RU2717046C1 - Exoskeleton glove with linear actuators - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention refers to machine building, particularly to extremity actuators, and can be used in medicine, cosmonautics, construction, industrial enterprises. Glove-exoskeleton comprises linear actuators by number of fingers on hand, control module, which is a source of power motors and control direction of their rotation, belts, rings and fingertips for fastening the gloves on extremities and connecting elements for mechanical connection of motors with rings and fingertips. Connecting elements are flexible rods, made in the form of twisted threads, which with one ends are fixed on motor shafts arranged on a large bracelet, are passed through holes in a small bracelet and through eyelets of rings, ensuring longitudinal arrangement of threads along forearm and rigid attachment of their other ends to fingertips. Large and small bracelets are made with the possibility of their attachment to the forearm by means of belts and are connected by a rigid coupler, the length of which corresponds to the individual size of the forearm.

EFFECT: result is an ergonomic, simple and safe design when used.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к актуаторам конечностей и может быть использовано в медицине, космонавтике, строительстве, на промышленных предприятиях.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular, to limb actuators and can be used in medicine, astronautics, construction, industrial enterprises.

Известен линейный актуатор, содержащий жесткий шпиндель с резьбой с мотором, вращение которого приводит шпиндель в движение (заявка US №20120222510, MПК F16H 19/02, публ. 2012).A known linear actuator containing a rigid spindle with a thread with a motor, the rotation of which drives the spindle (application US No. 20120222510, IPC F16H 19/02, publ. 2012).

Недостатками такой конструкции являются жесткость конструкции, позволяющая придавать шпинделю только прямолинейное движение, относительно большой размер и ограничение резьбой длины, на которую может выдвигаться шпиндель.The disadvantages of this design are the rigidity of the structure, which allows the spindle to give only rectilinear movement, a relatively large size and limiting the length of the thread, which can extend the spindle.

Известен линейный актуатор, содержащий цепь, зажатую между двух шестеренок, двигающих ее при вращении (патент US №7905156, МПК В66С 23/00, публ. 2008).A known linear actuator containing a chain sandwiched between two gears moving it during rotation (US patent No. 7905156, IPC B66C 23/00, publ. 2008).

Недостатками такого решения являются отсутствие возможности быстрого изменения направление движения цепи по вертикальной оси, а также то, что размер звеньев цепи обязан быть сопоставимым с размером шестерней.The disadvantages of this solution are the inability to quickly change the direction of movement of the chain along the vertical axis, as well as the fact that the size of the chain links must be comparable with the size of the gear.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является экзоскелет кисти руки человека, содержащий жесткие линейные актуаторы, приводом для которых является блок моторов, установленный на каркасе устройства, располагающегося на тыльной стороне ладони, причем в качестве датчика движения конечностей используют потенциометры, которые регистрируют изменения в положении пальцев. Каждый палец по отдельности соединен посредством актуатора с мотором, установленным на основании, которое представляет собой корпус микроконтроллера, управляющего работой моторов. Само основание может крепиться на ладони с помощью нейлоновых ремней, металлических или пластиковых колец и т.д. В некоторых вариантах осуществления управления может использоваться как пять отдельных модулей обратной связи по силе для каждого пальца, так и один общий модуль, чтобы соответствовать всем пяти пальцам руки. Для каждого из пальцев в качестве датчика может использоваться пара перпендикулярно расположенных потенциометров. В роли потенциометров могут выступать потенциометры вращения или оптические датчики, магнитные датчики и т.п.Данные с потенциометров поступают в микроконтроллер, который, анализируя их, приводит в действие нужные моторы, передающие крутящий момент на линейный привод, вследствие чего происходит сгибание пальцев руки(заявка US №20160259417, MПК G06F 3/014, G06F 3/016, G06F 3/017, G06T 19/006, G08B 6/00, публ. 2016).Closest to the proposed device is an exoskeleton of the human hand containing rigid linear actuators, the drive for which is a motor block mounted on the frame of the device located on the back of the palm, and potentiometers that record changes in the position of the fingers are used as a motion sensor for the limbs. Each finger is individually connected via an actuator to a motor mounted on a base, which is a microcontroller body that controls the operation of the motors. The base itself can be mounted on the palm of your hand with nylon straps, metal or plastic rings, etc. In some control embodiments, both five separate force feedback modules for each finger and one common module can be used to fit all five fingers of the hand. For each of the fingers, a pair of perpendicularly spaced potentiometers can be used as a sensor. Potentiometers can be rotational potentiometers or optical sensors, magnetic sensors, etc. Data from the potentiometers enter the microcontroller, which, analyzing them, drives the necessary motors that transmit torque to the linear drive, resulting in bending of the fingers ( US application No. 20160259417, IPC G06F 3/014, G06F 3/016, G06F 3/017, G06T 19/006, G08B 6/00, publ. 2016).

Недостатками известного решения являются расположение корпуса устройства непосредственно на самой кисти, что увеличивает нагрузку на ладонь, расположение моторного привода непосредственно на самой кисти, что уменьшает возможную площадь соприкосновения каркаса с кожей, которая нужна для ликвидации нагрузки моторов, использование ненадежных потенциометров в качестве датчиков движения пальцев, которые не могут регистрировать изменения в положении пальцев, если последние выйдут за пределы границ действия потенциометра, и не имеют прямого контакта с кожей, а также жесткость линейного привода.The disadvantages of the known solution are the location of the device’s body directly on the brush itself, which increases the load on the palm, the location of the motor drive directly on the brush itself, which reduces the possible contact area of the frame with the skin, which is needed to eliminate the load of the motors, the use of unreliable potentiometers as finger motion sensors , which cannot register changes in the position of the fingers if the latter go beyond the boundaries of the potentiometer, and do not have direct contact with the skin as well as the rigidity of the linear drive.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание эргономичного, легкого и подвижного привода для экзоскелета, имеющего упрощенную систему передачи силы.The technical task of the invention is the creation of an ergonomic, lightweight and movable drive for an exoskeleton having a simplified power transmission system.

Техническая задача достигается тем, что в перчатке-экзоскелете с линейными актуаторами, содержащей линейные актуаторы по количеству пальцев на руке, модуль управления, который является источником питания моторов и управляет направлением вращения моторов, ремни, кольца и напальчники для крепления перчатки на конечности, а также соединительные элементы для механической связи моторов с кольцами и напальчниками, соединительными элементами являются гибкие штоки, представляющие собой скрученные нити, которые одним концом закреплены на валах моторов, размещенных на большом браслете, пропущены через сквозные отверстия, выполненные в малом браслете и через проушины, выполненные в нижней части колец для продольного расположения нитей вдоль предплечья, и жестко прикреплены другим концом к напальчникам, причем большой и малый браслеты, являющиеся элементами крепления на предплечье, оснащены ремнями и соединены жесткой сцепкой, длина которой соответствует индивидуальному размеру предплечья. Внутри каждого напальчника имеются электрические кнопки для управления направлением вращения вала мотора.The technical problem is achieved by the fact that in an exoskeleton glove with linear actuators containing linear actuators by the number of fingers on the hand, a control module that is a power source for motors and controls the direction of rotation of motors, belts, rings and fingertips for attaching gloves to limbs, as well connecting elements for mechanical connection of motors with rings and fingertips, connecting elements are flexible rods, which are twisted threads, which are attached to the shaft at one end axes of motors placed on a large bracelet are passed through through holes made in a small bracelet and through eyes made in the lower part of the rings for longitudinal arrangement of threads along the forearm, and are rigidly attached at the other end to the fingertips, the big and small bracelets being fastening elements on the forearm, equipped with straps and connected by a rigid hitch, the length of which corresponds to the individual size of the forearm. Inside each fingertip there are electric buttons to control the direction of rotation of the motor shaft.

Линейный актуатор содержит мотор, жестко закрепленный к станине и подключенный к модулю управления, и гибкий шток, одним концом соединенный с валом мотора, а другим - с кубом, имеющим возможность перемещения по направляющей, выполненной в станине.The linear actuator contains a motor rigidly fixed to the bed and connected to the control module, and a flexible rod, one end connected to the motor shaft, and the other with a cube that can be moved along the guide made in the bed.

Технический результат заключается в эргономичности, простоте и безопасности в использовании за счет возможности соединения движимой части и привода на технически сложной поверхности благодаря гибкости актуатора, которая позволяет изгибать его вдоль поверхности, полезной длины хода штока, которой является почти вся длина нити, малый размер актуатора и возможность регулировки его длины, возможность использования в качестве натяжителя любой вид прутковых изделий (например, кевларовые нити), что во много раз повышает предельную мощность актуатора.The technical result consists in ergonomics, simplicity and safety in use due to the possibility of connecting the movable part and the drive on a technically complex surface due to the flexibility of the actuator, which allows it to bend along the surface, the useful stroke length of the rod, which is almost the entire length of the thread, the small size of the actuator and the possibility of adjusting its length, the possibility of using any type of bar products (for example, Kevlar threads) as a tensioner, which many times increases the ultimate power actuator.

Сущность поясняется следующими чертежами.The essence is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлена схема линейного актуатора с гибким штоком; на фиг. 2 - схема перчатки-экзоскелета с линейными актуаторами в сборе.In FIG. 1 shows a diagram of a linear actuator with a flexible stem; in FIG. 2 is a diagram of an exoskeleton glove with linear actuators assembly.

Линейный актуатор (фиг. 1а, б) содержит мотор 1, жестко закрепленный на станине 2, изготовленной, например, из пластика. К контактам мотора 1 присоединены провода 3, подключенные к модулю 4, являющемуся источником питания мотора 1, который управляет направлением вращения мотора 1. На валу 5 мотора 1 закреплена скрученная, например, нейлоновая, кевларовая или из другого упругого материала нить 6, являющаяся гибким штоком, одним концом закрепленная на валу 5 мотора 1, а другим - например, на кубе 7, изготовленном, например, из пластика. Куб 7 закреплен на станине 2. В станине 2 выполнена направляющая 8 для возможности перемещения куба 7.The linear actuator (Fig. 1a, b) contains a motor 1, rigidly mounted on a frame 2, made, for example, of plastic. To the contacts of motor 1 are connected wires 3 connected to module 4, which is the power source of motor 1, which controls the direction of rotation of motor 1. On the shaft 5 of motor 1 is fixed a twisted, for example, nylon, Kevlar or other elastic material, thread 6, which is a flexible rod , one end mounted on the shaft 5 of the motor 1, and the other - for example, on the cube 7, made, for example, of plastic. The cube 7 is fixed on the frame 2. In the frame 2, a guide 8 is made for the possibility of moving the cube 7.

Перчатка-экзоскелет с линейными актуаторами (фиг. 2а) содержит пять актуаторов (по количеству пальцев на руке), каждый из которых подключен к соответствующему мотору 1, закрепленному в соответствующем посадочном месте 9 в большом браслете 10, изготовленном, например, из пластика, по индивидуальным размерам предплечья. Нити 6 (фиг. 2б) пропущены через сквозные отверстия, выполненные в малом браслете 11 для продольного расположения нитей 6 вдоль предплечья, и через проушины 12, выполненные в нижней части колец 13. Одними концами нити 6 закреплены на валах 5 моторов 1, а другими жестко прикреплены к напальчникам 14, выполняющим функцию куба 7, тем самым осуществляя механическую связь между моторами 1 и напальчниками 14. Малый браслет 11 изготовлен, например, из пластика по индивидуальным размерам предплечья. Жесткая сцепка 15, соединяющая большой браслет 10 с малым браслетом 11, изготовлена например, из пластика. Одними концами жесткая сцепка 15 зафиксирована на боковых стенках большого браслета 10, а другими концами - на боковых стенках малого браслета 11. Длина жесткой сцепки 15 выбрана, исходя из индивидуальных размеров предплечья. Высота расположения жесткой сцепки 15 на боковых стенках большого браслета 10 и малого браслета 11 выбрана, исходя из индивидуальных размеров предплечья. Кольца 13 в количестве девяти элементов изготовлены, например, из пластика, по индивидуальным размерам пальцев. Напальчники 14 в количестве пяти элементов, изготовлены, например, из пластика по индивидуальным размерам пальцев. К напальчникам 14 жестко закреплены нити 6. Напальчники 14 надеваются на верхние фаланги пальцев. Напальчники 14 на верхних фалангах пальцев размещены так, чтобы нити 6 проходили по внутренней стороне ладони. Внутри каждого из напальчников 14 имеются две электрические кнопки (на рисунке не показаны), расположенные под подушечкой пальца и над ногтем. В нижней части большого браслета 10 (фиг. 2в) протянут ремень 16 для закрепления большого браслета 10 на предплечье. Большой браслет 10 закреплен на внутренней стороне предплечья с помощью ремня 16. В нижней части малого браслета 11 протянут ремень 17 для закрепления малого браслета 11 на предплечье. Малый браслет 11 закреплен на внутренней стороне предплечья с помощью ремня 17.Перчатка-экзоскелет, надетая на руку, повернутую внутренней стороной ладони кверху, представлена на фиг. 2г. В нижней части колец 13 имеются проушины 12, через которые пропущены нити 6, которые далее пропущены через сквозные отверстия 18 в малом браслете 11. Кольца 13 надевают на основные и средние фаланги пальцев. Кольца 13 на фалангах размещают так, чтобы проушины 12 размещались на внутренней стороне ладони.The exoskeleton glove with linear actuators (Fig. 2a) contains five actuators (by the number of fingers on the hand), each of which is connected to the corresponding motor 1, mounted in the corresponding seat 9 in a large bracelet 10 made, for example, of plastic, individual forearm sizes. The threads 6 (Fig. 2b) are passed through the through holes made in the small bracelet 11 for the longitudinal arrangement of the threads 6 along the forearm, and through the eyes 12, made in the lower part of the rings 13. At one end, the threads 6 are fixed on the shafts 5 of the motors 1, and others rigidly attached to the fingertips 14, performing the function of a cube 7, thereby realizing a mechanical connection between the motors 1 and the fingertips 14. The small bracelet 11 is made, for example, of plastic according to the individual dimensions of the forearm. The rigid hitch 15 connecting the large bracelet 10 to the small bracelet 11 is made, for example, of plastic. At some ends, a rigid hitch 15 is fixed on the side walls of a large bracelet 10, and at the other ends, on a side wall of a small bracelet 11. The length of the rigid hitch 15 is selected based on the individual dimensions of the forearm. The height of the rigid coupling 15 on the side walls of the large bracelet 10 and the small bracelet 11 is selected based on the individual dimensions of the forearm. Rings 13 in the amount of nine elements are made, for example, of plastic, according to individual finger sizes. Fingers 14 in the amount of five elements are made, for example, of plastic according to individual finger sizes. To the fingertips 14, the threads 6 are rigidly fixed. The fingertips 14 are put on the upper phalanges of the fingers. Fingers 14 on the upper phalanges of the fingers are placed so that the threads 6 pass along the inner side of the palm. Inside each of the fingertips 14 there are two electric buttons (not shown in the figure) located under the fingertip and above the nail. At the bottom of the large bracelet 10 (FIG. 2B), a belt 16 is extended to secure the large bracelet 10 to the forearm. A large bracelet 10 is fixed to the inside of the forearm with a belt 16. In the lower part of the small bracelet 11, a belt 17 is extended to secure the small bracelet 11 on the forearm. A small bracelet 11 is mounted on the inside of the forearm with a belt 17. An exoskeleton glove worn on a hand turned upside down is shown in FIG. 2g In the lower part of the rings 13 there are eyes 12 through which the threads 6 are passed, which are then passed through the through holes 18 in the small bracelet 11. The rings 13 are put on the main and middle phalanges of the fingers. The rings 13 on the phalanges are placed so that the eyes 12 are placed on the inner side of the palm.

Работа линейного актуатора с гибким штоком заключается в следующем.The operation of a linear actuator with a flexible stem is as follows.

Модуль 4 включает мотор 1. Вследствие вращения вала 5 мотора 1, нить 6 скручивается и натягивается, из-за чего уменьшается ее длина и совершается полезная работа, куб 7 движется в сторону мотора 1. При изменении направления вращения мотора 1, посредством команды с модуля 4, нить 6 раскручивается.Module 4 turns on motor 1. Due to the rotation of the shaft 5 of motor 1, the thread 6 twists and stretches, due to which its length decreases and useful work is performed, cube 7 moves towards motor 1. When changing the direction of rotation of motor 1, by means of a command from the module 4, thread 6 is untwisted.

Работа перчатки-экзоскелета с линейными актуаторами заключается в следующем.The work of an exoskeleton glove with linear actuators is as follows.

При нажатии электрической кнопки, находящейся под подушечкой пальца в напальчнике 14 мотор 1, отвечающий за нажатую электрическую кнопку, начинает вращаться. Вследствие вращения вала 5 мотора 1, нить 6 начинает скручиваться и натягиваться, из-за чего уменьшается ее длина, совершается полезная работа и палец сжимается. При нажатии кнопки, находящейся над ногтем, мотор 1 начинает вращаться в противоположную сторону относительно предыдущего варианта. Вследствие вращения вала 5 мотора 1 в обратную сторону, нить 6 начинает раскручиваться, из-за чего ее натяжение слабеет и палец разжимается. В случае неисправности мотора 1 и его неуправляемого вращения необходимо нажать электрическую кнопку, отвечающую за противоположное вращение мотора 1, что приведет к остановке мотора 1, пока нажата электрическая кнопка.When you press the electric button, located under the fingertip in the fingertip 14, the motor 1, responsible for the pressed electric button, starts to rotate. Due to the rotation of the shaft 5 of the motor 1, the thread 6 begins to twist and stretch, due to which its length is reduced, useful work is done and the finger is compressed. When you press the button located above the nail, motor 1 starts to rotate in the opposite direction relative to the previous version. Due to the rotation of the shaft 5 of the motor 1 in the opposite direction, the thread 6 begins to unwind, due to which its tension is weakened and the finger is unclenched. In the event of a malfunction of motor 1 and its uncontrolled rotation, it is necessary to press the electric button responsible for the opposite rotation of motor 1, which will stop motor 1 while the electric button is pressed.

Claims (3)

1. Перчатка-экзоскелет с линейными актуаторами, содержащая линейные актуаторы по количеству пальцев на руке, модуль управления, который является источником питания моторов и управления направлением их вращения, ремни, кольца и напальчники для крепления перчатки на конечности и соединительные элементы для механической связи моторов с кольцами и напальчниками, отличающаяся тем, что упомянутые соединительные элементы являются гибкими штоками, выполненными в виде скрученных нитей, которые одними концами закреплены на валах моторов, размещенных на большом браслете, пропущены через сквозные отверстия, выполненные в малом браслете, и через проушины, выполненные в нижней части колец, с обеспечением продольного расположения нитей вдоль предплечья и жесткого прикрепления их другими концами к напальчникам, при этом большой и малый браслеты выполнены с возможностью их крепления на предплечье с помощью ремней и соединены жесткой сцепкой, длина которой соответствует индивидуальному размеру предплечья.1. An exoskeleton glove with linear actuators, containing linear actuators by the number of fingers on the hand, a control module that is a power source for motors and control the direction of their rotation, belts, rings and fingertips for attaching gloves to limbs and connecting elements for mechanical connection of motors with rings and fingertips, characterized in that the said connecting elements are flexible rods made in the form of twisted threads, which are fixed at one end on the shafts of motors those who were wearing a large bracelet, passed through the through holes made in the small bracelet, and through the eyes made in the lower part of the rings, with the longitudinal arrangement of threads along the forearm and rigid attachment of their other ends to the fingertips, while the large and small bracelets are made with the possibility their fastenings on the forearm with straps and connected by a rigid coupling, the length of which corresponds to the individual size of the forearm. 2. Перчатка-экзоскелет по п. 1, отличающаяся тем, что моторы линейных актуаторов жестко закреплены в большом браслете и подключены к модулю управления. 2. The exoskeleton glove according to claim 1, characterized in that the linear actuator motors are rigidly fixed in a large bracelet and connected to the control module. 3. Перчатка-экзоскелет по п. 1, отличающаяся тем, что внутри каждого напальчника имеются электрические кнопки для управления направлением вращения вала мотора.3. The exoskeleton glove according to claim 1, characterized in that inside each fingertip there are electric buttons for controlling the direction of rotation of the motor shaft.

Images