CN103465253A

CN103465253A - 气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构

Info

Publication number: CN103465253A
Application number: CN2013104087419A
Authority: CN
Inventors: 刘昊; 张丹婷; 李智寿; 赵勇; 陶国良
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103465253B

Abstract

本发明公开了一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构。包括两个结构相同的单臂部件和背部支架；两个单臂部件中的肩关节分别安装在背部支架顶板的两侧上，两个肘关节轴经各自的肘部钢丝牵引线与背部支架中各自的气动肌肉连接，两个肩关节轴分别经各自的肩部钢丝牵引线与背部支架中各自的气动肌肉连接。单臂部件共四个自由度，分别是肘部的屈-伸、肩关节的屈-伸、肩关节的外展-内收和肩关节的旋内-旋外转动副。穿戴好气动肌肉驱动的助力外骨骼上肢后，借助气动肌肉收缩产生的拉力，在穿戴者托举重物时可大幅度提高托举强度，实现提升穿戴人员的机能力量的目的。本发明在军事行动和灾难救援、救护等人的力量不足以支持所需负荷的场合，具有重要意义。

Description

气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构

技术领域

本发明涉及仿生结构的机器人，尤其是涉及一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构。

背景技术

外骨骼技术是一种可穿戴式机器人技术，模仿生物界的外骨骼开发的一种新型机电一体化装置，可穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑、运动辅助等功能。

外骨骼的驱动大多数采用电机或液压方式完成，只有少数采用气压方式驱动，且主要见于医疗康复治疗等轻载应用场合。电机驱动的不足之处在于功率/质量比较小，有限重量的电机难以承担较大负荷。液压驱动的缺点，主要在于泄漏问题、系统工作效率较低及系统成本高。气压驱动方式，虽然具有工作介质对环境和人体友好，元器件重量轻、价格便宜等优点，但由于常规的气缸执行器与液压缸相比功率/体积质量比远远不如，无法满足有较大负荷要求但安装空间有限、对轻便性要求较高的外骨骼助力系统的需要，没能得到广泛应用。

但随着近年来新型气动元件--气动肌肉(Pneumatic Muscle Actuator，PMA)的出现，因其优良的功率/体积比和功率/质量比，使气压驱动在外骨骼助力系统中逐步替代液压驱动成为了可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，可以提升穿戴人员的机能力量，并完成重物托举。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括两个结构相同的单臂部件和背部支架；单臂部件从下至上依次由小臂、肘关节、上臂和肩关节构成，两个单臂部件中的肩关节分别安装在背部支架顶板的两侧上，两个肘关节轴经各自的肘部钢丝牵引线与背部支架中各自的气动肌肉连接，两个肩关节轴分别经各自的肩部钢丝牵引线与背部支架中各自的气动肌肉连接。

所述小臂，包括Г形小臂托板和小臂杆；Г形小臂托板安装在小臂杆的一端外侧面上。

所述肘关节，包括肘关节轴、轴端挡圈、肘关节联轴器、肘关节角位移传感器和肘关节角位移传感器安装板；小臂杆的另一端与上臂底杆的一端通过肘关节轴连接形成肘部的屈-伸转动副，上臂底杆的一端与肘关节轴之间通过上臂底杆的一端外侧的轴端挡圈进行轴向定位，位于轴端挡圈外的肘关节轴与肘关节联轴器相连；肘关节角位移传感器通过肘关节角位移传感器安装板安装在肘关节联轴器的外侧，肘关节角位移传感器一端伸出轴插入肘关节联轴器一端的中心孔中，肘关节轴一端伸出轴插入肘关节联轴器另一端的中心孔中；肘关节角位移传感器与肘关节轴之间通过肘关节联轴器相连实现同步转动；肘关节角位移传感器安装板安装在上臂底杆的外侧。

所述上臂，包括第一Г形走线板、上臂底杆、上臂顶杆和第二Г形走线板；上臂底杆的另一端底面开有沿长度方向的导轨槽，上臂底杆的另一端上面开有一段与所述导轨槽相通的凹槽，上臂顶杆一端侧面有凸起导轨，上臂底杆导轨槽与上臂顶杆凸起导轨相嵌并通过螺栓定位，改变上臂底杆和上臂顶杆配合的长度即改变整个上臂的长度，第一Г形走线板的一边固定在上臂底杆的一端侧面，第二Г形走线板的一边固定在上臂顶杆的另一端侧面。

所述肩关节，包括肩关节轴、肩部第一直角连接板、第一转轴、肩部第二直角连接板、第二转轴、肩宽可调板、导轨、肩部直角加强筋、肩关节联轴器、肩关节角位移传感器、肩关节角位移传感器安装板和平板走线板；上臂顶杆的另一端与肩部第一直角连接板一边通过肩关节轴相连，从而形成肩关节的屈-伸转动副；肩部第一直角连接板另一边和肩部第二直角连接板通过第一转轴连接，从而形成肩关节的外展-内收转动副；肩部第二直角连接板与肩宽可调板一端通过第二转轴连接，从而形成肩关节的旋内-旋外转动副；肩宽可调板底面沿长度方向开有凹槽，导轨的一端相嵌在肩宽可调板凹槽内通过螺栓定位，从而改变两肩关节之间的距离，导轨的另一端固定在背部支架的顶板上面的两侧；肩关节角位移传感器通过肩关节角位移传感器安装板安装在肩关节联轴器的外侧，肩关节角位移传感器一端伸出轴插入肩关节联轴器一端的中心孔中，肩关节轴一端伸出轴插入肩关节联轴器另一端的中心孔中；肩关节角位移传感器与肩关节轴之间通过肩关节联轴器相连实现同步转动；肩关节角位移传感器安装板安装在肩部第一直角连接板的直角面，平板走线板安装在肩关节角位移传感器安装板外侧。

所述背部支架，包括顶板、底板、七根背部立柱、四个双耳吊环、四根气动肌肉、四个连接法兰、两根肘部钢丝牵引线和两根肩部钢丝牵引线；七根背部立柱支撑在顶板和底板之间，四根气动肌肉的一端分别经各自的连接法兰固定在底板上，四根气动肌肉的另一端分别与双耳吊环连接，两根肘部钢丝牵引线和两根肩部钢丝牵引线的一端分别穿过顶板后，与各自的双耳吊环连接，四根气动肌肉的一端分别与气源相连。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用了一种具有类似人类肌肉输出特性的柔性执行器--气动肌肉(Pneumatic Muscle Actuator，PMA)，使气压驱动在外骨骼助力系统中逐步替代液压驱动成为了可能。同时也满足了清洁、质量轻、价格低、柔顺性好等要求。穿戴者穿戴好气动肌肉驱动的助力外骨骼上肢后，借助气动肌肉收缩产生的拉力，在穿戴者托举重物时可大幅度提高托举强度，实现提升穿戴人员的机能力量的目的。本发明在军事行动和灾难救援、救护等人的力量不足以支持所需负荷的场合，具有重要意义。

附图说明

图1是基于气动肌肉的助力外骨骼上肢的结构示意图。

图2是小臂的结构示意图。

图3是肘关节的结构示意图。

图4是上臂的结构示意图。

图5是肩关节的结构示意图。

图6是背部支架的结构示意图。

图中：1、小臂，2、肘关节，3、上臂，4、肩关节，5、背部支架，6、Г形小臂托板，7、小臂杆，8、肘关节轴，9、轴端挡圈，10、肘关节联轴器，11、肘关节角位移传感器，12、肘关节角位移传感器安装板，13、第一走Г形线板，14、上臂底杆，15、上臂顶杆，16、第二Г形走线板，17、肩关节轴，18、肩部第一直角连接板，19、第一转轴，20、肩部第二直角连接板，21、第二转轴，22、肩宽可调板，23、导轨，24、肩部直角加强筋，25、肩关节联轴器，26、肩关节角位移传感器，27、肩关节角位移传感器安装板，28、平板走线板，29、顶板，30、底板，31、背部立柱，32、背部靠板，33、双耳吊环，34、气动肌肉，35、连接法兰，36、肘部钢丝牵引线，37、肩部钢丝牵引线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括两个结构相同的单臂部件和背部支架5；单臂部件从下至上依次由小臂1、肘关节2、上臂3和肩关节4构成，两个单臂部件中的肩关节4分别安装在背部支架5顶板的两侧上，两个肘关节轴经各自的肘部钢丝牵引线36与背部支架5中各自的气动肌肉连接，两个肩关节轴分别经各自的肩部钢丝牵引线37与背部支架5中各自的气动肌肉连接。单臂部件共四个自由度，分别是肘部的屈-伸、肩关节的屈-伸、肩关节的外展-内收和肩关节的旋内-旋外转动副。

如图2所示，所述小臂1，包括Г形小臂托板6和小臂杆7；Г形小臂托板6安装在小臂杆7的一端外侧面上。

如图3所示，所述肘关节2，包括肘关节轴8、轴端挡圈9、肘关节联轴器10、肘关节角位移传感器11和肘关节角位移传感器安装板12；小臂杆7的另一端与上臂底杆14的一端通过肘关节轴8连接形成肘部的屈-伸转动副，上臂底杆14的一端与肘关节轴8之间通过上臂底杆14的一端外侧的轴端挡圈9进行轴向定位，位于轴端挡圈9外的肘关节轴8与肘关节联轴器10相连；肘关节角位移传感器11通过肘关节角位移传感器安装板12安装在肘关节联轴器10的外侧，肘关节角位移传感器11一端伸出轴插入肘关节联轴器10一端的中心孔中，肘关节轴8一端伸出轴插入肘关节联轴器10另一端的中心孔中；肘关节角位移传感器11与肘关节轴8之间通过肘关节联轴器10相连实现同步转动；从而可以测得肘关节轴8的旋转角度；肘关节角位移传感器安装板12安装在上臂底杆14的外侧。

如图4所示，所述上臂3，包括第一Г形走线板13、上臂底杆14、上臂顶杆15和第二Г形走线板16；上臂底杆14的另一端底面开有沿长度方向的导轨槽，上臂底杆14的另一端上面开有一段与所述导轨槽相通的凹槽，上臂顶杆15一端侧面有凸起导轨，上臂底杆14导轨槽与上臂顶杆15凸起导轨相嵌并通过螺栓定位，改变上臂底杆14和上臂顶杆15配合的长度即改变整个上臂的长度，第一Г形走线板13的一边固定在上臂底杆14的一端侧面，第二Г形走线板16的一边固定在上臂顶杆15的另一端侧面。

改变上臂底杆14和上臂顶杆15配合的长度即可改变整个上臂的长度，可适应不同上臂长度的穿戴者。第一Г形走线板13、第二Г形走线板16的作用是引导肘部钢丝牵引线36。对应驱动肘关节轴8的气动肌肉收缩34时，牵引肘部钢丝牵引线36。肘部钢丝牵引线36经过平板走线板28、第二Г形走线板16、第一Г形走线板13的引导，绕在肘关节轴8上，肘部钢丝牵引线36的末端通过螺栓固定在肘关节轴8上。对肘关节轴8产生辅助力矩，从而减轻穿戴者托举重物时的负担。

如图5所示，所述肩关节4，包括肩关节轴17、肩部第一直角连接板18、第一转轴19、肩部第二直角连接板20、第二转轴21、肩宽可调板22、导轨23、肩部直角加强筋24、肩关节联轴器25、肩关节角位移传感器26、肩关节角位移传感器安装板27和平板走线板28；上臂顶杆15的另一端与肩部第一直角连接板18一边通过肩关节轴17相连，从而形成肩关节的屈-伸转动副；肩部第一直角连接板18另一边和肩部第二直角连接板20通过第一转轴19连接，从而形成肩关节的外展-内收转动副；肩部第二直角连接板20与肩宽可调板22一端通过第二转轴21连接，从而形成肩关节的旋内-旋外转动副；肩宽可调板22底面沿长度方向开有凹槽，导轨23的一端相嵌在肩宽可调板22凹槽内通过螺栓定位，从而改变两肩关节之间的距离，导轨23的另一端固定在背部支架5的顶板29上面的两侧；肩关节角位移传感器26通过肩关节角位移传感器安装板27安装在肩关节联轴器25的外侧，肩关节角位移传感器26一端伸出轴插入肩关节联轴器25一端的中心孔中，肩关节轴17一端伸出轴插入肩关节联轴器25另一端的中心孔中；肩关节角位移传感器26与肩关节轴17之间通过肩关节联轴器25相连实现同步转动；肩关节角位移传感器安装板27安装在肩部第一直角连接板18的直角面，平板走线板28安装在肩关节角位移传感器安装板27外侧，肩部第一直角连接板18直角处装有肩部直角加强筋24。

平板走线板28用于肘部钢丝牵引线36和肩部钢丝牵引线37的导向；肩关节角位移传感器11通过肩关节角位移传感器安装板12安装在肩关节联轴器10的外侧，肩关节角位移传感器11一端伸出的轴插入肩关节联轴器10一边的孔，肩关节轴8一端伸出的轴插入肩关节联轴器10另一边的孔；肩关节角位移传感器11与肩关节轴8之间通过肩关节联轴器10相连实现同步转动。从而可以测得肩关节轴17的旋转角度。

如图6所示，所述背部支架5，包括顶板29、底板30、七根背部立柱31、四个双耳吊环33、四根气动肌肉34、四个连接法兰35、两根肘部钢丝牵引线36和两根肩部钢丝牵引线37；七根背部立柱31支撑在顶板29和底板30之间，四根气动肌肉34的一端分别经各自的连接法兰35固定在底板30上，四根气动肌肉34的另一端分别与双耳吊环33连接，两根肘部钢丝牵引线36和两根肩部钢丝牵引线37的一端分别穿过顶板29后，与各自的双耳吊环33连接，四根气动肌肉34的一端分别与气源相连，背部支架5的后面安装有背部靠板32。

本发明的工作过程如下：

当穿戴者需要助力时，穿戴者穿上本发明，将背部支架5和人体背部柔性连接，小臂1和人体小臂柔性连接，肘关节2与人体肘关节柔性连接，上臂3和人体上臂柔性连接，肩关节4与人体肩关节柔性连接。

当人体上肢开始托举重物时，给对应驱动肘关节轴8的气动肌肉34充气，气动肌肉34收缩时，牵引肘部钢丝牵引线36。肘部钢丝牵引线36经过平板走线板28、第二Г形走线板16、第一Г形走线板13的引导，绕在肘关节轴8上，肘部钢丝牵引线36的末端通过螺栓固定在肘关节轴8上,对肘关节轴8产生辅助力矩，从而减轻穿戴者托举重物时肘关节2的负担。同时也给对应驱动肩关节轴17的气动肌肉34充气，气动肌肉34收缩时，牵引肩部钢丝牵引线37。肩部钢丝牵引线37经过平板走线板28的引导，绕在肩关节轴17上，肩部钢丝牵引线37的末端通过螺栓固定在肩关节轴17上，对肩关节轴17产生辅助力矩，从而减轻穿戴者托举重物时肩关节4的负担。

本发明借助气动肌肉34收缩产生的拉力，对相应关节轴产生辅助力矩，在穿戴者托举重物时可大幅度提高托举强度，实现提升穿戴人员的机能力量的目的。

Claims

1.一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，其特征在于：包括两个结构相同的单臂部件和背部支架（5）；单臂部件从下至上依次由小臂（1）、肘关节（2）、上臂（3）和肩关节（4）构成，两个单臂部件中的肩关节（4）分别安装在背部支架（5）顶板的两侧上，两个肘关节轴经各自的肘部钢丝牵引线（36）与背部支架（5）中各自的气动肌肉连接，两个肩关节轴分别经各自的肩部钢丝牵引线（37）与背部支架（5）中各自的气动肌肉连接。

2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，其特征在于：所述小臂（1），包括Г形小臂托板（6）和小臂杆（7）；Г形小臂托板（6）安装在小臂杆（7）的一端外侧面上。

3.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，其特征在于：所述肘关节（2），包括肘关节轴（8）、轴端挡圈（9）、肘关节联轴器（10）、肘关节角位移传感器（11）和肘关节角位移传感器安装板（12）；小臂杆（7）的另一端与上臂底杆（14）的一端通过肘关节轴（8）连接形成肘部的屈-伸转动副，上臂底杆（14）的一端与肘关节轴（8）之间通过上臂底杆（14）的一端外侧的轴端挡圈（9）进行轴向定位，位于轴端挡圈（9）外的肘关节轴（8）与肘关节联轴器（10）相连；肘关节角位移传感器（11）通过肘关节角位移传感器安装板（12）安装在肘关节联轴器（10）的外侧，肘关节角位移传感器（11）一端伸出轴插入肘关节联轴器（10）一端的中心孔中，肘关节轴（8）一端伸出轴插入肘关节联轴器（10）另一端的中心孔中；肘关节角位移传感器（11）与肘关节轴（8）之间通过肘关节联轴器（10）相连实现同步转动；肘关节角位移传感器安装板（12）安装在上臂底杆（14）的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，其特征在于：所述上臂（3），包括第一Г形走线板（13）、上臂底杆（14）、上臂顶杆（15）和第二Г形走线板（16）；上臂底杆（14）的另一端底面开有沿长度方向的导轨槽，上臂底杆（14）的另一端上面开有一段与所述导轨槽相通的凹槽，上臂顶杆（15）一端侧面有凸起导轨，上臂底杆（14）导轨槽与上臂顶杆（15）凸起导轨相嵌并通过螺栓定位，改变上臂底杆（14）和上臂顶杆（15）配合的长度即改变整个上臂的长度，第一Г形走线板（13）的一边固定在上臂底杆（14）的一端侧面，第二Г形走线板（16）的一边固定在上臂顶杆（15）的另一端侧面。

5.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，其特征在于：所述肩关节（4），包括肩关节轴（17）、肩部第一直角连接板（18）、第一转轴（19）、肩部第二直角连接板（20）、第二转轴（21）、肩宽可调板（22）、导轨（23）、肩部直角加强筋（24）、肩关节联轴器（25）、肩关节角位移传感器（26）、肩关节角位移传感器安装板（27）和平板走线板（28）；上臂顶杆（15）的另一端与肩部第一直角连接板（18）一边通过肩关节轴（17）相连，从而形成肩关节的屈-伸转动副；肩部第一直角连接板（18）另一边和肩部第二直角连接板（20）通过第一转轴（19）连接，从而形成肩关节的外展-内收转动副；肩部第二直角连接板（20）与肩宽可调板（22）一端通过第二转轴（21）连接，从而形成肩关节的旋内-旋外转动副；肩宽可调板（22）底面沿长度方向开有凹槽，导轨（23）的一端相嵌在肩宽可调板（22）凹槽内通过螺栓定位，从而改变两肩关节之间的距离，导轨（23）的另一端固定在背部支架（5）的顶板（29）上面的两侧；肩关节角位移传感器（26）通过肩关节角位移传感器安装板（27）安装在肩关节联轴器（25）的外侧，肩关节角位移传感器（26）一端伸出轴插入肩关节联轴器（25）一端的中心孔中，肩关节轴（17）一端伸出轴插入肩关节联轴器（25）另一端的中心孔中；肩关节角位移传感器（26）与肩关节轴（17）之间通过肩关节联轴器（25）相连实现同步转动；肩关节角位移传感器安装板（27）安装在肩部第一直角连接板（18）的直角面，平板走线板（28）安装在肩关节角位移传感器安装板（27）外侧。

6.根据权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，其特征在于：所述背部支架（5），包括顶板（29）、底板（30）、七根背部立柱（31）、四个双耳吊环（33）、四根气动肌肉（34）、四个连接法兰（35）、两根肘部钢丝牵引线（36）和两根肩部钢丝牵引线（37）；七根背部立柱（31）支撑在顶板（29）和底板（30）之间，四根气动肌肉（34）的一端分别经各自的连接法兰（35）固定在底板（30）上，四根气动肌肉（34）的另一端分别与双耳吊环（33）连接，两根肘部钢丝牵引线（36）和两根肩部钢丝牵引线（37）的一端分别穿过顶板（29）后，与各自的双耳吊环（33）连接，四根气动肌肉（34）的一端分别与气源相连。