CN109015605B - 穿戴式变构型外肢体机器人 - Google Patents
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Abstract
穿戴式变构型外肢体机器人，它涉及一种机器人，它包括背部悬挂架、机械手、两个握把、两套臂部摆动机构和四套肩部内收外摆机构；背部悬挂架上左右两侧分别布置有两套肩部内收外摆机构；每两套肩部内收外摆机构连接有一套臂部摆动机构，两套臂部摆动机构对称设置，每套臂部摆动机构末端安装有一个握把，每个握把上连接有一个机械手。本发明具有负载能力好，自由度多的优点，提升了机器人的灵活性以及使用舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种穿戴式变构型外肢体机器人。
背景技术
在军事演练、消防营救等领域，相关任务人员经常会遇到需要抬起或搬运重物的情况。而在这种特殊情况下，传统的起重装置由于过于笨重，有时难以充分的发挥作用。
上肢助力外肢体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，统的上肢助力外肢体机器人多采用与人类上肢运动学同构的串联结构，串联结构会使肘部驱动执行器的安装位置向躯干之外移动，肘部执行器的自重因而成为了肩部执行器负重载荷的一部分，使得外肢体装置负载能力降低。其他单一并联类型上肢助力外肢体机器人则由于机构并联所产生的自由度相互约束导致了上肢助力外肢体机器人的自由度单一或仅能在单一平面内运动的状况，由于灵活度较低，上肢助力外肢体机器人无法适应实际情景中出现的各种复杂情形。
发明内容
本发明为克服传统单一串联型上肢助力外肢体机器人所存在的刚度低、负载能力差以及单一并联型上肢助力外肢体机器人自由度低、灵活性差问题，进而提供一种穿戴式变构型外肢体机器人。
本发明的技术方案是：
穿戴式变构型外肢体机器人包括背部悬挂架、机械手、两个握把、两套臂部摆动机构和四套肩部内收外摆机构；
背部悬挂架上左右两侧分别布置有两套肩部内收外摆机构；
每两套肩部内收外摆机构连接有一套臂部摆动机构，两套臂部摆动机构对称设置，每套臂部摆动机构末端安装有一个握把，每个握把上连接有一个机械手。
进一步地，每套所述臂部摆动机构为双传动支链，每条传动支链包括肩部传动轮组、大臂受力杆、肘部传动轮组、小臂受力杆、肩部传动轴、肘部传动轴和肩部支座，大臂受力杆为中空结构；
肩部传动轮组包含两个电机和带有轮槽的两个肩部传动轮，肘部传动轮组包含带有轮槽的两个肘部传动轮，两个电机安装在肩部支座上；
大臂受力杆的一端和两个肩部传动轮安装在肩部传动轴上，肩部传动轴转动安装在肩部支座上，肩部支座固装在肩部内收外摆机构上；
小臂受力杆的一端和两个肘部传动轮安装在肘部传动轴上，肘部传动轴转动安装在大臂受力杆的另一端；
两个电机、两个肩部传动轮和两个肘部传动轮一一对应分成两组，其中一组的肩部传动轮与肘部传动轮通过穿过大臂受力杆及以正绕方式布置在轮槽内的钢丝绳连接，其中一组的电机与肩部传动轮通过钢丝绳连接；另一组的肩部传动轮与肘部传动轮通过穿过大臂受力杆及以反绕方式布置在轮槽内的钢丝绳连接，另一组的电机与肩部传动轮通过钢丝绳连接；双传动支链中的两个小臂受力杆的另一端通过球面副与对应的一个握把的端部连接，该握把上安装有机械手。
进一步地，每套所述肩部内收外摆机构包括主动带轮、从动带轮、驱动电机、背部连接轴和皮带；主动带轮安装在驱动电机的输出轴上，驱动电机安装在背部悬挂架上，背部悬挂架上安装有可旋转的背部连接轴，肩部支座安装在背部连接轴上，从动带轮安装在背部连接轴上，主动带轮和从动带轮通过皮带传动。
本发明相比现有技术的有益效果是
1、本装置结构上采用了串并混联型设计，具有两种不同的工作方式，一种是本实用新型串并混联型工作方式，目的是进行搬运重物；与传统的串联关节型设计相比刚度得到了提升，并且工作方式更为多样，同时具有更高的驱动能力，与单一的并联型设计相比空间自由度得到了扩展，增强了外肢体机器人的可运动灵活性。另一种是串联型工作方式，可以进行步行助力。
2、重量较重的执行器与储能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，操作者与外肢体装置间只有手部握把位置是进行直接接触的。在使用装置的过程中，操作者的手臂可以自如的从装置的两条传动支链中穿过伸展，避免了传统串联关节型上肢外肢体关节捆绑给操作者带来的不适感。
4、该外肢体机器人的传动轮更易带动臂部摆动，使操作者在使用时降低摆臂的顿挫感，提升了机器人的灵活性以及使用舒适性。
5、装置末端装配了电机驱动的机械爪与手部握把相连接，使用者可以通过控制电机开关控制机械爪的张合运动，以使机械爪抓取或放下重物，极大程度上提高了外肢体机器人在助力搬运重物方面的实用性。上肢外肢体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。
附图说明
图1为本发明整体结构立体图；
图2为穿戴式变构型外肢体机器人的侧视图；
图3为穿戴式变构型外肢体机器人的后视图；
图4为握把和机械手连接关系示意图；
图5为电机和肩部传动轮连接关系示意图；
图6为肩部传动轮与肘部传动轮以钢丝绳正绕方式布置示意图；
图7为肩部传动轮与肘部传动轮以钢丝绳反绕方式布置示意图；
图8为肩部内收外摆机构示意图；
图9为操作者穿戴本发明外肢体机器人的轴测图；
图10为操作者穿戴本发明外肢体机器人的侧视图。
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所示，本实施方式的穿戴式变构型外肢体机器人包括背部悬挂架4、机械手5、两个握把1、两套臂部摆动机构3和四套肩部内收外摆机构2；
背部悬挂架4上左右两侧分别布置有两套肩部内收外摆机构2；
每两套肩部内收外摆机构2连接有一套臂部摆动机构3，两套臂部摆动机构3对称设置，每套臂部摆动机构3末端安装有一个握把1，每个握把1上连接有一个机械手5。
如图2-图5所示，较佳地，每套所述臂部摆动机构3为双传动支链，每条传动支链包括肩部传动轮组、大臂受力杆32-2、肘部传动轮组、小臂受力杆32-4、肩部传动轴32-5、肘部传动轴32-7和肩部支座32-6，大臂受力杆32-2为中空结构；
肩部传动轮组包含两个电机32-0和带有轮槽的两个肩部传动轮32-1，肘部传动轮组包含带有轮槽的两个肘部传动轮32-3，两个电机32-0安装在肩部支座32-6上；
大臂受力杆32-2的一端和两个肩部传动轮32-1安装在肩部传动轴32-5上，肩部传动轴32-5转动安装在肩部支座32-6上，肩部支座32-6固装在肩部内收外摆机构2上；
小臂受力杆32-4的一端和两个肘部传动轮32-3安装在肘部传动轴32-7上，肘部传动轴32-7转动安装在大臂受力杆32-2的另一端；
两个电机32-0、两个肩部传动轮32-1和两个肘部传动轮32-3一一对应分成两组，其中一组的肩部传动轮32-1与肘部传动轮32-3通过穿过大臂受力杆32-2及以正绕方式布置在轮槽内的钢丝绳连接，其中一组的电机32-0与肩部传动轮32-1通过钢丝绳连接；另一组的肩部传动轮32-1与肘部传动轮32-3通过穿过大臂受力杆32-2及以反绕方式布置在轮槽内的钢丝绳连接，另一组的电机32-0与肩部传动轮32-1通过钢丝绳连接；
双传动支链中的两个小臂受力杆32-4的另一端通过球面副6与对应的一个握把1的端部连接，该握把1上安装有机械手5。
图4是外肢体机器人握把1及与外界交互作用结构，图4中手部的握把1上端的球面副6与上肢小臂受力杆32-4相连，握把1下端球面副6与下肢小臂受力杆32-4相连，此时握把1可以视为并联机构末端动平台，这个动平台在空间中具有6个主动自由度，包括3个移动自由度以及3个旋转自由度，这些自由度的运动都是可以通过耦合该并联机构所拥有的8个驱动电机的输出特性来进行主动驱动的，这样的特性使得连接在握把支架7上的单电机驱动机械爪5可以实现全方位的运动，也使得驱动电机的性能得到充分的发挥，提高了装置的工作能力。其中手部握把的设计符合手部握姿人体工学，在使用者与外肢体机器人的交互过程中可以提高使用舒适性，大幅降低手部长时间保持握持姿态时的酸痛感。
图2和图3所示，是外肢体机器人动力传动结构，并且该结构是外肢体机器人最重要的结构组成部分。从图2中可以看出，该动力传动结构由肩部传动轮32-1分别受电机驱动的钢丝绳牵引，通过控制器控制电机的转速及方向能够使其绕顺时针或逆时针方向主动转动。
两只肩部传动轮32-1通过键与肩部传动轴32-5固定配合，当肩部传动轮32-1转动时便会带动大臂受力杆32-2摆动。肩部传动轮32-1与肘部传动轮32-3通过图6和图7所示两根钢丝绳正绕以及反绕方式相连接，两只肩部传动轮32-1分别受两台电机驱动，且两只肩部传动轮32-1由于相互固定，在运动时任意时刻具有相同的角速度，但可控制电机使其具有大小不相同的力矩，图6所示，其中一组的肩部传动轮32-1与肘部传动轮32-3以钢丝绳33正绕方式连接，因此肘部传动轮32-3具有与肩部传动轮32-1相同的力矩方向；图7所示，另一组的肩部传动轮32-1与肘部传动轮32-3以钢丝绳33反绕方式连接，因此，肘部传动轮32-3具有与肩部传动轮32-1相反的力矩方向；假设肩部传动轮32-1力矩为T1，肘部传动轮32-3力矩为T2，在肩关节处驱动力矩为T1+T2，在肘关节处驱动力矩为T1-T2。由于肘关节在推举重物时所需驱动力矩相较于肩关节较小，因此这种设计可以充分利用驱动电机的驱动能力，变相提高了装置单支链的带负载能力。通过上述钢丝绳缠绕方式以及电机的驱动即可控制上下肢臂受力杆进行助力摆动。
较佳地，如图8所示，每套所述肩部内收外摆机构2包括主动带轮2-1、从动带轮2-2、驱动电机2-3、背部连接轴2-4和皮带2-5；
主动带轮2-1安装在驱动电机2-3的输出轴上，驱动电机2-3安装在背部悬挂架4上，背部悬挂架4上安装有可旋转的背部连接轴2-4，肩部支座32-6安装在背部连接轴2-4上，从动带轮2-2安装在背部连接轴2-4上，主动带轮2-1和从动带轮2-2通过皮带2-5传动。该结构通过控制器控制由驱动电机2-3带动主动带轮2-1旋转，主动带轮2-1与从动带轮2-2通过皮带2-5连接，使从动带轮2-2随之转动，从动带轮2-2通过键与大臂受力杆32-2与背部连接轴2-4相对固定，通过该背部连接轴2-4带动大臂受力杆32-2及小臂受力杆32-4进行内收或外摆运动。作为上方案的改进，大臂受力杆32-2和小臂受力杆32-4均为碳纤维管。碳纤维管大幅降低了外肢体机器人的整体质量，也使的臂部转动惯量降低，传动轮更易带动臂部摆动，使操作者在使用时降低摆臂的顿挫感，提升了机器人的灵活性以及使用舒适性。
较佳地，如图3所示，背部悬挂架4包括主体承重板4-3、外肢体承重板4-1、腰部承重板4-4和肩带；外肢体承重板4-1与主体承重板4-3连接，主体承重板4-3与腰部承重板4-4连接，外肢体承重板4-1和腰部承重板4-4之间连接有能穿戴于背部的肩带。
如图3所示，结合图9和图10说明，使用者将背部悬挂架4通过肩带等负重方式将其穿戴在背部，背部悬挂架4由主体承重板4-3、外肢体承重板4-1、电源及驱动悬挂架4-2以及腰部承重板4-4组成。背部悬挂架4主要承担电源及电机驱动的承载作用，以及与使用者之间进行直接的身体接触，由于背部是人体与外肢体可接触面积最大的区域，通过背部穿戴方式可使操作者减轻压力。
图10是外肢体机器人的背部悬挂架4的侧视图。如图10所示，与主体承重板4-3相连接的腰背连接板4-5具有符合人体腰部流线的结构设计，该设计符合人体工学的理念，通过与使用者背部以及腰部的紧密贴合，可以大幅减轻使用者背负外肢体机器人时的承受压力，极大程度上提高了使用者穿戴外肢体机器人时的舒适性。
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 (4)
1.穿戴式变构型外肢体机器人，其特征在于：包括背部悬挂架（4）、机械手（5）、两个握把（1）、两套臂部摆动机构（3）和四套肩部内收外摆机构（2）；
背部悬挂架（4）上左右两侧分别布置有两套肩部内收外摆机构（2）；
每两套肩部内收外摆机构（2）连接有一套臂部摆动机构（3），两套臂部摆动机构（3）对称设置，每套臂部摆动机构（3）末端安装有一个握把（1），每个握把（1）上连接有一个机械手（5）；
每套所述臂部摆动机构（3）为双传动支链，每条传动支链包括肩部传动轮组、大臂受力杆（32-2）、肘部传动轮组、小臂受力杆（32-4）、肩部传动轴（32-5）、肘部传动轴（32-7）和肩部支座（32-6），大臂受力杆（32-2）为中空结构；
肩部传动轮组包含两个电机（32-0）和带有轮槽的两个肩部传动轮（32-1），肘部传动轮组包含带有轮槽的两个肘部传动轮（32-3），两个电机（32-0）安装在肩部支座（32-6）上；
大臂受力杆（32-2）的一端和两个肩部传动轮（32-1）安装在肩部传动轴（32-5）上，肩部传动轴（32-5）转动安装在肩部支座（32-6）上，肩部支座（32-6）固装在肩部内收外摆机构（2）上；
小臂受力杆（32-4）的一端和两个肘部传动轮（32-3）安装在肘部传动轴（32-7）上，肘部传动轴（32-7）转动安装在大臂受力杆（32-2）的另一端；
两个电机（32-0）、两个肩部传动轮（32-1)和两个肘部传动轮（32-3）一一对应分成两组，其中一组的肩部传动轮（32-1）与肘部传动轮（32-3）通过穿过大臂受力杆（32-2）及以正绕方式布置在轮槽内的钢丝绳连接，其中一组的电机（32-0）与肩部传动轮（32-1）通过钢丝绳连接；另一组的肩部传动轮（32-1）与肘部传动轮（32-3）通过穿过大臂受力杆（32-2）及以反绕方式布置在轮槽内的钢丝绳连接，另一组的电机（32-0）与肩部传动轮（32-1）通过钢丝绳连接；
双传动支链中的两个小臂受力杆（32-4）的另一端通过球面副（6）与对应的一个握把（1）的端部连接，该握把（1）上安装有机械手（5）。
2.根据权利要求1所述穿戴式变构型外肢体机器人，其特征在于：每套所述肩部内收外摆机构（2）包括主动带轮（2-1）、从动带轮（2-2）、驱动电机（2-3）、背部连接轴（2-4）和皮带（2-5）；
主动带轮（2-1）安装在驱动电机（2-3）的输出轴上，驱动电机（2-3）安装在背部悬挂架（4）上，背部悬挂架（4）上安装有可旋转的背部连接轴（2-4），肩部支座（32-6）安装在背部连接轴（2-4）上，从动带轮（2-2）安装在背部连接轴（2-4）上，主动带轮（2-1）和从动带轮（2-2）通过皮带（2-5）传动。
3.根据权利要求2所述穿戴式变构型外肢体机器人，其特征在于：背部悬挂架（4）包括主体承重板（4-3）、外肢体承重板（4-1）、腰部承重板（4-4）和肩带；外肢体承重板（4-1）与主体承重板（4-3）连接，主体承重板（4-3）与腰部承重板（4-4）连接，外肢体承重板（4-1）和腰部承重板（4-4）之间连接有能穿戴于背部的肩带。
4.根据权利要求3所述穿戴式变构型外肢体机器人，其特征在于：所述大臂受力杆（32-2）和小臂受力杆（32-4）均为碳纤维管。
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