CN110181482A

CN110181482A - 一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人

Info

Publication number: CN110181482A
Application number: CN201910433990.0A
Authority: CN
Inventors: 李海源; 张勤俭; 刘畅; 严鲁涛
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2019-08-30

Abstract

本发明公开一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，包括承载移动平台、肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋运动机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋运动机构与腕部运动机构；肩部运动机构一端固定在承载移动平台的顶部，另一端与大臂伸缩机构相连，然后肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋机构、腕部运动机构依次沿人体上肢的路线相连。本发明扩大了控制的工作空间，提高遥操作沉浸感；扩大了肩部运动的工作空间；提高了旋转轴线的重合度，提高人机相容性；提高了人机耦合程度与穿戴舒适性；提高了柔顺程度以及力觉沉浸感；可适配不同力反馈的力度需求，提高个性化程度；通用程度高。

Description

一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人，属于机器人以及人机交互技术领域。

背景技术

在轨服务、星球探测、远程医疗、核处理、高压带电作业、海洋开发等特殊极端环境对人类现场操作带来极大挑战。遥操作技术通过本地的主端设备远程控制远处现场的从端***，并对过程实施监控管理，做出评价应对，对于解决特殊环境作业是一种绝佳的途径。这其中，主端遥操作机器人用于获取操作者的控制输入并将从端的信息反馈给操作者，是机器人以及人机交互领域的重点发展方向。传统上，外骨骼机器人与人体上肢相互融合，更加直观地进行人机交互，扩展了操作者遥操作时的工作空间，极大提升了沉浸感。

目前，遥操作过程中获取人类上肢位姿数据的技术主要有动作捕捉设备，典型的产品包括使用光学测量手段的Kinect、Vicon、Motion Analysis以及基于惯性测量的Xsens。但这些设备均不具有力反馈功能，对于从端现场存在接触现象时，无法提供力的信息。基于机器人构型的主端遥操作机器人可提供有效的力反馈信息，通常分为非穿戴式的串联力反馈主手、并联力反馈主手。主要代表为美国Sensable公司的桌面型PHANTOM系列的力反馈主控手，Force Dimension公司的Delta/Omega力反馈主手。该类主手通常固定在工作台上，具备3-7个自由度，由操作者手持力反馈主手末端进行操作。然而，力反馈主手的工作空间相比于人体上肢的工作空间较小，操作者不直观。并且，力反馈主手只能在末端给人施加反馈的力，无法在上肢的其他部位施加。

上肢外骨骼遥操作机器人通过穿戴在人体上肢上，通过与人体上肢关节、臂长相吻合，极大地扩展了操作者上肢遥操作时的工作空间，并且与人类上肢具有较为相近的位移、速度和力的性能范围，这对于装配、拾取等作业范围大、接触敏感的场景极为重要。其中，上肢外骨骼机器人在运动康复、搬运助力方面已有一些案例，如ARMin、IntelliArm、ETS-MARSE等。上肢外骨骼遥操作机器人作为主端交互设备，在兼具康复、助力的一些要求外，在运动范围、力的沉浸感以及模块化可重构方面具有特殊要求，当前，EXARM可穿戴在人体上肢，实现遥操作。但其机器人的构型及关节配置使得机器人容易与人体发生干涉，减小了工作空间；同时，通常在末端安装六维力传感器，不具备关节层面的力矩感知能力，柔顺性低；此外，各个机器人自由度应具备的驱动和控制能力相比于人体上肢的肩、肘及腕关节的负载能力较弱，力反馈能力较低，并且不具备模块化的特点，左侧、右侧上肢适应性以及机器人重构互换性较弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人，以解决现有技术中存在的机器人的构型及关节配置容易与人体发生干涉、关节柔顺性低、力反馈能力较低、并且不具备模块化等问题。

为了解决上述技术问题，本发明一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，既可以穿戴于人体右侧上肢，也可以穿戴于人体左侧上肢，包括承载移动平台、肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋运动机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋运动机构与腕部运动机构；肩部运动机构一端固定在承载移动平台的顶部，另一端与大臂伸缩机构相连，然后肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋机构、腕部运动机构依次沿人体上肢的路线相连。

所述承载移动平台包括可推动和锁定的移动底盘和垂直伸缩的支撑杆。所述的可推动和锁定的移动底盘提供水平方向的前后左右以及旋转运动，由四个被动轮和摩擦刹车锁紧装置组成。所述的垂直伸缩的支撑杆由外套筒和内滑杆组成，内滑杆在垂直方向相对运动，并可通过螺栓固定位置。

进一步的，承载移动平台的工作范围可以使得肩部运动机构的旋转中心与人体肩关节的旋转中心重合。

所述的肩部运动机构包括肩部连接法兰、肩部收展关节、肩部角型连杆、肩部屈伸关节。所述肩部收展关节通过肩部连接法兰与承载移动平台的顶部相连。肩部收展关节通过肩部角型连杆与肩部屈伸关节相连。肩部屈伸关节的旋转轴线与肩部收展关节的旋转轴线相交于一点，为肩部运动机构的旋转中心。

进一步的，肩部收展关节旋转轴线与水平面平行，并且与人体的矢状面呈一定角度α，肩部屈伸关节旋转轴线首先置于水平面，与人体的冠状面呈β角度，再与人体的水平面呈γ角度。由于α、β和γ角度的存在，在外骨骼和人体上肢伸展运动时，肩部运动机构可绕到人体头颈部的后方，从而避免碰撞干涉，增大外骨骼肩部运动范围。

所述的大臂伸缩机构包括大臂伸缩滑杆、大臂伸缩滑块以及大臂伸缩锁紧螺栓螺母。大臂伸缩滑杆为长条形，两侧具备凹槽作为导轨。大臂伸缩滑块为凹形结构，可沿着大臂伸缩滑杆的凹槽移动。锁紧螺栓从大臂伸缩滑杆一侧穿入，在大臂伸缩滑块另一侧用螺母锁紧。大臂伸缩滑杆和大臂伸缩滑块可沿大臂轴向相对移动。根据人体上肢大臂的长度，通过调节大臂伸缩滑杆、大臂伸缩滑块的相对距离，使外骨骼大臂伸缩机构适配操作者的大臂，并利用锁紧螺栓螺母固定。

所述的大臂回旋运动机构包括大臂连杆、大臂回旋关节、大臂回旋关节输出齿轮、大臂中空齿轮、第一输出法兰、固定的第一支撑结构以及第一齿轮挡板。大臂回旋关节的输出轴与大臂回旋关节输出齿轮通过第一输出法兰同轴连接，大臂回旋关节输出齿轮与大臂中空齿轮啮合传动。人体上肢大臂可穿过大臂中空齿轮的内孔，内孔轴线与人体上肢大臂回旋轴线重合。

所述的肘部运动机构包括肩肘连杆和肘关节。肩肘连杆一端与大臂回旋运动机构连接，另一端与肘关节的输入法兰连接。肘关节的输出法兰与小臂回旋运动机构连接。肘关节的旋转轴线与人体上肢肘关节的旋转轴线重合。

所述的小臂伸缩机构包括小臂伸缩滑杆、小臂伸缩滑块以及小臂伸缩锁紧螺栓螺母组成。小臂伸缩滑杆为长条形，两侧具备凹槽作为导轨。小臂伸缩滑块为凹形结构，可沿着小臂伸缩滑杆的凹槽移动。锁紧螺栓从小臂伸缩滑杆一侧穿入，在小臂伸缩滑块另一侧用螺母锁紧。小臂伸缩滑杆和小臂伸缩滑块可沿小臂轴向相对移动。根据人体上肢小臂的长度，通过调节小臂伸缩滑杆和小臂伸缩滑块的相对距离，使外骨骼小臂伸缩机构适配操作者的小臂，并利用小臂伸缩锁紧螺栓螺母固定。

所述的小臂回旋运动机构包括小臂连杆、小臂回旋关节、小臂回旋关节输出齿轮、小臂中空齿轮、第二输出法兰、固定的第二支撑结构以及第二齿轮挡板。小臂回旋关节的输出轴与关节输出齿轮通过第二输出法兰同轴连接，关节输出齿轮与小臂中空齿轮啮合传动。人体上肢小臂可穿过小臂中空齿轮的内孔，内孔轴线与人体上肢小臂回旋轴线重合。

腕部运动机构包括腕肘连杆、腕部收展关节、腕部连杆、腕部屈伸关节、手柄结构。腕部收展关节通过腕肘连杆与小臂回旋运动机构相连，腕部收展关节通过腕部连杆与腕部屈伸关节相连，手柄结构连接到腕部屈伸关节。人手可握住手柄。人体上肢腕关节可等效球关节。腕部收展关节、腕部屈伸关节的旋转轴线分别与等效的球关节的收展、屈伸旋转轴线重合，球心重合。

进一步的，肩部屈伸关节、肩部收展关节、大臂回旋关节、肘关节、小臂回旋关节、腕部收展关节、腕部屈伸关节均为模块化关节，均包括电机、减速器、抱闸、电源与驱动板、轴承、编码器、输出法兰以及前端盖，并在每个关节内集成匹配的力矩传感器。

进一步的，模块化关节具备一致的机械、电气接口形式，可根据人体上肢遥操作的力反馈力度需求，配置每个关节的输出力矩和功率。

进一步的，模块化七自由度上肢外骨骼机器人既可以穿戴于人体右侧上肢，也可以穿戴于人体左侧上肢。通过调整承载移动平台的位置和方位、肩部连接法兰安装于承载移动平台上内滑杆的初始角度、肩部角型连杆安装于肩部收展关节的初始角度以及腕肘连杆安装于腕部收展关节的初始角度，使得穿戴于人体左侧上肢形成的α、β、γ的数值与穿戴于人体右侧上肢时相等，同时腕部屈伸关节保持在人体后方安装，从而使模块化七自由度上肢外骨骼机器人适配人体右侧或者左侧上肢。

本发明一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人，其优点及功效在于：

1.采用七个自由度的外骨骼机器人，并在肩部、肘部和腕部相关位置分别设计三自由度、一自由度和三自由度的运动机构，与人体上肢肩关节到腕关节的自由度匹配，扩大遥操作时控制的工作空间，提高遥操作沉浸感。

2.肩部运动机构采用非正交的布局形式，通过肩部收展关节、肩部屈伸关节的旋转轴线偏置，使肩部收展关节、肩部屈伸关节在人体上肢外展、伸展运动时，可从人体头部后方绕过，避免外骨骼机器人与头部的碰撞，扩大了肩部运动的工作空间。

3.大臂回旋运动机构、小臂回旋运动机构中通过驱动关节的旋转带动同轴输出齿轮旋转，经啮合的中空齿轮带动人体上肢大臂、小臂回旋，提高了旋转轴线的重合度，减小偏置引起的力，提高人机相容性。

4.大臂伸缩机构、小臂伸缩机构通过滑杆在套筒内的移动与锁紧配合，可使外骨骼的大臂长度、小臂长度与人体上肢的大臂、小臂相匹配，提高人机耦合程度与穿戴舒适性。

5.模块化关节内部集成力矩传感器，具备机器人关节阻抗控制能力，实现人体上肢整臂的碰撞检测，提高柔顺程度以及力觉沉浸感。

6.模块化关节具备统一的连接方式，内部的电机、减速器、驱动器可根据需求提供、降低输出扭矩和功率，适配不同力反馈的力度需求，提高个性化程度。

7.分段的模块化设计，使得外骨骼机器人既可以穿戴于人体右侧上肢，也可以穿戴于人体左侧上肢，通用程度高。

附图说明

图1模块化七自由度上肢外骨骼机器人穿戴于人体右侧上肢时的结构示意图。

图2模块化七自由度上肢外骨骼机器人的结构示意图。

图3承载移动平台的结构示意图。

图4肩部运动机构的结构示意图。

图5a、b肩部运动机构中关节旋转轴线偏置的角度示意图。

图6a、b大臂伸缩机构的结构示意图。

图7a、b大臂回旋机构的结构示意图。

图8肘部运动机构的结构示意图。

图9a、b小臂伸缩机构的结构示意图。

图10a、b小臂回旋机构的结构示意图。

图11腕部运动机构的结构示意图。

图12模块化关节示意图。

图13a、b、c模块化七自由度上肢外骨骼机器人穿戴于人体左侧上肢时的结构示意图。

图中标号具体如下：

1、承载移动平台 11、内滑杆 12、外套筒 13、移动底盘

2、肩部运动机构 21、肩部连接法兰 22、肩部收展关节

221、电机 222、减速器 223、抱闸 224、电源与驱动板

225、轴承 226、编码器 227、力矩传感器 228、输出法兰

229、前端盖 23、肩部角型连杆 24、肩部屈伸关节

3、大臂伸缩机构 31、大臂伸缩滑杆 32、大臂伸缩滑块

33、大臂伸缩锁紧螺栓螺母 4、大臂回旋运动机构 41、大臂连杆

42、大臂回旋关节 43、大臂回旋关节输出齿轮

44、大臂中空齿轮 45、第一支撑结构 46、第一输出法兰

47、第一齿轮挡板 5、肘部运动机构 51、肘关节 52、肩肘连杆

6、小臂伸缩机构 61、小臂伸缩滑杆 62、小臂伸缩滑块

63、小臂伸缩锁紧螺栓螺母 7、小臂回旋运动机构

71、小臂连杆 72、小臂回旋关节 73、小臂回旋关节输出齿轮

74、小臂中空齿轮 75、第二支撑结构 76、第二输出法兰 77、第二齿轮挡板

8、腕部运动机构 81、腕肘连杆 82、腕部收展关节 83、腕部连杆

84、腕部屈伸关节 85、手柄结构

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

模块化七自由度机器人上肢外骨骼机器人可用于人体右侧或者左侧上肢。以穿戴于右侧上肢为例，如图1所示，人体上肢肩部运动、腕部可以分别等效于一个球关节，各自球心分别为点O₁、O₃；肘部旋转等效为纯旋转，旋转轴线为L₂；大臂、小臂回旋轴线分别为L₁、L₃，并相交于点O₂。模块化七自由度上肢外骨骼机器人如图2所示，依次包括承载移动平台1、肩部运动机构2、大臂伸缩机构3、大臂回旋运动机构4、肘部运动机构5、小臂伸缩机构6、小臂回旋运动机构7与腕部运动机构8。承载移动平台支撑其他所有组件，肩部运动机构2、大臂伸缩机构3、大臂回旋机构4、肘部运动机构5、小臂伸缩机构6、小臂回旋机构7、腕部运动机构8依次沿人体上肢的路线相连。

如图3所示，承载移动平台1有可推动和锁定的移动底盘13、外套筒12、内滑杆11组成。可推动和锁定的移动底盘13提供水平方向的前后左右以及旋转运动，由四个被动轮和摩擦刹车锁紧装置组成。内滑杆11为圆柱形。外套筒12为圆柱形，内中空。外套筒12和内滑杆11组成垂直伸缩的机构，在垂直方向相对运动，并可通过螺栓固定位置。使用时推动承载平台到合适位置和水平方位，移动内滑杆到合理高度。

承载移动平台1的工作范围可以使得肩部运动机构的旋转中心与人体肩关节的旋转中心重合O₁。

如图4所示，肩部运动机构2包括肩部连接法兰21、肩部收展关节22、肩部角型连杆23、肩部屈伸关节24组成。肩部运动机构2一端通过肩部连接法兰21固定在承载移动平台1的内滑杆11的顶部，另一端的肩部屈伸关节24的输出法兰与大臂伸缩机构3的滑杆31通过螺纹孔相连。肩部收展关节22的输出法兰与肩部角型连杆23的一端通过螺栓连接，肩部角型连杆23的另一端通过螺栓与肩部屈伸关节24的输出法兰相连。肩部屈伸关节的旋转轴线与肩部收展关节的旋转轴线相交于一点，为肩部运动机构的旋转中心O₁。

如图5a、b所示，肩部收展关节22旋转轴线与水平面平行，并且与人体的矢状面呈一定角度α，肩部屈伸关节24旋转轴线首先置于水平面，与人体的冠状面呈β角度，再与人体的水平面呈γ角度。由于α、β和γ角度的存在，在外骨骼和人体上肢伸展运动时，肩部运动机构可绕到人体头颈部的后方，从而避免碰撞干涉，增大外骨骼肩部运动范围。α、β和γ角度取典型值范围为0°～45°。肩部角型连杆23的尺寸保证β、γ角度。肩部连接法兰21为圆形法兰，通过设置初始安装角度保证α角度。

如图6a、b所示，大臂伸缩机构3由大臂伸缩滑杆31、大臂伸缩滑块32以及大臂伸缩锁紧螺栓螺母33组成。滑杆31为长条形，两侧具备凹槽作为导轨。大臂伸缩滑块32为凹形结构，可沿着大臂伸缩滑杆31的凹槽移动。锁紧螺栓从大臂伸缩滑杆一侧穿入，在大臂伸缩滑块另一侧用螺母锁紧。大臂伸缩滑块32下方的螺纹孔与大臂连杆41的螺纹孔相连，连接方向保证两者凹形结构对齐。大臂伸缩滑杆31和大臂伸缩滑块32可沿大臂轴向L₁相对移动。使用时根据人体上肢大臂的长度，通过调节大臂伸缩滑杆31和大臂伸缩滑块32的相对距离，使外骨骼大臂伸缩机构适配操作者的大臂，并利用大臂伸缩锁紧螺栓螺母33固定。

如图7a、b所示，大臂回旋运动机构4由大臂连杆41、大臂回旋关节42、大臂回旋关节输出齿轮43、大臂中空齿轮44、第一支撑结构45、第一输出法兰46以及第一齿轮挡板47组成。大臂连杆41通过螺纹孔与大臂回旋关节42前端盖相连，大臂回旋关节42的输出轴与第一输出法兰46通过螺栓相连，第一输出法兰46与大臂回旋关节输出齿轮43通过键槽和螺栓同轴相连，大臂回旋关节输出齿轮43与大臂中空齿轮44啮合传动。第一支撑结构45为环形结构，大臂中空齿轮44与固定的第一支撑结构45同轴相连，通过键进行固定，另一侧通过第一齿轮挡板47约束轴向移动。第一支撑结构45与第一齿轮挡板47组成一体，绕大臂连杆41的环形结构同轴转动。人体上肢大臂可穿过大臂中空齿轮44的内孔，内孔轴线与人体上肢大臂回旋轴线L₁重合。使用时，人体上肢大臂穿过大臂中空齿轮44的空心环，带动大臂回旋机构4旋转，同时回旋机构4作用给人体上肢大臂力矩。

如图8所示，肘部运动机构5包括肩肘连杆52、和肘关节51组成。肩肘连杆52一端螺纹孔(如图8所示)与大臂回旋运动机构4上第一支撑结构45的螺纹孔相连(如图7所示)，另一端与肘关节51的前端盖法兰连接。肘关节51的输出法兰与小臂伸缩滑杆61通过螺纹孔连接。肘关节的旋转轴线与人体上肢肘关节L₂重合。使用时，人体上肢肘关节带动肘部运动机构5旋转，同时，肘部运动机构5作用给人体肘部力矩。

如图9a、b所示，小臂伸缩机构6由小臂伸缩滑杆61、小臂伸缩滑块62以及小臂伸缩锁紧螺栓螺母63组成。小臂伸缩滑杆61为长条形，两侧具备凹槽作为导轨。小臂伸缩滑块62为凹形结构，可沿着小臂伸缩滑杆31的凹槽移动。小臂伸缩锁紧螺栓从小臂伸缩滑杆一侧穿入，在小臂伸缩滑块另一侧用螺母锁紧。小臂伸缩滑块62下方的螺纹孔与小臂连杆71的螺纹孔相连，连接方向保证两者凹形结构对齐。小臂伸缩滑杆61和小臂伸缩滑块62可沿大臂轴向L₁相对移动。使用时根据人体上肢小臂的长度，通过调节小臂伸缩滑杆61和小臂伸缩滑块62的相对距离，使外骨骼大臂伸缩机构适配操作者的小臂，并利用小臂伸缩锁紧螺栓螺母63固定。

如图10a、b所示，小臂回旋运动机构7由小臂连杆71、小臂回旋关节72、小臂回旋关节输出齿轮73、小臂中空齿轮74、第二支撑结构75、第二输出法兰76以及第二齿轮挡板77组成。小臂连杆71通过螺纹孔与小臂回旋关节72输出前端盖相连，小臂回旋关节72的输出轴与第二输出法兰76通过螺栓相连，第二输出法兰76与小臂回旋关节输出齿轮73通过键槽和螺栓同轴相连，小臂回旋关节输出齿轮73与小臂中空齿轮74啮合传动。第二支撑结构75为环形结构，小臂中空齿轮74与固定的第二支撑结构75同轴相连，通过键进行固定，另一侧通过第二齿轮挡板77约束轴向移动。第二支撑结构75与第二齿轮挡板77组成一体，绕小臂连杆71的环形结构同轴转动。人体上肢小臂可穿过小臂中空齿轮74的内孔，内孔轴线与人体上肢小臂回旋轴线L₁重合。使用时，人体上肢小臂穿过小臂中空齿轮44的空心环，带动小臂回旋机构4旋转，同时小臂回旋机构4作用给人体上肢小臂力矩。

如图11所示，腕部运动机构8由腕肘连杆81、腕部收展关节82、腕部连杆83、腕部屈伸关节84、手柄结构85组成。腕肘连杆81一端的半圆弧形连接板通过螺栓与小臂回旋运动机构7上第二支撑结构75的螺纹孔相连，另一端的方形连接板与腕部收展关节82的前端盖通过螺栓相连。腕部收展关节82的输出法兰与腕部连杆83的一端通过螺栓连接，腕部连杆83的另一端与腕部屈伸关节84的前端盖相连，手柄结构85连接到腕部屈伸关节84的输出法兰上。人体上肢腕关节可等效球关节，球心为O₃。腕部收展关节82、腕部屈伸关节84的旋转轴线分别与等效的球关节的收展、屈伸旋转轴线重合，收展、屈伸关节的旋转轴线相交于O₃。使用时，人手可握住手柄85。人体上肢腕部运动带动腕部收展关节82、腕部屈伸关节84的运动，同时，两个关节作用给人体上肢腕部力矩。

进一步的，肩部收展关节22、肩部屈伸关节24、大臂回旋关节42、肘关节51、小臂回旋关节72、腕部收展关节82、腕部屈伸关节84均为模块化关节，均包括电机、减速器、抱闸、电源与驱动板、轴承、编码器、输出法兰以及前端盖组成，并在每个关节内集成匹配的力矩传感器。典型地，七个关节的输出扭矩范围为3-60N·m，转速范围为10-60RPM。

以其中的肩部收展关节22为例，其具体包括：电机221、减速器222、抱闸223、电源与驱动板224、轴承225、编码器226、力矩传感器227、输出法兰228和229前端盖，如图12所示。

进一步的，上述模块化关节具备一致的机械、电气接口形式可根据人体上肢遥操作的力反馈力度需求，配置每个关节的输出力矩和功率。前端盖、输出法兰的机械接口为环形法兰，电气接口为2线电源，通讯接口为CAN、EtherCAT或者RS485。

在外骨骼穿戴过程中，人体上肢如图1所示，穿过肩部运动机构2、大臂伸缩机构3、大臂回旋机构4、肘部运动机构5、小臂伸缩机构6、小臂回旋机构7、腕部运动机构8。手握住腕部运动机构8的手柄。人体上肢大臂穿过大臂回旋机构4的大臂中空齿轮44，人体上肢小臂穿过小臂回旋机构7的小臂中空齿轮74。肩部运动机构2的旋转中心与人体上肢肩关节中心重合，调整大臂伸缩机构3的长度，使得肘部运动机构5的旋转轴线与人体上肢肘关节旋转轴线重合，调整小臂伸缩机构6的长度，使得腕部运动机构8的旋转中心与人体上肢腕关节旋转中心重合。在外骨骼遥操作过程中，人体上肢带动外骨骼运动，具体的包括人体上肢肩关节的三自由度运动可带动肩部运动机构2与大臂回旋机构4的运动，人体上肢肘关节的一自由度运动可带动肘部运动机构5的运动，人体上肢腕关节的三自由度运动可带动小臂回旋机构7、腕部运动机构8的运动。相应地，外骨骼实施测量人体上肢的运动参数，并根据从端反馈的参数，施加力到人体上肢上，实现基于力反馈的遥操作。

模块化七自由度上肢外骨骼机器人穿戴于人体左侧上肢时如图13c所示。通过调整承载移动平台1的位置和方位、肩部连接法兰21安装于承载移动平台1上内滑杆11的初始角度、肩部角型连杆23安装于肩部收展关节22的初始角度以及腕肘连杆83安装于腕部收展关节82的初始角度，使得穿戴于人体左侧上肢形成的α、β、γ的数值与穿戴于人体右侧上肢时相等(如图13a、b所示)，从而使模块化七自由度上肢外骨骼机器人适配人体左侧上肢。

Claims

1.一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：该机器人包括承载移动平台、肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋运动机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋运动机构与腕部运动机构；肩部运动机构一端固定在承载移动平台的顶部，另一端与大臂伸缩机构相连，然后肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋机构、腕部运动机构依次沿人体上肢的路线相连；

所述承载移动平台包括可推动和锁定的移动底盘和垂直伸缩的支撑杆；所述的可推动和锁定的移动底盘提供水平方向的前后左右以及旋转运动，由四个被动轮和摩擦刹车锁紧装置组成；所述的垂直伸缩的支撑杆由外套筒和内滑杆组成，内滑杆在垂直方向相对运动，并可通过螺栓固定位置；

所述的肩部运动机构包括肩部连接法兰、肩部收展关节、肩部角型连杆、肩部屈伸关节；所述肩部收展关节通过肩部连接法兰与承载移动平台的顶部相连；肩部收展关节通过肩部角型连杆与肩部屈伸关节相连；肩部屈伸关节的旋转轴线与肩部收展关节的旋转轴线相交于一点，为肩部运动机构的旋转中心；

所述的大臂伸缩机构包括大臂伸缩滑杆、大臂伸缩滑块以及大臂伸缩锁紧螺栓螺母；大臂伸缩滑杆和大臂伸缩滑块可沿大臂轴向相对移动；根据人体上肢大臂的长度，通过调节大臂伸缩滑杆、大臂伸缩滑块的相对距离，使外骨骼大臂伸缩机构适配操作者的大臂，并利用锁紧螺栓螺母固定；

所述的大臂回旋运动机构包括大臂连杆、大臂回旋关节、大臂回旋关节输出齿轮、大臂中空齿轮、第一输出法兰、固定的第一支撑结构以及第一齿轮挡板；大臂回旋关节的输出轴与大臂回旋关节输出齿轮通过第一输出法兰同轴连接，大臂回旋关节输出齿轮与大臂中空齿轮啮合传动；人体上肢大臂可穿过大臂中空齿轮的内孔，内孔轴线与人体上肢大臂回旋轴线重合；

所述的肘部运动机构包括肩肘连杆和肘关节；肩肘连杆一端与大臂回旋运动机构连接，另一端与肘关节的输入法兰连接；肘关节的输出法兰与小臂回旋运动机构连接；肘关节的旋转轴线与人体上肢肘关节的旋转轴线重合；

所述的小臂伸缩机构包括小臂伸缩滑杆、小臂伸缩滑块以及小臂伸缩锁紧螺栓螺母组成；小臂伸缩滑杆和小臂伸缩滑块可沿小臂轴向相对移动；根据人体上肢小臂的长度，通过调节小臂伸缩滑杆和小臂伸缩滑块的相对距离，使外骨骼小臂伸缩机构适配操作者的小臂，并利用小臂伸缩锁紧螺栓螺母固定；

所述的小臂回旋运动机构包括小臂连杆、小臂回旋关节、小臂回旋关节输出齿轮、小臂中空齿轮、第二输出法兰、固定的第二支撑结构以及第二齿轮挡板；小臂回旋关节的输出轴与关节输出齿轮通过第二输出法兰同轴连接，关节输出齿轮与小臂中空齿轮啮合传动；人体上肢小臂可穿过小臂中空齿轮的内孔，内孔轴线与人体上肢小臂回旋轴线重合；

腕部运动机构包括腕肘连杆、腕部收展关节、腕部连杆、腕部屈伸关节、手柄结构；腕部收展关节通过腕肘连杆与小臂回旋运动机构相连，腕部收展关节通过腕部连杆与腕部屈伸关节相连，手柄结构连接到腕部屈伸关节；人手可握住手柄；人体上肢腕关节可等效球关节；腕部收展关节、腕部屈伸关节的旋转轴线分别与等效的球关节的收展、屈伸旋转轴线重合，球心重合。

2.根据权利要求1所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述承载移动平台的工作范围可以使得肩部运动机构的旋转中心与人体肩关节的旋转中心重合。

3.根据权利要求1所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述肩部收展关节旋转轴线与水平面平行，并且与人体的矢状面呈一定角度α，肩部屈伸关节旋转轴线首先置于水平面，与人体的冠状面呈β角度，再与人体的水平面呈γ角度。

4.根据权利要求3所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的α、β和γ角度取值范围为0°～45°。

5.根据权利要求1所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的大臂伸缩滑杆为长条形，两侧具备凹槽作为导轨；大臂伸缩滑块为凹形结构，可沿着大臂伸缩滑杆的凹槽移动；锁紧螺栓从大臂伸缩滑杆一侧穿入，在大臂伸缩滑块另一侧用螺母锁紧。

6.根据权利要求1所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的小臂伸缩滑杆为长条形，两侧具备凹槽作为导轨；小臂伸缩滑块为凹形结构，可沿着小臂伸缩滑杆的凹槽移动；锁紧螺栓从小臂伸缩滑杆一侧穿入，在小臂伸缩滑块另一侧用螺母锁紧。

7.根据权利要求1所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述肩部屈伸关节、肩部收展关节、大臂回旋关节、肘关节、小臂回旋关节、腕部收展关节、腕部屈伸关节均为模块化关节，均包括电机、减速器、抱闸、电源与驱动板、轴承、编码器、输出法兰以及前端盖，并在每个关节内集成匹配的力矩传感器。

8.根据权利要求7所述的一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述模块化关节具备一致的机械、电气接口形式，根据人体上肢遥操作的力反馈力度需求，配置每个关节的输出力矩和功率。

9.根据权利要求1所述的一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的机器人既可以穿戴于人体右侧上肢，也可以穿戴于人体左侧上肢；通过调整承载移动平台的位置和方位、肩部连接法兰安装于承载移动平台上内滑杆的初始角度、肩部角型连杆安装于肩部收展关节的初始角度以及腕肘连杆安装于腕部收展关节的初始角度，使得穿戴于人体左侧上肢形成的α、β、γ的数值与穿戴于人体右侧上肢时相等，同时腕部屈伸关节保持在人体后方安装，从而使模块化七自由度上肢外骨骼机器人适配人体右侧或者左侧上肢。