一种基于四连杆机构的外骨骼机器人肩关节设计方法

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种基于四连杆机构的外骨骼机器人肩关节设计方法。

背景技术

人体肩部结构复杂，由锁骨、肩胛骨与肱骨串联构成。肱骨可以绕着肩关节沿三个自由度灵活旋转，而肩关节自身也被锁骨支撑，可以在两个自由度上绕着胸锁关节运动。

以右侧身体为例，附图1展示了人体肩部以上的骨骼结构。由胸骨、胸锁关节101、锁骨102、肩胛骨103、肩关节104、肱骨105构成的串联关节链是上肢运动的基本支撑结构。这个结构可近似地简化为附图2所示的杆状模型，其中胸锁关节201可以简化为一副具有两个旋转自由度的球头关节，锁骨202被简化为一根直杆，肩关节204则可以简化为一副具有三个旋转自由度的球头关节，肱骨205则简化为一根直杆绕肩关节的球头旋转。锁骨202可以绕胸锁关节201前后、上下摆动。肱骨205可以绕肩关节204前后、左右摆动，也可以绕自身轴线内外旋转。

外骨骼是一类特殊的可穿戴人形机器人，它的设计和普通的人形机器人不同。在设计普通人形机器人的时候，出于功能与成本的考虑，往往会假设肩关节自身相对于躯干是静止不动的，这样就有意忽略了锁骨与肩胛骨的存在，因此肱骨的外展、内收运动如附图3中所展示的那样。然而外骨骼机器人的关节需要跟随穿戴人员的肢体运动，因此外骨骼机器人的肩关节需要配合人的锁骨运动。人体的肩关节运动轨迹实际上是如附图4所示的情况，在肱骨外展的同时，锁骨会自然地抬升。这意味着需要增设一段与锁骨平行的机械结构。如果完全依照人体构造直接改造，则每个自由度都需要增加一套电机、编码器、传感器与减速装置。整机成本会显著上升，重量也会增加很多。但如果完全不增设任何结构又会造成肩关节活动受限，影响穿戴者的舒适度与机器人运动范围。

综上所述，在设计外骨骼时如果将锁骨固定死，则穿戴者在手臂外展时肩部会有明显的压迫感，手臂抬升范围也会受到很大限制，长期穿戴甚至可能会导致肩部病变。如果单独为锁骨增设一套动力装置，则成本显著提高，且重量增大，结构复杂难于加工装配。

发明内容

本发明的目的在于从人体工程学角度出发，通过分析上臂自然外展/内收时锁骨相应的运动轨迹，提出了一套使用四连杆机构设计肩关节的方法，实现了不需要增加电机、减速装置等额外动力部件即可支持肩关节与锁骨联动的运动形式。

为达上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于四连杆机构的外骨骼机器人肩关节设计方法，包括以下步骤：

第一步，测出穿戴者的锁骨和肱骨的长度；

第二步，穿戴者站直，双臂自然下垂，肱骨竖直，记录肩关节位置，此时记为肱骨C1B1，B代表肩关节的球心点，位于肱骨的上端，C代表肱骨的末端；

第三步，双臂伸直自然外展至肱骨位于水平方向，记录肩关节新的位置相对于步骤二中肩关节位置的偏移量，此时记为肱骨C2B2；

第四步，作图求解所述四连杆机构：

(1)将所述肱骨C1B1上端延长至点X1作为四连杆机构的一个铰接点；在肱骨C1B1上另选一点Y1作为四连杆机构的第二个铰接点；

(2)在所述肱骨C2B2上找到对应的两点X2、Y2，B1X1＝B2X2，B1Y1＝B2Y2；

(3)以X1、X2为两个端点作一段圆弧X1X2，其圆心位于点V，以Y1、Y2为两个端点作另一段圆弧Y1Y2，其圆心位于点U，则点U与点V为四连杆机构的另外两个铰接点；作线段UV，线段UV代表四连杆机构的机架；

(4)借助计算机辅助设计软件驱动所述四连杆草图中的连杆进行运动模拟，验证不同长度的线段与半径组合得到肩部灵活运动的角度范围；

(5)根据所述肩部灵活运动的角度范围，再结合外骨骼机器人装配体的特征与尺寸限制条件选定U、V两点的具体位置，结合杆件UY与VX的强度限制条件选定线段BX与BY的长度，即得到所述四连杆机构；

第五步，根据所述四连杆机构的各连杆长度设计具体的外骨骼肩关节构件。

本发明的有益效果是：按照本发明的方法设计出来的四连杆机构可支持肩部在人体肩部正常的运动角度范围内灵活运动。按照本发明的方法设计出来的外骨骼机构适用人群为成年男性或女性，不限人种。本发明的设计方法克服了现有技术中完全不考虑锁骨运动所带来的穿戴者身体不适的问题，同时解决了如果单独为锁骨增设一套动力装置，则成本显著提高，且重量增大，结构复杂难于加工装配的问题。本发明只使用一个电机与减速器就能够实现肱骨与锁骨联动。

附图说明

图1是人体的肩部结构示意图；

图2是简化的锁骨、肱骨串联关节链示意图；

图3是锁骨不运动的机器人肩关节外展、内收自由度示意图；

图4是人体肩关节外展时的实际运动轨迹示意图；

图5是上肢简化线图；

图6是作图求解四连杆机构的示意图；

图7是本发明的方法所设计得到的四连杆机构示意图；

图8是本发明所设计的四连杆机构的运动轨迹举例；

图9是本发明所设计的四连杆机构的可支持肩部运动的角度范围。

具体实施方案

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

由于锁骨的前后摆动远不及上下摆动频度高，而且前后摆动时幅度也很小，因此本发明忽略锁骨的前后摆动，仅考虑上下摆动。也就是说，不会专门使用一套动力执行装置驱动外骨骼的零件配合锁骨前后摆动。

本发明的方案大体分以下几步：

第一步，测出穿戴者的锁骨和肱骨的长度，尽量找关节球头的球心点作为端点。

第二步，穿戴者站直，双臂自然下垂，肱骨竖直，记录肩关节位置。

第三步，双臂伸直自然外展至肱骨位于水平方向，记录肩关节新的位置相对于步骤二中肩关节位置的偏移量。得到如附图5所示的线图。其中，附图5中虚线与后缀为1的字母代表肱骨自然下垂时的上肢位置，实线与后缀为2的字母代表肱骨自然外展至肱骨位于水平方向时的上肢位置。A点代表胸锁关节的球心点，在运动链中作为基座上的铰接点，本身位置固定不动。B点代表肩关节的球心点，位于肱骨的上端，C点代表肱骨的末端。因此锁骨可以用线段AB表示，肱骨可以用线段BC表示。

第四步，作图求解四连杆机构。

本发明的最终目的是去掉附图5中的锁骨AB后，依旧可以实现肱骨的自然运动。肩关节的位置自然包含在肱骨的上端。对于测量到的起点与终点位置，理论上可以通过附图6中的作图方式求解一套四连杆机构来逼近其运动轨迹。附图6中的A点代表原来胸锁关节的球心位置，这个点以及AB代表的锁骨将在后续的步骤中被四连杆机构取代。U点与V点是四连杆机构中位置固定的两个顶点，以UV组成的固定点将成为肩关节的新机架。

具体的求解步骤为：

(1)在附图5的基础上将肱骨C1B1上端延长至点X1作为四连杆机构的一个铰接点。在肱骨C1B1上另选一点Y1作为四连杆机构的第二个铰接点。在选定这两个点之后，作若干条辅助线寻找另外两个铰接点。

(2)首先在肱骨C2B2上找到对应的两点X2、Y2。具体可借助计算机辅助设计软件，对线段B1X1与线段B2X2施加等长约束。因为它们本质上是同一条线段运动到两个位置。同样的，对于线段B1Y1和B2Y2也施加等长约束。

(3)以X1、X2为两个端点作一段圆弧X1X2，其圆心位于点V，以Y1、Y2为两个端点作另一段圆弧Y1Y2，其圆心位于点U。则点U与点V为四连杆机构的另外两个铰接点。作线段UV，这条线段代表四连杆机构的机架，是固定不动的。这样作出来的草图处于不完全定义状态，线段BX、BY的长度以及圆弧X1X2、Y1Y2的半径都有无穷多个解，组合方式也是无穷多。

(4)借助计算机辅助设计软件驱动所述四连杆草图中的连杆进行运动模拟，可以验证不同长度的线段与半径组合得到肩部灵活运动的角度范围。

(5)工程实例中，再结合装配体的特征与尺寸限制条件选定U、V两点的具体位置，结合杆件UY与VX的强度限制条件选定线段BX与BY的长度，即可根据上述条件筛选得到附图7所示的四连杆机构。例如：用于驱动四连杆机构的电机与减速器直径在60mm～120mm之间，优选安装在点V或点X处。相应地，点V与戴者脊柱之间的距离不应小于30～60mm。点B代表穿戴者肩关节的位置，线段BX的取值范围在-50mm～70mm之间为宜。点Y的位置应同时满足两个不等式：80mm<BY<200mm；XY>80mm。圆弧X1X2的半径在130mm～250mm之间，圆弧Y1Y2的半径在180～380mm之间。

第五步，根据附图7中的各连杆长度设计具体的外骨骼肩关节构件，并保证穿戴者的肩关节位于图中B点的位置。附图8是本发明的方法所设计出的四连杆机构的运动轨迹举例。保证穿戴者的肩关节位于图中B点的位置的方法具体为：在连杆XY上安装辅助标尺，标示出B点的位置。调整外骨骼机器人机架在穿戴者背部的固定位置以使B点大致对准穿戴者的肩关节部位。

按照本发明的方法设计出来的四连杆机构可支持肩部在附图9所示的角度范围内灵活运动。按照这套方法设计出来的外骨骼机构适用人群为成年男性或女性，不限人种。本发明的设计方法克服了现有技术中完全不考虑锁骨运动所带来的穿戴者身体不适的问题，同时解决了如果单独为锁骨增设一套动力装置，则成本显著提高，且重量增大，结构复杂难于加工装配的问题。本发明只使用一个执行器与减速器就能够实现肱骨与锁骨联动。执行器是在机械装置中受输入信号的控制，能够产生相应机械运动的动力元件。如电机、电磁铁、液压作动筒、气压作动筒等都是典型的执行器。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。