[发明专利]七自由度外骨骼式遥操作主手

说明书

技术领域

本发明涉及一种外骨骼式主手装置，具体涉及一种应用于空间机器人领域的七自由度外骨骼式遥操作主手装置，能够测量旋转角度，再现从端多自由度机器人与环境的接触力矩。

背景技术

随着航天事业的迅速发展和对太空探索的不断深入，空间操作任务变得越来越繁重复杂，如进行在轨卫星或大型空间站的构建和维修工作、空间设备的维修、科学实验载荷的照料等。舱外服务机器人能很好地适应太空作业环境，利用机器人代替或协助宇航员参与空间活动。

空间多自由度的机器人在控制过程中需要多个关节的控制参数，要求人机之间的高维的信息耦合，外骨骼式多自由度遥操作主手，利用穿戴在身体上的外骨骼，可以使穿戴者的上肢动作参数在多自由度机器人身上实时再现出来。在遥操作中，操作员在本地端通过了解从端信息(视觉、力觉)从而做出决策，并通过操纵外骨骼式主手来控制远端的机器人(从手)运动。具体为：通过光栅尺或编码器等电子元件，采集操作者各关节的位移和转动角度，发送指令并控制从端的多自由度机器人进行相关运动。当从端的多自由度机器人与障碍碰撞接触时，会有阻力/力矩信息返回，由电机等驱动装置提供反馈力/力矩，使操作者感觉到相应的阻力/力矩，实现环境力的再现。

现有的外骨骼机构主要用于医疗康复，助老助残，其电机主要置于外骨骼手臂穿戴部分，响应快速，由于对精度要求不高，采用了普通的减速器，避免不了齿轮传动带来的齿侧间隙。其大部分重量集中在手臂穿戴部分，尺寸大，惯性大，造成人体负担过重。授权公开号CN2710848 Y的中国实用新型专利为浙江大学研制的穿戴式外骨骼机械手，该机构采用并联式结构，结构紧凑，重量低，用于对远端机器人进行远端控制，但是也存在外骨骼机械手向多自由度机器人的运动映射复杂、不准确的问题。

本发明提出了一种七自由度外骨骼式遥操作主手，该外骨骼主手采用串联结构。手臂穿戴部分惯性低，结构紧凑；采用谐波减速器和钢丝绳传动，无间隙；可适应不同操作者的尺寸，工作空间大，操作灵活，舒适性好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地面控制空间多自由度机器人执行任务的主手，它穿戴在操作者上肢，操作灵活、不易疲劳，能够测量肩部、肘部、腕部共七个关节的转动角度及速度，通过外骨骼手臂的姿态控制从端的多自由度机器人，并将多自由度机器人与环境之间的接触力信息实时反馈给操作者。

为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案实现：本发明的外骨骼式遥操作主手装置由支架、驱动单元、外骨骼主手三部分组成。其中，外骨骼主手部分分为奇异构型调整单元和手臂穿戴部分。

所述的手臂穿戴部分采用拟人设计原则，包括肩部、肘部、腕部，共七个转动自由度，其中，肩部有三个转动自由度，旋转轴线始终保持正交，实现真实肩关节的球副功能；肘部有一个转动自由度，实现肘关节的运动；腕部有三个转动自由度，旋转轴线始终交于一点，分别实现手腕的各方向灵活运动；外骨骼手臂穿戴部分的长度尺寸可以调整，具体原理为：驱动固定板(50902)上的尺寸调节连接孔(50902B)与滑块连接杆(50806)上的尺寸调节滑槽(50806A)通过螺栓完成固定，通过尺寸调节连接孔(50902B)在尺寸调节滑槽(50806A)中的位置的改变来适应不同的操作者手臂的长度。

所述的支架(2)的前端上安装有直线导轨组(203)，操作者不仅可以坐在座椅(1)上执行遥操作任务，也可站立执行遥操作任务。当操作者手臂向上抬起时会引起的肩部中心点略微抬高，外骨骼手臂穿戴部分通过奇异构型调整单元(4)与安装在直线导轨组(203)上的升降板(202)相连，故可相应的轻微抬高，使得外骨骼的运动完全与操作者上肢运动保持一致，提高了操作者舒适性。在支架(2)的后端设计了重力平衡机构，由配置滑轮组(205)、配重块轨道(206)、配重块(207)以及配重钢丝绳(204)组成。

所述的驱动单元(3)是七自由度外骨骼式遥操作主手的动力以及检测机构，每个关节的驱动组件均包括电机(302)、谐波减速器(304)、编码器(303)、力矩传感器(305)等组成。通过钢丝绳(307)、钢丝绳管套(308)以及传动轮(306)传递动力至外骨骼主手的关节；七个转动关节均分别连接了力矩传感器和编码器，可以精确的得到各个关节的力矩值，并且可将主手各个关节的精确运动状态直观的映射到从端多自由度机器人。外骨骼式遥操作主手机构的驱动组件全部通过挂板(310)和电机座(301)悬挂固定于支架上的升降板(202)，大大降低了外骨骼式主手穿戴部分的重量。