[发明专利]一种解决外骨骼机器人肩关节奇异位形问题的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种解决外骨骼机器人肩关节奇异位形问题的方法及装置。

背景技术

外骨骼机器人是一类特殊的机器人，其机械结构的运转遵循机器人的基本原理，而其运动轨迹则需要配合穿戴者的肢体活动。因此一个运动范围大的外骨骼机器人，它的关节运动链通常与穿戴者是同构的。为了实现与穿戴者肢体同步运动，外骨骼机器人的关节旋转轴线也必定与穿戴者是重合的。

然而由于人体肩关节已经占据了关节窝球心位置的空间，且机器人的动力系统与人体肌肉这种并联直线运动副差异太大，因此外骨骼的肩关节通常使用串联的旋转运动副来实现与人体肩关节相同的运动自由度，在这个意义上，二者并非完全同构。

附图1展示的是本发明所针对的肩关节同构外骨骼简化模型，图中仅展示了右肢，实际情况下对两侧肢体均适用。人体上肢骨骼与外骨骼各机械构件的附图标记与名称对应如下：101-穿戴者躯干与外骨骼机架、102-外骨骼锁骨、103-穿戴者锁骨、104-电机A、105-外骨骼肩关节L型摇臂、106-电机B、107-外骨骼肱骨前段、108-穿戴者肱骨、109-环状电机C、110-外骨骼肱骨后段、111-肘关节电机、112-肘套、113-外骨骼前臂骨前段、114-穿戴者前臂骨、115-前臂环状电机、116-外骨骼前臂骨后段。

外骨骼的机架附着于穿戴者躯干上，附图1中二者简化成为单个构件。穿戴者的锁骨在胸锁关节窝处与穿戴者躯干构成球关节运动副。外骨骼锁骨则在躯干后方位置通过铰链(附图1中不可见，可参见附图8后视图中的电机A104的左侧)与外骨骼机架构成旋转运动副。穿戴者肱骨的上端与穿戴者的锁骨外端构成的肩关节是一个球关节运动副，肱骨可以绕肩关节前后或左右摆动，也可以绕肱骨自身轴线旋转。电机A104的定子安装在外骨骼锁骨的外端，其轴线沿着穿戴者身体的前后方向延伸并穿过穿戴者肩关节的球心。外骨骼肩关节L型摇臂的内侧一端安装在电机A的转子上，由电机A驱动，在不超过240度的范围内带动上臂旋转，实现上臂左右方向的摆动。电机B的定子安装在L型摇臂的外侧一端，其轴线沿着穿戴者身体的左右方向延伸并且也穿过穿戴者肩关节的球心。外骨骼肱骨分为前后两段，外骨骼肱骨前段上端联接到电机B的转子上，由电机B驱动，在不超过270度的范围内带动上臂旋转，实现上臂前后方向的摆动。外骨骼肱骨前后两段之间通过一个环状电机C相联接，构成一个旋转运动副。环状旋转运动副套在穿戴者的上臂周围，与穿戴者的肱骨同轴线。环状电机C的定子安装在外骨骼肱骨前段圆环上，转子安装在外骨骼肱骨后段圆环上，用于驱动肱骨绕自身轴线在180度范围内旋转。肘套安装在穿戴者上臂与外骨骼肱骨后段的圆环之间(这部分是本发明的关键内容，后文会详细描述)。外骨骼肱骨后段的下端安装着肘关节电机的定子。肘关节电机的轴线与穿戴者肘关节旋转的轴线重合。外骨骼前臂骨也分为前后两段，其中前段的上端与肘关节电机的转子相联接，由肘关节电机驱动穿戴者前臂在不超过160度范围内做屈肘旋转。外骨骼前臂前后两段之间通过前臂环状电机相联接，形成套在穿戴者前臂周围的环状旋转运动副，与穿戴者的前臂同轴线。前臂环状电机的定子安装在外骨骼前臂前段上，转子安装在外骨骼前臂的后段上，驱动穿戴者的前臂在不超过180度的范围内绕前臂自身的轴线旋转。外骨骼前臂后段的下部安装有腕关节电机的定子，其转子不在本发明的讨论范畴。虽然附图1详细描述了外骨骼装置的构造，但本发明仅讨论电机A、B、C的控制。

运动链结构的本质差异导致原本不存在奇异位形的人体肩关节在外骨骼结构上出现了奇异。本发明所针对的外骨骼装置存在一个奇异位形，如附图2所示。当上臂由自然下垂转为向前平举即可使肩部达到这个位形，造成电机C与电机A的输出轴线重合，此时肩部运动链原本的三个自由度减为两个自由度。如果上臂在这个位形要外扩(肱骨由水平向前变为水平向右)，则外骨骼无法实现这个方向的运动。因为电机A与电机B的转轴都与外扩方向正交垂直，根本无法提供动力。附图2中，Rx是电机A旋转轴，Ry是电机B旋转轴，Rz是外扩旋转轴。外骨骼机器人构件较多，通常会有装配体坐标系(也就是与大地相对静止的机架坐标系)和关节坐标系(也就是零件坐标系)之分。零件的坐标系是相对于每个零件自身而言的XYZ轴。随着关节运动，零件的坐标系在装配体坐标系中是不断运动的。

依照传统的机器人控制策略，外骨骼使用中应当回避这个特定的位置。但由于外骨骼是穿戴式设备，而正前方也是人类手臂活动范围的核心区域，回避这个位形是有悖于人类使用习惯的。

发明内容