[发明专利]一种柔性绳驱上肢外骨骼机器人

说明书

本发明公开了一种柔性绳驱上肢外骨骼机器人，包括背包、背部宽度调节装置、肩关节机构、上臂长度调节装置、肘关节机构、前臂长度调节装置、腕关节机构。驱动控制系统置于背包之中，背部宽度调节装置与背包外壳连接，肩关节机构与背部宽度调节装置连接，上臂长度调节装置将肩关节机构和肘关节机构相连，前臂长度调节装置将肘关节与腕关节相连。本发明将柔性驱动器与绳驱传动结合，使得机器人运动柔顺、结构简洁紧凑、关节轻便；共包含4个主动自由度，2个被动自由度，可以很好的拟合人体上肢生理结构；在背部、上臂、前臂处均设有长度调节结构，使得机器人可以适应不同使用者的尺寸，更具可穿戴性。本发明可在康复训练及助力等方面应用推广。

技术领域

本发明属于人体辅助机器人领域，涉及一种上肢外骨骼机器人，具体是一种柔性绳驱上肢外骨骼机器人。

背景技术

随着人口老龄化加速，对于助老助残型机器人的需求快速增长，而人体上肢在日常生活中十分重要，需要助力或者训练。外骨骼机器人凭借可有效解决人体运动功能障碍，带动使用者进行日常运动或为人体提供一部分助力等优势，近年来广受关注。

相较于国外成熟的上肢外骨骼机器人技术，国内的研究起步晚、水平相对落后，少有成功的商业化产品，主要存在柔性不足，肩关节结构简化，可穿戴性较差等问题。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201510103109.2，该技术公开了一种外骨骼可穿戴式上肢康复机器人，主要包括肩关节、肘关节、腕关节及手部外骨骼结构四部分，其中肩关节不考虑旋内/旋外自由度，是一个两自由度的关节，限制了上肢外骨骼机器人的工作空间。驱动方式采用盘式电机和谐波减速器直接放置在关节上，使得各关节质量增大，削弱了其带负载能力。

中国专利申请号201320559244.4，该技术公开了一种气动肌肉驱动的上肢外骨骼助力机构，包括背部支架、肩关节、肘关节三个部分，其中肩关节结构尽管具有与人体类似的三个自由度，但事实上只有屈/伸自由度可以实现主动驱动。该设计使用了气动肌肉+绳驱进行驱动，使得外骨骼运动具有柔性，且减小了各个关节处的重量，但气压驱动易受环境影响，位置控制不精确且能量效率低。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种柔性绳驱上肢外骨骼机器人。核心是开发一种具有运动柔性且仿生性较强的上肢机器人结构。

根据人体上肢运动机理知，人体上肢由肩部、上臂、前臂和手掌四部分组成，由肩关节、肘关节、腕关节、指关节将各部分连接。其中肩关节主要有外展/内收、旋内/旋外、屈/伸三种运动，是一个3自由度球铰关节；肘关节主要为屈/伸运动，是一个单自由度铰链关节；腕关节主要有旋内/旋外、外展/内收、屈/伸三种运动，是一个单自由度环轴关节和双自由度踝状关节的组合。为与人体上肢运动匹配，机器人在肩关节设置3个主动自由度，肘关节设置1个主动自由度，腕关节设置2个被动自由度。

此外，本发明采用柔性驱动器+绳驱传动结合，开发一种柔性驱动方式，其中柔性驱动器选用串联弹性驱动器，是在刚性驱动动力源与负载之间串联入弹簧以获得一定柔性，绳驱选用鲍登线式，鲍登线的钢丝绳也具有一定的柔性，二者结合，可使机器人运动柔顺，抗冲击载荷，保证使用者的安全；绳驱传动可将驱动器与机器人的肩关节、肘关节分开，通过钢丝绳过渡，传递动力，驱动器以及控制系统放入背包中，结构紧凑轻便，穿戴方便。

本发明是通过以下技术方案实现的：