CN110202555B - 适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构及驱动方法，其结构包括基座、机械腕部组件、机械手部组件、电机驱动组件；所述的基座支撑整个上肢外骨骼腕部结构，所述的机械腕部组件与所述的基座连接，所述的机械手部组件与所述的机械腕部结构连接，所述的电机驱动组件作为整个上肢外骨骼腕部结构的动力源；所述的机械腕部结构主体部分采用双摇杆机构。本发明结构通过电动驱动的方式，实现了腕部两个自由度的运动，解决了现有电动驱动方式手部关节活动不全面的问题，降低了上肢外骨骼机械结构的成本。

Description

适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构及驱动方法
技术领域
本发明涉及上肢外骨骼机械领域，特别涉及一种适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构及驱动方法。
背景技术
上肢外骨骼是一种可穿戴的人机一体化智能装置，广泛应用于军事、工业和人体康复训练领域。因此，开发和应用上肢外骨骼具有非常现实的意义。
助力外骨骼始于1960年美国GE公司研制的单兵助力外骨骼Hardiman，该系统用于增强士兵的手臂持重能力。加拿大伯克利分校、美国雷声公司、日本筑波大学、韩国汉阳大学等相继研制了不同结构形式的外骨骼机器人。这些外骨骼系统多采用气压、液压和电动驱动，主要应用于军事和医疗康复领域。国内，针对外骨骼技术的研究处于起步阶段，但起点高，发展比较迅速。其中，清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、华中科技大学、西安交通大学中国科学院、河北工业大学等高校研究所等正在开展相关研究开发，多数尚未运用于实际。
如北京工业大学申请的一种柔性上肢助力外骨骼(108578173A)，包括外骨骼柔性执行部件和控制系统。柔性上肢助力外骨骼主要以负压旋转气动人工肌肉作为柔性驱动元件，一个微型真空抽气泵为负压源，控制系统根据力传感器、表面肌电传感器以及惯性测量单元对肌肉力、肘关节角度以及人机交互力等进行测量，对上肢力、位和运动信息反馈进行实时处理，并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空抽气泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左臂和右臂上穿戴的外骨骼柔性执行部件上相应的负压旋转气动人工肌肉进行压力控制，在上肢活动过程中实时为左、右臂提供辅助肘关节弯曲和伸展的转矩，达到为肘关节助力以及肘关节运动损伤康复训练的目的。
又如电子科技大学申请的一种上肢助力外骨骼驱动系统(107671848A)，它是由：上臂气液驱动缸、背带、肩部内侧关节、肩部前伸关节、下臂气液驱动缸、肘关节、下臂支撑架组成。本发明采用以气液串联缸作为上肢助力外骨骼机构中肩关节和肘关节的驱动执行器，可在保留原气动系统快速性的基础上，通过液压部分增强系统刚度和稳定性，克服气动系统稳定性差，系统结构刚度低等缺点，同时提高系统柔顺能力和运行精度。
总体来说，目前的国内外助力外骨骼机器人系统的驱动结构主要采用电动、液压和气压三种。液压驱动的助力外骨骼机器人负重能力强，刚度大，但系统重量大，油液容易泄露，柔顺能力差；气压驱动的外骨骼机器人装置轻巧，柔顺能力强，但系统结构刚度低，运动稳定性低。电动驱动方式的系统结构简单，精度高，但多数电动驱动方式的手部关节活动不全面。尤其是腕部结构的两个自由度实现过程难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电机驱动方式手部关节活动不全面的问题，提供了一种适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构及驱动方法。实现了腕关节的圆周运动和外摆内收两个自由度的运动。
本发明的技术方案是这样实现的：
包括基座、机械腕部组件、机械手部组件、电机驱动组件；所述的基座支撑整个上肢外骨骼腕部结构，所述的机械腕部组件与所述的基座连接，所述的机械手部组件与所述的机械腕部结构连接，所述的电机驱动组件作为整个上肢外骨骼腕部结构的动力源；所述的机械腕部结构主体部分采用双摇杆机构。
进一步的，所述的齿轮组件包括主动齿轮、从动齿轮；所述的主动齿轮与前臂驱动轴连接，所述的主动齿轮与从动齿轮均为模数相等、分度圆相等的标准齿轮；所述的第三从动齿轮与连杆组件连接；所述从动齿轮同时与齿轮固定组件连接。
进一步的，所述的齿轮固定组件包括齿轮固定杆、齿轮固定轴和齿轮固定架；所述的齿轮固定架和前臂夹板连接，所述的齿轮固定杆和齿轮固定架连接，所述的齿轮固定轴和前臂夹板连接。
进一步的，所述的连杆组件包括连杆、传动杆、连杆固定架、卡簧轴、卡簧、填充圆环；所述传动杆为L型，使得动力由第三从动齿轮传递到驱动连杆；所述的连杆及摇杆组成双摇杆机构，所述的腕部连杆与从动连杆连接，使得腕部连杆可以跟随从动连杆进行同步运动；所述的连杆固定件带有螺纹孔，使得连杆组件和前臂夹板固定在一起；所述的卡簧与所述的卡簧轴连接，使得所述的驱动连杆与从动连杆、从动连杆与摇杆、摇杆与连杆固定件组成转动副；所述的填充圆环与腕部连杆及从动连杆连接，使得机械腕部结构与机械手部结构有足够的运动空间。
进一步的，所述的电位器组件包括前臂电位器与前臂电位器固定架、前臂电位器支架；所述的前臂电位器与前臂驱动轴连接，使得前臂电位器可以测量关节运动角度；所述的电位器固定架与前臂电位器支架连接，所述的前臂电位器支架与前臂夹板连接。
更进一步的，所述的限制运动环组件包括限制环、限制轴、限制环固定螺纹环、限制环固定件；所述的限制环为半圆环形，下缘较宽，使得限制环可以承受限制轴运动的力；所述的限制环中间开有滑槽，使得限制轴可以在滑槽中运动；所述的限制环下缘开有通孔，使得限制环可以与限制环固定螺纹环连接；所述的限制轴为圆柱形，与机械手部组件相连的一端底面开有螺纹孔，使得机械手部组件与限制轴通过螺钉连接；所述的限制轴与限制环相连的一端开有两个卡簧槽；所述的限制环固定件与限制环固定螺纹环及前臂夹板连接，使得限制环得到固定。
所述的机械手部组件包括连接轴、夹板、手部连接夹板、连接件、电机固定架、电位器组件、握把组件；所述的连接轴与夹板及腕部连杆连接；所述的连接轴为两段圆柱型；所述的连接轴与夹板连接的一端底面开有螺纹孔，使得所述的夹板与连接轴固定；所述的连接轴与腕部连杆连接的一端开有卡簧槽，使得连接轴与腕部连杆固定；所述的连接件与手部连接夹板连接，所述的手部步进电机固定架与电机连接件连接，使得所述的电机驱动组件得到固定；所述的电位器组件与电位器连接件连接，使得所述的电位器组件得到固定；所述的握把组件与手部驱动轴连接，使得握把组件跟随驱动轴进行同步转动。
进一步的，所述的握把组件包括握把杆、握把杆固定件、握把垫板；所述的握把杆为圆柱形，两端底面开有螺纹孔；所述的握把杆固定件中心开有通孔，使得所述的握把杆与握把杆固定件得到固定；所述的握把垫板左右两侧开有滑槽，使得握把杆在滑槽中运动。
本发明的驱动方法是这样的：它采用一种电动驱动方式，其驱动方法包括以下步骤：前臂步进电机转动，带动双摇杆机构进行运动，带动与双摇杆机构连接的腕部连杆运动，带动与腕部连杆连接的机械手部组件进行摆动运动；限制轴在限制环的滑槽中运动，带动与限制轴连接的机械手部组件在进行摆动运动的同时转动，实现了腕部的圆周运动；手部步进电机转动，带动手部驱动轴转动，带动与手部驱动轴连接的握把组件转动，实现了腕部的外摆内收运动。
具体的，本发明的技术方案实现过程是这样的：前臂夹板与其余上肢外骨骼机械结构通过螺钉连接，前臂步进电机转动，带动前臂驱动轴转动，固定在前臂驱动轴上的前臂电位器跟随前臂驱动轴进行同步转动，测量前臂步进电机转动角度；固定在前臂驱动轴上的主动齿轮跟随前臂驱动轴进行同步运动，经过第一从动齿轮、第二从动齿轮的传递后第三从动齿轮转动，带动驱动连杆转动，驱动连杆与从动连杆组成转动副；从动连杆、摇杆组成双摇杆机构，驱动连杆转动带动双摇杆机构进行运动，带动从动连杆进行摆动运动，带动腕部连杆进行摆动运动，带动机械手部组件进行以连杆长度为半径的摆动运动；与机械手部组件连接的限制轴在限制环的滑槽中运动，带动机械手部组件进行摆动运动的同时进行转动，实现了上肢外骨骼机构腕部的圆周运动；手部步进电机转动，带动手部驱动轴转动，固定在手部驱动轴上的手部电位器跟随手部驱动轴进行同步转动，测量手部步进电机转动角度，固定在手部驱动轴上的握把组件转动，实现了上肢外骨骼机构腕部的外摆内收运动。
本发明的有益效果是：本发明机械结构采用步进电机带动双摇杆机构运动使机械手部组件进行摆动运动，采用限制环限制机械手部组件运动轨迹使机械手部组件进行摆动运动的同时进行转动，实现了腕部的圆周运功。采用步进电机带动握把组件转动实现了腕部的外摆内收运动。本发明实现了腕部的圆周运动和外摆内收运动，解决了现有电动驱动方式手部关节活动不全面的问题；本发明使用的电子元件及零件结构简单，加工难度小，降低了上肢外骨骼机械结构的成本，对于提升上肢外骨骼的优势意义重大。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的左视图；
图4是本发明的整体轴测图。
附图标记说明：1-前臂夹板，2-前臂步进电机，3-前臂步进电机固定架，4-前臂驱动轴，5-主动齿轮，6-第一从动齿轮，7-第二从动齿轮，8-第三从动齿轮，9-齿轮固定架，10-第一齿轮固定杆，11-第二齿轮固定杆，12-齿轮固定轴，13-前臂电位器，14-前臂电位器固定架，15-前臂电位器支架，16-传动杆，17-驱动连杆，18-从动连杆，19-摇杆，20-腕部连杆，21-填充圆环，22-固定卡簧轴，23-连接卡簧轴，24-卡簧，25-限制环，26-限制环固定螺纹环，27-限制环固定件，28-连杆固定件，29-限制轴，30-夹板，31-连接轴，32-手部连接夹板，33-电机连接件，34-电位器连接件，35-手部电位器，36-手部电位器固定架，37-手部电位器支架，38-手部步进电机，39-手部步进电机固定架，40-手部驱动轴，41-握把垫板，42-握把杆，43-握把杆固定件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明结构包括基座、电机驱动组件、机械腕部组件、机械手部组件；包括基座、机械腕部组件、机械手部组件、电机驱动组件；所述的基座支撑整个上肢外骨骼腕部结构，所述的机械腕部组件与所述的基座连接，所述的机械手部组件与所述的机械腕部结构连接，所述的电机驱动组件作为整个上肢外骨骼腕部结构的动力源；所述的机械腕部结构主体部分采用双摇杆机构。
基座部分包括前臂夹板1与前臂步进电机固定架3；前臂夹板1与机械腕部结构连接；前臂步进电机固定架3与电机驱动组件连接，使电机驱动组件保持固定。电机驱动组件包括前臂步进电机2与前臂驱动轴4，前臂步进电机2与前臂驱动轴4通过螺钉连接，前臂步进电机2转动时，带动前臂驱动轴4进行同步转动。
机械腕部结构包括齿轮组件、电位器组件、齿轮固定组件、连杆组件、限制运动环组件；齿轮组件与电机驱动模块连接，电位器组件与电机驱动组件连接；齿轮固定组件与齿轮组件连接；连杆组件与齿轮组件连接；限制运动环组件与连杆组件及前臂夹板1连接。
具体结构如图1-4所示，首先可以看到，前臂夹板1与其余上肢外骨骼机械结构连接，前臂步进电机固定架3与前臂步进电机2连接并固定在前臂夹板1上，前臂驱动轴4与前臂步进电机2连接，主动齿轮5与前臂驱动轴4通过螺钉连接，第一从动齿轮6与主动齿轮5啮合并与第一齿轮固定杆10连接，第二从动齿轮7与第一从动齿轮6啮合并与第二齿轮固定杆11连接，第三从动齿轮8与第二从动齿轮7啮合并与传动杆16连接，传动杆16与齿轮固定轴12连接，齿轮固定轴12与前臂夹板1连接；第一齿轮固定杆10及第二齿轮固定杆11与齿轮固定架9连接，齿轮固定架9固定在前臂夹板1上。
前臂电位器13与前臂电位器固定架14连接，前臂电位器固定架14与前臂电位器支架15连接，前臂电位器支架15固定在前臂夹板1上；驱动连杆17与传动杆16通过螺钉连接，从动连杆18通过连接卡簧轴23与摇杆19连接，摇杆19通过固定卡簧轴22与连杆固定件28连接，连杆固定件28固定在前臂夹板1上；固定卡簧轴22与连接卡簧轴23两端均开有卡簧槽并与卡簧24固定；填充圆环21(两端底面均开有螺纹孔)与从动连杆18连接，腕部连杆20与填充圆环21连接；半圆环形限制环25下缘开有通孔并与限制环固定螺纹环26(中间开有螺纹孔)连接，限制环固定螺纹环与限制环固定件27连接，限制环固定件27固定在前臂夹板1上。
连接轴31与腕部连杆20连接，夹板30同时与连接轴31及限制轴29连接，限制轴29在限制环25中间的滑槽中运动；手部连接夹板32与夹板30连接，电机连接件33与电位器连接件34固定在手部连接夹板31上；手部步进电机38固定在手部步进电机固定架39上，手部步进电机固定架39与电机连接件33连接；手部电位器35固定在手部电位器固定架36上，手部电位器固定架36与手部电位器支架37连接，手部电位器支架37与电位器连接件34连接；手部驱动轴40与手部步进电机38及手部电位器35连接，三者进行同步转动；握把垫板41与手部驱动轴40连接，握把杆42与握把杆固定件43连接，握把杆42在握把垫板41侧面中间的滑槽中运动。
本发明的实施例：通电后，前臂步进电机2转动，带动前臂驱动轴4转动，固定在前臂驱动轴4上的前臂电位器13跟随前臂驱动轴4进行同步转动，测量前臂步进电机2转动角度；固定在前臂驱动轴4上的主动齿轮5跟随前臂驱动轴4进行同步运动，经过第一从动齿轮6、第二从动齿轮7的传递后第三从动齿轮8转动，带动驱动连杆17转动，驱动连杆17与从动连杆18组成转动副；从动连杆18、摇杆19组成双摇杆机构，驱动连杆17转动带动双摇杆机构进行运动，带动从动连杆18进行摆动运动，带动腕部连杆20进行摆动运动，带动机械手部组件进行以连杆长度为半径的摆动运动。与机械手部组件连接的限制轴29在限制环25的滑槽中运动，带动机械手部组件进行摆动运动的同时进行转动，实现了上肢外骨骼机构腕部的圆周运动；手部步进电机38转动，带动手部驱动轴40转动，固定在手部驱动轴40上的手部电位器35跟随手部驱动轴40进行同步转动，测量手部步进电机38转动角度，固定在手部驱动轴40上的握把组件转动，实现了上肢外骨骼机构腕部的外摆内收运动。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构，其特征在于：包括基座、机械腕部组件、机械手部组件、电机驱动组件；所述的基座支撑整个上肢外骨骼腕部结构，所述的机械腕部组件与所述的基座连接，所述的机械手部组件与所述的机械腕部组件连接，所述的电机驱动组件作为整个上肢外骨骼腕部结构的动力源；所述的机械腕部组件主体部分采用双摇杆机构；
所述基座包括前臂夹板(1)及前臂步进电机固定架(3)，使所述的机械腕部组件及电机驱动组件得到固定；所述的电机驱动组件包括前臂步进电机(2)和前臂驱动轴(4)；所述的前臂步进电机(2)与所述的前臂驱动轴(4)通过螺钉连接；所述的机械腕部组件包括齿轮组件、电位器组件、齿轮固定组件、连杆组件、限制运动环组件；所述的齿轮组件与电机驱动模块连接，所述的电位器组件与电机驱动组件连接；所述的齿轮固定组件与齿轮组件连接；所述的连杆组件与齿轮组件连接；所述的限制运动环组件与连杆组件及前臂夹板(1)连接；
所述的电位器组件包括前臂电位器(13)、前臂电位器固定架(14)和前臂电位器支架(15)；所述的前臂电位器(13)与电机驱动组件连接；所述的前臂电位器固定架(14)与前臂电位器(13)连接，使所述的前臂电位器(13)保持固定；所述的前臂电位器支架(15)与所述的前臂电位器固定架(14)及前臂夹板(1)连接；所述的连杆组件包括连杆、传动杆(16)、连杆固定件(28)、卡簧轴、卡簧(24)、填充圆环(21)；
所述的连杆包括驱动连杆(17)、从动连杆(18)、摇杆(19)和腕部连杆(20)，所述的传动杆(16)与第三从动齿轮(8)连接，所述的驱动连杆(17)与传动杆(16)连接，所述的从动连杆(18)与驱动连杆(17)连接，所述的摇杆(19)与从动连杆(18)连接，所述的填充圆环(21)与从动连杆(18)连接，所述的腕部连杆(20)与填充圆环(21)连接，所述的摇杆(19)与连杆固定件(28)连接，所述的连杆固定件(28)与前臂夹板(1)连接；所述的卡簧轴两端开有卡簧槽；所述的卡簧(24)与卡簧轴连接，使所述的连杆保持固定；所述的卡簧轴包括连接卡簧轴(23)和固定卡簧轴(22)，所述的从动连杆(18)通过连接卡簧轴(23)与摇杆(19)连接，摇杆(19)通过固定卡簧轴(22)与连杆固定件(28)连接；所述的摇杆(19)与从动连杆(18)组成转动副，所述的摇杆(19)及从动连杆(18)组成了一组双摇杆机构；
所述的限制运动环组件包括限制环(25)、限制环固定螺纹环(26)、限制轴(29)、限制环固定件(27)；所述的限制轴(29)与机械手部组件连接，所述的限制环(25)中间开有滑槽，所述的限制轴(29)可以在滑槽中运动；所述滑槽按限制环(25)跟随机械手部组件进行圆周运动的轨迹设置；所述的限制环固定螺纹环(26)与限制环(25)连接，所述的限制环固定件(27)与所述的限制环固定螺纹环(26)连接，所述的限制环固定件(27)与前臂夹板(1)连接；
所述的机械手部组件包括连接轴(31)、夹板(30)、手部连接夹板(32)、连接件、手部步进电机固定架(39)、电位器组件、握把组件；所述连接件包括电机连接件(33)和电位器连接件(34)；所述的连接轴(31)与夹板(30)及腕部连杆(20)连接；所述的连接轴(31)为两段圆柱型；所述的连接轴(31)与夹板(30)连接的一端底面开有螺纹孔，使得所述的夹板(30)与连接轴(31)固定；所述的连接轴(31)与腕部连杆(20)连接的一端开有卡簧槽，使得连接轴(31)与腕部连杆(20)固定；所述的连接件与手部连接夹板(32)连接，所述的手部步进电机固定架(39)与电机连接件(33)连接；所述的电位器组件与电位器连接件(34)连接；所述的握把组件与手部驱动轴(40)连接。
2.根据权利要求1所述的适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构，其特征在于：所述的齿轮组件包括主动齿轮(5)和从动齿轮组件；所述从动齿轮组件包括第一从动齿轮(6)、第二从动齿轮(7)和第三从动齿轮(8)；所述的主动齿轮(5)与电机驱动模块连接，所述的第一从动齿轮(6)及第二从动齿轮(7)与齿轮固定组件连接，所述的第三从动齿轮(8)与连杆组件连接。
3.根据权利要求2所述的适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构，其特征在于：所述的齿轮固定组件包括齿轮固定杆、齿轮固定架(9)、齿轮固定轴(12)；所述的齿轮固定杆包括第一齿轮固定杆(10)和第二齿轮固定杆(11)，第一齿轮固定杆(10)与第一从动齿轮(6)连接，使所述的第一从动齿轮(6)得到固定；所述的第二齿轮固定杆(11)与第二从动齿轮(7)连接，使所述的第二从动齿轮(7)得到固定；所述的齿轮固定架(9)与第一齿轮固定杆(10)、第二齿轮固定杆(11)及前臂夹板(1)连接；所述的齿轮固定轴(12)与第三从动齿轮(8)连接，使所述的第三从动齿轮(8)保持固定。
4.根据权利要求1所述的适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构，其特征在于：所述的握把组件包括握把杆(42)、握把杆固定件(43)、握把垫板(41)；所述的握把杆(42)为圆柱形，两端底面开有螺纹孔；所述的握把杆固定件(43)中心开有通孔，使得所述的握把杆(42)与握把杆固定件(43)得到固定；所述的握把垫板(41)左右两侧开有滑槽，使得握把杆(42)在滑槽中运动。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的适用于上肢外骨骼机构腕部运动的机械结构的驱动方法，其特征在于：它采用一种电动驱动方式，其驱动方法包括以下步骤：前臂步进电机(2)转动，带动双摇杆机构进行运动，带动与双摇杆机构连接的腕部连杆(20)运动，带动与腕部连杆(20)连接的机械手部组件进行摆动运动；限制轴(29)在限制环(25)的滑槽中运动，带动与限制轴(29)连接的机械手部组件在进行摆动运动的同时转动，实现了腕部的圆周运动；手部步进电机(38)转动，带动手部驱动轴(40)转动，带动与手部驱动轴(40)连接的握把组件转动，实现了腕部的外摆内收运动。
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