一种六自由度穿戴式遥操作主手装置

1.本发明涉及一种遥操作主手装置，尤其涉及一种六自由度穿戴式遥操作主手装置。


背景技术：

2.多自由度从端机器人在控制过程中需要获取多个关节的控制参数，这就要求人机之间多维的信息耦合，穿戴式多自由度遥操作主手，通过穿戴在控制者身体上，直接快速的获取控制者上肢运动参数并且在多自由度机器人装置上实时准确复现。与此同时，通过从端传感器获取从机器人运动过程中的反馈力，并将反馈力复现到主端力反馈装置上，使得操作者感知到实际环境中的力觉反馈，操作者根据力反馈矫正操作，从而减少失误。
3.当前，力觉交互式设备多为桌面式，操作人员长时间操作会因为手臂悬置的疲劳感，导致操作的错误率上升。该类型的主手装置操作空间狭小，操作者不能直观的感受到从端机械臂各个关节的力觉反馈，反馈沉浸感低。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明目的是提出一种六自由度穿戴式遥操作主手装置，可以穿戴在操作者上肢上，操作灵活，控制信号精细。
5.技术方案：本发明包括移动装载平台、肩关节运动机构、大臂穿戴机构、肘关节运动机构、小臂回转运动机构和腕关节运动机构，所述移动装载平台顶部转动连接有肩关节运动机构，肩关节运动机构与肘关节运动机构转动连接，肘关节运动机构上部安装有大臂穿戴机构，下部安装有小臂回转运动机构，小臂回转运动机构底部安装有腕关节运动机构。
6.所述肩关节运动机构包括固定底板，固定底板上安装有肩关节电机，肩关节电机的输出轴安装有第二传动齿轮，第二传动齿轮与第一传动齿轮啮合传动，第一传动齿轮底部安装有下板，顶部安装有上板，其中，下板位于固定底板上，下板通过肩关节j1转轴与移动装载平台转动连接。
7.所述上板顶部固定有左侧板和右侧板，左侧板与右侧板之间设有传动块，所述传动块一端连接有肩关节j2转动轴，另一端连接有第一传动轴，肩关节j2转动轴和第一传动轴分别穿过与其相邻的侧板，且伸出端分别与带传动机构连接。
8.所述传动块上安装有第一传动杆，第一传动杆的另一端连接有肩关节j3转动轴，肩关节j3转动轴与第一传动轴之间设有带传动组件。
9.所述第一传动杆的末端转动连接有肘关节运动机构，所述肘关节运动机构包括第二传动杆，第二传动杆一端与第一传动杆的末端转动连接，另一端固定有滑板，所述滑板上部安装有大臂穿戴机构，滑板下部安装有肘关节固定板。
10.所述肘关节固定板的下部一侧安装有肘关节动力执行器，另一侧安装有小臂转动滑板，小臂转动滑板上安装有小臂回转运动机构。
11.所述小臂回转运动机构包括小臂固定板，小臂固定板上安装有小臂动力执行器，
小臂动力执行器底部连接有齿轮传动机构，远离小臂动力执行器的齿轮顶部安装有内套筒，底部安装有腕关节运动机构，内套筒插入小臂固定板内，内套筒与小臂固定板之间设有轴承。
12.所述腕关节运动机构包括手部固定板，手部固定板底部设有握把固定板，握把固定板下部固定有手部握把，手部固定板与握把固定板之间连接有带传动组件。
13.有益效果：
14.(1)本发明可用于各类需要远程遥操作机器人的场合，并且将远程机器人设备运行中的各种真实环境接触以力反馈的形式再现到操作端，适用范围广，可根据人体关节特点，顺应人体手臂自由度分布，遥操作主手装置肘关节、小臂关节均可自由调整，使得操作简单舒适；
15.(2)减轻人体负担，不易疲劳，肩关节的三自由度高度集成，肩关节电机都被安置在旋转基座之上，减轻了肩关节重量，使得操作更加便捷；
16.(3)操作空间大，力反馈的装置不仅配备有移动装载平台，并且在肩关节中加入可以360
°
旋转的关节，操作人员可以围绕着移动装载平台转动操作，大大调高了操作空间，为从机械臂的选型提供更多样的可能；
17.(4)小臂回转关节，带动腕部回转关节，腕部回转关节固连在小臂回转齿轮上实现小臂、手腕同步回转，更符合人体工学，减轻小臂回转机构、腕部回转机构产生的偏置力给手腕部分带来的不适。
附图说明
18.图1为本发明的整体结构示意图；
19.图2为本发明的移动装载平台示意图；
20.图3为肩关节结构示意图一；
21.图4为图3的爆炸图；
22.图5为肩关节结构示意图二；
23.图6为图5的爆炸图；
24.图7为肘关节运动机构的结构示意图；
25.图8为图7的爆炸图；
26.图9为小臂回转机构的结构示意图；
27.图10为图9的爆炸图；
28.图11为腕关节运动机构的结构示意图；
29.图12为图11的爆炸图；
30.图13为动力执行器剖视图；
31.图14为人体模型穿戴遥操作主手装置时的示意图；
32.图15为遥操作系统结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步说明。
34.如图1所示，本发明包括移动装载平台、肩关节运动机构、大臂穿戴机构、肘关节运
动机构、小臂回转运动机构和腕关节运动机构。移动装载平台顶部转动连接有肩关节运动机构，肩关节运动机构与肘关节运动机构转动连接，肘关节运动机构上部安装有大臂穿戴机构，下部安装有小臂回转运动机构，小臂回转运动机构底部安装有腕关节运动机构。该遥操作主手装置一共六个自由度j1、j2、j3、j4、j5、j6。
35.如图2所示，移动装载平台包括外套筒2和内滑杆1，外套筒2内滑动连接有内滑杆1，外套筒2底部连接有移动底盘3，移动底盘3底部安装有万向轮4。
36.如图3至图6所示，肩关节运动机构包括固定底板5，固定底板5上安装有肩关节电机，肩关节电机的输出轴安装有第二传动齿轮12，第二传动齿轮12与第一传动齿轮9啮合传动，第一传动齿轮9底部安装有下板8，顶部安装有上板10，上板10、第一传动齿轮9与下板8通过固定螺栓安装在一起。下板8位于固定底板5上，下板8通过法兰与肩关节j1转轴6连接，肩关节j1转轴6转动连接在移动装载平台的内滑杆1内，j1回转中心与肩关节j1转轴6相同，j1由肩关节电机提供位置检测与力反馈。从而实现了j1自由度转动与肩关节电机的力反馈输出与编码器信号采集，当从端机械臂产生碰撞阻力信号输入时，肩关节电机进行力反馈输出，从而带动整个肩关节运动机构，因此操作者可通过大臂固定支架32、内套筒42、手部握把54感受到力反馈输出。
37.上板10顶部固定有左侧板29和右侧板30，用于固定电机与传动机构。左侧板29的u型槽中固定有第一电机，第一电机的输出轴与第一带传动组中的一个带轮相连接，进行力反馈输出与编码器的信号采集。第一带传动组的另一个带轮与肩关节j2转动轴16相连接，从而实现第一电机与肩关节j2转动轴16之间的传动，j2回转中心与肩关节j2转动轴16回转中心相同，从而实现j2自由度与第一电机之间的力反馈输出与电机编码器信号的采集，当从端机械臂产生碰撞阻力信号输入时，第一电机进行力反馈输出，从而带动整个肩关节运动机构，因此操作者可通过大臂固定支架32、内套筒42、手部握把54感受到力反馈输出。
38.左侧板29和右侧板30之间设有传动u型块18，传动u型块18的一端通过法兰17与肩关节j2转动轴16连接，另一端通过轴承与第一传动轴23转动连接，保证了传动u型块18的平衡。第一传动轴23的另一端穿过左侧板29，与第二带传动组中的其中一个带轮连接，第二带传动组中的另一个带轮与固定在右侧板30上的第二电机连接，进行力反馈输出和电机编码器信号的采集。左侧板29与传动u型块18之间的第一传动轴23上连接有第三带传动组中的其中一个带轮，传动u型块18上连接有第一传动杆19，第一传动杆19的另一端与第三带传动组中的另一个带轮之间通过肩关节j3转动轴25连接，肩关节j3转动轴25上通过法兰连接第二传动杆27，j3回转中心与肩关节j3转动轴25回转中心相同，从而实现j3自由度与第二电机之间的力反馈输出与电机编码器信号的采集，当从端机械臂产生碰撞阻力信号输入时，第二电机进行力反馈输出，从而带动整个肩关节运动机构，因此操作者可通过大臂固定支架32、内套筒42、手部握把54感受到力反馈输出。
39.如图7至图8所示，第二传动杆27的另一端固定有滑板28，滑板28的上部通过螺栓安装有大臂固定支架32，大臂固定支架32末端连接有大臂固定带31，大臂固定支架32可以在滑板上任意滑动以选择合适的位置进行固定，方便操作者调整，并且操作者可以通过大臂固定带31进行大臂穿戴，穿戴完成再贴紧大臂固定带31，可自由调整松紧。滑板28下部通过螺栓安装有肘关节固定板34，从而使得肘关节固定板34可以自由的调整位置。肘关节固定板34下部开有圆孔，圆孔一侧安装有肘关节动力执行器36，另一侧安装有小臂转动滑板
37，通过肘关节动力执行器36进行力反馈输出与编码器信号采集，力反馈输出时电机转动带动小臂转动滑板37。j4回转中心与小臂转动滑板37回转中心相同。因为小臂回转运动机构安装在小臂转动滑板37上，当肘关节动力执行器36进行力反馈输出时，带动小臂转动滑板37，所以力反馈信息可以通过小臂回转运动机构传递给操作者。
40.如图9至图10所示，小臂转动滑板37上安装有小臂回转运动机构，操作者小臂伸进内套筒42内，进行运动控制。小臂回转运动机构包括小臂固定板38，小臂固定板38上安装有小臂动力执行器43，小臂动力执行器43底部与第二传动轴44连接，第二传动轴44与第三传动齿轮45连接，从而实现力反馈输出与编码器信号采集。第三传动齿轮45与第四传动齿轮46啮合传动，第四传动齿轮46顶部安装有内套筒42，内套筒42插入小臂固定板38的中空套筒部分，并与上端盖通过紧定螺钉进行固定。内套筒42与小臂固定板38之间的中空套筒内安装有滚针轴承，从而实现了内套筒42与上端盖的同步自由转动。j5回转中心与内套筒42回转中心相同，腕关节运动机构安装在第四传动齿轮46上，当操作者穿戴遥操作主手力反馈装置时，操作者的手将握紧腕关节运动机构中的手部握把54，则从端机械臂将碰撞阻力信号输入时，小臂动力执行器43进行力反馈输出，带动第四传动齿轮46转动，从而带动整个腕关节运动机构转动，随之操作者小臂也会转动，当操作者的手握紧手部握把54时，操作者则会感受到小臂回转机构的力反馈输出。
41.如图11至图12所示，腕关节运动机构包括手部固定板47，手部固定板47通过螺钉安装在第四传动齿轮46底部，保证腕部随着小臂一起转动。手部固定板47底部设有握把固定板48，握把固定板48下部固定有手部握把54，手部固定板47一侧安装有腕部电机52，腕部电机52的输出轴与带传动组中的其中一个带轮连接，带传动组中的另一个带轮与握把固定板48之间通过法兰连接。j6回转中心与法兰回转中心相同，操作者穿戴遥操作主手力反馈装置时，操作者的手将握紧手部握把54，当从端碰撞阻力信号输入时，腕部电机52进行力反馈输出，带动握把固定板48运动，从而带动手部握把54运动，因此操作者将感受到力反馈输出。
42.如图13所示为上述动力执行器剖视图，包括外壳57，外壳57内设有电机固定板58和减速器固定板59，电机固定板58上安装有执行器电机55，减速器固定板59上安装有减速器56，执行器电机55与减速器56之间通过键连接进行动力传递。此动力执行器被用于肘关节转动与小臂回转运动机构。使用电机与谐波减速器的组合可以促使力反馈动作更加安全可靠，有效地保护了操作者的手臂安全。
43.如图14所示，为人体模型穿戴遥操作主手装置示意图，操作者将人体大臂贴近大臂固定支架32，通过大臂固定带31自由的调整大臂固定位置与松紧。人体小臂穿戴进入传动内套筒42，人手握住手部握把54就可完成遥操作主手装置的穿戴。
44.如图15所示，操作者穿戴遥操作主手机器人，通过人体手臂的挥动，主手装置采集手臂位置、速度信号发送给服务器。服务器端控制从端机械臂的运动。从端机械臂在作业的过程中如遇碰撞，则从端机械臂的碰撞传感器将碰撞阻力信号采集，并通过服务器传送回遥操作主手机械人端，在主手端复现碰撞阻力，给操作者以力反馈信息。
45.本发明可用于各类需要远程遥操作机器人的场合，并且将远程机器人设备运行中的各种真实环境接触以力反馈的形式再现到操作端；采用穿戴式装置，由于穿戴在操作者上肢上，操作灵活，控制信号精细，不易疲劳，并且可方便得携带交互装置移动。