一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂

1.本发明实施例涉及力反馈遥操作技术领域，具体涉及一种基于主被动关节的力反馈外骨骼主手装置。


背景技术：

2.目前，面对外太空、灾害事故现场等复杂多变的非结构化工作环境，单依靠机器人自主智能系统无法实现非既定目标的多样化任务作业。人机交互遥操作技术可以作为操作人员与远端作业环境的交互媒介，将人的操作目的信息传递到远端环境并执行遥控作业任务，同时也需要将远端作业环境中的接触力反馈信息尽可能真实地反馈给操作人员提供临场感。
3.一方面现有的遥操作系统中，主端设备多采用与人体上肢异构的六自由度机械手，其通过空间坐标变换将运动指令映射到从端多自由度机械臂，无法通过关节映射控制从端机械臂，操作者无法直观地实现其操作目的，导致操作者无法通过设备获得真实的人体感受缺乏人体的沉浸式交互体验。另一方面，现有的上肢外骨骼机构存在结构、重量较大，关节电机功率较低的弊端，造成遥操作力反馈效果不显著，且易与操作者在运动过程中发生干涉，无法有效适用于遥操作环境。
4.因此发明一种应用于遥操作领域且与人体上肢具有良好适配性的穿戴式双边外骨骼机械臂，为操作者提供一种与远端机器人之间更为直观交互的遥操作工具，并根据作业端环境提供作用于人体的反馈交互力是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂，可实现遥操作环境中操作人员的上肢双侧六维运动信息输入及远端作业环境中的交互力信息的实时反馈。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂，包括固定安装座及左、右两侧外骨骼机械臂。单侧机械臂各包括一被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构，一主动自由度肩关节外展、内收机构，一主动自由度肩关节内旋、外旋机构，一主动自由度肩关节屈曲、伸展机构，大臂机构，一主动自由度肘关节屈曲、伸展机构，小臂机构，一主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构，一主动自由度腕关节旋前、旋后机构，一主动自由度腕关节掌屈、背伸机构，手掌固定机构。所述被动自由度胸锁关节的伸出、回缩为平行四边形连杆机构，通过安装座上的滚动轴承与固定安装座铰接；所述主动自由度肩关节外展、内收机构固定端安装在胸锁关节的伸出、回缩机构输出端，该肩关节外展、内收机构输出端与肩关节内旋、外旋机构固定端相连；所述肩关节内旋、外旋机构采用平面六杆机构，该机构输出端与肩关节屈曲、伸展机构固定端相铰接；所述肩关节屈曲、伸展机构输出端与大臂机构一端固连，大臂机构另一端与肘关节屈曲、伸展机构固定端相连；所述肘关节屈曲、伸展机构输出端与小臂机构一端
通过螺栓固连，小臂机构另一端与腕关节桡屈、尺屈机构固定端相连；所述腕关节桡屈、尺屈机构输出端与腕关节旋前、旋后机构固定端相连，该腕关节旋前、旋后机构采用平面六连杆机构，其输出端与腕关节掌屈、背伸机构固定端铰接；所述手掌固定机构固定安装在腕关节掌屈、背伸机构的输出端。
8.其中所述被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构为一平行四边形连杆机构，仿生模拟人体锁骨带动肱盂肩关节在水平面内绕胸锁关节伸出缩回运动自由度，其回转中心轴线与人体胸锁关节在运动学上重合。所述胸锁关节为被动关节，在人体水平面内与人体上肢随动配合运动。
9.其中，上述主动自由度关节均安装有驱动电机，减速器，绝对值编码器，通过关节驱动机构中绝对值编码器，采集人体上肢关节运动角度信号，将操作者手部末端在空间中的六维位姿控制信息作为输入控制指令控制从端机器人跟随运动。并能通过驱动电机经减速器放大输出关节扭矩，实时将从端机器人在工作空间中的六维反馈力映射到操作人员上肢。
10.进一步的，在所述肩关节外展、内收机构，肩关节内旋、外旋机构，肩关节屈曲、伸展机构，肘关节屈曲、伸展机构上均设计有角度可调的机械关节限位机构。其中，第二关节限位滑槽与关节电机外壳通过螺栓固连，其上设计有弧形限位滑槽。第一关节限位滑槽与第二关节限位滑槽通过螺栓相连，其上同样设计有弧形限位滑槽。关节限位轴与电机输出端固连，其在两个限位片组合构成的滑槽内运动。两个关节限位滑槽之间的滑槽开合角度可根据不同螺栓固定孔进行调节，实现单关节限位角度可调的功能。
11.进一步的，在所述肩关节外展、内收机构，肩关节内旋、外旋机构，肩关节屈曲、伸展机构，肘关节屈曲、伸展机构上均安装有关节扭矩传感器。其中关节扭矩传感器输入端通过螺栓将扭矩传感器固定在关节电机减速器输出法兰上。关节限位法兰、关节输出连杆通过螺栓固连在扭矩传感器输出法兰面上。通过扭矩传感器采集人体上肢与外骨骼机械臂在关节空间的交互力，实现人机交互导纳控制。
12.进一步的，在所述大臂机构、小臂机构及手掌固定机构上设计有与人体上肢躯干相连的绑带固定机构，分别与人体大臂、小臂、手掌通过绑带固连，固定机构内侧与人体接触位置包覆柔软垫片。
13.进一步的，在所述固定安装座机构、胸锁关节机构、大臂机构、小臂机构、手掌固定机构设计有长度调节滑槽，可满足不同人因尺寸与外骨骼机械臂的适配性要求。其中固定安装座机构通过螺栓与t型螺母固连在铝型材支架滑槽内。胸锁关节机构、大臂机构、小臂机构、手掌固定机构上均设计有长度调节滑槽，通过螺栓与锁紧防滑螺母实现关节杆长的调节与固定。根据中华人民共和国国家标准中国成年人人体尺寸《gb.1000-88》，机械臂设计满足操作员升高范围在160-185cm之间。
14.进一步地，所述一主动自由度肩关节内旋、外旋机构包括肩关节内旋、外旋关节输出连杆，机构连杆a，机构连杆b，机构连杆c，机构连杆d。所述机构连杆a第一端与肩关节外展、内收电机输出连杆铰接，第二端与机构连杆b第二端铰接，第三端与机构连杆c第一端铰接；机构连杆b第一端与肩关节内旋、外旋关节输出连杆铰接，第二端与机构连杆a第二端铰接，第三端与机构连杆d第一端铰接；机构杆c第二端与机构连杆d第二端铰接，上述连杆与肩关节内旋、外旋电机支架共同构成平面六连杆机构。所述肩关节屈曲、伸展电机安装支座
通过螺栓固连在机构连杆d上。
15.所述肩关节内旋、外旋关节输出连杆的电机端输出轴线为j1，以所述机构连杆a第一端、第二端端及所述连杆机构b第三端三个铰接旋转副构成一平行四边形机构所形成的第四旋转副的回转轴线为j2，j2轴系回转中心线与人体肩关节外旋内旋转轴中心线在运动范围内重合，由此将肩关节内旋、外旋关节电机运动轴线j1通过平面六杆机构传动到机构连杆d绕j2轴的旋转运动。且所述肩关节内旋、外旋回转中心线与所述肩关节外展、内收回转中心线及肩关节屈曲、伸展回转中心线垂直相交于一点。
16.进一步地，所述一主动自由度腕关节旋前、旋后机构包括腕关节桡屈、尺屈关节输出连杆，机构连杆e，机构连杆f，机构连杆g，机构连杆h。所述腕关节桡屈、尺屈关节输出连杆第一端与机构连杆f第一端铰接，第二端与机构连杆g第一端铰接；机构连杆e第一端与腕关节旋前、旋后安装支架铰接，第二端与机构连杆f第二端铰接；机构连杆f第三端与机构连杆h第一端铰接；机构连杆g第二端与机构连杆h第二端铰，上述连杆机构与腕关节旋前、旋后安装支架共同构成平面六连杆机构。所述腕关节掌屈、背伸电机通过螺栓固连在机构连杆h上。
17.所述腕关节旋前、旋后关节输出连杆的电机端输出轴线为j3，以所述连杆机构e第一端、第二端及所述连杆机构f第三端三个铰接旋转副构成一平行四边形机构所形成的第四旋转副的回转轴线为j4，该轴系回转中心线与人体腕关节外旋内旋转轴中心线在运动范围内重合，由此将腕关节内旋、外旋关节电机运动轴线j3通过平面六杆机构传动到回旋连杆h绕j4轴的旋转运动。且所述腕关节桡屈、尺屈回转中心线与所述腕关节桡屈、尺屈回转中心线及腕关节掌屈、背伸回转中心线垂直相交于一点。
18.所述被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构、主动自由度肩关节外展、内收机构、主动自由度腕关节旋前、旋后机构结构相同，均包括连杆机构、深沟球滚珠轴承、安装轴以铰接的方式相连接。该连杆机构与深沟球滚珠轴承的外圈定位固接，所述旋转轴与深沟球滚珠轴承的内圈定位固接，且在被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构中，连杆机构与固定板之间安装有推力轴承以减小连杆机构在水平面内运动的摩擦；在主动自由度肩关节外展、内收机构、主动自由度腕关节旋前、旋后机构中，连杆机构之间安装有聚四氟乙烯润滑垫片。
19.进一步的，所述肩关节外展、内收转动中心线、肩关节内旋、外旋转动中心线及肩关屈曲、伸展转动中心线相互垂直，并相交于一点，该点与人体肩部盂胧关节运动中心在运动范围内重合。所述肘关节屈曲、伸展机构回转中心与人体肱尺关节运动中心在运动范围内重合。所述腕关节桡屈、尺屈转动中心线、腕关节旋前、旋后转动中心线及腕关节掌屈、背伸转动中心线相互垂直，并相交于一点，该点与人体腕关节运动中心在运动范围内重合。
20.本发明实施例具有如下优点：
21.1.本发明基于人体上肢工程学、解剖学创新设计了一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂，其关节构型避免了运动过程中与人体上肢躯干的干涉，与此同时相对于传统七自由度上肢外骨骼机械臂，通过增加胸锁关节被动自由度，可覆盖人体上肢日常生活中基本运动范围。操作空间内较大的关节运动范围有助于提高遥操作过程中的灵活性及被控对象运动精度。
22.2.本发明所述外骨骼机械臂由一个被动胸锁关节自由度以及三个主动肩关节自
由度、一个主动肘关节自由度、三个主动腕关节自由度采用串联结构形式构成。每个自由度对应的机械臂关节与人体上肢关节运动轴线重合。其中其中被动胸锁关节在水平面内运动，其运动轴线与人体胸锁关节轴线重合；主动自由度肩关节外展内收、主动自由度肩关节内旋外旋、主动自由度肩关节屈曲伸展三轴线相交于一点，与人体肱盂关节回转中心重合；主动自由度肘关节屈曲伸展与人体肘关节运动轴线重合；主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构，主动自由度腕关节旋前、旋后机构，主动自由度腕关节掌屈、背伸机构三轴线相交于一点，与人体腕关节回转中心重合。基于人因工程学尺寸，本发明对于操作者身高、肩宽、臂长、掌长均设计长度调节机构，充分保证与操作者上肢的穿戴适配性。利用本发明可对操作者上肢各运动关节运动进行精确采集编码用于遥操作控制与学习。
23.3.本发明肩关节内旋、外旋与腕关节旋前、旋后旋转均采用平面六连杆机构将电机输出轴线传动到人体上肢运动轴线，相比传统的圆弧导轨的运动方式，大幅简化关节传动结构，降低机械臂体积与重量，提高传动精度，实现轻量化设计。
24.4.本发明外骨骼机械臂在主动肩关节机构及主动肘关节机构设计安装有机械可调节关节限位机构，可根据从端机械臂关节运动角度对外骨骼机械臂关节运动范围进行调节，并保障操作人员在操作过程中的安全性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
26.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
27.图1为本发明实施例提供的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂整体结构示意图；
28.图2为本发明实施例提供的右侧外骨骼机械臂结构示意图；
29.图3为本发明实施例提供的固定安装座及被动胸锁关节机构示意图；
30.图4为本发明实施例提供的固定安装座及被动胸锁关节第二视角机构示意图；
31.图5为本发明实施例提供的肩关节机构示意图；
32.图6为本发明实施例提供的肩关节及肘关节驱动机构示意图；
33.图7为本发明实施例提供的肩关节及肘关节驱动机构剖视图；
34.图8为本发明实施例提供的大臂机构、肘关节机构、小臂机构示意图；
35.图9为本发明实施例提供的腕关节机构示意图；
36.图10为本发明实施例提供的腕关节机构上旋前、旋后驱动机构剖视图；
37.图11为本发明实施例提供的手掌固定机构示意图。
38.图中：
39.固定安装座(100)，铝型材支架(101)，锁定支持架(102)，固定板(103)。
40.双边外骨骼机械臂主体(200)，一被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构(201)，一主动自由度肩关节外展、内收机构(202)，一主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)，一主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)，大臂机构(205)，一主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)，小臂机构(207)，一主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构(208)，一主动自由度腕关节旋前、旋后机构(209)，一主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)，手掌固定机构(211)。
41.胸锁关节机构推力轴承(20101)，胸锁关节机构第一深沟球轴承(20102)，胸锁平行四边形第一连杆(20103)，胸锁平行四边形第二连杆(20104)，胸锁轴(20105)，轴承固定座(20106)，胸锁关节机构第二深沟球轴承(20107)，胸锁关节机构第三深沟球轴承(20108)。
42.肩关节外展、内收关节安装支架(20201)，肩关节外展、内收关节输出连杆(20202)，肩关节外展、内收关节限位轴(20203)，肩关节外展、内收关节限位片(20204)，肩关节外展、内收关节扭矩传感器(20205)，肩关节外展、内收第一关节限位滑槽(20206)，肩关节外展、内收第二关节限位滑槽(20207)，肩关节外展、内收关节减速器(20208)，肩关节外展、内收关节电机(20209)，肩关节外展、内收关节编码器安装壳(202010)，肩关节外展、内收关节编码器磁铁(202011)，肩关节外展、内收关节编码器采集板(202012)。
43.肩关节内旋、外旋安装支架(20301)，肩关节内旋、外旋输出连杆(20302)，肩关节内旋、外旋机构连杆a(20303)，肩关节内旋、外旋机构连杆b(20304)，肩关节内旋、外旋机构连杆c(20305)，肩关节内旋、外旋机构推力轴承(20306)，肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)，肩关节内旋、外旋机构深沟球轴承(20308)，肩关屈曲、伸展安装支架(20401)。
44.大臂机构连杆(20501)，大臂袖带机构(20502)，肘关屈曲、伸展安装支架(20601)，小臂机构连杆(20701)，小臂袖带机构(20702)，腕关节桡屈、尺屈安装支架(20801)。
45.腕关节旋前、旋后安装支架(20901)，腕关节旋前、旋后输出连杆(20902)，腕关节旋前、旋后机构连杆e(20903)，腕关节旋前、旋后机构连杆f(20904)，腕关节旋前、旋后机构连杆g(20905)，腕关节旋前、旋后机构连杆h(20906)，腕关节旋前、旋后机构连杆深沟球轴承(20907)。腕关节旋前、旋后关节输出法兰(20908)，腕关节旋前、旋后关节套筒(20909)，腕关节旋前、旋后第一深沟球轴承(209010)，腕关节旋前、旋后关节轴套(209011)，腕关节旋前、旋后关节第二深沟球轴承(209012)，腕关节旋前、旋后关节内轴(209013)，腕关节旋前、旋后关节减速器(209014)，腕关节旋前、旋后关节电机(209015)，腕关节旋前、旋后关节编码器(209016)，腕关节旋前、旋后关节外套(209017)，腕关节旋前、旋后关节堵头(209018)。
46.手掌固定机构第一伞齿轮(21101)，手掌固定机构第二伞齿轮(21102)，手掌固定机构轴承座(21103)，手掌固定机构掌托(21104)，手掌固定机构第一伞齿轮输入法兰(21105)，手掌固定机构固定绑带(21106)。
具体实施方式
47.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
49.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
50.此外，属于“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品、或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
51.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
52.例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造的上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
53.为了解决现有技术中存在的相关技术问题，本技术实施例提供了一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂，旨在利用人类在非结构化环境中的经验与智慧，实现遥操作控制与学习。双边外骨骼机械臂通过采集操作员双侧上肢运动信息，控制从端机器人根据采集员指令信息处理非既定任务目标，并将从端交互力信息实时反馈给操作人员，获得最好的临场操作感。
54.具体的，如图1、图2所示，本发明包括一固定安装座(100)，以及安装在固定安装座上的双边外骨骼机械臂主体(200)，机械臂整体采用关节串联的安装方式。其中左、右双边外骨骼机械臂在结构上对称，各包含一被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构(201)、一主动自由度肩关节外展、内收机构(202)、一主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)、一主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)、大臂机构(205)、一主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)、小臂机构(207)、一主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构(208)、一主动自由度腕关节旋前、旋后机构(209)、一主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)、手掌固定机构(211)。双边外骨骼机械臂主体(200)安装在固定安装座(100)上。其中被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构(201)一端与固定安装座(100)铰接，另一端与主动自由度肩关节外展、内收机构(202)铰接安装。主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)所包括的肩关节内旋、外旋安装支架(20301)与肩关节外展、内收关节输出连杆(20202)连接作为关节固定端，关节输出端为肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)，肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)与肩关屈曲、伸展安装支架(20401)链接。大臂机构连杆(20501)一端作为主动自由度肩关节屈曲、伸展机
构(204)的输出端，另一端与肘关节屈曲、伸展安装支架(20601)通过螺栓固定连接。小臂机构连杆(20701)一端作为主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)的输出端，另一端与腕关节桡屈、尺屈安装支架(20801)通过螺栓固定连接。腕关节旋前、旋后安装支架(20901)一端与主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构(208)连接作为输入端，另一端与主动自由度腕关节旋前、旋后机构(209)固连。主动自由度腕关节旋前、旋后机构(209)所包括的腕关节旋前、旋后机构连杆h(20906)作为关节输出端与主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)连接。主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)电机轴的输出扭矩通过手掌固定机构(211)所包括的手掌固定机构第一伞齿轮(21101)、手掌固定机构第二伞齿轮(21102)最终传动到手掌固定机构固定绑带(21106)。
55.需要说明的是，肩关节外展、内收机构(202)，肩关节内旋、外旋机构(203)，肩关屈曲、伸展机构(204)三旋转轴相交于一点。其运动学关系与人体肩部前屈后伸、外旋内旋、外展内收等效功能运动轴线在运动范围内重合。腕关节桡屈、尺屈机构(208)，腕关节旋前、旋后机构(209)，腕关节掌屈、背伸机构(210)三轴相较于一点。其运动学关系与人体腕部桡屈尺屈、外旋内旋、掌屈背伸等效功能运动轴线在运动范围内重合。
56.如图3、图4所示，锁定支持架(102)、固定板(103)与铝型材支架(101)通过螺栓与t型螺母锁定安装。其中，固定板(103)上设计有安装轴，安装轴上安装有胸锁关节机构第一深沟球轴承(20102)，轴承内径与安装轴固定，外径与胸锁平行四边形第一连杆(20103)固定，既固定板(103)与胸锁平行四边形第一连杆(20103)铰接。胸锁平行四边形第二连杆(20104)与胸锁平行四边形第一连杆(20103)通过螺栓固连。胸锁关节机构第二深沟球轴承(20107)外径与胸锁平行四边形第二连杆(20103)固定，轴承固定座(20104)的轴承安装孔与胸锁关节机构第三深沟球轴承(20108)外径固定，胸锁关节机构第二深沟球轴承(20107)、胸锁关节机构第三深沟球轴承(20108)同心安装，内径均与胸锁轴(20105)固定。轴承固定座(20104)与肩关节外展、内收关节安装支架(20201)通过螺栓固定，既通过轴承固定座(20104)实现肩关节外展、内收关节安装支架(20201)与胸锁平行四边形第二连杆(20104)铰接固定。
57.需要说明的是，上述t型螺母松动时可在铝型材支架(101)滑槽内滑动，调节到与操作员身高合适位置时锁定，实现根据操作员人因尺寸调节机械臂肩高范围的功能。胸锁平行四边形第一连杆(20103)上设计有滑动槽，第一、第二平行四边形连杆固定螺栓在松动情况下可在滑动槽内滑动，调节到与操作员肩宽合适位置时螺栓紧固锁定，实现根据操作员人因尺寸调节机械臂肩宽范围的功能。
58.如图5所示，肩关节外展、内收关节安装支架(20201)与肩关节外展、内收关节电机(20209)外壳通过螺栓固定作为关节固定端，肩关节外展、内收关节输出连杆(20202)与肩关节外展、内收关节扭矩传感器(20205)通过螺栓固定在肩关节外展、内收关节减速器(20208)上作为关节输出端。肩关节内旋、外旋安装支架(20301)固定安装在肩关节外展、内收关节输出连杆(20202)上作为关节固定端。肩关节内旋、外旋输出连杆(20302)一端通过螺栓固定连接肩关节内旋、外旋关节扭矩传感器上作为关节输出端，另一端与肩关节内旋、外旋机构连杆b(20304)第一端通过轴、轴承铰接，肩关节内旋、外旋机构连杆b(20304)第二端与肩关节内旋、外旋机构连杆a(20303)第二端通过轴、轴承铰接，肩关节内旋、外旋机构连杆b(20304)第三端与肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)第一端通过轴、轴承铰接。肩关
节内旋、外旋机构连杆a(20303)第一端与肩关节外展、内收关节输出连杆(20202)通过轴、轴承铰接，第三端与肩关节内旋、外旋机构连杆c(20305)第一端通过轴、轴承铰接。肩关节内旋、外旋机构连杆c(20305)第二端与肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)第二端通过轴、轴承铰接。上述连杆机构通过铰接构成一平面六连杆机构，其中所述肩关节内旋、外旋关节输出连杆(20302)的电机端输出轴线为j1，以所述连杆a(20303)第一端、第二端及所述肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)第一端三个铰接旋转副构成一平行四边形机构所形成的第四旋转副的回转轴线为j2，该轴系回转中心线与人体肩关节外旋内旋转轴中心线在运动范围内重合，由此将肩关节内旋、外旋关节电机运动轴线j1通过平面六杆机构传动到肩关节内旋、外旋机构连杆d(20307)绕j2轴的旋转运动。且所述肩关节内旋、外旋回转中心线与所述肩关节外展、内收回转中心线及肩关节屈曲、伸展回转中心线垂直相交于一点。
59.如图6、图7所示，为主动自由度肩关节外展、内收机构(202)、主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)、主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)及主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)的驱动原件示意图。上述四个主动关节均采用相同的驱动结构形式，固只列举肩关节外展、内收机构(202)中的驱动结构细节，其他关节不再赘述。图中肩关节外展、内收关节限位轴(20202)通过螺栓固连在肩关节外展、内收关节限位片(20204)上，肩关节外展、内收关节限位片(20204)与肩关节外展、内收关节扭矩传感器(20205)通过螺栓固连，同时肩关节外展、内收关节扭矩传感器(20205)与肩关节外展、内收关节减速器(20208)螺栓固连。肩关节外展、内收第二关节限位滑槽(20207)通过螺栓固连在肩关节外展、内收关节电机(20209)外壳上。肩关节外展、内收第一关节限位滑槽(20206)通过螺栓固连在肩关节外展、内收第二关节限位滑槽(20207)上，上述的关节限位滑槽均设计有肩关节外展、内收关节限位轴(20202)滑动的滑槽，且两个限位滑槽的开合角度可通过不同固定螺栓孔位调节，实现关节限位可调的功能。肩关节外展、内收关节编码器采用磁编码的方式，肩关节外展、内收关节编码器磁铁(202011)安装在肩关节外展、内收关节电机(20209)输出旋转轴上，肩关节外展、内收关节编码器采集板(202012)安装在肩关节外展、内收关节编码器安装壳(202010)上，肩关节外展、内收关节编码器安装壳(202010)与肩关节外展、内收关节电机(20209)外壳通过螺栓固连。
60.如图8所示，大臂机构(205)包括大臂机构连杆(20501)，大臂袖带机构(20502)。其中大臂袖带机构(20502)通过螺栓固定在大臂机构连杆(20501)上，与人体大臂通过绑带固定。大臂机构连杆(20501)一端与主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)的关节扭矩传感器通过螺栓连接，另一端与肘关屈曲、伸展安装支架(20601)通过螺栓连接。小臂机构(207)包括小臂机构连杆(20701)，小臂袖带机构(20702)。其中小臂袖带机构(20702)通过螺栓固定在小臂机构连杆(20701)上，与人体小臂通过绑带固定。小臂机构连杆(20701)一端与主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)的关节扭矩传感器通过螺栓连接，另一端与腕关节桡屈、尺屈安装支架(20801)连接。
61.需要说明的是，肘关屈曲、伸展安装支架(20601)与大臂机构连杆(20501)螺栓连接处；腕关节桡屈、尺屈安装支架(20801)与小臂机构连杆(20701)螺栓连接处均设计有滑动槽，螺栓在松动情况下可在滑动槽内滑动，调节到与操作员大臂、小臂长度合适位置时紧固锁定，实现根据操作员人因尺寸调节机械臂臂长范围的功能。
62.如图9所示，腕关节桡屈、尺屈安装支架(20801)与腕关节桡屈、尺屈关节电机套筒
通过螺栓固连，腕关节旋前、旋后安装支架(20901)一端与腕关节桡屈、尺屈关节输出法兰连接作为固定端，另一端与腕关节旋前、旋后关节套筒(20909)固连，腕关节旋前、旋后关节输出法兰(20908)与腕关节旋前、旋后输出连杆(20902)固连。腕关节旋前、旋后输出连杆(20902)第一端与腕关节旋前、旋后机构连杆f(20904)第一端通过轴、轴承铰接，第二端与腕关节旋前、旋后机构连杆g(20905)第一端通过轴、轴承铰接。腕关节旋前、旋后机构连杆f(20904)第二端与腕关节旋前、旋后机构连杆e(20903)第二端通过轴、轴承铰接，第三端与腕关节旋前、旋后机构连杆h(20906)第一端通过轴、轴承铰接。腕关节旋前、旋后机构连杆e(20903)第一端与腕关节旋前、旋后安装支架(20901)通过轴、轴承铰接。腕关节旋前、旋后机构连杆g(20905)第二端与腕关节旋前、旋后机构连杆h(20906)第二端通过轴、轴承铰接。上述连杆机构构成一平面六连杆机构。所述腕关节旋前、旋后关节电机(209014)输出轴线为j3，以腕关节旋前、旋后机构连杆e(20903)第一端、第二端及腕关节旋前、旋后机构连杆f(20904)第三端三个铰接旋转副构成一平行四边形机构所形成的第四旋转副的回转轴线为j4，该轴系回转中心线与人体腕关节外旋内旋转轴中心线在运动范围内重合，由此将腕关节内旋、外旋关节电机运动轴线j3通过平面六杆机构传动到腕关节旋前、旋后机构连杆h(20906)绕j4轴的旋转运动。且所述腕关节桡屈、尺屈回转中心线与所述腕关节桡屈、尺屈回转中心线及腕关节掌屈、背伸回转中心线垂直相交于一点。
63.如图10所示，为主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构(208)、主动自由度腕关节旋前、旋后机构(209)及主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)的驱动原件示意图，上述三个主动关节均采用相同的驱动结构形式，固只列举主动自由度腕关节旋前、旋后机构中的驱动结构细节，其他关节不再赘述。腕关节旋前、旋后关节输出法兰(20908)通过螺栓固连在腕关节旋前、旋后关节内轴(209012)上，腕关节旋前、旋后关节内轴(209012)与腕关节旋前、旋后关节第一、第二深沟球轴承(209010)内圈固定，腕关节旋前、旋后关节第一、第二深沟球轴承(209010)、(209012)外圈与腕关节旋前、旋后关节套筒(20909)内圈固定，腕关节旋前、旋后关节轴套(209011)与腕关节旋前、旋后关节第一、第二深沟球轴承(209010)、(209012)内圈轴向固定。腕关节旋前、旋后关节套筒(20909)与腕关节旋前、旋后关节关节减速器(209014)外壳固定，腕关节旋前、旋后关节内轴(209013)通过顶丝与腕关节旋前、旋后关节减速器(209014)输出轴固定。腕关节旋前、旋后关节外套(209017)通过螺栓与腕关节旋前、旋后关节套筒(20909)连接，腕关节旋前、旋后关节堵头(209018)过盈配合连接在腕关节旋前、旋后关节外套(209017)上。
64.如图11所示，主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)输出法兰与手掌固定机构第一伞齿轮输入法兰(21105)通过螺栓固连，手掌固定机构第一伞齿轮(21101)通过顶丝与手掌固定机构第一伞齿轮输入法兰(21105)固定，手掌固定机构第二伞齿轮(21102)与手掌固定机构第一伞齿轮(21101)垂直啮合，手掌固定机构掌托(21104)设计有输入轴，该输入轴与手掌固定机构第二伞齿轮(21102)通过顶丝固定，该输入轴与深沟球轴承内圈固定，深沟球轴承外圈与手掌固定机构轴承座(21103)轴承安装孔固定，手掌固定机构轴承座(21103)通过螺栓固连在腕关节旋前、旋后机构连杆h(20906)上。手掌固定机构固定绑带(21106)通过螺栓与手掌固定机构掌托(21104)固连。
65.需要说明的是，手掌固定机构掌托(21104)与手掌固定机构固定绑带(21106)螺栓连接处设计有滑动槽，螺栓在松动情况下可在滑动槽内滑动，调节到与操作员手掌长度合
适位置时紧固锁定，实现根据操作员人因尺寸调节机手掌长度范围的功能。
66.综上所述，本发明根据人体工程学、解剖学设计的具有胸锁被动关节的遥操作力反馈式双边外骨骼机械臂，其运动轴线与人体上肢在运动范围内重合，关节杆长均考虑到人因尺寸，固具有良好的人体上肢穿戴适配性。所述外骨骼机械臂创新性的在肩关节内旋、外旋关节、腕关节旋前、旋后关节采用平面六连杆机构，与传统圆弧齿条、齿轮的结构相比，本发明具有结构精简，重量轻便的优势。此外所述外骨骼机械臂充分考虑到身高、肩宽、臂长、掌长的人因尺寸，在与人体接触佩戴处设置有长度调节机构，根据中华人名共和国国家标准—中国成年人人体尺寸《gb.1000-88》，本发明适用于身高范围在160-185cm的成年男性、女性。此外本发明考虑到机械臂自身重量轻量化设计，本发明所述的大臂机构连杆(20501)、小臂机构连杆(20701)采用碳纤维板材料，其余结构件采用7075、6061铝合金材料。在保证结构刚度的同时减轻机械臂自身重量，从而增强力反馈过程中的透明性。
67.本发明可通过关节处绝对值编码器精确获取操作员上肢各运动关节角度、角速度、角加速度运动信息，经机器人运动学正解计算出手掌末端位姿，通过遥操作映射机制实现对从端机器人运动关节的关节映射控制及对末端工具的位姿映射控制。本发明在所述的三自由度肩关节及肘关节处设计有关节扭矩传感器，可主动实时检测关节空间内的外部交互扭矩，有助于人机交互控制中交互力的实时检测。同时本发明外骨骼机械臂可对从端机器人作业力进行实时反馈，增强操作员遥操作作业的沉浸感。本发明结构紧凑、重量轻、具有较高的可靠性、自身刚度和响应性，且与人体上肢适配性强，主要用于远程遥操作作业、遥操作运动学习再现等领域。
68.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂包括固定安装座(100)，其特征在于还包括左、右双边机械臂主体(200)；所述的固定安装座(100)由铝型材支架(101)、锁定支持架(102)以及固定板(103)组成。锁定支持架(102)、固定板(103)和铝型材支架之间通过螺栓和t型螺母实现位置的固定，并且锁定支持架(102)固定高度可根据操作员身高进行高度调节。固定板(103)上设计有安装轴，通过轴承与双边外骨骼机械臂主体(200)安装链接。所述双边外骨骼机械臂主体(200)其特征在于采用串联式对称设计，双侧机械臂各包括一被动自由度胸锁关节的伸出、回缩机构(201)，一主动自由度肩关节外展、内收机构(202)，一主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)，一主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)，大臂机构(205)，一主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)，小臂机构(207)，一主动自由度腕关节桡屈、尺屈机构(208)，一主动自由度腕关节旋前、旋后机构(209)，一主动自由度腕关节掌屈、背伸机构(210)，手掌固定机构(211)。所述胸锁关节的伸出、回缩机构(201)安装在固定板(103)上，输出端与肩关节外展、内收机构(202)固定端相连；所述肩关节外展、内收机构(202)输出端与所述肩关节内旋、外旋机构(203)固定端连接；所述肩关屈曲、伸展机构(204)固定端与所述肩关节内旋、外旋机构(203)连接，输出端通过大臂机构(205)与肘关节屈曲、伸展机构(206)固定端相连；所述小臂机构(207)一端与肘关节屈曲、伸展机构(206)相连，另一端固连腕关节桡屈、尺屈机构(208)固定端；所述腕关节旋前、旋后机构(209)固定端与腕关节桡屈、尺屈机构(208)输出端连接，输出端与腕关节掌屈、背伸机构(210)固定端相连进一步地与手掌固定机构(211)相固连。2.如权利要求1所述的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂其特征在于，所述主动肩关节外展、内收机构(202)与固定安装座(100)之间还设计有一人体水平运动平面内的平行四边形被动自由度胸锁关节伸出、回缩机构(201)。此外，机械臂主动关节包括肩关节外展、内收机构(202)，肩关节内旋、外旋机构(203)，肩关屈曲、伸展机构(204)，肘关节屈曲、伸展机构(206)，腕关节桡屈、尺屈机构(208)，腕关节旋前、旋后机构(209)，腕关节掌屈、背伸机构(210)。所述的七自由度主动旋转关节，均包含直流电机、减速器、绝对值编码器用以采集人体关节运动信息并实现机械臂重力补偿以及反馈力的输出。3.如权利要求1所述的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂其特征在于所述肩关节内旋、外旋机构(203)以及腕关节旋前、旋后机构(208)均采用平面六连杆机构，通过机构运动特性保证电机输出轴线与人体上肢运动轴线相重合。4.如权利要求1所述的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂其特征在于上述的主动自由度肩关节外展、内收机构(202)，主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)，主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)，主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)均安装有扭矩传感器以测量与人机交互过程中的关节力矩。5.如权利要求1所述的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂其特征在于所述固定安装座(100)，胸锁关节的伸出、回缩机构(201)，大臂机构(205)，小臂机构(207)，手掌固定机构(211)处均设计有适应于人因尺寸的长度可变调节机构。6.如权利要求1所述的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂其特征在于所述大臂机构(205)，小臂机构(207)以及手掌固定机构(211)上分别设计有大臂袖带机构(20502)，小臂袖带机构(20702)，手掌固定机构固定绑带(21106)，分别与人体上肢大臂，小
臂，手掌通过绑带固定以传递操作人员上肢的运动意图信息。7.如权利要求1所述的一种基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂其特征在于肩关节外展、内收机构(202)，肩关节内旋、外旋机构(203)，肩关屈曲、伸展机构(204)三旋转轴相交于一点，其运动学关系与人体肩部前屈后伸、外旋内旋、外展内收等效功能运动轴线在运动范围内重合。腕关节桡屈、尺屈机构(208)，腕关节旋前、旋后机构(209)，腕关节掌屈、背伸机构(210)三轴相较于一点，其运动学关系与人体腕部桡屈尺屈、外旋内旋、掌屈背伸等效功能运动轴线在运动范围内重合。所述的平行四边形胸锁关节伸出、回缩机构(201)与人体胸锁关节伸出回缩等效功能运动轴线在运动范围内重合。8.如且权利要求4所述的主动自由度肩关节外展、内收机构(202)，主动自由度肩关节内旋、外旋机构(203)，主动自由度肩关屈曲、伸展机构(204)，主动自由度肘关节屈曲、伸展机构(206)关节均设计安装有角度可调节的机械关节限位机构，以保证操作人员操作过程中的安全性。

技术总结
本发明公开了一种应用于遥操作领域的基于主被动关节的力反馈外骨骼机械臂，其包括固定安装座，及安装在固定安装座上的左、右双侧外骨骼机械臂。双外骨骼机械臂各包括一被动胸锁关节机构，三自由度主动肩关节机构，大臂机构，一自由度主动肘关节机构，小臂机构和三自由度主动腕关节机构。上述主动关节机构均安装有编码器和驱动电机，以实现遥操作信息流中的目标位姿信息输入和反馈力输出。为适应人因工程学尺寸，本发明在所述胸锁关节机构，大臂机构，小臂机构和腕关节机构设计有长度调节机构。所述主动肩关节内旋、外旋机构与腕关节旋前、旋后均采用平面六连杆机构，通过其运动学特性将电机轴线平移到人体上肢运动轴线。本发明整体优点在于结构轻便，系统刚度高，与人体上肢具有良好的适配性并可输出较大的反馈力。上肢具有良好的适配性并可输出较大的反馈力。上肢具有良好的适配性并可输出较大的反馈力。


技术研发人员：孟令达 丑武胜
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/24