[发明专利]一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人

说明书

本发明公开一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，包括承载移动平台、肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋运动机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋运动机构与腕部运动机构；肩部运动机构一端固定在承载移动平台的顶部，另一端与大臂伸缩机构相连，然后肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋机构、腕部运动机构依次沿人体上肢的路线相连。本发明扩大了控制的工作空间，提高遥操作沉浸感；扩大了肩部运动的工作空间；提高了旋转轴线的重合度，提高人机相容性；提高了人机耦合程度与穿戴舒适性；提高了柔顺程度以及力觉沉浸感；可适配不同力反馈的力度需求，提高个性化程度；通用程度高。

技术领域

本发明涉及一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人，属于机器人以及人机交互技术领域。

背景技术

在轨服务、星球探测、远程医疗、核处理、高压带电作业、海洋开发等特殊极端环境对人类现场操作带来极大挑战。遥操作技术通过本地的主端设备远程控制远处现场的从端系统，并对过程实施监控管理，做出评价应对，对于解决特殊环境作业是一种绝佳的途径。这其中，主端遥操作机器人用于获取操作者的控制输入并将从端的信息反馈给操作者，是机器人以及人机交互领域的重点发展方向。传统上，外骨骼机器人与人体上肢相互融合，更加直观地进行人机交互，扩展了操作者遥操作时的工作空间，极大提升了沉浸感。

目前，遥操作过程中获取人类上肢位姿数据的技术主要有动作捕捉设备，典型的产品包括使用光学测量手段的Kinect、Vicon、Motion Analysis以及基于惯性测量的Xsens。但这些设备均不具有力反馈功能，对于从端现场存在接触现象时，无法提供力的信息。基于机器人构型的主端遥操作机器人可提供有效的力反馈信息，通常分为非穿戴式的串联力反馈主手、并联力反馈主手。主要代表为美国Sensable公司的桌面型PHANTOM系列的力反馈主控手，Force Dimension公司的Delta/Omega力反馈主手。该类主手通常固定在工作台上，具备3-7个自由度，由操作者手持力反馈主手末端进行操作。然而，力反馈主手的工作空间相比于人体上肢的工作空间较小，操作者不直观。并且，力反馈主手只能在末端给人施加反馈的力，无法在上肢的其他部位施加。

上肢外骨骼遥操作机器人通过穿戴在人体上肢上，通过与人体上肢关节、臂长相吻合，极大地扩展了操作者上肢遥操作时的工作空间，并且与人类上肢具有较为相近的位移、速度和力的性能范围，这对于装配、拾取等作业范围大、接触敏感的场景极为重要。其中，上肢外骨骼机器人在运动康复、搬运助力方面已有一些案例，如ARMin、IntelliArm、ETS-MARSE等。上肢外骨骼遥操作机器人作为主端交互设备，在兼具康复、助力的一些要求外，在运动范围、力的沉浸感以及模块化可重构方面具有特殊要求，当前，EXARM可穿戴在人体上肢，实现遥操作。但其机器人的构型及关节配置使得机器人容易与人体发生干涉，减小了工作空间；同时，通常在末端安装六维力传感器，不具备关节层面的力矩感知能力，柔顺性低；此外，各个机器人自由度应具备的驱动和控制能力相比于人体上肢的肩、肘及腕关节的负载能力较弱，力反馈能力较低，并且不具备模块化的特点，左侧、右侧上肢适应性以及机器人重构互换性较弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化七自由度上肢外骨骼机器人，以解决现有技术中存在的机器人的构型及关节配置容易与人体发生干涉、关节柔顺性低、力反馈能力较低、并且不具备模块化等问题。

为了解决上述技术问题，本发明一种模块化的七自由度上肢外骨骼机器人，既可以穿戴于人体右侧上肢，也可以穿戴于人体左侧上肢，包括承载移动平台、肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋运动机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋运动机构与腕部运动机构；肩部运动机构一端固定在承载移动平台的顶部，另一端与大臂伸缩机构相连，然后肩部运动机构、大臂伸缩机构、大臂回旋机构、肘部运动机构、小臂伸缩机构、小臂回旋机构、腕部运动机构依次沿人体上肢的路线相连。