[实用新型]一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人

说明书

本实用新型属于外骨骼机器人领域，具体公开了一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人，包括背架机构和两组上肢机构，两组上肢机构对称设置在背架机构两侧，上肢机构包括肘部前屈/后伸机构、肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构、肩部旋内/旋外机构以及绑带机构；肩部旋内/旋外机构分别与肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构连接，构成双摇杆机构使得外骨骼机器人肩部三个自由度的旋转中心线交于人体肩关节转动中心，各自由度的旋转中心线与人体肩部运动的各旋转中心线共线。本申请的方法简单高效且肩部三个自由度的旋转中心线交于人体肩关节转动中心，具有更好的人机运动协同性以及穿戴舒适性，能够有效减小人机运动干涉。

技术领域

本实用新型属于外骨骼机器人领域，具体涉及一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人。

背景技术

在工业、物流等领域，相关工作人员经常会遇到需要抬起重物或长时间手持工具进行抬臂作业的场景。在这些特定的工作情景下，传统的作业辅助工具很难充分发挥作用，减轻作业人员肌肉疲劳，而随着上肢外骨骼机器人的兴起，这一问题正在得到很好的解决。上肢外骨骼机器人是一种能够穿戴在操作者身上、并与其上肢相连接、能够根据操作者的意图进行协同运动和辅助做功的机器人机构。但人体上肢关节非常灵活，冗余自由度较多，能够完成多种复杂的运动，其中属上肢肩关节较为复杂，人机协同运动设计难度大，传统的上肢外骨骼机器人的肩部结构多采用二自由度或三自由度设计，且外骨骼机器人肩关节转动中心难以做到与人体上肢肩关节转动中心一致，使得穿戴者的舒适性大大降低，不能很好地做到人机协同运动，人机运动时容易发生干涉。

在专利号为CN110497393A的实用新型专利中，公开了一种上肢外骨骼机器人，其肩部只有一个前屈/后伸自由度，而省去了肩部外摆/内收、旋内/旋外的自由度，使得手臂只能完成在人体矢状面上的动作，不能进行其他复杂运动。

在专利号CN111012627A的实用新型专利中，公开了一种有源上肢运动康复助力外骨骼，该实用新型肩部能够实现三个自由度，但是其肩关节采用球铰链进行设计，且没有其他机构进行相互配合，球铰链的位置相对固定，其转动中心为球铰中心，而非人体肩关节转动中心，这会使得穿戴者的舒适度有所降低，且人机协同运动难以保证。

在上述的实用新型专利以及现有的上肢外骨骼机器人产品中，其外骨骼肩部的各旋转中心线不能与人体肩部运动的旋转中心线共线，会带来以下问题：

1、在人体肩关节进行运动时，外骨骼上肢将会与人体上肢发生相对运动，造成人机运动干涉，降低穿戴舒适性；

2、在外骨骼机器人进行工作时，肩关节驱动电机，需有额外做功，来消除人机相对运动产生的影响。

部分上肢外骨骼机器人将大臂绑带设置成可以在大臂连杆上进行滑动和转动来抵消人机运动错位造成的影响，但依然不能避免这些问题的发生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人，解决了现有外骨骼肩关节机构不能很好的匹配人体肩关节运动的问题。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人，包括背架机构和对称设置在背架机构两侧的两组上肢机构，所述上肢机构包括肘部前屈/后伸机构、肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构、肩部旋内/旋外机构以及绑带机构；

所述肩部旋内/旋外机构分别与肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构连接，构成双摇杆机构使得外骨骼机器人肩部三个自由度的旋转中心线交于人体肩关节转动中心，各自由度的旋转中心线与人体肩部运动的各旋转中心线共线。

进一步的，所述肩部旋内/旋外机构依次包括前端部连杆、第一中间连杆、第二中间连杆以及后端部连杆，各连杆之间通过铰链相连；

所述前端部连杆与肩部外摆/内收机构铰接，所述后端部连杆设计为U字形， U字形内部开口角度为0—180°，后端部连杆与肩部前屈/后伸机构铰接。