基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节

摘要

本发明公开的基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节由两条气动肌肉及一个单自由度旋转运动副构成，实现人体上臂肘关节的单自由度的转动。这种结构与现有的外骨骼机械手或者其它穿戴器械相比，结构新颖，轻便灵巧，采用气动肌肉作为关节的执行元件，模仿人体肌肉伸缩的动作，具有仿生学的特点。操作者通过穿戴此装置，并由安装在旋转副上的扭矩传感器获取其运动参数，可对单自由度的工业机械手进行主从式操作，适应性强。同时通过对关节中气动肌肉腔体内气体压力的控制，实现具有临场感知的力反馈信号，增强控制的逼真程度。该发明也可广泛用于医疗，通过对关节中气动肌肉的控制，作为上肢肘关节肌肉萎缩或者残疾人士的医疗康复辅助器械。

权利要求

1.基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节，其特征在于它包括单自由度旋转运动关节(1)、两条正反向弯曲安装的气动肌肉(2)和操作者穿戴支架(3)，单自由度旋转运动关节(1)包括扭矩传感器(10)和U型连杆(11)，扭矩传感器(10)的两端分别安装有滚动轴承(4)，U型连杆(11)开口的两端分别与滚动轴承铰接，形成旋转运动副；两条正反向弯曲安装的气动肌肉(2)分别与U型连杆(11)的直杆固定，两条气动肌肉的弯曲端分别经连接件(5)与扭矩传感器(10)相连，在两条正反向弯曲安装的气动肌肉进气口上分别安装气体压力传感器(7)；操作者支架(3)包括上臂穿戴支架(8)和下臂穿戴支架(9)，上臂穿戴支架(8)与U型连杆(11)的底部固定，下臂穿戴支架(9)经支架连杆(6)与扭矩传感器(10)固定。

说明书

基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节

技术领域

[0001] 本发明涉及基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节，具体说是一种具有仿生特点，可实现对人体上肢肘关节运动数据采集，力反馈信号产生或是辅助肘关节运动等功能的装置。

背景技术

[0002] 外骨骼技术是一种新型的人机智能系统控制技术，可广泛应用于机器人的主从控制，肢残病人的医疗康复辅助器械。但传统的外骨骼系统通常采用电机、液压或者气缸作为控制执行元件，结构复杂。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单，轻便、清洁、可靠，具有临场力反馈，适合于单自由度机械手主从控制的基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节。

[0004] 本发明的基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节，包括单自由度旋转运动关节、两条正反向弯曲安装的气动肌肉和操作者穿戴支架，单自由度旋转运动关节包括扭矩传感器和U型连杆，扭矩传感器的两端分别安装有滚动轴承，U型连杆开口的两端分别与滚动轴承铰接，形成旋转运动副；两条正反向弯曲的气动肌肉分别与U型连杆的直杆固定，两条气动肌肉的弯曲端分别经连接件与扭矩传感器相连；操作者支架包括上臂穿戴支架和下臂穿戴支架，上臂穿戴支架与U型连杆的底部固定，下臂穿戴支架经支架连杆与扭矩传感器固定。

[0005] 使用时，将操作者的上臂和下臂通过绑带分别贴顺地固定在上臂支架和下臂支架上，单自由度旋转运动关节具有一个自由度的肘部旋转副，两条正反向弯曲安装的气动肌肉，通过对气动肌肉腔内压力的控制，可产生绕单自由度旋转副的正反力矩，实现人上下臂绕肘关节的转动。

[0006] 为便于采集气动肌肉腔体内压力，可在两条正反向弯曲的气动肌肉进气口上分别安装气体压力传感器，这样，结合旋转关节上的扭拒传感器，可以控制施加在整个关节上的旋转力矩。

[0007] 本发明的基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节结构简单，轻便灵巧，采用气动肌肉作为关节的执行元件，模仿人体肌肉伸缩的动作，具有仿生学的特点。可通过对操作者肘关节运动参数测量，对单自由度的工业机械手进行主从式操作，适应性强。同时通过对关节中气动肌肉腔体内气体压力的控制，实现具有临场感知的力反馈信号，增强控制的逼真程度。该发明也可广泛用于医疗，通过对关节中气动肌肉的控制，作为上肢肘关节肌肉萎缩或者残疾人士的医疗康复辅助器械。

附图说明

[0008] 图1是基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节结构示意图。

具体实施方式

[0009] 以下结合附图进一步说明本发明。

[0010] 参照附图，本发明基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节包括单自由度旋转运动关节1、两条正反向弯曲安装的气动肌肉2和操作者穿戴支架3，单自由度旋转运动关节1包括扭矩传感器10和U型连杆11，扭矩传感器10的两端分别安装有滚动轴承4，U型连杆11开口的两端分别与滚动轴承铰接，形成旋转运动副；两条正反向弯曲的气动肌肉2分别与U型连杆11的直杆固定，两条气动肌肉的弯曲端分别经连接件5与扭矩传感器10相连；操作者支架3包括上臂穿戴支架8和下臂穿戴支架9，上臂穿戴支架8与U型连杆11的底部固定，下臂穿戴支架9经支架连杆6与扭矩传感器10固定。图示具体实例中，在两条正反向弯曲安装的气动肌肉进气口上，分别安装有气体压力传感器7。

[0011] 基于气动肌肉的柔性外骨骼肘关节共具有一个自由度，通过对控制气动肌肉腔体内气体压力的控制，结合关节中扭拒传感器的信号，可实现对单自由度机械手具有临场力反馈信号的主从控制。