CN108839000A - 上肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

上肢助力外骨骼机器人，它涉及一种穿戴式机器人，它包括手部、胳膊、背部、驱动机构和控制模块；所述背部两侧分别连接有所述驱动机构，所述控制模块安装在所述背部上，所述手部与所述胳膊连接，每条所述胳膊为并联型关节结构，所述胳膊由所述驱动机构驱动，所述驱动机构由所述控制模块控制。本发明相比传统串联型上肢助力外骨骼机器人，刚度大，负载能力也得到了提升，控制效果得到改善。

Description

上肢助力外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种穿戴式机器人，具体涉及一种上肢助力外骨骼机器人。

背景技术

在军事、消防营救等领域，相关人员经常会遇到需要抬起重物的情况。而在这些特殊情形下，传统的起重装置有时难以充分的发挥作用。而上肢外骨骼机器人的引入很好地解决了这一问题。上肢外骨骼机器人是一种能够穿戴在操作者身上的并与其上肢相连接、能够根据操作者的意图进行活动和做功的机械装置。上肢外骨骼机器人和操作者的组合能够充分适应多种非结构化的环境，同时具有较高的灵活性，可以完成一些复杂的装卸、搬运工作。但是，传统的上肢助力外骨骼机器人多采用与人类上肢运动学同构的串联结构。如果采用串联型结构的话，肘部驱动的执行器安装位置大多需要向躯干之外移动，导致肘部执行器自重也成为了肩部执行器的负载的一部分，使得外骨骼装置负载能力变差。除此之外，串联型结构也存在固有的刚度差的问题。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种上肢助力外骨骼机器人。该机器人克服了传统串联型上肢助力外骨骼机器人存在刚度低、负载能力差等问题。

本发明的技术方案是：

上肢助力外骨骼机器人包括手部、胳膊、背部、驱动机构和控制模块；所述背部两侧分别连接有所述驱动机构，所述控制模块安装在所述背部上，所述手部与所述胳膊连接，每条所述胳膊为并联型关节结构，所述胳膊由所述驱动机构驱动，所述驱动机构由所述控制模块控制。

进一步地，并联型关节结构的每条所述胳膊包含两条支链，每条支链包括大臂连杆、小臂连杆和肘部关节轴，大臂连杆和小臂连杆均与肘部关节轴连接，且大臂连杆和小臂连杆能相对转动，大臂连杆由所述驱动机构驱动，两根小臂连杆与手部连接，且两根小臂连杆能相对手部转动。

进一步地，手部包括握把、三维力传感器、手部关节轴和挂钩，挂钩和两根小臂连杆分别与手部关节轴连接，挂钩能相对手部关节轴转动，两根小臂连杆能相对转动，三维力传感器两侧分别与握把和挂钩相连。

进一步地，所述驱动机构包括电机、肩关节轴、肩关节轴安装件、安装座和齿轮副；电机安装在安装座上，齿轮副中的一个齿轮安装在电机的输出轴上，齿轮副中的另一个齿轮转动安装在肩关节轴上，大臂连杆安装在所述另一个齿轮上，肩关节轴通过轴承支撑在肩关节轴安装件上，安装座与肩关节轴安装件连接，肩关节轴安装件与背部连接。

进一步地，手部关节轴、肘部关节轴、肩关节轴和转轴的端面均开有凹槽，所述所有凹槽内均布置有磁铁，所述挂钩、大臂连杆、肩转轴安装件和背部安装件上分别安装有一个带有编码器芯片的角度传感器，带有编码器芯片的角度传感器检测磁铁磁场变化。

本发明相比现有技术的有益效果是

1、本发明机器人结构上采用了并联型设计，比起传统的串联关节型设计刚度得到提升，同时具有更高的驱动能力。

2、重量较重的电机驱动器、驱动机构及控制模块、储能电池装置均设计在靠近后背的位置，使得运动部分质量较轻，装置进行加减速时惯性力较小，有利于控制效果的改善，同时负载能力也得到了提升。

3、除了背部的捆绑外，操作者与外骨骼间只有手部是进行连接的。在使用外骨骼的过程中，操作者的手臂可以自如的从外骨骼的两条支链中穿过伸展，避免了传统串联关节型上肢外骨骼关节捆绑给操作者带来的不适感。

4、外骨骼末端布置了三维力传感器，不仅可以通过检测人机交互力来判断操作者运动意图，还可以测得挂在挂钩上重物的具体质量以代入控制器进行补偿，使得控制效果得到提升。

附图说明

图1为从手部看的本发明的整体结构示意图；

图2为从背部看的本发明的整体结构示意图；

图3为手部、驱动机构和双支链连接布置关系图；

图4为支链中肘部关节示意图；

图5为支链中肘部关节剖面图；

图6为手部轴向剖面图；

图7为驱动机构结构示意图；

图8为驱动机构剖面图；

图9为背部结构图；

图10为本发明的通信网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

参见图1-图2所示，上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：它包括手部1、胳膊2、背部4、驱动机构3和控制模块5；所述背部4两侧分别连接有所述驱动机构3，所述控制模块5安装在所述背部4上，所述手部1与所述胳膊2连接，每条所述胳膊2为并联型关节结构，所述胳膊2由所述驱动机构3驱动，所述驱动机构3由所述控制模块5控制。

传统的上肢助力外骨骼机器人多采用与人类上肢运动学同构的串联结构。如果采用串联型结构的话，肘部的驱动的执行器安装位置大多需要向躯干之外移动，导致肘部执行器自重也成为了肩部执行器的负载的一部分，使得外骨骼装置负载能力变差。除此之外，串联型结构也存在固有的刚度差的问题。本发明的上肢助力外骨骼机器人的并联型关节结构，等效为五连杆构型的上肢助力外骨骼。

较佳地，参见图3-图5所示，并联型关节结构的每条所述胳膊2包含两条支链，每条支链包括大臂连杆2-3、小臂连杆2-1和肘部关节轴2-4，大臂连杆2-3和小臂连杆2-1均与肘部关节轴2-4连接，且大臂连杆2-3和小臂连杆2-1能相对转动，大臂连杆2-3由所述驱动机构3驱动，两根小臂连杆2-1与手部1连接，且两根小臂连杆2-1能相对手部1转动。

小臂连杆2-1与大臂连杆2-3通过肘部关节轴2-4相连接，小臂连杆2-1通过螺钉E与肘部关节轴2-4保持轴向位置和径向角度固定，大臂连杆2-3通过轴承F安装在肘部关节轴2-4上，大臂连杆2-3和小臂连杆2-1相对转动，这两个轴承2-2外圈分别通过大臂连杆2-3内孔凸缘和轴承盖2-8固定，内圈则都依靠肘部关节轴2-4轴肩固定。肘部关节轴2-4上开有一个凹槽，用以安装磁铁6。安装在大臂连杆2-3上的角度传感器7通过检测与磁铁6产生的磁场的相对角度，测定小臂连杆2-1与大臂连杆2-3的夹角。

较佳地，参见图3和6所示，所述手部1包括握把1-1、三维力传感器1-2、手部关节轴1-5和挂钩1-18，挂钩1-18和两根小臂连杆2-1分别与手部关节轴1-5连接，挂钩1-18能相对手部关节轴1-5转动，两根小臂连杆2-1能相对转动，三维力传感器1-2两侧分别与握把1-1和挂钩1-18相连。

握把1-1是外骨骼机器人与操作者身体连接环节的一部分，操作者使用时需要双手握住握把1-1进行各种运动。三维力传感器1-2的两侧分别通过螺栓与握把1-1和挂钩轴承盖1-3相连。由于挂钩轴承盖1-3与挂钩1-18相固连，因此三维力传感器1-2所检测到的信号是操作者与承载重物的挂钩1-18间的交互力。挂钩轴承盖1-3通过螺钉E固定在挂钩连接板1-11上。挂钩连接板1-11与挂钩1-18上分别安装有轴承F，这两个轴承F都套接在手部关节轴1-5上，保证了挂钩1-18能相对手部关节自由的活动。其中，轴承F的外圈由挂钩轴承盖1-3和挂钩连接板1-11内孔凸缘固定，内圈由挡圈1-6和手部关节轴1-5的轴肩固定。手部关节轴1-5同时还连接了两个小臂连杆2-1。手部关节轴1-5通过紧顶螺钉1-12与上部的小臂连杆2-1保持轴向位置和径向角度固定，此时，上部的小臂连杆2-1起到拉力的作用，两个支撑轴承1-8分别安装在上部的小臂连杆2-1的两侧。其外圈分别通过下部的小臂连杆2-1内孔凸缘和支撑挡圈1-7固定，其内圈则都是通过手部关节轴1-5的轴肩轴向固定的。挂钩1-18通过螺栓与挂钩连接板1-11相固定。轴承F安装在挂钩1-18上的内孔中，其内圈由挡圈1-6固定，外圈由垫片1-16和内孔凸缘固定。三位力传感器信号放大电路板1-19和角度传感器7通过螺钉安装在挂钩1-18上。与角度传感器7对应的磁铁6安装在手部关节轴1-5上，因此，角度传感器7可以测出两个小臂连杆2-1之间的相对角度。

较佳地，如图7和图8所示，所述驱动机构3包括电机3-16、肩关节轴3-6、肩关节轴安装件3-9、安装座3-15和齿轮副；电机3-16安装在安装座3-15上，齿轮副中的一个齿轮安装在电机3-16的输出轴上，齿轮副中的另一个齿轮转动安装在肩关节轴3-6上，大臂连杆2-1安装在所述另一个齿轮上，肩关节轴3-6通过轴承支撑在肩关节轴安装件3-9上，安装座3-15与肩关节轴安装件3-9连接，肩关节轴安装件3-9与背部4连接。

如图7和图8展示了外骨骼装置的驱动机构的设计。由于两个关节是呈中心对称的方式进行设计的，故此处选取靠上的关节为例进行分析。由图7和图8可以看出，关节的执行器为电机3-16。电机3-16带动小齿轮3-2-1转动，小齿轮3-2-1又通过啮合带动大齿轮3-2-2进行转动。大臂连杆2-3与大齿轮3-2-2之间是通过多个铰制孔用紧顶螺栓3-3进行连接的，该紧顶螺栓3-3通过与大齿轮3-2-2和大臂连杆2-3上孔的配合，将齿轮的扭矩传递到大臂连杆2-3上。大齿轮3-2-2通过肩关节轴3-6安装在肩转轴安装件3-9上。大齿轮3-2-2在肩转轴3-6上的轴向位置由两个轴套3-8确定，通过调整这两个轴套3-8的厚度，可以实现对大齿轮3-2-2轴向位置的微调，从而对大齿轮3-2-2与小齿轮3-2-1间配合距离进行调整，改善啮合质量，有利于驱动的稳定。肩关节轴3-6两侧安装有肩关节角接触球轴承3-7，这两个角接触球轴承3-7同样通过凸缘、轴肩和外挡圈3-11固定。在肩转轴3-6一侧安装有角度传感器7，用来检测大臂连杆2-3与肩转轴安装件3-9的相对角度。电机3-16通过螺钉E安装在安装座3-15上，安装座3-15通过一个滑动配合和螺栓与肩转轴安装件3-9相固连。一对背靠背形式的齿轮角接触球轴承3-14安装在安装座3-15内，支撑着小齿轮3-2-1。小齿轮3-2-1直接套接在电机3-16的输出轴上，通过D形键传递扭矩。支撑着所有零部件的肩转轴安装件3-9通过螺栓与背部连接板4-1固连。

较佳地，如图9所示，背部4包括背部连接板4-1、背部安装件4-2、后背底板4-4、背部捆绑板4-5和转轴4-9；肩关节轴安装件3-9与背部连接板4-1连接，背部连接板4-1通过转轴4-9与背部安装件4-2相对转动连接，背部安装件4-2与后背底板4-4活动连接，背部捆绑板4-5与后背底板4-4连接。

外骨骼机器人的控制模块5及电源在背部4的连接。连接着驱动器及传动部件的背部连接板4-1通过垂直转轴4-9连接到背部安装件4-2，轴系设计方式与其他轴系相似，同时垂直转轴4-9的一端也安装有角度传感器，用以检测后背底板4-4与操作者背部的相对角度。背部安装件4-2上不仅安装有垂直转轴4-9，还是电机驱动器4-3的安装位置。背部安装件4-2通过滑动配合和连接螺栓H与后背底板4-4相连，后背底板4-4上有多个安装位置，通过调整连接螺栓H的安装位置可以实现外骨骼肩宽的调整。后背底板4-4通过多个螺栓与背部捆绑板4-5相固接，背部捆绑板4-5上装有绑带，可以实现外骨骼与操作者的绑定。电池安装架4-7不仅是电池4-8放置的位置，同时能对背部安装件4-2起到辅助支撑的作用，进一步增加连接的刚性，控制模块5通过螺钉安装在背部捆绑板4-5上，各关节角度传感器、三维力传感器和电机通过信号线与控制模块5相连接。

如图5、图6、图8和图9所示，手部关节轴1-5、肘部关节轴2-4、肩关节轴3-6和转轴4-9的端面均开有凹槽，所述所有凹槽内均布置有磁铁6，所述挂钩1-18、大臂连杆2-3、肩转轴安装件3-9和背部安装件4-2上分别安装有一个带有编码器芯片的角度传感器7，带有编码器芯片的角度传感器7检测磁铁磁场变化。测得磁铁6的转角就是测得各关节轴的转角。传感器上面的编码器芯片检测磁场角度变化得到相对转角。

如图10所示，图中的节点表示各部(手部、肘部和驱动机构)关节处的角度传感器7，角度传感器通过编码器芯片获得角度信息，随后按照一定的周期向控制模块5发送角度信息。节点与控制模块5之间的通信方式是基于CAN总线通信协议的。具体为：控制模块5通过CAN总线与电机驱动器4-3、三维力传感器信号放大电路板1-19以及所述所有带有编码器芯片的角度传感器7通信，三维力传感器1-2与三维力传感器信号放大电路板1-19通信，控制模块5通过向电机驱动器4-3发送电流信号控制电机3-16的启停及转速。

其中，手部节点与其他节点稍有不同，三维力传感器1-2产生的差分信号通过三维力传感器信号放大电路板1-19的信号放大电路放大后，通过导线连接到节点5上的AD采集管脚，随后被采集成为12位数字信号，这个信号连同节点5采集到的角度信号一起通过CAN总线发往控制模块5。除此之外，控制模块5发往电机驱动器4-3的电流控制信号也是基于CAN总线通信协议发送的。

实施例

上肢助力外骨骼机器人包括手部1、胳膊2、背部4、驱动机构3和控制模块5；所述背部4两侧分别连接有所述驱动机构3，所述控制模块5安装在所述背部4上，所述手部1与所述胳膊2连接，每条所述胳膊2为并联型关节结构，所述胳膊2由所述驱动机构3驱动，所述驱动机构3由所述控制模块5控制；大臂连杆2-3和小臂连杆2-1均与肘部关节轴2-4连接，且大臂连杆2-3和小臂连杆2-1能相对转动，大臂连杆2-3由所述驱动机构3驱动，两根小臂连杆2-1与手部1连接，且两根小臂连杆2-1能相对手部1转动；挂钩1-18和两根小臂连杆2-1分别与手部关节轴1-5连接，挂钩1-18能相对手部关节轴1-5转动，两根小臂连杆2-1能相对转动，三维力传感器1-2两侧分别与握把1-1和挂钩1-18相连，三维力传感器采用FNZ-10N型号，电机3-16安装在安装座3-15上，小锥齿轮3-2-1安装在电机3-16的输出轴上，大锥齿轮3-2-2转动安装在肩关节轴3-6上，大臂连杆2-1安装在所述大锥齿轮3-2-2上，肩关节轴3-6通过轴承支撑在肩关节轴安装件3-9上，安装座3-15与肩关节轴安装件3-9连接，肩关节轴安装件3-9与背部4连接。手部关节轴1-5、肘部关节轴2-4、肩关节轴3-6和转轴4-9的端面均开有凹槽，所述所有凹槽内均布置有磁铁6，所述挂钩1-18、大臂连杆2-3、肩转轴安装件3-9和背部安装件4-2上分别安装有一个带有编码器芯片的角度传感器7，编码器芯片选用MLX90316-SPI型号。控制模块5为带有stm32f407型主芯片的控制模块。带有编码器芯片的角度传感器7检测磁铁磁场变化，测得对应磁铁6的转角就是测得各关节轴的转角。控制模块5通过向电机驱动器4-3发送电流信号控制电机3-16的启停及转速。电机驱动器4-3为c620电调。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：它包括手部(1)、胳膊(2)、背部(4)、驱动机构(3)和控制模块(5)；所述背部(4)两侧分别连接有所述驱动机构(3)，所述控制模块(5)安装在所述背部(4)上，所述手部(1)与所述胳膊(2)连接，每条所述胳膊(2)为并联型关节结构，所述胳膊(2)由所述驱动机构(3)驱动，所述驱动机构(3)由所述控制模块(5)控制。

2.根据权利要求1所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：并联型关节结构的每条所述胳膊(2)包含两条支链，每条支链包括大臂连杆(2-3)、小臂连杆(2-1)和肘部关节轴(2-4)，大臂连杆(2-3)和小臂连杆(2-1)均与肘部关节轴(2-4)连接，且大臂连杆(2-3)和小臂连杆(2-1)能相对转动，大臂连杆(2-3)由所述驱动机构(3)驱动，两根小臂连杆(2-1)与手部(1)连接，且两根小臂连杆(2-1)能相对手部(1)转动。

3.根据权利要求2所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述手部(1)包括握把(1-1)、三维力传感器(1-2)、手部关节轴(1-5)和挂钩(1-18)，挂钩(1-18)和两根小臂连杆(2-1)分别与手部关节轴(1-5)连接，挂钩(1-18)能相对手部关节轴(1-5)转动，两根小臂连杆(2-1)能相对转动，三维力传感器(1-2)两侧分别与握把(1-1)和挂钩(1-18)相连。

4.根据权利要求2或3所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述驱动机构(3)包括电机(3-16)、肩关节轴(3-6)、肩关节轴安装件(3-9)、安装座(3-15)和齿轮副；

电机(3-16)安装在安装座(3-15)上，齿轮副中的一个齿轮安装在电机(3-16)的输出轴上，齿轮副中的另一个齿轮转动安装在肩关节轴(3-6)上，大臂连杆(2-1)安装在所述另一个齿轮上，肩关节轴(3-6)通过轴承支撑在肩关节轴安装件(3-9)上，安装座(3-15)与肩关节轴安装件(3-9)连接，肩关节轴安装件(3-9)与背部(4)连接。

5.根据权利要求4所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述背部(4)包括背部连接板(4-1)、背部安装件(4-2)、后背底板(4-4)、背部捆绑板(4-5)和转轴(4-9)；肩关节轴安装件(3-9)与背部连接板(4-1)连接，背部连接板(4-1)通过转轴(4-9)与背部安装件(4-2)相对转动连接，背部安装件(4-2)与后背底板(4-4)活动连接，背部捆绑板(4-5)与后背底板(4-4)连接。

6.根据权利要求5所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：手部关节轴(1-5)、肘部关节轴(2-4)、肩关节轴(3-6)和转轴(4-9)的端面均开有凹槽，所述所有凹槽内均布置有磁铁(6)，所述挂钩(1-18)、大臂连杆(2-3)、肩转轴安装件(3-9)和背部安装件(4-2)上分别安装有一个带有编码器芯片的角度传感器(7)，带有编码器芯片的角度传感器(7)检测磁铁磁场变化。

7.根据权利要求6所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：齿轮副为锥齿轮副。

8.根据权利要求6或7所述上肢助力外骨骼机器人，其特征在于：控制模块(5)通过CAN总线与电机驱动器(4-3)、三维力传感器信号放大电路板(1-19)以及所述所有带有编码器芯片的角度传感器(7)通信，三维力传感器(1-2)与三维力传感器信号放大电路板(1-19)通信，控制模块(5)通过向电机驱动器(4-3)发送电流信号控制电机(3-16)的启停及转速。