CN108858148B - 一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人系统设计技术领域，一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，包括背部支架和上臂。所述的上臂通过肩背连接件固定在背部支架上，背部支架对上臂起连接和支撑作用。肢外骨骼机器人的结构以背部支架中心线左右对称。所述背部支架包括框架结构、滑轮、肩背连接件和肩关节驱动肌肉，滑轮固定在框架结构上侧；所述上臂包括闭锁式球关节、上臂外侧夹板、上臂内侧夹板、上臂滑轮、肘关节定轮、串联驱动肌肉；所述的闭锁式球关节固定在肩背连接件上端下表面。本发明的有益效果为：以气动肌肉作为驱动，相比于电机和液压驱动也大大降低了结构复杂性和成本；肘关节处安装有定轮，能实现在极端角度的情况下仍能保证串联肌肉能输出足够的力矩。

Description

一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人

技术领域

本发明属于机器人系统设计技术领域，特别是涉及一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，即穿戴在操作者身体外部的一种机械机构。由于外骨骼机器人技术能够增强个人在完成某些任务时的能力，外骨骼和操作者组成的人-外骨骼系统能够对环境有更大的适应能力，因此，近年来对外骨骼机器人的研究引起了许多科研人员的注意，并在单兵军事作战装备、辅助医疗设备、助力机构等领域获得了广泛的应用。

传统的外骨骼多采用电机和液压驱动，电机和液压驱动成本过高，电机驱动输出力矩过小，并且结构复杂，而液压驱动则噪声过大。传统上肢外骨骼肩关节三个自由度驱动往往是分开实现的，结构复杂且分散，仿生性能低。同时，由于气动肌肉收缩率小，传统气动肌肉驱动的外骨骼存在运动范围小的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，该上肢外骨骼主要用于协助人体上肢负重并进行灵活运动。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，包括背部支架和上臂。

所述的上臂通过肩背连接件固定在背部支架上，背部支架对上臂起连接和支撑作用；肢外骨骼机器人的结构沿背部支架中心线对称。

所述背部支架包括框架结构、滑轮、肩背连接件和肩关节驱动肌肉，六个滑轮等间距固定在框架结构上侧；六根肩关节驱动肌肉平行置于框架结构内部且与六个滑轮分别对应，其下端与框架结构下侧固定，肩关节驱动肌肉上端分别通过钢丝绳绕过位于框架结构上侧的滑轮与闭锁式球关节的驱动绳索连接，实现对闭锁式球关节的驱动。滑轮实现肩关节驱动肌肉输出力方向的灵活导向并降低在力转换过程中的摩擦力，提高传动效率。所述的肩背连接件为V结构，V形开口角度大于90度，V形下端固定在框架结构右侧，上端与上臂的闭锁式球关节连接。

所述上臂包括闭锁式球关节、上臂外侧夹板、上臂内侧夹板、上臂滑轮、肘关节定轮、串联驱动肌肉；所述的闭锁式球关节固定在肩背连接件下表面；闭锁式球关节的顶平面设有三个均匀分布且距离顶平面中心距离均为R的孔；三个肩部导向滑轮固定在肩背连接件的上表面，三个肩部导向滑轮与闭锁式球关节的顶平面的孔一一对应；闭锁式球关节的三根驱动绳索分别绕过肩部导向滑轮与钢丝绳连接；闭锁式球关节的下端固定在上臂外侧夹板和上臂内侧夹板之间，上臂内、外侧夹板的下端与小臂铰接，实现小臂转动，肘关节定轮以铰接点为圆心固定在小臂上；

上臂外侧夹板外侧固定上臂滑轮，钢丝绳绕过上臂滑轮分别与两根肘关节驱动肌肉一端连接，两根肘关节驱动肌肉另一端分别与小臂上的肘关节定轮和上臂外侧夹板下端连接，这样串联的肌肉收缩量变大，能在保证一定输出力矩的情况下实现对肘关节更大范围的驱动。

进一步的，所述的闭锁式球关节，包括肩关节固定平台、肩关节动平台、关节球、上臂旋转轴和驱动绳索；

所述肩关节固定平台包括顶平面和支柱，顶平面设有三个均匀分布且距离顶平面中心距离均为R的孔，顶平面固定在支柱上端，支柱的下端中心处设有球窝，关节球置于球窝中；关节球下端与上臂旋转轴连接；上臂旋转轴外套肩关节动平台，肩关节动平台为套筒形状，套筒外壁同截面均匀分布三个连接端，连接端与套筒中心轴距离均为r；肩关节动平台的三个连接端分别固定三根驱动绳索，三根驱动绳索的另一端穿过在肩关节固定平台的顶平面的三个孔后与钢丝绳连接。

进一步的，所述的外骨骼机器人还包括绑带，绑带包括肩部绑带、胸部绑带、腰部绑带、上臂绑带和小臂绑带，肩部绑带为U形硬质材料，用于拖住上肢外骨骼和负载重量，肩部绑带对称固定在框架结构上；其余绑带均为柔性绑带，可用尼龙等软质材料，胸部绑带和腰部绑带均固定在框架结构上，用于匹配人体躯干和外骨骼之间的相对位置，上臂绑带连接在上臂内侧夹板上，小臂绑带固定在小臂上，上臂绑带和小臂绑带用于保证人体胳膊和外骨骼之间的相对固定，柔性绑带主要作用是实现人与外骨骼之间的既要固定又要有一定的活动空间，以保证人体穿戴外骨骼的舒适性。

进一步的，所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述肘关节定轮是扇形带槽轮，肘关节定轮与小臂固定，肘关节定轮与铰链为同圆心，肘关节定轮的作用是：在小臂与上臂之间夹角接近180度的情况下，肘关节定轮保证肘关节驱动肌肉能输出足够的力矩用以驱动肘关节。

进一步的，所述的框架结构采用两个横支架和两个竖支架构成框架结构；横支架和竖支架是角铝材料切割钻孔而成，各支架之间通过螺栓连接固定，可紧贴人体背部，支架主要起到对肩关节驱动肌肉的连接和支撑作用。

本发明的有益效果为：以自制的气动肌肉作为驱动，气动肌肉具有良好的柔顺性和仿生性能，相比于电机和液压驱动也大大降低了结构复杂性和成本。肩关节采用球关节形式的并联结构，且球窝向右前方倾斜，与人体肩关节生理性能一致，仿生性高，结构紧凑；肩关节气动肌肉置于背部支架，并用滑轮实现导向作用，不仅结构紧凑、美观，也能在一定程度上弥补气动肌肉收缩率不足的缺陷，肘关节采用两根气动肌肉串联驱动，增长了气动肌肉的长度，弥补了气动肌肉收缩率不足的缺陷，使肘关节自由度运动范围加大；肘关节处安装有定轮，能实现在极端角度的情况下仍能保证串联肌肉能输出足够的力矩。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图1的右视图。

图4为上臂与小臂连接的示意图。

图5为上臂旋转轴与肩关节动平台装配的剖面示意图。

图中：1竖支架；2小臂绑带；3上臂绑带；4肩关节钢丝绳；5肩部导向滑轮；6背部钢丝绳；7横支架；8背部导向滑轮；9肩背连接件；10肩关节气动肌肉；10肩关节气动肌肉；11腰部绑带；12胸部绑带；13肩部绑带；14肩关节固定平台；15关节球；16上臂旋转轴；17肩关节动平台；18上臂滑轮；19串联气动肌肉；20上臂外侧夹板；21上臂内侧夹板；22小臂；23肘关节定轮；24肘关节铰链；25径向轴承A；26推力轴承；27径向轴承B。

具体实施方式

下面结合图1～图5和具体的实施例对本发明的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人作进一步的详细说明。

根据图1～图5所示，一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，主要包括背部支架、肩背连接件9、并联驱动肩关节、上臂、串联驱动肘关节、小臂20、绑带等，背部支架由竖支架1、横支架7和肩关节驱动肌肉10、背部支架导向滑轮8和钢丝绳6组成，并联驱动肩关节由钢丝绳4、肩部导向滑轮5、肩关节固定平台14、关节球15和肩关节动平台17组成，上臂由上臂旋转轴16、上臂滑轮18、上臂外侧夹板20和上臂内侧夹板21组成，串联驱动肘关节由串联气动肌肉19和肘关节定轮23组成，绑带部分由小臂绑带2、上臂绑带3、腰部绑带11、胸部绑带12和肩部绑带14组成，上臂旋转轴16和肩关节动平台14之间通过径向轴承A25、径向轴承B27和推力轴承26相连。

以矢状面内肩关节屈伸运动和肘关节屈伸运动为例进行上肢外骨骼机器人手臂抬起的操作过程说明。

穿戴

首先人体要穿戴上肢外骨骼，肩部绑带13为U形的硬质绑带，架在人体肩膀之上，主要作用使人体能从下面拖住上肢外骨骼，外骨骼和负重的大部分质量通过肩部U形绑带传递给人体，下面可垫海绵等柔软物体以提高穿戴舒适性，穿戴外骨骼时先将肩部绑带架在人体肩部上面，然后绑上胸部绑带12、腰部绑带11、上臂绑带2和小臂绑带3，除肩部绑带之外的其他绑带均为柔性绑带，柔性绑带主要作用是实现人与外骨骼之间的既要固定又要有一定的活动空间，以保证人体穿戴外骨骼的舒适性。

肩关节运动

以右臂为例，控制系统检测人体运动意图后发出一定信号，分别控制三根肩关节驱动肌肉10的内部气压，三气动肌肉10位于背部支架上，气动肌肉上端连接钢丝绳6，钢丝绳绕过位于背部支架和肩部固定平台上的滑轮并连接在肩关节动平台17上，三根根气动肌肉收缩或伸长时将力和运动通过滑轮传递给肩关节动平台，肩关节动平台将力传递给上臂旋转轴16，从而能实现上臂旋转轴的摆起，即外展/内收和屈/伸两个自由度，由于肩关节动平台与上臂旋转轴之间装配有推力轴承26、径向轴承A25和径向轴承B 27，能灵活转动，所以肩关节的内旋/外旋自由度处于无驱动状态，这个自由度可由人体上肢来主动驱动。

肘关节运动

驱动肘关节的气动肌肉19是串联形式的，两根肌肉之间通过钢丝绳相连，串联肌肉绕过动滑轮18，一端与小臂上的肘关节定轮23相连接，通过钢丝绳绕过肘关节定轮，一端与外侧夹板20下端相连接，气动肌肉内部充气时，串联肌肉一起收缩，当气动肌肉收缩时，拉动肘关节定轮23运动，而肘关节定轮23是固定在小臂22上的，这就能带动小臂绕铰链24向上旋转。当气动肌肉放气时，串联肌肉伸长，在负重或者人体主动驱使的情况下实现肘关节绕铰链向下旋转。

Claims (3)

1.一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，其特征在于，包括背部支架和上臂；

所述的上臂通过肩背连接件(9)固定在背部支架上；上 肢外骨骼机器人的结构沿背部支架中心线对称；

所述背部支架包括框架结构、滑轮(8)、肩背连接件(9)和肩关节驱动肌肉(10)，六个滑轮(8)等间距固定在框架结构上侧；六根肩关节驱动肌肉(10)平行置于框架结构内部且与六个滑轮(8)分别对应，其下端与框架结构下侧固定，肩关节驱动肌肉(10)上端分别通过钢丝绳(6)绕过位于框架结构上侧的滑轮(8)与闭锁式球关节的驱动绳索连接，实现对闭锁式球关节的驱动；所述的肩背连接件(9)为V结构，V形开口角度大于90度，V形下端固定在框架结构右侧，上端与上臂的闭锁式球关节连接；

所述上臂包括闭锁式球关节、上臂外侧夹板(20)、上臂内侧夹板(21)、上臂滑轮(18)、肘关节定轮(23)、串联驱动肌肉(19)；所述的闭锁式球关节固定在肩背连接件(9)下表面；闭锁式球关节的顶平面设有三个均匀分布且距离顶平面中心距离均为R的孔；三个肩部导向滑轮(5)固定在肩背连接件(9)的上表面，三个肩部导向滑轮(5)与闭锁式球关节的顶平面的孔一一对应；闭锁式球关节的三根驱动绳索分别绕过肩部导向滑轮(5)与钢丝绳(6)连接；闭锁式球关节下端固定在上臂外侧夹板(20)和上臂内侧夹板(21)之间，上臂内、外侧夹板的下端与小臂(22)铰接，实现小臂(22)转动，肘关节定轮(23)以铰接点为圆心固定在小臂(22)上；上臂外侧夹板(20)外侧固定上臂滑轮(18)，钢丝绳绕过上臂滑轮(18)分别与两根肘关节驱动肌肉(19)一端连接，两根肘关节驱动肌肉(19)另一端分别与小臂(22)上的肘关节定轮(23)和上臂外侧夹板(20)下端连接，所述的闭锁式球关节，包括肩关节固定平台(14)、肩关节动平台(17)、关节球(15)、上臂旋转轴(16)和驱动绳索；

所述肩关节固定平台(14)包括顶平面和支柱，顶平面设有三个均匀分布且距离顶平面中心距离均为R的孔，顶平面固定在支柱上端，支柱的下端中心处设有球窝，关节球(15)置于球窝中；关节球(15)下端与上臂旋转轴(16)连接；上臂旋转轴(16)外套肩关节动平台(17)，肩关节动平台(17)为套筒形状，套筒外壁同截面均匀分布三个连接端，连接端与套筒中心轴距离均为r；肩关节动平台(17)的三个连接端分别固定三根驱动绳索，三根驱动绳索的另一端穿过在肩关节固定平台(14)的顶平面的三个孔后与钢丝绳(6)连接，所述的外骨骼机器人还包括绑带，绑带包括肩部绑带(13)、胸部绑带(12)、腰部绑带(11)、上臂绑带(3)和小臂绑带(2)，肩部绑带(13)为U形硬质材料，肩部绑带(13)对称固定在框架结构上；其余绑带均为柔性绑带，采用软质材料，胸部绑带(12)和腰部绑带(11)均固定在框架结构上，用于匹配人体躯干和外骨骼之间的相对位置，上臂绑带(3)连接在上臂内侧夹板(21)上，小臂绑带(2)固定在小臂(22)上。

2.如权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述肘关节定轮(23)是扇形带槽轮，肘关节定轮(23)与小臂(22)固定，肘关节定轮(23)与铰链(24)为同圆心。

3.如权利要求1或2所述的一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的框架结构采用两个横支架(7)和两个竖支架(1)构成框架结构。

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