CN105078708A - 一种外骨骼机器人随动控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外骨骼机器人随动控制装置，解决现有的外骨骼机器人采用手动控制的协调性不好、而采用主从控制的外骨骼机器人结构复杂、动作存在滞后的问题。本装置包括上臂、下臂，上臂下端和下臂上端采用可转动的关节连接，其特征在于：所述上臂或下臂上设有可垂直于轴线方向滑动的主动压块，所述主动压块与人体绑定，上臂或下臂上与主动压块对应设置有两个微动开关，所述上臂和下臂之间设有驱动转动的动力装置，两个微动开关分别控制动力装置的正反向运动。本发明实现外骨骼和人体的实时随动，具有良好的协调性、同步性，而且结构简单，实现成本低，经济性好。

Description

一种外骨骼机器人随动控制装置
技术领域
本发明涉及一种机器人控制装置，特别涉及一种外骨骼机器人随动控制装置。
背景技术
社会经济的发展使得人们对机器人的需求与日俱增。但是由于人工智能尚未发展到能够使机器人独立运行的程度，目前机器人都需要人工干预或者预先编程来完成固定的任务。在这种背景下，具有良好人机交互的外骨骼机器人得到了研究人员越来越多的关注。外骨骼机器人功能强大，例如它能够帮助肢体受伤者进行康复治疗。通过将外骨骼与受伤肢体固定，控制外骨骼带动肢体运动，可以来对肢体进行康复治疗。又例如外骨骼可以帮助行动不便的残疾人恢复运动能力。通过外骨骼来辅助失能肢体，可以使得下肢瘫痪者可以重新走路，上肢瘫痪者可以重新拾取物品。而对于健康的人来说，外骨骼可以极大地增强每个人的运动能力，能够使常人举起数百斤重的物体而毫不吃力，或者轻松完成数十公里的长途跋涉。外骨骼的非凡能力使得它在军事、科研、工业生产和日常生活中有极大的发展潜力，对于促进社会经济发展有着巨大的积极意义。
现有的外骨骼机器人控制方法有很多，例如采用手动直接控制，通过操作按钮直接控制外骨骼机器人，这样的控制方式协调性难以保证；再例如采用预编程控制，这样的外骨骼机器人只能根据预先设定的轨迹运动，自由度小；还有一种采用主从控制的方式，将外骨骼机器人分为主外骨骼和从外骨骼，主外骨骼跟人的肢体固定，从外骨骼采用外力驱动，当人体带动主外骨骼运动，使主外骨骼和从外骨骼之间存在差动，一般采用角度传感器检测主外骨骼和从外骨骼之间的角度偏差信号，作为从外骨骼的驱动信号。这种方式虽然相较上述两种方式自由度高，协调性也好，但是驱动结构相对复杂，而且对角度传感器的精度要求高，需要主外骨骼和从外骨骼存在角度差，才能产生驱动力，从外骨骼动作存在滞后，当角度传感器精度较低时，滞后尤为明显。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的外骨骼机器人采用手动控制的协调性不好、而采用主从控制的外骨骼机器人结构复杂、动作存在滞后的问题，提供协调性好，且具有良好同步性的外骨骼机器人随动控制装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种外骨骼机器人随动控制装置，包括上臂、下臂，上臂下端和下臂上端采用可转动的关节连接，所述上臂或下臂上设有可垂直于轴线方向来回滑动的主动压块，所述主动压块与人体绑定，上臂或下臂上与主动压块对应设置有两个微动开关，两微动开关方向相反，主动压块同一时间只能触发其中一个微动开关，所述上臂和下臂之间设有驱动转动的动力装置，两个微动开关分别控制动力装置的正反向运动。两个微动开关分别与主动压块两个运动方向对应设置，主动压块与人体绑定，当人体产生动作，能带动主动压块在垂直与上臂或下臂的轴线方向运动。以腿部为例，将上臂固定与大腿外侧，下臂固定与小腿外侧，关节位于膝关节外侧，以主动压块和微动开关设置在上臂处为例，上臂与大腿固定时，主动压块与大腿绑定，而上臂与大腿另外的绑定位置与主动压块位置错开一定的距离，人体行走时，腿部会产生屈伸动作，使大腿与上臂之间产生微小差动，带动主动压块相对上臂滑动，碰触其中一个微动开关，微动开关驱动动力装置动作，带动上臂和下臂做同样的屈伸动作。人体屈伸时，会带动主动压块朝不同的方向运动，从而根据运动方向碰触不同的微动开关，实现外骨骼的随动。本装置在人体产生微小动作的时候，能准确根据运动趋势，触动微动开光，实现良好的同步性和随动性。
作为优选，所述微动开关设置在上臂的侧面，上臂的侧面垂直轴线方向并列设置两个限位条，两微动开关分别设置在两限位条之间的端部并突出于端部之外，主动压块为套设在两限位条两侧并沿限位条滑动的滑动框体，滑动框体的两内端之间的距离大于两个微动开关外端之间的距离。
作为另外的优选方案，所述微动开关设置在下臂的侧面，上臂的侧面垂直轴线方向并列设置两个限位条，两微动开关分别设置在两限位条之间的端部并突出于端部之外，主动压块为套设在两限位条两侧并沿限位条滑动的滑动框体，滑动框体的两内端之间的距离大于两个微动开关外端之间的距离。无论设置在上臂和下臂处，微动开关均能灵敏地侦测到人体的运动趋势，实现外骨骼的随动。主动压块为框体结构，框体内端的距离决定了同一时间只能碰触一个微动开关。而通过限位条的限位，避免人体动作过猛对微动开关造成损伤、或者造成不可回位的位移。同时，限位条也对主动压块形成导向。
作为优选，所述两个限位条侧面还设有保护微动开关并防止滑动框体脱落的侧封板。
作为优选，所述滑动框体两端的框架上还设有与人体绑定的连接孔。
作为优选，所述动力装置为电缸，电缸包括缸体、活塞杆、电机，所述缸体和活塞杆的端部分别与上臂、下臂相连，电机设置在缸体的一侧，并在缸体的端部与电机之间设置传动装置。
作为优选，所述上臂和下臂采用多层连接板和嵌板层层交替叠合而成，连接板和嵌板厚度一致、且靠近关节的一端连接板端部长于嵌板端部，下臂的连接板上端和上臂连接板下端相互插接嵌合，在插接嵌合位置采用关节销转动连接。采用多层叠合结构，能增加上臂和下臂的厚度，减少关节位置产生扭动的可能性，而且连接板和嵌板为层层交替叠合，叠合部的长度可以根据实际情况调节，使上臂和下臂具有可调节的不同的长度。而在上臂的上端、下臂的下端，如果需要通过关节件链节其他肢体部件时，嵌板和连接板的角色可以互换。动力装置安装时，安装点选择在上臂连接板和下臂连接板上，保证驱动受力稳定。
作为优选，所述上臂嵌板上端部长于上臂连接板的上端部，下臂嵌板的下端部长于下臂连接板的下端部。
作为优选，上臂、下臂与人体绑定的位置均与主动压块的位置错开。上臂与下臂要具有与人体良好的随动性，也需要与人体绑定，绑定位置避开主动压块位置，使主动压块能更好地反应人体动作趋势。
本发明通过与上臂或下臂轴线垂直设置的可滑动主动压块获取人体的微小运动趋势，在通过主动压块和微动开关的配合驱动动力装置，实现外骨骼和人体的实时随动，具有良好的协调性、同步性，而且结构简单，实现成本低，经济性好。
附图说明
图1是本发明一种结构示意图。
图2是本发明主动压块和微动开关结构示意图。
图3是本发明上臂和下臂的侧视结构示意图。
图中：1、上臂，2、关节，3、下臂，4、电缸，5、电机，6、主动压块，7、侧封板，8、滑动框体，9、连接孔，10、微动开关，11、限位条，12、过线孔，13、上臂连接板，14、上臂嵌板，15、下臂连接板，16、下臂嵌板，17，绑带。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
实施例：一种外骨骼机器人随动控制装置，如图1所示。本装置包括上臂1、下臂3，上臂和下臂之间通过关节2转动连接。如图3所示，上臂1由三层上臂连接板13和两层上臂嵌板14交替层叠组成，下臂3由两层下臂连接板15和三层下臂嵌板16交替层叠而成。上臂连接板和上臂嵌板长度一致，而上臂连接板下端向下伸出，上臂嵌板的上端向上伸出，两者形成交错。对应的，下臂连接板和下臂嵌板长度一致，而下臂连接板上端向上伸出，下臂嵌板的下端向下伸出，两者形成交错。上臂连接板13下端与下臂连接板15上端相互插接嵌合后，采用关节销枢接形成关节2。如图1所示，上臂连接板13上端的下侧向外凸起形成动力安装部，下臂连接板15的左侧向外突起形成动力安装部，上臂动力安装部和下臂动力安装部之间设有电缸4作为动力源，电缸的缸体后端与上臂动力安装部相连，缸体前端伸出的活塞杆端部与下臂动力安装部相连。缸体后端的下侧还设有电机5，电机与缸体后端之间设有传动装置，形成动力传送。
上臂靠近上部的前侧面设有主动压块6，主动压块6与人体绑定，并可在垂直上臂轴线的方向上滑动，上臂对应位置设有两个检测主动压块滑动位置的微动开关10。具体结构如图2所示，上臂上部垂直轴线并列固定有两根限位条11，两限位条之间的两端位置分别设有一个微动开关10，微动开关10的外端略突出于限位条的端部。主动压块为一个滑动框体8，滑动框体8套设在限位条外侧，通过限位条导向滑动，滑动框体8两个内端之间的距离稍大于两个微动开关外端之间的距离，保证滑动框体同一时间只能触碰一个微动开关。滑动框体两端部的框架上开设连接孔9，可以在连接孔位置与人体绑定。限位条的前侧还连接有侧封板7，对微动开关形成保护，并防止滑动框体脱落。在两限位条、两微动开关之间位置的上臂上开设有过线孔12，让微动开关的信号线能穿到上臂外部。
如图1所示，外骨骼上臂在主动压块位置将主动压块与人体上臂绑定，在靠近关节的下部将外骨骼上臂本身与人体上臂通过绑带17绑定，外骨骼下臂本身在上部和下部分别与人体下臂通过绑带17绑定。当人体运动时，人体上臂和人体下臂之间产生屈伸，带动主动压块滑动，从而碰触其中一个微动开关，使电缸运动驱动外骨骼上臂和外骨骼下臂随人体运动，保持高度的协调和同步。

Claims (9)

1.一种外骨骼机器人随动控制装置，包括上臂、下臂，上臂下端和下臂上端采用可转动的关节连接，其特征在于：所述上臂或下臂上设有可垂直于轴线方向来回滑动的主动压块，所述主动压块与人体绑定，上臂或下臂上与主动压块对应设置有两个微动开关，两微动开关方向相反，主动压块同一时间只能触发其中一个微动开关，所述上臂和下臂之间设有驱动转动的动力装置，两个微动开关分别控制动力装置的正反向运动。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述微动开关设置在上臂的侧面，上臂的侧面垂直轴线方向并列设置两个限位条，两微动开关分别设置在两限位条之间的端部并突出于端部之外，主动压块为套设在两限位条两侧并沿限位条滑动的滑动框体，滑动框体的两内端之间的距离大于两个微动开关外端之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述微动开关设置在下臂的侧面，上臂的侧面垂直轴线方向并列设置两个限位条，两微动开关分别设置在两限位条之间的端部并突出于端部之外，主动压块为套设在两限位条两侧并沿限位条滑动的滑动框体，滑动框体的两内端之间的距离大于两个微动开关外端之间的距离。
4.根据权利要求2或3所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述两个限位条侧面还设有保护微动开关并防止滑动框体脱落的侧封板。
5.根据权利要求2或3所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述滑动框体两端的框架上还设有与人体绑定的连接孔。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述动力装置为电缸，电缸包括缸体、活塞杆、电机，所述缸体和活塞杆的端部分别与上臂、下臂相连，电机设置在缸体的一侧，并在缸体的端部与电机之间设置传动装置。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述上臂和下臂采用多层连接板和嵌板层层交替叠合而成，连接板和嵌板厚度一致、且靠近关节的一端连接板端部长于嵌板端部，下臂的连接板上端和上臂连接板下端相互插接嵌合，在插接嵌合位置采用关节销转动连接。
8.根据权利要求7所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：所述上臂嵌板上端部长于上臂连接板的上端部，下臂嵌板的下端部长于下臂连接板的下端部。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种外骨骼机器人随动控制装置，其特征在于：上臂、下臂与人体绑定的位置均与主动压块的位置错开。
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