CN112706150B - 一种可穿戴的外肢体辅助抓取装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外肢体辅助抓取装置，具体地指一种可穿戴的外肢体辅助抓取装置及控制方法。包括底座(1)，以及设置在底座(1)上的抓取装置、姿态提取装置、动力输入与控制装置，抓取部分包括若干连杆，姿态提取部分包括若干与用户手指贴合的连杆，动力输入与控制装置包括电位器、控制面板、舵机、电池，由姿态提取部分对人体手指运动进行状态提取，进而带动电位器进行角度变化，所述角度变化由电位器接收并传递到控制面板，所述控制面板对电位器角度信号进行相应处理，将所述角度变化输出为舵机转轴的角度变化，带动抓取部分进行运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种外肢体辅助抓取装置，具体地指一种穿戴于手掌与手背间的外肢体辅助抓取装置及控制方法。
背景技术
随着人口老龄化加速，对于助老助残型机器人的需求快速增长，而人体的手部抓取运动在日常生活中起着十分重要的作用，而中老年人因为年龄增长，肌肉衰弱，导致手指无力，难以抓握物体，给生活带来了许多不便。
相较于国外成熟的外骨骼机器人技术，国内的研究起步晚、水平相对落后，少有成功的商业化产品，主要存在手部外肢体无法与手部良好契合，对手部外肢体的控制方式有限，只可完成程序指定动作，灵活性差，穿戴性差，成本高等问题。
经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201910611936.0，该技术公开一种外肢体辅助抓取装置，该装置穿戴于腰部，使用3个自由度虽能完成抓取，但结构空间占据大，限制了上肢外骨骼机器人的工作空间。驱动方式采用盘式电机和谐波减速器直接放置在关节上，使得各关节质量增大，削弱了其带负载能力。
中国专利申请号201810320697，该技术公开了一种外肢体辅助作业装置，包括驱动端、调整端和柔性关节，采用多连杆结构实现抓取，能够实现对不规则形状物体进行抓取，但该机构结构复杂，尺寸偏大，无法适用于日常生活中的辅助抓取，且质量较重，不适合中老年人穿戴。
中国专利申请号2020105386136，该技术公开了一种滑块推动型机器人手指结构，手指主体由基座、指根、指中节和指尖组成，基座、指根和指尖依次串联连接；指根连接基座与指尖，在指根中布置步进电机带动丝杆 进行旋转，但该装置未考虑到装置与人体手掌的配合问题，不能够与人体协同使用。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑、控制方便、穿戴便利、价格实惠的外肢体辅助抓取装置。
为了实现上述目的，本发明所设计的外肢体辅助抓取装置，包括底座，以及设置在底座上的抓取装置、姿态提取装置、动力输入与控制装置，抓取部分包括若干连杆，姿态提取部分包括若干与用户手指贴合的连杆，动力输入与控制装置包括电位器、控制面板、舵机、电池，由姿态提取部分对人体手指运动进行状态提取，进而带动电位器进行角度变化，所述角度变化由电位器接收并传递到控制面板，所述控制面板对电位器角度信号进行相应处理，将所述角度变化输出为舵机转轴的角度变化，带动抓取部分进行运动。
在上述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，底座后方放置驱动舵机，抓取部分包括第一连杆、第二连杆以及第三连杆；电机输出轴连接齿轮，通过齿轮带动抓取装置第一连杆进行转动，第一连杆与第二连杆之间通过螺丝螺母连接，抓取装置第二连杆通过第三连杆上方的突起结构进行连接，第三连杆为可拆卸组装结构，可拆卸为两端，为第三连杆内部的双细绳结构的安装提供便利，机械手指后端的手指底座后端与装置整体底座连接，手指底座前端通过第二指节连接器与第三连杆即第二指节连接，第三连杆即第二指节通过第一指节连接器与第四连杆即第一指节相连，本发明抓取部分，动力的传输过程由舵机输出轴传递给齿轮，进而传递给第一连杆，第二连杆，第三连杆，第四连杆，对于机械手指的弯曲程度的初步调试，可通过对第一连杆上的不同卡点进行装配进行调节，由四连杆—双细绳耦合机构完成对力矩的传递。
在上述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，第三连杆内部安装了双曲绳结构进行力的传递对第四连杆进行驱动，第三连杆为可拆卸机构，细绳起始环绕于第二指节连接器，在第三连杆的空腔内形成双曲绳结构，进而将绳尾部环绕于第一指节连接器，使第四连杆即第一指节完成大角度弯曲。
在上述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，姿态提取装置包括姿态提取装置第一连杆、姿态提取装置第二连杆、姿态提取装置第三连杆以及姿态提取装置第四连杆；姿态提取的输入由姿态提取装置第四连杆完成，姿态提取第四连杆通过姿态提取第三连杆中的卡槽部位进行连接，姿态提取第三连杆通过圆柱副与姿态提取第二连杆连接，姿态提取第二连杆通过圆孔与姿态提取第一连杆进行连接，当人体对姿态提取装置进行输入时，姿态提取第四连杆带动姿态提取第三连杆同向移动，姿态提取第三连杆带动姿态提取第二连杆进行前后移动和左右平移，进而带动姿态提取第一连杆进行转动，该转动信号由电位器接收，并通过电线传递到控制板进行处理，进而将对应处理信号传递给舵机接收，控制抓取装置的运动。
在上述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，动力输入与控制装置的舵机，电池组，控制板，电位器设置在底座上方，以姿态提取装置方向为正，以舵机为中心，电池组置于舵机正后方，控制板竖直置于舵机左部，电位器置于舵机前方，姿态提取第一连杆与电位器连接并置于电位器上方。
在上述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，底座左方固定两个绑带固定，底座右端固定一个绑带固定，起着将装置穿戴于人体手部的作用，在整体装置组装完成的基础上，使用顶盖对整体结构进行封装。
一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置的控制方法，其特征在于，包括：步骤1、人体手指运动，具体是人体手指穿戴状态提取装置手指的运动，通过其运动进行状态提取。
步骤2、姿态提取部分摇杆旋转，具体是对提取状态进行调整的机械结构，通过其对手指状态角度转换为恰当角度使电位器识别。
步骤3、电位器摇杆被推/拉动，电位器输出信号，具体是将电位器摇杆输入的信号输出为舵机轴端的运动。
步骤4、电路板接收信号，输出对应的舵机信号，具体是相应程序对输入输出的处理过程。
步骤5、舵机旋转，四连杆运动，具体是舵机将轴端输出转化为四连杆运动并带动末端指节运动。
步骤6、外肢体辅助装置运动，具体是通过人体姿态提取运动带动外肢体进行相应运动，为人体完成相应动作提供助力与支撑、支持，为手部进行节力与助力。
本发明的优点在于：本设计的外肢体辅助抓取装置用了机械结构的姿态提取机构来获得人体手指的运动姿态，转换为电信号输入到电路板中驱动舵机，从而实现了协同控制；通过细绳耦合的方式来控制第一指节的旋转，使得第一指节与第二指节运动协调；通过外肢体的形式来增强使用者的握力，辅助使用者手部运动，通过协同作用达到延迟小、控制稳定、控制多样化的目的，便于外肢体肌肉无力者使用。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为抓取部分详细标示结构示意图。
图3为图2内部交叉细绳结构示意图。
图4为姿态提取装置结构示意图。
图5为本发明中电机、控制板、电池位置示意图。
图6为本发明中基座结构示意图。
图7为本发明顶盖结构示意图。
图8为本发明的另一种立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。图中：底座1，抓取装置第一连杆2，抓取装置第二连杆3，抓取装置第三连杆即第二指节4，抓取装置第四连杆即第一指节5，手指底座6，姿态提取装置第一连杆7，姿态提取装置第二连杆8，姿态提取装置第三连杆9，姿态提取装置第四连杆10，指端固定11，输出端齿轮12，第一轴承13，第二轴承14，线槽15，交叉细绳16，绑带固定17，螺丝18，控制面板19，电位器20，电池组21，第一指节连接器22，第二指节连接器23,驱动舵机24，顶盖25。
本发明由抓取部分、姿态提取部分、动力输入与控制部分三大部分组成。
整体装置基于底座1上，在底座1的后方放置动力原件与控制原件，底座1后方主要空间放置驱动舵机24，电机输出轴连接齿轮12，通过齿轮12带动抓取装置第一连杆2进行转动，第一连杆2与第二连杆3之间通过螺丝18螺母连接，抓取装置第二连杆3通过第三连杆4上方的突起结构进行连接，第三连杆4为可拆卸组装结构，可拆卸为两端，为第三连杆4内部的交叉绳结构16的安装提供便利，机械手指后端的手指底座6后端与装置整体底座1连接，手指底座6前端通过第二指节连接器22与第三连杆即第二指节4连接，第三连杆即第二指节4通过第一指节连接器23与第四连杆即第一指节4相连，本发明抓取部分，动力的传输过程由舵机24输出轴传递给齿轮12，进而传递给第一连杆2，第二连杆3，第三连杆4，第四连杆5，对于机械手指的弯曲程度的初步调试，可通过对第一连杆2上的不同卡点进行装配进行调节，由四连杆—双细绳耦合机构完成对力矩的传递。
在抓取装置中，第三连杆4内部安装了双曲细绳结构16进行力的传递对第四连杆5进行驱动，第三连杆4为可拆卸机构，细绳16起始环绕于第二指节连接器23，在第三连杆4的空腔15内形成双曲绳结构16，进而将绳尾部环绕于第一指节连接器22，使第四连杆即第一指节5完成大角度弯曲。
在本发明姿态提取装置中，姿态提取的输入由姿态提取装置第四连杆10完成，姿态提取第四连杆10通过姿态提取第三连杆9中的卡槽部位15进行连接，姿态提取第三连杆9通过圆柱副与姿态提取第二连杆8连接，姿态提取第二连杆8通过圆孔与姿态提取第一连杆7进行连接，当人体对姿态提取装置进行输入时，姿态提取第四连杆10带动姿态提取第三连杆9同向移动，姿态提取第三连杆9带动姿态提取第二连杆8进行前后移动和左右平移，进而带动姿态提取第一连杆7进行转动，该转动信号由电位器20接收，并通过电线传递到控制板19进行处理，进而将对应处理信号传递给舵机24接收，控制抓取装置的运动。
在底座上方放置有舵机24，电池组21，控制板19，电位器20，以姿态提取装置方向为正，以舵机24为中心，电池组21置于舵机24正后方，控制板19竖直置于舵机24左部，电位器20置于舵机24前方，姿态提取第一连杆7与电位器20连接并置于电位器20上方，底座1左方固定两个绑带固定17，底座右端固定一个绑带固定17，起着将装置穿戴于人体手部的作用，在整体装置组装完成的基础上，使用顶盖对整体结构进行封装25。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，其特征在于：包括底座（1），以及设置在底座（1）上的抓取装置、姿态提取装置、动力输入与控制装置，抓取装置包括若干连杆，姿态提取装置包括若干与用户手指贴合的连杆，动力输入与控制装置包括电位器、控制面板、舵机、电池，由姿态提取装置对人体手指运动进行状态提取，进而带动电位器进行角度变化，所述角度变化由电位器接收并传递到控制面板，所述控制面板对电位器角度信号进行相应处理，将所述角度变化输出为舵机转轴的角度变化，带动抓取装置进行运动；
底座(1)后方放置驱动舵机(24)，抓取装置包括第一连杆(2)、第二连杆(3)以及第三连杆(4)；电机输出轴连接齿轮(12)，通过齿轮(12)带动抓取装置第一连杆(2)进行转动，第一连杆(2)与第二连杆(3)之间通过螺丝（18）螺母连接，抓取装置第二连杆(3)通过第三连杆(4)上方的突起结构进行连接，第三连杆(4)为可拆卸组装结构，可拆卸为两端，为第三连杆(4)内部的双曲绳结构(16)的安装提供便利，机械手指后端的手指底座(6)后端与装置整体底座(1)连接，手指底座(6)前端通过第二指节连接器(23)与第三连杆(4)即第二指节连接，第三连杆(4)即第二指节通过第一指节连接器(22)与第四连杆即第一指节相连，抓取装置，动力的传输过程由舵机(24)输出轴传递给齿轮(12)，进而传递给第一连杆(2)，第二连杆(3)，第三连杆(4)，第四连杆(5)，对于机械手指的弯曲程度的初步调试，可通过对第一连杆(2)上的不同卡点进行装配进行调节，由四连杆—双细绳耦合机构完成对力矩的传递；
第三连杆（4）内部安装了双曲绳结构（16）进行力的传递对第四连杆（5）进行驱动，第三连杆（4）为可拆卸机构，双曲绳结构（16）起始环绕于第二指节连接器（23），在第三连杆（4）的空腔内形成双曲绳结构（16），进而将绳尾部环绕于第一指节连接器（22），使第四连杆即第一指节（5）完成大角度弯曲；
姿态提取装置包括姿态提取装置第一连杆（7）、姿态提取装置第二连杆（8）、姿态提取装置第三连杆（9）以及姿态提取装置第四连杆（10）；姿态提取的输入由姿态提取装置第四连杆（10）完成，姿态提取第四连杆（10）通过姿态提取第三连杆（9）中的卡槽部位进行连接，姿态提取第三连杆（9）通过圆柱副与姿态提取第二连杆（8）连接，姿态提取第二连杆（8）通过圆孔与姿态提取第一连杆（7）进行连接，当人体对姿态提取装置进行输入时，姿态提取第四连杆(10)带动姿态提取第三连杆(9)同向移动，姿态提取第三连杆(9)带动姿态提取第二连杆(8)进行前后移动和左右平移，进而带动姿态提取第一连杆(7)进行转动，转动信号由电位器(20)接收，并通过电线传递到控制板(19)进行处理，进而将对应处理信号传递给舵机(24)接收，控制抓取装置的运动。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，其特征在于：动力输入与控制装置的舵机(24)，电池组(21)，控制板(19)，电位器(20) 设置在底座上方，以姿态提取装置方向为正，以舵机(24)为中心，电池组(21)置于舵机(24)正后方，控制板(19)竖直置于舵机(24)左部，电位器(20)置于舵机(24)前方，姿态提取第一连杆(7)与电位器(20)连接并置于电位器(20)上方。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴式外肢体辅助抓取装置，其特征在于：底座(1)左方固定两个绑带固定(17)，底座右端固定一个绑带固定(17)，将装置穿戴于人体手部，在整体装置组装完成的基础上，使用顶盖(25)对整体结构进行封装。
4.一种权利要求1所述的可穿戴式外肢体辅助抓取装置的控制方法，其特征在于：包括
步骤1、人体手指运动，具体是人体手指穿戴状态提取装置手指的运动，通过其运动进行状态提取；
步骤2、姿态提取装置摇杆旋转，具体是对提取状态进行调整的机械结构，通过其对手指状态角度转换为恰当角度使电位器识别；
步骤3、电位器摇杆被推/拉动，电位器输出信号，具体是将电位器摇杆输入的信号输出为舵机轴端的运动；
步骤4、电路板接收信号，输出对应的舵机信号，具体是相应程序对输入输出的处理过程；
步骤5、舵机旋转，四连杆运动，具体是舵机将轴端输出转化为四连杆运动并带动末端指节运动；
步骤6、外肢体辅助装置运动，具体是通过人体姿态提取运动带动外肢体进行相应运动，为人体完成相应动作提供助力与支撑、支持，为手部进行节力与助力。
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