CN111660297A

CN111660297A - 一种套索驱动的可穿戴协作机器人

Info

Publication number: CN111660297A
Application number: CN202010547300.7A
Authority: CN
Inventors: 王旦; 陈柏; 刘德斌; 王尧尧; 宋立瑶; 鞠锋
Original assignee: Nanjing Nuoxi Automation Technology Co ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing Nuoxi Automation Technology Co ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2020-09-15

Abstract

一种套索驱动的可穿戴协作机器人，包括：两台多自由度辅助操作机械臂、背部可穿戴结构、套索传动装置、驱动、传感及控制模块；所述两台多自由度辅助操作机械臂包括：机械臂本体和末端执行装置；所述背部可穿戴结构包括：机械臂固定基座和与人体连接的绑带；所述套索传动装置包括：电机驱动轮、关节驱动轮、线管以及线管帽。控制、电源、驱动模块及张紧机构均外置，通过套索传动装置驱动双臂运动。本发明针对狭小空间内的人机协作任务，在不影响机械臂协作性能的情况下，实现电源和驱动等部件的外置，减轻了可穿戴协作机器人的重量，提高了穿戴舒适性；同时，本发明利用套索传动的灵活性简化了机器人本体结构设计。

Description

一种套索驱动的可穿戴协作机器人

技术领域

本发明涉及可穿戴协作机器人技术领域，具体是一种套索驱动的可穿戴协作机器人。

背景技术

可穿戴协作机器人是指可通过穿戴方式固定于人体并能协助人体完成一定任务的机器人，它是介于可穿戴机器人与协作机器人之间的一类新型机器人。可穿戴协作机器人能够极大程度扩展人体的工作能力，使得原本需要多人完成的任务由一人完成。此外，可穿戴协作机器人兼具机器人的耐疲劳以及人体的灵活、精准等特性，可极大程度发挥人机协作的优势。

尽管可穿戴协作机器人具有独特优势，但由于整个机器人需要穿戴于人体上，机器人自重及负重能力受到严格限制，轻量化、穿戴舒适性设计始终是可穿戴协作机器人技术领域亟待解决的重难点问题。

发明内容

针对可穿戴协作机器人技术领域存在的上述轻量化、穿戴舒适性设计难题，本发明将套索驱动方式引入可穿戴协作机器人领域，设计了一种套索驱动的可穿戴协作机器人。

为实现上述目标功能，本发明采用以下技术方案：

一种套索驱动的可穿戴协作机器人，包括：多自由度辅助操作机械臂、背部可穿戴结构、若干组套索、套索驱动及控制模块；所述套索驱动及控制模块与背部可穿戴结构相互独立且分离设置；多自由度辅助操作机械臂固定在背部可穿戴结构的机械臂固定基座上；套索驱动及控制模块通过套索与多自由度辅助操作机械臂连接，实现驱动力的传递；套索驱动及控制模块也对机械双臂的运动进行检测反馈和控制。

进一步的，所述多自由度辅助操作机械臂包括：安装在机械臂固定基座上的旋转座、一端与旋转座铰接的大臂连杆、与大臂连杆另一端铰接的小臂连杆；

所述旋转座设有向下贯穿机械臂固定基座的旋转座转轴，该旋转座转轴下方设有驱动轮；一组套索通过缠绕在该驱动轮上驱动旋转座相对于机械臂固定基座转动；

大臂连杆设有穿过机械臂固定基座的大臂转轴，该大臂转轴的一端设有位于机械臂固定基座外侧的大臂驱动轮；一组套索通过缠绕在该大臂驱动轮上驱动大臂连杆相对于机械臂固定基座转动；

小臂连杆设有穿过大臂连杆的小臂转轴，该小臂转轴的一端设有位于大臂连杆外侧的小臂驱动轮；一组套索通过缠绕在该小臂驱动轮上驱动小臂连杆相对于大臂连杆转动。

进一步的，所述背部可穿戴结构包括：背板、安装在背板上并用以与人体连接的绑带、套索固定元件；所述机械臂固定基座具有两个，并分别位于背板的顶部两侧，每个机械臂固定基座上分别安装一个多自由度辅助操作机械臂。

进一步的，套索驱动及控制模块包括底板、安装在底板上的若干电机，所述若干电机与若干组套索一一对应，每个电机的输出轴上均设有一个电机驱动轮，一组套索与一个电机驱动轮配合并缠绕在电机驱动轮上；电机驱动轮正转或者反转带动该组套索形成正向或者反向的缠绕运动；所述若干电机的电机驱动轮错位设置。

进一步的，底板上还设有承载电机的电机座、首端线管帽、张紧机构；所述张紧机构包括：两个螺杆架、分别位于两个螺杆架上的两根螺杆、位于螺杆上的张紧螺母与传力杆；所述电机座及电机均位于两根螺杆之间；而首端线管帽固定在螺杆架的前端；所述传力杆横跨在两根螺杆上，且两根螺杆分别贯穿传力杆的两端，传力杆与电机座抵靠；位于螺杆上的张紧螺母与传力杆抵靠；电机座带动电机沿底板径向滑动，通过调节张紧螺母位置改变电机驱动轮与首端线管帽的距离以调整套索的张紧力。

进一步的，所述首端线管帽上设有若干供套索穿过的穿孔，每组套索对应两个穿孔。

进一步的，还设有外部支架，套索驱动及控制模块安装在外部支架上。

进一步的，还包括传感模块，传感模块包括：编码器、惯性测量单元、张力传感器以及压力传感器；传感模块通过不同传感器的配置对机械臂关节角度、角速度、角加速度、关节位移以及接触力、张力等进行测量与感知；同时传感模块也对人体姿态、肢体运动进行检测与感知，配合控制系统模块对电机的转动方向及转速进行控制。

与现有技术相比，本发明有如下优势：

与现有技术中的可穿戴协作机器人相比，本发明采用套索传动，并且将包含有电机的套索驱动及控制模块外置，即不需要人体进行承载。需要通过穿戴在人体身上的部分只包含背部可穿戴结构及机械臂。而机械臂的自重较小，机器人的穿戴舒适性显著提高。机器人机械臂关节处臃肿情况改善，背部可穿戴结构体积减小，更适用于完成狭小空间内的工作任务。同时，机械臂重量较小，转动惯量也减小，运动灵活性增加。

附图说明

图1为本发明套索驱动的可穿戴协作机器人整体结构示意图。

图2为背部可穿戴结构与多自由度辅助操作机械臂连接后的主视图。

图3为背部可穿戴结构与多自由度辅助操作机械臂连接后的侧视图。

图4为驱动及控制模块结构示意图。

其中：两台多自由度辅助操作机械臂及背部可穿戴结构1、套索传动机构2、驱动及控制模块3、外部支架4、末端执行装置101、小臂驱动轮102、大臂驱动轮103、驱动轮104、背板105、编码器106、线管帽107、小臂连杆108、大臂连杆109、旋转座110、机械臂固定基座111、旋转座转轴112、套索固定元件113、绑带114、首端线管帽301、张紧螺母302、传力杆303、螺杆304、螺杆架305、电机306、电机驱动轮307、底板308、穿孔309、电机座310。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

结合图1至图3所示，本发明提供一种套索驱动的可穿戴协作机器人，包括：两台多自由度辅助操作机械臂及背部可穿戴结构1、套索传动机构2、驱动及控制模块3、外部支架4、传感模块。其中：两台辅助操作机械臂固定在背部可穿戴结构的机械臂固定基座110上，驱动及控制模块3外置在外部支架4上而与背部可穿戴结构形成相互独立且分离设置。驱动模块通过套索传动机构2与两台辅助操作机械臂连接，从而实现驱动力的传递。传感模块、控制系统模块对机械双臂的运动进行检测、预测、控制与反馈。

结合图1至图3所示，所述多自由度辅助操作机械臂包括：安装在机械臂固定基座111上的旋转座110、一端与旋转座110铰接的大臂连杆109、与大臂连杆109另一端铰接的小臂连杆108。所述旋转座110设有向下贯穿机械臂固定基座111的旋转座转轴112，该旋转座转轴112下方设有驱动轮104。一组套索通过缠绕在该驱动轮104上驱动旋转座相对于机械臂固定基座111转动。大臂连杆109设有穿过旋转座110的大臂转轴。该大臂转轴的一端设有位于旋转座外侧的大臂驱动轮103。一组套索通过缠绕在该大臂驱动轮103上驱动大臂连杆109相对于旋转座110转动。

小臂连杆108设有穿过大臂连杆109的小臂转轴。该小臂转轴的一端设有位于大臂连杆109外侧的小臂驱动轮102。一组套索通过缠绕在该小臂驱动轮102上驱动小臂连杆108相对于大臂连杆109转动。小臂连杆108的前端安装有末端执行装置101。在本实施方式中，包含有一条大臂连杆和一条小臂连杆，而在设计需要的情况下，也可以包含多条小臂连杆，同样可采用上述“驱动轮与套索缠绕驱动”的方式驱动，在此不再赘述。

所述背部可穿戴结构包括：背板105、安装在背板105上并用以与人体连接的绑带114、套索固定元件113。所述机械臂固定基座111具有两个，并分别位于背板105的顶部两侧。每个机械臂固定基座111上分别安装一个多自由度辅助操作机械臂。

请结合图1及图4所示，套索驱动及控制模块包括底板308、安装在底板308上的若干电机306，所述若干电机306与若干组套索2一一对应。每个电机306的输出轴上均设有一个电机驱动轮307。一组套索2与一个电机驱动轮307配合并缠绕在电机驱动轮307上。电机驱动轮307正转或者反转带动该组套索形成正向或者反向的缠绕运动。该组套索2正向或反向的缠绕运动则带动对应的驱动轮转动。结合图2，例如，一组与驱动轮104缠绕的套索被该套索另一端缠绕的电机驱动轮307带动缠绕，则驱动轮104随之正转或者反转。大臂驱动轮及小臂驱动轮同样通过该方式正转或反转，在此不再赘述。而再如图4所示，所述若干电机的电机驱动轮307错位设置，以避免若干组套索之间形成相互干涉。

所述底板308上还设有承载电机的电机座310、首端线管帽301、张紧机构。所述张紧机构包括：两个螺杆架305、分别位于两个螺杆架305上的两根螺杆304、位于螺杆304上的张紧螺母302与若干根传力杆303。传力杆303的数量与电机306的数量相同。所述电机座310及电机306均位于两根螺杆304之间。而首端线管帽301固定在螺杆架305的前端。所述传力杆303横跨在两根螺杆304上，且两根螺杆304分别贯穿传力杆303的两端。传力杆303与电机座310抵靠；位于螺杆304上的张紧螺母302与传力杆303抵靠。电机座310带动电机306沿底板308径向滑动，通过调节张紧螺母302位置改变电机驱动轮307与首端线管帽301的距离以调整套索的张紧力。所述首端线管帽301上设有若干供套索穿过的穿孔309，每组套索对应两个穿孔309。

在该可穿戴协作机器人中，传感模块包括：编码器106、惯性测量单元、张力传感器以及压力传感器；传感模块通过不同传感器的配置对机械臂关节角度、角速度、角加速度、关节位移以及接触力、张力等进行测量与感知；同时传感模块也对人体姿态、肢体运动进行检测与感知，配合控制系统模块对电机的转动方向及转速进行控制，最终机器人可实现一定程度的人机交互。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，包括：多自由度辅助操作机械臂、背部可穿戴结构、若干组套索、套索驱动及控制模块；所述套索驱动及控制模块与背部可穿戴结构相互独立且分离设置；多自由度辅助操作机械臂固定在背部可穿戴结构的机械臂固定基座上；套索驱动及控制模块通过套索与多自由度辅助操作机械臂连接，实现驱动力的传递；套索驱动及控制模块也对机械双臂的运动进行检测反馈和控制。

2.根据权利要求1所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述多自由度辅助操作机械臂包括：安装在机械臂固定基座上的旋转座、一端与旋转座铰接的大臂连杆、与大臂连杆另一端铰接的小臂连杆；

3.根据权利要求1或2所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述背部可穿戴结构包括：背板、安装在背板上并用以与人体连接的绑带、套索固定元件；所述机械臂固定基座具有两个，并分别位于背板的顶部两侧，每个机械臂固定基座上分别安装一个多自由度辅助操作机械臂。

4.根据权利要求1所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，套索驱动及控制模块包括底板、安装在底板上的若干电机，所述若干电机与若干组套索一一对应，每个电机的输出轴上均设有一个电机驱动轮，一组套索与一个电机驱动轮配合并缠绕在电机驱动轮上；电机驱动轮正转或者反转带动该组套索形成正向或者反向的缠绕运动；所述若干电机的电机驱动轮错位设置。

5.根据权利要求4所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，底板上还设有承载电机的电机座、首端线管帽、张紧机构；所述张紧机构包括：两个螺杆架、分别位于两个螺杆架上的两根螺杆、位于螺杆上的张紧螺母与传力杆；所述电机座及电机均位于两根螺杆之间；而首端线管帽固定在螺杆架的前端；所述传力杆横跨在两根螺杆上，且两根螺杆分别贯穿传力杆的两端，传力杆与电机座抵靠；位于螺杆上的张紧螺母与传力杆抵靠；电机座带动电机沿底板径向滑动，通过调节张紧螺母位置改变电机驱动轮与首端线管帽的距离以调整套索的张紧力。

6.根据权利要求5所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，所述首端线管帽上设有若干供套索穿过的穿孔，每组套索对应两个穿孔。

7.根据权利要求6所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，还设有外部支架，套索驱动及控制模块安装在外部支架上。

8.根据权利要求1所述的套索驱动的可穿戴协作机器人，其特征在于，还包括传感模块，传感模块包括：编码器、惯性测量单元、张力传感器以及压力传感器；传感模块通过不同传感器的配置对机械臂关节角度、角速度、角加速度、关节位移以及接触力、张力等进行测量与感知；同时传感模块也对人体姿态、肢体运动进行检测与感知，配合控制系统模块对电机的转动方向及转速进行控制。