[发明专利]一种多功能纤维增强型驱动柔性外肢体机器人

说明书

本发明公开了一种多功能纤维增强型驱动柔性外肢体机器人，涉及可穿戴机器人技术领域。组合了多种增强纤维排布方式，可以实现柔性外肢体机器人在三维空间中的复杂运动。包括纤维增强型驱动系统、末端执行器、集成控制器以及柔性穿戴部件，所述集成控制器固定连接在柔性穿戴部件上，所述纤维增强型驱动系统的一端连接集成控制器，并且另一端连接末端执行器，通过集成控制器控制纤维增强型驱动系统带动末端执行器运动。具有构型轻巧、穿戴舒适、安全性高、刚柔一体化、功能多样化等特点。

技术领域

本发明涉及可穿戴机器人技术领域，特别涉及柔性外肢体机器人的设计。

背景技术

目前，由衰老和中风等疾病引起的运动功能障碍已经成为我国社会关注的重要问题，设计可穿戴机器人有助于辅助肢体运动功能障碍人群日常活动。外肢体机器人作为一种可穿戴的外置附加肢体，通过模仿人类原有肢体功能，结合人体运动意图，来提高或拓展穿戴者的活动与操作能力，为提供该问题提供可行思路。另一方面，伴随我国航空航天事业的蓬勃发展，飞行器等设备的装配维修迈向常态化，然而受其操作精度要求高、工序繁琐、工况复杂、操作空间狭小等因素影响，单个工人或传统工业机器人难以直接独立完成任务。外肢体机器人可以支撑工件或地面协助工人完成长时间头顶或近地空间作业，也可以起到引导钻孔、辅助焊接、 搬举重物、 递送工具等协同操作作用。综上可以看出，外肢体机器人在工业生产、医疗康复、养老助残及生活服务等领域有着广阔的应用前景与重要的研究意义。

目前，外肢体机器人主要由刚性部件构成，其体积庞大、结构笨重复杂，运动不够灵活，易造成人体失衡，大大降低了移动便携性与穿戴舒适性。且针对特定应用场景，如偏瘫患者的生活辅助和不适姿态下的飞机装配维修，均需外肢体机器人兼顾上下肢功能，以及在刚性支撑与柔性操作之间进行转换，然而目前尚未有外肢体机器人满足上述需求。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种多功能纤维增强型驱动柔性外肢体机器人，组合了多种增强纤维排布方式，可以实现柔性外肢体机器人在三维空间中的复杂运动。

本发明的技术方案为：包括纤维增强型驱动系统、末端执行器1-6、集成控制器1-2以及柔性穿戴部件1-5，所述集成控制器1-2固定连接在柔性穿戴部件1-5上，所述纤维增强型驱动系统的一端连接集成控制器1-2，并且另一端连接末端执行器1-6，通过集成控制器1-2控制纤维增强型驱动系统带动末端执行器1-6运动。

进一步的，所述纤维增强型驱动系统包括纤维增强型驱动单元1-3以及连接环1-4，若干并列分布且保持并联的纤维增强型驱动单元1-3为一组，两组纤维增强型驱动单元1-3之间通过连接环1-4相连接，并且保持串联。各个纤维增强型驱动单元1-3串并联得电后，集成控制器分别进行单独控制。

进一步的，所述纤维增强型驱动单元1-3为轴向伸长式纤维增强型驱动单元、径向扩张式纤维增强型驱动单元、弯曲式纤维增强型驱动单元或者扭转式纤维增强型驱动单元；

所述轴向伸长式纤维增强型驱动单元包括弹性腔体2-1、增强纤维2-2，增强纤维2-2以对称双螺旋的方式缠绕在弹性腔体2-1的外周，且增强纤维2-2缠绕方向与弹性腔体2-1周向所夹角接近0°；

所述径向扩张式纤维增强型驱动单元包括弹性腔体2-1、增强纤维2-2，增强纤维2-2以对称双螺旋的方式缠绕在弹性腔体2-1的外周，且增强纤维2-2缠绕方向与弹性腔体2-1周向所夹角接近90°；

所述弯曲式纤维增强型驱动单元包括弹性腔体2-1、增强纤维2-2以及应变限制层2-3，增强纤维2-2以对称双螺旋的方式缠绕在弹性腔体2-1的外周，且增强纤维2-2缠绕方向与弹性腔体2-1周向所夹角接近0°，应变限制层2-3由不可拉伸材料制成，并且沿弹性腔体2-1的轴向设置在弹性腔体2-1中；

所述扭转式纤维增强型驱动单元包括弹性腔体2-1、增强纤维2-2，增强纤维2-2以单双螺旋的方式缠绕在弹性腔体2-1的外周。