CN108214458A - 可穿戴上肢机械臂 - Google Patents
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Abstract
可穿戴上肢机械臂,包括机械装置和安装在机械装置上的控制装置;机械装置包括用于穿戴的固定台,固定台的后侧设有可拆卸的移动电源,移动电源的下侧设有微型动力泵,固定台的前侧设有十字安全带,固定台的一侧顶部设有第一电机,第一电机的主轴沿固定台的前后方向设置,第一电机的主轴上固定有水平支架,水平支架的另一端固定有转动盘,转动盘上设有第二电机,第二电机的主轴沿固定台的左右方向设置。本发明提供一种可穿戴的上肢机械臂,与现有技术相比,通过设置在机械臂上的传感器感知使用者的肌肉运动并作出相应动作,机械臂外形呈人体仿生学设计,使得穿戴者更加舒适,提供持续的电量输出使机械臂运作顺畅,受限制范围缩小。
Description
技术领域
本发明属于人体穿戴机械臂技术领域,具体涉及一种可穿戴上肢机械臂。
背景技术
机械臂在现代工业、医疗及其他领域中需求量日益增大,常常用到力臂形式的机械臂,尤其是夹持物品功能的机械臂。但是,夹持物品时现有的机械臂结构不能很好的适应操作者的需求和想法,导致使用者和机械臂配合不完善不能灵活使用,脱离固定电源以后,也不能提供长时间的电力供应,限制了机械臂的使用活动范围和使用时间。
在目前现有的同类型产品中,机械手臂、活动关节手伸缩动作为主流设计,关节处有夹持器,但是用起来并不能灵敏的捕捉到使用者的肌肉运动规律和使用想法,因此不能和使用者的意图相匹配。
在医学领域中,机械臂普遍是用于手臂残疾患者。本机械臂结构采用了更加稳定、可靠的设计方式。在操作性上本机械臂使用了更加便捷的操作方法,只要使用者轻微移动上肢佩戴在上肢的新型传感器就会直接感应到肌肉微小的颤抖和运动并将其转化为指令信号传达给机械臂,使机械臂按照使用者的的意图移动和夹持物品。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷,本发明提供一种可穿戴的上肢机械臂,与现有技术相比,通过设置在机械臂上的传感器感知使用者的肌肉运动并作出相应动作,机械臂外形呈人体仿生学设计,使得穿戴者更加舒适,提供持续的电量输出使机械臂运作顺畅,受限制范围缩小。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案如下:
可穿戴上肢机械臂,包括机械装置和安装在机械装置上的控制装置;机械装置包括用于穿戴的固定台,固定台的后侧设有可拆卸的移动电源,移动电源的下侧设有微型动力泵,固定台的前侧设有十字安全带,固定台的一侧顶部设有第一电机,第一电机的主轴沿固定台的前后方向设置,第一电机的主轴上固定有水平支架,水平支架的另一端固定有转动盘,转动盘上设有第二电机,第二电机的主轴沿固定台的左右方向设置,第二电机的主轴上固定有上臂支架,上臂支架的另一端固定有第三电机,第三电机的主轴上固定有前臂支架,前臂支架的另一端设有机械手,转动盘与前臂支架之间设有驱动伸缩杆,前臂支架上设有至少两个手臂固定环;
控制装置包括控制器、旋转编码器、DSP芯片、传感器和执行器,控制器还分别与移动电源、第一电机、第二电机和第三电机连接。
所述上臂支架和前臂支架的外形结构均采用半圆包围的仿人体手臂外形结构。
所述机械手为仿生五指手、三指抓手或四指抓手。
所述移动电源为锂电池组。
所述驱动伸缩杆为气压伸缩杆、液压伸缩杆或电动推杆。
所述传感器包括肌电传感器和压阻式压力传感器。
采用上述技术方案,本发明具有以下有益效果:
与现有技术相比,机械臂外形呈仿生学设计,与人体相适配,使得穿戴者更加舒适;既可以通过外线插头连接固定电源进行供电,又可以使用自身携带的锂电池组进行自行供电;所有的支撑受力部件均采用轻质合金制作,具有重量轻、结构强度高等优点;通过设置在机械臂上的肌电传感器感知使用者的肌肉运动,由控制器解读判断并作出相应动作,动作时可通过手部的机械手夹持一定重量的物品;既可以穿戴在人体上通过肌电传感器感知人体动作并作出相应动作,又可以作为传统机械手臂,固定在机架或其他物体上,按照控制器内设定好的动作进行作业;即可以用于医疗方面帮助病患进行手臂恢复,又可以作为人体辅助机械臂,待人体穿上该机械臂以后,可以进行超出人体身体力行的一些操作,还可以作为传统机械手臂固定在机架上,执行预先设定好的动作;在医学领域中,控制器、旋转编码器、DSP芯片、肌电传感器、压阻式压力传感器和执行器不光可以感应并识别穿戴者的手臂传来的动作信号,根据穿戴者手臂传来的动作信号执行相应的动作,还可以记录和保存穿戴者的手臂的动作信号,方便医生了解穿戴者手臂的具体情况,进而便于医生为穿戴者做出准确的诊断和治疗方法。
附图说明
图1为本发明中机械臂控制***的结构示意图;
图2为本发明中机械臂的构造原理的结构示意图;
图3为本发明的立体结构示意图;
图4为本发明后视方向的立体结构示意图。
固定台1,移动电源2,十字安全带3,第一电机4,水平支架5,转动盘6,第二电机7,臂支架8,第三电机9,前臂支架10,机械手11,驱动伸缩杆12,微型动力泵13,四指抓手14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明:
如图1-图4所示,可穿戴上肢机械臂,包括机械装置和安装在机械装置上的控制装置;机械装置包括用于穿戴的固定台1,固定台1的后侧设有可拆卸的移动电源2,移动电源2的下侧设有微型动力泵13,微型动力泵13连接驱动伸缩杆12,固定台1的前侧设有十字安全带3,固定台1的一侧顶部设有第一电机4,第一电机4的主轴沿固定台1的前后方向设置,第一电机4的主轴上固定有水平支架5,水平支架5的另一端固定有转动盘6,转动盘6上设有第二电机7,第二电机7的主轴沿固定台1的左右方向设置,第二电机7的主轴上固定有上臂支架8,上臂支架8的另一端固定有第三电机9,第三电机9的主轴上固定有前臂支架10,前臂支架10的另一端设有机械手11,还可以根据需要将机械手11更换为四指抓手14,转动盘6与前臂支架10之间设有驱动伸缩杆12,前臂支架10上设有至少两个手臂固定环,手臂固定环方便前臂支架10与人体手臂固定。所有的支撑受力部件均采用轻质合金制作,具有重量轻、结构强度高等优点。
控制装置包括控制器、旋转编码器、DSP芯片、传感器和执行器,控制器还分别与移动电源2、第一电机4、第二电机7和第三电机9连接。
上臂支架8和前臂支架10的外形结构均采用半圆包围的仿人体手臂外形结构,人体穿戴时可保证机械臂与手臂的贴合度,保证人机能效。
机械手11为仿生五指手、三指抓手或四指抓手,根据实际需求进行相应的更换。
移动电源2为锂电池组,具有重量轻,电量大,供电持续时间长。
驱动伸缩杆12为气压伸缩杆、液压伸缩杆或电动推杆。
传感器包括肌电传感器和压阻式压力传感器,分别安装在机械臂不同的位置,通过DSP芯片向控制器传输信号。
本发明的工作过程如下:
使用时,将固定台1穿戴在人体背部,通过固定台1前侧的十字安全带3与人体固定,第一电机4动作时可带动水平支架5和转动盘6沿固定台1的水平方向动作,即机械臂的水平动作,转动盘6上的第二电机7可带动上臂支架8沿固定台1的前后方向动作,上臂支架8上的第三电机9可带动前臂支架10进行动作,即肘关节动作,驱动伸缩杆12既可以加强转动盘6、上臂支架8和前臂支架10之间的力臂输出,又可以加强转动盘6、上臂支架8和前臂支架10之间的结构强度。
本发明中的控制器、旋转编码器、DSP芯片、肌电传感器和执行器均属于现有常规技术,其具体结构不再详细说明。
机械臂控制***的结构图,如图1所示。由肌电传感器测量到肌肉爆发力的压力,不断地通过放大等调理,输入DSP中,在DSP中对其压力进行提取与识别,通过BP算法等对其进行分析,最终得到运动模式的分类结果。利用所需的运动模式在DSP中产生力(力矩)与位置的控制信号,对上肢安装的3个无刷直流电机产生控制,通过旋转编码器、压阻式压力传感器对上肢外骨骼机器人工作的位置、力(力矩)信号进行实时采集,形成双闭环反馈式控制。
本发明所设计的可穿戴上肢机械臂采用上位机控制下位机的助力模式,上位机既控制器,运动模式包括单关节独立运动和多关节联动的复合功能运动两种方式。下位机以两片 DSP 芯片为核心,DSP1 控制肩关节的水平和竖直运动,DSP2 则控制肩关节旋转运动和肘关节的运动。上位机可进行运动助力方式的选择及关节运动参数的设置,然后将相关参数传送给控制芯片DSP1,DSP1再将肩关节旋转运动参数以及肘关节运动参数传送给DSP2,经运算后,两块控制芯片将运动参数转化为电机转动信息,分别输出至驱动电机驱动器。驱动器采用双极性H 桥驱动放大电路,设计控制***时,保证***的稳定性与使用者的安全性是首要条件。为了防止电机输出扭矩过大而对上肢造成伤害,采用电流检测电路,将驱动器输出的电流实时反馈到DSP中,一旦检测到电流超过允许值立刻停机。采用光电编码器检测电机实时位置,避免了因关节转动过度或不足对使用造成的不良影响。
通过如下表一可以直观的看到人体手臂主要关节的活动范围,以此为依据设定机械臂的活动范围和旋转角度,为了避免人体在使用机械臂进行康复动作时中发生二次损伤。
与现有技术相比,机械臂外形呈仿生学设计,使得穿戴者更加舒适;既可以通过外线插头连接固定电源进行供电,又可以使用自身携带的锂电池组进行自行供电;通过设置在机械臂上的肌电传感器感知使用者的肌肉运动,由控制器解读判断并作出相应动作,动作时可通过手部的机械手夹持一定重量的物品,;既可以穿戴在人体上通过肌电传感器感知人体动作并作出相应动作,又可以作为传统机械手臂,固定在机架或其他物体上,按照控制器内设定好的动作进行作业;即可以用于医疗方面帮助病患进行手臂恢复,又可以作为人体辅助机械臂,待人体穿上该机械臂以后,可以进行超出人体身体力行的一些操作,还可以作为传统机械手臂固定在机架上,执行预先设定好的动作;在医学领域中,控制器、旋转编码器、DSP芯片、肌电传感器和执行器不光可以感应并识别穿戴者的手臂传来的动作信号,根据穿戴者手臂传来的动作信号执行相应的动作,还可以记录和保存穿戴者的手臂的动作信号,方便医生了解穿戴者手臂的具体情况,进而便于医生做出准确的诊断和治疗方法。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.可穿戴上肢机械臂,其特征在于:包括机械装置和安装在机械装置上的控制装置;机械装置包括用于穿戴的固定台,固定台的后侧设有可拆卸的移动电源,移动电源的下侧设有微型动力泵,固定台的前侧设有十字安全带,固定台的一侧顶部设有第一电机,第一电机的主轴沿固定台的前后方向设置,第一电机的主轴上固定有水平支架,水平支架的另一端固定有转动盘,转动盘上设有第二电机,第二电机的主轴沿固定台的左右方向设置,第二电机的主轴上固定有上臂支架,上臂支架的另一端固定有第三电机,第三电机的主轴上固定有前臂支架,前臂支架的另一端设有机械手,转动盘与前臂支架之间设有驱动伸缩杆,前臂支架上设有至少两个手臂固定环;
控制装置包括控制器、旋转编码器、DSP芯片、传感器和执行器,控制器还分别与移动电源、第一电机、第二电机和第三电机连接。
2.根据权利要求1所述的可穿戴上肢机械臂,其特征在于:所述上臂支架和前臂支架的外形结构均采用半圆包围的仿人体手臂外形结构。
3.根据权利要求2所述的可穿戴上肢机械臂,其特征在于:所述机械手为仿生五指手、三指抓手或四指抓手。
4.根据权利要求3所述的可穿戴上肢机械臂,其特征在于:所述移动电源为锂电池组。
5.根据权利要求4所述的可穿戴上肢机械臂,其特征在于:所述驱动伸缩杆为气压伸缩杆、液压伸缩杆或电动推杆。
6.根据权利要求5所述的可穿戴上肢机械臂,其特征在于:所述传感器包括肌电传感器和压阻式压力传感器。
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