一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人的制作方法

本发明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的发明专利中，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的发明专利中，公开了一种有源上肢运动康复助力外骨骼，该发明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。

在上述的发明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。

技术实现要素：

本发明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。

实现本发明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。

进一步的，所述的肘部前屈/后伸机构包括第一电机、第一减速器、第一联轴器、大臂下杆、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、第一转动轴、小臂上杆以及第一轴承端盖；

所述的大臂下杆下端设计为u字型，第一深沟球轴承和第二深沟球轴承位于u字形两侧圆孔内，其u字形开口形状使得小臂上杆旋转角度为0—120°，第一电机和第一减速器相连并固连在大臂下杆外侧，第一减速器输出轴通过第一联轴器与第一转动轴相连，第一转动轴通过花键与小臂上杆进行连接。

进一步的，所述的肩部前屈/后伸机构包括第二电机、第二减速器、第三深沟球轴承、第四深沟球轴承、第二转动轴、大臂上杆以及第二轴承端盖；

所述大臂上杆通过深沟球轴承和转动轴与肩部旋内/旋外机构后端部连杆相连接，后端部连杆的u字型内部开口角度使得大臂上杆的活动角度为0-180°，第三深沟球轴承和第四深沟球轴承位于肩部旋内/旋外机构后端部连杆u字形两侧圆孔内，第二电机和第二减速器相连并固连在肩部旋内/旋外机构后端部连杆外侧，第二减速器输出轴通过第二联轴器与第二转动轴相连，第二转动轴通过花键与大臂上杆进行连接。

进一步的，所述肩部外摆/内收机构通过套索与固定在背架上的电机相连接，驱动力矩通过套索传递，肩部旋内/旋外机构为被动自由度；肩部前屈/后伸机构、肘部前屈/后伸机构采用驱动减速电机系统直接驱动。

进一步的，所述的肩部外摆/内收机构包括第三电机、第三减速器、主动带轮、第一套索固定架、肩部固定杆、第二套索固定架、鲍登线、从动带轮、从动带轮固定盖、第五深沟球轴承、限位柱销、第三转动轴、第六深沟球轴承以及第三轴承端盖；

所述肩部固定杆端部设计为u字形，通过深沟球轴承和转动轴与肩部旋内/旋外前端部连杆相连接，第五深沟球轴承和第六深沟球轴承位于u字形两侧圆孔内，限位柱销一端固定在肩部固定杆上的孔内，一端与从动带轮上的弧形槽相配合，弧形槽角度为120°，保证肩部外摆/内收角度为0—120°，从动带轮通过花键和从动带轮固定盖与第三转动轴相连。

进一步的，还包括大臂绑带机构和小臂绑带机构；

所述大臂绑带机构包括大臂绑带、惯性测量单元、大臂绑带滑块；大臂绑带滑块在大臂下杆的滑槽内滑动，并通过螺钉进行固连。

进一步的，所述大臂绑带机构将外骨骼大臂与人体上肢进行绑定，在人体肩部进行旋内/旋外运动时，将带动肩部旋内/旋外机构的后端部连杆绕人体肩部旋内/旋外中心线进行运动，构成虚拟连架杆，固定端为人体肩部旋转中心，活动端为后端部连杆与第二中间连杆铰链连接处；

第一中间连杆与前端部连杆相连，形成另一个连架杆，固定端为第一中间连杆与前端部连杆铰链连接处，活动端为第一中间连杆与第二中间连杆铰链连接处；

前端部连杆与肩部外摆/内收机构的肩部固定杆相连，限制了前端部连杆在水平面上的移动；

上述机构共同构成双摇杆机构，使得外骨骼机器人肩部旋内/旋外的旋转中心线与人体肩部旋内/旋外旋转中心线共线。

进一步的，所述背架机构外侧且位于人体背部的位置设有惯性测量单元，大臂绑带外侧且位于人体大臂后侧位置设有惯性测量单元，小臂绑带机构的小臂绑带外侧且位于人体小臂后侧的位置设有惯性测量单元；

所述的两组上肢机构的大臂和小臂的长度都可以根据不同穿戴者进行调整。

进一步的，所述肘部前屈/后伸机构、肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构转动关节处均配置有编码器，背架机构上配置有微处理器、can通信模块、电路板、电源。

在上述的一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人，所述的各主动关节处都配备有高精度编码器，可以实时测量外骨骼各主动关节的运动学参数，大臂绑带和小臂绑带处以及背架外侧均安装有惯性测量单元，将背架外侧的惯性测量单元作为固定不动的参考点，构建上肢外骨骼机器人的机构数学模型，通过坐标转换可以得到安装在上肢绑带处的惯性测量单元相对于参考点的姿态变化，进而得到人体上肢肩关节和肘关节的运动信息。在穿戴者穿戴好本发明的上肢外骨骼机器人后，保持静止状态若干时间，进行各主动关节编码器和各惯性测量单元的初始信息采集，当穿戴者上肢进行运动时，通过配置的惯性测量单元采集穿戴者上肢运动数据，将数据传输给微处理器，通过数据处理得到人体关节运动信息，控制相应外骨骼关节的驱动机构进行输出，实现上肢外骨骼的运动，外骨骼运动将带动关节编码器开始计数，可以实时测量出外骨骼关节的运动学信息，监测上肢外骨骼机构的运动是否正确，将其作为反馈输入到处理器中，完成对关节驱动机构的闭环控制，实现本发明与穿戴者的运动匹配。其中，各模块之间的通信方式是基于can总线通信协议的。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过肩部旋内/旋外机构及与其相连接的机构构成的双摇杆机构，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，在人体肩部执行运动时，外骨骼肩部能够实现协同运动，提高人体穿戴舒适性，降低机构运动阻力，减小人机运动干涉；能够有效避免肩部运动时外骨骼上肢与人体上肢发生相对运动，有效降低关节驱动电机输出功率。

(1)本发明肩部外摆/内收机构采用套索驱动的方式实现驱动电机和外骨骼关节的分离，有效降低肩部外摆/内收关节结构尺寸，避免肩部执行旋内/旋外运动时，与肩部前屈/后伸机构发生运动干涉。

(3)本发明在实现上肢外骨骼各关节之间的距离可调的同时，还增加了绑带位置调节装置，使得大臂和小臂的绑带位置可以进行调节，进一步提高了人体穿戴的舒适性。

(4)本发明各主动关节都设置有关节限位装置，具有关节保护功能，使用时安全可靠，避免对人体关节造成伤害。

附图说明

图1是本发明的上肢外骨骼机器人结构示意图。

图2是本发明肩部旋内/旋外机构示意图。

图3是本发明肩部外摆/内收机构示意图。

图4是本发明大臂绑带机构示意图。

图5是本发明上肢外骨骼肩部前屈/后伸效果示意图。

图6是本发明上肢外骨骼肩部外摆/内收效果示意图。

图7是本发明上肢外骨骼肩部旋内/旋外效果示意图。

图8是本发明控制方法流程图。

附图标记说明：

1-小臂绑带机构，2-小臂，3-肘部前屈/后伸机构，4-大臂绑带机构，5-大臂，6-肩部前屈/后伸机构，7-肩部旋内/旋外机构，8-肩部外摆/内收机构，9-套索，10-背架机构，11-电机，4-1-大臂绑带，4-2-惯性测量单元，4-3-大臂绑带滑块，7-1-前端部连杆，7-2-第一中间连杆，7-3-第二中间连杆，7-4-后端部连杆，8-1-肩部固定杆，8-2-第二套索固定架，8-3-鲍登线，8-4-从动带轮，8-5-从动带轮固定盖，8-6-第五深沟球轴承，8-7-限位柱销，8-8-第三转动轴，8-9-第六深沟球轴承，8-10-第三轴承端盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一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10和两组上肢机构，两组上肢机构对称设置在背架机构两侧，其中，背架机构为竖直放置的结构，通过背带固定在人体背部。上肢机构包括肘部前屈/后伸机构3、肩部前屈/后伸机构6、肩部外摆/内收机构8、肩部旋内/旋外机构7以及绑带机构4、1。肩部外摆/内收机构8通过套索9与固定在背架机构10上的电机11相连接，驱动力矩通过套索传递，肩部前屈/后伸机构6、肘部前屈/后伸机构3采用驱动减速电机系统6、3直接驱动，肩部旋内/旋外机构8为被动自由度。

其中，两组上肢机构的大臂5和小臂2的长度均可以调节来适应不同穿戴者。

其中，肘部前屈/后伸机构3包括第一电机、第一减速器、第一联轴器、大臂下杆、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、第一转动轴、小臂上杆以及第一轴承端盖。所述的大臂下杆下端设计为u字型，第一深沟球轴承和第二深沟球轴承位于u字形两侧圆孔内，其u字形开口形状使得小臂上杆旋转角度为0—120°，第一电机和第一减速器相连并固连在大臂下杆外侧，第一减速器输出轴通过第一联轴器与第一转动轴相连，第一转动轴通过花键与小臂上杆进行连接。当人体上肢肘关节进行前屈/后伸运动时，第一电机和第一减速器的输出轴转动带动第一转动轴和小臂上杆相对大臂下杆进行转动，实现跟随人体运动和辅助人体做功。

结合图2，肩部旋内/旋外机构7包括前端部连杆7-1、第一中间连杆7-2、第二中间连杆7-3以及后端部连杆7-4。各连杆之间通过铰链相连。其中后端部连杆7-4设计为u字形，u字形内部开口角度为0—180°。

结合图1、图2，肩部前屈/后伸机构6包括第二电机、第二减速器、第三深沟球轴承、第四深沟球轴承、第二转动轴、大臂上杆以及第二轴承端盖，其中，大臂上杆通过深沟球轴承和转动轴与肩部旋内/旋外机构后端部连杆7-4相连接，后端部连杆7-4的u字型内部开口角度使得大臂上杆的活动角度为0-180°，第三深沟球轴承和第四深沟球轴承位于肩部旋内/旋外机构后端部连杆7-4的u字形两侧圆孔内，第二电机和第二减速器相连并固连在肩部旋内/旋外机构后端部连杆7-4外侧，第二减速器输出轴通过第二联轴器与第二转动轴相连，第二转动轴通过花键与大臂上杆进行连接。通过第二电机和第二减速器的输出轴转动带动大臂上杆相对于肩部旋内/旋外机构后端部连杆7-4进行转动，可以实现跟随人体肩关节前屈/后伸动作并辅助人体做功。

结合图1、图3，肩部外摆/内收机构8包括第三电机、第三减速器、主动带轮、第一套索固定架、肩部固定杆8-1、第二套索固定架8-2、鲍登线8-3、从动带轮8-4、从动带轮固定盖8-5、第五深沟球轴承8-6、限位柱销8-7、第三转动轴8-8、第六深沟球轴承8-9以及第三轴承端盖8-10。其中肩部固定杆8-1端部设计为u字形，通过深沟球轴承和转动轴与肩部旋内/旋外机构前端部连杆7-1相连接，第五深沟球轴承8-6和第六深沟球轴承8-9位于u字形两侧圆孔内，限位柱销8-7一端固定在肩部固定杆8-1上的孔内，一端与从动带轮8-4上的弧形槽相配合，弧形槽角度为120°，保证肩部外摆/内收角度为0—120°，从动带轮8-4通过花键和从动带轮固定盖8-5与第三转动轴8-8相连。第三电机和第三减速器可以通过与主动带轮连接的鲍登线8-3，将输出扭矩传送到与第三转动轴8-8相连的从动带轮8-4上，进而带动肩部旋内/旋外机构前端部连杆7-1相对肩部固定杆8-1进行转动，通过肩部旋内/旋外机构前端部连杆7-1的转动带动外骨骼上肢进行肩关节外摆/内收运动，实现人体运动跟随和辅助做功。

结合图1、图2、图3，大臂绑带机构4将外骨骼大臂与人体上肢进行绑定，在人体肩部进行旋内/旋外运动时，将带动肩部旋内/旋外机构7的后端部连杆7-4绕人体肩部旋内/旋外中心线进行运动，构成虚拟连架杆，固定端为人体肩部旋转中心，活动端为后端部连杆7-4与第二中间连杆7-3铰链连接处。第一中间连杆7-2与前端部连杆7-1相连，形成另一个连架杆，固定端为第一中间连杆7-2与前端部连杆7-1铰链连接处，活动端为第一中间连杆7-2与第二中间连杆7-3铰链连接处。前端部连杆7-1与肩部外摆/内收机构8的肩部固定杆相连，限制了前端部连杆7-1在水平面上的移动。上述机构共同构成双摇杆机构，使得外骨骼机器人肩部旋内/旋外的旋转中心线与人体肩部旋内/旋外旋转中心线共线。所述的双摇杆机构，其各活动铰链旋转中心线始终与外骨骼机器人肩部外摆/内收自由度、前屈/后伸自由度旋转中心线互相垂直，可以传递外骨骼机器人肩部外摆/内收、前屈/后伸运动时的力矩。

肩部外摆/内收机构8的肩部固定杆8-1与背架机构10固连，位在人体肩关节正后方，肩部旋内/旋外机构7的前端部连杆7-1相对肩部固定杆进行转动，确保外骨骼机器人肩部外摆/内收的旋转中心线与人体肩关节的外摆/内收自由度的旋转中心线共线。

在人体肩关节进行旋内/旋外或外摆/内收动作时，通过上述双摇杆机构，使得肩部前屈/后伸机构6能够跟随人体上肢进行运动，保证其旋转中心线与人体肩关节的前屈/后伸的旋转中心线共线，使得外骨骼大臂与人体大臂保持相对位置固定不动，可以避免第二电机因外骨骼与人体上肢发生相对运动而做功，能够有效降低第二电机的输出功率。

结合图1、图2、图5、图6和图7及上述说明，外骨骼机器人肩部外摆/内收的旋转中心线为j1，肩部前屈/后伸的旋转中心线为j2，肩部旋内/旋外的旋转中心线为j3，三条旋转中心线分别与人体肩关节各相应旋转中心线共线，交于人体肩关节转动中心。

结合图4，大臂绑带机构4包括大臂绑带4-1、惯性测量单元4-2、大臂绑带滑块4-3。大臂绑带滑块4-3可以在大臂下杆的滑槽内滑动，并通过螺钉进行固连，通过调节大臂绑带滑块4-3的位置，可以使得大臂绑带机构4位于人体手臂不同位置，提高人体穿戴舒适性。

为了获取人体上肢在运动时的肘关节和肩关节的运动信息，需要安装惯性测量单元，背架机构10外侧且位于人体背部的位置设有惯性测量单元，大臂绑带4-1外侧且位于人体大臂后侧的位置设有惯性测量单元，小臂绑带机构1的小臂绑带外侧且位于人体小臂后侧的位置设有惯性测量单元。为了精确测量外骨骼肩部和肘部各主动关节转过的角度，需要在各主动关节处安装编码器，其肘部前屈/后伸机构3、肩部前屈/后伸机构6、肩部外摆/内收8机构转动关节处均配置有编码器。

结合图8，首先构建本发明上肢外骨骼机器人的机构数学模型，在穿戴者穿戴好本发明的上肢外骨骼机器人后，保持静止状态若干时间，进行各主动关节编码器和各惯性测量单元的初始信息采集，在运动过程中，通过坐标转换得到安装在上肢绑带处的惯性测量单元相对于背架外侧惯性测量单元参考点的姿态变化，进而得到人体上肢肩关节和肘关节的运动信息，根据该信息来控制外骨骼各主动关节执行器进行输出，并将编码器获取到的外骨骼关节运动信息作为反馈，完成闭环控制，实现本发明与穿戴者的运动匹配。