[实用新型]一种基于绳牵引串联弹性驱动的物理性人机交互平台

说明书

本实用新型为一种基于绳牵引串联弹性驱动的物理性人机交互平台。其中包括直流伺服电机、减速器、联轴器、绞盘、直线导轨、滑块、磁栅尺、弹簧、手柄和旋转轴等。人的上肢驱动手柄沿直线导轨进行运动，与此同时，直流伺服电机提供相应的驱动力，驱动绞盘牵引绳索，从而改变弹性元件的形变量，达到控制人机交互的力矩和阻抗的效果。通过设计相应的阻抗控制器，可以实现安全、柔顺、稳定的人机交互。

技术领域

本实用新型涉及一种基于绳牵引串联弹性驱动的物理性人机交互平台，一般用于机器人领域与康复医疗器械领域。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人越来越多地需要与人或外界环境发生物理性交互。而在机器人执行交互任务时，安全性是至关重要的。传统的机器人往往采用刚性驱动来保证快速响应和高精度的需求，如若出现故障，可能会对操作者和交互环境造成威胁。为了提升系统的安全性，可以通过机器人的主动柔顺和被动柔顺两种方式来实现。

在主动柔顺中，通过设计阻抗或导纳控制器来调节机器人末端执行器的力与位移之间的动态关系，即调节交互阻抗的大小。而对于刚性驱动，如若在执行任务过程中发生断电而使得阻抗控制器失效，依然会对人或环境造成潜在伤害。

串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)具有柔顺性强、阻抗低、输出稳定、能量缓冲及贮存、抗外力冲击、安全等优点，可以实现系统的被动柔顺并提升系统的安全性。

绳索具有质量轻，力传输方向单一的特点，同时在力突变且超过阈值的情况下发生断裂，使传输力消失，起到进一步的保护作用。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于绳牵引串联弹性驱动的物理性人机交互平台，通过串联弹性驱动器来提升系统的被动柔顺度，通过阻抗控制提升系统的主动柔顺度，结合绳牵引，提升体统的稳定性和安全性。

本实用新型的技术方案

一种基于绳牵引串联弹性驱动的上肢物理性人机交互平台，包括一个铝合金底板，底板的一侧安装有一条直线滑轨以及与直线滑轨平行的一根磁条，直线滑轨上安装有三个滑块，顺次为第一滑块、第二滑块和第三滑块，三个滑块中间通过两根弹性系数和长度相同的弹簧相连，在中间的第二滑块上固定有手柄座和手柄，用于人机交互，在两端的第一滑块和第三滑块的外侧各安装有一个用于固定绳索的挂钩；三个滑块的侧面上各安装有一个磁栅尺读数头共计3个，3个磁栅尺读数头和磁条配合构成位置测量装置，用于对三个滑块的位置进行实时测量，以得到两根弹簧的形变量，通过计算得到弹簧的弹性力大小；进一步获得人手的位置信息和受力情况；在底板的另一侧安装有一个用于固定电机和绞盘的U型电机架，电机架一端的外侧固定安装有直流伺服电机，电机轴穿过电机架后与联轴器固定，联轴器另一端与绞盘连接在一起，同时绞盘的另一端连接固定有一个丝杆，丝杆由U型电机架另一端的螺孔穿出，电机轴所在直线与直线滑轨垂直；所述绞盘上反向缠绕有两个绳索，绳索的一端与绞盘固定，绳索的另一端分别通过电机架和直线滑轨之间的底板上安装的三个旋转轴与第一滑块或第三滑块外侧的挂钩连接固定。

所述绞盘上两根绳索的一端分别固定在绞盘的外侧并向中间反向缠绕，接出方向一左一右且位于绞盘的同侧并使两根绳索在旋转过程中不会卷在一起或者发生侧向偏移。两根绳索的末端分别与直线滑轨平行。

本实用新型优点和有益效果在于：

本实用新型采用绳牵引串联弹性驱动器，具有柔顺性强、阻抗低、输出稳定、能量缓冲及贮存、抗外力冲击、安全等优点，可以提升人机交互系统的柔顺性、安全性和稳定性。

附图说明

图1是基于串联弹性驱动的物理性人机交互平台机械结构示意图。

图2是基于串联弹性驱动的物理性人机交互平台俯视图。

图3是电机架及联轴器机械结构示意图。