一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构的制作方法

本发明涉及工业自动化、物流搬运、军用、民用、医疗、体育领域，特别是涉及一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构。

背景技术：

工业环境中许多工人每天需要使用重型的工具或头顶的工位操作，身体前侧作业任务等，长时间的重复和高强度的运动会导致工人疲劳，肌肉损伤等一系列安全和效率问题。

现有的钢丝传动欠驱动技术，使用一个电机驱动两个自由度(肩关节上举动作为带动力自由度，肩关节外展内收为欠驱动自由度)，当驱动电机远离驱动关节点，驱动肩关节的上举动作，钢丝走位必须通过肩部的外展内收关节时，通常会产生运动耦合，通过肩关节的外展内收位置传感器和电机主钢丝盘位置传感器，来判断耦合位置差，通过电机的旋转来做运动解耦，此类方法属于软件解耦，通常对电机的相应编码器的位置反馈频率有较高的要求，系统的成本较高，因此急需一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构来解决现有问题。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构，包括靠背板、右侧肩部靠垫和左侧肩部靠垫，所述靠背板一侧设置有所述右侧肩部靠垫，所述靠背板远离所述右侧肩部靠垫一侧设置有所述左侧肩部靠垫，所述右侧肩部靠垫上侧设置有右侧肩膀丝传动滑轮基座，所述右侧肩膀丝传动滑轮基座一侧设置有右侧肩膀外展动作臂滑轮基座，所述右侧肩膀外展动作臂滑轮基座下端设置有右侧肩膀上举动作臂，所述右侧肩膀上举动作臂下端设置有右侧手肘托架，所述左侧肩部靠垫上侧设置有左侧肩膀丝传动滑轮基座，所述左侧肩膀丝传动滑轮基座一侧设置有左侧肩膀外展动作臂滑轮基座，所述左侧肩膀外展动作臂滑轮基座下端设置有左侧肩膀上举动作臂，所述左侧肩膀上举动作臂下端设置有左侧手肘托架，所述右侧肩膀丝传动滑轮基座内设置有右侧肩关节外展转轴，所述右侧肩膀外展动作臂滑轮基座内设置有右侧肩关节上举转轴，所述右侧肩部靠垫另一侧设置有右侧驱动电机和反馈单元，所述靠背板下端设置有上侧背部固定带基座，所述上侧背部固定带基座下侧设置有下侧背部固定带基座，所述靠背板远离所述下侧背部固定带基座一侧设置有蓄电池，所述蓄电池下侧设置有电池快拆扣，所述左侧肩部靠垫下侧设置有左侧驱动电机和反馈单元，所述左侧肩膀丝传动滑轮基座内设置有左侧肩关节外展转轴，所述左侧肩膀外展动作臂滑轮基座内设置有左侧肩关节上举转轴，所述右侧肩膀丝传动滑轮基座上侧设置有右肩关节外展绝对编码器，所述右侧驱动电机和反馈单元上侧设置有右侧伺服电机驱动器和散热组件，所述靠背板内设置有轴向钢丝轮，所述左侧驱动电机和反馈单元上侧设置有左侧伺服电机驱动器和散热组件，所述左侧肩膀丝传动滑轮基座上侧设置有左肩关节外展绝对编码器，所述右侧肩膀丝传动滑轮基座内设置有右侧钢丝，所述右侧肩膀外展动作臂滑轮基座内侧设置有一号钢丝轮，所述一号钢丝轮外侧设置有一号钢件，所述一号钢件一侧设置有二号钢件，所述右侧钢丝之间设置有右侧钢丝转向滑轮组，所述一号钢丝轮之间设置有轴向钢丝轮，所述一号钢丝轮下侧设置有二号钢丝轮，所述右侧肩膀上举动作臂靠近所述右侧肩膀外展动作臂滑轮基座一端设置有从动钢丝轮，所述右侧肩部靠垫靠近所述右侧肩膀丝传动滑轮基座一端设置有主驱动钢丝轮，所述左侧肩膀外展动作臂滑轮基座内侧设置有左侧钢丝，所述左侧钢丝之间设置有左侧钢丝转向滑轮组，所述左侧钢丝一端设置有主动钢丝轮。

进一步的，所述靠背板与所述右侧肩部靠垫通过螺栓连接，所述靠背板与所述左侧肩部靠垫通过螺栓连接，所述靠背板与所述上侧背部固定带基座通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，所述靠背板为使用者提供靠背的支撑位置，所述上侧背部固定带基座可以将固定带进行固定。

进一步的，所述靠背板与所述下侧背部固定带基座通过螺栓连接，所述蓄电池与所述靠背板通过所述电池快拆扣连接，所述右侧肩部靠垫与所述右侧肩膀丝传动滑轮基座通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，所述蓄电池为仪器提供电力，通过所述电池快拆扣可以将所述蓄电池拆掉，所述右侧肩部靠垫可以使得装置的重量均匀分散在使用者的右侧肩膀上。

进一步的，所述右侧肩膀丝传动滑轮基座与所述右侧肩膀外展动作臂滑轮基座转动连接，所述右侧肩膀外展动作臂滑轮基座与所述右侧肩膀上举动作臂转动连接。

通过采用上述技术方案，所述右侧肩膀上举动作臂可以上下进行抬升。

进一步的，所述右侧肩膀上举动作臂与所述右侧手肘托架通过螺栓连接，所述左侧肩部靠垫与所述左侧肩膀丝传动滑轮基座通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，所述左侧肩部靠垫可以使得装置的重量均匀分散在使用者的左肩膀上。

进一步的，所述左侧肩膀丝传动滑轮基座与所述左侧肩膀外展动作臂滑轮基座转动连接，所述左侧肩膀外展动作臂滑轮基座与所述左侧肩膀上举动作臂转动连接。

通过采用上述技术方案，所述左侧肩膀上举动作臂可以进行上下抬升。

进一步的，所述左侧肩膀上举动作臂与所述左侧手肘托架通过螺栓连接，所述左侧肩部靠垫与所述左侧驱动电机和反馈单元通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，所述左侧驱动电机和反馈单元可以产生驱动力，并将传感器检测到的信号进行反馈。

进一步的，所述右侧肩部靠垫与所述右侧驱动电机和反馈单元通过螺栓连接，所述左侧肩部靠垫与所述左侧伺服电机驱动器和散热组件通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，所述左侧伺服电机驱动器和散热组件可以产生驱动力，并对装置产生的热量进行散发。

进一步的，所述右侧肩部靠垫与所述右侧伺服电机驱动器和散热组件通过螺栓连接，所述左肩关节外展绝对编码器与所述左侧肩膀丝传动滑轮基座通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，所述左侧肩膀丝传动滑轮基座可以为钢丝传动提供支撑点。

进一步的，所述右肩关节外展绝对编码器与所述右侧肩膀丝传动滑轮基座通过螺栓连接。

通过采用上述技术方案，通过所述右肩关节外展绝对编码器可以对装置进行动作编程。

本发明的有益效果在于：

本发明通过钢丝的机械走位，来解耦肩关节外展内收的运动耦合问题，使得电机驱动端在远离肩关节上举的动作关节点的时候，依然可以通过电机的钢丝直接驱动，并且不会受到被动或者主动的肩关节外展运动干扰，实现一个电机控制控制一个主动自由度，并不干涉另一个欠驱动自由度，降低系统的相应要求和系统反馈频率，减少成本，并由于是硬件解耦，不存在软件补偿时算法带来的延迟，系统可靠性能高。

附图说明

图1是本发明所述一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构的主视图；

图2是本发明所述一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构的后视图；

图3是本发明所述一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构剔除左右手臂装饰盖的结构示意图；

图4是本发明所述一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构中左侧肩关节外展和上举运动的结构和钢丝走向示意图；

图5是本发明所述一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构中右侧肩关节耦合解耦纯丝传动走向示意图；

图6是本发明所述一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构耦合解耦丝结合肩部转向零件结构图。

附图标记说明如下：

1、右侧肩膀丝传动滑轮基座；2、左侧肩膀丝传动滑轮基座；3、右侧肩部靠垫；4、左侧肩部靠垫；5、右侧肩膀外展动作臂滑轮基座；6、左侧肩膀外展动作臂滑轮基座；7、靠背板；8、右侧肩膀上举动作臂；9、左侧肩膀上举动作臂；10、右侧手肘托架；11、左侧手肘托架；12、上侧背部固定带基座；13、下侧背部固定带基座；14、左侧肩关节外展转轴；15、右侧肩关节外展转轴；16、左侧肩关节上举转轴；17、右侧肩关节上举转轴；18、左侧驱动电机和反馈单元；19、右侧驱动电机和反馈单元；20、蓄电池；21、左肩关节外展绝对编码器；22、右肩关节外展绝对编码器；23、电池快拆扣；24、左侧伺服电机驱动器和散热组件；25、右侧伺服电机驱动器和散热组件；26、右侧钢丝；27、一号钢丝轮；28、一号钢件；29、二号钢件；30、右侧钢丝转向滑轮组；31、主驱动钢丝轮；32、从动钢丝轮；33、左侧钢丝；34、主动钢丝轮；35、二号钢丝轮；36、轴向钢丝轮；37、左侧钢丝转向滑轮组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图6所示，一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构，包括靠背板7、右侧肩部靠垫3和左侧肩部靠垫4，靠背板7一侧设置有右侧肩部靠垫3，靠背板7远离右侧肩部靠垫3一侧设置有左侧肩部靠垫4，右侧肩部靠垫3上侧设置有右侧肩膀丝传动滑轮基座1，右侧肩膀丝传动滑轮基座1一侧设置有右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5，右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5下端设置有右侧肩膀上举动作臂8，右侧肩膀上举动作臂8下端设置有右侧手肘托架10，左侧肩部靠垫4上侧设置有左侧肩膀丝传动滑轮基座2，左侧肩膀丝传动滑轮基座2一侧设置有左侧肩膀外展动作臂滑轮基座6，左侧肩膀外展动作臂滑轮基座6下端设置有左侧肩膀上举动作臂9，左侧肩膀上举动作臂9下端设置有左侧手肘托架11，右侧肩膀丝传动滑轮基座1内设置有右侧肩关节外展转轴15，右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5内设置有右侧肩关节上举转轴17，右侧肩部靠垫3另一侧设置有右侧驱动电机和反馈单元19，靠背板7下端设置有上侧背部固定带基座12，上侧背部固定带基座12下侧设置有下侧背部固定带基座13，靠背板7远离下侧背部固定带基座13一侧设置有蓄电池20，蓄电池20下侧设置有电池快拆扣23，左侧肩部靠垫4下侧设置有左侧驱动电机和反馈单元18，左侧肩膀丝传动滑轮基座2内设置有左侧肩关节外展转轴14，左侧肩膀外展动作臂滑轮基座6内设置有左侧肩关节上举转轴16，右侧肩膀丝传动滑轮基座1上侧设置有右肩关节外展绝对编码器22，右侧驱动电机和反馈单元19上侧设置有右侧伺服电机驱动器和散热组件25，靠背板7内设置有轴向钢丝轮36，左侧驱动电机和反馈单元18上侧设置有左侧伺服电机驱动器和散热组件24，左侧肩膀丝传动滑轮基座2上侧设置有左肩关节外展绝对编码器21，右侧肩膀丝传动滑轮基座1内设置有右侧钢丝26，右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5内侧设置有一号钢丝轮27，一号钢丝轮27外侧设置有一号钢件28，一号钢件28一侧设置有二号钢件29，右侧钢丝26之间设置有右侧钢丝转向滑轮组30，一号钢丝轮27之间设置有轴向钢丝轮36，一号钢丝轮27下侧设置有二号钢丝轮35，右侧肩膀上举动作臂8靠近右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5一端设置有从动钢丝轮32，右侧肩部靠垫3靠近右侧肩膀丝传动滑轮基座1一端设置有主驱动钢丝轮31，左侧肩膀外展动作臂滑轮基座6内侧设置有左侧钢丝33，左侧钢丝33之间设置有左侧钢丝转向滑轮组37，左侧钢丝33一端设置有主动钢丝轮34。

本实施例中，靠背板7与右侧肩部靠垫3通过螺栓连接，靠背板7与左侧肩部靠垫4通过螺栓连接，靠背板7与上侧背部固定带基座12通过螺栓连接。

本实施例中，靠背板7与下侧背部固定带基座13通过螺栓连接，蓄电池20与靠背板7通过电池快拆扣23连接，右侧肩部靠垫3与右侧肩膀丝传动滑轮基座1通过螺栓连接。

本实施例中，右侧肩膀丝传动滑轮基座1与右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5转动连接，右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5与右侧肩膀上举动作臂8转动连接。

本实施例中，右侧肩膀上举动作臂8与右侧手肘托架10通过螺栓连接，左侧肩部靠垫4与左侧肩膀丝传动滑轮基座2通过螺栓连接。

本实施例中，左侧肩膀丝传动滑轮基座2与左侧肩膀外展动作臂滑轮基座6转动连接，左侧肩膀外展动作臂滑轮基座6与左侧肩膀上举动作臂9转动连接。

本实施例中，左侧肩膀上举动作臂9与左侧手肘托架11通过螺栓连接，左侧肩部靠垫4与左侧驱动电机和反馈单元18通过螺栓连接。

本实施例中，右侧肩部靠垫3与右侧驱动电机和反馈单元19通过螺栓连接，左侧肩部靠垫4与左侧伺服电机驱动器和散热组件24通过螺栓连接。

本实施例中，右侧肩部靠垫3与右侧伺服电机驱动器和散热组件25通过螺栓连接，左肩关节外展绝对编码器21与左侧肩膀丝传动滑轮基座2通过螺栓连接。

本实施例中，右肩关节外展绝对编码器22与右侧肩膀丝传动滑轮基座1通过螺栓连接。

一种基于欠驱动解耦的丝传动走位结构的使用方法：在使用时，所有的驱动单元集中固定到使用者的背部基座，通过丝传动技术，将动力通过钢丝驱动链和转向定滑轮绕过肩关节，传递到上臂固定环，形成肩关节助力，整个外骨骼设备具备4个自由度，分别是左侧肩关节外展转轴14、右侧肩关节外展转轴15、左侧肩关节上举转轴16、右侧肩关节上举转轴17，两个电机分别负责控制左侧肩关节上举转轴16和右侧肩关节上举转轴17两个自由度的主动驱动，由于杠丝传动的驱动链技术的需求，需要将钢丝通过左侧肩关节外展转轴14和右侧肩关节外展转轴15两个自由度，由于钢丝滑轮的半径将导致运动耦合，本发明通过特殊的走线方式来完成硬件的解耦，不需要通过电机运动补偿，从而使得肩关节的上举运动不影响肩关节的外展运动，具体关键方法如图5中的主驱动钢丝轮31和右侧钢丝26做刚性的连接，右侧钢丝26通过右侧钢丝转向滑轮组30,右侧钢丝26的上半段经过换向后到达轴向钢丝轮36，然后经过一号钢丝轮27再次转向，在轴向钢丝轮36和一号钢丝轮27之间形成垂直钢丝段，中心轴就是右侧肩关节外展转轴15，同样，右侧钢丝26的下半段换向后到达轴向钢丝轮36，然后经过二号钢丝轮35再次转向，在轴向钢丝轮36和二号钢丝轮35之间形成垂直钢丝段，转轴中心和运动中轴线右侧肩关节外展转轴15重合，从而当图4右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5外展运动时，一号钢件28和二号钢件29，连接右侧肩膀外展动作臂滑轮基座5绕右侧肩关节外展转轴15进行旋转，如图5所示，隐藏了一号钢件28和二号钢件29，暴露出运动中轴线右侧肩关节外展转轴15和轴向钢丝轮36、一号钢丝轮27之间形成垂直钢丝段以及轴向钢丝轮36和二号钢丝轮35之间形成垂直钢丝段，由于在同一轴心，旋转将不产生钢丝周长变化，实现硬件解耦过程，右侧肩关节外展转轴15将不会对右侧钢丝26产生长度影响，主驱动钢丝轮31的旋转将会直接驱动右侧钢丝26，经过滑轮组转向，到达从动钢丝轮32，从而转动右侧肩关节上举转轴17，完成右侧外骨骼的肩关节助力运动，左侧钢丝33是通过主动钢丝轮34的旋转来驱动左侧肩关节的上举转轴16，运动解耦方式和右侧一致，如图6所示，参与耦合解耦的运动轴是左侧肩关节外展转轴14，钢丝的垂直直线段也是通过左侧肩关节外展转轴14进行旋转。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。