CN109129443B - 一种助力上肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力上肢外骨骼机器人，包括依次连接的小臂运动机构、肘关节运动机构、大臂运动机构、肩关节屈曲运动机构和肩关节水平运动机构；小臂运动机构与大臂运动机构一致，均包括弧形轨道以及设置在弧形轨道外表面的关节基座，关节基座上设置有行走轮，行走轮通过扭矩传感器与手臂动力组件连接，行走轮对应的弧形轨道外表面设置有齿条，行走轮与齿条啮合连接，关节基座上还设置有限位组件，限位组件限制关节基座沿弧形轨道的弧形方向运动。本发明通过多关节配合，有效提高了外骨骼机器人与人体的耦合性。

Description

一种助力上肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种助力上肢外骨骼机器人。

背景技术

自从人类创建文明以来，不断从事体力劳动，并且也不断创造发明新型的工具来帮助人们解决困难，提高效率，但始终无法超越人体体能的极限，以及由于生病衰老造成体能下降的问题。同时人们在正常的劳动过程中，也存在着因为人体体能下降等原因，造成人们工作效率降化，甚至造成潜在的安全隐患。近年来,外骨骼的研究发展，非常具有创造性的将人类的脑力和外部机械能量巧融合，使机械有了思维，该方案的提出给人们提供一种解决人体体能极限的新思路。

随着科技的发展，军事装备不断得到更新换代，高科技武器已经改变了整个战争的形态，单兵逐渐成为了战争的主体，随着军事装备的升级，单兵作战装备的重量也在逐渐增加。除了装备的重量增加之外，士兵消耗的物资也在逐渐增加，第二次大战期间，士兵每天的物资消耗为20千克，越南战争期间达90千克，而到了海湾战争时期则达到200千克，庞大的物资消耗必然对后勤补给增加了负担，尤其在山区、丘陵等复杂环境下，轮式车辆受到限制，物资只能靠人工运送，这对士兵的体力也是一个挑战。

外骨骼机器人由于其民用和军用价值，具有巨大的研究意义，已经成为国内外专家学者的一个重要研究方向。人体上肢分为肩、大臂、肘、小臂和手，通过机器人的每个关节来实现人体上肢的各种运动，包括伸、屈、外展、内收和回旋。当前的外骨骼机器人与人体的耦合性差，使用效果不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种助力上肢外骨骼机器人，通过多关节配合，有效提高了外骨骼机器人与人体的耦合性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种助力上肢外骨骼机器人，包括依次连接的小臂运动机构、肘关节运动机构、大臂运动机构、肩关节屈曲运动机构和肩关节水平运动机构；

所述小臂运动机构与大臂运动机构一致，均包括弧形轨道以及设置在弧形轨道外表面的关节基座，所述关节基座上设置有行走轮，所述行走轮通过扭矩传感器与手臂动力组件连接，所述行走轮对应的弧形轨道外表面设置有齿条，所述行走轮与齿条啮合连接，所述关节基座上还设置有限位组件，所述限位组件限制关节基座沿弧形轨道的弧形方向运动；

所述小臂运动机构的关节基座上设置有手持回转转接臂；

所述肘关节运动机构包括肘关节旋转动力组件，所述肘关节旋转动力组件设置在肘关节连接座上并且旋转输出端设置有小臂摆动板，所述小臂摆动板与小臂运动机构的弧形轨道连接，所述肘关节连接座与大臂运动机构的关节基座固定连接；

所述肩关节屈曲运动机构包括第一肩关节旋转动力组件，所述第一肩关节旋转动力组件设置在肩关节连接座上并且旋转输出端设置有大臂摆动板，所述大臂摆动板与大臂运动机构的弧形轨道连接；

所述肩关节水平运动机构包括第二肩关节旋转动力组件，所述第二肩关节旋转动力组件设置在固定连接座上并且旋转输出端设置有转接臂摆动板，所述转接臂摆动板与肩关节连接座固定连接并呈直角设置，所述固定连接座用于与机架或者机器人本体连接。

进一步的，所述手臂动力组件包括依次连接的手臂编码器、手臂刹车器、手臂电机、手臂减速器和手臂扭矩传感器，所述手臂减速器安装在动力安装板上，所述动力安装板固定在关节基座上，所述手臂减速器的输出端与手臂扭矩传感器连接。

所述肘关节旋转动力组件、第一肩关节旋转动力组件和第二肩关节旋转动力组件一致，均包括依次连接的关节编码器、关节刹车器、关节电机、关节减速器和关节扭矩传感器，所述关节电机和关节减速器之间通过传动皮带连接。

进一步的，所述齿条为带齿皮条，所述带齿皮条贴合弧形轨道外表面设置，并且两端均设置有夹持部，所述夹持部固定设置在弧形轨道上。

进一步的，所述弧形轨道两侧边上均设置有限位组件，限位组件包括至少三个限位轮，至少三个限位轮分布设置在弧形轨道的外表面以及内表面上并抵接。

进一步的，所述手持回转转接臂包括两个L型支板，两个L型支板平行设置，并且长端固定在关节基座上、两个短端之间设置有辅助搭持部。

进一步的，所述肘关节连接座与大臂运动机构的关节基座之间还设置有转接座，所述转接座与肘关节连接座之间设置有调节锁固部。

进一步的，所述行走轮位于轴向的两侧边均设置有防护导向板，所述行走轮与齿条啮合时，两个防护导向板位于齿条两侧边。

进一步的，所述机架包括安装横梁，安装横梁上设置有安装板，所述安装板上设置有高度调节孔，所述安装横梁为型材钢并且表面设置有滑动锁固槽。

进一步的，所述手臂电机设置在可调节底座上。

本发明的有益效果：

1、采用三个关节处运动机构以及两个手臂处运动机构，以提高使用时转动角度的丰富性，并且每个机构均独立运动，运行时相互之间的影响小，提高运行精度；

2、整体分为五个运动机构，其中小臂运动机构与大臂运动机构运动原理与结构相似，肘关节运动机构、肩关节屈曲运动机构与肩关节水平运动机构的运动原理与结构相似，大大的减少了设计成本；

3、采用弧形轨道、齿条、行走轮配合，能够实现关节基座沿弧形轨道外周转动，关节基座带动上肢进行转动，当上肢位于关节基座转动中心时，即达到了上肢回转的效果，整体结构简单，运行稳定可靠，并且与人体匹配运动极佳。

附图说明

图1是本发明与机架连接的结构示意图；

图2是本发明的小臂运动机构与手持回转转接臂连接示意图；

图3是本发明的关节基座上部结构示意图；

图4是本发明的关节基座下部结构示意图；

图5是本发明的弧形轨道部分示意图；

图6是本发明的助力上肢外骨骼结构示意图；

图7是本发明的肩关节屈曲运动机构和肩关节水平运动机构配合示意图；

图8是本发明的小臂运动机构、肘关节运动机构和大臂运动机构之间的配合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的助力上肢外骨骼机器人的一实施例，包括依次连接的小臂运动机构1、肘关节运动机构2、大臂运动机构3、肩关节屈曲运动机构4和肩关节水平运动机构5；该结构与机架54连接，起到支撑使用的效果；在使用时，小臂运动机构、肘关节运动机构、大臂运动机构、肩关节屈曲运动机构和肩关节水平运动机构分别模拟5个不同位置上的上肢动作，其中小臂运动机构与大臂运动机构运动原理与结构一致，均为回转运动，当上肢的小臂做回转运动时，由小臂运动机构辅助动作，当上肢的大臂做回转运动时，由大臂运动机构辅助动作；肘关节运动机构、肩关节屈曲运动机构与肩关节水平运动机构的运动原理与结构相似，均为摆动运动，通过旋转摆动，达到上肢的小臂和大臂做屈曲运动以及水平运动，多个机构相似性大(结构基本一致)，可以大大的减少了设计成本。并且通过上述的模块化关节组合结构，实现需要的机器人自由度数，逐级连接运动机构，通过模块化设计，减轻机器人本体重量，可以实现机器人轻量化。

其中，机架包括安装横梁541，安装横梁上设置有安装板542，安装板上设置有高度调节孔，安装横梁为型材钢并且表面设置有滑动锁固槽，便于调节安装，适合不同身高体态的人使用。

参照图2至图5所示，具体的，上述的小臂运动机构与大臂运动机构均包括弧形轨道11以及设置在弧形轨道外表面的关节基座12，关节基座上设置有行走轮13，行走轮通过手臂扭矩传感器14与手臂动力组件15连接，行走轮对应的弧形轨道外表面设置有齿条16，行走轮与齿条啮合连接，关节基座上还设置有限位组件17，限位组件限制关节基座沿弧形轨道的弧形方向运动。在使用时，手臂动力组件驱动行走轮转动，行走轮转动后能够带动关节基座沿弧形轨道表面移动，即关节基座能够沿圆心做摆动，当上肢的小臂和大臂位于关节基座摆动的圆心处，且关节基座移动时，关节基座即可带动上肢做回转运动；本关节为弧形组件，因此可以设置在上肢外侧部分，对于人体不会有妨碍，使用体验效果好。

在行走轮位于轴向的两侧边均设置有防护导向板18，行走轮与齿条啮合时，两个防护导向板位于齿条两侧边，起到限位的效果，有效保证齿条和行走轮的相对位置。齿条可以为带齿皮条，带齿皮条贴合弧形轨道外表面设置，并且两端均设置有夹持部114，夹持部固定设置在弧形轨道上，夹持部具有将带齿皮条拉紧的作用，稳定回转。带齿皮条与行走轮配合运动，具有转动稳定的效果，通过带齿皮条自身柔性，降低运行时的振动等问题，提高运行舒适度。

手臂动力组件包括依次连接的手臂编码器19、手臂刹车器110、手臂电机111和手臂减速器112，减速器安装在动力安装板113上，动力安装板固定在关节基座上，手臂减速器的输出端与手臂扭矩传感器连接。手臂电机转动带动手臂减速器输出，其中手臂刹车器保证输出停止的稳定性，手臂编码器进行编程控制，以满足控制需求，形成独立运行系统。

上述的限位组件为2，分别设置在弧形轨道两侧边上，限位组件包括至少三个限位轮115，至少三个限位轮分布设置在弧形轨道的外表面以及内表面上并抵接，可以设置为4个，有效保证运行时的稳定性和顺畅度，减少摩擦。外表面以及内表面的分布使得限位轮能够限制关节基座的移动，关节基座只能够沿弧形轨道的弧形方向运动；其中限位轮中部设置有凸环结构，凸环结构对应的弧形轨道表面设置有限位凹部，配合后实现轴向方向的限位。

在使用时，可以再关节基座上安装手持回转转接臂7，手持回转转接臂用于与上肢连接，用于传递回转动力；手持回转转接臂包括两个L型支板116，两个L型支板平行设置，并且长端固定在关节基座上、两个短端之间设置有辅助搭持部117，L型支板具有转折连接的效果，适合在上肢外侧传递回转动力至上肢内侧，辅助搭持部可以用于手持，或者便于上肢摆放的手持支架连接；关节基座在移动时，能够通过手持回转转接臂带动手持支架沿圆周移动，上肢搭设在手持支架上，此时上肢为手持支架的转动圆心，因此有效形成回转效果。

上述弧形轨道的内表面上设置有安装连接座1171，安装连接座与穿戴组件支架连接，安装连接座上设置有弧形避让部118，便于上肢伸入。穿戴组件支架为相对固定的结构，因此在关节基座移动时，弧形轨道保持不动。安装连接座对应的弧形轨道上设置有安装槽119，安装连接座与安装槽的槽壁固定连接，保证连接稳定性，以及组装的便捷性。

为了提高运行稳定性，在弧形轨道上还设置有限位开关，关节基座上设置有与限位开关配合的限位触发挡件120，当回转运动到最大位置时，限位触发挡件触发限位开关，保证使用稳定性。

参照图6至图8所示，肘关节运动机构包括肘关节旋转动力组件21，肘关节旋转动力组件设置在肘关节连接座22上并且旋转输出端设置有小臂摆动板23，小臂摆动板与小臂运动机构的弧形轨道连接，肘关节连接座与大臂运动机构的关节基座固定连接；肘关节旋转动力组件安装在肘关节连接座上固定并与肘关节连接座同步动作，肘关节旋转动力组件主要用于驱动小臂摆动板动作，以模拟肘关节运动，其中，小臂摆动板带动小臂运动机构同步移动。

肩关节屈曲运动机构包括第一肩关节旋转动力组件41，第一肩关节旋转动力组件设置在肩关节连接座42上并且旋转输出端设置有大臂摆动板43，大臂摆动板与大臂运动机构的弧形轨道连接；第一肩关节旋转动力组件安装在肩关节连接座上固定并与肩关节连接座同步动作，第一肩关节旋转动力组件主要用于驱动大臂摆动板动作，以模拟肩关节在设置方向上的转动运动，其中大臂摆动板带动大臂运动机构同步移动。

肩关节水平运动机构包括第二肩关节旋转动力组件51，第二肩关节旋转动力组件设置在固定连接座52上并且旋转输出端设置有转接臂摆动板53，转接臂摆动板与肩关节连接座固定连接并呈直角设置，固定连接座用于与机架54或者机器人本体连接。第二肩关节旋转动力组件安装在固定连接座上固定，第一肩关节旋转动力组件主要用于驱动肩关节连接座动作，与肩关节屈曲运动机构配合达到多动作效果；

肘关节旋转动力组件、第一肩关节旋转动力组件和第二肩关节旋转动力组件一致，均包括依次连接的关节编码器61、关节刹车器62、关节电机63、关节减速器64和关节扭矩传感器65，关节电机和关节减速器之间通过传动皮带66连接。传动皮带使得上述机构可以并排布置，从而保证整体结构紧凑，方便安装。

上述的手臂扭矩传感器和关节扭矩传感器的设置，能够检测回转力度，从而保证动力组件输出动力或者停止输出具有判断。

在一实施例中，可以根据关节扭矩传感器和手臂实扭矩传感器时检测使用者上肢的动作，当使用者上肢回转或者关节运动时，传感器(关节扭矩传感器和手臂实扭矩传感器)能够检测到转动力以及转动方向，通过对转动力以及转动方向的判别控制多个对应的动力组件(肘关节旋转动力组件、第一肩关节旋转动力组件、第二肩关节旋转动力组件和手臂动力组件)输出同向转动动力，辅助运动；从而使得本关节为一个主动回转的机构，提高使用体验感以及关节的智能化水平。并且每个动力组件均对应有传感器，因此每个动力组件均为独立动作的，有效降低相互运动之间的牵制，使得模块化组装配合更为简单。

上述的手臂电机设置在可调节底座上，通过对手臂电机移动后固定，可以对皮带进行撑开，达到方便安装和调节的效果。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，包括依次连接的小臂运动机构、肘关节运动机构、大臂运动机构、肩关节屈曲运动机构和肩关节水平运动机构；

所述小臂运动机构与大臂运动机构一致，均包括弧形轨道以及设置在弧形轨道外表面的关节基座，所述关节基座上设置有行走轮，所述行走轮通过手臂扭矩传感器与手臂动力组件连接，所述行走轮对应的弧形轨道外表面设置有齿条，所述行走轮与齿条啮合连接，所述关节基座上还设置有限位组件，所述限位组件限制关节基座沿弧形轨道的弧形方向运动；

所述小臂运动机构的关节基座上设置有手持回转转接臂；

所述肘关节运动机构包括肘关节旋转动力组件，所述肘关节旋转动力组件设置在肘关节连接座上并且旋转输出端设置有小臂摆动板，所述小臂摆动板与小臂运动机构的弧形轨道连接，所述肘关节连接座与大臂运动机构的关节基座固定连接；

所述肩关节屈曲运动机构包括第一肩关节旋转动力组件，所述第一肩关节旋转动力组件设置在肩关节连接座上并且旋转输出端设置有大臂摆动板，所述大臂摆动板与大臂运动机构的弧形轨道连接；

所述肩关节水平运动机构包括第二肩关节旋转动力组件，所述第二肩关节旋转动力组件设置在固定连接座上并且旋转输出端设置有转接臂摆动板，所述转接臂摆动板与肩关节连接座固定连接并呈直角设置，所述固定连接座用于与机架或者机器人本体连接。

2.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述手臂动力组件包括依次连接的手臂编码器、手臂刹车器、手臂电机、手臂减速器和手臂扭矩传感器，所述手臂减速器安装在动力安装板上，所述动力安装板固定在关节基座上，所述手臂减速器的输出端与手臂扭矩传感器连接；

所述肘关节旋转动力组件、第一肩关节旋转动力组件和第二肩关节旋转动力组件一致，均包括依次连接的关节编码器、关节刹车器、关节电机、关节减速器和关节扭矩传感器，所述关节电机和关节减速器之间通过传动皮带连接。

3.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述齿条为带齿皮条，所述带齿皮条贴合弧形轨道外表面设置，并且两端均设置有夹持部，所述夹持部固定设置在弧形轨道上。

4.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述弧形轨道两侧边上均设置有限位组件，限位组件包括至少三个限位轮，至少三个限位轮分布设置在弧形轨道的外表面以及内表面上并抵接。

5.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述手持回转转接臂包括两个L型支板，两个L型支板平行设置，并且长端固定在关节基座上、两个短端之间设置有辅助搭持部。

6.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述肘关节连接座与大臂运动机构的关节基座之间还设置有转接座，所述转接座与肘关节连接座之间设置有调节锁固部。

7.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述行走轮位于轴向的两侧边均设置有防护导向板，所述行走轮与齿条啮合时，两个防护导向板位于齿条两侧边。

8.如权利要求1所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述机架包括安装横梁，安装横梁上设置有安装板，所述安装板上设置有高度调节孔，所述安装横梁为型材钢并且表面设置有滑动锁固槽。

9.如权利要求2所述的助力上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述手臂电机设置在可调节底座上。