一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構。包括兩個結構相同的單臂部件和背部支架；兩個單臂部件中的肩關節分別安裝在背部支架頂板的兩側上，兩個肘關節軸經各自的肘部鋼絲牽引線與背部支架中各自的氣動肌肉連接，兩個肩關節軸分別經各自的肩部鋼絲牽引線與背部支架中各自的氣動肌肉連接。單臂部件共四個自由度，分別是肘部的屈-伸、肩關節的屈-伸、肩關節的外展-內收和肩關節的旋內-旋外轉動副。穿戴好氣動肌肉驅動的助力外骨骼上肢后，借助氣動肌肉收縮產生的拉力，在穿戴者托舉重物時可提高托舉強度，實現提升穿戴人員的機能力量。本實用新型在軍事行動和災難救援、救護等人的力量不足以支持所需負荷的場合，具有重要意義。
【專利說明】一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及仿生結構的機器人，尤其是涉及一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構。
【背景技術】
[0002]外骨骼技術是一種可穿戴式機器人技術，模仿生物界的外骨骼開發的一種新型機電一體化裝置，可穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供了諸如保護、身體支撐、運動輔助等功能。
[0003]外骨骼的驅動大多數采用電機或液壓方式完成，只有少數采用氣壓方式驅動，且主要見于醫療康復治療等輕載應用場合。電機驅動的不足之處在于功率/質量比較小，有限重量的電機難以承擔較大負荷。液壓驅動的缺點，主要在于泄漏問題、系統工作效率較低及系統成本高。氣壓驅動方式，雖然具有工作介質對環境和人體友好，元器件重量輕、價格便宜等優點，但由于常規的氣缸執行器與液壓缸相比功率/體積質量比遠遠不如，無法滿足有較大負荷要求但安裝空間有限、對輕便性要求較高的外骨骼助力系統的需要，沒能得到廣泛應用。
[0004]但隨著近年來新型氣動元件一氣動肌肉(Pneumatic Muscle Actuator, PMA)的出現，因其優良的功率/體積比和功率/質量比，使氣壓驅動在外骨骼助力系統中逐步替代液壓驅動成為了可能。

【發明內容】

[0005]本實用新型的目的在于提供一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，可以提升穿戴人員的機能力量，并完成重物托舉。
[0006]本實用新型采用的技術方案是:
[0007]本實用新型包括兩個結構相同的單臂部件和背部支架；單臂部件從下至上依次由小臂、肘關節、上臂和肩關節構成，兩個單臂部件中的肩關節分別安裝在背部支架頂板的兩側上，兩個肘關節軸經各自的肘部鋼絲牽引線與背部支架中各自的氣動肌肉連接，兩個肩關節軸分別經各自的肩部鋼絲牽引線與背部支架中各自的氣動肌肉連接。
[0008]所述小臂，包括L形小臂托板和小臂桿；L形小臂托板安裝在小臂桿的一端外側面上。
[0009]所述肘關節，包括肘關節軸、軸端擋圈、肘關節聯軸器、肘關節角位移傳感器和肘關節角位移傳感器安裝板；小臂桿的另一端與上臂底桿的一端通過肘關節軸連接形成肘部的屈-伸轉動副，上臂底桿的一端與肘關節軸之間通過上臂底桿的一端外側的軸端擋圈進行軸向定位，位于軸端擋圈外的肘關節軸與肘關節聯軸器相連；肘關節角位移傳感器通過肘關節角位移傳感器安裝板安裝在肘關節聯軸器的外側，肘關節角位移傳感器一端伸出軸插入肘關節聯軸器一端的中心孔中，肘關節軸一端伸出軸插入肘關節聯軸器另一端的中心孔中；肘關節角位移傳感器與肘關節軸之間通過肘關節聯軸器相連實現同步轉動；肘關節角位移傳感器安裝板安裝在上臂底桿的外側。
[0010]所述上臂，包括第一gamma形走線板、上臂底桿、上臂頂桿和第二 r形走線板；上臂底桿的另一端底面開有沿長度方向的導軌槽，上臂底桿的另一端上面開有一段與所述導軌槽相通的凹槽，上臂頂桿一端側面有凸起導軌，上臂底桿導軌槽與上臂頂桿凸起導軌相嵌并通過螺栓定位，改變上臂底桿和上臂頂桿配合的長度即改變整個上臂的長度，第一gamma形走線板的一邊固定在上臂底桿的一端側面，第二gamma形走線板的一邊固定在上臂頂桿的另一端側面。
[0011]所述肩關節，包括肩關節軸、肩部第一直角連接板、第一轉軸、肩部第二直角連接板、第二轉軸、肩寬可調板、導軌、肩部直角加強筋、肩關節聯軸器、肩關節角位移傳感器、肩關節角位移傳感器安裝板和平板走線板；上臂頂桿的另一端與肩部第一直角連接板一邊通過肩關節軸相連，從而形成肩關節的屈-伸轉動副；肩部第一直角連接板另一邊和肩部第二直角連接板通過第一轉軸連接，從而形成肩關節的外展-內收轉動副；肩部第二直角連接板與肩寬可調板一端通過第二轉軸連接，從而形成肩關節的旋內-旋外轉動副；肩寬可調板底面沿長度方向開有凹槽，導軌的一端相嵌在肩寬可調板凹槽內通過螺栓定位，從而改變兩肩關節之間的距離，導軌的另一端固定在背部支架的頂板上面的兩側；肩關節角位移傳感器通過肩關節角位移傳感器安裝板安裝在肩關節聯軸器的外側，肩關節角位移傳感器一端伸出軸插入肩關節聯軸器一端的中心孔中，肩關節軸一端伸出軸插入肩關節聯軸器另一端的中心孔中；肩關節角位移傳感器與肩關節軸之間通過肩關節聯軸器相連實現同步轉動；肩關節角位移傳感器安裝板安裝在肩部第一直角連接板的直角面，平板走線板安裝在肩關節角位移傳感器安裝板外側。
[0012]所述背部支架，包括頂板、底板、七根背部立柱、四個雙耳吊環、四根氣動肌肉、四個連接法蘭、兩根肘部鋼絲牽引線和兩根肩部鋼絲牽引線；七根背部立柱支撐在頂板和底板之間，四根氣動肌肉的一端分別經各自的連接法蘭固定在底板上，四根氣動肌肉的另一端分別與雙耳吊環連接，兩根肘部鋼絲牽引線和兩根肩部鋼絲牽引線的一端分別穿過頂板后，與各自的雙耳吊環連接，四根氣動肌肉的一端分別與氣源相連。
[0013]本實用新型具有的有益效果是:
[0014]本實用新型采用了一種具有類似人類肌肉輸出特性的柔性執行器一氣動肌肉(Pneumatic Muscle Actuator, PMA),使氣壓驅動在外骨骼助力系統中逐步替代液壓驅動成為了可能。同時也滿足了清潔、質量輕、價格低、柔順性好等要求。穿戴者穿戴好氣動肌肉驅動的助力外骨骼上肢后，借助氣動肌肉收縮產生的拉力，在穿戴者托舉重物時可大幅度提高托舉強度，實現提升穿戴人員的機能力量的目的。本實用新型在軍事行動和災難救援、救護等人的力量不足以支持所需負荷的場合，具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是基于氣動肌肉的助力外骨骼上肢的結構示意圖。
[0016]圖2是小臂的結構示意圖。
[0017]圖3是肘關節的結構示意圖。
[0018]圖4是上臂的結構示意圖。
[0019]圖5是肩關節的結構不意圖。[0020]圖6是背部支架的結構示意圖。
[0021]圖中:1、小臂，2、肘關節，3、上臂，4、肩關節，5、背部支架，6、T形小臂托板，7、小
臂桿，8、肘關節軸，9、軸端擋圈，10、肘關節聯軸器，11、肘關節角位移傳感器，12、肘關節角位移傳感器安裝板，13、第一走T形線板，14、上臂底桿，15、上臂頂桿，16、第二 T形走線板，17、肩關節軸，18、肩部第一直角連接板，19、第一轉軸，20、肩部第二直角連接板，21、第二轉軸，22、肩寬可調板，23、導軌，24、肩部直角加強筋，25、肩關節聯軸器，26、肩關節角位移傳感器，27、肩關節角位移傳感器安裝板，28、平板走線板，29、頂板，30、底板，31、背部立柱，32、背部靠板，33、雙耳吊環，34、氣動肌肉，35、連接法蘭，36、肘部鋼絲牽引線，37、肩部鋼絲牽引線。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。
[0023]如圖1所示，本實用新型包括兩個結構相同的單臂部件和背部支架5 ;單臂部件從下至上依次由小臂1、肘關節2、上臂3和肩關節4構成，兩個單臂部件中的肩關節4分別安裝在背部支架5頂板的兩側上，兩個肘關節軸經各自的肘部鋼絲牽引線36與背部支架5中各自的氣動肌肉連接，兩個肩關節軸分別經各自的肩部鋼絲牽引線37與背部支架5中各自的氣動肌肉連接。單臂部件共四個自由度，分別是肘部的屈-伸、肩關節的屈-伸、肩關節的外展-內收和肩關節的旋內-旋外轉動副。
[0024]如圖2所示，所述小臂1，包括T形小臂托板6和小臂桿7;T形小臂托板6安裝在小臂桿7的一端外側面上。
[0025]如圖3所示，所述肘關節2，包括肘關節軸8、軸端擋圈9、肘關節聯軸器10、肘關節角位移傳感器11和肘關節角位移傳感器安裝板12 ;小臂桿7的另一端與上臂底桿14的一端通過肘關節軸8連接形成肘部的屈-伸轉動副，上臂底桿14的一端與肘關節軸8之間通過上臂底桿14的一端外側的軸端擋圈9進行軸向定位,位于軸端擋圈9外的肘關節軸8與肘關節聯軸器10相連；肘關節角位移傳感器11通過肘關節角位移傳感器安裝板12安裝在肘關節聯軸器10的外側，肘關節角位移傳感器11 一端伸出軸插入肘關節聯軸器10 —端的中心孔中，肘關節軸8 —端伸出軸插入肘關節聯軸器10另一端的中心孔中；肘關節角位移傳感器11與肘關節軸8之間通過肘關節聯軸器10相連實現同步轉動；從而可以測得肘關節軸8的旋轉角度；肘關節角位移傳感器安裝板12安裝在上臂底桿14的外側。
[0026]如圖4所示，所述上臂3，包括第一 T形走線板13、上臂底桿14、上臂頂桿15和第二 T形走線板16 ;上臂底桿14的另一端底面開有沿長度方向的導軌槽，上臂底桿14的另一端上面開有一段與所述導軌槽相通的凹槽，上臂頂桿15 —端側面有凸起導軌，上臂底桿14導軌槽與上臂頂桿15凸起導軌相嵌并通過螺栓定位，改變上臂底桿14和上臂頂桿15配合的長度即改變整個上臂的長度，第一 T形走線板13的一邊固定在上臂底桿14的一端側面，第二 T形走線板16的一邊固定在上臂頂桿15的另一端側面。
[0027]改變上臂底桿14和上臂頂桿15配合的長度即可改變整個上臂的長度，可適應不同上臂長度的穿戴者。第一 T形走線板13、第二 T形走線板16的作用是引導肘部鋼絲牽引線36。對應驅動肘關節軸8的氣動肌肉收縮34時，牽引肘部鋼絲牽引線36。肘部鋼絲牽引線36經過平板走線板28、第二 T形走線板16、第一T形走線板13的引導，繞在肘關節軸8上，肘部鋼絲牽引線36的末端通過螺栓固定在肘關節軸8上。對肘關節軸8產生輔 助力矩，從而減輕穿戴者托舉重物時的負擔。
[0028]如圖5所示，所述肩關節4，包括肩關節軸17、肩部第一直角連接板18、第一轉軸 19、肩部第二直角連接板20、第二轉軸21、肩寬可調板22、導軌23、肩部直角加強筋24、肩關 節聯軸器25、肩關節角位移傳感器26、肩關節角位移傳感器安裝板27和平板走線板28 ;上 臂頂桿15的另一端與肩部第一直角連接板18—邊通過肩關節軸17相連，從而形成肩關節 的屈-伸轉動副；肩部第一直角連接板18另一邊和肩部第二直角連接板20通過第一轉軸 19連接，從而形成肩關節的外展_內收轉動副；肩部第二直角連接板20與肩寬可調板22 — 端通過第二轉軸21連接，從而形成肩關節的旋內-旋外轉動副；肩寬可調板22底面沿長度 方向開有凹槽，導軌23的一端相嵌在肩寬可調板22凹槽內通過螺栓定位，從而改變兩肩關 節之間的距離，導軌23的另一端固定在背部支架5的頂板29上面的兩側；肩關節角位移傳 感器26通過肩關節角位移傳感器安裝板27安裝在肩關節聯軸器25的外側，肩關節角位移 傳感器26 —端伸出軸插入肩關節聯軸器25 —端的中心孔中，肩關節軸17 —端伸出軸插入 肩關節聯軸器25另一端的中心孔中；肩關節角位移傳感器26與肩關節軸17之間通過肩關 節聯軸器25相連實現同步轉動；肩關節角位移傳感器安裝板27安裝在肩部第一直角連接 板18的直角面，平板走線板28安裝在肩關節角位移傳感器安裝板27外側，肩部第一直角 連接板18直角處裝有肩部直角加強筋24。
[0029]平板走線板28用于肘部鋼絲牽引線36和肩部鋼絲牽引線37的導向；肩關節角位 移傳感器11通過肩關節角位移傳感器安裝板12安裝在肩關節聯軸器10的外側，肩關節角 位移傳感器11 一端伸出的軸插入肩關節聯軸器10 —邊的孔，肩關節軸8 一端伸出的軸插 入肩關節聯軸器10另一邊的孔；肩關節角位移傳感器11與肩關節軸8之間通過肩關節聯 軸器10相連實現同步轉動。從而可以測得肩關節軸17的旋轉角度。
[0030]如圖6所示，所述背部支架5，包括頂板29、底板30、七根背部立柱31、四個雙耳吊 環33、四根氣動肌肉34、四個連接法蘭35、兩根肘部鋼絲牽引線36和兩根肩部鋼絲牽引線 37 ;七根背部立柱31支撐在頂板29和底板30之間，四根氣動肌肉34的一端分別經各自的 連接法蘭35固定在底板30上，四根氣動肌肉34的另一端分別與雙耳吊環33連接，兩根肘 部鋼絲牽引線36和兩根肩部鋼絲牽引線37的一端分別穿過頂板29后，與各自的雙耳吊環 33連接，四根氣動肌肉34的一端分別與氣源相連，背部支架5的后面安裝有背部靠板32。
[0031]本實用新型的工作過程如下：
[0032]當穿戴者需要助力時，穿戴者穿上本實用新型，將背部支架5和人體背部柔性連 接，小臂1和人體小臂柔性連接，肘關節2與人體肘關節柔性連接，上臂3和人體上臂柔性 連接，肩關節4與人體肩關節柔性連接。
[0033]當人體上肢開始托舉重物時，給對應驅動肘關節軸8的氣動肌肉34充氣，氣動肌 肉34收縮時，牽引肘部鋼絲牽引線36。肘部鋼絲牽引線36經過平板走線板28、第二 r形 走線板16、第一 r形走線板13的引導，繞在肘關節軸8上，肘部鋼絲牽引線36的末端通 過螺栓固定在肘關節軸8上，對肘關節軸8產生輔助力矩，從而減輕穿戴者托舉重物時肘 關節2的負擔。同時也給對應驅動肩關節軸17的氣動肌肉34充氣，氣動肌肉34收縮時， 牽引肩部鋼絲牽引線37。肩部鋼絲牽引線37經過平板走線板28的引導，繞在肩關節軸17 上，肩部鋼絲牽引線37的末端通過螺栓固定在肩關節軸17上，對肩關節軸17產生輔助力矩，從而減輕穿戴者托舉重物時肩關節4的負擔。
[0034]本實用新型借助氣動肌肉34收縮產生的拉力，對相應關節軸產生輔助力矩，在穿戴者托舉重物時可大幅度提高托舉強度，實現提升穿戴人員的機能力量的目的。
【權利要求】
1.一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，其特征在于:包括兩個結構相同的單臂部件和背部支架(5);單臂部件從下至上依次由小臂(I)、肘關節(2)、上臂(3)和肩關節(4)構成，兩個單臂部件中的肩關節(4)分別安裝在背部支架(5)頂板的兩側上，兩個肘關節軸經各自的肘部鋼絲牽引線(36)與背部支架(5)中各自的氣動肌肉連接，兩個肩關節軸分別經各自的肩部鋼絲牽引線(37)與背部支架(5)中各自的氣動肌肉連接。
2.根據權利要求1所述的一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，其特征在于:所述小臂(1)，包括gamma形小臂托板(6)和小臂桿(7); GAMMA形小臂托板(6)安裝在小臂桿(7)的一端外側面上。
3.根據權利要求1所述的一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，其特征在于:所述肘關節(2)，包括肘關節軸(8)、軸端擋圈(9)、肘關節聯軸器(10)、肘關節角位移傳感器(11)和肘關節角位移傳感器安裝板(12);小臂桿(7)的另一端與上臂底桿(14)的一端通過肘關節軸(8)連接形成肘部的屈-伸轉動副，上臂底桿(14)的一端與肘關節軸(8)之間通過上臂底桿(14)的一端外側的軸端擋圈(9)進行軸向定位,位于軸端擋圈(9)外的肘關節軸(8)與肘關節聯軸器(10)相連；肘關節角位移傳感器(11)通過肘關節角位移傳感器安裝板(12)安裝在肘關節聯軸器(10)的外側，肘關節角位移傳感器(11) 一端伸出軸插入肘關節聯軸器(10) —端的中心孔中，肘關節軸(8) —端伸出軸插入肘關節聯軸器(10)另一端的中心孔中；肘關節角位移傳感器(11)與肘關節軸(8)之間通過肘關節聯軸器(10)相連實現同步轉動；肘關節角位移傳感器安裝板(12)安裝在上臂底桿(14)的外側。
4.根據權利要求1所述的一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，其特征在于:所述上臂(3)，包括第一 GAMMA形走線板(13)、上臂底桿(14)、上臂頂桿(15)和第二 gamma形走線板(16);上臂底桿(14)的另一端底面開有沿長度方向的導軌槽，上臂底桿(14)的另一端上面開有一段與所述導軌槽相通的凹槽，上臂頂桿(15) 一端側面有凸起導軌，上臂底桿(14)導軌槽與上臂頂桿(15)凸起導軌相嵌并通過螺栓定位，改變上臂底桿(14)和上臂頂桿(15)配合的長度即改變整個上臂的長度，第一 GAMMA形走線板(13)的一邊固定在上臂底桿(14)的一端側面，第二 GAMMA形走線板(16)的一邊固定在上臂頂桿(15)的另一端側面。
5.根據權利要求1所述的一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，其特征在于:所述肩關節(4)，包括肩關節軸(17)、肩部第一直角連接板(18)、第一轉軸(19)、肩部第二直角連接板(20)、第二轉軸(21)、肩寬可調板(22)、導軌(23)、肩部直角加強筋(24)、肩關節聯軸器(25)、肩關節角位移傳感器(26)、肩關節角位移傳感器安裝板(27)和平板走線板(28);上臂頂桿(15)的另一端與肩部第一直角連接板(18)—邊通過肩關節軸(17)相連，從而形成肩關節的屈-伸轉動副；肩部第一直角連接板(18)另一邊和肩部第二直角連接板(20)通過第一轉軸(19)連接，從而形成肩關節的外展-內收轉動副；肩部第二直角連接板(20 )與肩寬可調板(22 ) —端通過第二轉軸(21)連接，從而形成肩關節的旋內-旋外轉動副；肩寬可調板(22)底面沿長度方向開有凹槽，導軌(23)的一端相嵌在肩寬可調板(22)凹槽內通過螺栓定位，從而改變兩肩關節之間的距離，導軌(23)的另一端固定在背部支架(5)的頂板(29)上面的兩側；肩關節角位移傳感器(26)通過肩關節角位移傳感器安裝板(27)安裝在肩關節聯軸器(25)的外側，肩關節角位移傳感器(26) —端伸出軸插入肩關節聯軸器(25) —端的中心孔中,肩關節軸(17) —端伸出軸插入肩關節聯軸器(25)另一端的中心孔中；肩關節角位移傳感器(26)與肩關節軸(17)之間通過肩關節聯軸器(25)相連實現同步轉動；肩關節角位移傳感器安裝板(27)安裝在肩部第一直角連接板(18)的直角面，平板走線板(28)安裝在肩關節角位移傳感器安裝板(27)外側。
6.根據權利要求1所述的一種氣動肌肉驅動的上肢外骨骼助力機構，其特征在于:所述背部支架(5)，包括頂板(29)、底板(30)、七根背部立柱(31)、四個雙耳吊環(33)、四根氣動肌肉(34)、四個連接法蘭(35)、兩根肘部鋼絲牽引線(36)和兩根肩部鋼絲牽引線(37)；七根背部立柱(31)支撐在頂板(29)和底板(30)之間，四根氣動肌肉(34)的一端分別經各自的連接法蘭(35)固定在底板(30)上，四根氣動肌肉(34)的另一端分別與雙耳吊環(33)連接，兩根肘部鋼絲牽引線(36)和兩根肩部鋼絲牽引線(37)的一端分別穿過頂板(29)后，與各自的雙耳吊環(33) 連接，四根氣動肌肉(34)的一端分別與氣源相連。
【文檔編號】A61F4/00GK203576706SQ201320559244
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】劉昊, 張丹婷, 李智壽, 趙勇, 陶國良 申請人:浙江大學