮和第二线轮分别设置在第二机架上部的两侧上，第一线轮与第四连杆的一端同轴，第二线轮与一号连杆的一端同轴，第二钢丝绳的一端与压板相连接，第二钢丝绳的另一端设置在第二调整滑块上，第三线轮和第四线轮分别设置在第三机架上部的两侧上，第三线轮和四号连杆同轴，第四线轮和连杆四同轴。本发明每个关节都采用了平行四边形连杆机构，中间驱动元件采用钢丝绳进行传动，能以外骨架形式围绕人手作包络运动。

Description

基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机构。

背景技术

目前，国际上最典型的外骨骼机构有：EXOS外骨骼手，CyberGrasp(力反馈)数据手套。这些外骨骼机构的设计思路主要利用人手指的各指节作为其外骨骼机构的一部分，因此这种外骨骼机构不是一种独立的外骨骼机构，即，没有人手指的配合，这种外骨骼机构不能产生任何运动。因此它必然会带来以下三个问题：①需与人手的每段指节配合组成多边形机构来产生运动，在力反馈时会影响力觉的真实感。②都不能实现双向主动驱动，其只能使人手产生伸展运动且运动源自人手。③采用绳索传动，驱动装置和外骨骼机构不为一体，因而机构也必然臃肿，此外，绳索和机构的强摩擦也会使得控制变得更为复杂困难。

发明内容

本发明的目的是为解决现有针对手部使用的外骨骼机构不能真实反馈机器人末端所受到的力，都不能实现双向主动驱动，驱动装置和外骨骼机构不为一体，机构较臃肿，因强摩擦需复杂的控制策略等问题，提供一种基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构。本发明由第一机架、第二机架、第三机架、两个第一连接板、两个第二连接板、指尖接口、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、第一钢丝绳传动机构、第二钢丝绳传动机构组成，两个第一连接板分别设置在第三机架的两侧上，两个第二连接板分别设置在第二机架的两侧上，所述第一平行四边形连杆机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆组成，第二平行四边形连杆机构由一号连杆、二号连杆、三号连杆和四号连杆组成，第三平行四边形连杆机构由连杆一、连杆二、连杆三和连杆四组成，第一连杆的一端与第一机架中部铰接，第一连杆的另一端与第二连杆的一端铰接，第二连杆的中心和第三连杆的中心铰接，第三连杆的一端与第一机架的下部铰接，第二连杆的另一端与第二机架下部的一端铰接，第三连杆的另一端与第四连杆的一端铰接，第四连杆的另一端与第二机架上部的一端铰接；一号连杆的一端与第二机架上部的另一端铰接，三号连杆的一端与第二机架下部的另一端铰接，二号连杆的一端与一号连杆的另一端铰接，二号连杆的中心和三号连杆的中心铰接，三号连杆的另一端与四号连杆的一端铰接，四号连杆的另一端与第三机架上部的一端铰接，二号连杆的另一端与第三机架下部的一端铰接；连杆一的一端与第三机架上部的另一端铰接，连杆一的另一端与连杆二的一端铰接，连杆三的一端与第三机架下部的另一端铰接，连杆二的中心和连杆三的中心铰接，连杆三的另一端与连杆四的一端铰接，连杆四的另一端与指尖接口的一侧铰接，连杆二的另一端与指尖接口的另一侧铰接；所述第一钢丝绳传动机构由第一线轮、第二线轮、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一调整螺钉、第一调整滑块、第二调整螺钉、第二调整滑块、压板和固定螺钉组成，第一线轮和第二线轮分别设置在第二机架上部的两侧上，第一线轮与第四连杆的一端同轴，第二线轮与一号连杆的一端同轴，第一调整滑块设置在第四连杆上，第一调整螺钉设置在第一调整滑块上，第二调整螺钉设置在第二调整滑块上，固定螺钉和压板均设置在第一线轮上，第一钢丝绳的一端与一号连杆固定连接，第一钢丝绳的另一端与第一调整滑块相连接，第二钢丝绳的一端与压板相连接，第二钢丝绳的另一端设置在第二调整滑块上，第二钢丝绳传动机构由第三线轮、第四线轮、第三钢丝绳、第四钢丝绳、第二固定导向块、螺钉、第三调整螺钉、第一固定导向块、第一随动滑块和第二随动滑块组成，第一随动滑块设置在连杆一上，第三调整螺钉和第一固定导向块均设置在第一随动滑块上，第二随动滑块设置在四号连杆上，第二固定导向块和螺钉均设置在第二随动滑块上，第四钢丝绳的一端与四号连杆固定连接，第四钢丝绳的另一端与第一固定导向块相连接，第三钢丝绳的一端与连杆一固定连接，第三钢丝绳的另一端与螺钉相连接，第三线轮和第四线轮分别设置在第三机架上部的两侧上，第三线轮和四号连杆同轴，第四线轮和连杆四同轴。

本发明与现有技术相比其优点在于：集成化程度更高、结构紧凑、承载力强，外骨骼机构能双向主动驱动。本发明每个关节都采用了平行四边形连杆机构，中间驱动元件采用钢丝绳进行传动，能以外骨架形式围绕人手作包络运动。当外骨骼手指驱动或者跟随操作者的手指运动时，其各关节的瞬心分别与操作者手指对应关节的旋转中心始终重合，保证了外骨骼手与人手之间的无干涉运动，可扩展为对手指残疾进行医疗康复的装置，可用于设计力反馈数据手套。

附图说明

图1是本发明的平面图，图2是本发明关键部件的轴测图，图3是本发明的工作机构原理简图，图4是本发明的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1～图4)本实施方式由第一机架1、第二机架41、第三机架42、两个第一连接板18、两个第二连接板21、指尖接口15、第一平行四边形连杆机构2、第二平行四边形连杆机构8、第三平行四边形连杆机构14、第一钢丝绳传动机构5、第二钢丝绳传动机构11组成，两个第一连接板18分别设置在第三机架42的两侧上，两个第二连接板21分别设置在第二机架41的两侧上，所述第一平行四边形连杆机构2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8由一号连杆8-1、二号连杆8-2、三号连杆8-3和四号连杆8-4组成，第三平行四边形连杆机构14由连杆一14-1、连杆二14-2、连杆三14-3和连杆四14-4组成，第一连杆2-1的一端与第一机架1中部铰接，第一连杆2-1的另一端与第二连杆2-2的一端铰接，第二连杆2-2的中心和第三连杆2-3的中心铰接，第三连杆2-3的一端与第一机架1的下部铰接，第二连杆2-2的另一端与第二机架41下部的一端铰接，第三连杆2-3的另一端与第四连杆2-4的一端铰接，第四连杆2-4的另一端与第二机架41上部的一端铰接；一号连杆8-1的一端与第二机架41上部的另一端铰接，三号连杆8-3的一端与第二机架41下部的另一端铰接，二号连杆8-2的一端与一号连杆8-1的另一端铰接，二号连杆8-2的中心和三号连杆8-3的中心铰接，三号连杆8-3的另一端与四号连杆8-4的一端铰接，四号连杆8-4的另一端与第三机架42上部的一端铰接，二号连杆8-2的另一端与第三机架42下部的一端铰接；连杆一14-1的一端与第三机架42上部的另一端铰接，连杆一14-1的另一端与连杆二14-2的一端铰接，连杆三14-3的一端与第三机架42下部的另一端铰接，连杆二14-2的中心和连杆三14-3的中心铰接，连杆三14-3的另一端与连杆四14-4的一端铰接，连杆四14-4的另一端与指尖接口15的一侧铰接，连杆二14-2的另一端铰接指尖接口15的另一侧铰接；所述第一钢丝绳传动机构5由第一线轮5-1、第二线轮5-2、第一钢丝绳21-1、第二钢丝绳21-2、第一调整螺钉3、第一调整滑块4、第二调整螺钉7、第二调整滑块6、压板24和固定螺钉23组成，第一线轮5-1和第二线轮5-2分别设置在第二机架41上部的两侧上，第一线轮5-1与第四连杆2-4的一端同轴，第二线轮5-2与一号连杆8-1的一端同轴，第一调整滑块4设置在第四连杆2-4上，第一调整螺钉3设置在第一调整滑块4上，第二调整螺钉7设置在第二调整滑块6上，固定螺钉23和压板24均设置在第一线轮5-1上，第一钢丝绳21-1的一端与一号连杆8-1固定连接，第一钢丝绳21-1的另一端与第一调整滑块4相连接，第二钢丝绳21-2的一端与压板24相连接，第二钢丝绳21-2的另一端设置在第二调整滑块6上，第二钢丝绳传动机构11由第三线轮11-1、第四线轮11-2、第三钢丝绳19-1、第四钢丝绳19-2、第二固定导向块9、螺钉10、第三调整螺钉12、第一固定导向块13、第一随动滑块17和第二随动滑块20组成，第一随动滑块17设置在连杆一14-1上，第三调整螺钉12和第一固定导向块13均设置在第一随动滑块17上，第二随动滑块20设置在四号连杆8-4上，第二固定导向块9和螺钉10均设置在第二随动滑块20上，第四钢丝绳19-2的一端与四号连杆8-4固定连接，第四钢丝绳19-2的另一端与第一固定导向块13相连接，第三钢丝绳19-1的一端与连杆一14-1固定连接，第三钢丝绳19-1的另一端与螺钉10相连接，第三线轮11-1和第四线轮11-2分别设置在第三机架42上部的两侧上，第三线轮11-1和四号连杆8-4同轴，第四线轮11-2和连杆四14-4同轴。

第一平行四边形连杆机构2通过第一钢丝绳传动机构5和第二平行四边形连杆机构8相关联，第二平行四边形连杆机构8通过第二钢丝绳传动机构11和第三平行四边形连杆机构14相关联。

具体实施方式二：(参见图1～图4)本实施方式所述第一钢丝绳传动机构5的传动比为1∶1.4，第二钢丝绳传动机构11的传动比为1.4∶1。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：(参见图1～图4)本实施方式所述第一机架1、第二机架41、第三机架42、两个第一连接板18、两个第二连接板21、指尖接口15、第一平行四边形连杆机构2、第二平行四边形连杆机构8和第三平行四边形连杆机构14的材料均为LC4。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：(参见图1～图4)本实施方式所述第一钢丝绳传动机构5和第二钢丝绳传动机构11的材料均为11SMnPb30。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：(参见图1)本实施方式所述用于铰接的轴的材料均为45#钢。其它与具体实施方式一相同。

第一平行四边形连杆机构2中的第一连杆2-1作为整个机构的动力输入杆，当第一连杆2-1上有力矩作用时，使其沿轴转动，进而驱动整个机构的运动。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，使机架和连接板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，外骨骼手装置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7(工作机构原理简图)所示轴25-5和轴25-7的中心连线L1与轴25-1和轴25-2的中心连线L2始终相交于MCP(基关节)关节34，同理第二平行四边形连杆机构8中相关轴的中心连线L3与中心连线L4始终相交于PIP(中间指节关节)关节35，第三平行四边形连杆机构14中相关轴的中心连线L5与中心连线L6始终相交于DIP(指尖关节)关节36。

Claims (5)

1.一种基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构，它由第一机架(1)、第二机架(41)、第三机架(42)、两个第一连接板(18)、两个第二连接板(21)、指尖接口(15)、第一平行四边形连杆机构(2)、第二平行四边形连杆机构(8)、第三平行四边形连杆机构(14)、第一钢丝绳传动机构(5)、第二钢丝绳传动机构(11)组成，两个第一连接板(18)分别设置在第三机架(42)的两侧上，两个第二连接板(21)分别设置在第二机架(41)的两侧上，所述第一平行四边形连杆机构(2)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(8)由一号连杆(8-1)、二号连杆(8-2)、三号连杆(8-3)和四号连杆(8-4)组成，第三平行四边形连杆机构(14)由连杆一(14-1)、连杆二(14-2)、连杆三(14-3)和连杆四(14-4)组成，第一连杆(2-1)的一端与第一机架(1)中部铰接，第一连杆(2-1)的另一端与第二连杆(2-2)的一端铰接，第二连杆(2-2)的中心和第三连杆(2-3)的中心铰接，第三连杆(2-3)的一端与第一机架(1)的下部铰接，第二连杆(2-2)的另一端与第二机架(41)下部的一端铰接，第三连杆(2-3)的另一端与第四连杆(2-4)的一端铰接，第四连杆(2-4)的另一端与第二机架(41)上部的一端铰接；一号连杆(8-1)的一端与第二机架(41)上部的另一端铰接，三号连杆(8-3)的一端与第二机架(41)下部的另一端铰接，二号连杆(8-2)的一端与一号连杆(8-1)的另一端铰接，二号连杆(8-2)的中心和三号连杆(8-3)的中心铰接，三号连杆(8-3)的另一端与四号连杆(8-4)的一端铰接，四号连杆(8-4)的另一端与第三机架(42)上部的一端铰接，二号连杆(8-2)的另一端与第三机架(42)下部的一端铰接；连杆一(14-1)的一端与第三机架(42)上部的另一端铰接，连杆一(14-1)的另一端与连杆二(14-2)的一端铰接，连杆三(14-3)的一端与第三机架(42)下部的另一端铰接，连杆二(14-2)的中心和连杆三(14-3)的中心铰接，连杆三(14-3)的另一端与连杆四(14-4)的一端铰接，连杆四(14-4)的另一端与指尖接口(15)的一侧铰接，连杆二(14-2)的另一端与指尖接口(15)的另一侧铰接；所述第一钢丝绳传动机构(5)由第一线轮(5-1)、第二线轮(5-2)、第一钢丝绳(21-1)、第二钢丝绳(21-2)、第一调整螺钉(3)、第一调整滑块(4)、第二调整螺钉(7)、第二调整滑块(6)、压板(24)和固定螺钉(23)组成，第一线轮(5-1)和第二线轮(5-2)分别设置在第二机架(41)上部的两侧上，第一线轮(5-1)与第四连杆(2-4)的一端同轴，第二线轮(5-2)与一号连杆(8-1)的一端同轴，第一调整滑块(4)设置在第四连杆(2-4)上，第一调整螺钉(3)设置在第一调整滑块(4)上，第二调整螺钉(7)设置在第二调整滑块(6)上，固定螺钉(23)和压板(24)均设置在第一线轮(5-1)上，第一钢丝绳(21-1)的一端与一号连杆(8-1)固定连接，第一钢丝绳(21-1)的另一端与第一调整滑块(4)相连接，第二钢丝绳(21-2)的一端与压板(24)相连接，第二钢丝绳(21-2)的另一端设置在第二调整滑块(6)上，第二钢丝绳传动机构(11)由第三线轮(11-1)、第四线轮(11-2)、第三钢丝绳(19-1)、第四钢丝绳(19-2)、第二固定导向块(9)、螺钉(10)、第三调整螺钉(12)、第一固定导向块(13)、第一随动滑块(17)和第二随动滑块(20)组成，第一随动滑块(17)设置在连杆一(14-1)上，第三调整螺钉(12)和第一固定导向块(13)均设置在第一随动滑块(17)上，第二随动滑块(20)设置在四号连杆(8-4)上，第二固定导向块(9)和螺钉(10)均设置在第二随动滑块(20)上，第四钢丝绳(19-2)的一端与四号连杆(8-4)固定连接，第四钢丝绳(19-2)的另一端与第一固定导向块(13)相连接，第三钢丝绳(19-1)的一端与连杆一(14-1)固定连接，第三钢丝绳(19-1)的另一端与螺钉(10)相连接，第三线轮(11-1)和第四线轮(11-2)分别设置在第三机架(42)上部的两侧上，第三线轮(11-1)和四号连杆(8-4)同轴，第四线轮(11-2)和连杆四(14-4)同轴。

2.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构，其特征在于：所述第一钢丝绳传动机构(5)的传动比为1∶1.4，第二钢丝绳传动机构(11)的传动比为1.4∶1。

3.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构，其特征在于：所述第一机架(1)、第二机架(41)、第三机架(42)、两个第一连接板(18)、两个第二连接板(21)、指尖接口(15)、第一平行四边形连杆机构(2)、第二平行四边形连杆机构(8)和第三平行四边形连杆机构(14)的材料均为LC4。

4.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构，其特征在于：所述第一钢丝绳传动机构(5)和第二钢丝绳传动机构(11)的材料均为11SMnPb30。

5.根据权利要求1所述的基于平行四边形连杆和钢丝绳的外骨骼机构，其特征在于：所述用于铰接的轴的材料均为45#钢。

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