CN110561403A - 可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂 - Google Patents

可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂 Download PDF

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Abstract

一种可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，包括：依次相连的背部穿戴结构、手臂结构和机械抓手结构，以及机械臂电路***，其中：机械臂电路***分别与背部穿戴结构、手臂结构和机械抓手结构相连，通过多种控制方式传递运动指令实现精准控制；手臂结构包括：上部支座和设置于其上的驱动机构、传动机构和大小臂机构；机械抓手结构包括：固定连轴座、活动连轴座、传动丝杆、手部连杆、取物手爪和开合驱动电机；背部穿戴结构包括：伸缩固定带、背部固定板、底部支座、转动云台座和保护盖；本发明通过肩部旋转自由度、俯仰自由度以及夹角自由度，用来实现手臂结构的移动和机械抓手结构的抓取，从而完成具体工作任务。

Description

可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂
技术领域
本发明涉及的是一种机械辅助领域的技术，具体是一种可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂。
背景技术
人们在进行一项任务时，通常会受到两只手臂的限制，人体辅助外机械臂是针对人体手臂的增量化设计，可通过外界操控的方式实现同一空间多组任务同时进行的效果，不足之处在于：1)装备本身成本过高；2)机械手臂灵活度不够，难以完成复杂的动作，效率过低；3)装备整体质量过大，穿戴者易产生不适感。
目前阶段存在的人体辅助外骨骼机器人主要工作形式为为人体运动提供协助，无法拓展人体有限的工作范围和工作方式，无法应用于身体存在残障肢体有缺失的人群。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，通过转动云台座与上部支座构成的肩部旋转自由度、上部支座和大臂结构梁的俯仰自由度以及大臂结构梁和小臂结构梁的夹角自由度，用来实现手臂结构的移动和机械抓手结构的抓取，从而完成具体工作任务。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：依次相连的背部穿戴结构、手臂结构和机械抓手结构以及机械臂电路***，其中：机械臂电路***分别与背部穿戴结构、手臂结构和机械抓手结构相连，通过多种控制方式传递运动指令实现精准控制。
所述的机械臂电路***包括：控制中心模块、执行模块和遥控模块，其中：遥控模块实现操作者与机械臂的交互，并传输控制指令至控制中心模块，执行模块与机械臂机械结构连接，完成控制中心模块指定的任务。
所述的背部穿戴结构包括：伸缩固定带、背部固定板、底部支座、转动云台座和保护盖，其中：伸缩固定带设置于背部固定板侧面，底部支座设置于背部固定板上端，转动云台座设置于底部支座上并与手臂结构相连，保护盖设置于背部固定板与伸缩固定带相对的侧面并设置于底部支座下。
所述的转动云台座中心设有用于转动的驱动舵机。
所述的手臂结构包括：上部支座和设置于其上的驱动机构、传动机构和大小臂机构，其中：上部支座与背部穿戴结构相连，驱动机构与传动机构和大小臂机构相连，传动机构与大小臂机构相连，大小臂机构与机械抓手结构相连。
所述的驱动机构包括：肩部驱动电机、输入齿轮和输出齿轮，其中：肩部驱动电机设置于上部支座上，输入齿轮设置于上部支座内并与肩部驱动电机相连，输出齿轮与输入齿轮啮合并与传动机构相连。
所述的传动机构包括：肩部同步带轮、传动同步带和肘部同步带轮，其中：肩部同步带轮设置于上部支座上并与驱动机构和大小臂机构相连，肘部同步带轮设置于大小臂机构另一端，同步传送带设置于肩部同步带轮和肘部同步带轮上。
所述的大小臂机构包括：大臂结构梁、大臂推杆、肘部短梁和小臂结构梁，其中：大臂结构梁一端设置于上部支座上并与传动机构相连，另一端与小臂结构梁相连构成平行四边形结构，小臂结构梁另一端与机械抓手结构相连，肘部短梁设置于大臂结构梁和小臂结构梁连接处，大臂推杆一端与大臂结构梁同轴设置于上部支座上，另一端设置于大臂结构梁上。
所述的机械抓手结构包括：固定连轴座、活动连轴座、传动丝杆、手部连杆、取物手爪和开合驱动电机，其中：固定连轴座与手臂结构相连，活动连轴座通过传动丝杆与固定连轴座共轴连接，手部连杆一端对称设置于固定连轴座上，另一端与取物手爪相连，取物手爪与活动连轴座相连，开合驱动电机设置于固定连轴座内并与传动丝杆相连。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过大小臂机构形成的平行四边形结构，在保证整体刚度，增加机械臂***的负载能力和安全性的同时，确保机械爪手结构的位置固定，使其抓取平稳可完成独立的抓取功能，工作空间可达人体本身无法到达的位置，可扩展使用者的工作范围，可有效协助肢体残障人士完成工作；本发明控制方式简单可由使用者进行声控遥控或由他人进行遥控，适用于在狭小空间工作的工人，具有运动能力障碍的人群等多种群体。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明后视图；
图3为本发明背部穿戴结构示意图；
图4为本发明手臂结构示意图；
图5为本发明机械抓手结构示意图；
图6为本发明机械抓手后视图；
图中：伸缩固定带1、背部固定板2、底部支座3、转动云台座4、保护盖5、上部支座6、大臂结构梁7、大臂推杆8、肩部驱动电机9、输入齿轮10、.输出齿轮11、肩部同步带轮12、肘部同步带轮13、传动同步带14、肘部短梁15、小臂结构梁16、固定连轴座17、活动连轴座18、传动丝杆19、手部连杆20、取物手爪21、开合驱动电机22、背部穿戴结构23、手臂结构24、机械抓手结构25、大小臂机构26、驱动机构27、传动机构28。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其中包含：依次相连的背部穿戴结构23、手臂结构24和机械抓手结构25，以及机械臂电路***，其中：机械臂电路***中的执行模块与背部穿戴结构23、手臂结构24和机械抓手结构25相连，遥控模块传递运动指令实现精准控制。
所述的背部穿戴结构23包括：伸缩固定带1、背部固定板2、底部支座3、转动云台座4和保护盖5，其中：伸缩固定带1通过螺栓水平和垂直方向固定设置于背部固定板2侧面，用于本装置与使用者腰部和背部连接固定，底部支座3设置于背部固定板2上端，用于提供支撑平台，转动云台座4设置于底部支座3上并与上部支座6相连，用于驱动机械臂肩部旋转，保护盖5设置于背部固定板2与伸缩固定带1相对的侧面并设置于底部支座3下，用于保护内置的电池和控制电路。
所述的伸缩固定带1优选为尼龙材质制成。
所述的转动云台座4中心优选设有用于转动的驱动舵机。
所述的手臂结构24包括：上部支座6和设置于其上的驱动机构27、传动机构28和大小臂机构26，其中：上部支座6与转动云台座4的转动圆盘相连，驱动机构27与传动机构28和大小臂机构26相连，传动机构28与大小臂机构26相连，大小臂机构26与机械抓手结构 25相连，驱动机构通过传动机构带动大小臂机构进行运动，通过机械臂电路***进行运动指令传递控制。
所述的驱动机构27包括：肩部驱动电机9、输入齿轮10和输出齿轮11，其中：肩部驱动电机9设置于上部支座6上，输入齿轮10设置于上部支座6内并与肩部驱动电机9相连，输出齿轮11与输入齿轮10啮合并与肩部同步带轮12相连。
所述的传动机构28包括：肩部同步带轮12、传动同步带14和肘部同步带轮13，其中：肩部同步带轮12设置于上部支座6上并与输出齿轮11和大臂结构梁7相连，肘部同步带轮 13设置于大臂结构梁7的另一端，同步传送带14设置于肩部同步带轮12和肘部同步带轮13 上。
所述的大小臂机构26包括：大臂结构梁7、大臂推杆8、肘部短梁15和小臂结构梁16，其中：大臂结构梁7一端通过轴与卡簧设置于上部支座6上并与肩部同步带轮12相连，另一端与小臂结构梁16铰接构成平行四边形结构，小臂结构梁16另一端与固定连轴座17相连，肘部短梁15设置于大臂结构梁7和小臂结构梁16连接处，大臂推杆8一端与大臂结构梁7同轴设置于上部支座6上，另一端通过轴设置于大臂结构梁7上，大臂推杆8通过长度改变实现手臂结构24的转动和角度控制。
所述的机械抓手结构25包括：固定连轴座17、活动连轴座18、传动丝杆19、手部连杆20、取物手爪21和开合驱动电机22，其中：固定连轴座17通过轴与卡簧与小臂结构梁16铰接，活动连轴座18通过传动丝杆19与固定连轴座17共轴连接，手部连杆20一端对称设置于固定连轴座17上，另一端与取物手爪21相连，取物手爪底部21与活动连轴座18相连，中部通过螺栓与传动丝杆19相连，开合驱动电机22设置于固定连轴座17内并与传动丝杆19 相连。
所述的机械臂电路******包括：遥控模块、控制中心模块和执行模块，其中：遥控模块，包括能够实现多种交互控制方式的机构，在任何一种控制方式中，遥控模块实时发送控制指令至控制中心模块，并通过执行模块实现指令；执行模块包括但不限于驱动减速直流电机的电机驱动器、驱动舵机的舵机控制板以及直流电机和舵机。
所述的遥控模块包括：姿态控制单元、按键控制单元和语音控制单元，其中：姿态控制单元与控制中心模块相连并传输传感器姿态信息，按键控制单元与控制中心模块相连并传输相应机械臂关节位置信息，语音控制单元与控制中心模块相连并传输语音信息。
所述的姿态控制单元通过内置陀螺仪传感器获得姿态角度信号，依据角度的变化量与机械臂肩部和肘部旋转角度形成对应关系，当姿态控制模式下的遥控器姿态发生变化时，遥控模块传输姿态信息给控制中心，经过处理后控制机械臂姿态发生相应变化，适用于多种复杂环境。
所述的按键控制单元通过蓝牙信号或2.4GHz信号传输方式，将按键形式的指令传输给控制中心模块，对机械臂的各个关节位置进行控制和/或根据模块化指令完成模块化动作组合。
所述的按键是指：单次触碰按一定量运动、按压连续运动和松开按压停止运动，控制机械臂的俯仰自由度，以及转动云台座顶部转动，即旋转自由度。
所述的语音控制单元通过解析收到的语音信号并产生对应的运动指令传输给控制中心模块，实施相对应运动控制，适用于操控者双手不便操作的情况。例如，当使用者说出“左臂向前”的指令时，左臂机械臂大臂推杆伸长，大臂角度增大，肩部驱动电机驱动小臂转动，整体使得端部机械抓手位置前移，从而实现控制指令。
本装置在使用时能够实现三个自由度，分别为：转动云台座与上部支座构成的肩部旋转自由度、上部支座和大臂结构梁的俯仰自由度以及大臂结构梁和小臂结构梁的夹角自由度。通过这三个关节的三个自由度，用来实现手臂结构的转动，俯仰和小臂结构的俯仰，从而控制小臂末端准确到达一定范围空间中任何一点，再利用小臂末端的机械抓手完成具体工作任务。
经实际实验，在一个健康身高1.75m的成年人背负，室内环境使用的情况下，以24V直流电源作为驱动时运行上述方法，能够得到的实验数据是：人体感受负载为0.5kg，该机械臂所能达到的最高抓取高度为2.8米，最大伸展半径为1.6米。其中大臂结构梁每支的肩部的旋转范围为150°，肩部俯仰角度范围为90°，肘部与小臂结构梁连接部分旋转范围为100°，机械抓手长度0.1m，构成了整个机械臂的工作空间。而大臂肩部的旋转速度为2rad/s，肩部俯仰角速度为1rad/s，肘部旋转角速度为1.5rad/s，机械抓手的开合速度(用螺纹丝杆的移动衡量)为0.1m/s。
与现有技术相比，本方法拓展人体双臂工作范围的40％，本身质量较轻可轻易背负，机械手臂响应速度比现有技术提升20％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征在于，包括：依次相连的背部穿戴结构、手臂结构和机械抓手结构，以及机械臂电路***，其中：机械臂电路***分别与背部穿戴结构、手臂结构和机械抓手结构相连，通过多种控制方式传递运动指令实现精准控制；
所述的手臂结构包括：上部支座和设置于其上的驱动机构、传动机构和大小臂机构，其中：上部支座与背部穿戴结构相连，驱动机构与传动机构和大小臂机构相连，传动机构与大小臂机构相连，大小臂机构与机械抓手结构相连；
所述的机械抓手结构包括：固定连轴座、活动连轴座、传动丝杆、手部连杆、取物手爪和开合驱动电机，其中：固定连轴座与手臂结构相连，活动连轴座通过传动丝杆与固定连轴座共轴连接，手部连杆一端对称设置于固定连轴座上，另一端与取物手爪相连，取物手爪与活动连轴座相连，开合驱动电机设置于固定连轴座内并与传动丝杆相连；
所述的机械臂电路***包括：控制中心模块、驱动模块、执行模块和遥控模块，其中：控制中心模块与遥控模块实时通信，通过遥控模块传输控制指令至驱动模块，驱动模块接收控制中心指令并与执行模块连接以传输控制指令，控制执行模块完成相应动作；
所述的遥控模块包括：姿态控制单元、按键控制单元和语音控制单元，其中：姿态控制单元与控制中心模块相连并传输传感器姿态信息，按键控制单元与控制中心模块相连并传输相应机械臂关节位置信息，语音控制单元与控制中心模块相连并传输语音信息。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的背部穿戴结构包括：伸缩固定带、背部固定板、底部支座、转动云台座和保护盖，其中：伸缩固定带设置于背部固定板侧面，底部支座设置于背部固定板上端，转动云台座设置于底部支座上并与手臂结构相连，保护盖设置于背部固定板与伸缩固定带相对的侧面并设置于底部支座下。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的转动云台座上设有用于转动的驱动舵机。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的驱动机构包括：肩部驱动电机、输入齿轮和输出齿轮，其中：肩部驱动电机设置于上部支座上，输入齿轮设置于上部支座内并与肩部驱动电机相连，输出齿轮与输入齿轮啮合并与传动机构相连。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的传动机构包括：肩部同步带轮、传动同步带和肘部同步带轮，其中：肩部同步带轮设置于上部支座上并与驱动机构和大小臂机构相连，肘部同步带轮设置于大小臂机构另一端，同步传送带设置于肩部同步带轮和肘部同步带轮上。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的大小臂机构包括：大臂结构梁、大臂推杆、肘部短梁和小臂结构梁，其中：大臂结构梁一端设置于上部支座上并与传动机构相连，另一端与小臂结构梁相连构成平行四边形结构，小臂结构梁另一端与机械抓手结构相连，肘部短梁设置于大臂结构梁和小臂结构梁连接处，大臂推杆一端与大臂结构梁同轴设置于上部支座上，另一端设置于大臂结构梁上。
7.根据权利要求1所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的姿态控制单元通过内置陀螺仪传感器获得姿态角度信号，依据角度的变化量与机械臂肩部和肘部旋转角度形成对应关系，当姿态控制模式下的遥控器姿态发生变化时，遥控器传输姿态信息给控制中心，经过处理后控制机械臂姿态发生相应变化；
所述的按键控制单元通过无线传输方式将按键形式的指令传输给控制中心模块，对机械臂的各个关节位置进行控制和/或根据模块化指令完成模块化动作组合；
所述的语音控制单元通过解析收到的语音信号并产生对应的运动指令传输给控制中心模块，实施相对应运动控制。
8.根据权利要求7所述的可穿戴式三自由度人体辅助外机械臂，其特征是，所述的按键是指：单次触碰按一定量运动、按压连续运动和松开按压停止运动，控制机械臂的俯仰自由度，以及转动云台座顶部转动，即旋转自由度。
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