一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Modular 7-DOF Upper Extremity Exoskeleton Robot

【技术实现步骤摘要】
一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人
本专利技术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

技术介绍
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系统，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、MotionAnalysis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，ForceDimension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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，配置每本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海源，张勤俭，刘畅，严鲁涛，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11