CN1325229C - 一种可穿戴式的柔性外骨骼机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明的可穿戴式的柔性外骨骼机械手是由肩部大3RPS并联机构、肩部滑环机构、两个肘部四杆机构、腕部滑环机构和腕部小3RPS并联机构依次串连而成。具有9个自由度，可满足人体上臂全方位运动的要求。该机械手采用气缸作为执行元件，模仿人体肌肉伸缩的动作，具有较好的韧性和仿生学的特点，在增加了穿戴的方便性和舒适性的同时，大大地扩展了操作者上肢的运动范围，降低和减少了现有外骨骼机构的运动限制。穿戴者上肢的运动数据可以很好地通过与气缸相匹配的位移传感器来采集，通过计算机对工业机械手进行有感知的力反馈操作。该机械手还可用于医疗，作为上肢肌肉萎缩病人的辅助医疗器械。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴式的柔性外骨骼机械手，具体说是一种采用仿生结构，用于采集人体上肢运动数据的装置。
背景技术
外骨骼控制在国际上被普遍认为是目前理想的机械手遥操作方法之一，相对于传统的使用较广的Joystick进行机械手有更多的优点。但目前国内外所使用外骨骼机械手，或是只具有较少的自由度，或是机构复杂，因此操作范围受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于机械手遥操作的可穿戴式的柔性外骨骼机械手。
本发明的可穿戴式的柔性外骨骼机械手包括依次串连的肩部大3RPS并联机构、肩部滑环机构、两个肘部四杆机构、腕部滑环机构和腕部小3RPS并联机构，所说的肩部大3RPS并联机构具有呈U字型的下平面和圆环状的上平面，U字型下平面的底端和两个开口端分别装有转铰，该三个转铰的连线成一个等边三角形，圆环状的上平面均布有三个球铰，U字型平面上的三个转铰分别与第一组气缸的一端相连，第一组气缸的另一端分别与圆环上的三个球铰相连；肩部滑环机构是由圆环形的第一基座和肩部大3RPS并联机构的圆环状上平面连接构成的旋转副；腕部小3RPS并联机构具有圆环状的下平面和圆环状上平面，在下平面上均布有三个转铰，上平面上均布有三个球铰，下平面上的三个转铰分别与第二组气缸的一端相连，第二组气缸的另一端分别与上平面上的三个球铰相连，在上平面上装有供穿戴者握持的手柄；腕部滑环机构是由圆环形的第二基座和腕部小3RPS并联机构的圆环状下平面连接构成的旋转副；肘部四杆机构包括直角状底座、摆杆和一个气缸，底座的直角拐点与肩部滑环机构的第一基座固定，底座的一端与摆杆的一端铰接，底座的另一端与气缸的一端铰接，气缸的另一端与摆杆的另一端铰接，摆杆与腕部滑环机构的第二基座固定。
为便于采集人体上肢的运动位姿信号，通常，在各个气缸及肩部滑环机构和腕部滑环机构的两个滑环内部安装位移或者角度传感器。
本发明的可穿戴式的柔性外骨骼机械手可通过运动方程的正解，对同构或者异构的6自由度或小于6自由度的工业机械手进行主从式遥操作，适应性强。该机械手采用气缸作为执行元件，模仿人体肌肉伸缩的动作，具有较好的韧性和仿生学的特点，在增加了穿戴的方便性和舒适性的同时，大大地扩展了操作者上肢的运动范围，降低和减少了现有外骨骼机构的运动限制。同时还可通过对气缸压力控制，实现具有感知和力反馈的远程控制。该机械手还可用于医疗，作为上肢肌肉萎缩病人的辅助医疗器械。
附图说明
图1是可穿戴式的柔性外骨骼机械手的结构装配图；
图2是肩部和腕部滑环机构示意图；
图3是肘部四杆机构机构示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，可穿戴式的柔性外骨骼机械手包括依次串连的肩部大3RPS并联机构1、肩部滑环机构2、两个肘部四杆机构3、腕部滑环机构4和腕部小3RPS并联机构5，所说的肩部大3RPS并联机构1具有呈U字型的下平面10和圆环状的上平面9，U字型下平面10的底端和两个开口端分别固定有转铰11、12、13，该三个转铰的连线成一个等边三角形，在圆环状的上平面9上固定有三个呈120°分布的球铰14、15、16，图例中，U字型下平面上的三个转铰11、12、13分别与第一组气缸6、7、8的缸体端相连，第一组气缸6、7、8的活塞杆端分别与圆环状的上平面9上的三个球铰14、15、16相连；肩部大3RPS并联机构1的U字型下平面10作为运动基准点，可套在穿戴者的肩部。肩部大3RPS并联机构1由3个转铰、3个移动副和3个球铰构成8个运动副，共有3个自由度，可实现人体手臂绕肩部的两个转动运动。
肩部滑环机构2是由圆环形的第一基座17和肩部大3RPS并联机构1的圆环状上平面9连接构成的旋转副(见图2)，具有1个自由度，可实现人体上臂绕轴线的旋转运动。在滑环内壁安装位移或者角度传感器，并固定有保护挡块34。
腕部小3RPS并联机构5与肩部大3RPS并联机构1的结构相同，它具有圆环状的下平面22和圆环状上平面26，在下平面22上固定有三个呈120°分布的转铰28、29、30，上平面26上固定有三个呈120°分布的球铰31、32、33，图例中，下平面22上的三个转铰28、29、30分别与第二组气缸23、24、25的缸体端相连，第二组气缸23、24、25的活塞杆端分别与上平面26上的三个球铰14、15、16相连，在上平面26上装有供穿戴者握持的手柄27；腕部大3RPS并联机构5由3个转铰、3个移动副和3个球铰构成8个运动副，共有3个自由度，可实现人体手腕的两个转动运动。
腕部滑环机构4与肩部滑环机构2的结构相同，它是由圆环形的第二基座21和腕部小3RPS并联机构5的圆环状下平面22连接构成的旋转副；具有1个转动自由度，可实现人体手腕绕下臂轴线的旋转运动。
两个肘部四杆机构3对称连接在肩部滑环机构2与腕部滑环机构4之间，每个肘部四杆机构3包括直角状底座18、摆杆20和一个气缸19(见图3所示)，底座18的直角拐点与肩部滑环机构2的第一基座17固定，底座18的一端与摆杆20的一端铰接，底座18的另一端与气缸19的一端铰接，气缸19的另一端与摆杆20的另一端铰接，摆杆20与腕部滑环机构4的第二基座21固定，肘部四杆机构用以实现人体手臂肘部的弯曲动作。
在上述各个气缸内安装有位移或者角度传感器。
可穿戴式的柔性外骨骼机械手共有9个自由度(7个运动自由度，大、小3RPS沿轴线方向位移自由度)，满足人体上臂全方位运动的要求。
人可将手伸入柔性外骨骼机械手内部，并将其穿着于手臂外，握住最前端手柄27，带动外骨骼进行运动。肩部的三个自由度的运动由肩部大3RP并联机构1和肩部滑环机构2共同完成，肩部大3RP并联机构1实现手臂绕肩部两个方向的旋转，肩部滑环机构2实现上臂绕轴线的旋转。肩部大3RP并联机构中的一组三个气缸6、7、8，可以根据手臂运动中肩部外展/内收和俯仰的情况，产生不同的位移，使得肩部大3RP并联机构的上平面9相对于下平面10随之产生不同的位姿。通过安装在气缸内部的位移传感器，可以检测三个气缸6、7、8的位移大小，求得上平面9的位姿。通过安装在肩部滑环机构的角度传感器，可以得到角度的偏移量。肘部四杆机构的直角状底座18、摆杆20和一个气缸19，组成一个自由度的摆杆滑块结构。当人的手肘有弯曲的动作时，气缸19将收缩，底座18与摆杆20之间的角度变小。由于肘部四杆机构的底座18与摆杆20分别与肩部滑环机构2的第一基座17和腕部滑环机构4的第二基座21相连，从而实现上下臂绕肘部的旋转。手腕处的三个自由度由腕部滑环机构4和腕部小3RPS并联机构5来实现，腕部滑环机构4实现腕部绕下臂轴线的旋转，运动原理与肩部大3RPS并联机构类似，第二组气缸23、24、25根据腕部不同的运动状况产生不同的位移，从而使得上平面26与下平面22之间的位姿发生改变，实现手腕的外展/内收和俯仰。
Claims (2)
1.一种可穿戴式的柔性外骨骼机械手，其特征是包括依次串连的肩部大3RPS并联机构(1)、肩部滑环机构(2)、两个肘部四杆机构(3)、腕部滑环机构(4)和腕部小3RPS并联机构(5)；
所说的肩部大3RPS并联机构(1)具有呈U字型的下平面(10)和圆环状的上平面(9)，U字型下平面(10)的底端和两个开口端分别装有转铰(11、12、13)，该三个转铰的连线成一个等边三角形，圆环状的上平面(9)均布有三个球铰(14、15、16)，U字型平面上的三个转铰(11、12、13)分别与第一组气缸(6、7、8)的一端相连，第一组气缸(6、7、8)的另一端分别与圆环状的上平面(9)上的三个球铰(14、15、16)相连；
肩部滑环机构(2)是由圆环形的第一基座(17)和肩部大3RPS并联机构(1)的圆环状上平面(9)连接构成的旋转副；
腕部小3RPS并联机构(5)具有圆环状的下平面(22)和圆环状上平面(26)，在下平面(22)上均布有三个转铰(28、29、30)，上平面(26)上均布有三个球铰(31、32、33)，下平面(22)上的三个转铰(28、29、30)分别与第二组气缸(23、24、25)的一端相连，第二组气缸(23、24、25)的另一端分别与上平面(26)上的三个球铰(14、15、16)相连，在上平面(26)上装有供穿戴者握持的手柄(27)；
腕部滑环机构(4)是由圆环形的第二基座(21)和腕部小3RPS并联机构(5)的圆环状下平面(22)连接构成的旋转副；
肘部四杆机构(3)包括直角状底座(18)、摆杆(20)和一个气缸(19)，底座(18)的直角拐点与肩部滑环机构(2)的第一基座(17)固定，底座(18)的一端与摆杆(20)的一端铰接，底座(18)的另一端与气缸(19)的一端铰接，气缸(19)的另一端与摆杆(20)的另一端铰接，摆杆(20)与腕部滑环机构(4)的第二基座(21)固定。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式的柔性外骨骼机械手，其特征是在各个气缸及肩部滑环机构和腕部滑环机构的两个滑环内部安装位移或者角度传感器。
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