[發明專利]適用于上肢外骨骼機構腕部運動的機械結構及驅動方法

在審

• 申請號: 201910620102.6
• 申請日: 2019-07-10
• 公開（公告）號: CN110202555A
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 王衛星;朱春鵬;秦晴;李倩倩
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/10;B25J9/12;B25J9/14
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 李余江;程新敏

本發明公開了一種適用于上肢外骨骼機構腕部運動的機械結構及驅動方法，其結構包括基座、機械腕部組件、機械手部組件、電機驅動組件；所述的基座支撐整個上肢外骨骼腕部結構，所述的機械腕部組件與所述的基座連接，所述的機械手部組件與所述的機械腕部結構連接，所述的電機驅動組件作為整個上肢外骨骼腕部結構的動力源；所述的機械腕部結構主體部分采用雙搖桿機構。本發明結構通過電動驅動的方式，實現了腕部兩個自由度的運動，解決了現有電動驅動方式手部關節活動不全面的問題，降低了上肢外骨骼機械結構的成本。

技術領域

本發明涉及上肢外骨骼機械領域，特別涉及一種適用于上肢外骨骼機構腕部運動的機械結構及驅動方法。

背景技術

上肢外骨骼是一種可穿戴的人機一體化智能裝置，廣泛應用于軍事、工業和人體康復訓練領域。因此，開發和應用上肢外骨骼具有非?，F實的意義。

助力外骨骼始于1960年美國GE公司研制的單兵助力外骨骼Hardiman，該系統用于增強士兵的手臂持重能力。加拿大伯克利分校、美國雷聲公司、日本筑波大學、韓國漢陽大學等相繼研制了不同結構形式的外骨骼機器人。這些外骨骼系統多采用氣壓、液壓和電動驅動，主要應用于軍事和醫療康復領域。國內，針對外骨骼技術的研究處于起步階段，但起點高，發展比較迅速。其中，清華大學、哈爾濱工業大學、浙江大學、華中科技大學、西安交通大學中國科學院、河北工業大學等高校研究所等正在開展相關研究開發，多數尚未運用于實際。

如北京工業大學申請的一種柔性上肢助力外骨骼(108578173A)，包括外骨骼柔性執行部件和控制系統。柔性上肢助力外骨骼主要以負壓旋轉氣動人工肌肉作為柔性驅動元件，一個微型真空抽氣泵為負壓源，控制系統根據力傳感器、表面肌電傳感器以及慣性測量單元對肌肉力、肘關節角度以及人機交互力等進行測量，對上肢力、位和運動信息反饋進行實時處理，并對人機協同狀態進行估計，實時控制微型真空抽氣泵的負壓流量和氣路的切換，基于人機協同狀態對左臂和右臂上穿戴的外骨骼柔性執行部件上相應的負壓旋轉氣動人工肌肉進行壓力控制，在上肢活動過程中實時為左、右臂提供輔助肘關節彎曲和伸展的轉矩，達到為肘關節助力以及肘關節運動損傷康復訓練的目的。

又如電子科技大學申請的一種上肢助力外骨骼驅動系統(107671848A)，它是由：上臂氣液驅動缸、背帶、肩部內側關節、肩部前伸關節、下臂氣液驅動缸、肘關節、下臂支撐架組成。本發明采用以氣液串聯缸作為上肢助力外骨骼機構中肩關節和肘關節的驅動執行器，可在保留原氣動系統快速性的基礎上，通過液壓部分增強系統剛度和穩定性，克服氣動系統穩定性差，系統結構剛度低等缺點，同時提高系統柔順能力和運行精度。

總體來說，目前的國內外助力外骨骼機器人系統的驅動結構主要采用電動、液壓和氣壓三種。液壓驅動的助力外骨骼機器人負重能力強，剛度大，但系統重量大，油液容易泄露，柔順能力差；氣壓驅動的外骨骼機器人裝置輕巧，柔順能力強，但系統結構剛度低，運動穩定性低。電動驅動方式的系統結構簡單，精度高，但多數電動驅動方式的手部關節活動不全面。尤其是腕部結構的兩個自由度實現過程難度較大。

發明內容

本發明的目的在于克服現有電機驅動方式手部關節活動不全面的問題，提供了一種適用于上肢外骨骼機構腕部運動的機械結構及驅動方法。實現了腕關節的圓周運動和外擺內收兩個自由度的運動。

本發明的技術方案是這樣實現的：

包括基座、機械腕部組件、機械手部組件、電機驅動組件；所述的基座支撐整個上肢外骨骼腕部結構，所述的機械腕部組件與所述的基座連接，所述的機械手部組件與所述的機械腕部結構連接，所述的電機驅動組件作為整個上肢外骨骼腕部結構的動力源；所述的機械腕部結構主體部分采用雙搖桿機構。

進一步的，所述的齒輪組件包括主動齒輪、從動齒輪；所述的主動齒輪與前臂驅動軸連接，所述的主動齒輪與從動齒輪均為模數相等、分度圓相等的標準齒輪；所述的第三從動齒輪與連桿組件連接；所述從動齒輪同時與齒輪固定組件連接。