CN111000699A - 一种刚柔混合式上肢辅助运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚柔混合式上肢辅助运动装置，包括机械肩关节、机械上臂、机械肘关节与机械前臂；机械肩关节的外展/内收运动副设计为刚性关节，机械肩关节的屈曲/伸展运动副设计为具有刚度调整机构的柔性关节，机械肘关节的屈伸运动设计柔性关节。该装置可高度兼容人体上肢的运动生理特征，能够对人体上肢提供运动辅助，提高人机交互的安全性和舒适性。

Description

一种刚柔混合式上肢辅助运动装置

技术领域

本发明属于机械装置技术领域，尤其涉及一种刚柔混合式上肢辅助运动装置。

背景技术

现有机器人辅助运动装备主要以刚性结构与刚性驱动元件形式为主，即人体与刚性的结构直接或间接耦合后由刚性驱动元件驱动，通过驱动件驱动刚性结构件动作继而带动人体运动，完成一定任务所规定的关节运动。

然而，刚性结构及驱动存在下列问题：

(1)由于人体为刚柔混合结构(刚性骨骼+柔性肌肉系统)，人体关节无法完全等效为机械运动副，当人体关节的运动范围较大时，刚性结构无法完全适应人体关节的自由度变化，此时人机耦合系统从运动学角度而言会产生过约束，人体与刚性结构之间的约束作用力会大幅增加；

(2)由于刚性驱动的刚度、阻尼是恒定不变的，为实现人机交互变刚度、变阻尼的阻抗控制，需要增加额外的传感元件进行相关数据采集，并且需要对这些数据进行处理，使得控制难度和成本都大幅提升；

(3)由于刚性结构和刚性驱动件的重量和惯量都较大，使得系统的带宽有限，降低了系统的响应特性，因此在目前的技术条件下实现结构件较大幅度的轻量化或者大幅度提高驱动元件的功率密度难度较大。

发明内容

本发明提供一种刚柔混合式上肢辅助运动装置，可高度兼容人体上肢的运动生理特征，能够对人体上肢提供运动辅助，提高人机交互的安全性和舒适性。

一种刚柔混合式上肢辅助运动装置，包括机械肩关节、机械上臂、机械肘关节与机械前臂；其特征是：

所述机械肩关节包括直角件、第一驱动电机与第二驱动电机；

所述直角件由翼板A、翼板B，以及翼板A与翼板B的连接部组成，所述连接部固定连接翼板A与翼板B，并且翼板A垂直于翼板B；

所述翼板A连接第一驱动电机，在第一驱动电机驱动下所述直角件旋转，用于机械肩关节的外展与内收运动；

所述翼板B与机械上臂通过第二驱动电机连接，在第二驱动电机驱动下所述机械上臂相对于直角件旋转，用于机械肩关节的屈曲与伸展运动；

所述翼板B设置刚度调整机构，用于机械上臂相对于直角件旋转时使转轴可在竖直方向位移；

所述机械肘关节由弹性材料构成的柔性关节。

所述刚度调整机构不限，包括凸轮滑块机构、多连杆机构、非圆齿轮机构等。

作为一种实现方式，所述刚度调整机构采用凸轮滑块机构，即，包括第一槽结构、第二槽结构以及滑块；所述翼板B设置第一槽结构，第一槽结构内安装带有凸起部的滑块，滑块可在第一槽结构内位移；所述机械上臂设置第二槽结构，第二槽结构呈弧形，滑块的凸起部伸入所述第二槽结构；机械上臂相对于直角件旋转时，所述凸起部可沿第二槽结构滑动，带动滑块在第一槽结构内位移；所述第一槽结构为弹性槽，即，滑块在第一槽结构内位移时槽体发生形变，引起机械上臂相对于直角件旋转的转轴在竖直方向位移。

作为优选，机械上臂相对于直角件旋转时，滑块在第一槽结构内水平位移。

作为优选，所述机械上臂由两部分组成，两部分之间通过销轴连接，用于机械肩关节的内旋与外旋运动。

作为一种实现方式，所述直角件是刚性材料件通过弯折形成。

所述机械肘关节是由弹性材料构成的柔性关节，即，在一定外力作用下可发生拉伸、弯曲等形变。

作为优选，所述机械肘关节包括弹性件、伺服电机、滑轮与柔性绳索；弹性件固定连接在上臂与前臂之间；滑轮固定连接在机械上臂上；柔性绳索绕行在滑轮上，两端经弹性件后固定在前臂上；在伺服电机驱动下滑轮旋转，通过柔性绳索的拉伸与收缩引起机械肘关节的屈伸。作为优选，在所述弹性件中设置空心管道结构，用于所述柔性绳索在弹性件中的穿行。

作为另一种实现方式，所述机械肘关节包括弹性件、第一压力腔与第二压力腔；弹性件固定连接在机械上臂与机械前臂之间；第一压力腔、第二压力腔均位于机械上臂与机械前壁之间，分布于弹性件的两侧；当第一压力腔与第二压力腔分别通入气体或者液体，产生不同的压力时，弹性件可发生不同角度的屈伸。

作为优选，所述弹性件在某一部位的刚度小于其他部位的刚度，有利于机械肘关节以该部位作为旋转中心。作为一种实现方式，所述弹性件在某一部位为空心结构，作为进一步优选，在所述空心结构周围设置多个呈放射状的子空心结构。

即，本发明的设计思路如下：

(1)将人体上肢肩关节运动分解为屈曲/伸展、外展/内收两个旋转方向相互正交的旋转运动。

根据人体生物力学解剖，当人体肩关节外展/内收时，肩关节的旋转中心在竖直方向的位移较小，可等效为理想的运动副；而当人体肩关节屈曲/伸展时，肩关节的旋转中心会在竖直方向有较大位移。

因此，本发明将直角件在第一驱动电机驱动下的旋转用于机械肩关节的外展与内收运动，将第二驱动电机驱动下机械上臂相对于直角件的旋转用于机械肩关节的屈曲与伸展运动；并且，将机械肩关节的外展/内收运动副设计为刚性关节；将机械肩关节的屈曲/伸展运动副设计为柔性关节，即当机械肩关节屈曲/伸展时，机械肩关节的旋转轴会在竖直方向发生位移，该柔性关节是通过在翼板B设置刚性调节机构实现的，例如设置凸轮滑块机构、多连杆机构、非圆齿轮机构等实现刚性调节。当采用凸轮滑块机构时，包括弹性槽(第一槽结构)、弧形槽(第二槽结构)以及滑块，机械上臂屈曲/伸展时带动弧形槽随动，弧形槽与嵌入在弹性槽中的滑块通过凸起部啮合；该滑块一方面可用于调整该柔性关节的刚度，当滑块处于该柔性关节不同位置处时柔性关节的刚度也随之变化，当上臂的伸展角度较大时，通过滑块的调整使得柔性关节的刚度减小；另一方面，滑块在弹性槽内位移时弹性槽结构发生形变，引起机械上臂进行屈曲/伸展运动时旋转中心的竖向位移，从而适应人体肩关节进行屈曲/伸展运动时旋转中心的竖向位移。

(2)将人体上肢肘关节的屈伸运动设计为柔性关节，即采用柔性材料连接机械上臂与机械前臂；然后，通过伺服电机驱动滑轮转动，通过柔性绳索带动机械前臂进行屈伸运动，通过控制伺服电机输出不同的力矩改变柔性绳索的有效牵引力矩，从而实现该关节不同的运动角度；或者，在柔性材料两端分别设置压力腔，通过向压力腔分别通入不同的气/液压力使柔性材料发生不同角度的屈伸而实现该关节不同的运动角度。

(3)机械肩关节的内旋/外旋运动采用被动关节来实现，无主动元件驱动，但是具有一定的转动弹性和阻尼，使其在无载荷作用时可回归零位。

与现有技术相比，本发明通过合理有机地组合刚性结构件与柔性结构件，具有如下有益效果：

(1)机械肩关节屈曲/伸展自由度采用柔性关节的形式可实现辅助运动装置与人体关节在大范围内的运动学兼容，大幅降低了在大角度人机交互时的额外约束力；

(2)机械肩关节屈曲/伸展自由度通过采用柔性关节避免了采用多自由度刚性关节来适应该自由度运动所造成的结构重量大幅增加及成本的上升。

(3)机械肘关节采用柔性关节及柔性驱动替代了传统的刚性关节驱动方式，易于实现人机交互的变阻抗控制，同时降低了系统的重量及惯量。

(4)本发明通过合理有机地组合刚性结构件与柔性结构件，使辅助运动系统可高度兼容人体的运动生理特征，从而使人体关节在较大运动范围内与辅助运动装置之间不存在运动学过约束，可在人体关节全部空间内提供辅助运动，例如用于康复训练等，提高人机交互的安全性和舒适性。

附图说明

图1是本发明实施例1中刚柔混合式上肢辅助运动装置的整体结构示意图。

图2是图1中机械肩关节的结构示意图。

图3是图1中肩部屈曲/伸展柔性关节在一个位姿时的结构示意图。

图4是图1中肩部屈曲/伸展柔性关节在另一个位姿时的结构示意图。

图5是图1中肘部屈伸柔性关节的结构示意图。

图6是实施例2中肩部内旋/外旋被动关节示意图。

机械肩关节1、机械上臂2、机械肘关节3、机械前臂4、直角件5、第一驱动电机6、第二驱动电机7、翼板A8、翼板B9、连接部分10、第一槽结构11、滑块12、凸起部13、第二槽结构14、机械上臂第一部分15、机械上臂第二部分16、销轴17、弹性件18、伺服电机19、滑轮20、柔性绳索21、空心结构22、子空心结构23。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

刚柔混合式上肢辅助运动装置如图1所示，包括机械肩关节1、机械上臂2、机械肘关节3与机械前臂4。

如图1、2、3、4所示，机械肩关节1包括直角件5、第一驱动电机6与第二驱动电机7。直角件由刚性材料件弯折形成的翼板A8、翼板B9，以及翼板A与翼板B的连接部分10组成，翼板A与翼板B互相垂直。

翼板A连接第一驱动电机，在第一驱动电机驱动下直角件旋转，用于肩关节的外展与内收运动。

翼板B与机械上臂通过第二驱动电机连接，在第二驱动电机驱动下机械上臂相对于直角件旋转，用于机械肩关节的屈曲与伸展运动。

翼板B设置第一槽结构11，第一槽结构内安装带有凸起部13的滑块12，滑块可在第一槽结构内位移。

机械上臂2设置第二槽结构14，第二槽结构呈弧形，滑块12的凸起部13伸入第二槽结构；机械上臂相对于直角件旋转时，凸起部13可沿第二槽结构滑动，带动滑块在第一槽结构内水平位移。

第一槽结构11为弹性槽，即，滑块在第一槽结构内位移时槽体发生形变，引起机械上臂相对于直角件旋转的转轴在竖直方法位移。

机械肘关节3为柔性关节。如图5所示，机械肘关节包括弹性件18，伺服电机19、滑轮20与柔性绳索21。弹性件18固定连接在机械上臂与机械前臂之间。滑轮20固定连接在机械上臂上。弹性件18中设置空心管道结构，柔性绳索21的两端经空心管道后固定在机械前臂上。在伺服电机驱动下滑轮旋转，通过柔性绳索的拉伸与收缩引起机械肘关节的屈伸。

本实施例中，弹性件中设置空心结构22，在空心结构周围设置多个呈放射状的子空心结构23，用于使弹性件在该空心结构附近的刚度小于其他部位的刚度，有利于在机械肘关节屈伸时以该部位作为旋转中心。

实施例2：

本实施例中，刚柔混合式上肢辅助运动装置与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中，如图1、6所示，机械上臂2由机械上臂第一部分15与机械上臂第二部分16组成，两部分之间通过销轴17连接，可进行机械肩关节的内旋与外旋运动。

实施例3：

本实施例中，刚柔混合式上肢辅助运动装置与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中，所述翼板B设置刚度调整机构，刚度调整机构为多连杆机构，可实现机械上臂相对于直角件旋转时使转轴可在竖直方向位移。

实施例4：

本实施例中，刚柔混合式上肢辅助运动装置与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中，机械肘关节包括弹性件、第一压力腔与第二压力腔。弹性件固定连接在上臂与前臂之间；第一压力腔、第二压力腔均位于上臂与前壁之间，分布于弹性件的两侧；当第一压力腔与第二压力腔分别通入不同的气/液压力时，弹性件可发生不同角度的屈伸。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刚柔混合式上肢辅助运动装置，包括机械肩关节、机械上臂、机械肘关节与机械前臂；其特征是：

所述机械肩关节包括直角件、第一驱动电机与第二驱动电机；

所述直角件由翼板A、翼板B，以及翼板A与翼板B的连接部组成，所述连接部固定连接翼板A与翼板B，并且翼板A垂直于翼板B；

所述翼板A连接第一驱动电机，在第一驱动电机驱动下所述直角件旋转，用于机械肩关节的外展与内收运动；

所述翼板B与机械上臂通过第二驱动电机连接，在第二驱动电机驱动下所述机械上臂相对于直角件旋转，用于机械肩关节的屈曲与伸展运动；

所述翼板B设置刚度调整机构，用于机械上臂相对于直角件旋转时转轴可在竖直方向位移；

所述机械肘关节是由弹性材料构成的柔性关节。

2.如权利要求1所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述刚度调整机构是凸轮滑块机构、多连杆机构，或者非圆齿轮机构。

3.如权利要求1所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述刚度调整机构采用凸轮滑块机构，包括第一槽结构、第二槽结构以及滑块；

所述第一槽结构设置在翼板B上，第一槽结构内安装带有凸起部的滑块，滑块可在第一槽结构内位移；

所述机械上臂设置第二槽结构，第二槽结构呈弧形，滑块的凸起部伸入所述第二槽结构；上臂相对于刚性件旋转时，所述凸起部可沿第二槽结构滑动，带动滑块在第一槽结构内位移；

所述第一槽结构为弹性槽，即，滑块在第一槽结构内位移时槽体发生形变，引起上臂相对于刚性件旋转的转轴在竖直方法位移。

4.如权利要求1所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述机械肘关节包括弹性件、伺服电机、滑轮与柔性绳索；弹性件固定连接在上臂与前臂之间；滑轮固定连接在机械上臂上；柔性绳索绕行在滑轮上，两端经弹性件后固定在前臂上；在伺服电机驱动下滑轮旋转，通过柔性绳索的拉伸与收缩引起机械肘关节的屈伸。

5.如权利要求4所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：在所述弹性件中设置空心管道结构，用于所述柔性绳索在弹性件中的穿行。

6.如权利要求1所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述机械肘关节包括弹性件、第一压力腔与第二压力腔；弹性件固定连接在机械上臂与机械前臂之间；第一压力腔、第二压力腔均位于机械上臂与机械前壁之间，分布于弹性件的两侧；当第一压力腔与第二压力腔分别通入气体或者液体，产生不同的压力时，弹性件可发生不同角度的屈伸。

7.如权利要求4、5或者6所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述弹性件在某一部位的刚度小于其他部位的刚度。

8.如权利要求7所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述弹性件在某一部位为空心结构；

作为优选，所述空心结构周围设置多个呈放射状的子空心结构。

9.如权利要求1所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：机械上臂相对于直角件旋转时，滑块在第一槽结构内水平移动。

10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的刚柔混合式上肢辅助运动装置，其特征是：所述机械上臂由两部分组成，两部分之间通过销轴连接，用于机械肩关节的内旋与外旋运动。

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