CN108927792B - 穿戴式助力机械手装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿戴式助力机械手装置。它包括机械手臂、背部支架、肩关节组件以及腰部支架；该背部支架与腰部支架之间设有可伸缩型万向节；该可伸缩型万向节包括肩部支架万向接头、伸缩轴、套筒和腰部支架万向接头；该肩部支架万向接头连接于套筒与背部支架之间，该腰部支架万向接头连接于伸缩轴与腰部支架之间，该伸缩轴以可相对套筒轴向滑移及周向旋转的方式插入套筒内。本发明通过设置可伸缩型万向节，在不影响脊柱运动的情况下，可以起到连接背部支架与腰部支架的作用，起到充当人体“脊柱”的支撑减负作用，可以将背部支架的受力经可伸缩型万向节传递至腰部支架，使得背部支架的受力分散到腰部支架，以人体腰部作支撑力。
Description
技术领域
本发明涉及一种穿戴式助力机械手装置。
背景技术
助力型外骨骼机器人是一种能穿在人身上，提供额外的动力的机械装备，其可以跟随人体运动，并承担主要负荷，增强人体机能。外骨骼机器人技术是机器人研究领域的一个重要的分支和方向，外骨骼机器人的研发起步较早但发展缓慢，至今仍处于探索阶段，还没有得到推广和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种穿戴式助力机械手装置，包括可附着于穿戴者手臂的机械手臂、可附着于穿戴者背部的背部支架、连接于机械手臂与背部支架之间的肩关节组件以及可附着于穿戴者腰部的腰部支架；该背部支架与腰部支架之间设有可伸缩型万向节；该可伸缩型万向节包括肩部支架万向接头、伸缩轴、套筒和腰部支架万向接头；该肩部支架万向接头连接于套筒与背部支架之间，该腰部支架万向接头连接于伸缩轴与腰部支架之间，该伸缩轴以可相对套筒轴向滑移及周向旋转的方式插入套筒内。
本发明通过设置可伸缩型万向节，在不影响脊柱运动的情况下，可以起到连接背部支架与腰部支架的作用，起到充当人体“脊柱”的支撑减负作用，可以将背部支架的受力经可伸缩型万向节传递至腰部支架，使得背部支架的受力分散到腰部支架(即人体的腰部)，以人体腰部作支撑力。在考虑其负重性能的情况下，又不限制腰背部的灵活性。本发明可达到康复训练和助力两种功能。
附图说明
图1至图4分别示出了本发明的四个不同角度的立体示意图；
图5示出了本发明的立体分解示意图；
图6示出了本发明的机械手臂的立体示意图；
图7示出了本发明的机械手臂的立体分解示意图；
图8和图9分别示出了本发明的可伸缩型万向节的两个不同角度的立体示意图；
图10和图11分别示出了本发明的可伸缩型万向节的两个不同角度的立体分解示意图；
图12示出了本发明的可伸缩型万向节的一个正投影示意图；
图13示出了图12的A–A剖视图；
图14示出了图13的D部局部放大图；
图15示出了图12的B–B剖视图的放大图；
图16示出了图13的C–C剖视图；
图17示出了本发明的阻尼机构的立体示意图；
图18示出了本发明的阻尼机构的立体分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图18所示的一种穿戴式助力机械手装置，包括可附着于穿戴者手臂的机械手臂10、可附着于穿戴者背部的背部支架20、连接于机械手臂10与背部支架20之间的肩关节组件以及可附着于穿戴者腰部的腰部支架30；
该背部支架20与腰部支架30之间设有可伸缩型万向节40；
该可伸缩型万向节40包括肩部支架万向接头401、伸缩轴402、套筒403和腰部支架万向接头404；
该肩部支架万向接头401连接于套筒403与背部支架20之间，该腰部支架万向接头404连接于伸缩轴402与腰部支架30之间，该伸缩轴402以可相对套筒403轴向滑移及周向旋转的方式插入套筒403内，也就是说，该伸缩轴402与套筒403构成圆柱副，即可相对沿该伸缩轴的轴线方向作轴向伸缩运动，也可相对绕该伸缩轴的轴线作轴向旋转运动。
该技术方案通过设置可伸缩型万向节，在不影响脊柱运动的情况下，可以起到连接背部支架与腰部支架的作用，起到充当人体“脊柱”的支撑减负作用，可以将背部支架的受力经可伸缩型万向节传递至腰部支架，使得背部支架的受力分散到腰部支架(即人体的腰部)，以人体腰部作支撑力。在考虑其负重性能的情况下，又不限制腰背部的灵活性。
该套筒403上设有向伸缩轴402提供阻碍力以阻碍伸缩轴402相对套筒403运动的阻尼机构50。
本实施例中，伸缩轴相对套筒轴向滑移或周向旋转时均会受到阻尼机构提供的阻碍力。本实施例中，通过设置阻尼机构可以有效地实现将背部支架的受力经可伸缩型万向节传递至腰部支架的目的。
该阻尼机构50为向伸缩轴提供的阻碍力的大小可调的可调节式阻尼机构。
该技术方案通过设置可调节式阻尼机构实现阻碍力大小的调节，以适应不同人员的使用，尤其是适应不同负载能力的人员使用，例如，腰部负载能力较强的人员可以使阻尼机构调节到较大的阻碍力，腰部负载能力较弱的人员可以使阻尼机构调节到较小的阻碍力。
该阻尼机构50包括阻尼外壳501、顶珠502、顶珠滑块503、伸缩弹簧504、推力滑块505和螺杆506；
该阻尼外壳501内设有滑孔507，该阻尼外壳501的一端设有开口508而另一端设有螺孔509，该开口508和螺孔509均与滑孔507连通，该顶珠滑块503和推力滑块505均可滑移地安装于滑孔507中，该伸缩弹簧504设于滑孔507中且被夹持于顶珠滑块503与推力滑块504之间，该伸缩弹簧的一端抵接于顶珠滑块，而另一端抵接于推力滑块，该顶珠滑块503设有球窝510，该顶珠502可滚动地安装于球窝510中，顶珠限定于球窝510内滚动，且该顶珠经开口凸出于阻尼外壳外，该螺杆与螺孔螺纹配合，该螺杆伸入滑孔中的一端抵靠于推力滑块以使螺杆转动时驱使推力滑块作靠近或者远离顶珠滑块滑移，该螺杆伸出于阻尼外壳外的一端固定地安装有可供手动操作的旋钮511；
该套筒403上设有沿套筒的径向延伸的通孔405，该阻尼外壳501固定地安装于通孔405中，且顶珠502抵靠于伸缩轴402，本实施例中，阻尼外壳固501可通过螺钉锁定于套筒403上。
本实施例中，螺杆的轴线平行于套筒的径向，伸缩弹簧的作用可使推力滑块始终与螺杆伸入滑孔中的一端保持抵靠，手动拧转旋钮可驱使螺杆沿套筒的径向运动，该推力滑块于螺杆沿套筒的径向运动时也沿套筒的径向运动以靠近或者远离顶珠滑块，推力滑块与顶珠滑块之间的距离的变化会引起伸缩弹簧压缩量的变化，伸缩弹簧施加于顶珠滑块的推力以及顶珠抵靠伸缩轴的压力也就发生变化，由此以调节摩擦阻力的大小。
该技术方案公开的阻尼机构结构简单，阻碍力大小调节操作方便快捷。
该伸缩轴的圆周面包覆有一层摩擦件406，顶珠502抵靠于伸缩轴402是指，顶珠502抵靠于摩擦件406。本实施例中，摩擦件406呈圆筒形，且摩擦件406的材质可以是弹性橡胶。
该机械手臂10包括可附着于穿戴者的小臂的小臂支架101和可附着于穿戴者的大臂的大臂支架102，该大臂支架102具有近穿戴者头部的近端103和远穿戴者头部的远端104，该大臂支架的远端104与小臂支架101以可相对转动地连接(例如铰接)，该大臂支架102与小臂支架101之间设有可驱使小臂支架101相对大臂支架102转动的小臂驱动机构。
该肩关节组件包括大臂电动推杆60和气弹簧70；
该大臂电动推杆60的电机主体与背部支架20通过第一球铰链801连接，该大臂电动推杆60的推杆与大臂支架102通过第二球铰链802连接；
该气弹簧70的缸体与背部支架20通过第三球铰链803连接，该气弹簧70的活塞杆与大臂支架102通过第四球铰链804连接；
其中，于背部支架20上，第三球铰链803近穿戴者头部，而第一球铰链801远穿戴者头部；于大臂支架102上，第四球铰链804近穿戴者头部，而第二球铰链802远穿戴者头部；尤其是，第四球铰链设于大臂支架的近端上，而第二球铰链则设于大臂支架的近端与远端之间，第三球铰链设于高出穿戴者的肩膀。
该大臂电动推杆的电机主体内置可驱使其推杆作直线往复运动的电机及传动机构；本实施例中，电动推杆和气弹簧均属于现有技术，其具体结构不再赘述。
该技术方案通过设置大臂电动推杆和气弹簧起连接背部支架和手臂的作用。
机械手臂与背部支架的连接采用于人体的肩上部使用可随时停止的气弹簧来维持背部力的平衡；人体的肩下部采用大臂电动推杆来驱动横向的力。为了减小大臂电动推杆和气弹簧干涉，分别采用第一至第四球铰链来提升活动的自由度与范围。
在背部支架和腰部支架与人体接触一侧分别设置有贴合于人体的软性的垫板来增强使用者的舒适度，并且同时还可以降低对人体的压力。采用弹性魔术贴来与人体绑定还能够进一步减少不必要的伤害。
机械手臂作为一个单独的机构虽然可以完成肘部的运动要求，但是考虑到机械手臂的自重会导致使用者更快的疲惫，降低使用者使用效率，降低实用性。所以要整体的思路为肩部不仅可以承受力、传递力，也要做到将机械手臂的自身重量通过与人体接触的背部支架和腰部支架将其转移到肩膀及背部上以及人体腰部及臀部上方，大大减少了使用者的负担，无形中使其效率有所提升。
如果用另一电动推杆来代替现在的气动簧，由于电动推杆的最小安装尺寸超于肩部设计所需尺寸，如若强行安装，则会造成背部支架与机械手臂之间的距离增大，导致力矩增大，则人体手臂承受载荷(机械手臂及其提起物的重量)将会增大，增加人体负重；其次，电动推杆在活动过程中容易与背部支架干涉，减小极限活动范围。另外，如果采用双电动推缸(即大臂电动推杆与代替气弹簧的另一电动推杆的组合)则会涉及到两者的协调运转，如当人体进行肩膀前屈运动时，则代替气弹簧的另一电动推杆会收缩，而大臂电动推杆会伸出，并且两者的伸缩的行程距离并不会一致，这需要进行传感器的设置，而且这种设置需要对人体肌肉实时反馈信号，并且要求人体在整个肩膀前屈的动作过程中能持续不断反馈不同且准确的肌电信号，因此，这需要用到高精度的传感器，而对于设置这种传感器的人员的专业要求也是相当之高,因为装置要对传感器反馈的信号进行计算并把计算结果以电信号形式反馈给该两电动推缸，以此来决定各电动推缸运动行程的多少，这需要人为设计一个控制器进行实时演算，过程极其复杂，制造成本高昂。取而代之的是使用可自由收缩的气弹簧，该气弹簧的活塞杆可实时进行伸出、收缩运动，而其气动性能尽量弥补电动推杆的助力效果，除此之外，气弹簧的直径和重量小于之前采用的电缸机构，安装尺寸的选择也多，满足装置适用范围广及替换简便的设计需求。
该大臂电动推杆的运动为机械手臂提供助力，气弹簧辅助大臂电动推杆进行运动，两者均起到力传递的作用，分散机械手臂重量于背部支架。在满足机械结构强度和减负效果的同时，减少各部件对于人体肩部运动的干涉，减少人体对各部件的不适应性。
该气弹簧为自由型气弹簧
该小臂驱动机构包括小臂电动推杆105；
该小臂支架101也具有近穿戴者头部的近端106和远穿戴者头部的远端107，该小臂支架101相对大臂支架102转动的转动轴线位于小臂支架的远端107与近端106之间；
该小臂电动推杆105的电机主体与大臂支架102以可相对转动地连接(例如铰接)，该小臂电动推杆105的推杆与小臂支架的近端106以可相对转动地连接(例如铰接)。
本实施例中，机械手臂、背部支架和腰部支架可通过带束缚于穿戴者对应部位以实现附着于穿戴者对应部位。
本实施例中，伸缩轴的轴线与套筒的轴线是共线的。
腰部支架万向接头和肩部支架万向接头均为十字轴式万向接头。十字轴式万向接头均包括第一万向节叉、第二万向节叉和连接于第一万向节叉与第二万向节叉之间的十字轴，其中，该腰部支架万向接头的第一万向节叉与腰部支架30固定连接，而该腰部支架万向接头的第二万向节叉与套筒403固定连接；该肩部支架万向接头401的第一万向节叉与肩部支架20固定连接，而该肩部支架万向接头401的第二万向节叉与伸缩轴402固定连接。
Claims (5)
1.一种穿戴式助力机械手装置，包括可附着于穿戴者手臂的机械手臂、可附着于穿戴者背部的背部支架、连接于机械手臂与背部支架之间的肩关节组件以及可附着于穿戴者腰部的腰部支架；
该背部支架与腰部支架之间设有可伸缩型万向节；
该可伸缩型万向节包括肩部支架万向接头、伸缩轴、套筒和腰部支架万向接头；
该肩部支架万向接头连接于套筒与背部支架之间，该腰部支架万向接头连接于伸缩轴与腰部支架之间，该伸缩轴以可相对套筒轴向滑移及周向旋转的方式插入套筒内；
其特征在于：
该套筒上设有向伸缩轴提供阻碍力以阻碍伸缩轴相对套筒运动的阻尼机构；
该阻尼机构为向伸缩轴提供的阻碍力的大小可调的可调节式阻尼机构；
该阻尼机构包括阻尼外壳、顶珠、顶珠滑块、伸缩弹簧、推力滑块和螺杆；
该阻尼外壳内设有滑孔，该阻尼外壳的一端设有开口而另一端设有螺孔，该开口和螺孔均与滑孔连通，该顶珠滑块和推力滑块均可滑移地安装于滑孔中，该伸缩弹簧设于滑孔中且被夹持于顶珠滑块与推力滑块之间，该伸缩弹簧的一端抵接于顶珠滑块，而另一端抵接于推力滑块，该顶珠滑块设有球窝，该顶珠可滚动地安装于球窝中，且该顶珠经开口凸出于阻尼外壳外，该螺杆与螺孔螺纹配合，该螺杆伸入滑孔中的一端抵靠于推力滑块以使螺杆转动时驱使推力滑块作靠近或者远离顶珠滑块滑移，该螺杆伸出于阻尼外壳外的一端固定地安装有旋钮；
该套筒上设有沿套筒的径向延伸的通孔，该阻尼外壳固定地安装于通孔中，且顶珠抵靠于伸缩轴；
该伸缩轴的圆周面包覆有一层摩擦件，该顶珠抵靠于摩擦件。
2.根据权利要求1所述的穿戴式助力机械手装置，其特征在于：
该机械手臂包括可附着于穿戴者的小臂的小臂支架和可附着于穿戴者的大臂的大臂支架，该大臂支架具有近穿戴者头部的近端和远穿戴者头部的远端，该大臂支架的远端与小臂支架以可相对转动地连接，该大臂支架与小臂支架之间设有可驱使小臂支架相对大臂支架转动的小臂驱动机构。
3.根据权利要求2所述的穿戴式助力机械手装置，其特征在于：
该肩关节组件包括大臂电动推杆和气弹簧；
该大臂电动推杆的电机主体与背部支架通过第一球铰链连接，该大臂电动推杆的推杆与大臂支架通过第二球铰链连接；
该气弹簧的缸体与背部支架通过第三球铰链连接，该气弹簧的活塞杆与大臂支架通过第四球铰链连接；
其中，于背部支架上，第三球铰链近穿戴者头部，而第一球铰链远穿戴者头部；于大臂支架上，第四球铰链近穿戴者头部，而第二球铰链远穿戴者头部。
4.根据权利要求3所述的穿戴式助力机械手装置，其特征在于：该气弹簧为自由型气弹簧。
5.根据权利要求4所述的穿戴式助力机械手装置，其特征在于：
该小臂驱动机构包括小臂电动推杆；
该小臂支架也具有近穿戴者头部的近端和远穿戴者头部的远端，该小臂支架相对大臂支架转动的转动轴线位于小臂支架的远端与近端之间；
该小臂电动推杆的电机主体与大臂支架以可相对转动地连接，该小臂电动推杆的推杆与小臂支架的近端以可相对转动地连接。
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