CN108789374A - 一种非拟人上肢助力装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非拟人上肢助力装置及其控制方法，属于助力机构技术领域，解决了现有技术中的人体上肢运动与拟人上肢助力机构运动之间存在一定的运动干涉性以及无法实现低自由度数、大运动空间的技术问题。该装置包括前臂机构、上臂机构、背部转轴和背部框架，前臂机构和上臂机构相对转动，上臂机构和背部转轴相对转动，背部转轴和背部框架相对转动；人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构的前端至后端的方向，前臂机构与人体上肢之间的距离逐渐增大。该方法为获取相关数据构建交互力模型，得到肘关节、肩关节矢状面和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值控制电机提供相应的助力，使得最终三维交互力数值为零。

Description

一种非拟人上肢助力装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种助力机构，尤其涉及一种用于搬运的非拟人上肢助力装置及其控制方法。

背景技术

上肢助力机构是一种广泛应用于负载搬运、康复医疗方面的助力机构。

现有技术中，上肢助力机构通常为拟人结构，拟人上肢助力机构的关节运动与人体上肢运动基本一致。但是，由于人体上肢关节运动并不是单纯的绕关节转轴的圆周运动，因此拟人上肢助力机构也无法做到与人体上肢运动完全一致，从而导致人体上肢运动与拟人上肢助力机构运动之间存在一定的运动干涉性。

此外，现有的拟人上肢助力机构，如果自由度数与人体上肢自由度数相同，结构会很复杂，例如，中国发明专利申请CN106031668A公开了一种七自由度上肢助力外骨骼机器人，主要用于康复领域，其可以较好的拟合人体上肢运动，但是结构较为复杂，不适用于负载搬运助力；如果自由度数低于人体上肢自由度数，会导致人穿着后运动可达域受限，例如，中国发明专利申请CN106695760A公开了一种用于辅助搬运的全身外骨骼助力机器人，上肢主要在肩关节(2自由度)与肘关节(1自由度)助力，由于自由度数较低，搬举动作仅能实现在矢状面内运动，运动空间受到局限。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明提供了一种非拟人上肢助力装置及其控制方法，解决了现有技术中的人体上肢运动与拟人上肢助力机构运动之间存在一定的运动干涉性以及无法实现低自由度数、大运动空间的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明的实施例提供了一种非拟人上肢助力装置，包括前臂机构、肘关节电机、上臂机构、肩关节电机、背部转轴、背部电机和背部框架，前臂机构、上臂机构和背部转轴依次连接；肘关节电机驱动前臂机构和上臂机构相对转动，肩关节电机驱动上臂机构和背部转轴相对转动，背部电机驱动背部转轴和背部框架相对转动；使用时，背部框架背负于人体后背上，人体手部与前臂机构的前端固定连接，人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构的前端至后端的方向，前臂机构与人体上肢之间的距离逐渐增大。

在一种可能的设计中，还包括控制模块以及与控制模块连接的三维力传感器、肘关节编码器、肩关节编码器和背部转轴编码器；三维力传感器设于前臂机构前端，用于测量负载与人体手部之间的交互力；肘关节编码器的内轴套与肘关节电机的转轴固定连接，用于测量肘关节角度；肩关节编码器的内轴套与肩关节电机的转轴固定连接，用于测量肩关节的矢状面角度；背部转轴编码器的内轴套与背部电机的转轴固定连接，用于测量肩关节的冠状面角度；控制模块用于获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零。

在一种可能的设计中，三维力传感器的前端设有把手。

在一种可能的设计中，把手的形状为L形，包括垂直于前臂机构的连接段以及垂直于连接段的防滑脱段，连接段的一端与三维力传感器的前端固定连接，另一端与防滑脱段固定连接。

在一种可能的设计中，前臂机构、上臂机构与人体上肢构成三角形。

在一种可能的设计中，背部电机与背部框架通过背部电机支架连接。

在一种可能的设计中，背部电机支架与背部框架滑动连接，背部电机通过背部电机支架在背部框架所在的平面内移动。

在一种可能的设计中，背部框架与背部电机支架之间设有用于限位的锁紧件。

本发明的另一个实施例提供了一种非拟人上肢助力装置的控制方法，其特征在于，用于控制上述非拟人上肢助力装置，控制方法包括如下步骤：

获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零。

在一种可能的设计中，控制方法采用PID控制器对三维力传感器检测三维交互力值进行反馈调节。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的非拟人上肢助力装置，人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构的前端至肘关节电机的方向，上述非拟人上肢助力装置的前臂机构与人体上肢之间的距离逐渐增大，这一点与拟人上肢助力装置不同，拟人上肢助力装置的前臂机构与人体上肢始终贴合。采用非拟人的结构设计，能够满足在低自由度情况下实现人体上肢在搬运负载过程中的活动空间，即使人体上肢做相对复杂的运动，也不会对人体上肢产生运动干涉，从而提高了使用者的使用舒适性。

b)本发明提供的非拟人上肢助力装置为3自由度结构，结构简单；同时，由于前臂机构与人体上肢之间存在距离，并且从前臂机构的前端到肘关节电机处距离逐渐增大，保证在搬运负载过程中具有足够的运动空间范围，从而能够实现低自由度数和大运动空间的目的。

c)本发明提供的非拟人上肢助力装置的控制方法通过人机交互力最小的控制方法实现对非拟人上肢助力装置的控制。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的用于搬运的非拟人上肢助力装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的用于搬运的非拟人上肢助力装置另一个方向的结构示意图；

图3为本发明实施例一的用于搬运的非拟人上肢助力的使用状态示意图；

图4为本发明实施例一的一种用于搬运的非拟人上肢助力装置另一个方向的使用状态示意图；

图5为本发明实施例二的用于搬运的非拟人上肢助力装置控制方法框图。

附图标记：

1-把手；2-三维力传感器；3-负载；4-前臂机构；5-肘关节电机；6-肘关节编码器；7-上臂机构；8-肩关节电机；9-肩关节编码器；10-背部电机支架；11-背部转轴；12-背部转轴编码器；13-控制模块；14-齿轮组；15-齿轮转轴；16-背部电机；17-背部框架。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种非拟人上肢助力装置，参见图1至图4，包括前臂机构4、肘关节电机5、上臂机构7、肩关节电机8、背部转轴11、背部电机16和背部框架17。其中，前臂机构4、上臂机构7和背部转轴11依次连接，肘关节电机5驱动前臂机构4和上臂机构7相对转动，肩关节电机8驱动上臂机构7和背部转轴11相对转动，背部电机16驱动背部转轴11和背部框架17相对转动；使用时，背部框架17可背负于人体后背上，人体手部与前臂机构4的前端固定连接，人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构4的前端至后端的方向，前臂机构4与人体上肢之间的距离逐渐增大。

具体来说，肘关节电机5的主体上臂机构7的前端固定连接，肘关节电机5的输出轴与前臂机构4的后端固定连接；肩关节电机8的主体与背部转轴11的一端固定连接，肩关节电机8的输出轴与上臂机构7的后端固定连接；背部电机16的主体与背部框架17固定连接，背部电机16的输出轴与背部转轴11的另一端连接。

被试者搬运负载3时，负载3固设于前臂机构4的前端，肘关节电机5、肩关节电机8和背部电机16驱动与各自连接的部件相对转动，提供相应的助力，从而完成负载3的搬运。

与现有技术相比，本实施例提供的非拟人上肢助力装置，人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构4的前端至肘关节电机5的方向，上述非拟人上肢助力装置的前臂机构4与人体上肢之间的距离逐渐增大，这一点与拟人上肢助力装置不同，拟人上肢助力装置的前臂机构4与人体上肢始终贴合。采用非拟人的结构设计，能够满足在低自由度情况下实现人体上肢在搬运负载3过程中的活动空间，即使人体上肢做相对复杂的运动，也不会对人体上肢产生运动干涉，从而提高了使用者的使用舒适性。

此外，上述非拟人上肢助力装置为3自由度结构，结构简单；同时，由于前臂机构4与人体上肢之间存在距离，并且从前臂机构4的前端到肘关节电机5处距离逐渐增大，保证在搬运负载3过程中具有足够的运动空间范围，从而能够实现低自由度数和大运动空间的目的。

需要说明的是，目前，在上肢助力的研究领域，研究方向主要是通过结构的改进和优化来提高上肢助理装置的拟人性，使得拟人上肢助力装置与人体上肢运动趋于一致，而本实施例提供的非拟人上肢助力装置采用非拟人化的设计，从不同的思路对上肢助力装置进行改进，采用较少的自由度实现较大的运动空间范围。

为了实现自动控制，上述非拟人上肢助力装置还包括控制模块13以及与控制模块13连接的三维力传感器2、肘关节编码器6、肩关节编码器9和背部转轴编码器12，其中，控制模块13设于背部框架17上；三维力传感器2设于前臂机构4前端，用于测量负载3与人体手部之间的交互力；肘关节编码器6的内轴套与肘关节电机5的转轴固定连接，用于测量肘关节角度；肩关节编码器9的内轴套与肩关节电机8的转轴固定连接，用于测量肩关节的矢状面角度；背部转轴编码器12的内轴套与齿轮转轴15固定连接，背部电机16可通过齿轮组14将角度变化传递到背部转轴编码器12，用于测量肩关节的冠状面角度；控制模块13用于获取人体手部与负载3之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机5、肩关节电机9和背部电机16提供相应的助力，使得人体手部与负载3之间的最终三维交互力数值为零。

为了方便人体手部对上述非拟人上肢助力装置的控制，三维力传感器2的前端可以设置把手1，作为手持部，三维力传感器2位于前臂机构4的前端与把手1之间。人体手部可以通过把手1对非拟人上肢助力装置进行简单、有效的控制，提高使用者的使用舒适性。

为了进一步提高把手1的操作方便性，把手1的形状可以为L形，包括垂直于前臂机构4的连接段以及垂直于连接段的防滑脱段，连接段的一端与前臂机构4的前端固定连接，另一端与防滑脱段固定连接，当搬运负载3时，人体手部的拇指可以放置于防滑脱段上，其他四个手指握持连接段。非拟人上肢助力装置沿竖直方向运动时，由于连接段处于防滑脱段和前臂机构4之间，前臂机构4可以防止人体手部从连接段的下方滑出，防滑脱段可以防止人体手部从连接段的上方脱出，从而保证了人体手部的握持稳定性，同时，根据人体工学原理，相比于常规的仅包括连接段的把手1，人体手部的拇指可以放置于防滑脱段上，可以减少拇指的紧张感，从而提高被试者的操作舒适性。

示例性地，前臂机构4、上臂机构7与人体上肢可以构成三角形，采用三角形的结构，可以充分增大人体上肢在搬运负载3过程中的活动空间，提高上述非拟人上肢助力装置的灵活性，使其能够应用于人体上肢活动幅度加大的负载3搬运。

为了实现背部电机16与背部框架17的安装，两者可以通过背部电机支架10连接。考虑到被试者的体型不尽相同，为了提高上述非拟人上肢助力装置的适应性，背部电机支架10可以与背部框架17滑动连接，背部电机16可以通过背部电机支架10实现在背部框架17所在的平面内移动。这样可以根据人体型的不同调整上肢助力装置的后背结点，同步改变了上肢助力装置的前臂机构4和上臂机构7与人上臂之间的几何关系，使人可以尽可能舒适的与上肢助力结构配合。

值得注意的是，在被试者搬运负载3过程中，背部框架17与背部电机支架10滑动连接会影响搬运的稳定性，因此，背部框架17与背部电机支架10之间可以设置用于限位的锁紧件，例如，紧固螺钉。这样，在被试者搬运负载3过程中，可以通过锁紧件将背部框架17和背部电机支架10锁紧，使得两者形成固定连接结构，从而能够提高搬运的稳定性。

实施例二

本实施例提供了一种非拟人上肢助力装置的控制方法，参见图5，用于控制实施例一提供的非拟人上肢助力装置，上述控制方法包括如下步骤：

获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；根据电机控制模型，将上述助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零，被试者感觉不到负载的重力，仅需控制负载运动的方向。

需要说明的是，肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度可以构建姿态模型，姿态模型也是交互力模型的输入。

与现有技术相比，本实施例提供的非拟人上肢助力装置的控制方法的有益效果与实施例一提供的非拟人上肢助力装置的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

同时，上述控制方法通过人机交互力最小的控制方法实现对非拟人上肢助力装置的控制。

具体来说，上述非拟人上肢助力装置包括前臂机构、肘关节电机、上臂机构、肩关节电机、背部转轴、背部电机、控制模块、三维力传感器、肘关节编码器、肩关节编码器和背部转轴编码器，上述控制方法包括如下步骤：

步骤1：三维力传感器测量人体手部与负载之间的三维交互力值；肘关节编码器测量肘关节角度，肩关节编码器测量肩关节的矢状面角度，背部转轴编码器获取肩关节的冠状面角度；

步骤2：控制模块获取三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；

步骤3：控制模块根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；

步骤4：控制模块根据肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值分别转换为肘关节电机、肩关节电机和背部电机的电流值，用于控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零，被试者感觉不到负载的重力，仅需控制负载运动的方向。

考虑到，在被试者搬运负载的过程中，负载对各关节的力矩值实时变化，因此，上述控制方法可以采用PID控制器对三维力传感器检测数值进行快速反馈调节，使上肢助力装置的性能达到最优。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非拟人上肢助力装置，其特征在于，包括前臂机构、肘关节电机、上臂机构、肩关节电机、背部转轴、背部电机和背部框架，所述前臂机构、上臂机构和背部转轴依次连接；

所述肘关节电机驱动前臂机构和上臂机构相对转动，所述肩关节电机驱动上臂机构和背部转轴相对转动，所述背部电机驱动背部转轴和背部框架相对转动；

使用时，所述背部框架背负于人体后背上，人体手部与前臂机构的前端固定连接，人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构的前端至后端的方向，所述前臂机构与人体上肢之间的距离逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，还包括控制模块以及与控制模块连接的三维力传感器、肘关节编码器、肩关节编码器和背部转轴编码器。

所述三维力传感器设于前臂机构前端，用于测量负载与人体手部之间的交互力；所述肘关节编码器的内轴套与肘关节电机的转轴固定连接，用于测量肘关节角度；所述肩关节编码器的内轴套与肩关节电机的转轴固定连接，用于测量肩关节的矢状面角度；所述背部转轴编码器的内轴套与背部电机的转轴固定连接，用于测量肩关节的冠状面角度；

所述控制模块用于获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零。

3.根据权利要求2所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述三维力传感器的前端设有把手。

4.根据权利要求3所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述把手的形状为L形，包括垂直于前臂机构的连接段以及垂直于连接段的防滑脱段，连接段的一端与前臂机构的前端固定连接，另一端与防滑脱段固定连接。

5.根据权利要求1所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述前臂机构、上臂机构与人体上肢构成三角形。

6.根据权利要求1所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述背部电机与背部框架通过背部电机支架连接。

7.根据权利要求6所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述背部电机支架与背部框架滑动连接，背部电机通过背部电机支架在背部框架所在的平面内移动。

8.根据权利要求7所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述背部框架与背部电机支架之间设有用于限位的锁紧件。

9.一种非拟人上肢助力装置的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1至8任一项所述的非拟人上肢助力装置，所述控制方法包括如下步骤：

获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零。

10.根据权利要求9所述的非拟人上肢助力装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用PID控制器对三维力传感器检测三维交互力值进行反馈调节。