CN112643651B - 可伸缩的仿生外肢体机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可伸缩的仿生外肢体机械臂，其中肩关节模块包括连杆柱和多个肩关节伺服电机，肘关节模块中的肘关节伺服舵机与所述连杆柱固连，肘关节集成连杆通过肘关节伺服舵机驱动摆动，伸缩关节模块中的伸缩关节伺服舵机与所述肘关节集成连杆固连，丝杠通过伸缩关节伺服舵机驱动转动，外筒固设于伸缩关节伺服舵机下端，内杆插装于外筒中且内部设有螺母套装于丝杠上，腕关节与末端执行器模块中的第一腕关节伺服舵机与所述内杆连接，腕关节集成连杆通过第一腕关节伺服舵机驱动摆动并带动第二腕关节伺服舵机摆动，末端执行器通过第二腕关节伺服舵机驱动旋转。本发明的自由度与构型配置基于仿生理念并引入伸缩自由度，作业灵活，作业空间大。

Description

可伸缩的仿生外肢体机械臂

技术领域

本发明涉及可穿戴式机器人领域，具体地说是一种可伸缩的仿生外肢体机械臂。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，未来机器人与人类关系愈发密切，穿戴式机器人就属于这样一类机器人。穿戴式机器人目前主要分为三种：外骨骼机器人、人体假肢机器人以及外肢体机器人。外骨骼机器人与人体假肢机器人目前已经有很多研究成果，而外肢体机器人属于新的研究领域，尚处于起步阶段。

三种机器人有所区别：外骨骼机器人主要用于人体助力，增强人体上肢或者下肢的力量，实现“四两拨千斤的梦想”；人体假肢机器人主要用于肢体缺失的残疾人，帮助他们能够像正常人一样生活；外肢体机器人，顾名思义属于外加的机器人，通过背负装置使得正常人拥有外加上肢、下肢，就像是拥有多条肢体。背负外肢体后，外肢体可以帮助人类完成很多常人无法完成、或者需要多人协作才能完成的作业任务。比如在农业领域，外肢体可以帮助经常弯腰、跪姿作业的农民支撑他们的身体，减少腰部、膝盖骨骼的磨损，提高作业舒适度，在工业领域，外肢体可以帮助工人扶持工件，而工人利用自身肢体完成拧螺钉等作业任务，提高工作效率，减少人员配备，在军事领域，外肢体可以独自持枪射击，如此士兵可以同时完成多枪支射击，增强战斗能力，如此等等，外肢体机器人的出现实现了人体功能增强，拥有很广泛的应用领域与深远的应用前景，另外伴随着脑电技术的不断发展，未来甚至有可能实现脑控外肢体。因此对外肢体机器人的研究意义十分重大。

目前，外肢体机器人的研究还处于起步阶段，还面临多种技术难题，比如人体扰动会影响外肢体机器人的作业精度，外肢体作业安全性问题，外肢体机器人本体设计的重量以及灵巧性问题，外肢体机器人控制接口问题等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可伸缩的仿生外肢体机械臂，其自由度与构型配置基于仿生理念，同时引入了伸缩自由度，作业灵活，作业空间大。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可伸缩的仿生外肢体机械臂，包括肩关节模块、肘关节模块、伸缩关节模块和腕关节与末端执行器模块，其中肩关节模块包括连杆柱和多个肩关节伺服电机，且第二肩关节伺服舵机通过第一肩关节伺服舵机驱动左右摆动，第三肩关节伺服舵机通过第二肩关节伺服舵机驱动前后摆动，连杆柱通过所述第三肩关节伺服舵机驱动水平转动，肘关节模块包括肘关节伺服舵机和肘关节集成连杆，且肘关节伺服舵机上端与所述连杆柱固连，肘关节集成连杆通过肘关节伺服舵机驱动摆动，伸缩关节模块包括伸缩关节伺服舵机、丝杠、外筒和内杆，伸缩关节伺服舵机上端与所述肘关节集成连杆固连，丝杠通过伸缩关节伺服舵机驱动转动，外筒固设于伸缩关节伺服舵机下端，内杆插装于外筒中且内部设有螺母套装于所述丝杠上，腕关节与末端执行器模块包括第一腕关节伺服舵机、腕关节集成连杆、第二腕关节伺服舵机和末端执行器，第一腕关节伺服舵机上端与所述内杆连接，腕关节集成连杆通过第一腕关节伺服舵机驱动摆动，第二腕关节伺服舵机与所述腕关节集成连杆下端固连，末端执行器通过第二腕关节伺服舵机驱动旋转。

所述第一肩关节伺服舵机输出端舵盘通过肩关节法兰盘与第二肩关节伺服舵机相连，所述第二肩关节伺服舵机输出端舵盘通过主动端驱动连杆与第三肩关节伺服舵机一侧相连，所述第二肩关节伺服舵机远离所述主动端驱动连杆一端设有被动端连杆与第三肩关节伺服舵机另一侧转动相连。

所述肘关节集成连杆一侧连杆与所述肘关节伺服舵机输出端舵盘连接，另一侧连杆与所述肘关节伺服舵机远离输出端舵盘一侧转动连接。

所述伸缩关节伺服舵机上端设有第一转接盘与肘关节模块的肘关节集成连杆下端固连，所述伸缩关节伺服舵机下端的舵盘与丝杠的端部法兰固连，伸缩关节伺服舵机下侧设有固定架），且外筒上端与所述固定架固连，所述丝杠穿过所述固定架后伸入至所述内杆中，所述内杆下端设有第二转接盘与所述第一腕关节伺服舵机固连。

所述内杆外侧设有凸棱，所述外筒内侧设有导向限位凹槽，且所述凸棱与对应的导向限位凹槽配合。

所述固定架上设有第一限位块，且所述第一限位块一端透过所述固定架中部通孔伸入至外筒中，所述外筒远离所述固定架一端设有第二限位块，所述内杆上设有定位块与所述第一限位块和第二限位块配合限位。

所述腕关节集成连杆一侧连杆与所述第一腕关节伺服舵机输出端舵盘连接、另一侧连杆端部转动安装于第一腕关节伺服舵机远离输出端舵盘一侧，所述腕关节集成连杆下端通过腕关节转接盘与第二腕关节伺服舵机固连，所述第二腕关节伺服舵机下侧输出端舵盘与所述末端执行器固连。

所述肩关节模块的第一肩关节伺服舵机后侧安装于一个背负装置上，所述背负装置包括背带、刚性板及外肢体机械臂基座，所述第一肩关节伺服舵机安装在所述外肢体机械臂基座上，所述外肢体机械臂基座与刚性板固定，刚性板绑缚在背带上，背带绑缚在人体上。

所述外肢体机械臂基座位于人体腰部一侧。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明基于仿生设计理念，自由度与构型配置参考人体模型，简化手腕与手指自由度，增加了伸缩自由度，不影响灵巧性的基础上增加了作业空间。

2.本发明所有零部件都采用轻量化设计思想，经过有限元分析、尺寸优化，强度可靠，外形小巧。

3.本发明动力源选用伺服舵机，每个伺服舵机都有很高的功率密度，内部同时集成了控制板、驱动板、减速器、温度速度与力矩传感器，模块化程度高，驱动力大，控制算法简单，可以保证外肢体机械臂的作业能力。

4.本发明伸缩关节采用丝杠螺母传动，螺母与导向内杆集成一体，简化了连接装置，内杆与外筒之间通过凸棱与导向限位凹槽间隙配合实现内杆直线导向与周向定位，传动可靠精度高。

5.本发明便于背负装置、人体与外肢体机械臂的连接，连接可靠。

6.本发明结构紧凑，设计精巧，大部分零件采用功能集成化设计思想，最大化减少多余零件，减少连接定位关系。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，

图2为图1中的肩关节模块爆炸示意图，

图3为图1中的肘关节模块爆炸示意图，

图4为图1中的伸缩关节模块爆炸实体，

图5为图1中的腕关节与末端执行器模块爆炸示意图，

图6为本发明与背负装置连接示意图，

图7为本发明使用状态示意图。

其中，1为肩关节模块，101为肩关节法兰盘，102为卡块，103为第二肩关节伺服舵机，104为主动端驱动连杆，105为第三肩关节伺服舵机，106为连杆柱，107为被动端连杆，108为肩关节滑动轴承，109为第一肩关节伺服舵机；2为肘关节模块，201为肘关节转接盘，202为肘关节伺服舵机，203为肘关节集成连杆，204为肘关节滑动轴承；3为伸缩关节模块，301为第一转接盘，302为伸缩关节伺服舵机，303为丝杠，304为第一限位块，305为固定架，306为外筒，307为第二限位块，308为内杆，3081为限位块，309为第二转接盘；4为腕关节与末端执行器模块，401为第一腕关节伺服舵机，402为腕关节滑动轴承，403为腕关节集成连杆，404为腕关节转接盘，405为第二腕关节伺服舵机，406为末端执行器；5为背负装置，501为背带，502为刚性板，503为外肢体机械臂基座；6为人体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～7所示，本发明包括依次连接肩关节模块1、肘关节模块2、伸缩关节模块3、腕关节与末端执行器模块4，其中肩关节模块1输出端设有连杆柱106与设于肘关节模块2输入端的肘关节转接盘201相连，肘关节模块2输出端设有肘关节集成连杆203与设于伸缩关节模块3输入端的第一转接盘301固接；伸缩关节模块3输出端设有第二转接盘309与腕关节与末端执行器模块4中的第一腕关节伺服舵机401固连，所述肩关节模块1、肘关节模块2、伸缩关节模块3、腕关节与末端执行器模块4组成整个外肢体机械臂，并且如图6～7所示，整个外肢体机械臂通过基座503与背负装置5固定；背负装置5绑缚在人体6的上半身躯。

如图2所示，所述肩关节模块1包括第一肩关节伺服舵机109、第二肩关节伺服舵机103、第三肩关节伺服舵机105和连杆柱106，其中第一肩关节伺服舵机109输出端设有肩关节法兰盘101与第二肩关节伺服舵机103相连，且所述第二肩关节伺服舵机103通过所述第一肩关节伺服舵机109驱动左右摆动，所述第二肩关节伺服舵机103输出端设有主动端驱动连杆104与第三肩关节伺服舵机105一侧相连，所述第二肩关节伺服舵机103远离所述主动端驱动连杆104一端设有被动端连杆107与第三肩关节伺服舵机105另一侧相连，所述被动端连杆107上端通过肩关节滑动轴承108支撑可转动地安装于所述第二肩关节伺服舵机103上，所述第三肩关节伺服舵机105通过所述第二肩关节伺服舵机103驱动前后摆动，所述第三肩关节伺服舵机105下侧输出端与所述连杆柱106固连，且所述连杆柱106通过所述第三肩关节伺服舵机105驱动水平转动。

如图2所示，所述肩关节法兰盘101包括中部的圆盘和设于所述圆盘两侧的卡块102，所述圆盘上沿着圆周方向设有安装孔用于与第一肩关节伺服舵机109的舵盘固连，所述卡块102通过螺栓与所述与第二肩关节伺服舵机103对应侧固连。

如图2所示，所述主动端驱动连杆104上端设有卡套，且所述卡套与第二肩关节伺服舵机103的舵盘配合定位，并且所述卡套通过螺栓与第二肩关节伺服舵机103的舵盘固连，所述主动端驱动连杆104和被动端连杆107上均设有开槽用于减轻重量。

如图2所示，所述连杆柱106上端设有上法兰盘与第三肩关节伺服舵机105的舵盘固连，所述连杆柱106下端设有下法兰盘与肘关节模块2固连，所述连杆柱106圆周方向设有多个开槽用于减轻重量。

如图3所示，所述肘关节模块2包括肘关节伺服舵机202、肘关节转接盘201和肘关节集成连杆203，其中肘关节转接盘201安装于肘关节伺服舵机202上端并与肩关节模块1的连杆柱106固连，肘关节伺服舵机202下端与所述肘关节集成连杆203上端连接，其中所述肘关节集成连杆203一侧连杆与所述肘关节伺服舵机202输出端舵盘连接，另一侧连杆通过肘关节滑动轴承204支撑与所述肘关节伺服舵机202远离输出端舵盘一侧转动连接，所述肘关节集成连杆203通过所述肘关节伺服舵机202驱动前后摆动，所述肘关节集成连杆203下端与伸缩关节模块3连接。

如图3所示，所述肘关节集成连杆203两侧连杆均设有开槽用于减轻重量。

如图4所示，所述伸缩关节模块3包括伸缩关节伺服舵机302、丝杠303、固定架305、外筒306和内杆308，其中伸缩关节伺服舵机302上端设有第一转接盘301与肘关节模块2的肘关节集成连杆203下端固连，伸缩关节伺服舵机302下端的舵盘与丝杠303的端部法兰固定并带动所述丝杠303做旋转运动，固定架305固设于伸缩关节伺服舵机302下侧且中部设有供丝杠303穿过的通孔，外筒306上端与所述固定架305固连，内杆308插装于所述外筒306中，所述内杆308上端设有螺母套装于所述丝杠303上，丝杠303转动即驱动所述内杆308沿着外筒306直线移动，所述内杆308下端设有第二转接盘309与腕关节与末端执行器模块4固连，所述内杆308外侧布置凸棱，所述外筒306内侧布置导向限位凹槽，所述凸棱与对应的导向限位凹槽配合，一方面限制内杆308圆周方向旋转，另一方面引导内杆308直线移动。

如图4所示，所述内杆308的直线运动范围通过第一限位块304与第二限位块307限定，其中第一限位块304安装于所述固定架305上且一端透过所述固定架305中部通孔伸入至外筒306中，第二限位块307安装于外筒306远离所述固定架305一端，所述内杆308上设有两个定位块3081，且定位块3081运动到上下极限位置时将与第一限位块304及第二限位块307碰撞，阻碍内杆308进一步运动，为了保证定位块3081的直线运动，外筒306两侧开有滑槽，所述定位块3081与对应的滑槽间隙配合并沿着所述滑槽滑动。

如图4所示，所述外筒306与固定架305在伸缩关节模块3中属于定子，丝杠303与内杆308属于动子，所述固定架305两侧板开槽减轻质量，所述内杆308周向布置开槽减轻质量。

如图5所示，所述腕关节与末端执行器模块4包括第一腕关节伺服舵机401、腕关节集成连杆403、第二腕关节伺服舵机405和末端执行器406，其中第一腕关节伺服舵机401上端与伸缩关节模块3中的第二转接盘309固连，第一腕关节伺服舵机401下端与腕关节集成连杆403上端连接，其中所述腕关节集成连杆403一侧连杆与所述第一腕关节伺服舵机401输出端舵盘连接、另一侧连杆端部通过腕关节滑动轴承402支撑转动安装于第一腕关节伺服舵机401远离输出端舵盘一侧，所述腕关节集成连杆403下端通过腕关节转接盘404与第二腕关节伺服舵机405固连，所述第二腕关节伺服舵机405下侧输出端舵盘与所述末端执行器406固连，第一腕关节伺服舵机401通过腕关节集成连杆403驱动第二腕关节伺服舵机405摆动，第二腕关节伺服舵机405驱动所述末端执行器406转动，所述末端执行器406为本领域公知技术且为市购产品。

本发明的工作原理为：

如图6～7所示，本实施例的背负装置5包括背带501、刚性板502及外肢体机械臂基座503，其中背带501绑缚在人体6的上半身躯，整个外肢体机械臂安装在所述外肢体机械臂基座503上，所述外肢体机械臂基座503与刚性板502固定，刚性板502被绑缚在背带501上，外肢体机械臂基座503位于人体腰部一侧位置，可以与人体原有上肢协作，执行常人无法完成或需要多人协作完成的作业任务，实现人体功能增强。

本发明工作时，肩关节模块1中的第二肩关节伺服舵机103通过第一肩关节伺服舵机109驱动左右摆动，第三肩关节伺服舵机105通过所述第二肩关节伺服舵机103驱动前后摆动，连杆柱106通过所述第三肩关节伺服舵机105驱动水平转动并带动下侧的肘关节模块2转动，肘关节模块2中的肘关节伺服舵机202驱动肘关节集成连杆203摆动，并带动与所述肘关节集成连杆203下端连接的伸缩关节模块3摆动，伸缩关节模块3中的伸缩关节伺服舵机302驱动丝杠303转动，进而驱动内杆308沿着外筒306伸缩移动，所述内杆308移动带动与其连接的腕关节与末端执行器模块4移动，所述腕关节与末端执行器模块4中的第一腕关节伺服舵机401通过腕关节集成连杆403驱动第二腕关节伺服舵机405摆动，第二腕关节伺服舵机405则驱动所述末端执行器406转动。

本发明采用基于仿生设计理念，在参考人体手臂构型与自由度配置的基础上，做出适当自由度简化，加入末端执行器抓取自由度，共八个自由度，作业灵巧，引入了伸缩自由度，增大了作业空间。整个外肢体机械臂的所有零部件都基于轻量化的设计理念，保证强度的前提下减少质量；同时零部件设计也融入了集成设计理念，在加工条件允许前提下，通过外形设计使得一个零部件融合多种功能，结构紧凑、连接可靠。整个外肢体机械臂安装方便、维护升级便利，同时实现了轻量化、灵巧化与美观化。

Claims (7)

1.一种可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：包括肩关节模块（1）、肘关节模块（2）、伸缩关节模块（3）和腕关节与末端执行器模块（4），其中肩关节模块（1）包括连杆柱（106）和多个肩关节伺服电机，且第二肩关节伺服舵机（103）通过第一肩关节伺服舵机（109）驱动左右摆动，第三肩关节伺服舵机（105）通过第二肩关节伺服舵机（103）驱动前后摆动，连杆柱（106）通过所述第三肩关节伺服舵机（105）驱动水平转动，肘关节模块（2）包括肘关节伺服舵机（202）和肘关节集成连杆（203），且肘关节伺服舵机（202）上端与所述连杆柱（106）固连，肘关节集成连杆（203）通过肘关节伺服舵机（202）驱动摆动，伸缩关节模块（3）包括伸缩关节伺服舵机（302）、丝杠（303）、外筒（306）和内杆（308），伸缩关节伺服舵机（302）上端与所述肘关节集成连杆（203）固连，丝杠（303）通过伸缩关节伺服舵机（302）驱动转动，外筒（306）固设于伸缩关节伺服舵机（302）下端，内杆（308）插装于外筒（306）中且内部设有螺母套装于所述丝杠（303）上，腕关节与末端执行器模块（4）包括第一腕关节伺服舵机（401）、腕关节集成连杆（403）、第二腕关节伺服舵机（405）和末端执行器（406），第一腕关节伺服舵机（401）上端与所述内杆（308）连接，腕关节集成连杆（403）通过第一腕关节伺服舵机（401）驱动摆动，第二腕关节伺服舵机（405）与所述腕关节集成连杆（403）下端固连，末端执行器（406）通过第二腕关节伺服舵机（405）驱动旋转；

所述第一肩关节伺服舵机（109）输出端舵盘通过肩关节法兰盘（101）与第二肩关节伺服舵机（103）相连，所述第二肩关节伺服舵机（103）输出端舵盘通过主动端驱动连杆（104）与第三肩关节伺服舵机（105）一侧相连，所述第二肩关节伺服舵机（103）远离所述主动端驱动连杆（104）一端设有被动端连杆（107）与第三肩关节伺服舵机（105）另一侧转动相连；

所述肩关节模块（1）的第一肩关节伺服舵机（109）后侧安装于一个背负装置（5）上，所述背负装置（5）包括背带（501）、刚性板（502）及外肢体机械臂基座（503），所述第一肩关节伺服舵机（109）安装在所述外肢体机械臂基座（503）上，所述外肢体机械臂基座（503）与刚性板（502）固定，刚性板（502）绑缚在背带（501）上，背带（501）绑缚在人体（6）上。

2.根据权利要求1所述的可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：所述肘关节集成连杆（203）一侧连杆与所述肘关节伺服舵机（202）输出端舵盘连接，另一侧连杆与所述肘关节伺服舵机（202）远离输出端舵盘一侧转动连接。

3.根据权利要求1所述的可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：所述伸缩关节伺服舵机（302）上端设有第一转接盘（301）与肘关节模块（2）的肘关节集成连杆（203）下端固连，所述伸缩关节伺服舵机（302）下端的舵盘与丝杠（303）的端部法兰固连，伸缩关节伺服舵机（302）下侧设有固定架（305），且外筒（306）上端与所述固定架（305）固连，所述丝杠（303）穿过所述固定架（305）后伸入至所述内杆（308）中，所述内杆（308）下端设有第二转接盘（309）与所述第一腕关节伺服舵机（401）固连。

4.根据权利要求3所述的可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：所述内杆（308）外侧设有凸棱，所述外筒（306）内侧设有导向限位凹槽，且所述凸棱与对应的导向限位凹槽配合。

5.根据权利要求3所述的可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：所述固定架（305）上设有第一限位块（304），且所述第一限位块（304）一端透过所述固定架（305）中部通孔伸入至外筒（306）中，所述外筒（306）远离所述固定架（305）一端设有第二限位块（307），所述内杆（308）上设有定位块（3081）与所述第一限位块（304）和第二限位块（307）配合限位。

6.根据权利要求1所述的可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：所述腕关节集成连杆（403）一侧连杆与所述第一腕关节伺服舵机（401）输出端舵盘连接、另一侧连杆端部转动安装于第一腕关节伺服舵机（401）远离输出端舵盘一侧，所述腕关节集成连杆（403）下端通过腕关节转接盘（404）与第二腕关节伺服舵机（405）固连，所述第二腕关节伺服舵机（405）下侧输出端舵盘与所述末端执行器（406）固连。

7.根据权利要求1所述的可伸缩的仿生外肢体机械臂，其特征在于：所述外肢体机械臂基座（503）位于人体腰部一侧。