CN106903674B - 一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，包括机械臂装置、支撑装置和抓取装置，机械臂装置包括基座、动力组件和手臂组件，手臂组件(13)是机械臂装置(1)的主要握持部件，手臂组件(13)的运动通过动力组件(12)来实现，动力组件(12)带动手臂组件(13)作空间运动，把手部送到空间运动范围内任意一点，通过独特的机构结构设计，实现手臂的自由伸展，使其具有放松伸展和小臂抬起两种形态，并让两种姿态自由过渡。本发明结构合理，实用价值较高，可以提高人的能力，实现轻松搬运重物、减轻工人工作强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种助力装置，更具体的说是涉及一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置。
背景技术
现有的机械外骨骼具有机械肢体和关节结构，肢体由金属材料制造并由各机械关节连接，各机械关节受安装在关节处的电机或液压装置驱动，机械关节驱动机械肢体带动佩戴者的肢体运动，从而达到助力效果，是一种对人机互动要求非常高的设备。上肢外骨骼机器人的研究目的是为了使上肢能量增大，从而增强人的能力，使其在抬举重物时拥有更大的力和能量。并且在上肢外骨骼机器人辅助人进行动作时要确保动作位置的精确性，以免对人或其他事物产生伤害。上肢外骨骼机器人系统主要包括安装在人手上的外骨骼机械臂，传感器，控制器以及执行装置。通过对人的上肢运动意图的精确分析而产生控制信号对执行机构进行控制，在控制的基础上还要进行动力学的建模和仿真，使其可在现实中实现。现有的上肢外骨骼机器人结构复杂，造价过高，实用价值较低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，结构合理，实用价值较高，可以提高人的能力，实现轻松搬运重物、减轻工人工作强度的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，包括机械臂装置、支撑装置和抓取装置，所述机械臂装置一端和支撑装置相连，另一端和抓取装置相连，所述机械臂装置包括基座、动力组件和手臂组件，所述动力组件包括第一传动件、第二传动件、从动件和气缸，所述第一传动件和第二传动件的前端分别铰接在基座上，所述第一传动件的尾端铰接在第一三角盘的一角，所述第二传动件的尾端铰接在第二三角盘的一角，所述从动件前端和手臂组件铰接，后端和气缸上端连接，所述气缸下端和第一传动件相连；所述手臂组件包括第一大臂、第二大臂、小臂、大臂支撑轴、第一小臂支撑轴和第二小臂支撑轴，所述大臂支撑轴的前端和从动件后端铰接，所述大臂支撑轴的尾端和小臂前端铰接，所述小臂前部设置有第一连接杆，所述第一连接杆贯穿小臂，所述小臂的尾端铰接有第二连接杆，所述第二连接杆贯穿小臂，所述第一大臂和第二大臂的前端铰接在基座上，所述第二大臂的前端和从动件的前端相铰接，所述第一大臂的尾端和第一小臂支撑轴的前端分别和第一三角盘的其余两角铰接，所述第二大臂的尾端和第二小臂支撑轴的前端分别和第二三角盘的其余两角铰接，所述第一小臂支撑轴的尾端和第一手踝铰接；所述第二小臂支撑轴的尾端和第二手踝铰接，所述第一大臂和第二大臂的尾端分别连接在第一连接杆的两端，所述第一手踝和第二手踝的一端分别连接在第二连接杆的两端；采用单刀单掷的开关来控制气缸的伸缩，气缸在开启时，带动从动件移动，从动件带动大臂支撑轴移动，大臂支撑轴带动小臂移动，小臂带动抓取装置移动，将固定在抓取装置中的重物抬起，在完成操作后，气缸关闭，小臂恢复到原位。
作为本发明的进一步改进，所述第一大臂和第二大臂的前端和尾端均呈弧状，所述第一大臂和第二大臂的长度均为381.5mm，所述第一大臂和第二大臂前端的弧度半径均为22.5mm，所述第一大臂和第二大臂尾端的弧度半径均为10mm；所述小臂的前端和尾端均呈弧状，所述小臂的长度均为373.5mm，所述小臂前端的弧度半径为7.5mm，所述小臂尾端的弧度半径为10mm。
作为本发明的进一步改进，所述第一传动件和第二传动件呈长条状，所述第一传动件的两端向同一方向弯折形成第一弯折部，所述第二传动件的两端向同一方向弯折形成第二弯折部，所述第一弯折部和第二弯折部的弯折的角度均为30度。
作为本发明的进一步改进，所述支撑装置包括背部支撑架和肩膀滑竿，所述背部支撑架的上端连接在肩膀滑竿上，所述肩膀滑竿的两端固定在基座上，柔性绑带将第一大臂、第二大臂和小臂与人的手臂相互绑定，将背部支撑架绑在人的腰部。
作为本发明的进一步改进，所述肩膀滑竿和基座之间通过吊环螺钉连接，所述肩膀滑竿两侧附近分别设置有一个弓形扣。
作为本发明的进一步改进，所述抓取装置包括支撑杆、活动指和电机，所述支撑杆一端固定在第一手踝上，所述支撑杆另一端上设置有凹槽，所述电机安装在支撑杆上，所述活动指一端铰接在电机的转轴上，所述活动指的另一端和凹槽相配合。
作为本发明的进一步改进，所述手臂组件、支撑装置和抓取装置均采用镁铝合金材料制成。
本发明包括机械臂装置、支撑装置和抓取装置，所述机械臂装置一端和支撑装置相连，另一端和抓取装置相连，所述机械臂装置包括基座、动力组件和手臂组件，所述动力组件包括第一传动件、第二传动件、从动件和气缸，所述手臂组件包括第一大臂、第二大臂、小臂、大臂支撑轴、第一小臂支撑轴和第二小臂支撑轴，通过大臂支撑轴、第一小臂支撑轴、第二小臂支撑轴和三角盘的连接，形成稳定的四杆联动机构，能够很好地渡过运动不确定位置，也能够增加最大启动牵引力。大臂作为主动件，在运动时带动小臂，从而完成伸展的动作。额外增加的大、小臂支撑轴、三角盘的设计，限制了运动角度，避免了运动角度过大造成的机构破坏，增加了机构的稳定性，提高了运动的传递效率。气缸开启时小臂自动伸缩抬起重物并保持，在完成操作后只需要关闭气缸，小臂就会自动恢复到原位，从而达到自由控制手臂伸展的目的，提高机构的效率。通过独特的机构结构设计，实现手臂的自由伸展，使其具有放松伸展和小臂抬起两种形态，并让两种姿态自由过渡，本发明结构合理，实用价值较高，可以提高人的能力，实现轻松搬运重物、减轻工人工作强度。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明机械臂装置的立体图；
图3为本发明机动力组件和手臂组件的立体图；
图4为本发明机械臂装置的局部立体图；
图5为本发明小臂在运动时的动力简化图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1-5所示，本实施例的一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，包括机械臂装置1、支撑装置2和抓取装置3，机械臂装置1一端和支撑装置2相连，另一端和抓取装置3相连，机械臂装置1包括基座11、动力组件12和手臂组件13，动力组件12包括第一传动件121、第二传动件122、从动件123和气缸124，第一传动件121和第二传动件122的前端分别铰接在基座11上，第一传动件121的尾端铰接在第一三角盘4的一角，第二传动件122的尾端铰接在第二三角盘5的一角，从动件123前端和手臂组件13铰接，后端和气缸124上端连接，气缸124下端和第一传动件121相连；手臂组件13包括第一大臂131、第二大臂132、小臂133、大臂支撑轴134、第一小臂支撑轴135和第二小臂支撑轴136，大臂支撑轴134的前端和从动件123后端铰接，大臂支撑轴134的尾端和小臂133前端铰接，小臂133前部设置有第一连接杆6，第一连接杆6贯穿小臂133，小臂133的尾端铰接有第二连接杆7，第二连接杆7贯穿小臂133，第一大臂131和第二大臂132的前端铰接在基座11上，第二大臂132的前端和从动件123的前端相铰接，第一大臂131的尾端和第一小臂支撑轴135的前端分别和第一三角盘4的其余两角铰接，第二大臂132的尾端和第二小臂支撑轴136的前端分别和第二三角盘5的其余两角铰接，第一小臂支撑轴135的尾端和第一手踝8铰接；第二小臂支撑轴136的尾端和第二手踝9铰接，第一大臂131和第二大臂132的尾端分别连接在第一连接杆6的两端，第一手踝8和第二手踝9的一端分别连接在第二连接杆7的两端；本发明采用单刀单掷的开关来控制气缸124的伸缩，气缸124在开启后，活塞杆向上移动，带动从动件123移动，从动件123围绕其前端和第二大臂132的铰接点转动，从动件123后端和大臂支撑轴134的前端铰接，从动件123带动大臂支撑轴134向上移动，大臂支撑轴134的尾端和小臂133前端铰接，大臂支撑轴134带动小臂133移动，小臂133围绕其前端和大臂支撑轴134尾端的铰接点转动，小臂133带动第一小臂支撑轴135、第二小臂支撑轴136和抓取装置3转动，抓取装置3将重物抓起后，活塞杆回缩，从动件123围绕其前端和第二大臂132的铰接点反向转动，从动件123带动大臂支撑轴134向下移动，大臂支撑轴134带动小臂133反向转动，小臂133带动第一小臂支撑轴135、第二小臂支撑轴136和抓取装置3反向转动，将固定在抓取装置3中的重物抬起放置到指定位置，整个过程中，基座11、第一传动件121、第二传动件122、第一大臂131和第二大臂132保持不动，在完成操作后，气缸124关闭。
该装置采用了独特的机械结构设计，符合人体工程学的基本要求，让穿戴者不会感到不适。手臂组件13是机械臂装置1的主要握持部件，它的作用是支撑腕部和手部，手臂组件13的运动通过动力组件12来实现，动力组件12带动手臂组件13作空间运动，把手部送到空间运动范围内任意一点，如果改变手部的方位，则用从动件123的自由度加以实现。通过合理布置作用力的位置和方向，使手臂运动尽可能平衡，提高配合精度，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，避免了发生机构自锁现象。
作为改进的一种具体实施方式，第一大臂131和第二大臂132的前端和尾端均呈弧状，第一大臂131和第二大臂132的长度均为381.5mm，第一大臂131和第二大臂132前端的弧度半径均为22.5mm，第一大臂131和第二大臂132尾端的弧度半径均为10mm，小臂133的前端和尾端均呈弧状，小臂133的长度均为373.5mm，小臂133前端的弧度半径为7.5mm，小臂133尾端的弧度半径为10mm。
根据受力情况，合理选择以上第一大臂131、第二大臂132和小臂133的截面形状和轮廓尺寸，合理选择支撑点的距离，从而提高支撑刚度，使多个双曲柄摇杆机构相互关联和协调的前提下，尽可能增大承重重量，也使运动更灵活，以图5作为分析，
已知直线AOB，AO＝88，OB＝268，以O点为转动点，转动15°后形成A`OB`，求h和h1，单位为mm
解：已知转动角度为15°
h＝OB`·sin 15°＝268×sin 15＝69.36mm
h1＝OA`·sin 15°＝88×sin 15＝22.77mm
由计算所得的h和h1，可代入到能量守恒方程中进行换算，已知W＝Gh(重力公式，此处重力加速度取9.8N·kg)，Pa＝FS(压强计算公式)。
Pa＝FS，S＝πr2
由重力守恒公式可得，
W＝GH＝FL
m·g·h1＝Pa·S·h
经过计算分析，我们可以得出，单臂的理论承载重量为52.6kg，也就是说，整个机构的理论承重重量为105kg。
作为改进的一种具体实施方式，第一传动件121和第二传动件122呈长条状，第一传动件121的两端向同一方向弯折形成第一弯折部125，第二传动件122的两端向同一方向弯折形成第二弯折部126，第一弯折部125和第二弯折部126的弯折的角度均为30度。这种结构设计使得整个装置运动更灵活，连接更稳固。
作为改进的一种具体实施方式，支撑装置2包括背部支撑架21和肩膀滑竿22，背部支撑架21的上端连接在肩膀滑竿22上，肩膀滑竿22的两端固定在基座11上，柔性绑带将第一大臂131、第二大臂132和小臂133与人的手臂相互绑定，将背部支撑架21绑在人的腰部。支撑装置2选择了刚性连接和柔性连接相结合，在第一大臂131、第二大臂132和小臂133上我们使用柔性绑带与人的手臂相互绑定，柔性绑带能够减轻穿戴类机械装置对人体的不适感，同时提高机械装置与人体的契合度，在肩膀处使用背包的形式让使用者将机构背在身上，并在腰部增加一条绑带，使助力装置和人体更加契合。使助力装置能够更好地贴合手臂和背部，防止机构在运作时脱离人体而造成不必要的伤害。这种支撑装置2保证了机构的稳定性，同时保证了穿戴者在穿戴时可以自由摆动，提升工作时的灵活性。
作为改进的一种具体实施方式，肩膀滑竿22和基座11之间通过吊环螺钉23连接，肩膀滑竿22两侧附近分别设置有一个弓形扣24。弓形扣24限制了吊环螺钉23的运动范围，使机械臂装置1可以前后运动，也可以小幅度地内外运动。
作为改进的一种具体实施方式，抓取装置3包括支撑杆31、活动指32和电机33，支撑杆31一端固定在第一手踝8上，支撑杆31另一端上设置有凹槽34，电机33安装在支撑杆31上，活动指32一端铰接在电机33的转轴上，所述活动指32的另一端和凹槽34相配合。当需要抬起重物时，电机33转动，活动指32活动端从凹槽34中脱离，活动指32和支撑杆31之间间距增大，将重物卡入活动指32和支撑杆31之间后，电机33反向转动，活动指32活动端卡入凹槽34中，避免重物在移动过程中脱落，将重物移动到指定位置后，电机33再次转动，活动指32活动端再次从凹槽34中脱离，重物从活动指32和支撑杆31之间脱落。
作为改进的一种具体实施方式，所述手臂组件13、支撑装置2和抓取装置3均采用镁铝合金材料制成。为了使得助力装置重量更小，运动更灵活，从而减小惯性，在速度和回转角速度一定的情况下，本发明采用了镁铝合金材料，镁铝合金材料作为强度大，质量轻的新型材料，极大地降低了助力装置的重量，使穿戴者在使用时不会感到吃力，提升了工作效率。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，包括机械臂装置(1)、支撑装置(2)和抓取装置(3)，所述机械臂装置(1)一端和支撑装置(2)相连，另一端和抓取装置(3)相连，其特征在于：所述机械臂装置(1)包括基座(11)、动力组件(12)和手臂组件(13)，所述动力组件(12)包括第一传动件(121)、第二传动件(122)、从动件(123)和气缸(124)，所述第一传动件(121)和第二传动件(122)的前端分别铰接在基座(11)上，所述第一传动件(121)的尾端铰接在第一三角盘(4)的一角，所述第二传动件(122)的尾端铰接在第二三角盘(5)的一角，所述从动件(123)前端和手臂组件(13)铰接，后端和气缸(124)上端连接，所述气缸(124)下端和第一传动件(121)相连；所述手臂组件(13)包括第一大臂(131)、第二大臂(132)、小臂(133)、大臂支撑轴(134)、第一小臂支撑轴(135)和第二小臂支撑轴(136)，所述大臂支撑轴(134)的前端和从动件(123)后端铰接，所述大臂支撑轴(134)的尾端和小臂(133)前端铰接，所述小臂(133)前部设置有第一连接杆(6)，所述第一连接杆(6)贯穿小臂(133)，所述小臂(133)的尾端铰接有第二连接杆(7)，所述第二连接杆(7)贯穿小臂(133)，所述第一大臂(131)和第二大臂(132)的前端铰接在基座(11)上，所述第二大臂(132)的前端和从动件(123)的前端相铰接，所述第一大臂(131)的尾端和第一小臂支撑轴(135)的前端分别和第一三角盘(4)的其余两角铰接，所述第二大臂(132)的尾端和第二小臂支撑轴(136)的前端分别和第二三角盘(5)的其余两角铰接，所述第一小臂支撑轴(135)的尾端和第一手踝(8)铰接；所述第二小臂支撑轴(136)的尾端和第二手踝(9)铰接，所述第一大臂(131)和第二大臂(132)的尾端分别连接在第一连接杆(6)的两端，所述第一手踝(8)和第二手踝(9)的一端分别连接在第二连接杆(7)的两端；采用单刀单掷的开关来控制气缸(124)的伸缩，气缸(124)在开启时，带动从动件(123)移动，从动件(123)带动大臂支撑轴(134)移动，大臂支撑轴(134)带动小臂(133)移动，小臂(133)带动抓取装置(3)移动，将固定在抓取装置(3)中的重物抬起，在完成操作后，气缸(124)关闭，小臂(133)恢复到原位；
所述第一大臂(131)和第二大臂(132)的前端和尾端均呈弧状，所述第一大臂(131)和第二大臂(132)的长度均为381.5mm，所述第一大臂(131)和第二大臂(132)前端的弧度半径均为22.5mm，所述第一大臂(131)和第二大臂(132)尾端的弧度半径均为10mm；所述小臂(133)的前端和尾端均呈弧状，所述小臂(133)的长度均为373.5mm，所述小臂(133)前端的弧度半径为7.5mm，所述小臂(133)尾端的弧度半径为10mm；
所述第一传动件(121)和第二传动件(122)呈长条状，所述第一传动件(121)的两端向同一方向弯折形成第一弯折部(125)，所述第二传动件(122)的两端向同一方向弯折形成第二弯折部(126)，所述第一弯折部(125)和第二弯折部(126)的弯折的角度均为30度；
所述支撑装置(2)包括背部支撑架(21)和肩膀滑竿(22)，所述背部支撑架(21)的上端连接在肩膀滑竿(22)上，所述肩膀滑竿(22)的两端固定在基座(11)上，柔性绑带将第一大臂(131)和第二大臂(132)与人的手臂相互绑定，将背部支撑架(21)绑在人的腰部；
所述肩膀滑竿(22)和基座(11)之间通过吊环螺钉(23)连接，所述肩膀滑竿(22)两侧附近分别设置有一个弓形扣(24)。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述抓取装置(3)包括支撑杆(31)、活动指(32)和电机(33)，所述支撑杆(31)一端固定在第一手踝(8)上，所述支撑杆(31)另一端上设置有凹槽(34)，所述电机(33)安装在支撑杆(31)上，所述活动指(32)一端铰接在电机(33)的转轴上，所述活动指(32)的另一端和凹槽(34)相配合。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴的上肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述手臂组件(13)、支撑装置(2)和抓取装置(3)均采用镁铝合金材料制成。
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