CN107297732B - 一种增力型穿戴机器人肩部机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增力型穿戴机器人肩部机构及方法，它解决了现有技术中增力性穿戴机械臂肩部设计复杂的问题，具有结构简单、运动范围扩大的有益效果，其方案如下：机构包括第一连杆，第一连杆与第二连杆间隔设定距离设置，且两根连杆的前侧与第一连接件铰接连接，两根连杆的后侧与第二连接件铰接连接，在第一连杆的前侧设有第一旋转关节，第一连杆、第二连杆、第一连接件与第二连接件构成第一平行四边形；第三连杆，第三连杆与第四连杆间隔设定距离设置，且第三连杆与第四连杆前侧与第三连接件铰接连接，第三连杆与第四连杆后侧均与第二连杆实现铰接连接。

Description

一种增力型穿戴机器人肩部机构及方法

技术领域

本发明涉及机器人穿戴领域，特别是涉及一种增力型穿戴机器人肩部机构及方法。

背景技术

穿戴型机器人是近年来机器人领域研究的一个热点，主要分为上肢、下肢和全身穿戴系统三类。而人体上肢主要从事精细化操作，因此将人作为控制主体，依靠外部动力进一步扩大上肢的生理能力与环境适应力，如进一步提高人举起重物的能力，对于拓展人类的活动领域与工作效率有着积极的意义，在许多领域也有着很好的应用前景。

从解剖学可知，人体上肢具有复杂的生理结构，要令穿戴机械臂与上肢能实现良好的协作，需使得穿戴机构的自由度与上肢尽可能保持一致。这样会导致机构极为复杂，成本随之攀升，一定程度限制其应用领域和范围，特别是上肢中最为复杂的肩胛区，更是上肢穿戴型机械臂的设计重点和难点。目前肩部穿戴机构普遍是用三个旋转轴相互垂直的旋转关节来将肩关节近似为球关节，通常具有三个驱动电机，三个旋转关节，旋转轴空间内互相垂直且交汇于一点。这种设计存在一些弊端，如肩部机构重量增加、各部件间以及部件与人体间容易发生碰撞、工作空间小，难以实现便携穿戴等，同时控制上需考虑其奇异性，增加了控制难度。在一定程度上缩小了应用范围，提升了设计难度。

因此，对于增力型穿戴机械臂肩部机构的设计，需在保证运动性能和增力效果的前提下，尽可能降低其结构的复杂度、机构重量并扩大其运动范围。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种增力型穿戴机器人肩部机构，该机构可实现三维空间内球关节运动模拟，摆脱传统设计方法中易碰撞、机构复杂、重量重以及成本高等问题。

一种增力型穿戴机器人肩部机构的具体方案如下：

一种增力型穿戴机器人肩部机构，包括：

第一连杆，第一连杆与第二连杆间隔设定距离设置，且两根连杆的前侧与第一连接件铰接连接，两根连杆的后侧与第二连接件铰接连接，在第一连杆的前侧设有第一旋转关节，第一连杆、第二连杆、第一连接件与第二连接件构成第一平行四边形；

第三连杆，第三连杆与第四连杆间隔设定距离设置，且第三连杆与第四连杆前侧与第三连接件铰接连接，第三连杆与第四连杆后侧均与第二连杆实现铰接连接，在第三连杆的前侧设有第二旋转关节，第三连杆、第四连杆、第三连接件和第二连杆构成第二平行四边形；

第一旋转关节绕X轴或Y轴旋转，第二旋转关节绕Y轴或X轴旋转，由第一连杆、第二连杆、第一平行四边形和第二平行四边形构成的双平行四边形机构可绕Z轴实现旋转，其中X、Y、Z空间相互垂直，进而实现三维空间内球关节运动模拟的同时，有效降低整个肩部机构的重量，同时，各个连杆通过铰接连接，负载施加后，可通过铰接点进行力的分散，有效提高了机构的增力性能，而无需增加主动的驱动关节。

为了减轻连杆的质量，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的前侧均为拨叉型。

为了配合第一连杆与第二连杆的形状，同时保证机构的运动灵活性，所述第一连接件包括第一上连接件和第一下连接件，且第一上连接件和第一下连接件的两端分别与第一连杆、第二连杆铰接设置。

所述第一连杆与第二连杆的后侧均设置开口，所述第二连接件设于该开口内。

为了方便第二连杆最后侧与第三连杆的固定，所述第二连杆的后侧弯折设置，这样第四连杆设于第二连杆的中后侧。

所述第一上连接件和第一下连接件之间通过第一竖杆连接，所述第一旋转关节与第一竖杆连接。

所述第三连接件包括第三上连接件和第三下连接件，这两个连接件均与第三连杆、第四连杆分别铰接设置。

所述第三上连接件和第三下连接件之间通过第二竖杆连接，所述第二旋转关节与第二竖杆连接。

第四连杆设于第三连杆的内侧，第二连杆设于第一连杆的内侧，所述第四连杆与第二连接件可一体设置，这样第四连杆的中后部同样是弯折设置的，这样第四连杆的最后侧与第一连杆铰接设置。

双平行四边形机构中，所述第四连杆与竖直方向之间的夹角与第三连杆与竖直方向之间的夹角是相同的；

所述第一连杆与第二连杆的长度相同，第三连杆与第四连杆的长度相同。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种穿戴型机器人增力方法，采用所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，

将第一旋转关节与第二旋转关节作为上肢前屈/后伸以及外展/内对应的主动驱动关节，将双平行四边形机构形成的绕Z轴旋转的被动关节，负载施加在Z方向的力大部分由铰接点承担，绕Z旋转时上肢只需克服铰接点阻尼即可，受力较小，可在其工作空间内实现对肩关节的力辅助作业。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明连杆与连接件的铰接设置，可保证机构的自由度，同时，可有利于对负载施加在Z方向的部分力进行承担。

2)本发明中机构可实现X轴，Y轴和Z轴的旋转，达到模拟肩关节运动的目的；再者方便旋转关节的设计，避免与机构其他部件发生碰撞。

3)本发明中机构的设置，降低了肩部设计的复杂度，机构重量减轻，扩大了运动范围，可有效摆脱传统设计方法中易碰撞、机构复杂、重量重以及成本高等问题，可以极大地降低该类机器人的控制难度，扩大其应用场合与范围。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明双平行四边形机构的旋转示意图；

图3是本发明双平行四边形机构的示意图；

其中：1、第一连杆，2、第二连杆，3、第三连杆，4、第四连杆，5、第一旋转关节，6、第二旋转关节，A、B、C、D、E、F、G分别为铰接点。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种增力型穿戴机器人肩部机构及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种增力型穿戴机器人肩部机构，包括：

第一连杆1，第一连杆1与第二连杆2间隔设定距离设置，且两根连杆的前侧与第一连接件铰接连接，两根连杆的后侧与第二连接件铰接连接，在第一连杆1的前侧设有第一旋转关节5，第一连杆1、第二连杆2、第一连接件与第二连接件构成第一平行四边形；

第三连杆3，第三连杆3与第四连杆4间隔设定距离设置，且第三连杆3与第四连杆4前侧与第三连接件铰接连接，第三连杆3与第四连杆4后侧均与第二连杆实现铰接连接，在第三连杆3的前侧设有第二旋转关节6，第三连杆3、第四连杆4、第三连接件和第二连杆构成第二平行四边形；

第一旋转关节5绕X轴旋转，第二旋转关节6绕Y轴旋转，由第一连杆、第二连杆、第一平行四边形和第二平行四边形构成的双平行四边形机构可绕Z轴实现旋转，其中X、Y、Z空间相互垂直，进而实现三维空间内球关节运动模拟的同时，有效降低整个肩部机构的重量，其中，第一旋转关节5和第二旋转关节6分别通过电机与减速机带动进行各自方向的旋转。

4根连杆与旋转关节依次通过铰接点A、B、C、D、E、F、G铰接而成，双平行四边形机构在保证一定条件下，可实现绕Z轴旋转，其中X、Y、Z空间相互垂直，进而实现三维空间内球关节运动模拟的同时，有效降低整个肩部机构的重量。对于增力型上肢穿戴肩关节而言，将第一旋转关节5和第二旋转关节6作为上肢前屈/后伸以及外展/内对应的主动驱动关节，将双平行四边形机构形成的绕Z轴旋转的被动关节，这样，人在穿戴好本发明的机器人肩部机构后，在抬高重物时，负载施加在Z方向的力大部分由铰接点承担，绕Z旋转时上肢只需克服铰接点阻尼即可，受力较小，可在其工作空间内实现对肩关节的力辅助作业。发明中的组合连杆机构可表示为图2所示，为达到要求的效果，实际设计过程中，本发明中涉及的连杆的尺寸和形状可根据实际要求进行调整，以达到穿戴后肩关节工作空间达到最大以及穿戴机构重量有效降低的效果，但从前面论述可知，该机构一个关键点就是要求保证组合连杆机构能实现绕Z轴旋转，如图2虚线所示。因此组合连杆应满足AB＝CD，BC＝AD，AG＝EF，AE＝FG，(AB为铰接点A和铰接点B之间的长度，其他以此类推)δ＝Ψ，如图3所示，偏差角的设计一是用来调节X轴和Y轴之间的角度，使其互相垂直，从而达到模拟肩关节运动的目的；再者方便第一旋转关节5和第二旋转关节6的设计，避免与机构其他部件发生碰撞。

现有技术中，穿戴机器人肩部关节旋转时是通过电机带动减速机来实现旋转的，是一种主动旋转，在电机的辅助下，实现对人体上肢力量的增加，这样现有技术采用三个电机驱动关节来实现，可以看出，体积大、重量重、三个驱动关节间容易碰撞，且成本高，同时，要避免碰撞，上肢的活动范围就要受一定限制，从而缩小了它的应用场合。

而本发明中将肩部关节的旋转用双平行四边形机构来实现，通过本发明中提到的上述提到的尺寸和角度的限制，可以使这一机构实现绕Z轴的旋转，具体如图2所示。结合图3中角度的调整(在实际设计过程中)，保证图1所示的绕以O为原点的X、Y和Z轴的旋转。对比传统肩关节设计，本发明用多连杆机构代替了电机+减速机的驱动关节，由于代替的驱动关节是绕Z轴的旋转关节，而增力效果主要依靠绕X轴和Y轴的主动驱动来实现，在实现增力效果的同时，节约了成本，连杆机构重量轻，也降低了对人体的负担。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，包括：

第一连杆，第一连杆与第二连杆间隔设定距离设置，且两根连杆的前侧与第一连接件铰接连接，两根连杆的后侧与第二连接件铰接连接，在第一连杆的前侧设有第一旋转关节，第一连杆、第二连杆、第一连接件与第二连接件构成第一平行四边形；

第三连杆，第三连杆与第四连杆间隔设定距离设置，且第三连杆与第四连杆前侧与第三连接件铰接连接，第三连杆与第四连杆后侧均与第二连杆实现铰接连接，在第三连杆的前侧设有第二旋转关节，第三连杆、第四连杆、第三连接件和第二连杆构成第二平行四边形；

第一旋转关节绕X轴或Y轴旋转，第二旋转关节绕Y轴或X轴旋转，由第一连杆、第二连杆、第一平行四边形和第二平行四边形构成的双平行四边形机构可绕Z轴实现旋转；

所述第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的前侧均为拨叉型；

所述第一连接件包括第一上连接件和第一下连接件。

2.根据权利要求1所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，所述第一连杆与第二连杆的后侧均设置开口，所述第二连接件设于该开口内。

3.根据权利要求1或2所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，所述第二连杆的后侧弯折设置。

4.根据权利要求1所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，所述第一上连接件和第一下连接件之间通过第一竖杆连接，所述第一旋转关节与第一竖杆连接。

5.根据权利要求1所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，所述第三连接件包括第三上连接件和第三下连接件。

6.根据权利要求5所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，所述第三上连接件和第三下连接件之间通过第二竖杆连接，所述第二旋转关节与第二竖杆连接。

7.根据权利要求1所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，其特征在于，所述第四连杆与第二连接件可一体设置。

8.一种穿戴型机器人增力方法，其特征在于，采用根据权利要求1-7中任一项所述的一种增力型穿戴机器人肩部机构，

将第一旋转关节与第二旋转关节作为上肢前屈/后伸以及外展/内对应的主动驱动关节，将双平行四边形机构形成的绕Z轴旋转的被动关节，可在其工作空间内实现对肩关节的力辅助作业。