CN113043241A - 一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，一自由度力反馈手部操控握把安装在腕部掌屈背屈关节组件的输出端，腕部掌屈背屈关节组件与一自由度腕部尺屈找屈关节组件的输出端固定连接，腕部尺屈挠屈关节组件与一自由度前臂回旋关节组件的输出端固定连接；一自由度肘关节组件的一端与前臂回旋关节组件固定连接，另一端与三自由度球面仿生肩关节组件的一端固定连接，三自由度球面仿生肩关节组件的另一端安装在背部基座上；三自由度球面仿生肩关节组件具有肩部前伸后缩、肩部外展内收及肩部内旋外旋三个自由度。本发明具有可穿戴、结构紧凑、重量轻、运动兼容性与操控灵活性强等特点，可广泛应用于外骨骼式遥操作领域。
Description
技术领域
本发明属于外骨骼机器人技术、主从遥操作领域，具体地说是一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手。
背景技术
随着工业技术的迅速发展，七自由度串联机器人由于具有较高的灵活性、可靠性和适应性，能够避免六自由度串联机器人中经常出现的结构奇异性问题以及关节限制问题，具备较强的避障能力，在一些特殊的要求和环境下能够顺利完成复杂的任务，如装配、焊接等行业得到广泛应用，并已经实现了自动化控制。但在核辐射、火灾及反恐作战现场等非结构环境、多样化任务作业中，仍很难实现机器人的自动作业，仍需要人员参与控制，主从遥操作是最常用的操作方法。
七自由度串联机器人在控制过程中需要多个关节的控制参数，以在从端复现主端操作者上肢作业动作，实现非结构环境下的复杂任务作业。但现有主从遥操作系统中，一方面主端操作器多采用与人体手臂异构的六自由度力反馈控制器实现主从末端工具的笛卡尔空间位姿控制，无法对从端机械臂各关节进行有效控制与路径规划，降低了七自由度串联机器人灵活性、适应性与避障能力；一方面主端手部处多采用控制按钮触发控制指令或匹配从端夹爪的手部机构，与人体手指自然运动拟合度较低,多无法感知从手末端工具的真实操作力，不便于多任务并行操控，影响操作直观性；一方面现有外骨骼式遥操作主手肩关节位置多采用三轴垂直正交方案，严重限制肩部外展运动，存在人机干涉问题；一方面，前臂回旋机构多采用圆弧齿轮或多平行四边形方式，体积重量大，易造成机构重心与人体前臂运动重心偏移，操控疲劳感增强；另外，固定于基座的外骨骼式主手，在人机交互过程中，存在较大偶合力，运动信息获取及操作舒适性亟待提高。
发明内容
针对现有外骨骼式遥操作主手存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括一自由力反馈手部操控握把、一自由度腕部掌屈背屈关节组件、一自由度腕部尺屈桡屈关节组件、一自由度前臂回旋关节组件、一自由度肘关节组件、三自由度球面仿生肩关节组件、背部基座、背负系统及上臂绑带组件，其中一自由度力反馈手部操控握把安装在腕部掌屈背屈关节组件的输出端，该腕部掌屈背屈关节组件与一自由度腕部尺屈找屈关节组件的输出端固定连接，所述腕部尺屈挠屈关节组件与一自由度前臂回旋关节组件的输出端固定连接；所述一自由度肘关节组件的一端与前臂回旋关节组件固定连接，另一端与三自由度球面仿生肩关节组件的一端固定连接，三自由度球面仿生肩关节组件的另一端安装在背部基座上；所述三自由度球面仿生肩关节组件具有肩部前伸后缩、肩部外展内收及肩部内旋外旋三个自由度；所述背负系统安装在背部基座上，用于穿戴在人体上；所述一自由度肘关节组件与三自由度球面仿生肩关节组件之间安装有大臂绑带组件。
其中：所述一自由力反馈手部操控握把包括操控扳机、扳机轴、操控握把主体、握把编码器、转动轮、动力电机、拉力线、止逆弹簧及驱动轮，该操控扳机位于所述操控握把主体的前端，所述操控扳机的一端与设置在操控握把主体上的扳机轴转动连接，另一端为手握端、位于操控握把主体的外部，该操控扳机的一端安装有转动轮；所述握把编码器、动力电机、拉力线、止逆弹簧及驱动轮均位于操控握把主体内，该动力电机固定在操控握把主体内部，输出端连接有驱动轮，所述拉力线的两端分别缠绕在所述转动轮与驱动轮上；所述止逆弹簧的一端连接于驱动轮上，另一端连接于所述操控握把主体内部；所述动力电机在工作时处于堵转状态，该动力电机的电机轴上安装有握把编码器；所述操控握把主体与一自由度腕部掌屈背屈关节组件的输出端相连。
所述操控握把主体上安装有防护罩，所述扳机轴、转动轮、拉力线、止逆弹簧及驱动轮均位于操控握把主体与防护罩围成的空间内。
所述一自由度前臂回旋关节组件包括前臂运动保持架、十字交叉滚子轴承、前臂固定保持架及环形编码器，该前臂运动保持架与十字交叉滚子轴承的内圈固定连接，前臂固定保持架与所述十字交叉滚子轴承的外圈固定连接；所述环形编码器的内圈、外圈分别与前臂运动保持架、前臂固定保持架连接；所述一自由度腕部尺屈挠屈关节组件与前臂运动保持架相连，所述前臂固定保持架连接于所述一自由度肘关节组件的一端连接。
所述三自由度球面仿生肩关节组件包括肩部前伸后缩固定架、外展内收固定架及位于该肩部前伸后缩固定架与外展内收固定架之间的两个球面菱形机构，其中每个球面菱形机构的四条边均为弧形，且相邻边均通过转轴转动连接，一个所述球面菱形机构的一个端点处的转轴安装于肩部前伸后缩固定架上，相对的端点与另一个所述球面菱形机构的一个端点共用一根转轴，另一个所述球面菱形机构上相对的端点处的转轴安装于外展内收固定架上；所述肩部前伸后缩固定架与一自由度肘关节组件的另一端相连，所述外展内收固定架安装于背部基座上。
所述两个球面菱形机构包括第一肩部短杆、第二肩部短杆、第三肩部短杆、第四肩部短杆、第一肩部长杆及第二肩部长杆，该第一肩部长杆与第二肩部长杆呈“X”形，中间通过肩部中心轴转动连接；所述第一肩部短杆的一端与第一肩部长杆的一端通过第一肩部共用转轴连接，该第一肩部短杆的另一端与所述第三肩部短杆的一端通过前伸后缩转轴连接，所述第三肩部短杆的另一端与所述第二肩部长杆的一端通过第三肩部共用转轴连接，所述第二肩部短杆的一端与第一肩部长杆的另一端通过第二肩部共用转轴连接，该第二肩部短杆的另一端与第四肩部短杆的一端通过外展内收转轴连接，所述第四肩部短杆的另一端与所述第二肩部长杆的另一端通过第四肩部共用转轴连接；所述第一肩部长杆及第二肩部长杆为两个球面菱形机构的共用杆，所述前伸后缩转轴与外展内收转轴分别安装于肩部前伸后缩固定架及外展内收固定架上。
所述肩部中心轴、前伸后缩转轴及外展内收转轴上分别安装有记录球面菱形机构各连杆在运动过程之中相对角度的编码器。
所述第一肩部长杆、第二肩部长杆的弧度相等，第一肩部短杆、第二肩部短杆、第三肩部短杆及第四肩部自短杆的弧度相等，该第一肩部长杆与第二肩部长杆的弧度是第一肩部短杆、第二肩部短杆、第三肩部短杆及第四肩部自短杆弧度的两倍；所述第一肩部长杆与第三肩部短杆、第四肩部短杆的曲率半径相同，所述第二肩部长杆与第一肩部短杆、第二肩部短杆的曲率半径相同。
所述第一肩部共用转轴、第二肩部共用转轴、第三肩部共用转轴、第四肩部共用转轴、肩部中心轴、前伸后缩转轴及外展内收转轴的回转轴线交汇于球心；所述三自由度球面仿生肩关节组件在穿戴后，所述前伸后缩转轴的前伸后缩转轴回转轴线与人体肩部关节前伸后缩关节轴线重合，外展内收转轴的外展内收转轴回转轴线与人体前伸后缩关节轴线重合，内旋外旋回转轴线与人体肩部内旋外旋关节轴线重合，且前伸后缩转轴回转轴线、外展内收转轴回转轴线及内旋外旋回转轴线在初始状态相互垂直相交于球心，该球心始终与人体肩部关节运动中心重合。
所述肩部中心轴、前伸后缩转轴及外展内收转轴上分别设有用于确定三自由度球面仿生肩关节组件初始姿态的初始定位基准。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明基于人体上肢解剖学、仿生学创新设计了可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手(单侧八自由度)，结构紧凑、重量轻，背负系统可将外骨骼机器人依托在人体背部，利用腰部和双肩三点完成外骨骼机器人与人体背部的固定，并将外骨骼机器人的自身重量传递到人体躯干；利用背负系统穿戴后人体贴合性好，有效减小人机交互力，利用本发明可对操作者双臂各运动关节位移和转动角度等动作参数进行精确采集，用于控制从端机械臂的动作实时再现，通过视觉等信息辅助，大幅提升非结构环境下远程操作的灵活性、适应性、直观性与避障能力。
2.本发明创新设计了一自由度力反馈操控握把，能够有效避免了传统手柄采用按钮触发控制指令或二指夹爪手部机构的弊端，操作人员仅需使用食指即可对末端工具的夹持角度进行实时控制，并感知从手末端工具操作力，另一方面，操控握把拇指操作区域设定的微动按钮组件，在保证操作握把抓握稳定性、食指操控扳机灵活性的同时，通过不同的按钮组合控制可实现不同状态下的功能切换及多任务并行处理，扩展性强。
3.本发明创新设计了基于球面菱形机构的仿生肩关节，球面机构分布在人体肩部关节外侧，可有效避免大范围外展运动中外骨骼与人体头部干涉，具备较高的运动兼容性，大幅提升肩部运动灵活性；同时，球面菱形机构为球面包裹结构，结构简单、紧凑，重量轻，与人体肩部关节外部轮廓兼容性强，提升穿戴舒适性。
4.本发明的环形前臂回转关节组件，利用轻型十字交叉滚子轴承进行轴向、径向载荷承载，提升前臂运动检测稳定性的同时，可避免机构重心与前臂重心不重合的弊端，减轻操作过程中的疲劳感，提升操作舒适性。
5.本发明结构紧凑，操控灵活性与舒适性强，可广泛应用于远程诊疗急救、远程运动再现与力反馈等遥操作技术领域；同时，本仿生双臂外骨骼主手构型，通过对关节引入动力源(电机)、扭矩传感器(人机交互力感知)等，可应用与中风、偏瘫等上肢运动功能障碍患者的上肢日常生活动作助力及康复训练，同时亦可针对单个关节及组合关节进行日常动作助力与康复训练，医疗康复领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明一自由度力反馈手部操控握把的立体结构示意图；
图3为本发明一自由度前臂回旋关节组件的爆炸图；
图4为本发明三自由度球面仿生肩关节组件的正面结构示意图；
图5为本发明三自由度球面仿生肩关节组件的背面结构示意图；
其中：1000为一自由力反馈手部操控握把，1001为操控扳机， 1002为扳机轴，1003为操控握把主体，1004为握把编码器，1005为转动轮，1006为动力电机，1007为防护罩，1008为拉力线，1009为止逆弹簧，1010为驱动轮；
2000为一自由度腕部掌屈背屈关节组件，3000为一自由度腕部尺屈挠屈关节组件，
4000为一自由度前臂回旋关节组件，4001为前臂运动保持架， 4002为十字交叉滚子轴承，4003为前臂固定保持架，4004为环形编码器；
5000为一自由度肘关节组件，
6000为三自由度球面仿生肩关节组件，6001为第一肩部短杆， 6002为第二肩部短杆，6003为第三肩部短杆，6004为第四肩部短杆， 6005为第一肩部长杆，6006为第二肩部长杆，6007为肩部前伸后缩固定架，6008为外展内收固定架，6009为第一肩部共用转轴，6010为第二肩部共用转轴，6011为第三肩部共用转轴，6012为第四肩部共用转轴，6013为肩部中心轴，6014为前伸后缩转轴，6015为外展内收转轴；
J1为前伸后缩转轴回转轴线，J2为腕部尺屈挠屈关节组件回转中心线，J3为前臂回旋关节组件回转中心线，J4为肘关节组件转动中心线，J5为腕部掌屈背屈关节组件回转中心线，K1为外展内收转轴回转轴线，L1为内旋外旋回转轴线，M1为第一编码器，M2为第二编码器，M3为第三编码器，N为初始定位基准，O为球心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～5所示，本发明包括一自由力反馈手部操控握把1000、一自由度腕部掌屈背屈关节组件2000、一自由度腕部尺屈桡屈关节组件3000、一自由度前臂回旋关节组件4000、一自由度肘关节组件 5000、三自由度球面仿生肩关节组件6000、背部基座0001、背负系统0002及上臂绑带组件0003，其中一自由度力反馈手部操控握把 1000安装在腕部掌屈背屈关节组件2000的输出端，该腕部掌屈背屈关节组件2000与一自由度腕部尺屈找屈关节组件3000的输出端固定连接，腕部尺屈挠屈关节组件3000与一自由度前臂回旋关节组件4000的输出端固定连接；一自由度肘关节组件5000的一端与前臂回旋关节组件4000固定连接，另一端与三自由度球面仿生肩关节组件 6000的一端固定连接，三自由度球面仿生肩关节组件6000的另一端安装在背部基座0001上；三自由度球面仿生肩关节组件6000具有肩部前伸后缩、肩部外展内收及肩部内旋外旋三个自由度；背负系统 0002安装在背部基座0001上，用于穿戴在人体上；一自由度肘关节组件5000与三自由度球面仿生肩关节组件6000之间安装有大臂绑带组件0003。本实施例的背部基座0001用于支撑整个的双臂外骨骼主手，并可根据肩宽进行调整；背负系统0002安装在背部基座0001上，背负系统可将整个双臂外骨骼主手依托在人体背部，利用腰部和双肩三点支撑完成外骨骼机器人与人体背部的固定，并将外骨骼机器人的自身重量传递到人体躯干；本实施例的背负系统0002为现有技术，可为背带、腰带；绑带组件0003用于人体上臂与的双臂外骨骼固定，提升双臂外骨骼主手运动路径的操控；本实施例的绑带组件0003为现有技术，可采用2019年7月2日公布的，公开号为CN109953866A，发明名称为“一种可穿戴式腕部扭摆助力康复装置”中公开的“前臂固定组件”。
本实施例的一自由度腕部掌屈背屈关节组件2000、一自由度腕部尺屈挠屈关节组件3000和一自由度肘部关节组件5000均为现有技术，均包含回转轴系及角度编码器，用于驱动关节及获取关节运动角度。一自由度腕部掌屈背屈关节组件2000和一自由度尺屈挠屈关节组件3000分别用于连接一自由度力反馈手部操控握把1000和一自由度前臂回旋关节组件4000，且三个组件的回转轴线垂直相交于一点，分别与人体腕部及前臂三条生理轴线(即腕部掌屈背屈关节组件回转中心线J5、腕部尺屈挠屈关节组件回转中心线J2、前臂回旋关节组件回转中心线J3)在运动范围内重合。一自由度肘部关节组件5000 用于连接一自由度前臂回旋关节组件4000和三自由度球面仿生肩关节组件6000，一自由度肘部关节组件5000的回转轴线(肘关节组件转动中心J4)与人体肘部生理轴线在运动范围内重合；三自由度球面仿生肩关节组件的三条回转轴线(即前伸后缩回转轴线J1、内旋外旋回转轴线L1、外展内收回转轴线K1)分别与肩部三条生理轴线在运动范围内重合；各关节相对位置长短可依据操作人员人体尺寸进行调整。
本实施例的一自由力反馈手部操控握把1000包括操控扳机 1001、扳机轴1002、操控握把主体1003、握把编码器1004、转动轮 1005、动力电机1006、拉力线1008、止逆弹簧1009及驱动轮1010，该操控扳机1001位于操控握把主体1003的前端，操控扳机1001的一端与设置在操控握把主体1003上的扳机轴1002转动连接，另一端为手握端、位于操控握把主体1003的外部，该操控扳机1001的一端安装有转动轮1005；握把编码器1004、动力电机1006、拉力线1008、止逆弹簧1009及驱动轮1010均位于操控握把主体1003内，操控握把主体1003上安装有防护罩1007，扳机轴1002、转动轮1005、拉力线1008、止逆弹簧1009及驱动轮1010均位于操控握把主体1003 与防护罩1007围成的空间内。动力电机1006固定在操控握把主体 1003内部，输出端连接有驱动轮1010，驱动轮1010的轴向与转动轮 1005的轴向相垂直；拉力线1008的两端分别缠绕在转动轮1005与驱动轮1010上，使动力电机1006和操控扳机1001实现定比例转动；止逆弹簧1009的一端连接于驱动轮1010上，另一端连接于操控握把主体1003内部设置的立柱上，可保证动力电机1006断电或快速扣动扳机时拉力线1008仍保持涨紧状态；动力电机1006在工作时处于堵转状态，拉力线1008一直拉紧，操控扳机1001处于“开”状态；三指与手掌握紧操控握把主体1003情况下，食指克服动力电机1006堵转阻力，灵活扣动操控扳机1001带动动力电机1006的电机轴同步转动，动力电机1006下端与握把编码器1004固定连接，实时检测动力电机1006的转动角度。动力电机1006起到堵转状态的涨紧作用，依靠人手指的主动运动，带动动力电机1006的电机轴转动，再通过握把编码器1004采集到人手指扣动操探扳机1001的转动角度。操控握把主体1003与一自由度腕部掌屈背屈关节组件2000的输出端相连。
本实施例的一自由度前臂回旋关节组件4000包括前臂运动保持架4001、十字交叉滚子轴承4002、前臂固定保持架4003及环形编码器4004，该前臂运动保持架4001与十字交叉滚子轴承4002的内圈固定连接，前臂固定保持架4003与十字交叉滚子轴承4002的外圈固定连接；操作人员进行前臂内旋外旋运动时，会带动前臂运动保持架 4001相对于前臂固定保持架4003进行内旋外旋运动，十字交叉滚子轴承4002可具备较小的轴向尺寸(结构紧凑)，同时可承受运动过程中较大的轴向、径向载荷，提升前臂运动稳定性。环形编码器4004的内圈、外圈分别与前臂运动保持架4001、前臂固定保持架4003连接，一自由度腕部尺屈挠屈关节组件3000与前臂运动保持架4001相连，前臂固定保持架4003连接于一自由度肘关节组件5000的一端连接。
本实施例的三自由度球面仿生肩关节组件6000包括肩部前伸后缩固定架6007、外展内收固定架6008及位于该肩部前伸后缩固定架6007与外展内收固定架6008之间的两个球面菱形机构，其中每个球面菱形机构的四条边均为弧形，且相邻边均通过转轴转动连接，一个球面菱形机构的一个端点处的转轴安装于肩部前伸后缩固定架6007 上，相对的端点与另一个球面菱形机构的一个端点共用一根转轴，另一个球面菱形机构上相对的端点处的转轴安装于外展内收固定架 6008上；肩部前伸后缩固定架6007与一自由度肘关节组件5000的另一端相连，外展内收固定架6008安装于背部基座0001上。
本发明的两个球面菱形机构包括第一肩部短杆6001、第二肩部短杆6002、第三肩部短杆6003、第四肩部短杆6004、第一肩部长杆6005及第二肩部长杆6006，四个肩部短杆及两个肩部长杆均为弧形杆，且均向同一侧弯曲；第一肩部长杆6005与第二肩部长杆6006 呈“X”形，中间通过肩部中心轴6013转动连接；第一肩部短杆6001 的一端与第一肩部长杆6005的一端通过第一肩部共用转轴6009连接，该第一肩部短杆6001的另一端与第三肩部短杆6003的一端通过前伸后缩转轴6014连接，第三肩部短杆6003的另一端与第二肩部长杆6006的一端通过第三肩部共用转轴6011连接，第二肩部短杆6002 的一端与第一肩部长杆6005的另一端通过第二肩部共用转轴6010连接，该第二肩部短杆6002的另一端与第四肩部短杆6004的一端通过外展内收转轴6015连接，第四肩部短杆6004的另一端与第二肩部长杆6006的另一端通过第四肩部共用转轴6012连接；第一肩部长杆 6005及第二肩部长杆6006为两个球面菱形机构的共用杆，其余四个肩部短杆之间以及肩部短杆与肩部长杆之间均通过相同的方式连接，即采用转轴转动连接，各个转轴均通过轴承与肩部短杆或肩部长杆完成连接；前伸后缩转轴6014与外展内收转轴6015分别安装于肩部前伸后缩固定架6007及外展内收固定架6008上。本实施例在外展内收转轴6015上安装第一编码器M1，在肩部中心轴6013上安装第二编码器M2，在前伸后缩转轴6014上安装第三编码器M3；肩部中心轴 6013、前伸后缩转轴6014及外展内收转轴6015上分别设有用于确定肩部关节仿生机构初始姿态的初始定位基准N，本实施例的初始定位基准N采用螺钉与螺孔配合确定盂肱关节仿生机构的初始状态。
本实施例的第一肩部长杆6005、第二肩部长杆6006的弧度相等，第一肩部短杆6001、第二肩部短杆6002、第三肩部短杆6003及第四肩部自短杆6004的弧度相等，该第一肩部长杆6005与第二肩部长杆 6006的弧度是第一肩部短杆6001、第二肩部短杆6002、第三肩部短杆6003及第四肩部自短杆6004弧度的两倍。第一肩部长杆6005与第三肩部短杆6003、第四肩部短杆6004的曲率半径相同，第二肩部长杆6006与第一肩部短杆6001、第二肩部短杆6002的曲率半径相同。
本实施例的第一肩部共用转轴6009、第二肩部共用转轴6010、第三肩部共用转轴6011、第四肩部共用转轴6012、肩部中心轴6013、前伸后缩转轴6014及外展内收转轴6015的回转轴线交汇于球心O；三自由度球面仿生肩关节组件6000在穿戴后，前伸后缩转轴6014的前伸后缩转轴回转轴线J1与人体肩部关节前伸后缩关节轴线重合，外展内收转轴6015的外展内收转轴回转轴线K1与人体前伸后缩关节轴线重合，内旋外旋回转轴线L1与人体肩部内旋外旋关节轴线重合，且前伸后缩转轴回转轴线J1、外展内收转轴回转轴线K1及内旋外旋回转轴线L1在初始状态相互垂直相交于球心O，该球心O始终与人体肩部关节运动中心重合。本实施例的三自由度球面仿生肩关节组件 6000具有球面包裹结构，与人体肩部关节外部轮廓兼容性强；同时球面菱形机构分布在人体肩部关节外侧，可有效避免传统外骨骼大范围外展内收运动中人机干涉。
在外展内收转轴6015上安装第一编码器M1，在肩部中心轴6013 上安装第二编码器M2，在前伸后缩转轴6014上安装第三编码器M3；第二编码器M2记录的角度φ2为第一肩部长杆6005与第二肩部长杆 6006之间的夹角，第一编码器M1记录的角度φ1为第二编码器M2检测角度的一半(即
)与球面菱形机构整体外展内收角度之和，第三编码器M3记录的角度φ3为第二编码器M2检测角度的一半(即
) 与球面菱形机构整体前伸后缩角度之和；根据球面菱形机构中肩部短杆、肩部长杆的弧度α、球面菱形机构对称性及球面三角余弦定理得到关节角度识别算法包括：
肩部内旋外旋角度为
肩部外展内收角度为
肩部前伸后缩角度为
通过实时记录球面菱形机构中肩部短杆、肩部长杆在运动过程之中相对角度，并利用关节角度识别算法可实时获取人体肩部关节的运动数据。
本发明可对操作者上肢关节运动角度进行高精度数据采集，通过运动学正解能够精确获取各运动关节及末端位姿，一自由度力反馈手部操控组件可对从手末段工具夹持力进行实时反馈，实现对从手端机械臂各运动关节及末端工具的精确控制，保证从手端具备较强的避障能力。本发明结构紧凑、重量轻、灵活性及适应性强，主要用于远程诊疗急救、远程运动再现等遥操作领域。
Claims (10)
1.一种轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：包括一自由力反馈手部操控握把(1000)、一自由度腕部掌屈背屈关节组件(2000)、一自由度腕部尺屈桡屈关节组件(3000)、一自由度前臂回旋关节组件(4000)、一自由度肘关节组件(5000)、三自由度球面仿生肩关节组件(6000)、背部基座(0001)、背负系统(0002)及上臂绑带组件(0003)，其中一自由度力反馈手部操控握把(1000)安装在腕部掌屈背屈关节组件(2000)的输出端，该腕部掌屈背屈关节组件(2000)与一自由度腕部尺屈找屈关节组件(3000)的输出端固定连接，所述腕部尺屈挠屈关节组件(3000)与一自由度前臂回旋关节组件(4000)的输出端固定连接；所述一自由度肘关节组件(5000)的一端与前臂回旋关节组件(4000)固定连接，另一端与三自由度球面仿生肩关节组件(6000)的一端固定连接，三自由度球面仿生肩关节组件(6000)的另一端安装在背部基座(0001)上；所述三自由度球面仿生肩关节组件(6000)具有肩部前伸后缩、肩部外展内收及肩部内旋外旋三个自由度；所述背负系统(0002)安装在背部基座(0001)上，用于穿戴在人体上；所述一自由度肘关节组件(5000)与三自由度球面仿生肩关节组件(6000)之间安装有大臂绑带组件(0003)。
2.根据权利要求1所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述一自由力反馈手部操控握把(1000)包括操控扳机(1001)、扳机轴(1002)、操控握把主体(1003)、握把编码器(1004)、转动轮(1005)、动力电机(1006)、拉力线(1008)、止逆弹簧(1009)及驱动轮(1010)，该操控扳机(1001)位于所述操控握把主体(1003)的前端，所述操控扳机(1001)的一端与设置在操控握把主体(1003)上的扳机轴(1002)转动连接，另一端为手握端、位于操控握把主体(1003)的外部，该操控扳机(1001)的一端安装有转动轮(1005)；所述握把编码器(1004)、动力电机(1006)、拉力线(1008)、止逆弹簧(1009)及驱动轮(1010)均位于操控握把主体(1003)内，该动力电机(1006)固定在操控握把主体(1003)内部，输出端连接有驱动轮(1010)，所述拉力线(1008)的两端分别缠绕在所述转动轮(1005)与驱动轮(1010)上；所述止逆弹簧(1009)的一端连接于驱动轮(1010)上，另一端连接于所述操控握把主体(1003)内部；所述动力电机(1006)在工作时处于堵转状态，该动力电机(1006)的电机轴上安装有握把编码器(1004)；所述操控握把主体(1003)与一自由度腕部掌屈背屈关节组件(2000)的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述操控握把主体(1003)上安装有防护罩(1007)，所述扳机轴(1002)、转动轮(1005)、拉力线(1008)、止逆弹簧(1009)及驱动轮(1010)均位于操控握把主体(1003)与防护罩(1007)围成的空间内。
4.根据权利要求1所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述一自由度前臂回旋关节组件(4000)包括前臂运动保持架(4001)、十字交叉滚子轴承(4002)、前臂固定保持架(4003)及环形编码器(4004)，该前臂运动保持架(4001)与十字交叉滚子轴承(4002)的内圈固定连接，前臂固定保持架(4003)与所述十字交叉滚子轴承(4002)的外圈固定连接；所述环形编码器(4004)的内圈、外圈分别与前臂运动保持架(4001)、前臂固定保持架(4003)连接；所述一自由度腕部尺屈挠屈关节组件(3000)与前臂运动保持架(4001)相连，所述前臂固定保持架(4003)连接于所述一自由度肘关节组件(5000)的一端连接。
5.根据权利要求1所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述三自由度球面仿生肩关节组件(6000)包括肩部前伸后缩固定架(6007)、外展内收固定架(6008)及位于该肩部前伸后缩固定架(6007)与外展内收固定架(6008)之间的两个球面菱形机构，其中每个球面菱形机构的四条边均为弧形，且相邻边均通过转轴转动连接，一个所述球面菱形机构的一个端点处的转轴安装于肩部前伸后缩固定架(6007)上，相对的端点与另一个所述球面菱形机构的一个端点共用一根转轴，另一个所述球面菱形机构上相对的端点处的转轴安装于外展内收固定架(6008)上；所述肩部前伸后缩固定架(6007)与一自由度肘关节组件(5000)的另一端相连，所述外展内收固定架(6008)安装于背部基座(0001)上。
6.根据权利要求5所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述两个球面菱形机构包括第一肩部短杆(6001)、第二肩部短杆(6002)、第三肩部短杆(6003)、第四肩部短杆(6004)、第一肩部长杆(6005)及第二肩部长杆(6006)，该第一肩部长杆(6005)与第二肩部长杆(6006)呈“X”形，中间通过肩部中心轴(6013)转动连接；所述第一肩部短杆(6001)的一端与第一肩部长杆(6005)的一端通过第一肩部共用转轴(6009)连接，该第一肩部短杆(6001)的另一端与所述第三肩部短杆(6003)的一端通过前伸后缩转轴(6014)连接，所述第三肩部短杆(6003)的另一端与所述第二肩部长杆(6006)的一端通过第三肩部共用转轴(6011)连接，所述第二肩部短杆(6002)的一端与第一肩部长杆(6005)的另一端通过第二肩部共用转轴(6010)连接，该第二肩部短杆(6002)的另一端与第四肩部短杆(6004)的一端通过外展内收转轴(6015)连接，所述第四肩部短杆(6004)的另一端与所述第二肩部长杆(6006)的另一端通过第四肩部共用转轴(6012)连接；所述第一肩部长杆(6005)及第二肩部长杆(6006)为两个球面菱形机构的共用杆，所述前伸后缩转轴(6014)与外展内收转轴(6015)分别安装于肩部前伸后缩固定架(6007)及外展内收固定架(6008)上。
7.根据权利要求6所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述肩部中心轴(6013)、前伸后缩转轴(6014)及外展内收转轴(6015)上分别安装有记录球面菱形机构各连杆在运动过程之中相对角度的编码器。
8.根据权利要求6所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述第一肩部长杆(6005)、第二肩部长杆(6006)的弧度相等，第一肩部短杆(6001)、第二肩部短杆(6002)、第三肩部短杆(6003)及第四肩部自短杆(6004)的弧度相等，该第一肩部长杆(6005)与第二肩部长杆(6006)的弧度是第一肩部短杆(6001)、第二肩部短杆(6002)、第三肩部短杆(6003)及第四肩部自短杆(6004)弧度的两倍；所述第一肩部长杆(6005)与第三肩部短杆(6003)、第四肩部短杆(6004)的曲率半径相同，所述第二肩部长杆(6006)与第一肩部短杆(6001)、第二肩部短杆(6002)的曲率半径相同。
9.根据权利要求6所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述第一肩部共用转轴(6009)、第二肩部共用转轴(6010)、第三肩部共用转轴(6011)、第四肩部共用转轴(6012)、肩部中心轴(6013)、前伸后缩转轴(6014)及外展内收转轴(6015)的回转轴线交汇于球心(O)；所述三自由度球面仿生肩关节组件(6000)在穿戴后，所述前伸后缩转轴(6014)的前伸后缩转轴回转轴线(J1)与人体肩部关节前伸后缩关节轴线重合，外展内收转轴(6015)的外展内收转轴回转轴线(K1)与人体前伸后缩关节轴线重合，内旋外旋回转轴线(L1)与人体肩部内旋外旋关节轴线重合，且前伸后缩转轴回转轴线(J1)、外展内收转轴回转轴线(K1)及内旋外旋回转轴线(L1)在初始状态相互垂直相交于球心(O)，该球心(O)始终与人体肩部关节运动中心重合。
10.根据权利要求6所述的轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手，其特征在于：所述肩部中心轴(6013)、前伸后缩转轴(6014)及外展内收转轴(6015)上分别设有用于确定三自由度球面仿生肩关节组件(6000)初始姿态的初始定位基准(N)。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113858179A (zh) * | 2021-11-01 | 2021-12-31 | 山东建筑大学 | 一种基于外骨骼控制的仿生工业机械臂 |
| CN114366555A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-19 | 安徽中医药大学 | 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103070756A (zh) * | 2013-01-06 | 2013-05-01 | 北京工业大学 | 一种具有人-机运动相容性的上肢康复外骨骼机构 |
| EP2890352A2 (en) * | 2012-08-28 | 2015-07-08 | Scuola Superiore S.Anna | Wearable exoskeleton device for hand rehabilitation |
| CN206085032U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-04-12 | 金星宇 | 一种新型仿生机械手臂 |
| CN107283392A (zh) * | 2016-03-31 | 2017-10-24 | 深圳光启合众科技有限公司 | 外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件 |
| WO2018047102A1 (en) * | 2016-09-09 | 2018-03-15 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Jacket for embodied interaction with virtual or distal robotic device |
| CN109481225A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-19 | 上海神添实业有限公司 | 一种轻量仿生式上肢外骨骼康复机器人系统 |
| CN109925161A (zh) * | 2017-12-18 | 2019-06-25 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种盂肱关节仿生助力柔性外骨骼机构 |
| CN109953867A (zh) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人 |
| CN209092062U (zh) * | 2018-07-03 | 2019-07-12 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 八自由度局部力反馈仿生上肢外骨骼主手 |
| WO2019184589A1 (zh) * | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 京东方科技集团股份有限公司 | 外骨骼康复助力装置 |
| CN211729161U (zh) * | 2019-12-26 | 2020-10-23 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手 |
-
2019
- 2019-12-26 CN CN201911370120.XA patent/CN113043241B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2890352A2 (en) * | 2012-08-28 | 2015-07-08 | Scuola Superiore S.Anna | Wearable exoskeleton device for hand rehabilitation |
| CN103070756A (zh) * | 2013-01-06 | 2013-05-01 | 北京工业大学 | 一种具有人-机运动相容性的上肢康复外骨骼机构 |
| CN107283392A (zh) * | 2016-03-31 | 2017-10-24 | 深圳光启合众科技有限公司 | 外骨骼机器人的上肢结构及上肢结构组件 |
| CN206085032U (zh) * | 2016-08-31 | 2017-04-12 | 金星宇 | 一种新型仿生机械手臂 |
| WO2018047102A1 (en) * | 2016-09-09 | 2018-03-15 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Jacket for embodied interaction with virtual or distal robotic device |
| CN109925161A (zh) * | 2017-12-18 | 2019-06-25 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种盂肱关节仿生助力柔性外骨骼机构 |
| CN109953867A (zh) * | 2017-12-22 | 2019-07-02 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种轻量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力机器人 |
| WO2019184589A1 (zh) * | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 京东方科技集团股份有限公司 | 外骨骼康复助力装置 |
| CN209092062U (zh) * | 2018-07-03 | 2019-07-12 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 八自由度局部力反馈仿生上肢外骨骼主手 |
| CN109481225A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-19 | 上海神添实业有限公司 | 一种轻量仿生式上肢外骨骼康复机器人系统 |
| CN211729161U (zh) * | 2019-12-26 | 2020-10-23 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 轻型可穿戴式局部力反馈仿生双臂外骨骼主手 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113858179A (zh) * | 2021-11-01 | 2021-12-31 | 山东建筑大学 | 一种基于外骨骼控制的仿生工业机械臂 |
| CN114366555A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-19 | 安徽中医药大学 | 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人 |
| CN114366555B (zh) * | 2021-12-31 | 2024-03-15 | 安徽中医药大学 | 一种可穿戴式上肢康复外骨骼机器人 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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