CN212859453U - 一种多自由度的上肢外骨骼助力装置 - Google Patents

Abstract

一种多自由度的上肢外骨骼助力装置。包括控制系统、大臂机构、小臂机构和手部机构。所述控制系统包括意图识别系统、计算系统和执行系统；所述大臂机构包括固定卡环、液压装置、大臂双层环形轨道、大臂连接板和外旋转基座；所述小臂机构包括内旋转基座、小臂双层环形轨道和小臂连接板；所述手部机构包括手部连接板、第一腕关节旋转组件、第二腕关节旋转组件及手部固定板；所述大臂机构通过固定卡环与宇航服固定，大臂机构与小臂机构连接，小臂机构与手部机构连接。本实用新型特征在于通过液压机构、大小臂双层环形轨道及各旋转组件的配合为宇航员上肢运动提供多自由度助力，保障运动灵活性，降低宇航员的消耗，提高作业效率。

Description

一种多自由度的上肢外骨骼助力装置

技术领域

本实用新型涉及宇航员舱外活动或太空作业辅助装置领域，具体涉及一种多自由度的上肢外骨骼助力装置。

背景技术

随着宇航员舱外活动或太空作业任务的增加，由于宇航服本身较大的质量，且在作业过程中可能需要携带测量设备等其他负重，在上述活动中宇航员会耗费大量的体力，可能造成宇航员身体疲劳及上肢关节损伤，极大影响了宇航员活动进度与肌体机动性。

目前增强宇航员运动能力的设备存在自由度不足的问题，难以满足宇航员舱外作业时上肢需要灵活助力的需求。本实用新型提供一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，通过各机构配合运作为上肢各方向活动提供有效助力，降低舱外活动对宇航员的负荷，提升作业效率。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，以解决宇航员舱外活动助力设备活动范围有限、运动自由度不足的问题。为实现上述目的，本实用新型提供的解决方案是：

一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，包括控制系统、大臂机构、小臂机构和手部机构；所述控制系统包括意图识别系统、计算系统和执行系统；所述大臂机构包括固定卡环、液压装置、大臂双层环形轨道、大臂连接板板和外旋转基座；其中固定卡环和液压装置连接，液压装置的活塞杆与大双环形轨道的内环连接，大臂连接板连接大臂双层环形轨道的外环和外旋转基座；所述小臂机构包括内旋转基座、小臂连接板和小臂双层环形轨道，小臂连接板连接内旋转基座和小臂双层环形轨道的内环，小臂双层环形轨道的外环通过手部连接板和手部机构相连；所述手部机构包括手部连接板、第一腕关节旋转组件、第二腕关节旋转组件及手部固定板，小臂双层环形轨道的外环通过手部连接板与第一腕关节旋转组件相连，第一腕关节旋转组件输出端与第二腕关节旋转组件输入端相连，第二腕关节旋转组件输出端与手部固定板相连。本实用新型特征在于通过液压机构、大小臂双层环形轨道及各旋转组件的配合为宇航员上肢运动提供多自由度助力，保障运动灵活性，降低宇航员的消耗，提高作业效率。

进一步的是，所述控制系统包括意图识别系统、计算系统和执行系统，在助力过程中，意图识别系统可准确采集宇航员肌电信号，通过计算系统计算，向执行系统输出运动速度、角度等命令，执行系统控制各部件中的电机、齿轮等组件同运动对作业过程提供助力。

进一步的是，所述固定组件可将上肢外骨骼助力装置固定在宇航服外侧，在不改变现有宇航服背负结构的前提下较为方便的增加该上肢运动辅助装置。所述动力系统加载在宇航服背部，为整套助力设备提供动力。

进一步的，所述大臂机构中的液压装置由主液压装置和两侧的辅助液压装置组成，上述液压装置均固定在固定卡环上，包括调节组件、动力组件和液压控制杆组件；其中调节组件设置在固定卡环上，可调节液压杆组件的轴向转动。动力组件为可周向转动关节结构，其中的锁定部件在助力过程中可保证调节组件与液压杆组件的相对角度不变。液压控制杆组件末端与大臂双层环形轨道的内环相连，可根据执行系统的运动指令调整液压杆的伸长或收缩。通过主液压装置与辅助液压装置的配合可为肩关节的屈伸、收展和旋转提供助力。

进一步的，所述大臂机构与小臂机构原理一致，均包括双层环形轨道、设置在两层轨道之间的动力组件、连接板，其中双层环形轨道内环上设置有齿条，与动力组件中的齿轮契合，动力组件可根据执行系统指令进行运动，带动内侧环形轨道转动为上肢运动提供助力。

进一步的，所述连接板分为与大臂机构及小臂机构相连，均模仿人体大臂与小臂的生理尺寸，大臂连接板与小臂连接板均为双层套管，可通过按下锁定开关调节连接板长度，使其尺寸更符合使用者生理参数，保证使用过程的舒适性。

进一步的，所述旋转基座包括外旋转基座和内旋转基座，其中外旋转基座与大臂连接板相连，内旋转基座与小臂连接板相连，旋转基座包括肘关节电机、肘关节减速器、联轴器、惯性传感器、运动控制部件等，其中肘关节电机与肘关节减速器件通过传动皮带连接，旋转基座可根据执行系统运动指令控制内外旋转基座旋转，带动大臂连接板和小臂连接板进行转动，为肘关节屈曲运动提供助力。

进一步的，所述手部机构包括手部连接板、第一腕关节旋转组件、第二腕关节旋转组件及手部固定板，其中第一腕关节旋转组件和第二腕关节旋转组件均包括腕关节电机、腕关节减速器、惯性传感器及腕关节运动控制器等部件。第一腕关节旋转组件与第二腕关节旋转组件为两套呈垂直方向设置的动力系统，手部连接板与第一腕关节组件输入端相连，第一腕关节旋转组件输出端与第二腕关节旋转组件的输入端相连，第二腕关节组件输出端与手部固定板相连。助力过程中，执行机构对第一腕关节旋转组件旋转角度与速度进行调节，第一腕关节旋转组件可带动输出端进行轴向转动，输出端所连接的第二腕关节旋转机构可根据执行机构信息进行径向转动，并带动输出端连接的手部连接板进行运动。通过第一腕关节与第二腕关节的配合运动可实现对手部转动与摆动动作的助力。

本实用新型的有益效果：

1.大臂结构上部采用可调节液压杆的设计，有效避免了助力设备对宇航员舱外活动的干涉，通过主液压控制杆和辅液压控制杆的配合能够为肩关节的屈伸、收展和旋转、肘关节的旋转、腕关节的屈伸和旋转等多种上肢运动提供助力；

2.上肢外骨骼助力设备整体分为大臂机构、小臂机构和手部机构，其中小臂运动机构与大臂运动机构原理相似；大臂机构与小臂机构的连接机构和小臂机构与手部机构原理与结构相似，减少了设计成本；

3.大臂连接板和小臂连接板尺寸可根据使用者生理参数进行调节，提升助力装备与使用者契合程度。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的液压装置结构示意图；

图3是本实用新型的大臂双层环形轨道结构示意图；

图4是本实用新型的大臂连接板结构示意图；

图5是本实用新型的旋转基座结构示意图；

图6是本实用新型的小臂结构示意图；

图7是本实用新型的手部结构示意图；

图8是本实用新型的使用过程示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1所示，本实用新型为一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，包括控制系统、大臂机构、小臂机构和手部机构。所述控制系统包括意图识别系统、计算系统和执行系统，在助力过程中，意图识别系统可准确采集宇航员肌电信号，通过计算系统中四元数法和卡尔曼滤波算法的计算，向执行系统输出运动速度、角度等命令，执行系统控制各部件中的电机、齿轮等组件同运动对作业过程提供助力。通过大臂机构、小臂机构和手部机构相互配合可为肩关节屈伸、收展和旋转、肘关节旋转、腕关节的转动和摆动等上肢运动提供助力。所述大臂机构包括固定卡环11、液压装置12、大臂双层环形轨道13、大臂连接板14和外旋转基座15。其中固定卡环11上的耦合机构可将上肢外骨骼助力装置固定在宇航服外侧，液压装置12与固定卡环外侧及大臂双层环形轨道13的内环连接，大臂连接板14连接大臂双层环形轨道13的外环和外旋转基座15。所述小臂机构包括内旋转基座21、小臂连接板22和小臂双层环形轨道23，小臂连接板22连接内旋转基座21和小臂双层环形轨道23的内环，小臂双层环形轨道23的外环和手部机构由手部连接板31连接；所述手部机构包括手部连接板31、第一腕关节旋转组件32、第二腕关节旋转组件33及手部固定板34，小臂双层环形轨道外环通过手部连接板31与第一腕关节旋转组件32相连，第一腕关节旋转组件32输出端与第二腕关节旋转组件33输入端相连，第二腕关节旋转组件33输出端与手部固定板34相连。

参照图2所示，大臂机构中的液压装置12由主液压装置和两侧的辅助液压装置组成，上述液压装置均固定在固定卡环11上，包括调节组件121、动力组件122和液压控制杆组件123；其中调节组件121设置在固定卡环上，可调节液压杆组件123的轴向转动。动力组件122为可周向转动关节结构，其中的锁定部件在助力过程中可保证调节组件121与液压杆组件123的相对角度不变。液压控制杆组件123末端与大臂双层环形轨道的内环相连，可根据执行系统的运动指令调整液压杆的伸长或收缩。通过主液压装置与辅助液压装置的配合可为肩关节的屈伸、收展和旋转提供助力。

参照图3所示，大臂双层环形轨道中的内层环形轨道131与宇航服对应部位固定，内层环形轨道131上设置有齿条132，上述齿条与动力组件133中的行走轮啮合连接，动力组件133中还包括保证行走轮与内侧环形齿条相对位置的限位装置。大臂双层环形轨道主要用于为大臂的旋转过程提供助力，在助力过程中，动力组件133根据控制系统输出的运动信号运动，通过控制行走轮的转动带动内层环形轨道131的转动，为宇航员大臂的旋转动作提供助力。

如图4所示，大臂连接板14和小臂连接板22结构类似，均包括双层套管141、锁定按键142和锁定卡子143，其中锁定按键142可控制锁定卡子143的伸缩，通过调节锁定卡子143在双层套管141中的相对位置调节大臂连接板长度。

参照图5所示，外旋转基座15与内旋转基座21可通过配合转动为肘关节屈曲提供助力。其中外旋转基座输入端与大臂连接板14相连，内旋转基座21输出端与小臂连接板22相连。内、外旋转基座结构相似，均包括关节电机、关节编码器、关节制动器、关节减速器及扭矩传感器等，关节电机和关节减速器之间通过皮带连接，传动皮带使上述机构可以紧凑排布，扭矩传感器可检测回转力度，辅助执行机构对机械结构的控制，较为流畅的完成助力过程。在助力过程中，基于控制系统输出的扭矩值、速度等数值，通过关节电机与关节减速器得到较为流畅的助力动作，关节制动器可做为辅助与限位装置保证助力过程的安全性。通过内外旋转基座的配合可为肘关节的各种屈伸运动提供平稳助力。

如图6所示，小臂机构包括内旋转基座21、小臂连接板22和小臂双层环形轨道23，小臂连接板22连接内旋转基座21和小臂双层环形轨道内环231，小臂双层环形轨道内环231与宇航服对应部位固定，小臂双层环形轨道外环232和手部机构由手部连接板31连接，小臂双层环形轨道23工作原理与大臂双层环形轨道13相同，可根据控制系统的运动信号带动内侧环形轨道转动为小臂转动提供助力。

参照图7所示，手部机构包括手部连接板31、第一腕关节旋转组件32、第二腕关节旋转组件33及手部固定板34。小臂双环形轨道外环232通过手部连接板31与第一腕关节旋转组件32输入端相连，第一腕关节旋转组件32输出端与第二腕关节旋转组件33的输入端相连。在助力过程中，在执行机构根据控制系统输出指令对第一腕关节旋转组件32旋转角度与速度进行调节，第一腕关节旋转组件32可带动输出端进行轴向转动，输出端所连接的第二腕关节旋转组件33可根据执行机构信息进行径向转动，并带动输出端连接的手部固定板34进行运动。第一腕关节旋转组件32与第二腕关节旋转组件33为两套垂直方向布置的动力系统，可提供两个自由度方向的旋转，通过第一腕关节与第二腕关节的配合运动可实现对手部转动与摆动动作的助力。

如图8所示，通过大臂机构、小臂机构与手部机构的配合，该上肢外骨骼助力装置可为肩关节屈伸、收展和旋转、肘关节旋转、腕关节的转动和摆动等多种上肢运动提供助力。

以上实施例仅是为充分说明本实用新型所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所做的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (4)

1.一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，包括控制系统、大臂机构、小臂机构和手部机构；所述控制系统包括意图识别系统、计算系统和执行系统；所述大臂机构包括固定卡环、液压装置、大臂双层环形轨道、大臂连接板和外旋转基座；其中固定卡环和液压装置连接，液压装置的活塞杆与大双环形轨道的内环连接，大臂连接板连接大臂双层环形轨道的外环和外旋转基座；所述小臂机构包括内旋转基座、小臂连接板和小臂双层环形轨道，小臂连接板连接内旋转基座和小臂双层环形轨道的内环，小臂双层环形轨道的外环通过手部连接板和手部机构相连；所述手部机构包括手部连接板、第一腕关节旋转组件、第二腕关节旋转组件及手部固定板，小臂双层环形轨道的外环通过手部连接板与第一腕关节旋转组件相连，第一腕关节旋转组件输出端与第二腕关节旋转组件输入端相连，第二腕关节旋转组件输出端与手部固定板相连。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，其特征在于：大臂机构中的液压装置由主液压装置和两侧的辅助液压装置组成，上述液压装置均固定在固定卡环上，包括调节组件、动力组件和液压控制杆组件；其中调节组件设置在固定卡环上，可调节液压杆组件的轴向转动；动力组件为可周向转动关节结构，其中的锁定部件在助力过程中可保证调节组件与液压杆组件的相对角度不变；液压控制杆组件末端与大臂双层环形轨道的内环相连，可根据执行系统的运动指令调整液压杆的伸长或收缩；通过主液压装置与辅助液压装置的配合可为肩关节的屈伸、收展和旋转提供助力。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，其特征在于：大臂连接板与小臂连接板均为双层套管，可通过操作锁定按键调节连接板长度。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度的上肢外骨骼助力装置，其特征在于：手部机构包括手部连接板、第一腕关节组件、第二腕关节组件和手部固定板；手部连接板与第一腕关节组件输入端相连，第一腕关节旋转组件输出端与第二腕关节旋转组件的输入端相连，第二腕关节组件输出端与手部固定板相连；在助力过程中，执行机构根据控制系统输出指令对第一腕关节旋转组件旋转角度与速度进行调节，第一腕关节旋转组件可带动输出端进行轴向转动，输出端所连接的第二腕关节旋转机构可带动手部连接板进行径向转动；第一腕关节旋转组件与第二腕关节旋转组件呈垂直方向布置，可提供两个自由度方向的旋转，通过第一腕关节与第二腕关节的配合运动可实现对腕关节转动与摆动的助力过程。

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