CN114587806B - 一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，包括连续型机械臂、可移动轮椅、机械臂驱动模块、轮椅驱动模块、遥控模块与控制模块，其中连续型机械臂以张拉整体结构为设计理念，是由多个弹簧、多个基本单元与六根传动绳共同组成的连续型结构。使用者通过操作遥控模块发送数据给控制模块，控制模块给机械臂驱动模块和轮椅驱动模块发送指令，进而驱动伺服电机和电动马达，实现了机械臂和轮椅的双机协同作业，从而完成辅助抓取任务，实现辅助使用者开合门窗、按摩身体和拿放物品等功能。本发明具有非结构化环境的适应性、实用性以及人机交互安全性的优势，适用于家庭式养老辅助任务。

Description

一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅

技术领域

本发明涉及轮椅技术领域，具体而言是一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅。

背景技术

随着机器人技术的发展，家庭服务机器人逐渐成为了机器人的研究热点，一定程度上可以为减轻社会和家庭负担提供帮助。轮椅机器人一般由智能轮椅和安装在轮椅上的机械臂组成，用于帮助肢体运动困难的老年人完成部分日常生活操作，是一种可以提供辅助性帮助的服务机器人。使用者可以直接操控轮椅机器人，在指定位置抓取指定物品，完成辅助性动作。因此轮椅机器人不仅是移动辅助工具，而且是能真正解决老年人生活问题的生活助手。

连续型机械臂相对刚性机械臂来说，具有运动灵活、可适应非结构化环境的特点，可以完成更多的辅助性工作，并且由于其有更轻的重量和更高的柔顺性，使其安全性大大提高。目前传统的气动，液压型连续型机械臂，通常需要足够流量的泵、控制器和气管等大量的辅助设备，不便于安放在轮椅上使用；而记忆合金、介电弹性体等新型材料的制备复杂，且价格昂贵，缺乏普适性。

目前轮椅机器人由智能轮椅和刚性机械臂组成，容易受其自由度限制，造成抓取物体时需要频繁地交替调整轮椅位置和机械臂位姿的问题。所以拥有灵活运动能力、安全人机交互行为和低成本的含连续型机械臂的养老辅助智能轮椅具有重要的研究意义。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅。

本发明采用的技术手段如下：

一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，包括轮椅本体，所述轮椅本体上安装有连续型机械臂装置，所述连续型机械臂装置包括连续型机械臂和机械臂驱动模块；

所述连续型机械臂包括首尾依次排列的基座、多个基本单元和末端夹持器；相邻两个所述基本单元之间、位于首端的所述基本单元与所述基座之间通过多个围绕所述基本单元的轴线均匀分布的弹簧连接，所述弹簧的尾端朝向基本单元的轴线倾斜，所述弹簧的两端分别与相临两个所述基本单元铰接，且用于连接所述基座与位于首端的所述基本单元的所述弹簧的两端分别与所述基座和所述基本单元铰接；位于尾端的所述基本单元的后侧中心与所述末端夹持器固定连接；多个传动绳围绕所述基本单元的轴线均匀分布，所述传动绳的尾端依次穿过所述基座的外沿和多个所述基本单元的外沿与位于尾端的所述基本单元固定；

所述机械臂驱动模块包括固定在所述轮椅本体上的固定架和与所述传动绳数量相匹配的伺服电机，所述伺服电机固定在所述轮椅本体上，所述基座与所述固定架固定连接，且所述传动绳的首端缠绕在所述伺服电机的输出轴上。

进一步地，所述基本单元包括本体和中心连接体，所述中心连接体通过多个倾斜设置的连接杆与所述本体固定连接，所述弹簧的尾端与所述中心连接体的外沿铰接，所述弹簧的首端与所述本体的外沿铰接。

进一步地，所述机械臂驱动模块还包括驱动箱，多个所述伺服电机安装在所述驱动箱内，所述驱动箱与所述轮椅本体固定连接，且所述驱动箱内设置有多个用于所述绳索变向的滑轮组，所述绳索的首端通过所述滑轮组后与所述伺服电机连接。

进一步地，所述轮椅本体包括底盘、固定在所述底盘上的座椅、安装在所述底盘前端的前轮和安装在所述底盘后端的后轮和安装在所述底盘用于驱动所述后轮转动的轮椅驱动模块。

进一步地，所述连续型机械臂装置安装在所述座椅的一侧，且所述座椅的另一侧安装有控制模块，所述控制模块分别与所述伺服电机、所述轮椅驱动模块和所述末端执行器电连接，且所述座椅的扶手上设置有与所述控制模块电连接的遥控模块。

进一步地，所述控制模块包括控制箱、控制主机和电池，所述控制箱固定在所述底盘上，且所述控制主机和所述电池安装在所述控制箱内，所述伺服电机、所述轮椅驱动模块和所述末端执行器通过所述控制主机与所述电池电连接。

进一步地，所述遥控模块包括轮椅操控杆和机械臂操控杆，且所述轮椅操控杆和所述机械臂操控杆通过所述控制主机与所述电池电连接。

进一步地，所述伺服电机为驱控一体式伺服电机。

进一步地，所述末端执行器为欠驱动多连杆结构，具有安全的交互能力，可实现包络式抓取物体的功能。

进一步地，连续型机械臂仅需常用的光敏树脂或金属等材料和尼龙绳索制成。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所设计的养老辅助智能轮椅具有安全的人机交互能力。在养老辅助智能轮椅的连续型机械臂，由基本单元、弹簧和传动绳组成，均为轻质材料，且各个基本单元之间均由弹簧连接而成。通过调节传动绳的长度，可以实现机械臂的刚度调节；而在撞击到物体时，弹簧会有自适应缓冲变形，不会对物体造成刚性冲击。因此张拉整体结构不仅是一种主动柔性结构，也是一种被动柔性结构，为人机交互的安全性提供了保障；同时末端夹持器也采用了欠驱动结构设计，以增加夹持物体时的形状自适应性，降低对待夹取物体的破坏。

2、本发明所设计的养老辅助智能轮椅材料制备简单，且耗能低，具有较高的实用性。由于养老辅助智能轮椅主要包括可移动轮椅和连续型机械臂两部分，而连续型机械臂仅需常用的光敏树脂或金属等材料和尼龙绳索制成，与气动软体结构和特殊软体材料相比，制备方法较为简单，且采用的绳驱动方式相对于气动驱动、新型材料(如记忆合金、电活性聚合物等)驱动耗能少，故与搭载其他类型软体机械臂的轮椅助手相比具有经济实用性的优势。

3、本发明所设计的养老辅助智能轮椅采用了连续型机械臂和电动轮椅结合的设计，首先以张拉整体为理念的连续型结构设计增加了机械臂的灵活性，使机械臂具有多种姿态的调节能力，为机械臂的末端夹持器提供了多种夹取位姿；其次可移动轮椅结合了后轮差速驱动和前轮控制转向的方式，可以实现原地转动等狭小空间灵活驱动的功能。因此养老辅助智能轮椅作为家庭式养老机器人，具备了在狭小空间灵活驱动的优势。

基于上述理由本发明可在轮椅等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅两侧示意图。

图3为本发明具体实施方式中连续型机械臂结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中基本单元结构示意图。

图5为本发明具体实施方式中轮椅本体结构示意图。

图6为本发明具体实施方式中机械臂驱动模块结构示意图。

图7为本发明具体实施方式中驱控一体式伺服电机及滑轮组示意图。

图8为本发明具体实施方式中控制模块结构示意图。

图中：1、连续型机械臂；2、轮椅本体；3、机械臂驱动模块；4、轮椅驱动模块；5、遥控模块；6、控制模块；7、传动绳；8、基本单元；9、弹簧；10、末端夹持器；11、基座；12、首端基本单元；13、尾端基本单元；14、旋转副；15、座椅；16、底盘；17、前轮；18、后轮；19、驱动箱；20、固定架；21、滑轮组；22、驱控一体式伺服电机；23、控制主机；24、电池；25、控制箱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～8所示，一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，包括轮椅本体2，所述轮椅本体2上安装有连续型机械臂装置，所述连续型机械臂装置包括连续型机械臂1和机械臂驱动模块3；

所述轮椅本体2包括底盘16、固定在所述底盘16上的座椅15、安装在所述底盘16前端的前轮17和安装在所述底盘16后端的后轮18和安装在所述底盘16用于驱动所述后轮18转动的轮椅驱动模块4，本实施例中轮椅驱动模块可以为两个马达。

控制模块6和机械臂驱动模块3对称安装在座椅15的两侧；遥控模块5安装在座椅15的扶手上。

所述连续型机械臂1包括首尾依次排列的基座11、多个基本单元8和末端夹持器10；相邻两个所述基本单元8之间、位于首端基本单元12与所述基座11之间通过三个围绕所述基本单元8的轴线均匀分布的弹簧9连接，所述弹簧9的尾端朝向基本单元8的轴线倾斜，所述弹簧9的两端分别与相临两个所述基本单元8通过旋转副14实现铰接，且用于连接所述基座11与首端基本单元12的所述弹簧9的两端分别与所述基座11和首端基本单元12通过旋转副14实现铰接；尾端基本单元13的后侧中心通过连接板与所述末端夹持器10固定连接；六个传动绳7围绕所述基本单元13的轴线均匀分布，所述传动绳7的尾端依次穿过所述基座11的外沿、首端基本单元12和多个基本单元8的外沿与尾端基本单元13固定；

所述机械臂驱动模块3包括固定在所述底盘16上的驱动箱19，固定在驱动箱19顶部的固定架20，安装在驱动箱内的六个驱控一体式伺服电机22，安装在驱动箱内的轮滑组21，所述基座11与所述固定架20固定连接，且所述传动绳7的首端经过滑轮组21的变向后缠绕在驱控一体式伺服电机22的输出轴上。

所述基本单元8包括本体和中心连接体，本体呈中空的正六边形状，所述中心连接体通过多个倾斜设置的连接杆与所述本体固定连接，所述弹簧9的尾端与所述中心连接体的外沿铰接，所述弹簧9的首端与所述本体的外沿铰接。

所述控制模块6包括控制箱25、控制主机23和电池24，所述控制箱25固定在所述底盘16上，且所述控制主机23和所述电池24安装在所述控制箱25内，所述驱控一体式伺服电机22、所述轮椅驱动模块4和所述末端执行器10通过所述控制主机23与所述电池24电连接。

所述遥控模块5包括轮椅操控杆和机械臂操控杆，且所述轮椅操控杆和所述机械臂操控杆通过所述控制主机23与所述电池24电连接。

控制主机23用于控制驱控一体式伺服电机22、末端执行器10和轮椅驱动模块4的工作。遥控模块5用于控制主机23的输入端，其用于遥控控制主机23控制控制驱控一体式伺服电机22、末端执行器10和轮椅驱动模块4的工作。本实施中的末端执行器10为欠驱动多连杆结构，具有安全的交互能力，可实现包络式抓取物体的功能。连续型机械臂1仅需常用的光敏树脂或金属等材料和尼龙绳索制成。连续型机械臂1外可套有波纹管式外壳，用以保护。

使用状态下：当使用者使用养老辅助智能轮椅时，可操控轮椅操纵杆，使遥控模块5发送遥控捕获信号给控制模块6，控制模块6将解算出的电机驱动数据发送给轮椅驱动模块4，进而使后轮18转动，使轮椅本体2到达指定地点。当然本实施例中的轮椅本体2能够转向，这是常规技术手段，不再此赘述。使用者可操控机械臂操纵杆，使遥控模块5再发送遥控捕获信号给控制模块6，控制模块6将解算出的伺服电机驱动数据发送给机械臂驱动模块3，进而6个驱控一体式伺服电机22将根据各自的驱动量，带动传动绳7以一定的位移与速度拉动传动绳7末端的尾端基本单元13，使连续型机械臂1的末端夹持器10移动和转动，使末端夹持器10达到指定的夹取位姿；之后使用者通过养老辅助智能轮椅，完成辅助抓取任务，实现辅助使用者开合门窗、按摩身体和拿放物品等功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，包括轮椅本体，其特征在于，所述轮椅本体上安装有连续型机械臂装置，所述连续型机械臂装置包括连续型机械臂和机械臂驱动模块；

所述连续型机械臂包括首尾依次排列的基座、多个基本单元和末端夹持器；相邻两个所述基本单元之间、位于首端的所述基本单元与所述基座之间通过多个围绕所述基本单元的轴线均匀分布的弹簧连接，所述弹簧的尾端朝向基本单元的轴线倾斜，所述弹簧的两端分别与相邻两个所述基本单元铰接，且用于连接所述基座与位于首端的所述基本单元的所述弹簧的两端分别与所述基座和所述基本单元铰接；位于尾端的所述基本单元的后侧中心与所述末端夹持器固定连接；多个传动绳围绕所述基本单元的轴线均匀分布，所述传动绳的尾端依次穿过所述基座的外沿和多个所述基本单元的外沿与位于尾端的所述基本单元固定；

所述机械臂驱动模块包括固定在所述轮椅本体上的固定架和与所述传动绳数量相匹配的伺服电机，所述伺服电机固定在所述轮椅本体上，所述基座与所述固定架固定连接，且所述传动绳的首端缠绕在所述伺服电机的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，其特征在于，所述基本单元包括本体和中心连接体，所述中心连接体通过多个倾斜设置的连接杆与所述本体固定连接，所述弹簧的尾端与所述中心连接体的外沿铰接，所述弹簧的首端与所述本体的外沿铰接。

3.根据权利要求1所述的一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，其特征在于，所述机械臂驱动模块还包括驱动箱，多个所述伺服电机安装在所述驱动箱内，所述驱动箱与所述轮椅本体固定连接，且所述驱动箱内设置有多个用于所述传动绳变向的滑轮组，所述传动绳的首端通过所述滑轮组后与所述伺服电机连接。

4.根据权利要求1所述的一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，其特征在于，所述轮椅本体包括底盘、固定在所述底盘上的座椅、安装在所述底盘前端的前轮、安装在所述底盘后端的后轮和安装在所述底盘用于驱动所述后轮转动的轮椅驱动模块。

5.根据权利要求4所述的一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，其特征在于，所述连续型机械臂装置安装在所述座椅的一侧，且所述座椅的另一侧安装有控制模块，所述控制模块分别与所述伺服电机和所述轮椅驱动模块电连接，且所述座椅的扶手上设置有与所述控制模块电连接的遥控模块。

6.根据权利要求5所述的一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，其特征在于，所述控制模块包括控制箱、控制主机和电池，所述控制箱固定在所述底盘上，且所述控制主机和所述电池安装在所述控制箱内，所述伺服电机和所述轮椅驱动模块通过所述控制主机与所述电池电连接。

7.根据权利要求6所述的一种带有连续型机械臂的养老辅助智能轮椅，其特征在于，所述遥控模块包括轮椅操控杆和机械臂操控杆，且所述轮椅操控杆和所述机械臂操控杆通过所述控制主机与所述电池电连接。

Images