CN114131583B

CN114131583B - 一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备

Info

Publication number: CN114131583B
Application number: CN202111483855.0A
Authority: CN
Inventors: 孙建伟; 董家麟; 张松宇; 李维佳; 王振宇; 李雨峰; 王金朔; 杨博文
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-20
Anticipated expiration: 2041-12-07
Also published as: CN114131583A

Abstract

本发明公开了一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备，其中前臂机构包括小臂第一套筒、前臂第一平板、前臂第一支撑板、前臂第二支撑板、小臂第二套筒、前臂第二平板、前臂旋转支杆、前臂第一弹性体、前臂第三支撑板和前臂第四支撑板；大臂机构包括大臂第一支撑板、大臂第二支撑板、转动齿条、转动齿轮、锁定滑块组件、大臂第三支撑板、大臂第一弹性体、大臂第二弹性体、大臂第三弹性体和大臂第四弹性体；本发明通过转动齿轮与转动齿条的啮合，来使得肘关节旋转中心具有一定的位移量，并且使用四杆张拉机构与套筒的配合，完成了肘关节旋前旋后的运动功能，通过改变弹性体拉力，来改变肘关节平衡位置，可以实现不同平衡状态的助力。

Description

一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备

技术领域

本发明涉及上肢可穿戴设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备。

背景技术

近年来，在工程应用领域，用于辅助人体运动的可穿戴设备，特别是上肢可穿戴设备，逐渐受到了学者们的重视。人体上肢运动的空间更为广泛，形式也更为多样，如上肢运动空间内任意点的抓取，拖拽，同时也存在保持弯肘搬运工作时的相对稳定运动状态。在灵活的上肢运动中，肘关节起到了十分重要的作用，肘关节可穿戴设备在便携性、适应性及灵活性方面具有其独特的优势。

但是，肘关节可穿戴设备具有自身的局限性：首先，具有主动驱动装置的肘关节设备，不可避免的需要设置庞大且沉重的电机、电池设备，如果使用液压或气压驱动，则需要外接液压泵或气泵等难以携带的设备；在外骨骼的结构设计中，肘关节可穿戴设备在很多情况下被视为简单的刚性旋转结构，且驱动往往被设计在旋转轴位置，对结构进行直接驱动，对可穿戴设备工作条件而言，复杂的工作情况存在面对冲击的可能，刚性的结构设计面对冲击时，应力大多集中在如铰链连接点等结构的薄弱处，使可穿戴设备具有损坏的风险，并且由于机械关节的刚性运动副原因，无法与人体肘关节完全适配，会导致佩戴者肘关节活动困难或感到不适，而柔性结构在工作环境中无法给佩戴者提供较为精准的助力，且控制系统复杂，操控不便。

因此，在符合人体肘关节运动规律的条件下，提供一种整体质量轻便，具有一定的负载能力，面对冲击具有自稳定与自恢复性的基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备，以解决上述提到的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备，包括：

前臂机构，所述前臂机构包括小臂第一套筒、前臂第一平板、两个前臂第一支撑板、两个前臂第二支撑板、小臂第二套筒、前臂第二平板、四个前臂旋转支杆、四个前臂第一弹性体、前臂第三支撑板和前臂第四支撑板；所述小臂第一套筒与所述前臂第一平板栓接；两个前臂第一支撑板和两个前臂第二支撑板均对称分布；所述小臂第二套筒的两侧分别栓接于两个所述前臂第一支撑板以及两个所述前臂第二支撑板上，并且所述小臂第二套筒嵌套在所述小臂第一套筒上；所述前臂第二平板两侧分别通过支撑连接块与两个所述前臂第一支撑板固定连接；四个所述前臂旋转支杆的两端分别通过前臂旋转球关节连接在所述前臂第一平板与所述前臂第二平板之间形成的四个侧面的对角顶点上；四个所述前臂第一弹性体的一端分别固定在所述前臂第一平板的四个顶点上，四个所述前臂第一弹性体的另一端分别固定在所述前臂第二平板相对应的四个顶点上，且所述前臂第一弹性体与所述前臂旋转支杆交错分布；所述前臂第三支撑板的两侧分别通过角铁与两个所述前臂第一支撑板的前端栓接；所述前臂第四支撑板的两侧分别通过角铁与两个所述前臂第一支撑板的末端栓接；

大臂机构，所述大臂机构包括两个大臂第一支撑板、大臂第二支撑板、两个转动齿条、两个转动齿轮、两个锁定滑块组件、大臂第三支撑板、两个大臂第一弹性体、两个大臂第二弹性体、两个大臂第三弹性体和两个大臂第四弹性体；两个所述大臂第一支撑板对称分布；所述大臂第二支撑板的两侧分别通过角铁与两个所述大臂第一支撑板固定连接；两个所述转动齿条分别通过齿条固定板安装在两个所述前臂第一支撑板上；两个所述转动齿轮分别固定在两个所述大臂第一支撑板上，并分别与两个所述转动齿条啮合；所述锁定滑块组件安装在所述齿条固定板与所述转动齿轮之间；所述大臂第三支撑板的两侧分别通过角铁与两个所述大臂第一支撑板前端固定；所述大臂第一弹性体一端固定在所述前臂第一支撑板上，所述大臂第一弹性体另一端固定在所述大臂第二支撑板上；所述大臂第二弹性体一端固定在所述前臂第四支撑板上，所述大臂第二弹性体另一端固定在所述大臂第一支撑板上；所述大臂第三弹性体一端固定在所述前臂第四支撑板上，所述大臂第三弹性体另一端固定在所述大臂第三支撑板上；所述大臂第四弹性体一端固定在所述前臂第三支撑板上，所述大臂第四弹性体另一端固定在所述大臂第三支撑板上。

通过采取以上方案，本发明的有益效果是：

将张拉结构与仿生上肢结构相结合，通过仿生分析建立肘关节的张拉整体结构映射，张拉整体结构具有能够依靠自身结构适应环境保持自平衡的特点，可以通过改变整体的几何构型来实现机构的各种角度变化的运动，从而可以很好的解决可穿戴肘部关节设计的重要问题，据此设计出能满足作为刚性结构具有较强的人体肘关节运动适应性，可以较好的与人体肘关节在运动过程中贴合，同时在人体肘关节运动中够提供随工作角度变化的助力能力的可穿戴设备。

进一步的，所述锁定滑块组件包括锁定滑块、第一滚动块和第二滚动块；所述锁定滑块的底端通过轴承与所述转动齿轮连接，并且所述锁定滑块与所述转动齿轮外侧面相贴合；所述第一滚动块和所述第二滚动块均固定在所述锁定滑块的顶端，并且第一滚动块和所述第二滚动块可沿所述齿条固定板上表面滚动。

采用上述进一步的技术方案产生的有益技术效果为，使转动齿条与转动齿轮的间距离保持固定，实现二者时刻啮合的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备的立体结构示意图；

图2附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备的主视图；

图3附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备的俯视图；

图4附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备的仰视图；

图5附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备的右视图；

图6附图为本发明提供的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备的左视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明实施例公开了一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备，包括：

前臂机构，前臂机构包括小臂第一套筒1、前臂第一平板3、两个前臂第一支撑板7、两个前臂第二支撑板8、小臂第二套筒2、前臂第二平板9、四个前臂旋转支杆5、四个前臂第一弹性体6、前臂第三支撑板24和前臂第四支撑板26；小臂第一套筒1与前臂第一平板3栓接，用于连接小臂腕端作旋前旋后运动；两个前臂第一支撑板7和两个前臂第二支撑板8均对称分布；小臂第二套筒2的两侧分别栓接于两个前臂第一支撑板7以及两个前臂第二支撑板8上，用于连接小臂肘端，并且小臂第二套筒2嵌套在小臂第一套筒1上，用于同轴心旋转运动；前臂第二平板9两侧分别通过支撑连接块10与两个前臂第一支撑板7固定连接；四个前臂旋转支杆5的两端分别通过前臂旋转球关节4连接在前臂第一平板3与前臂第二平板9之间形成的四个侧面的对角顶点上，用于辅助小臂第一套筒1与小臂第二套筒2的相对转动；四个前臂第一弹性体6的一端分别固定在前臂第一平板3的四个顶点上，四个前臂第一弹性体6的另一端分别固定在前臂第二平板9相对应的四个顶点上，且前臂第一弹性体6与前臂旋转支杆5交错分布，用于将前臂构成四杆张拉整体结构；前臂第三支撑板24的两侧分别通过角铁18与两个前臂第一支撑板7的前端栓接，前臂第四支撑板26的两侧分别通过角铁18与两个前臂第一支撑板7的末端栓接，作用在于稳定结构，并提供弹性体连接点；

大臂机构，大臂机构包括两个大臂第一支撑板17、大臂第二支撑板19、两个转动齿条15、两个转动齿轮12、两个锁定滑块组件、大臂第三支撑板25、两个大臂第一弹性体20、两个大臂第二弹性体21、两个大臂第三弹性体22和两个大臂第四弹性体23；两个大臂第一支撑板17对称分布；大臂第二支撑板19的两侧分别通过角铁18与两个大臂第一支撑板17固定连接；两个转动齿条15分别通过齿条固定板16安装在两个前臂第一支撑板17上；两个转动齿轮12分别固定在两个大臂第一支撑板17上，并分别与两个转动齿条15啮合，转动齿条15与转动齿轮12配合，使得肘关节旋转中心具有一定的位移量；锁定滑块组件安装在齿条固定板16与转动齿轮12之间；大臂第三支撑板25的两侧分别通过角铁18与两个大臂第一支撑板17前端固定，作用在于稳定结构，并提供弹性体连接点；大臂第一弹性体20一端固定在前臂第一支撑板7上，大臂第一弹性体20另一端固定在大臂第二支撑板19上；大臂第二弹性体21一端固定在前臂第四支撑板26上，大臂第二弹性体21另一端固定在大臂第一支撑板17上；大臂第三弹性体22一端固定在前臂第四支撑板26上，大臂第三弹性体22另一端固定在大臂第三支撑板25上；大臂第四弹性体23一端固定在前臂第三支撑板24上，大臂第四弹性体23另一端固定在大臂第三支撑板25上，用于将大臂机构与前臂机构构成张拉整体。

本发明将张拉结构与仿生上肢结构相结合，通过仿生分析建立肘关节的张拉整体结构映射，张拉整体结构具有能够依靠自身结构适应环境保持自平衡的特点，可以通过改变整体的几何构型来实现机构的各种角度变化的运动，从而可以很好的解决可穿戴肘部关节设计的重要问题，据此设计出能满足作为刚性结构具有较强的人体肘关节运动适应性，可以较好的与人体肘关节在运动过程中贴合，同时在人体肘关节运动中够提供随工作角度变化的助力能力的可穿戴设备。

具体的，锁定滑块组件包括锁定滑块11、第一滚动块13和第二滚动块14；锁定滑块11的底端通过轴承与转动齿轮12连接，并且锁定滑块11与转动齿轮12外侧面相贴合；第一滚动块13和第二滚动块14均固定在锁定滑块11的顶端，并且第一滚动块13和第二滚动块14可沿齿条固定板16上表面滚动。

本发明的工作原理为：

本发明一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备可以完成以下动作：前臂机构与大臂机构相交构成肘关节的屈曲伸直运动；前臂腕侧与前臂肘侧间的旋前旋后动作：

当进行前臂旋前旋后动作时，小臂第一套筒1带动前臂第一平板3开始转动，此时连接于前臂第一平板3及前臂第二平板9的前臂旋转支杆5同步开始运动，前臂第一弹性体6由最小拉力初始状态开始拉伸，拉力变大；当前臂第一平板3相对于前臂第二平板9旋转角度达到135°时，前臂第一弹性体6拉力处于最大状态，前臂机构完成从旋前至旋后整个过程；

当进行肘关节屈曲伸直动作时，前臂第一支撑板7及其整体，与大臂第一支撑板17及其整体，通过转动齿轮12与转动齿条15的啮合及滚动完成旋转运动；当肘关节伸直时，大臂第一弹性体20与大臂第三弹性体22处于拉力最大状态，大臂第二弹性体21与大臂第四弹性体23处于拉力最小状态；在进行屈曲运动时，前臂第一支撑板7及其整体与大臂第一支撑板17及其整体绕转动齿轮12与转动齿条15啮合处开始旋转，此时大臂第二弹性体21与大臂第四弹性体23被拉伸，拉力逐渐变大，大臂第一弹性体20与大臂第三弹性体22被压缩，拉力逐渐变小；当前臂第一支撑板7及其整体与大臂第一支撑板17及其整体转动角度达到120°时，完成全部屈曲动作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的仿生上肢可穿戴设备，其特征在于，所述锁定滑块组件包括锁定滑块、第一滚动块和第二滚动块；所述锁定滑块的底端通过轴承与所述转动齿轮连接，并且所述锁定滑块与所述转动齿轮外侧面相贴合；所述第一滚动块和所述第二滚动块均固定在所述锁定滑块的顶端，并且第一滚动块和所述第二滚动块可沿所述齿条固定板上表面滚动。