[发明专利]一种盂肱关节仿生机构及盂肱关节角度识别方法

说明书

本发明涉及一种盂肱关节仿生机构及盂肱关节角度识别方法，机构包括肩部前伸后缩固定架、外展内收固定架及位于该肩部前伸后缩固定架与外展内收固定架之间的两个球面菱形机构，每个球面菱形机构的四条边均为弧形，且相邻边均通过转轴转动连接，一个球面菱形机构的一个端点处的转轴安装于肩部前伸后缩固定架上，相对的端点与另一个球面菱形机构的一个端点共用一根转轴，另一个球面菱形机构上相对的端点处的转轴安装于外展内收固定架上；肩部前伸后缩固定架连接于人体大臂，外展内收固定架与人体背部连接。本发明的球面菱形机构分布在人体盂肱关节外侧，可有效避免大范围外展运动中外骨骼与人体头部干涉，大幅提升肩部运动灵活性。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术、主从遥操作及康复检测等领域，具体地说是一种盂肱关节仿生机构及盂肱关节角度识别方法，主要用于人体肩部盂肱关节运动信息获取及远程再现等仿生操作。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，外骨骼机器人因具有较高的灵活性、适应性及主动避障能力，能够在一些特殊要求和环境下(如核辐射、火灾及反恐作战现场等非结构、多样化环境)通过操作人员主动参与去控制远程机械手臂顺利完成复杂的作业任务，以及主从遥操作作业方法。但现有外骨骼式主从遥操作系统中，一方面外骨骼肩部多采用简单的三轴垂直正交的结构布局方式来复现人体盂肱关节运动，该布局方式最大缺点是内旋外旋关节布置在盂肱关节上方，限制操作人员手臂的外展运动范围(≤45°)，超限将造成人机碰撞，严重影响外骨骼式遥操作主手的肩部运动灵活性与可靠性；另一方面，三轴垂直正交的结构布局方式造成肩部尺寸过大，肩部轮廓兼容性差，影响穿戴舒适性。

发明内容

为了解决现有外骨骼式遥操作主手存在肩部盂肱关节运动兼容性及轮廓兼容性差等问题，本发明的目的在于提供一种盂肱关节仿生机构及盂肱关节角度识别方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种盂肱关节仿生机构，包括肩部前伸后缩固定架、外展内收固定架及位于该肩部前伸后缩固定架与外展内收固定架之间的两个球面菱形机构，其中每个球面菱形机构的四条边均为弧形，且相邻边均通过转轴转动连接，一个所述球面菱形机构的一个端点处的转轴安装于肩部前伸后缩固定架上，相对的端点与另一个所述球面菱形机构的一个端点共用一根转轴，另一个所述球面菱形机构上相对的端点处的转轴安装于外展内收固定架上；所述肩部前伸后缩固定架连接于人体大臂，所述外展内收固定架与人体背部连接。

所述两个球面菱形机构包括第一肩部短杆、第二肩部短杆、第三肩部短杆、第四肩部短杆、第一肩部长杆及第二肩部长杆，该第一肩部长杆与第二肩部长杆呈“X”形，中间通过肩部中心轴转动连接；所述第一肩部短杆的一端与第一肩部长杆的一端通过第一肩部共用转轴连接，该第一肩部短杆的另一端与所述第三肩部短杆的一端通过前伸后缩转轴连接，所述第三肩部短杆的另一端与所述第二肩部长杆的一端通过第三肩部共用转轴连接，所述第二肩部短杆的一端与第一肩部长杆的另一端通过第二肩部共用转轴连接，该第二肩部短杆的另一端与第四肩部短杆的一端通过外展内收转轴连接，所述第四肩部短杆的另一端与所述第二肩部长杆的另一端通过第四肩部共用转轴连接；所述第一肩部长杆及第二肩部长杆为两个球面菱形机构的共用杆，所述前伸后缩转轴与外展内收转轴分别安装于肩部前伸后缩固定架及外展内收固定架上。

所述肩部中心轴、前伸后缩转轴及外展内收转轴上分别安装有记录球面菱形机构各连杆在运动过程之中相对角度的编码器。

所述第一肩部长杆、第二肩部长杆的弧度相等，第一肩部短杆、第二肩部短杆、第三肩部短杆及第四肩部自短杆的弧度相等，该第一肩部长杆与第二肩部长杆的弧度是第一肩部短杆、第二肩部短杆、第三肩部短杆及第四肩部自短杆弧度的两倍。

所述第一肩部长杆与第三肩部短杆、第四肩部短杆的曲率半径相同，所述第二肩部长杆与第一肩部短杆、第二肩部短杆的曲率半径相同。

所述第一肩部共用转轴、第二肩部共用转轴、第三肩部共用转轴、第四肩部共用转轴、肩部中心轴、前伸后缩转轴及外展内收转轴(K)的回转轴线交汇于球心。