一种增能型可穿戴式手臂及上肢外骨骼装置制造方法及图纸

本公开提供了一种增能型可穿戴式手臂及上肢外骨骼装置，采用多种传感器对机构的各关节角度、各臂电机转速、各关节的扭矩等数据进行采集，在每个关节安装有高精度光电编码器，能够精确采集末端位置和姿态，实现对机械手的精确控制，自动适应上肢的尺寸，能适应不同操作的身高和臂长，在重负荷状况下，根据负荷的重量调节输出，能自适应负载，在机构的工作过程中，可实现肩关节水平方向外展/内收、竖直方向上摆/下摆和旋转运动以及肘关节的屈/伸运动，配以语音交互模块的声音提示，保证整个系统安全平稳的运行。

An increased energy wearable arm and upper limb exoskeleton device

【技术实现步骤摘要】
一种增能型可穿戴式手臂及上肢外骨骼装置
本公开涉及特种机构的控制领域，特别涉及一种增能型可穿戴式手臂及上肢外骨骼装置。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。上肢是日常生活中运用最多也最容易受伤的部分，由于上肢的力量有限，所以在执行各种动作时的效果大打折扣。增能型上肢外骨骼是一种可穿戴机械装备，主要用于增强人体上肢的机能。增能型上肢外骨骼机构基于仿生原理进行设计，结合人体工程学，能与上肢舒适的结合。上肢的每个自由度环节在机构上都对应一个单独驱动装置，因此，可以确保机构运动与人体自由度运动同轴。获得更强大的力量、更快速的响应以及更舒适的穿戴效果，是增能型可穿戴上肢外骨骼机构研究不断追求的目标。增能型可穿戴上肢外骨骼机构传动方式有：带传动、电机直接驱动、齿轮传动和气动肌肉驱动。本公开专利技术人在研究中发现，现有的上肢外骨骼机构存在偏重、驱动力偏小、控制不灵敏等不足，尤其控制方面，很难达到与上肢的自适应贴合，并且控制的实时性很差。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种增能型可穿戴式手臂及上肢外骨骼装置，可实现对机械手臂的精确控制，所述可穿戴式手臂和外骨骼装置结构紧凑、重量轻、刚度高，能适应不同操作的身高和臂长，在重负荷状况下，根据负荷的重量调节输出，能自适应负载，在机构的工作过程中，可实现肩关节水平方向外展/内收、竖直方向上摆/下摆和旋转运动以及肘关节的屈/伸运动，配以报警器的声音提示，保证整个系统安全平稳的运行。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：第一方面，本公开提供了一种增能型可穿戴式手臂；一种增能型可穿戴式手臂，包括多个电机、第一连接件、第二连接件、大臂、电机驱动模块和处理器，所述电机包括第一肩关节电机、第二肩关节电机、第三肩关节电机和肘关节电机，每个电机上分别设有至少一个与电机匹配的减速器，所述第一肩关节电机和第二肩关节电机通过第一连接件连接，第二肩关节电机与第三肩关节电机通过第二连接件连接，用于实现肩关节在水平方向的外展和内收、在竖直方向上摆和下摆以及旋转运动；第三肩关节电机与肘关节电机通过大臂连接，大臂上有被动伸缩装置，可以用于实现大臂的伸缩，用于适应不同的穿戴者；肘关节电机用于实现肘关节的屈伸运动；所述处理器分别与减速器和电机驱动模块通信连接，用于通过电机驱动模块控制各个电机的动作和通过减速器实现各个电机的速度控制。作为可能的一些实现方式，还包括小臂和腕部装置，所述肘关节电机通过小臂与腕部装置连接，实现机械手臂直接与人的手腕的结合。作为可能的一些实现方式，所述腕部装置为一可拆卸腕部手环，还包括多个控制按钮，设于腕部手环上或靠近手环的手柄上，所述控制按钮与处理器连接，用以实现案件控制。作为可能的一些实现方式，所述大臂和小臂均为可伸缩结构，大臂的可伸缩结构由滑轨组成，被动受力后能适应穿戴着的尺寸，调节好后可固定，用以稳固大臂的受力；小臂的可伸缩结构也是由滑轨组成，被动受力后能适应穿戴着的尺寸，大臂和小臂的伸缩调整用以适应不同的身体需求。第二方面，本公开提供了一种增能型可穿戴式上肢外骨骼装置；一种增能型可穿戴式上肢外骨骼装置，包括背架、左臂、右臂和多个传感器，所述左臂和右臂为本公开所述的增能型可穿戴式手臂，所述左臂和右臂分别固定在背架的两侧；所述传感器包括多个肌电信号传感器、多个多维力传感器和多个旋转编码器，所述肌电信号传感器和多维力传感器设于肩关节和肘关节位置，所述肌电信号传感器用于检测手臂的任一自由度上是否有主动力，所述多维力传感器用于检测个关节受力情况，所述旋转编码器设于各个电机的位置并与电机连接，用于监测各个电机的位置和姿态；所述处理器与各个传感器通信连接，用于接收各个传感器采集的信息，针对不同的状况给出相应的输出控制策略，实现各个电机的动作控制。作为可能的一些实现方式，还包括拾音器和扬声器，分别与处理器通信连接，所述拾音器用于接收外界语音信息并发送给处理器，所述扬声器用于根据处理器的指令发出语音信息。作为可能的一些实现方式，还包括显示屏，所述显示屏与处理器通信连接，用于根据处理器的指令进行控制参数和实时状态的显示。作为可能的一些实现方式，还包括电源，用于给各个电子元件供电，所述电源和处理器均固定设于背架内部。作为可能的一些实现方式，还包括启停开关，所述启停开关与电源连接，用于开启和关闭电源；所述启停开关还与处理器通信连接，用于根据处理器的控制指令实现。作为可能的一些实现方式，所述多维力传感器为六维力/力矩传感器，用于监测各个关节的三个力分量和三个力矩分量。与现有技术相比，本公开的有益效果是：本公开所述的内容采用多种传感器对机构的各关节角度、各臂电机转速、各关节的扭矩等数据进行采集，在每个关节安装有高精度光电编码器，通过运动学正解能够精确采集末端位置和姿态，可实现对机械手的精确控制。本公开所述的可穿戴式上肢外骨骼结构紧凑、重量轻、刚度高，通过主控制器控制机构能够根据穿戴者的自然状况，自动适应上肢的尺寸，能适应不同操作的身高和臂长；在重负荷状况下，根据负荷的重量调节输出，能自适应负载；在机构的工作过程中，可实现肩关节水平方向外展/内收、竖直方向上摆/下摆和旋转运动以及肘关节的屈/伸运动。本公开所述的内容在手环或者靠近手环处的手柄位置设有多个控制按钮来控制处理器程序。本公开所述的内容通过设置拾音器和扬声器，可实现设备与外界的语音交互，主要是在机构工作过程中，接收使用者的语音指令，完成语音解析并发送给控制器，并且在出现异常状况或者系统出现问题，发出警告提示语音，使使用者对机构有更清楚的了解，配以报警器的声音提示，保证整个系统安全平稳的运行。本公开所述的多维力/力矩传感器采用六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，通过它控制系统不但能检测和控制机器人手爪取物体的握力，而且还可以检测抓物体的重量，以及在抓取操作过程中是否有滑动、振动等。本公开所述的处理器通过电机驱动模块实现对各关节的电机进行的伺服控制，使各环节的动作柔和平稳，并且达到最快的响应速度。本公开所述的内容通过设置显示器，用于显示机构的一些参数以及实时状况，实现了使用者与实时控制器之间的视觉交互。本公开所述的处理器主要用于收集各传感器采集的信息，进行数据分析和处理，针对不同的状况给出相应的策略对机构进行输出控制，同时能完成与使用者之间的信息交互，通过语音交互模块采集使用者的语音信息，进行解析并形成相应的指令，进一步驱动机构完成指令；通过信息采集模块采集开关量和模拟量的信息，将机构与外界之间的关系能实时反馈到控制系统；通过信息显示模块完成机构的一些参数显示及实时状态显示，便于使用者实时接收到机构的状态；通过动作控制模块将控制器产生的指令进行动作的解析发送到电机驱动器，进而驱动电机运转，通过各个模块的配合实现了外骨骼结构的自适应调节和动作的精确控制。本公开所述的可穿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增能型可穿戴式手臂，其特征在于，包括多个电机、第一连接件、第二连接件、大臂、电机驱动模块和处理器，所述电机包括第一肩关节电机、第二肩关节电机、第三肩关节电机和肘关节电机，每个电机上分别设有至少一个与电机匹配的减速器，所述第一肩关节电机和第二肩关节电机通过第一连接件连接，第二肩关节电机与第三肩关节电机通过第二连接件连接，用于实现肩关节在水平方向的外展和内收、在竖直方向上摆和下摆以及旋转运动；第三肩关节电机与肘关节电机通过大臂连接，肘关节电机与第四减速器共同构成肘关节，用于实现肘关节的屈伸运动；/n所述处理器分别与减速器和电机驱动模块通信连接，用于通过电机驱动模块控制各个电机的动作和通过减速器实现各个电机的速度控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种增能型可穿戴式手臂，其特征在于，包括多个电机、第一连接件、第二连接件、大臂、电机驱动模块和处理器，所述电机包括第一肩关节电机、第二肩关节电机、第三肩关节电机和肘关节电机，每个电机上分别设有至少一个与电机匹配的减速器，所述第一肩关节电机和第二肩关节电机通过第一连接件连接，第二肩关节电机与第三肩关节电机通过第二连接件连接，用于实现肩关节在水平方向的外展和内收、在竖直方向上摆和下摆以及旋转运动；第三肩关节电机与肘关节电机通过大臂连接，肘关节电机与第四减速器共同构成肘关节，用于实现肘关节的屈伸运动；
所述处理器分别与减速器和电机驱动模块通信连接，用于通过电机驱动模块控制各个电机的动作和通过减速器实现各个电机的速度控制。


2.如权利要求1所述的增能型可穿戴式手臂，其特征在于，还包括小臂和腕部装置，所述肘关节电机通过小臂与腕部装置连接，实现机械手臂直接与人的手腕的结合。


3.如权利要求2所述的增能型可穿戴式手臂，其特征在于，所述腕部装置为一可拆卸腕部手环，还包括多个控制按钮，设于腕部手环上或靠近手环的手柄上，所述控制按钮与处理器连接，用以实现案件控制。


4.如权利要求2所述的增能型可穿戴式手臂，其特征在于，所述大臂和小臂均为可伸缩结构，所述大臂和小臂均为可伸缩结构，均由滑轨组成，大臂和小臂的伸缩调整用以适应不同的身体需求。


5.一种增能型可穿戴式上肢外骨骼装置，其特征在于，包括背架、左臂、右臂和多个传感器，所述左臂和右臂为权利要求1-4任一项所述的可穿戴式手臂，所述左臂和右臂分别固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚丽，肖永飞，赵永国，吴昊，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：新型
国别省市：山东;37