[發明專利]一種輕量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力機器人

有效

• 申請號: 201711408119.2
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN109953867B
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 劉連慶;楊鐵;于鵬;趙亮;李寧;常俊玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A63B23/12;A63B23/14;A63B21/00;A63B71/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 白振宇

1.一種輕量型多自由度仿生柔性外骨骼式上肢助力機器人，其特征在于：包括用于支撐上肢助力機器人的輪椅基座（9000），該輪椅基座（9000）的兩側結構相同，每側均包括依次連接的腕部掌屈/背屈運動組件（1000）、前臂內旋/外旋運動組件（2000）、肘部屈伸運動組件（3000）、盂肱關節運動組件（5000）及肩胛帶運動組件（6000），其中腕部掌屈/背屈運動組件（1000）、前臂內旋/外旋運動組件（2000）及肘部屈伸運動組件（3000）分別具有帶動各自運動組件轉動的套索驅動輪，所述盂肱關節運動組件（5000）包括依次串聯的盂肱前伸/后縮關節（5100）、盂肱內旋/外旋關節（5200）及盂肱外展/內收關節（5300），所述肩胛帶運動組件（6000）包括彼此串聯的肩胛帶前伸/后縮關節（6100）及肩胛帶上提/下落關節（6200），所述盂肱前伸/后縮關節（5100）與肘部屈伸運動組件（3000）相連，上臂固定組件（4000）連接于該盂肱前伸/后縮關節（5100），所述盂肱外展/內收關節（5300）與所述肩胛帶前伸/后縮關節（6100）連接，所述肩胛帶上提/下落關節（6200）與所述輪椅基座（9000）相連；所述盂肱前伸/后縮關節（5100）、盂肱內旋/外旋關節（5200）、盂肱外展/內收關節（5300）、肩胛帶前伸/后縮關節（6100）、肩胛帶上提/下落關節（6200）及腕部掌屈/背屈運動組件（1000）、前臂內旋/外旋運動組件（2000）和肘部屈伸運動組件（3000）各自的套索驅動輪分別通過一個套索驅動單元（8000）控制，各所述套索驅動單元（8000）分別安裝在輪椅基座（9000）上；所述外骨骼式上肢助力機器人通過各套索驅動單元（8000）的驅動控制具有腕部的掌屈/背屈、前臂的內旋/外旋、肘部屈伸以及盂肱關節的前伸/后縮、外展/內收、內旋/外旋和肩胛帶的上提/下落、前伸/后縮八個自由度；

所述肘部屈伸運動組件（3000）包括與前臂內旋/外旋運動組件（2000）連接的肘部屈伸執行臂（3001）及與盂肱關節運動組件（5000）連接的肘部屈伸支撐臂（3005），該肘部屈伸執行臂（3001）通過旋轉裝置與肘部屈伸支撐臂（3005）轉動連接；所述旋轉裝置包括套索驅動輪C（3002）、空心軸（3004）、拉線（1018）及套索安裝定位塊A（3008），該空心軸（3004）安裝在肘部屈伸支撐臂（3005）上，所述套索驅動輪C（3002）轉動安裝于空心軸（3004）上、并與所述肘部屈伸執行臂（3001）相連；在所述肘部屈伸支撐臂（3005）朝向肘部屈伸執行臂（3001）的一面、位于套索驅動輪C（3002）的兩側，分別安裝有套索安裝定位塊A（3008），每個所述套索安裝定位塊A（3008）內均穿入有拉線（1018），該拉線（1018）由所述套索驅動輪C（3002）上繞過，一端通過所述套索安裝定位塊A（3008）定位支撐鎖緊，另一端與所述套索驅動單元（8000）相連；所述空心軸（3004）內側連接有角度編碼器C（3006），該空心軸（3004）內部容置有編碼器延長套（3003），所述編碼器延長套（3003）的兩端分別與角度編碼器C（3006）的轉軸和套索驅動輪C（3002）相連；所述肘部屈伸支撐臂（3005）朝向肘部屈伸執行臂（3001）的一面開設有限位弧形槽（3009），所述套索驅動輪C（3002）上開設有限位螺紋孔（3007），通過限位裝置插入該限位弧形槽（3009）及限位螺紋孔（3007）內進行限位；

所述盂肱關節運動組件（5000）包括依次串聯的盂肱前伸/后縮關節（5100）、盂肱內旋/外旋關節（5200）及盂肱外展/內收關節（5300），該盂肱前伸/后縮關節（5100）的盂肱前伸/后縮關節旋轉軸中心線（J₄）、盂肱內旋/外旋關節（5200）的盂肱內旋/外旋關節旋轉軸中心線（J₅）及盂肱外展/內收關節（5300）的盂肱外展/內收旋轉軸中心線（J₆）非垂直相交于盂肱關節運動中心（O）；所述盂肱前伸/后縮關節（5100）包括通過旋轉裝置轉動連接的盂肱前伸/后縮執行臂（5101）和盂肱前伸/后縮支撐臂（5102），該盂肱前伸/后縮執行臂（5101）與所述上臂固定組件（4000）相連，所述盂肱內旋/外旋關節（5200）包括通過旋轉裝置轉動連接的盂肱內旋/外旋執行臂（5201）和盂肱內旋/外旋支撐臂（5202），所述盂肱外展/內收關節（5300）包括通過旋轉裝置轉動連接的盂肱外展/內收執行臂（5301）和盂肱外展/內收支撐臂（5302），該盂肱外展/內收支撐臂（5302）與所述肩胛帶運動組件（6000）相連；盂肱前伸/后縮支撐臂（5102）、盂肱內旋/外旋執行臂（5201）、盂肱內旋/外旋支撐臂（5202）及盂肱外展/內收執行臂（5301）上分別均勻開設有多個螺栓孔，該盂肱內旋/外旋執行臂（5201）及盂肱外展/內收執行臂（5301）上均設有凹槽，所述盂肱前伸/后縮支撐臂（5102）、盂肱內旋/外旋支撐臂（5202）通過該凹槽分別與盂肱內旋/外旋執行臂（5201）及盂肱外展/內收執行臂（5301）插接、并可調整盂肱前伸/后縮支撐臂（5102）與盂肱內旋/外旋執行臂（5201）之間以及盂肱內旋/外旋支撐臂（5202）與盂肱外展/內收執行臂（5301）之間的間距，在調整好后通過螺栓插入螺栓孔中固定；各所述旋轉裝置均與各自的套索驅動單元（8000）連接，由各自的所述套索驅動單元（8000）提供盂肱關節的前伸/后縮、內旋/外旋及外展/內收的驅動力矩；

所述套索驅動單元（8000）包括動力源、驅動安裝架（8004）、套索主動輪（8005）、扭矩傳感器（8006）、剎車豆（8007）、漲緊調整架（8008）、支撐板（8009）、導向板（8010）、調節螺栓（8011）及套索安裝定位塊B（8013），該動力源安裝在驅動安裝架（8004）上，輸出端連接有套索主動輪（8005），所述套索主動輪（8005）上安裝有兩個剎車豆（8007）；所述漲緊調整架（8008）的一端開有漲緊導向孔（8014），另一端安裝有支撐板（8009），該支撐板（8009）上設有調節螺栓（8011），所述驅動安裝架（8004）上延伸有導向板（8010），該導向板（8010）由所述漲緊導向孔（8014）穿過，所述調節螺栓（8011）與導向板（8010）抵接；所述漲緊調整架（8008）上安裝有兩個套索安裝定位塊B（8013），所述套索主動輪（8005）上纏繞有兩根拉線（1018），每根拉線（1018）的一端均固定在一個所述剎車豆（8007）上，另一端由一個所述套索安裝定位塊B（8013）穿過后與所述旋轉裝置連接；所述動力源的輸出端安裝有扭矩傳感器（8006）；所述漲緊調整架（8008）呈“L”形，所述漲緊導向孔（8014）開設在該“L”形的一邊，并在該邊上開設有用于固定套索安裝定位塊B（8013）的限位槽（8015）；所述支撐板（8009）固定在該“L”形另一邊的端部，在該邊上開有槽孔（8012），通過旋擰所述調節螺栓（8011）使導向板（8010）與漲緊調整架（8008）相對移動，進而調整所述漲緊調整架（8008）與套索主動輪（8005）之間的距離；調整好后的所述導向板（8010）通過螺栓插入槽孔（8012）中鎖緊固定。