CN112077827B - 仿竹结构的上肢外骨骼装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿竹结构的上肢外骨骼装置，包括：肩部内收外展关节(1)、肩部屈伸关节(2)、肘部屈伸关节(3)、仿竹结构机械臂(4)、驱动模块(5)、背板支架(6)以及电气系统(7)；所述肩部内收外展关节(1)与肩部屈伸关节(2)通过L型工件相连接；所述肩部屈伸关节(2)与肘部屈伸关节(3)相连接；所述仿竹结构机械臂(4)与肘部屈伸关节(3)过盈配合；所述驱动模块(5)与肩部内收外展关节(1)、肩部屈伸关节(2)、肘部屈伸关节(3)分别相连；本发明的仿竹机械臂，相比于传统杆件机械臂，可以以更轻的质量和小巧的体积满足刚度要求。此外，内部空腔还具有规划绳索路径或内置其余零件等功用。

Description

仿竹结构的上肢外骨骼装置

技术领域

本发明涉及人体辅助机器人领域，具体地，涉及一种仿竹结构的上肢外骨骼装置。

背景技术

外骨骼机器人技术是学科交叉的浓缩产物，它以增强机体功能为目的，融合传感、控制和移动计算，为使用者提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。该技术在康复训练、个人日常生活助力、搬运工人作业助力及军事士兵体能增强等领域逐步受到广泛关注。近年来，全球老龄化问题严重。根据数据显示将近八成的中风患者有运动障碍的后遗症。此外，因疾病、外伤事故等原因，上肢运动功能患者也逐渐增多。尽管经过治疗和康复训练后，患者的病情好转，但肌肉力量水平也难以达到常人水平，甚至难以生活自理，这就需要穿戴式设备对其身体进行力量增强性的运动辅助。目前，存在一些上肢外骨骼机器人的研发工作和使用情况，多用于替代康复师进行病患的辅助康复训练。相比之下，助力式上肢外骨骼对设备重量、穿戴舒适性、人机交互接口技术、用户友好性、和移动计算能力等方面有着更高的要求。除个人生活助力以外，助力式上肢外骨骼可广泛应用于工人与士兵的体能增强，有着同样迫切的市场需求。

专利文献CN106109167A、CN109481225A、CN108542627A、CN109363889A等发明专利将电机等驱动原件安装在手臂处，会加重外骨骼手臂质量，从而增加使用者患肢手臂负担，不适合在日常生活中的助力使用。

专利文献CN109260669A的绳索驱动外骨骼固定于地面，无法实现便携性，适合用于康复训练。其也存在驱动绳索外露、体积庞大及美观性差等缺点。

专利文献CN107374907A的上肢外骨骼没有考虑关节力矩传感器和压力传感器等人机接口问题，属于被动康复式上肢外骨骼，难以运用在日常生活的助力中。且其采用的鲍登线驱动方式存在摩擦力大，传动效率低的缺点。鲍登线缆不易弯折排布，也难以做到美观性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种仿竹结构的上肢外骨骼装置。

根据本发明提供的一种仿竹结构的上肢外骨骼装置，包括：肩部内收外展关节1、肩部屈伸关节2、肘部屈伸关节3、仿竹结构机械臂4、驱动模块5、背板支架6以及电气系统7；所述肩部内收外展关节1与肩部屈伸关节2通过L型工件相连接；所述肩部屈伸关节2与肘部屈伸关节3相连接；所述仿竹结构机械臂4与肘部屈伸关节3过盈配合；所述驱动模块5与肩部内收外展关节1、肩部屈伸关节2、肘部屈伸关节3分别相连；所述电气系统7、驱动模块5设置于背板支架6上。

所述仿竹结构的上肢外骨骼具有3个主动自由度，包括肩部内收外展关节、肩部屈伸关节和肘部屈伸关节。仿竹结构机械臂由竹节模块及其他配件组成。竹节模块仿制天然竹子设计，利用仿竹结构空腔规划绳索驱动的绳索路径，将所述绳索置于竹节模块内。外骨骼仿竹机械臂通过手臂紧固连接环与穿戴者上臂和前臂紧固连接。此外，背板支架通过织物穿戴结构与人体躯干紧固。所述主动自由度中的2个屈伸自由度由于离背板较远，由驱动模块带动绳索驱动。驱动模块及其电气系统均置于背板支架上。所述主动自由度中的肩部内收外展关节通过同步带传动由背板支架上的一个驱动模块驱动。所述仿竹结构的上肢外骨骼具有9处被动自由度，用于调整设备各方向尺寸长度以于适用不同身材的使用者。所述各结构基于碳纤维板和碳纤维管材料进行模块化设计。电气系统包括传感系统、传感器采集模块、控制器、电机驱动器和电池等电气部分，均置于背板支架上。电气系统实现了嵌入式控制，使得设备得以穿戴便携。传感器系统包括压力薄膜传感器、扭矩传感器和表面肌电传感器，此外留有传感器扩展接口。此外，外骨骼末端留有手部外骨骼绳索驱动接口。

优选地，所述肩部内收外展关节1包括：同步带101、同步轮系102、肩部连接件(103)，肩部连接件内盖(104)；

所述肩部内收外展关节1、肩部屈伸关节2、肘部屈伸关节3构成仿竹结构；

所述仿竹结构的上肢外骨骼具有3个主动自由度；

所述仿竹结构的机械臂包括：竹节模块8；

优选地，所述竹节模块8包括竹节801和竹管802；

所述竹管802采用碳纤维管材；

所述竹节801的两端具有台阶面；

所述竹节801采用过盈配合与竹管802进行配合；

所述竹节801的中间设置有多个通孔；作为绳索的通路。

所述竹节模块8由3个竹管802和2个竹节801交叉装配而成；

所述仿竹机械臂4包括：竹节模块8、手臂紧固连接环401、臂环紧固连接零件402、紧固螺栓403以及薄膜压力传感器404；

所述三个竹节模块8并排并联；

所述三个竹节模块8设置于臂环紧固连接零件402的半圆形凹槽中；所述臂环紧固连接零件402通过紧固螺栓403与手臂紧固连接环401紧固连接；

所述手臂紧固连接环401相对于竹节模块8的位置能够沿竹节模块8的轴向滑动调节；

所述手臂紧固连接环401的内壁上下两侧胶合2个薄膜压力传感器404。

优选地，所述驱动模块5包括：扁平式直流电机501、电机安装法兰502、电机机座螺栓503、谐波减速器504、电机输入法兰505、电机轴安装螺栓506、谐波减速器输出法兰507、谐波减速器法兰螺栓508、矩传感器509、扭矩传感器安装螺栓510、输出槽轮511、绳索紧固连接件512、绳索紧固螺栓513、槽轮安装螺栓514、保护罩515、驱动模块安装法兰516、双头螺柱517、绳索路径挡板518；

所述电机501经电机机座螺栓503紧固连接于电机安装法兰502的一侧；

所述电机安装法兰502的外侧螺纹孔和谐波减速器504的外侧通孔对齐；

所述电机安装法兰502的外侧螺纹孔与保护罩515的通孔对齐；

所述电机安装法兰502的外侧螺纹孔与驱动模块安装法兰516的螺纹孔对齐；

所述电机501、电机安装法兰502、电机机座螺栓503、谐波减速器504、驱动模块安装法兰516采用双头螺柱517紧固连接；

将电机501的机座和谐波减速器504的外壳与驱动模块的机座紧固连接；

所述电机501的电机轴过盈配合于电机输入法兰505的中间通空中；

所述电机501的电机轴紧固连接于谐波减速器504的输入端波发生器上；

所述电机501的电机轴由电机轴安装螺栓506紧固连接；

所述谐波减速器504输出端经谐波减速器法兰螺栓508紧固连接于谐波减速器输出法兰507的安装孔处；

所述扭矩传感器509通过扭矩传感器安装螺栓510紧固连接在谐波减速器输出法兰507的另一侧；

所述扭矩传感器509的另一侧与输出槽轮511贴合；

所述扭矩传感器509的另一侧与输出槽轮511对齐安装孔；

所述扭矩传感器509的另一侧与输出槽轮511由槽轮安装螺栓514紧固连接；

所述绳索紧固连接件512采用突出台阶结构，用于压紧绳索于输出槽轮的绳索槽中；

所述绳索紧固连接件512通过绳索紧固螺栓513紧固连接于输出槽轮的螺纹孔中；

所述两个绳索紧固连接件512分别安置于输出槽轮511的两端，分别紧固连接某关节模块的伸张运动驱动绳索901和弯曲运动驱动绳索902；

所述绳索路径挡板518紧挨驱动模块5；

所述绳索路径挡板518紧固连接于背板支架601的上方，用于规范从输出槽轮511引出的绳索路径；

所述驱动模块5装配好后，通过驱动模块安装法兰516紧固连接于背板支架601的上方，具体位置可微调。安装位置可见于图8。

优选地，还包括：关节模块9；

所述关节模块9包括：伸张运动驱动绳索901、弯曲运动驱动绳索902、关节转动件903、输入端关节竹节连接件904、关节槽轮905、轴卡簧906、关节转轴907、臂长调整螺栓908、输出端关节竹节连接件909；

所述关节转动件903的数量为两个；

所述2个关节转动件903分别置于关节槽轮905的两侧；

所述2个关节转动件903通过关节转轴907和轴卡簧906构成转轴轴系；

所述关节转轴907具有卡簧槽，由卡簧906对关节轴系轴向限位。输入端关节竹节连接件904和输出端关节竹节连接件909通过安装螺栓908分别紧固连接于2个关节转动件903的伸长端处的阵列孔处，用于连接仿竹机械臂模块。其安装位置可调，从而调节臂长。

所述弯曲运动驱动绳索901和伸张运动驱动绳索902由同一个驱动模块5驱动，2个绳索对称反向运动，分别带动关节模块9正向转动和反向转动。

所述弯曲运动驱动绳索901的一端和伸张运动驱动绳索902的一端紧固连接于驱动模块5的输出槽轮511上的绳索槽处，由绳索紧固连接件512紧固；

紧固连接后的绳索经绳索路径挡板518的孔径，进入肩部连接件103和肩部连接件内盖104二者形成的空腔中，之后进入竹节模块8的空腔中，经过竹节801的某个中空孔径后，通过输入端关节竹节连接件904的某个孔径，随后在关节槽轮905的绳索槽处缠绕不到一周，最终将绳索901和902的末端插入输出端关节竹节连接件909两侧的绳索孔中，对绳索末端打节或绳索末端紧固连接零件紧固连接2个绳索的末端。

所述肘部屈伸关节3由关节模块9构成。

所述肩部屈伸关节2在关节模块9的基础上，去掉了输入端关节竹节连接件904。

所述肩部内收外展关节1如图2所示，在关节模块9的基础上，去掉了输出端关节竹节连接件904，还包括了同步轮系101、同步带102。这是由于肩部内收外展关节1和驱动模块5转轴平行且距离近，因此通过同步轮传动，而非绳索驱动。此外，肩部内收外展关节1在关节模块9的基础上，还去掉了输出端关节竹节连接件909，增加了肩部连接件103、肩部连接件内盖104和安装螺栓，实现了两个关节的连接。肩部连接件103和肩部连接件内盖104二者通过螺栓连接，构成L形具有内部空腔的连接件，其内部空腔是肩部屈伸关节2和肘部屈伸关节3的驱动绳索901和902的绳索路径。肩部连接件103两侧有安装孔，分别通过螺栓与肩部内收外展关节1和肩部屈伸关节2的关节转动件903的伸长端紧固连接，实现了两个关节的连接。

所述机器人外骨骼手臂的完整结构由各模块和零件串联，如图2所示。从图中右侧开始有：关节转动件903，其转轴连接至背板，可调整紧固角度。随后连接输入端关节竹节连接件904，随后连接竹节模块8，随后连接肩部内收外展关节1，随后通过肩部连接件103连接所述肩部屈伸关节2，随后连接仿竹机械臂4，随后连接肘部屈伸关节3，随后连接仿竹机械臂4，随后连接手部外骨骼扩展接口301。竹节模块8和仿竹机械臂4的两端连接处均可调整紧固连接位置，从而起到适应不同人群臂长的功能。

优选地，所述背板支架6包括：背部支撑板601、胸部穿戴结构602、背板连接件603、支撑杆伸缩件604、轴销605、支撑杆606、腰部连接件607、腰部支撑板608、腰部穿戴结构609和安装螺栓；

所述胸部穿戴结构602采用开衫背心状织物结构；

所述腰部穿戴结构609采用带状织物结构；

所述胸部穿戴结构602、腰部穿戴结构609通过缝制在穿戴结构上的尼龙贴进行紧固从而与人体躯干紧固；

所述胸部穿戴结构602、腰部穿戴结构609通过螺栓组紧固连接于背部支撑板601上；

所述背板连接件603通过螺栓紧固连接于背部支撑板601；

所述背板连接件603的下侧通过过盈配合与支撑杆伸缩件604连接；

所述支撑杆伸缩件604采用碳纤维管材；

所述支撑杆伸缩件604与支撑杆606通过轴销605连接；

所述支撑杆606具有安装孔阵列；

所述支撑杆606与支撑杆伸缩件604的安装位置能够调整背部支撑板601和腰部支撑板608之间的距离；适用于不同身高的人群。所述支撑杆606的下侧过盈插入连接腰部连接件607中；

所述腰部连接件607与腰部支撑板608通过螺栓紧固连接；

优选地，所述电气系统7包括：电机驱动器701、数据采集模块702、急停开关703、数据采集模块紧固连接件704、锂电池705、电池紧固连接件706、控制器707和传感器系统；

所述电机驱动器701的数量为3个；

所述3个电机驱动器701分别驱动3个驱动模块5的直流电机501；

所示数据采集模块702采用模数转换器；

所述模数转换器由基站和可扩展的I/O板卡组成；

所述电机驱动器701、数据采集模块702和控制器707通过EtherCAT总线通信；

所述控制器707基于l inux内核，对系统进行实时控制；

各电气系统组件通过螺栓直接安装或通过紧固连接件704，706安装在背部支撑板601上。

传感器系统包括薄膜压力传感器404、扭矩传感器509和表面肌电传感器。扭矩传感器509的接线接入电机驱动器701中。薄膜压力传感器404和表面肌电传感器的接线接入数据采集模块702的输入端口。表面肌电传感器贴放置对应肌肉表面，图中未画出。电气系统7的供电由24V的锂电池705供电，并可拆卸充电。急停开关703为总电器开关，用于安全性急停断电。由于背部支撑板601上有密集的安装孔，上述电气系统7的各组件安装位置不紧固连接，可按需摆放。

优选地，所述手臂紧固连接环401采用弹性材料；保证穿戴舒适性，并通过尼龙贴绑紧。其安装位置可沿竹节模块上下滑动，并尽量靠近竹节模块下端，方便压力信号的采集。

优选地，胸部穿戴结构和腰部穿戴结构采用开衫的的织物结构，通过尼龙贴或尼龙扣紧固，紧固连接位置可调。穿戴结构应符合人体工效学。

优选地，所述薄膜压力传感器404的底部填加以下任意一种材料：

-海绵弹性材料；

-弹簧弹性材料，保证良好的接触。

优选地，对采集的表面肌电信号、压力信号和关节扭矩信号进行算法融合，用于更好地识别用户主动运动意图。

优选地，人机接口的输入模式可变更或扩展，如采用脑电信号进行脑机控制，或采用语音信号进行控制输入等。传感器类型可变更或扩展，如将表面肌电传感器变更或在现有基础上增加肌肉力传感器、超声传感器或电容传感器等。

优选的，各关节转轴在软件限位的同时，增添硬件机械结构限位，如限位滑槽或挡块等。

优选地，仿竹上肢外骨骼末端可扩展手部外骨骼，构建更完整的系统。手部外骨骼与所述上肢外骨骼共用信号采集模块，其驱动方式可采用直流电机并置于前臂的竹节模块内部，或通过绳索驱动将驱动器置于背板支架上，此时绳索通过竹节模块内部空隙并通过手部外骨骼扩展接口伸出。

优选地，本设计方案严格控制设备重量。个别复杂零件如输入端关节竹节连接件904和肩部连接件103等采用铝合金加工，并进行了减重设计。其余零件由碳纤维板和碳纤维管切割而成。电池采用适当容量。

此外，由于仿竹机械臂的仿生性，可将其替换换为尺寸合适的真实竹子。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的仿竹机械臂，相比于传统杆件机械臂，可以以更轻的质量和小巧的体积满足刚度要求。此外，内部空腔还具有规划绳索路径或内置其余零件等功用。

2、本发明采用的绳索驱动避免了传统的电机直接安装在外骨骼机械手臂上的方式，降低了外骨骼机械臂的质量，从而减少使用者手臂的负重，减轻使用负担。采用的绳索驱动也避免了引用鲍登线，极大降低了传动摩擦力损耗。

3、本发明具有完整的传感系统，包括关节扭矩传感器、压力传感器和表面肌电信号传感器，易于准确的识别使用者意图，从而实现使用者的意图控制。此外，传感器采集模块具有多个信号传入通路，其接口类型覆盖模拟量、数字量和串口通讯等多种类型。方便扩展多种固定于人体肢体而与设备机械结构无关的传感器。

4、本发明独特地针对碳纤维板材和碳纤维管材这两种新型材料采用模块化设计，零件种类少，方便批量加工制造、组装和维护，成本更低。由于材料特有的优良机械性能，本发明同时满足了轻便和坚固要求，解决了传统设计笨重的问题。现有申请中较少见到基于碳纤维板材和管材的设计方案。

5、本发明利用仿竹机械臂的结构，将驱动绳索置于竹节模块内部，避免了绳索外露，美观性和安全性更好。本发明整体外观友好，提高了用户可接受性。

6、本发明结构紧凑，体积小巧，使得本设备实现穿戴便携性。因此，本发明可用于多类场景中的上肢运动助力。

7、本发明同时覆盖了肩肘关节运动，对手部运动留有接口，实现了上肢运动功能补偿的完整性。其多向尺寸可调以符合不同的人群身材，适用性广泛。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请一种仿竹结构的上肢外骨骼的系统结构示意图；

图2为本申请外骨骼机械手臂的结构示意图；

图3为本申请关节模块的结构示意图；

图4为本申请竹节模块的结构爆炸图；

图5为本申请仿竹机械臂模块的结构示意图；

图6为本申请驱动模块的结构爆炸图；

图7为本申请驱动模块的装配剖视图；

图8为本申请假肢模块的背板支架模块和电气系统模块示意图；

图中：

1-肩部内收外展关节，2-肩部屈伸关节，3-肘部屈伸关节，4-仿竹结构机械臂，5-驱动模块，6-背板支架，7-电气系统，8-竹节模块，9-关节模块；

101-同步带，102-同步轮系，103-肩部连接件，104-肩部连接件内盖；

301-手部外骨骼扩展接口；

401-手臂固定环，402-臂环固定零件，403-紧固螺栓，404-薄膜压力传感器；

501-扁平式直流电机，502-电机安装法兰，503-电机机座螺栓，504-谐波减速器，505-电机输入法兰，506-电机轴安装螺栓，507-谐波减速器输出法兰，508-谐波减速器法兰螺栓，509-扭矩传感器，510-扭矩传感器安装螺栓，511-输出槽轮，512-绳索固定件，513-绳索紧固螺栓，514-槽轮安装螺栓，515-保护罩，516-驱动模块安装法兰，517-双头螺柱，518-绳索路径挡板；

601-背部支撑板，602-胸部穿戴结构，603-背板连接件，604-支撑杆伸缩件，605-轴销，606-支撑杆，607-腰部连接件，608-腰部支撑板，609-腰部穿戴结构；

701-电机驱动器，702-数据采集模块，703-急停开关，704-数据采集模块固定件，705-锂电池，706-电池固定件，707-控制器；

801-竹节，802-竹管；

901-伸张运动驱动绳索，902-弯曲运动驱动绳索，903-关节转动件，904-输入端关节竹节连接件，905-关节槽轮，906-轴卡簧，907-关节转轴，908-臂长调整螺栓，909-输出端关节竹节连接件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-8所示，一种仿竹结构的上肢外骨骼，包括肩部内收外展关节1、肩部屈伸关节2、L型工件，肘部屈伸关节3、螺栓连接件仿竹结构机械臂4、驱动模块5、背板支架6和电气系统7。整体结构如图1所示。

所述仿竹结构的上肢外骨骼具有3个主动自由度，包括肩部内收外展关节、肩部屈伸关节和肘部屈伸关节。仿竹结构机械臂由竹节模块及其他配件组成。竹节模块仿制天然竹子设计，利用仿竹结构空腔规划绳索驱动的绳索路径，将所述绳索置于竹节模块内。外骨骼仿竹机械臂通过手臂固定环与穿戴者上臂和前臂固定。此外，背板支架通过织物穿戴结构与人体躯干紧固。所述主动自由度中的2个屈伸自由度由于离背板较远，由驱动模块带动绳索驱动。驱动模块及其电气系统均置于背板支架上。所述主动自由度中的肩部内收外展关节通过同步带传动由背板支架上的一个驱动模块驱动。所述仿竹结构的上肢外骨骼具有9处被动自由度，用于调整设备各方向尺寸长度以于适用不同身材的使用者。所述各结构基于碳纤维板和碳纤维管材料进行模块化设计。电气系统包括传感系统、传感器采集模块、控制器、电机驱动器和电池等电气部分，均置于背板支架上。电气系统实现了嵌入式控制，使得设备得以穿戴便携。传感器系统包括压力薄膜传感器、扭矩传感器和表面肌电传感器，此外留有传感器扩展接口。此外，外骨骼末端留有手部外骨骼绳索驱动接口。

所述竹节模块8如图4所示，包括竹节801和竹管802。竹管802为碳纤维管材，竹节801两端具有台阶面，通过过盈配合与竹管802进行配合。竹节801中间设有多个通孔，作为绳索的通路。一个竹节模块由3个竹管802和2个竹节801交叉装配而成。

所述仿竹机械臂4如图5所示，包括竹节模块8、手臂固定环401、臂环固定零件402、紧固螺栓403、薄膜压力传感器404。三个竹节模块8并排并联并置于臂环固定零件402的半圆形凹槽中。闭环固定零件402通过紧固螺栓403固定手臂固定环401。手臂固定环401相对于竹节模块8的位置可沿竹节模块8的轴向滑动调节。手臂固定环401的内壁上下两侧胶合2个薄膜压力传感器404。

所述驱动模块5的爆炸图和剖视图如图6和图7所示，包括扁平式直流电机501，电机安装法兰502，电机机座螺栓503，谐波减速器504，电机输入法兰505，电机轴安装螺栓506，谐波减速器输出法兰507，谐波减速器法兰螺栓508，扭矩传感器509，扭矩传感器安装螺栓510，输出槽轮511，绳索固定件512，绳索紧固螺栓513，槽轮安装螺栓514，保护罩515，驱动模块安装法兰516，双头螺柱517，绳索路径挡板518。电机501经电机机座螺栓503固定于电机安装法兰502的一侧。电机安装法兰502的外侧螺纹孔和谐波减速器504的外侧通孔对齐，同时与保护罩515的通孔对齐，最后与驱动模块安装法兰516的螺纹孔对齐，由双头螺柱517固定上述零件。因此将电机501的机座和减速器504的外壳固定在了驱动模块的机座。电机501的电机轴过盈配合于电机输入法兰505的中间通空中，固定于谐波减速器504的输入端波发生器上，由电机轴安装螺栓506固定。谐波减速器504输出端经谐波减速器法兰螺栓508固定于谐波减速器输出法兰507的安装孔处。扭矩传感器509通过扭矩传感器安装螺栓510固定在谐波减速器输出法兰507的另一侧。扭矩传感器509另一侧与输出槽轮511贴合，并对齐安装孔，由槽轮安装螺栓514从另一侧穿过槽轮固定二者。绳索固定件512有突出台阶，用于压紧绳索于输出槽轮的绳索槽中，通过绳索紧固螺栓513固定于输出槽轮的螺纹孔中。两个绳索固定件512分别安置于输出槽轮511的两端，分别固定某关节模块的伸张运动驱动绳索901和弯曲运动驱动绳索902。绳索路径挡板518紧挨驱动模块5，固定于背板支架601最上方，用于规范从输出槽轮511引出的绳索路径。驱动模块5装配好后，通过驱动模块安装法兰516固定于背板支架601的上方，具体位置可微调。安装位置可见于图8。

所述关节模块9如图3所示，包括伸张运动驱动绳索901，弯曲运动驱动绳索902，关节转动件903，输入端关节竹节连接件904，关节槽轮905，轴卡簧906，关节转轴907，臂长调整螺栓908，输出端关节竹节连接件909。2个关节转动件903分别置于关节槽轮905的两侧，通过关节转轴907和轴卡簧906构成转轴轴系。关节转轴907具有卡簧槽，由卡簧906对关节轴系轴向限位。输入端关节竹节连接件904和输出端关节竹节连接件909通过安装螺栓908分别固定于2个关节转动件903的伸长端处的阵列孔处，用于连接仿竹机械臂模块。其安装位置可调，从而调节臂长。弯曲运动驱动绳索901和伸张运动驱动绳索902由同一个驱动模块5驱动，2个绳索对称反向运动，分别带动关节模块9正向转动和反向转动。绳索901和902一端固定于驱动模块5的输出槽轮511上的绳索槽处，由绳索固定件512紧固。固定后的绳索经绳索路径挡板518的孔径，进入肩部连接件103和肩部连接件内盖104二者形成的空腔中，之后进入竹节模块8的空腔中，经过竹节801的某个中空孔径后，通过输入端关节竹节连接件904的某个孔径，随后在关节槽轮905的绳索槽处缠绕不到一周，最终将绳索901和902的末端插入输出端关节竹节连接件909两侧的绳索孔中，对绳索末端打节或绳索末端固定零件固定2个绳索的末端。

所述肘部屈伸关节3由关节模块9构成。

所述肩部屈伸关节2在关节模块9的基础上，去掉了输入端关节竹节连接件904。

所述肩部内收外展关节1如图2所示，在关节模块9的基础上，去掉了输出端关节竹节连接件904，还包括了同步轮系101、同步带102。这是由于肩部内收外展关节1和驱动模块5转轴平行且距离近，因此通过同步轮传动，而非绳索驱动。此外，肩部内收外展关节1在关节模块9的基础上，还去掉了输出端关节竹节连接件909，增加了肩部连接件103、肩部连接件内盖104和安装螺栓，实现了两个关节的连接。肩部连接件103和肩部连接件内盖104二者通过螺栓连接，构成L形具有内部空腔的连接件，其内部空腔是肩部屈伸关节2和肘部屈伸关节3的驱动绳索901和902的绳索路径。肩部连接件103两侧有安装孔，分别通过螺栓与肩部内收外展关节1和肩部屈伸关节2的关节转动件903的伸长端固定，实现了两个关节的连接。

所述机器人外骨骼手臂的完整结构由各模块和零件串联，如图2所示。从图中右侧开始有：关节转动件903，其转轴连接至背板，可调整紧固角度。随后连接输入端关节竹节连接件904，随后连接竹节模块8，随后连接肩部内收外展关节1，随后通过肩部连接件103连接所述肩部屈伸关节2，随后连接仿竹机械臂4，随后连接肘部屈伸关节3，随后连接仿竹机械臂4，随后连接手部外骨骼扩展接口301。竹节模块8和仿竹机械臂4的两端连接处均可调整固定位置，从而起到适应不同人群臂长的功能。

所述背板支架6如图8所示，包括背部支撑板601、胸部穿戴结构602、背板连接件603、支撑杆伸缩件604、轴销605、支撑杆606、腰部连接件607、腰部支撑板608、腰部穿戴结构609和安装螺栓。胸部穿戴结构602为开衫背心状织物结构，腰部穿戴结构609为带状织物结构，二者通过缝制在穿戴结构上的尼龙贴进行紧固从而与人体躯干紧固，并通过螺栓组固定于背部支撑板601上。背板连接件603通过螺栓固定于背部支撑板，下侧通过过盈配合与支撑杆伸缩件604连接。支撑杆伸缩件604为碳纤维管材，与支撑杆606通过轴销605连接。支撑杆606具有安装孔阵列，与604支撑杆伸缩件的安装位置可调以调整背部支撑板601和腰部支撑板608之间的距离，适用于不同身高的人群。支撑杆606下侧过盈插入连接腰部连接件607中。腰部连接件607与腰部支撑板608通过螺栓固定。

所述电气系统7如图8所示，包括电机驱动器701，数据采集模块702，急停开关703，数据采集模块固定件704，锂电池705，电池固定件706，控制器707和传感器系统；3个电机驱动器701分别驱动3个驱动模块5的直流电机501。数据采集模块702为模数转换器，由基站和可扩展的I/O板卡组成。电机驱动器701、数据采集模块702和控制器707通过EtherCAT总线通信。控制器707基于l inux内核，对系统进行实时控制。各电气系统组件通过螺栓直接安装或通过固定件704，706安装在背部支撑板601上。传感器系统包括薄膜压力传感器404、扭矩传感器509和表面肌电传感器。扭矩传感器509的接线接入电机驱动器701中。薄膜压力传感器404和表面肌电传感器的接线接入数据采集模块702的输入端口。表面肌电传感器贴放置对应肌肉表面，图中未画出。电气系统7的供电由24V的锂电池705供电，并可拆卸充电。急停开关703为总电器开关，用于安全性急停断电。由于背部支撑板601上有密集的安装孔，上述电气系统7的各组件安装位置不固定，可按需摆放。

优选的，手臂固定环采用弹性材料，保证穿戴舒适性，并通过尼龙贴绑紧。其安装位置可沿竹节模块上下滑动，并尽量靠近竹节模块下端，方便压力信号的采集。

优选的，胸部穿戴结构和腰部穿戴结构采用开衫的的织物结构，通过尼龙贴或尼龙扣紧固，固定位置可调。穿戴结构应符合人体工效学。

优选的，压力传感器底部填加海绵或弹簧等弹性材料，保证良好的接触。

优选的，对采集的表面肌电信号、压力信号和关节扭矩信号进行算法融合，用于更好地识别用户主动运动意图。

优选的，人机接口的输入模式可变更或扩展，如采用脑电信号进行脑机控制，或采用语音信号进行控制输入等。传感器类型可变更或扩展，如将表面肌电传感器变更或在现有基础上增加肌肉力传感器、超声传感器或电容传感器等。

优选的，各关节转轴在软件限位的同时，增添硬件机械结构限位，如限位滑槽或挡块等。

优选的，仿竹上肢外骨骼末端可扩展手部外骨骼，构建更完整的系统。手部外骨骼与所述上肢外骨骼共用信号采集模块，其驱动方式可采用直流电机并置于前臂的竹节模块内部，或通过绳索驱动将驱动器置于背板支架上，此时绳索通过竹节模块内部空隙并通过手部外骨骼扩展接口伸出。

优选的，本设计方案严格控制设备重量。个别复杂零件如输入端关节竹节连接件904和肩部连接件103等采用铝合金加工，并进行了减重设计。其余零件由碳纤维板和碳纤维管切割而成。电池采用适当容量。

此外，由于仿竹机械臂的仿生性，可将其替换换为尺寸合适的真实竹子。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，包括：肩部内收外展关节(1)、肩部屈伸关节(2)、肘部屈伸关节(3)、仿竹结构机械臂(4)、驱动模块(5)、背板支架(6)以及电气系统(7)；

所述肩部内收外展关节(1)与肩部屈伸关节(2)通过L型工件相连接；

所述肩部内收外展关节(1)通过仿竹结构机械臂(4)紧固连接于背板支架(6)上；

所述肩部屈伸关节(2)与肘部屈伸关节(3)通过仿竹结构机械臂(4)相连接；

所述肘部屈伸关节(3)下侧通过过盈配合连接仿竹结构机械臂(4)；

所述驱动模块(5)通过同步轮传动与肩部内收外展关节(1)，通过绳索传动与肩部屈伸关节(2)、肘部屈伸关节(3)分别相连；

所述电气系统(7)、驱动模块(5)设置于背板支架(6)上；

所述肩部内收外展关节(1)包括：同步带(101)、同步轮系(102)、肩部连接件(103)，肩部连接件内盖(104)；

仿竹结构机械臂(4)的上肢外骨骼具有3个主动自由度；

仿竹结构机械臂(4)包括：竹节模块(8)；

所述驱动模块(5)包括：扁平式直流电机(501)、电机安装法兰(502)、电机机座螺栓(503)、谐波减速器(504)、电机输入法兰(505)、电机轴安装螺栓(506)、谐波减速器输出法兰(507)、谐波减速器法兰螺栓(508)、扭矩传感器(509)、扭矩传感器安装螺栓(510)、输出槽轮(511)、绳索紧固连接件(512)、绳索紧固螺栓(513)、槽轮安装螺栓(514)、保护罩(515)、驱动模块安装法兰(516)、双头螺柱(517)以及绳索路径挡板(518)；

所述电机(501)经电机机座螺栓(503)紧固连接于电机安装法兰(502)的一侧；

所述电机安装法兰(502)的外侧螺纹孔和谐波减速器(504)的外侧通孔对齐；

所述电机安装法兰(502)的外侧螺纹孔与保护罩(515)的通孔对齐；

所述电机安装法兰(502)的外侧螺纹孔与驱动模块安装法兰(516)的螺纹孔对齐；

所述电机(501)、电机安装法兰(502)、谐波减速器(504)、保护罩(515)、驱动模块安装法兰(516)采用双头螺柱(517)紧固连接；

所述电机(501)的电机轴过盈配合于电机输入法兰(505)的中间通空中；

所述电机输入法兰(505)由电机轴安装螺栓(506)紧固连接于谐波减速器504的输入端波发生器上；

所述谐波减速器(504)输出端经谐波减速器法兰螺栓(508)紧固连接于谐波减速器输出法兰(507)的安装孔处；

所述扭矩传感器(509)通过扭矩传感器安装螺栓(510)紧固连接在谐波减速器输出法兰(507)的另一侧；

所述扭矩传感器(509)的另一侧与输出槽轮(511)贴合；

所述扭矩传感器(509)的另一侧与输出槽轮(511)对齐安装孔；

所述扭矩传感器(509)的另一侧与输出槽轮(511)由槽轮安装螺栓(514)紧固连接；

所述绳索紧固连接件(512)采用突出台阶结构，用于压紧绳索于输出槽轮的绳索槽中；

所述绳索紧固连接件(512)通过绳索紧固螺栓(513)紧固连接于输出槽轮的螺纹孔中；

两个绳索紧固连接件(512)分别安置于输出槽轮(511)的两端，分别紧固连接伸张运动驱动绳索(901)和弯曲运动驱动绳索(902)；

所述绳索路径挡板(518)紧固连接于背板支架(6)的上方，用于规范从输出槽轮(511)引出的绳索路径；

所述驱动模块(5)装配好后，通过驱动模块安装法兰(516)紧固连接于背板支架(6)的上方。

2.根据权利要求1所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，所述竹节模块(8)包括竹节(801)和竹管(802)；

所述竹管(802)采用碳纤维管材；

所述竹节(801)的两端具有台阶面；

所述竹节(801)采用过盈配合与竹管802进行配合；

所述竹节(801)的中间设置有多个通孔；

所述竹节模块(8)由3个竹管(802)和2个竹节(801)交叉装配而成。

3.根据权利要求1所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，所述仿竹结构机械臂(4)包括：竹节模块(8)、手臂紧固连接环(401)、臂环紧固连接零件(402)、紧固螺栓(403)以及薄膜压力传感器(404)；

三个竹节模块(8)并排并联；

所述三个竹节模块(8)设置于臂环紧固连接零件(402)的半圆形凹槽中；所述臂环紧固连接零件(402)通过紧固螺栓(403)与手臂紧固连接环(401)紧固连接；

所述手臂紧固连接环(401)相对于竹节模块(8)的位置能够沿竹节模块(8)的轴向滑动调节；

所述手臂紧固连接环(401)的内壁上下两侧胶合2个薄膜压力传感器(404)。

4.根据权利要求1所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，还包括：关节模块(9)；

所述关节模块(9)包括：伸张运动驱动绳索(901)、弯曲运动驱动绳索(902)、关节转动件(903)、输入端关节竹节连接件(904)、关节槽轮(905)、轴卡簧(906)、关节转轴(907)、臂长调整螺栓(908)、输出端关节竹节连接件(909)；

所述关节转动件(903)的数量为两个，二者相对转动；

2个关节转动件(903)分别置于关节槽轮(905)的两侧；

所述2个关节转动件(903)通过关节转轴(907)和轴卡簧(906)构成转轴轴系；

所述关节转轴(907)具有卡簧槽，由轴卡簧(906)对关节轴系轴向限位；输入端关节竹节连接件(904)和输出端关节竹节连接件(909)通过臂长调整螺栓(908)分别紧固连接于2个关节转动件(903)的伸长端处的阵列孔处；

所述弯曲运动驱动绳索(902 )和伸张运动驱动绳索(901 )由同一个驱动模块(5)驱动；

所述弯曲运动驱动绳索(902 )的一端和伸张运动驱动绳索(901 )的一端紧固连接于驱动模块(5)的输出槽轮(511)上的绳索槽处，由绳索紧固连接件(512)紧固，随后经过绳索路径挡板(518)，进入肩部连接件(103)和肩部连接件内盖(104)形成的L型空腔中，在关节槽轮(905)的绳索槽处缠绕，最终将绳索末端固定于输出端关节竹节连接件(909)两侧安装孔中。

5.根据权利要求1所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，所述背板支架(6)包括：背部支撑板(601)、胸部穿戴结构(602)、背板连接件(603)、支撑杆伸缩件(604)、轴销(605)、支撑杆(606)、腰部连接件(607)、腰部支撑板(608)、腰部穿戴结构(609)和安装螺栓；

所述胸部穿戴结构(602)采用开衫背心状织物结构；

所述腰部穿戴结构(609)采用带状织物结构；

所述胸部穿戴结构(602)、腰部穿戴结构(609)通过尼龙贴进行紧固；

所述胸部穿戴结构(602)、腰部穿戴结构(609)通过螺栓组紧固连接于背部支撑板(601)上；

所述背板连接件(603)通过螺栓紧固连接于背部支撑板(601)；

所述背板连接件(603)的下侧通过过盈配合与支撑杆伸缩件(604)连接；

所述支撑杆伸缩件(604)采用碳纤维管材；

所述支撑杆伸缩件(604)与支撑杆(606)通过轴销(605)连接；

所述支撑杆(606)具有安装孔阵列；

所述支撑杆(606)与支撑杆伸缩件(604)的安装位置能够调整背部支撑板(601)和腰部支撑板(608)之间的距离；

所述支撑杆(606)的下侧过盈插入连接腰部连接件(607)中；

所述腰部连接件(607)与腰部支撑板(608)通过螺栓紧固连接。

6.根据权利要求3所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，所述电气系统(7)包括：电机驱动器(701)、数据采集模块(702)、急停开关(703)、数据采集模块紧固连接件(704)、锂电池(705)、电池紧固连接件(706)、控制器707和传感器系统；

所述电机驱动器(701)的数量为3个；

3个电机驱动器(701)分别驱动3个驱动模块(5)的扁平式直流电机(501)；

所示数据采集模块(702)采用模数转换器；

所述模数转换器由基站和可扩展的I/O板卡组成；

所述电机驱动器(701)、数据采集模块(702)和控制器(707)通过EtherCAT总线通信；

所述控制器(707)基于linux内核，进行实时控制。

7.根据权利要求1所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，手臂紧固连接环(401)采用弹性材料。

8.根据权利要求1所述的仿竹结构的上肢外骨骼装置，其特征在于，薄膜压力传感器(404)的底部填加以下任意一种材料：

-海绵弹性材料；

-弹簧弹性材料。

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