肩部可穿戴功能輔助機(jī)械臂的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及協(xié)作式可穿戴機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用數(shù)據(jù)腳套、智能手 柄、腦機(jī)接口這三種控制模式控制的肩部可穿戴功能輔助機(jī)械臂，用于輔助人們?nèi)粘９ぷ?或生活。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展使得為人體增加額外的肢體實(shí)現(xiàn)"三頭六臂"不再是 夢想。通過增加可穿戴仿人機(jī)械臂肢體，可有效拓展人的任務(wù)執(zhí)行功能，增強(qiáng)人的生產(chǎn)效率 和技能水平，使其在不依賴于多人協(xié)助的情況下獨(dú)立應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境變化或生產(chǎn)任務(wù)，從 而解決了"雙拳不敵四手"的局面。因而可穿戴仿人機(jī)械臂肢體將會使機(jī)器人與人協(xié)作更 緊密，在機(jī)器人并不能很好理解人的意圖并高效面對復(fù)雜環(huán)境，多樣化用戶需要的情況下， 可穿戴機(jī)器人的研制將具有更實(shí)際的應(yīng)用前景。
[0003] 通常情況下，在一個(gè)人無法獨(dú)立完成某項(xiàng)活動(dòng)時(shí)，需要借助他人協(xié)助或者增加相 關(guān)的作業(yè)工具或者把任務(wù)細(xì)化分解，逐項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。雖然這些方法都可以順利完成預(yù)定的活動(dòng) 指標(biāo)，但是不可避免的會造成用工成本增加，時(shí)間，精力耗費(fèi)等。另一方面，由于人們需求越 來越多樣化，面對的任務(wù)和環(huán)境也會趨向于復(fù)雜，個(gè)人技能和傳統(tǒng)裝備難免會遇到不同類 型的挑戰(zhàn)，而機(jī)器人技術(shù)柔性和人的智能決策，智能執(zhí)行的融合可使機(jī)器人分擔(dān)部分挑戰(zhàn)， 從而減輕人的應(yīng)對壓力。不同于傳統(tǒng)的外骨骼助力機(jī)器人，可穿戴式助力機(jī)械臂不但助力 而且可以獨(dú)立完成作業(yè)，也可以人及協(xié)同完成更為復(fù)雜的任務(wù)，對提高人的技能和作業(yè)效 率具有重要實(shí)用價(jià)值，同時(shí)在健康保健領(lǐng)域則更有意義，對于手臂運(yùn)動(dòng)功能的人，如中風(fēng)、 肌肉萎縮的患者等來說，需要有替代品來幫助他們完成一些日常所需的手部動(dòng)作，使得他 們不需要在有人幫助下就能完成一些日常生活必須的運(yùn)動(dòng)，如倒水，開門，甚至剃須，刷牙， 烹飪，購物等。這樣不僅能對他們的隱私起到更好的保護(hù)作用，也能增加他們的生活自理能 力。而對于一些身體有殘疾，主要是手臂部分的人群，更是需要有替代品來彌補(bǔ)這部分的身 體缺陷，使得他們的生活品質(zhì)和獨(dú)立能力能夠得到改善?，F(xiàn)有的通過加裝義肢的方法，因 為需要針對不同的人進(jìn)行訂制，增加了成本，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也不可能規(guī)?；a(chǎn)。因此，額 外的可穿戴式機(jī)械臂可作為代替品。
[0004] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)：
[0005] 中國專利公開號CN101357097B，發(fā)明名稱為：五自由度外骨豁式上肢康復(fù)機(jī)器 人。該技術(shù)主要提供了一種可穿戴上肢康復(fù)裝置，該裝置可以起到單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與三維空間 多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并提供簡單、基本的日常生活動(dòng)作訓(xùn)練。但是該裝置便攜性差，不利于攜 帶，此外沒有集成人體物理信號用于人機(jī)協(xié)同，控制單一。
[0006] 中國專利公開號CN102309393A，發(fā)明名稱為：外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人，用于訓(xùn) 練，恢復(fù)上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)。該裝置只是連接人體腕部通過虛擬環(huán)境完成康復(fù)活動(dòng)，但是不能提 供實(shí)際的助力或功能增強(qiáng)功能，因而限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，將機(jī)器人機(jī)械臂作業(yè)技術(shù)與人的智能判 斷和智能執(zhí)行功能融合起來，提供了一種肩部可穿戴功能輔助機(jī)械臂。本發(fā)明的目的在于 增加人的肢體物理拓展和運(yùn)動(dòng)以及執(zhí)行功能，進(jìn)而提高生活品質(zhì)和工作效率，同時(shí)解決外 骨骼限制人體機(jī)能發(fā)揮，不能很好進(jìn)行人機(jī)協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)功能的問題。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009] -種肩部可穿戴功能輔助機(jī)械臂，穿戴于使用者的肩部，包括七自由度繩驅(qū)雙臂 1、肩部穿戴機(jī)構(gòu)2、繩驅(qū)電機(jī)組模塊3、控制驅(qū)動(dòng)單元4、電源模塊5、視覺傳感器7、計(jì)算機(jī)8 以及自主控制單元；其中：
[0010] 所述繩驅(qū)電機(jī)組模塊3通過繩驅(qū)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)被動(dòng)式承重機(jī)構(gòu)12與七自由度繩 驅(qū)雙臂1傳動(dòng)連接；
[0011] 所述視覺傳感器7和自主控制單元分別與計(jì)算機(jī)8數(shù)據(jù)連接；
[0012] 所述計(jì)算機(jī)8通過控制驅(qū)動(dòng)單元4與七自由度繩驅(qū)雙臂1控制連接；
[0013] 所述電源模塊分別與繩驅(qū)電機(jī)組模塊3和控制驅(qū)動(dòng)單元4電路連接；
[0014] 所述七自由度繩驅(qū)雙臂1、控制驅(qū)動(dòng)單元4、電源模塊5、視覺傳感器7、計(jì)算機(jī)8分 別固定在肩部穿戴機(jī)構(gòu)2上；
[0015] 所述自主控制單元包括如下任一個(gè)或任多個(gè)部件：
[0016] -腳部可穿戴數(shù)據(jù)腳套14,穿戴于使用者的腳部；
[0017] -智能手柄模塊15,固定于肩部穿戴機(jī)構(gòu)2上；
[0018] -腦機(jī)接口模塊16,穿戴于使用者的頭部。
[0019] 優(yōu)選地，所述七自由度繩驅(qū)雙臂設(shè)有肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，其中，所述肩關(guān)節(jié) 包括俯仰、旋轉(zhuǎn)、側(cè)擺三個(gè)自由度，分別用于完成俯仰、旋轉(zhuǎn)、側(cè)擺運(yùn)動(dòng)；所述肘關(guān)節(jié)包括屈 伸、旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，分別用于完成屈伸、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述腕關(guān)節(jié)包括屈伸、側(cè)擺兩個(gè)自由 度，分別用于完成屈伸、側(cè)擺運(yùn)動(dòng)；所述肩關(guān)節(jié)的俯仰和側(cè)擺自由度、肘關(guān)節(jié)的屈伸和旋轉(zhuǎn) 自由度以及腕關(guān)節(jié)的屈伸和側(cè)擺自由度均通過繩驅(qū)電機(jī)組模塊的兩自由度模塊化差動(dòng)錐 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0020] 優(yōu)選地，所述肩部穿戴機(jī)構(gòu)包括背部面板13以及安裝于背部面板上的用于穿戴 的肩部承重帶10和腰部緊固帶11 ;所述背部面板13上設(shè)有電機(jī)組合適配接口bl、機(jī)械臂 安裝固定接口b2、視覺傳感器固定支架接口b3、電腦機(jī)械連接支座b4、控制單元安裝支座 b5、電源安裝支座b6、繩驅(qū)繞組接口b7、肩部穿戴調(diào)節(jié)尼龍帶接口b8、腰部緊固帶接口b9以 及手柄安裝接口bl2 ;其中：
[0021] 所述繩驅(qū)電機(jī)組模塊3通過電機(jī)組合支架blO安裝于電機(jī)組合適配接口bl和繩 驅(qū)繞組接口b7處；
[0022] 所述七自由度繩驅(qū)雙臂1安裝于機(jī)械臂安裝固定接口b2處；
[0023] 所述視覺傳感器7通過視覺傳感器支撐座6安裝于視覺傳感器固定支架接口b3 處；
[0024] 所述腦機(jī)接口模塊16安裝于電腦機(jī)械連接支座b4處；
[0025] 所述控制驅(qū)動(dòng)單元4安裝于控制單元安裝支座b5處；
[0026] 所述電源模塊5安裝于電源安裝支座b6處；
[0027] 所述肩部承重帶10固定于肩部穿戴調(diào)節(jié)尼龍帶接口b8處；
[0028] 所述腰部緊固帶11固定于腰部緊固帶接口b9處；
[0029] 所述智能手柄模塊15安裝于手柄安裝接口bl2處。
[0030] 優(yōu)選地，所述腳部可穿戴數(shù)據(jù)腳套包括穿戴本體以及設(shè)置與穿戴本體上的第一腳 趾傳感器kl、第二腳趾傳感器k2和第三腳趾傳感器k3 ;其中，所述穿戴本體設(shè)有用于檢測 腳底壓力分布的腳底壓力傳感器單元，所述第一腳趾傳感器kl、第二腳趾傳感器k2和第三 腳趾傳感器k3分別用于采集腳趾活動(dòng)狀態(tài)，通過腳底壓力的分布信息以及腳趾的彎曲狀 態(tài)信息形成方向控制信號實(shí)現(xiàn)對七自由度繩驅(qū)雙臂的控制。
[0031] 優(yōu)選地，所述腳部可穿戴數(shù)據(jù)