本發(fā)明涉及機(jī)器人穿戴領(lǐng)域，特別是涉及一種增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)：

穿戴型機(jī)器人是近年來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，主要分為上肢、下肢和全身穿戴系統(tǒng)三類(lèi)。而人體上肢主要從事精細(xì)化操作，因此將人作為控制主體，依靠外部動(dòng)力進(jìn)一步擴(kuò)大上肢的生理能力與環(huán)境適應(yīng)力，如進(jìn)一步提高人舉起重物的能力，對(duì)于拓展人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域與工作效率有著積極的意義，在許多領(lǐng)域也有著很好的應(yīng)用前景。

從解剖學(xué)可知，人體上肢具有復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)，要令穿戴機(jī)械臂與上肢能實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)作，需使得穿戴機(jī)構(gòu)的自由度與上肢盡可能保持一致。這樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)極為復(fù)雜，成本隨之攀升，一定程度限制其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，特別是上肢中最為復(fù)雜的肩胛區(qū)，更是上肢穿戴型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前肩部穿戴機(jī)構(gòu)普遍是用三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸相互垂直的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)將肩關(guān)節(jié)近似為球關(guān)節(jié)，通常具有三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)軸空間內(nèi)互相垂直且交匯于一點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)存在一些弊端，如肩部機(jī)構(gòu)重量增加、各部件間以及部件與人體間容易發(fā)生碰撞、工作空間小，難以實(shí)現(xiàn)便攜穿戴等，同時(shí)控制上需考慮其奇異性，增加了控制難度。在一定程度上縮小了應(yīng)用范圍，提升了設(shè)計(jì)難度。

因此，對(duì)于增力型穿戴機(jī)械臂肩部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需在保證運(yùn)動(dòng)性能和增力效果的前提下，盡可能降低其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度、機(jī)構(gòu)重量并擴(kuò)大其運(yùn)動(dòng)范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)球關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬，擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中易碰撞、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、重量重以及成本高等問(wèn)題。

一種增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)的具體方案如下：

一種增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)，包括：

第一連桿，第一連桿與第二連桿間隔設(shè)定距離設(shè)置，且兩根連桿的前側(cè)與第一連接件鉸接連接，兩根連桿的后側(cè)與第二連接件鉸接連接，在第一連桿的前側(cè)設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第一連桿、第二連桿、第一連接件與第二連接件構(gòu)成第一平行四邊形；

第三連桿，第三連桿與第四連桿間隔設(shè)定距離設(shè)置，且第三連桿與第四連桿前側(cè)與第三連接件鉸接連接，第三連桿與第四連桿后側(cè)均與第二連桿實(shí)現(xiàn)鉸接連接，在第三連桿的前側(cè)設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第三連桿、第四連桿、第三連接件和第二連桿構(gòu)成第二平行四邊形；

第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)繞x軸或y軸旋轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)繞y軸或x軸旋轉(zhuǎn)，由第一連桿、第二連桿、第一平行四邊形和第二平行四邊形構(gòu)成的雙平行四邊形機(jī)構(gòu)可繞z軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，其中x、y、z空間相互垂直，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)球關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬的同時(shí)，有效降低整個(gè)肩部機(jī)構(gòu)的重量，同時(shí)，各個(gè)連桿通過(guò)鉸接連接，負(fù)載施加后，可通過(guò)鉸接點(diǎn)進(jìn)行力的分散，有效提高了機(jī)構(gòu)的增力性能，而無(wú)需增加主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。

為了減輕連桿的質(zhì)量，所述第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿的前側(cè)均為撥叉型。

為了配合第一連桿與第二連桿的形狀，同時(shí)保證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)靈活性，所述第一連接件包括第一上連接件和第一下連接件，且第一上連接件和第一下連接件的兩端分別與第一連桿、第二連桿鉸接設(shè)置。

所述第一連桿與第二連桿的后側(cè)均設(shè)置開(kāi)口，所述第二連接件設(shè)于該開(kāi)口內(nèi)。

為了方便第二連桿最后側(cè)與第三連桿的固定，所述第二連桿的后側(cè)彎折設(shè)置，這樣第四連桿設(shè)于第二連桿的中后側(cè)。

所述第一上連接件和第一下連接件之間通過(guò)第一豎桿連接，所述第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第一豎桿連接。

所述第三連接件包括第三上連接件和第三下連接件，這兩個(gè)連接件均與第三連桿、第四連桿分別鉸接設(shè)置。

所述第三上連接件和第三下連接件之間通過(guò)第二豎桿連接，所述第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第二豎桿連接。

第四連桿設(shè)于第三連桿的內(nèi)側(cè)，第二連桿設(shè)于第一連桿的內(nèi)側(cè)，所述第四連桿與第二連接件可一體設(shè)置，這樣第四連桿的中后部同樣是彎折設(shè)置的，這樣第四連桿的最后側(cè)與第一連桿鉸接設(shè)置。

雙平行四邊形機(jī)構(gòu)中，所述第四連桿與豎直方向之間的夾角與第三連桿與豎直方向之間的夾角是相同的；

所述第一連桿與第二連桿的長(zhǎng)度相同，第三連桿與第四連桿的長(zhǎng)度相同。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種穿戴型機(jī)器人增力方法，采用所述的一種增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)，

將第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為上肢前屈/后伸以及外展/內(nèi)對(duì)應(yīng)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，將雙平行四邊形機(jī)構(gòu)形成的繞z軸旋轉(zhuǎn)的被動(dòng)關(guān)節(jié)，負(fù)載施加在z方向的力大部分由鉸接點(diǎn)承擔(dān)，繞z旋轉(zhuǎn)時(shí)上肢只需克服鉸接點(diǎn)阻尼即可，受力較小，可在其工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)肩關(guān)節(jié)的力輔助作業(yè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明連桿與連接件的鉸接設(shè)置，可保證機(jī)構(gòu)的自由度，同時(shí)，可有利于對(duì)負(fù)載施加在z方向的部分力進(jìn)行承擔(dān)。

2)本發(fā)明中機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)x軸，y軸和z軸的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到模擬肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的目的；再者方便旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，避免與機(jī)構(gòu)其他部件發(fā)生碰撞。

3)本發(fā)明中機(jī)構(gòu)的設(shè)置，降低了肩部設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，機(jī)構(gòu)重量減輕，擴(kuò)大了運(yùn)動(dòng)范圍，可有效擺脫傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中易碰撞、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、重量重以及成本高等問(wèn)題，可以極大地降低該類(lèi)機(jī)器人的控制難度，擴(kuò)大其應(yīng)用場(chǎng)合與范圍。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明雙平行四邊形機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖3是本發(fā)明雙平行四邊形機(jī)構(gòu)的示意圖；

其中：1、第一連桿，2、第二連桿，3、第三連桿，4、第四連桿，5、第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，6、第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，a、b、c、d、e、f、g分別為鉸接點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，為了解決如上的技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)及方法。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，一種增力型穿戴機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)，包括：

第一連桿1，第一連桿1與第二連桿2間隔設(shè)定距離設(shè)置，且兩根連桿的前側(cè)與第一連接件鉸接連接，兩根連桿的后側(cè)與第二連接件鉸接連接，在第一連桿1的前側(cè)設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5，第一連桿1、第二連桿2、第一連接件與第二連接件構(gòu)成第一平行四邊形；

第三連桿3，第三連桿3與第四連桿4間隔設(shè)定距離設(shè)置，且第三連桿3與第四連桿4前側(cè)與第三連接件鉸接連接，第三連桿3與第四連桿4后側(cè)均與第二連桿實(shí)現(xiàn)鉸接連接，在第三連桿3的前側(cè)設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6，第三連桿3、第四連桿4、第三連接件和第二連桿構(gòu)成第二平行四邊形；

第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5繞x軸旋轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6繞y軸旋轉(zhuǎn)，由第一連桿、第二連桿、第一平行四邊形和第二平行四邊形構(gòu)成的雙平行四邊形機(jī)構(gòu)可繞z軸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，其中x、y、z空間相互垂直，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)球關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬的同時(shí)，有效降低整個(gè)肩部機(jī)構(gòu)的重量，其中，第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6分別通過(guò)電機(jī)與減速機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行各自方向的旋轉(zhuǎn)。

4根連桿與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)依次通過(guò)鉸接點(diǎn)a、b、c、d、e、f、g鉸接而成，雙平行四邊形機(jī)構(gòu)在保證一定條件下，可實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)，其中x、y、z空間相互垂直，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)球關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模擬的同時(shí)，有效降低整個(gè)肩部機(jī)構(gòu)的重量。對(duì)于增力型上肢穿戴肩關(guān)節(jié)而言，將第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6作為上肢前屈/后伸以及外展/內(nèi)對(duì)應(yīng)的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，將雙平行四邊形機(jī)構(gòu)形成的繞z軸旋轉(zhuǎn)的被動(dòng)關(guān)節(jié)，這樣，人在穿戴好本發(fā)明的機(jī)器人肩部機(jī)構(gòu)后，在抬高重物時(shí)，負(fù)載施加在z方向的力大部分由鉸接點(diǎn)承擔(dān)，繞z旋轉(zhuǎn)時(shí)上肢只需克服鉸接點(diǎn)阻尼即可，受力較小，可在其工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)肩關(guān)節(jié)的力輔助作業(yè)。發(fā)明中的組合連桿機(jī)構(gòu)可表示為圖2所示，為達(dá)到要求的效果，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，本發(fā)明中涉及的連桿的尺寸和形狀可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到穿戴后肩關(guān)節(jié)工作空間達(dá)到最大以及穿戴機(jī)構(gòu)重量有效降低的效果，但從前面論述可知，該機(jī)構(gòu)一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是要求保證組合連桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)繞z軸旋轉(zhuǎn)，如圖2虛線所示。因此組合連桿應(yīng)滿足ab＝cd，bc＝ad，ag＝ef，ae＝fg，(ab為鉸接點(diǎn)a和鉸接點(diǎn)b之間的長(zhǎng)度，其他以此類(lèi)推)δ＝ψ，如圖3所示，偏差角的設(shè)計(jì)一是用來(lái)調(diào)節(jié)x軸和y軸之間的角度，使其互相垂直，從而達(dá)到模擬肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的目的；再者方便第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)5和第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6的設(shè)計(jì)，避免與機(jī)構(gòu)其他部件發(fā)生碰撞。

現(xiàn)有技術(shù)中，穿戴機(jī)器人肩部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的，是一種主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在電機(jī)的輔助下，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體上肢力量的增加，這樣現(xiàn)有技術(shù)采用三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以看出，體積大、重量重、三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)間容易碰撞，且成本高，同時(shí)，要避免碰撞，上肢的活動(dòng)范圍就要受一定限制，從而縮小了它的應(yīng)用場(chǎng)合。

而本發(fā)明中將肩部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)本發(fā)明中提到的上述提到的尺寸和角度的限制，可以使這一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)繞z軸的旋轉(zhuǎn)，具體如圖2所示。結(jié)合圖3中角度的調(diào)整(在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中)，保證圖1所示的繞以o為原點(diǎn)的x、y和z軸的旋轉(zhuǎn)。對(duì)比傳統(tǒng)肩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，本發(fā)明用多連桿機(jī)構(gòu)代替了電機(jī)+減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，由于代替的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)是繞z軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，而增力效果主要依靠繞x軸和y軸的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)增力效果的同時(shí)，節(jié)約了成本，連桿機(jī)構(gòu)重量輕，也降低了對(duì)人體的負(fù)擔(dān)。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。