CN107283392A - 外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件 - Google Patents

外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件 Download PDF

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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure

Abstract

本发明涉及外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件。该外骨骼机器人的上肢结构包括：用于固定在人体上的肩部驱动模块；大臂骨架，大臂骨架与肩部驱动模块相连接并由肩部驱动模块进行动力驱动，大臂骨架通过大臂固定件固定在人体大臂上；小臂骨架，小臂骨架与大臂骨架通过肘部驱动模块相连接并由肘部驱动模块进行动力驱动；以及把手，把手安装在小臂骨架上，把手上设置有与肩部驱动模块和肘部驱动模块均进行信号连接的传感器。本发明的外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件能起到以下有益技术效果：能实现类似于人手臂的各种动作，并能实现人对其的随动控制。

Description

外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人，尤其涉及外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件。
背景技术
最早的人体外骨骼机器人是1966年通用电气公司(GE)研制的Hardman助力机器人。进入21世纪之后，随着计算机、新材料、机械工程等学科技术的进步和突破，可穿戴式外骨骼机器人的发展开始进入爆发期。其中著名的有美国国防部先进研究项目局(DAPRA)的XOS和HULC、洛克希德马丁公司FORTIS、以色列创业项目Rewalk、新西兰创业项目Rex以及日本筑波大学HAL等外骨骼机器人类型产品。
然而，目前可穿戴式外骨骼机器人主要针对下肢助行，用于康复领域。现有技术中几乎没有针对外骨骼机器人上肢结构的设计。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明的一个目的在于，提供一种外骨骼机器人的上肢结构，其能实现类似于人手臂的各种动作，并能实现人对其的随动控制。
本发明的以上目的通过一种外骨骼机器人的上肢结构来实现，该外骨骼机器人的上肢结构包括：
用于固定在人体上的肩部驱动模块；
大臂骨架，所述大臂骨架与所述肩部驱动模块相连接并由所述肩部驱动模块进行动力驱动，所述大臂骨架通过大臂固定件固定在人体大臂上；
小臂骨架，所述小臂骨架与所述大臂骨架通过肘部驱动模块相连接并由所述肘部驱动模块进行动力驱动；以及
把手，所述把手安装在所述小臂骨架上，所述把手上设置有与所述肩部驱动模块和所述肘部驱动模块均进行信号连接的传感器。
根据上述技术方案，本发明的外骨骼机器人的上肢结构能起到以下有益技术效果：由传感器感测手部压力信号，并将这些压力信号转变为电信号而传送至肘部驱动模块及肩部驱动模块，继续驱动相应的小臂骨架及大臂骨架运动，能实现类似于人手臂的各种动作，并能实现人对其的随动控制。
较佳的是，所述外骨骼机器人的上肢结构还包括背部骨架，所述肩部驱动模块与所述背部骨架相连接固定。
较佳的是，所述外骨骼机器人的上肢结构还包括肩部上连接件和肩部下连接件，所述肩部上连接件与所述背部骨架通过竖直轴相连接，所述肩部下连接件与所述肩部上连接件通过水平轴相连接，所述肩部上连接件与所述背部骨架之间形成一个被动关节，所述肩部下连接件与所述肩部上连接件之间形成另一个被动关节。
较佳的是，所述肩部驱动模块包括肩部驱动关节和用于驱动所述肩部驱动关节的肩部驱动电机；所述肘部驱动模块包括肘部驱动关节和用于驱动所述肘部驱动关节的肘部驱动电机。
较佳的是，所述外骨骼机器人的上肢结构还包括护板，所述护板设置在所述小臂骨架的前端处。
较佳的是，所述传感器是多轴力传感器。
较佳的是，所述大臂固定件为大臂绑带。
较佳的是，所述肩部上连接件与所述背部骨架通过竖直轴铰接，所述肩部下连接件与所述肩部上连接件通过水平轴铰接。
较佳的是，所述大臂骨架和所述小臂骨架各自具有仿生曲面。
本发明的另一目的在于，提供一种外骨骼机器人的上肢结构组件，其能实现类似于人手臂的各种动作，并能实现人对其的随动控制。
本发明的以上目的通过一种外骨骼机器人的上肢结构组件来实现，该外骨骼机器人的上肢结构组件包括：安装在人体背部上的背部骨架、位于人体左手侧的如前所述的上肢结构、以及位于人体右手侧的如前所述的上肢结构；位于人体左手侧及右手侧上肢结构中的肩部驱动模块均与背部骨架连接。
根据上述技术方案，本发明的外骨骼机器人的上肢结构组件能起到以下有益技术效果：能实现类似于人手臂的各种动作，并能实现人对其的随动控制。
较佳的是，所述背部骨架为呈三角架的背板。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各部件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的部件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是本发明一实施方式的外骨骼机器人的上肢结构组件的整体示意图。
附图标记列表
1、背部骨架
2、肩部上连接件
3、肩部下连接件
4、肩部驱动模块
5、大臂骨架
6、大臂固定件
7、肘部驱动模块
8、小臂骨架
9、把手
10、护板
11、传感器
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1是本发明一实施方式的外骨骼机器人的上肢结构组件的整体示意图。
如图1所示，外骨骼机器人的上肢结构组件可包括：安装在人体背部上的背部骨架1、位于人体左手侧的上肢结构、以及位于人体右手侧的上肢结构。位于人体左手侧的上肢结构和位于人体右手侧的上肢结构可具有基本相同的结构，并且可相对于彼此左右对称。
下面参照图1所示的外骨骼机器人上肢结构组件的其中一个上肢结构(例如，位于人体左手侧的上肢结构)对本发明一实施方式的外骨骼机器人上肢结构进行说明。
根据本发明一实施方式，一种外骨骼机器人的上肢结构，包括：
肩部驱动模块4，该肩部驱动模块4可直接固定在人体上进行使用，或与背部骨架1连接固定进行使用；
大臂骨架5，大臂骨架5与背部骨架1通过肩部驱动模块4相连接并由肩部驱动模块4进行动力驱动，大臂骨架5通过大臂固定件6固定在人体大臂上；
小臂骨架8，小臂骨架8与大臂骨架5通过肘部驱动模块7相连接并由肘部驱动模块7进行动力驱动；以及
把手9，把手9安装在小臂骨架8上、例如安装在小臂骨架8的前端附近，把手9上设置有传感器11(也就是说，把手9连接至传感器11，把手9和传感器11安装在小臂骨架8的前端附近)，传感器11与肩部驱动模块4和肘部驱动模块7均进行信号连接(例如，借助有线或无线方式实现彼此通信)。
这样，由传感器感测手部压力信号，并将这些压力信号转变为电信号而传送至肘部驱动模块及肩部驱动模块，继续驱动相应的小臂骨架及大臂骨架运动，该外骨骼机器人的上肢结构能实现类似于人手臂的各种动作，并能实现人对其的随动控制。
较佳的是，本发明的外骨骼机器人的上肢结构还包括肩部上连接件2和肩部下连接件3，肩部上连接件2与背部骨架1通过竖直轴相连接(例如铰接)，肩部下连接件3与肩部上连接件2通过水平轴相连接(例如铰接)，肩部上连接件2与背部骨架1之间形成一个被动关节，肩部下连接件3与肩部上连接件2之间形成另一个被动关节。
较佳的是，肩部驱动模块4包括肩部驱动关节和用于驱动肩部驱动关节的肩部驱动电机。
这样，传感器11所感测到的力信号可传送至肩部驱动模块4，经由肩部驱动电机驱动肩部驱动关节。
较佳的是，肘部驱动模块7包括肘部驱动关节和用于驱动肘部驱动关节的肘部驱动电机。
这样，传感器11所感测到的力信号可传送至肘部驱动模块7，经由肘部驱动电机驱动肘部驱动关节。
较佳的是，外骨骼机器人的上肢结构还包括护板10，护板10设置在小臂骨架8的前端处。
这样，护板10可用于保护人的手指。
较佳的是，传感器11是多轴力传感器。
这样，多轴力传感器可以感测人手施加至把手9的沿着多个轴向的力信号，并将这些力信号转变为电信号而传送至肩部驱动模块4和肘部驱动模块7，从而较佳地实现外骨骼机器人上肢结构类似于人手臂的各种动作，并能较佳地实现人对外骨骼机器人上肢结构的随动控制。
较佳的是，大臂固定件6为大臂绑带。
较佳的是，背部骨架1为呈三角架的背板。这样的背部骨架满足力学要求，更加稳定可靠。
较佳的是，肩部上连接件2与背部骨架1之间形成一个被动关节，可使肩部上连接件2绕竖直轴转动，实现整个手臂的外展/内收；肩部下连接件3与肩部上连接件2之间形成另一个被动关节，可使肩部下连接件3绕水平轴转动，实现整个手臂的内旋/外旋。
较佳的是，大臂骨架5与肩部下连接件3通过肩部驱动模块4相连接，大臂骨架5与肩部下连接件3之间形成一个驱动关节(即，肩部驱动关节)，实现整个手臂的前屈/后伸。
较佳的是，小臂骨架8与大臂骨架5通过肘部驱动模块7相连接，小臂骨架8与大臂骨架5之间形成一个驱动关节(即，肘部驱动关节)，实现小臂的前屈/后伸。
这样，对于一个外骨骼机器人上肢结构而言，其可具有位于肩部的一个驱动关节和两个被动关节(即，位于肩部的一个驱动自由度和两个被动自由度)、以及位于肘部的一个驱动关节(即，位于肘部的一个驱动自由度)，总计具有两个驱动自由度和两个被动自由度，即，具有类似于人手臂的多自由度。
对于包括位于人体左手侧的上肢结构和位于人体右手侧的上肢结构的外骨骼机器人上肢结构组件而言，其可相应地总计具有四个驱动自由度和四个被动自由度。
较佳的是，大臂骨架5和小臂骨架8各自具有仿生曲面。
这样，大臂骨架5和小臂骨架8采用符合人机工程学的设计，使得整体上肢结构美观、紧凑，同时具有较好的穿戴适应性。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域技术人员将会理解，上述具体实施方式并不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以在以上公开内容的基础上进行多种修改，而不超出本发明的范围。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，所述上肢结构包括：
用于固定在人体上的肩部驱动模块；
大臂骨架，所述大臂骨架与所述肩部驱动模块相连接并由所述肩部驱动模块进行动力驱动，所述大臂骨架上设置有用于固定在人体大臂上的大臂固定件；
小臂骨架，所述小臂骨架与所述大臂骨架通过肘部驱动模块相连接并由所述肘部驱动模块进行动力驱动；以及
把手，所述把手安装在所述小臂骨架上，所述把手上设置有与所述肩部驱动模块和所述肘部驱动模块均进行信号连接的传感器。
2.如权利要求1所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，还包括背部骨架，所述肩部驱动模块与所述背部骨架相连接固定。
3.如权利要求2所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，还包括肩部上连接件和肩部下连接件，所述肩部上连接件与所述背部骨架通过竖直轴相连接，所述肩部下连接件与所述肩部上连接件通过水平轴相连接，所述肩部上连接件与所述背部骨架之间形成一个被动关节，所述肩部下连接件与所述肩部上连接件之间形成另一个被动关节。
4.如权利要求1所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，所述肩部驱动模块包括肩部驱动关节和用于驱动所述肩部驱动关节的肩部驱动电机；所述肘部驱动模块包括肘部驱动关节和用于驱动所述肘部驱动关节的肘部驱动电机。
5.如权利要求1所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，还包括护板，所述护板设置在所述小臂骨架的前端处。
6.如权利要求1所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，所述传感器是多轴力传感器。
7.如权利要求1所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，所述大臂固定件为大臂绑带。
8.如权利要求3所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，所述肩部上连接件与所述背部骨架通过竖直轴铰接，所述肩部下连接件与所述肩部上连接件通过水平轴铰接。
9.如权利要求1所述的外骨骼机器人的上肢结构，其特征在于，所述大臂骨架和所述小臂骨架各自具有仿生曲面。
10.一种外骨骼机器人的上肢结构组件，包括：安装在人体背部上的背部骨架、位于人体左手侧的如权利要求1-9中任一项所述的上肢结构、以及位于人体右手侧的如权利要求1-9中任一项所述的上肢结构；位于人体左手侧及右手侧上肢结构中的肩部驱动模块均与背部骨架连接。
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