CN107671848A - 一种上肢助力外骨骼机构系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种上肢助力外骨骼驱动系统，它是由：上臂气液驱动缸、背带、肩部内侧关节、肩部前伸关节、下臂气液驱动缸、肘关节、下臂支撑架组成。本发明采用以气液串联缸作为上肢助力外骨骼机构中肩关节和肘关节的驱动执行器，可在保留原气动系统快速性的基础上，通过液压部分增强系统刚度和稳定性，克服气动系统稳定性差，系统结构刚度低等缺点，同时提高系统柔顺能力和运行精度。本发明所述的上肢助力外骨骼机构系统与气动、电动和液压相比，具有较高的功率质量比和功率体积比，响应速度快、成本低、清洁无污染等优点，并能提高外骨骼的柔顺性，降低系统总重量。

Description

一种上肢助力外骨骼机构系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体来讲是属于外骨骼助力机器人领域中的一种上肢助力外骨骼机构系统。

背景技术

上肢助力外骨骼是一种可穿戴的人机一体化智能助力装置，广泛应用于军事、工业和人体康复训练领域。因此，开发和应用这种助力外骨骼机器人具有非常现实的意义。

助力外骨骼始于1960年美国GE公司研制的单兵助力外骨骼Hardiman，该系统用于增强士兵的手臂持重能力。2000年，美国国防远景研究计划署（DARPA）启动了“增强人体机能（EHPA）”的研究计划，将外骨骼研究推向了高潮。随后，加拿大伯克利分校、美国雷声（Raytheon）公司、法国RB3D防务公司、日本筑波大学、韩国汉阳大学等相继研制了不同结构形式的外骨骼助力机器人。这些助力外骨骼系统多采用气压、液压和电动驱动，主要应用于军事和医疗康复领域。国内，针对助力外骨骼技术的研究处于起步阶段，但起点高，发展比较迅速。其中，清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、华中科技大学、西安交通大学中国科学院、河北工业大学等高校研究所，正在开展相关研究开发，多数尚未运用于实际。

总体来说，目前的国内外助力外骨骼机器人系统的驱动结构主要采用电动、液压和气压三种。电动驱动方式的系统结构简单，精度高，但重量大，动态平衡性差；液压驱动的助力外骨骼机器人负重能力强，刚度大，但系统重量大，油液容易泄露，柔顺能力差；气压驱动的外骨骼机器人装置轻巧，柔顺能力强，但系统结构刚度低，运动稳定性低。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种上肢助力外骨骼机构系统；本发明结合气压与液压传动各自的优势，将气压缸与液压缸串联，组成气液串联缸，用于上肢助力外骨骼系统的驱动机构中，这种驱动方式即保留了气动系统具有的快速性高、柔顺性强等优点，又具有液压系统的高刚度、高稳定性等优点。故此本发明专利提供的一种上肢助力外骨骼机构系统具有高刚度、高稳定性、强柔顺性、快速性好等优点。

本发明是这样实现的，构造一种上肢助力外骨骼机构系统，其特征在于：

它是由：上臂气液驱动缸、背带、肩部内侧关节、肩部前伸关节、下臂气液驱动缸、肘关节、下臂支撑架组成；

背带与肩部内侧关节通过单向回转结构相连，能够实现肩部的内侧随意转动；上臂气液驱动缸通过连杆和可伸缩钢丝绳与肩部前伸关节相连；肩部前伸关节通过连杆与肘关节相连；下臂气液驱动缸通过连杆和可伸缩钢丝绳与肘关节相连；肘关节通过单向回转结构与下臂支撑架相连；其中，气液驱动缸中气压部分提供动力，通过气压阀控制气体进出流量，进而完成气液缸的伸缩控制；液压缸不需要液压源，通过安装于液压缸两腔之间的液压阀的开口大小实现对液压缸两腔之间的流量控制，进而调整系统阻尼大小。

根据本发明所述一种上肢助力外骨骼机构系统，其特征在于：在上肢助力外骨骼机构系统的肩关节和肘关节均安装角位移传感器，助力者在主动助力模式下需穿戴表面机电仪，用于测量人体手臂位姿。

根据本发明所述一种上肢助力外骨骼机构系统，其特征在于：所述的一种上肢助力外骨骼机构系统具有以下两种系统运作模式：

形式一：主动助力模式：

在主动助力模式下，系统根据读取人体穿戴的表面机电仪反馈数据，预测人体上肢的动作趋势，上肢助力外骨骼机构通过位姿运算，计算各个气液缸的伸长量并控制其达到预测位置，使得助力外骨骼机构提前人体到达预定位置，实现主动助力；

该实施方案的工作过程：

通过检测操作者与外骨骼之间的接触力信号，当接触点的力达到某一个预先设定的阈值时，控制外骨骼及时跟随人体运动，进而减小操作者所承受的负载，指导病人或承载者进行主动肢体康复训练及助力工作；

形式二：被动助力模式：

在被动助力模式下，上肢助力外骨骼机构系统通过预先编制的运动姿态规划，形成预定的上肢运动模式，操作者作为被动接受者随之运动；

该实施方案的工作过程：

根据康复患者的肢体运动需求，通过编制程序，将运动规划路线编入上肢助力外骨骼机构的控制系统中，通过读取系统的肩关节和肘关节传感器信息，实时读取各关节角度数据，通过位姿反解计算和闭环控制策略，完成被动助力。

本发明具有如下优点：本发明提供一种上肢助力外骨骼驱动系统，它是由：上臂气液驱动缸、背带、肩部内侧关节、肩部前伸关节、下臂气液驱动缸、肘关节、下臂支撑架组成。本发明采用以气液串联缸作为上肢助力外骨骼机构中肩关节和肘关节的驱动执行器，可在保留原气动系统快速性的基础上，通过液压部分增强系统刚度和稳定性，克服气动系统稳定性差，系统结构刚度低等缺点，同时提高系统柔顺能力和运行精度。故此本发明专利提供的一种上肢助力外骨骼机构系统，与气动、电动和液压相比，具有较高的功率质量比和功率体积比，响应速度快、成本低、清洁无污染等优点，并能提高外骨骼的柔顺性，降低系统总重量。

另一方面，本发明以气液串联缸作为上肢助力外骨骼机构中肩关节和肘关节的驱动执行器，可在保留原气动系统快速性的基础上，通过液压部分增强系统刚度和稳定性，克服气动系统稳定性差，系统结构刚度低等缺点，同时提高系统柔顺能力和运行精度。

附图说明

图1为本发明上肢助力外骨骼机构系统的立体图；

图2为本发明上肢助力外骨骼机构系统的主视图；

图3为本发明上肢助力外骨骼机构系统的侧视图；

图4为本发明上肢助力外骨骼机构系统的俯视图。

其中：1.上臂气液驱动缸，2.背带，3.肩部内侧关节，4.肩部前伸关节，5.下臂气液驱动缸，6.肘关节，7.下臂支撑架。

具体实施方式

下面将结合附图1-图4对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种上肢助力外骨骼机构系统，以气液串联缸作为上肢助力外骨骼机构中肩关节和肘关节的驱动执行器，可在保留原气动系统快速性的基础上，通过液压部分增强系统刚度和稳定性，克服气动系统稳定性差，系统结构刚度低等缺点，同时提高系统柔顺能力和运行精度。故此本发明专利提供的一种上肢助力外骨骼机构系统，与气动、电动和液压相比，具有较高的功率质量比和功率体积比，响应速度快、成本低、清洁无污染等优点，并能提高外骨骼的柔顺性，降低系统总重量。

本发明所述的上肢助力外骨骼机构系统的技术方案如下：

如图1所示，它是由：上臂气液驱动缸1、背带2、肩部内侧关节3、肩部前伸关节4、下臂气液驱动缸5、肘关节6、下臂支撑架7组成。背带2与肩部内侧关节3通过单向回转结构相连，可以实现肩部的内侧随意转动；上臂气液驱动缸1通过连杆和可伸缩钢丝绳与肩部前伸关节4相连；肩部前伸关节4通过连杆与肘关节6相连；下臂气液驱动缸5通过连杆和可伸缩钢丝绳与肘关节6相连；肘关节6通过单向回转结构与下臂支撑架7相连。气液驱动缸中气压部分提供动力，通过气压阀控制气体进出流量，进而完成气液缸的伸缩控制；液压缸不需要液压源，通过安装于液压缸两腔之间的液压阀的开口大小实现对液压缸两腔之间的流量控制，进而调整系统阻尼大小。

上肢助力外骨骼机构的肩关节和肘关节均安装角位移传感器，助力者在主动助力模式下需穿戴表面机电仪，用于测量人体手臂位姿。

本发明所述的一种下肢助力外骨骼机构系统具有两种系统运作模式：

实施例一：

在主动助力模式下，系统根据读取人体穿戴的表面机电仪反馈数据，预测人体上肢的动作趋势，上肢助力外骨骼机构通过位姿运算，计算各个气液缸的伸长量并控制其达到预测位置，使得助力外骨骼机构提前人体到达预定位置，实现主动助力。

该实施方案的工作过程：

通过检测操作者与外骨骼之间的接触力信号，当接触点的力达到某一个预先设定的阈值时，控制外骨骼及时跟随人体运动，进而减小操作者所承受的负载，指导病人或承载者进行主动肢体康复训练及助力工作。

实施例二：

在被动助力模式下，上肢助力操作者一般是没有运动能力的康复患者，这种模式下，上肢助力外骨骼机构系统通过预先编制的运动姿态规划，形成预定的上肢运动模式，操作者作为被动接受者随之运动。

该实施方案的工作过程：

根据康复患者的肢体运动需求，通过编制程序，将运动规划路线编入上肢助力外骨骼机构的控制系统中，通过读取系统的肩关节和肘关节传感器信息，实时读取各关节角度数据，通过位姿反解计算和闭环控制策略，完成被动助力。

综上所述，本发明专利以气液串联缸结构替代传统纯液压或纯气压驱动支撑髋关节和膝关节，具有驱动快速性好、刚度高、稳定性强、运行平稳等优点，可提高下肢助力外骨骼机构系统的关键特性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种上肢助力外骨骼机构系统，其特征在于：

它是由：上臂气液驱动缸（1）、背带（2）、肩部内侧关节（3）、肩部前伸关节（4）、下臂气液驱动缸（5）、肘关节（6）、下臂支撑架（7）组成；

背带（2）与肩部内侧关节（3）通过单向回转结构相连，能够实现肩部的内侧随意转动；上臂气液驱动缸（1）通过连杆和可伸缩钢丝绳与肩部前伸关节（4）相连；肩部前伸关节（4）通过连杆与肘关节（6）相连；下臂气液驱动缸（5）通过连杆和可伸缩钢丝绳与肘关节（6）相连；肘关节（6）通过单向回转结构与下臂支撑架（7）相连；其中，气液驱动缸中气压部分提供动力，通过气压阀控制气体进出流量，进而完成气液缸的伸缩控制；液压缸不需要液压源，通过安装于液压缸两腔之间的液压阀的开口大小实现对液压缸两腔之间的流量控制，进而调整系统阻尼大小。

2.根据权利要求1所述一种上肢助力外骨骼机构系统，其特征在于：在上肢助力外骨骼机构系统的肩关节和肘关节均安装角位移传感器，助力者在主动助力模式下需穿戴表面机电仪，用于测量人体手臂位姿。

3.根据权利要求1所述一种上肢助力外骨骼机构系统，其特征在于：所述的一种上肢助力外骨骼机构系统具有以下两种系统运作模式：

形式一：主动助力模式：

在主动助力模式下，系统根据读取人体穿戴的表面机电仪反馈数据，预测人体上肢的动作趋势，上肢助力外骨骼机构通过位姿运算，计算各个气液缸的伸长量并控制其达到预测位置，使得助力外骨骼机构提前人体到达预定位置，实现主动助力；

该实施方案的工作过程：

通过检测操作者与外骨骼之间的接触力信号，当接触点的力达到某一个预先设定的阈值时，控制外骨骼及时跟随人体运动，进而减小操作者所承受的负载，指导病人或承载者进行主动肢体康复训练及助力工作；

形式二：被动助力模式：

在被动助力模式下，上肢助力外骨骼机构系统通过预先编制的运动姿态规划，形成预定的上肢运动模式，操作者作为被动接受者随之运动；

该实施方案的工作过程：

根据康复患者的肢体运动需求，通过编制程序，将运动规划路线编入上肢助力外骨骼机构的控制系统中，通过读取系统的肩关节和肘关节传感器信息，实时读取各关节角度数据，通过位姿反解计算和闭环控制策略，完成被动助力。