CN108527336B - 同步外骨骼机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步外骨骼机械臂，属于仿生机器人技术领域。其包括支撑装置及对称安装在是所述支撑装置两侧的两个手臂，每一个所述手臂包括大臂、小臂及传动装置，所述大臂与所述小臂铰接，所述传动装置包括套接在人体手臂上的大臂套、安装在所述大臂上的传动轴及安装在所述小臂上的传动机构，所述大臂套与所述传动轴转动连接，所述传动轴的一端与所述传动机构相连。本发明中的同步外骨骼机械臂以人的手臂作为动力源，通过传动轴和传动机构分别将动力传递给大臂和小臂，从而同步完成人的手臂动作，为人体提供支撑及运动辅助，耗材少且容易操作。

Description

同步外骨骼机械臂

技术领域

本发明实施例涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种同步外骨骼机械臂。

背景技术

外骨骼技术是一种模仿生物体外骨骼的机电一体化设备，其将人的智能与机械动力装置结合在一起，通过人机接触传递力和运动来实现动作辅助、身体保护、支撑及姿态检测等功能。

目前，外骨骼的驱动大多数采用电机或液压的方式，少数外骨骼采用气压方式驱动。气压驱动方式主要用于医疗康复治疗等轻载应用场合。其中，若采用电机驱动，受外骨骼大小的限制，通常选用的电机的驱动功率、质量比较小，难以承担较大负荷。若采用液压驱动的方式，则容易出现泄漏问题，影响系统工作效率，并提高系统成本。若采用气压驱动方式，则气体介质对环境和人体比较友好，驱动器件重量轻、价格便宜，但常规的气缸执行器的功率、体积质量远不如液压缸，无法满足有较大负荷要求；而且外骨骼上安装空间有限，无法满足轻便性要求较高的外骨骼助力系统的需要，难以得到广泛推广应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种同步外骨骼机械臂，用以提高人体手臂与外骨骼的同步性，降低生产制造成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种同步外骨骼机械臂，包括支撑装置及对称安装在所述支撑装置两侧的两个手臂，每一个所述手臂包括大臂、小臂及传动装置，所述大臂与所述小臂铰接，所述传动装置包括套接在人体手臂上的大臂套、安装在所述大臂上的传动轴及安装在所述小臂上的传动机构，所述大臂套与所述传动轴转动连接，所述传动轴的一端与所述传动机构相连。

其中，所述同步外骨骼机械臂还包括固定安装在所述支撑装置两侧的两个肩关节，两个所述大臂分别与一个所述肩关节铰接，每一个所述大臂分别通过一个所述肩关节相对所述支撑装置转动。

其中，所述大臂包括上横梁、下横梁及两根大臂竖梁，所述上横梁、所述下横梁及两根所述大臂竖梁之间相互铰接形成平面四连杆机构，所述上横梁及所述下横梁的对应端均与所述肩关节铰接，所述上横梁远离所述支撑装置的一端与所述小臂铰接，所述传动轴的中部分别与两根所述大臂竖梁铰接。

其中，所述传动装置还包括固定安装在所述大臂套外壁的轴套，所述传动轴插接在所述轴套内并能在所述轴套内转动。

其中，所述肩关节包括中间梁、两个轴承座、两个轴承及两根转轴，所述中间梁的两端分别与一根所述转轴固定连接，两个所述轴承座均固定安装在所述支撑装置上，两根所述转轴分别通过一个所述轴承转动安装在两个所述轴承座上，所述中间梁与所述大臂铰接。

其中，所述小臂包括第一小臂梁、第二小臂梁、第三小臂梁及第四小臂梁，所述第一小臂梁、所述第二小臂梁、所述第三小臂梁与所述第四小臂梁之间相互铰接形成平面四连杆机构，所述第一小臂梁与所述大臂铰接，所述第二小臂梁与所述传动机构铰接。

其中，所述传动机构还包括第一传动梁与第二传动梁，所述第一传动梁的中部通过第一铰接件与所述传动轴铰接，所述第一传动梁的一端通过第二铰接件与所述第二传动梁的一端铰接，所述第二传动梁的另一端通过另一个所述第二铰接件与所述第二小臂梁铰接，从而将人体手臂的驱动力传递至所述小臂。

其中，所述第一铰接件包括固定安装在所述第一传动梁上的凹型件、固定安装在所述传动轴上的凸型件及中间轴，所述凹型件与所述凸型件之间通过所述中间轴转动连接，所述中间轴的中轴线与所述传动轴的中轴线垂直。

其中，所述第二铰接件包括凹型连接件、凸型连接件及枢转轴，两个所述第二铰接件的所述凸型连接件分别固定安装在第二传动梁的两端，所述所述第二铰接件的所述凹型连接件分别铰接在所述第二小臂梁与所述第一传动梁上。

其中，所述手臂还包括弹性件，所述弹性件的一端与所述支撑装置的顶部相连，另一端与所述大臂相连，所述弹性件为弹簧。

(三)有益效果

本发明提供的同步外骨骼机械臂，支撑装置位于人体的脊背处，大臂与人体的上臂相对应，小臂与人体的小手臂相对应，以人的手臂作为动力源，通过与大臂套相连的传动轴将动力传递给大臂，通过安装在传动轴端部的传动机构将动力传递给小臂，从而同步完成人的手臂动作，在此过程中为人体提供支撑及运动辅助，操作简单易控制，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明同步外骨骼机械臂一较佳实施例的结构示意图；

图2为图1中所示的支撑装置的结构示意图；

图3为图1中所示的手臂与肩关节的连接结构示意图；

图4为图1中所示的肩关节的部分结构示意图；

图5为图1所示的传动轴、大臂套及第一传动梁之间的连接结构示意图。

图中：1、支撑装置；11、横支撑梁；12、竖支撑梁；2、大臂；21、上横梁；22、下横梁；23、大臂竖梁；3、小臂；31、第一小臂梁；32、第二小臂梁；33、第三小臂梁；34、第四小臂梁；4、减压装置；41、弹性件；5、传动装置；51、大臂套；52、传动轴；53、传动机构；531、第一传动梁；532、第二传动梁；54、轴套；55、第一铰接件；56、第二铰接件；6、肩关节；61、中间梁；62、轴承座；63、转轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种同步外骨骼机械臂，包括支撑装置1及对称安装在支撑装置1两侧的两个手臂，每一个手臂包括大臂2、小臂3及传动装置5。其中，大臂2与小臂3铰接，传动装置5包括套接在人体手臂上的大臂套51、安装在大臂2上的传动轴52及安装在小臂3上的传动机构53。大臂套51与传动轴52转动连接，传动轴52的一端与传动机构53相连。

使用时，支撑装置1位于人体的脊背处，大臂2与人体的上臂相对应，小臂3与人体的小手臂相对应。随着人体手臂的运动动作，同步外骨骼机械臂发生同步运动，为人体提供支撑及运动辅助。具体地，当活动手臂时，人的手臂作为动力源，通过与大臂套51相连的传动轴52将动力传递给大臂2，并通过安装在传动轴52端部的传动机构53将动力传递给小臂3，从而使大臂2与小臂3的运动动作与人的手臂同步、协调。

除此之外，同步外骨骼机械臂还包括减压装置4，具体地，减压装置4包括弹性件41，弹性件41的一端与支撑装置1的顶部相连，另一端与大臂2相连。由于弹性件41连接支撑装置1的顶部和大臂2，运动时可以拉动大臂2，以减轻整个装置对人体的压力，降低体力消耗。

为了使同步外骨骼机械臂的运动动作更加贴合手臂动作，在支撑装置1的两侧还分别固定有安装有一个肩关节6，两个大臂2分别铰接在两个肩关节6上，并且肩关节6能够使大臂2相对支撑装置1进行转动。具体地，如图4所示，肩关节6包括中间梁61、两个轴承座62、两个轴承及两根转轴63。两个轴承座62均固定安装在支撑装置1上，其中，一个轴承座62位于另一个轴承座62上方。两个转轴63分别通过一个轴承转动安装在两个轴承座62上，两个转轴63之间通过中间梁61相连。中间梁61的一端与一个转轴63的端部固定连接，另一端和另一个转轴63的端部固定连接，三者的延伸方向一致。大臂2通过销轴铰接在中间梁61上，销轴的中轴线与中间梁61的长度方向垂直。在人的手臂作用力驱动下，大臂2通过中间梁61带动转轴63转动，从而当人的手臂前后运动时，同步外骨骼机械臂能随同一起运动。

进一步地，如图2所示，支撑装置1包括若干根横支撑梁11及若干根竖支撑梁12。其中，若干根横支撑梁11之间相互平行，若干根竖支撑梁12之间亦相互平行。若干根横支撑梁11与若干根竖支撑梁12之间纵横交错，在交错点处分别通过一个销钉进行连接。优选的，竖支撑梁12有两根，对称分布在人体脊柱两侧；横支撑梁11有三根，上下固定安装在竖支撑梁12上。

具体地，如图3所示，大臂2包括上横梁21、下横梁22及两根大臂竖梁23。上横梁21分别与两根大臂竖梁23的顶部铰接，两根大臂竖梁23的中部分别与下横梁22铰接，从而在上横梁21、下横梁22与两根大臂竖梁23之间形成平面四连杆机构。上横梁21及下横梁22的对应端均与肩关节6中的中间梁61铰接，上横梁21远离支撑装置1的一端与小臂3铰接。传动轴52通过销轴铰接安装在两根大臂竖梁23的底端。弹性件41为弹簧，弹簧的一端与上横梁21远离支撑装置1的一端相连，另一端与肩关节6中位于上方的转轴63的顶部相连。

进一步地，传动装置5还包括固定安装在大臂套51外壁的轴套54。传动轴52插接在轴套54内并能在轴套54内转动。其中，传动轴52的中轴线与大臂套51的中轴线平行。

具体地，继续参阅图3，小臂3包括第一小臂梁31、第二小臂梁32、第三小臂梁33及第四小臂梁34。第一小臂梁31的中部通过销轴与第二小臂梁32的一端铰接，第三小臂梁33的两端分别通过销轴与第二小臂梁32的另一端和第四小臂梁34的一端铰接，第四小臂梁34的中部通过销轴与第一小臂梁31铰接，从而在第一小臂梁31、第二小臂梁32、第三小臂梁33及第四小臂梁34之间形成平面四连杆机构。第一小臂梁31与大臂2中的上横梁21铰接，第二小臂梁32与传动机构53铰接。

在该同步外骨骼机械臂中，传动机构53还包括第一传动梁531与第二传动梁532。第一传动梁531的中部通过第一铰接件55与传动轴52铰接，第一传动梁531的一端通过第二铰接件56与第二传动梁532的一端铰接，第二传动梁532的另一端通过另一个第二铰接件56与第二小臂梁32铰接，从而将人体手臂的驱动力传递至小臂3，使大臂2与小臂3之间的动作相协调。

具体地，如图5所示，第一铰接件55包括凸型件、凹型件与中间轴。其中，凸型件通过销钉固定安装在传动轴52端部，凹型件通过销钉固定安装在第一传动梁531的中部。在凸型件上设有通孔，在凹型件上设有凹槽，该凹槽贯穿凸型件的两个相对端面。凸型件收容在凹槽内，并在凹槽的相对槽壁上设有连接孔，中间轴穿过连接孔与通孔将凸型件与凹型件转动连接，这样第一传动梁531、传动轴52均能相对中间轴发生转动。该中间轴的中轴线与传动轴52的中轴线垂直。除了第一传动梁531和传动轴52之间的铰接是通过第一铰接件55实现之外，上横梁21与第一小臂梁31之间的铰接也是通过第一铰接件55实现。为了更好地实现大臂2与小臂3之间的铰接，上横梁21与第一小臂梁31之间通过两个第一铰接件55相连。对于此处的第一铰接件55，其中间轴的中轴线与上横梁21的长度方向垂直。

具体地，第二铰接件56包括凹型连接件、凸型连接件与枢转轴。其中，凹型连接件呈L型。两个第二铰接件56的凹型连接件分别通过销钉固定安装在第二传动梁532的两端，两个第二铰接件56的凸型连接件分别通过销轴铰接安装在第一传动梁531的端部和第二小臂梁32的中部。凹型连接件通过枢转轴与凸型连接件转动连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种同步外骨骼机械臂，其特征在于，包括支撑装置、肩关节及对称安装在所述支撑装置两侧的两个手臂，每一个所述手臂包括大臂、小臂及传动装置，所述大臂与所述小臂铰接，所述传动装置包括套接在人体手臂上的大臂套、安装在所述大臂上的传动轴及安装在所述小臂上的传动机构，所述大臂套与所述传动轴转动连接，所述传动轴的一端与所述传动机构相连；

所述肩关节具有两个，两个所述肩关节固定安装在所述支撑装置的两侧，两个所述大臂分别与一个所述肩关节铰接，每一个所述大臂分别通过一个所述肩关节相对所述支撑装置转动；

所述肩关节包括中间梁、两个轴承座、两个轴承及两根转轴，所述中间梁的两端分别与一根所述转轴固定连接，两个所述轴承座均固定安装在所述支撑装置上，两根所述转轴分别通过一个所述轴承转动安装在两个所述轴承座上，所述中间梁与所述大臂铰接；

所述大臂包括上横梁、下横梁及两根大臂竖梁，所述上横梁、所述下横梁及两根所述大臂竖梁之间相互铰接形成平面四连杆机构，所述上横梁及所述下横梁的对应端均与所述肩关节铰接，所述上横梁远离所述支撑装置的一端与所述小臂铰接，所述传动轴的中部分别与两根所述大臂竖梁铰接；

所述传动装置还包括固定安装在所述大臂套外壁的轴套，所述传动轴插接在所述轴套内并能在所述轴套内转动；

所述小臂包括第一小臂梁、第二小臂梁、第三小臂梁及第四小臂梁，所述第一小臂梁、所述第二小臂梁、所述第三小臂梁与所述第四小臂梁之间相互铰接形成平面四连杆机构，所述第一小臂梁与所述大臂铰接，所述第二小臂梁与所述传动机构铰接；

所述传动机构还包括第一传动梁与第二传动梁，所述第一传动梁的中部通过第一铰接件与所述传动轴铰接，所述第一传动梁的一端通过第二铰接件与所述第二传动梁的一端铰接，所述第二传动梁的另一端通过另一个所述第二铰接件与所述第二小臂梁铰接，从而将人体手臂的驱动力传递至所述小臂；

所述第一铰接件包括固定安装在所述第一传动梁上的凹型件、固定安装在所述传动轴上的凸型件及中间轴，所述凹型件与所述凸型件之间通过所述中间轴转动连接，所述中间轴的中轴线与所述传动轴的中轴线垂直；

所述第二铰接件包括凹型连接件、凸型连接件及枢转轴，两个所述第二铰接件的所述凸型连接件分别固定安装在第二传动梁的两端，所述第二铰接件的所述凹型连接件分别铰接在所述第二小臂梁与所述第一传动梁上。

2.根据权利要求1所述的同步外骨骼机械臂，其特征在于，所述手臂还包括弹性件，所述弹性件的一端与所述支撑装置的顶部相连，另一端与所述大臂相连，所述弹性件为弹簧。