一种具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人

本技术涉及轮椅机器人，具体地，涉及一种具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人。

背景技术：

1、随着人口老龄化加剧，老年人护理问题日益突出，同时每年也有大量因故造成肢体残疾的人，因此研究帮助他们提高自理能力的辅助机器人具有重要意义。电动轮椅只能解决他们的代步问题，具有较大局限性。因此本文设计了一种智能轮椅机器人，在电动轮椅上安装有柔性机械臂，这样既可以解决代步问题，又可以帮助他们独立生活。

2、智能轮椅机器人需要完成抓取物品、开门、推拉等动作，灵活可靠的机械臂是其完成任务的关键，目前大部分智能轮椅机器人采用刚性关节型机械臂。授权公告号cn210850232 u的中国实用新型专利公开了一种多关节助老助残轮椅机械臂，该实用新型基于套索式柔性绳传动机构原理，设计了一种基于绳传动的多关节助老助残轮椅机械臂的结构，然后基于旋量理论首先建立初始位姿的基坐标系与工具坐标系，并由基坐标系与工具坐标系确定轮椅机械臂运动学参数，再根据轮椅机械臂的结构形式和各关节的运动方式，完成该结构形式的轮椅机械臂的运动学模型的建立和分析。

3、王展在硕士论文《助老助残智能轮椅机械臂的研究》一文中（哈尔滨工业大学2008年6月）设计了一种基于智能轮椅的辅助型机械臂，综合考虑重量，体积等因素，结合工作空间对机械臂进行优化，机械臂安装在轮椅一侧，可以完成抓取物品，喝水等动作。

4、上述技术分别提供了一种智能轮椅机器人，但都采用刚性关节型机械臂，重量和体积较大，导致轮椅容易偏心，转动惯性大影响机械臂的控制，并且刚性机械臂人机交互存在一定安全问题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于，提供一种具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，该机械臂体积小，重量轻，可以灵活弯曲，转动惯量小，安装在轮椅一侧不会导致轮椅偏心，避免了传统刚性机械臂在拿取物品时需要频繁移动轮椅的情况，该柔性机械臂还可以进行平动，在移动过程中保持末端位姿不变，同时柔性机械臂人机交互更加安全。

2、为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

3、一种具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，包括电动轮椅、柔性机械臂、机械臂驱动装置、末端夹持器与柔性机械臂控制模块；

4、所述的电动轮椅设有轮椅驱动装置、轮椅控制模块；

5、电动轮椅上安装设置柔性机械臂、机械臂驱动装置、末端夹持器、柔性机械臂控制模块；

6、所述的柔性机械臂设置在电动轮椅的一侧，柔性机械臂包括固定圆盘、柔性骨架、驱动绳与固定拉绳；固定圆盘均匀分布并固定在柔性骨架上；固定圆盘上均匀布置有绳索通过的绳孔；柔性机械臂分段控制，每段由相应的驱动绳拉动控制；靠近电动轮椅一侧的固定圆盘与固定圆盘之间设有固定拉绳；每段的驱动绳的一端分别与柔性机械臂上的固定圆盘的绳孔连接；驱动绳依次穿过固定圆盘对应的绳孔后通过绳索导向装置连接到柔性机械臂末端的机械臂驱动装置；

7、所述的机械臂驱动装置安装在电动轮椅底部，椅座的下方，械臂驱动装置包括驱动机构及座体，驱动机构设有带有步进电机的滚珠丝杠、连接座、模组支座，座体设有机架、绳索导向装置以及上支座；其中，驱动机构设有多个，其数量与驱动绳的数量相同，每个驱动机构驱动一根驱动绳带有步进电机的滚珠丝杠、连接座、模组支座，连接座安装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠驱动连接座升降，连接座升降拉动驱动绳，驱动绳使柔性机械臂弯曲动作；滚珠丝杠通过模组支座安装在机架上，滚珠丝杠沿着机架均匀分布；模组支座上带有竖向设置的滑孔，可以沿竖向调节滚珠丝杠的安装位置；机架设有上、下两个间隔的机架座，两个间隔的机架座之间设有连接支柱，上方的机架座用于连接设置绳索导向装置；下方的支架座用于连接设置模组支座；上支座上设有绳孔，绳孔的数量与固定圆盘上的绳孔数量相同；

8、所述的轮椅驱动装置包括电动机、控制电动机转动的控制器及为电动机、控制器供电的电池组；电动机，用于提供动力驱动轮椅移动的动力部件，安装在轮椅的轮子驱动轴上。电池组，安装在座轮椅底部。控制器：接受来自轮椅控制模块的命令，控制电机转动。各个部件通过电源线和信号线连接。

9、所述的末端夹持器受驱动夹持物品；

10、所述轮椅控制模块向轮椅驱动装置的控制器发指令，控制电动轮椅行进；

11、所述的柔性机械臂控制模块控制机械臂驱动装置、末端夹持器工作，机械臂驱动装置驱动柔性机械臂动作。

12、靠近电动轮椅一侧的固定圆盘与固定圆盘之间设有固定拉绳，通过固定拉绳拉紧，可以使固定拉绳两端的固定圆盘在移动过程中保持平行，从而在移动过程中末端位姿可以保持不变。

13、柔性机械臂安装在电动轮椅一侧，且在电动轮椅同一侧安装柔性机械臂控制模块，在电动轮椅里一侧安装轮椅控制模块，分别用来控制柔性机械臂和电动轮椅的运动。

14、采用上述技术方案的本实用新型，与现有技术相比，其突出特点是：

15、采用柔性机械臂，体积小，重量轻，可以灵活弯曲，转动惯量小，安装在轮椅一侧不会导致轮椅偏心，避免了传统刚性机械臂在拿取物品时需要频繁移动轮椅的情况。

16、本实用新型中的柔性机械臂设计有固定拉绳，在驱动绳作用下可以进行平动，在移动过程中可以保持末端位姿不变。

17、（3）采用柔性机械臂，人机交互更加安全。

18、作为本技术方案的进一步改进：

19、所述的固定圆盘沿柔性骨架共设置7个，自电动轮椅一侧向外分别为第1固定圆盘、第2固定圆盘、第3固定圆盘、第4固定圆盘、第5固定圆盘、第6固定圆盘、第7固定圆盘。

20、所述的柔性机械臂分为三段进行控制。

21、所述的驱动机构设有9个，驱动绳设有9根，柔性机械臂分3段控制，柔性机械臂分段控制每段由3根驱动绳拉动。

22、所述的上支座上设有绳孔内安装表面光滑的耐磨皮管。

23、绳孔内安装表面光滑的耐磨皮管，避免磨损。

24、所述柔性机械臂的每一段由3根驱动绳驱动，底部第1段的驱动绳末端固定到第2固定圆盘上，穿过第1固定圆盘后连接到机械臂驱动装置，底部第2段的驱动绳末端固定到第4固定圆盘上，穿过下面所有固定圆盘后连接到机械臂驱动装置，底部第3段的驱动绳末端固定到第7固定圆盘上，穿过下面所有固定圆盘后连接到机械臂驱动装置。

25、所述的固定圆盘中心设有固定柔性骨架的通孔，固定圆盘边缘均匀分布有12个绳孔，柔性机械臂分3段控制，每段3根驱动绳拉动控制在靠近电动轮椅一侧，柔性机械臂的第1段、第2段与第3段的第1根驱动绳依次布置在相邻3个绳孔内；间隔1个绳孔后，第1段、第2段与第3段的第2根驱动绳依次布置在接下来的相邻3个绳孔内；再间隔1个绳孔后，第1段、第2段与第3段的第3根驱动绳依次布置在接下来的相邻3个绳孔内，剩余绳孔布置固定拉绳，各段之间的固定拉绳与驱动绳均匀布置，避免相互干扰。

技术特征：

1.一种具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，包括电动轮椅（1）、柔性机械臂（2）、机械臂驱动装置（3）、末端夹持器（5）与柔性机械臂控制模块（7），其特征在于：

2.根据权利要求1所述的具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，其特征在于：所述的固定圆盘（21）沿柔性骨架（22）共设置7个，自电动轮椅（1）一侧向外分别为第1固定圆盘、第2固定圆盘、第3固定圆盘、第4固定圆盘、第5固定圆盘、第6固定圆盘、第7固定圆盘。

3.根据权利要求1所述的具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，其特征在于：所述的柔性机械臂（2）分为三段进行控制。

4.根据权利要求1所述的具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，其特征在于：所述的驱动机构设有9个，驱动绳（23）设有9根，柔性机械臂（2）分3段控制，柔性机械臂（2）分段控制每段由3根驱动绳（23）拉动。

5.根据权利要求1所述的具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，其特征在于：所述的上支座（36）上设有绳孔内安装表面光滑的耐磨皮管。

6.根据权利要求1所述的具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，其特征在于：所述的固定圆盘（21）中心设有固定柔性骨架的通孔，固定圆盘（21）边缘均匀分布有12个绳孔，柔性机械臂（2）分3段控制，每段3根驱动绳（23）拉动控制在靠近电动轮椅（1）一侧，柔性机械臂（2）的第1段、第2段与第3段的第1根驱动绳依次布置在相邻3个绳孔内；间隔1个绳孔后，第1段、第2段与第3段的第2根驱动绳依次布置在接下来的相邻3个绳孔内；再间隔1个绳孔后，第1段、第2段与第3段的第3根驱动绳依次布置在接下来的相邻3个绳孔内，剩余绳孔布置固定拉绳（24），各段之间的固定拉绳（24）与驱动绳均匀布置，避免相互干扰。

技术总结
本技术公开了一种具有绳驱柔性轮椅机械臂的智能轮椅机器人，包括电动轮椅、柔性机械臂、机械臂驱动装置、末端夹持器与柔性机械臂控制模块；电动轮椅上安装设置柔性机械臂、机械臂驱动装置、末端夹持器、柔性机械臂控制模块；柔性机械臂包括固定圆盘、柔性骨架、驱动绳与固定拉绳；械臂驱动装置包设有带有步进电机的滚珠丝杠、连接座、模组支座、机架、绳索导向装置以及上支座；末端夹持器受驱动夹持物品；轮椅控制模块向轮椅驱动装置的控制器发指令，控制电动轮椅行进。其柔性机械臂体积小，重量轻，可以灵活弯曲，转动惯量小，避免刚性机械臂动作时频繁移动轮椅的问题，平动时移动过程中保持末端位姿不变，人机交互更加安全。

技术研发人员：王禄,王怡旎,赵栋杰,张坤,李孟月
受保护的技术使用者：聊城大学
技术研发日：20240328
技术公布日：2024/9/23