腰部可穿戴功能辅助机械臂.pdf

本发明提供了一种腰部可穿戴功能辅助机械臂，其中：所述七自由度绳驱双臂固定在腰部穿戴机构上；所述被动式下肢外骨骼助力机构连接于腰部穿戴机构；所述控制驱动单元、计算机以及电源模块分别固定于腰部穿戴机构的背部面板上；所述计算机通过控制驱动单元与七自由度绳驱双臂控制连接；所述自主控制模块与计算机数据连接。本发明可用于人双手工作同时需要协助时的作业环境，有效减少用户的劳动强度，提高工作效率；可以帮助体弱老年人等，增强他们的负重能力，增加动作幅度和力，完成原本比较困难的负重任务，也可用于协助残疾人完成日常必须的手部任务，改善他们的自主生活能力，一定程度上增加他们对隐私的保护。

权利要求书
1.  一种腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，包括七自由度绳驱双臂a1、腰部穿戴机构a2、被动式下肢外骨骼助力机构a3、控制驱动单元a4、计算机a5、电源模块a6以及自主控制模块；其中：
所述七自由度绳驱双臂a1固定在腰部穿戴机构a2上；
所述被动式下肢外骨骼助力机构a3连接于腰部穿戴机构a2；
所述控制驱动单元a4、计算机a5以及电源模块a6分别固定于腰部穿戴机构的背部面板上；
所述计算机a5通过控制驱动单元a4与七自由度绳驱双臂a1控制连接；
所述自主控制模块与计算机a5数据连接；
所述自主控制模块包括如下任一个或任多个部件：
-智能手环a7；
-肌电采集阵列a8；
-脑机接口模块a9。

2.  根据权利要求1所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述七自由度绳驱双臂a1设有肩关节、肘关节和腕关节，所述肩关节具有三个自由度，所述肘关节和腕关节分别具有两个自由度，其中，肩关节的第一个自由度设置于腰部穿戴机构a2上，肩关节的第二个自由度和第三个自由度、肘关节的两个自由度以及腕关节的两个自由度均采用模块化两自由度差动关节结构实现；所述肩关节、肘关节和腕关节分别通过驱动电机驱动，所述驱动电机设置于腰部穿戴机构a2上。

3.  根据权利要求2所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述模块化两自由度差动关节结构包括第一传动机构b1、第二传动机构b2、第三传动机构b3、第一滑轮和第二滑轮，模块化两自由度差动关节结构通过第一传动机构b1和第二传动机构b2的差动传动与第三传动机构b3耦合实现俯仰和回转两自由度运动；模块化两自由度差动关节结构通过与第一传动机构b1固连的第一滑轮b4和与第二传动机构b2固连的第二滑轮b5完成动力的传递。

4.  根据权利要求2所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述肩关节上固连有被动式重力补偿机构，并设置于肩关节的第一自由度c6和第二自由度c3之间；所述被动式重力补偿机构通过在第一自由度c6的铰接点c4和第二自由度c3的铰接点 c5之间连接一支撑弹簧c1，通过支撑弹簧c1的伸缩实现对七自由度绳驱双臂的支撑作用，补偿重力作用。

5.  根据权利要求2所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述七自由度绳驱双臂a1，具有如下布线驱动方式：
第一关节j1、第二关节j2、第三关节j3和第四关节j4形成肩关节，第一驱动电机m1直接驱动肩关节的第一关节j1，第二关节j2、第三关节j3和第四关节j4组成的模块化两自由度差动关节结构实现肩关节俯仰和回转运动，第二关节j2和第三关节j3分别通过第一滑轮g2和第二滑轮g3驱动，驱动绳通过第一过度滑轮g1分别与第一滑轮组机构t1和第二滑轮组机构t2连接，第一滑轮组机构t1和第二滑轮组机构t2分别连接至第二驱动电机m2和第三驱动电机m3；
第五关节j5、第六关节j6和第七关节j7形成肘关节，第六关节j6和第七关节j7通过分别固连在第六关节j6和第七关节j7上的第三滑轮g5和第四滑轮g6驱动，第三滑轮g5和第四滑轮g6的驱动绳通过第二过渡滑轮g4并经过第一过度滑轮g1和第一滑轮g2的过渡绕至驱动第三滑轮组机构t4和第四滑轮组机构t5，再经过第三滑轮组机构t4和第四滑轮组机构t5绕至第四驱动电机m4和和第五驱动电机m5；
第一转动机构j8、第二转动机构j9和第三转动机构j10形成腕关节，第一转动机构j8和第二转动机构j9分别通过第五滑轮g9和第六滑轮g10驱动，第五滑轮g9和第六滑轮g10的绕绳通过第三过度滑轮g8并分别经过第三滑轮g5、第二过度滑轮g4、第二滑轮g3和第一过度滑轮g1过渡至第四滑轮组机构t5和第五滑轮组机构t6，再经过第五滑轮组机构t5和第六滑轮组机构t6绕至第六驱动电机m6和第七驱动电机m7；
所述七自由度绳驱双臂a1，其关节处的力矩测量方法为：
驱动绳上连有第一弹簧和第二弹簧，驱动绳通过基座和滑轮驱动连杆运动，并通过电位计或应变片测量第一弹簧和第二弹簧的伸长量，根据胡克定理获得关节处的力矩，关节位置通过电机码盘获得。

6.  根据权利要求1所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述腰部穿戴机构a2设有与人体腰部自适应穿戴接口、机械臂安装接口、控制驱动单元接口、计算机接口、电源接口以及下肢被动式外骨骼助力安装接口；其中：
所述七自由度绳驱双臂a1安装于机械臂安装接口处；
所述控制驱动单元、计算机以及电源模块分别安装于控制驱动单元接口、计算机接口和电源接口处；
所述被动式下肢外骨骼助力机构安装于下肢被动式外骨骼助力安装接口处。

7.  根据权利要求1所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述被动式下肢外骨骼助力机构a3包括第一连接球关节、腿部固定套环、大腿关节连杆、小腿关节连杆、脚部穿戴机构以及第二连接球关节，其中，所述第一连接球关节与腰部穿戴机构a2连接，所述腿部固定套环、大腿关节连杆、小腿关节连杆和脚部穿戴机构从上到下依次连接，所述小腿关节连杆与脚部穿戴机构之间通过第二连接球关节连接，所述小腿关节连杆处设置有腿部穿戴机构；
所述腰部穿戴机构姿态随着人体站姿的改变而改变，被动式下肢外骨骼助力机构根据第一连接球关节自适应调节下肢连接姿态，进而将七自由度绳驱双臂a1产生的力及腰部穿戴机构a2自身产生的重力通过被动式下肢外骨骼助力机构传导至地面，较少人体负重。

8.  根据权利要求7所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述腿部穿戴机构包括穿戴本体以及设置于穿戴本体上的小腿关节连杆接口，所述肌电信号阵列设置于穿戴本体的内侧；其中：
所述小腿关节连杆安装在小腿关节连杆接口处；
所述肌电信号阵列用于检测小腿活动状态，通过小腿部的活动状态实现对七自由度绳驱双臂的控制；同时，所述脚部穿戴机构分担七自由度绳驱双臂收到的环境力及腰部可穿戴功能辅助机械臂的自身重力，对人体活动姿态起到稳定作用；
所述肌电信号阵列佩戴于使用者小腿腓肠肌皮肤表面，通过识别使用者的小腿部肌电信号进而识别使用者的脚部动作以达到通过脚部运动对七自由度绳驱双臂末端的方向控制。

9.  根据权利要求1所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述智能手环穿戴于使用者的腕部，通过控制驱动单元中的智能手环控制模式，应用于具有手臂运动功能障碍但能够完成微幅运动的人群，所述智能手环的内侧设有三轴加速度计和三轴陀螺仪用于检测使用者的运动意图，进而实现对七自由度绳驱双臂运动的控制；
所述脑机接口模块穿戴于使用者的头部，通过控制驱动单元中的脑机接口控制模式，应用于手臂运动功能丧失的残障群体，所述脑机接口模块内侧的电极位置安装有国际10-20分法布置的脑电图帽，所述脑电信号通过脑电图帽采集。

10.  根据权利要求1所述的腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，所述控制驱动单元，包括机械臂动作控制器c1、脑机接口控制器c2、肌电控制器c3和智能手环 控制c4；其中，所述机械臂动作控制器c1用于驱动七自由度绳驱双臂关节的驱动电机，所述脑机接口控制器c2用于执行脑电信号处理及方向控制，所述肌电控制器c3和智能手环控制器分别用于肌电信号处理及动作识别。

说明书腰部可穿戴功能辅助机械臂
技术领域
本发明涉及可承重的协作式的可穿戴机械臂技术领域，具体是一种利用肌电信号、智能手环、脑机接口三种控制模式控制的腰部可穿戴功能辅助机械臂，适用于健康和残疾等多种人群，有效协助穿戴者日常生活和工作。
背景技术
随着近些年来服务业，制造业等相关行业对机器人的技能及效率提出的更高要求，及机器人技术日新月异的发展，使得人们有更强烈的需求去探索更有效的机器人技术来满足人们的各项需求。但是机器人本身的性能改善与功能的增加，在目前的技术条件下，还不足以在理解人的意图的基础上，去自主完成各项任务，协助人完成工作的要求。因此能够无缝连接人的智能和机器人技术中的定位、助力等技术具有实际意义。
人的手臂的作业执行了人的大部分生产生活活动，对健康人而言，手臂的活动在多数情况下可以满足工作和生活的需求，但是在某些情况下，只靠双手的功能是不够的，还需要暂时放下手中的工作或者要求旁人的协助，如双手负有重物同时需要开门或是双手需要固定工具的位置而同时需要拿取零件等。如果按照任务优先级或者要求来决定多任务的排序或者取舍，则不可避免地降低效率，因此，增加对双手臂的功能支持在未来的工作及生活中将会起到重要作用。对于功能正常的用户，可以多手臂协调完成一些人的双臂无法完成的任务，如对于有传染性或污染性的场合，人的手臂去直接接触物品对人体自身可能会带来一定的危害，而穿戴式的机械臂可以很好地替代此类任务。此外还能起到分担人体自身手臂的工作压力的作用。而对于具有手臂功能障碍，运动功能受损的人而言，可穿戴式助力机械臂可很好的协助其完成日常所需，可穿戴式机械臂可以理解他们的运动意图，完成原本对于他们有困难去完成的任务。对于残疾人尤其是截肢了的使用者来说，更是需要有替代品来帮助他们完成一些日常所需的手部动作，如开门，取物，甚至刷牙，穿衣，购物等。使得他们不需要在有人帮助下就能完成一些日常生活必须的运动，也能更好 地保护他们的隐私，提高他们的独立能力，改善他们的生活品质。
经对现有技术文献的检索发现：
中国专利公开号CN 102846450 A，发明名称为：外骨骼机器人的腰部支撑部件及外骨骼机器人。该技术主要提供了下肢康复装置及腰部活动支撑件，该装置可以起到腿部助力及支撑腰部活动的功能，但是仅提供下肢助力是不够的，缺少必要的人体功能拓展等辅助机构，不利于拓展人的活动功能，无法满足多样化的用户需求。
中国专利公开号，CN 102793595 A，发明名称为：可穿戴式重型物资搬运助力仿生外骨骼。该设计采用人体四肢助力，采用液压和电机混合驱动，应用于重型物资搬运助力，节约体能。但是该类外骨骼需要四肢穿戴，因而会占用人的四肢活动，尤其是上肢的活动，只能为四肢提供助力支持，但不能提供助手支持，协助人完成更为复杂的人机协同任务。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，将助力机器人和机器人机械臂自主功能技术融合起来，提出了一种腰部可穿戴功能辅助机械臂，本发明拓展人体肢体功能，用以完成一些需要多臂协助才能完成的任务，同时解决了运动功能受限的人的运动功能补充，改善其生活品质。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种腰部可穿戴功能辅助机械臂，其特征在于，包括七自由度绳驱双臂a1、腰部穿戴机构a2、被动式下肢外骨骼助力机构a3、控制驱动单元a4、计算机a5、电源模块a6以及自主控制模块；其中：
所述七自由度绳驱双臂a1固定在腰部穿戴机构a2上；
所述被动式下肢外骨骼助力机构a3连接于腰部穿戴机构a2；
所述控制驱动单元a4、计算机a5以及电源模块a6分别固定于腰部穿戴机构的背部面板上；
所述计算机a5通过控制驱动单元a4与七自由度绳驱双臂a1控制连接；
所述自主控制模块与计算机a5数据连接；
所述自主控制模块包括如下任一个或任多个部件：
-智能手环a7；
-肌电采集阵列a8；
-脑机接口模块a9。
优选地，所述七自由度绳驱双臂a1设有肩关节、肘关节和腕关节，所述肩关节具有三个自由度，所述肘关节和腕关节分别具有两个自由度，其中，肩关节的第一个自由度设置于腰部穿戴机构a2上，肩关节的第二个自由度和第三个自由度、肘关节的两个自由度以及腕关节的两个自由度均采用模块化两自由度差动关节结构实现；所述肩关节、肘关节和腕关节分别通过驱动电机驱动，所述驱动电机设置于腰部穿戴机构a2上。
优选地，所述模块化两自由度差动关节结构包括第一传动机构b1、第二传动机构b2、第三传动机构b3、第一滑轮和第二滑轮，模块化两自由度差动关节结构通过第一传动机构b1和第二传动机构b2的差动传动与第三传动机构b3耦合实现俯仰和回转两自由度运动；模块化两自由度差动关节结构通过与第一传动机构b1固连的第一滑轮b4和与第二传动机构b2固连的第二滑轮b5完成动力的传递。
优选地，所述肩关节上固连有被动式重力补偿机构，并设置于肩关节的第一自由度c6和第二自由度c3之间；所述被动式重力补偿机构通过在第一自由度c6的铰接点c4和第二自由度c3的铰接点c5之间连接一支撑弹簧c1，通过支撑弹簧c1的伸缩实现对七自由度绳驱双臂的支撑作用，补偿重力作用。
优选地，所述七自由度绳驱双臂a1，具有如下布线驱动方式：
第一关节j1、第二关节j2、第三关节j3和第四关节j4形成肩关节，第一驱动电机m1直接驱动肩关节的第一关节j1，第二关节j2、第三关节j3和第四关节j4组成的模块化两自由度差动关节结构实现肩关节俯仰和回转运动，第二关节j2和第三关节j3分别通过第一滑轮g2和第二滑轮g3驱动，驱动绳通过第一过度滑轮g1分别与第一滑轮组机构t1和第二滑轮组机构t2连接，第一滑轮组机构t1和第二滑轮组机构t2分别连接至第二驱动电机m2和第三驱动电机m3；
第五关节j5、第六关节j6和第七关节j7形成肘关节，第六关节j6和第七关节j7通过分别固连在第六关节j6和第七关节j7上的第三滑轮g5和第四滑轮g6驱动，第三滑轮g5和第四滑轮g6的驱动绳通过第二过渡滑轮g4并经过第一过度滑轮g1和第一滑轮g2的过渡绕至驱动第三滑轮组机构t4和第四滑轮组机构t5，再经过第三滑轮组机构t4和第四滑轮组机构t5绕至第四驱动电机m4和和第五驱动电机m5；
第一转动机构j8、第二转动机构j9和第三转动机构j10形成腕关节，第一转动机构j8和第二转动机构j9分别通过第五滑轮g9和第六滑轮g10驱动，第五滑轮g9和第六滑轮g10的绕绳通过第三过度滑轮g8并分别经过第三滑轮g5、第二过度滑轮g4、第 二滑轮g3和第一过度滑轮g1过渡至第四滑轮组机构t5和第五滑轮组机构t6，再经过第五滑轮组机构t5和第六滑轮组机构t6绕至第六驱动电机m6和第七驱动电机m7；
所述七自由度绳驱双臂a1，其关节处的力矩测量方法为：
驱动绳上连有第一弹簧和第二弹簧，驱动绳通过基座和滑轮驱动连杆运动，并通过电位计或应变片测量第一弹簧和第二弹簧的伸长量，根据胡克定理获得关节处的力矩，关节位置通过电机码盘获得。
优选地，所述腰部穿戴机构a2设有与人体腰部自适应穿戴接口、机械臂安装接口、控制驱动单元接口、计算机接口、电源接口以及下肢被动式外骨骼助力安装接口；其中：
所述七自由度绳驱双臂a1安装于机械臂安装接口处；
所述控制驱动单元、计算机以及电源模块分别安装于控制驱动单元接口、计算机接口和电源接口处；
所述被动式下肢外骨骼助力机构安装于下肢被动式外骨骼助力安装接口处。
优选地，所述被动式下肢外骨骼助力机构a3包括第一连接球关节、腿部固定套环、大腿关节连杆、小腿关节连杆、脚部穿戴机构以及第二连接球关节，其中，所述第一连接球关节与腰部穿戴机构a2连接，所述腿部固定套环、大腿关节连杆、小腿关节连杆和脚部穿戴机构从上到下依次连接，所述小腿关节连杆与脚部穿戴机构之间通过第二连接球关节连接，所述小腿关节连杆处设置有腿部穿戴机构；
所述腰部穿戴机构姿态随着人体站姿的改变而改变，被动式下肢外骨骼助力机构根据第一连接球关节自适应调节下肢连接姿态，进而将七自由度绳驱双臂a1产生的力及腰部穿戴机构a2自身产生的重力通过被动式下肢外骨骼助力机构传导至地面，较少人体负重。
优选地，所述腿部穿戴机构包括穿戴本体以及设置于穿戴本体上的小腿关节连杆接口，所述肌电信号阵列设置于穿戴本体的内侧；其中：
所述小腿关节连杆安装在小腿关节连杆接口处；
所述肌电信号阵列用于检测小腿活动状态，通过小腿部的活动状态实现对七自由度绳驱双臂的控制；同时，所述脚部穿戴机构分担七自由度绳驱双臂收到的环境力及腰部可穿戴功能辅助机械臂的自身重力，对人体活动姿态起到稳定作用；
所述肌电信号阵列佩戴于使用者小腿腓肠肌皮肤表面，通过识别使用者的小腿部肌电信号进而识别使用者的脚部动作以达到通过脚部运动对七自由度绳驱双臂末端的方向控制。
优选地，所述智能手环穿戴于使用者的腕部，通过控制驱动单元中的智能手环控制模式，应用于具有手臂运动功能障碍但能够完成微幅运动的人群，所述智能手环的内侧设有三轴加速度计和三轴陀螺仪用于检测使用者的运动意图，进而实现对七自由度绳驱双臂运动的控制；
所述脑机接口模块穿戴于使用者的头部，通过控制驱动单元中的脑机接口控制模式，应用于手臂运动功能丧失的残障群体，所述脑机接口模块内侧的电极位置安装有国际10-20分法布置的脑电图帽，所述脑电信号通过脑电图帽采集；
所述国际10-20分法具体为：临床神经生理学国际联合会于20世纪50年代末期发展完善的国际公认的头皮电极位置分布方法。
优选地，所述控制驱动单元，包括机械臂动作控制器c1、脑机接口控制器c2、肌电控制器c3和智能手环控制c4；其中，所述机械臂动作控制器c1用于驱动七自由度绳驱双臂关节的驱动电机，所述脑机接口控制器c2用于执行脑电信号处理及方向控制，所述肌电控制器c3和智能手环控制器分别用于肌电信号处理及动作识别。
本发明提供的腰部可穿戴式功能辅助机械臂，包括七自由度绳驱双臂和腰部穿戴机构、控制驱动单元等。其中七自由度绳驱机械臂设有三自由度肩关节，2自由度肘关节组成和2自由度腕关节，2自由度肘关节和腕关节皆采用模块化两自由度差动关节结构。控制驱动单元置于腰部，重量由被动式下肢外骨骼助力结构承载。机械臂配备3种控制模式可供不同用户选择，分别是(i)肌电信号控制模式，可用于运动功能健全的穿戴者利用小腿部的肌电信号来识别的脚部运动，进而在双手作业过程中同时用脚部控制辅助机械协助作业；(ii)智能手环模式，适用于手臂运动功能薄弱的穿戴者，如老年人、病人，利用手臂小幅运动在三维空间产生的三个方向的加速度和对应的角速度信号操作辅助机械臂作业实现运动意图；(iii)脑机接口控制模式，适用于运动功能受损的的残疾人士利用脑信号来控制辅助机械臂帮助其完成指定任务。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明中机械臂采用绳驱动，大大减轻了机械本体的重量，增加了机械臂的柔性和人机协同的安全性。肩关节采用被动式重力补偿机构设计，节约了能量和机械臂断电保护的安全性。
2、本发明中绳驱机械臂产生和受到的外力具有下肢被动式主力机构传导到地面，减轻了人体负重。由于机械臂和人体没有物理耦合，因而可以实现人和机械臂的独立工 作和协同作业。
3、本发明中机械臂的控制模式多样，主要有肌电信号控制模式、智能手环控制模式和脑机接口控制模式。而其中肌电信号控制模式准确且易采集，手部佩戴智能手环，使得控制方式符合人体运动的特征，便于使用者直观地控制机械臂，脑机接口控制模式具有易训练且可靠的特性。
4、基于肌电信号识别脚部动作的控制模式可以协作人在双手同时工作时需要额外的协助作业，智能手环控制模式可放大用户微小的运动，使穿戴者的作业强度得到减轻。脑机接口控制模式可用于协助残疾人完成正常其无法独立实现的日常生活活动，可显著使得用户双臂运动技能得到拓展或使得残疾人能完成正常的生活活动得到协助。
5、本发明可用于人双手工作同时需要协助时的作业环境，可有效减少用户的劳动强度，提高工作效率；可以帮助体弱老年人等，增强他们的负重能力，增加动作幅度和力，完成原本比较困难的负重任务，也可用于协助残疾人完成日常必须的手部任务，改善他们的自主生活能力，一定程度上增加他们对隐私的保护。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为人体穿戴整体结构图，其中，(a)为俯视图，(b)为后视图，(c)为侧视图；
图2为机械臂关节分配结构图；
图3为二自由度绳驱模块化关节示意图；
图4为肩关节被动式重力补偿原理图；
图5为绳驱机械臂绕线结构图；
图6为腰部穿戴机构，其中，(a)为俯视图，(b)为仰视图，(c)为主视图，(d)为立体图；
图7为整体穿戴助力结构图，其中，(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为侧视图，(d)为立体图；
图8为关节驱动及关节力矩测量原理图；
图9为机械臂末端适配法兰；
图10为可穿戴助力式机械臂控制模式图；
图11为肌电信号处理原理图；
图12为手环佩戴示意图；
图13为手环采集数据原理图；
图14为脑电控制原理图；
图15为控制器总体功能图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例
本实施例提供了一种腰部可穿戴式功能辅助机械臂，它包括七自由度绳驱双臂a1、腰部穿戴机构a2、被动式下肢外骨骼助力机构a3、控制驱动单元a4、计算机a5、电源模块a6以及自主控制模块，所述自主控制模块包括智能手环a7、肌电采集阵列a8和/或脑机接口模块a9。其中，七自由度绳驱双臂a1固定在腰部穿戴机构a2上，被动式下肢外骨骼助力机构a3连接腰部穿戴机构，机械臂控制驱动单元a4，计算机a5及电源模块a6固定在腰部穿戴机构的背部面板上。
所述的七自由度绳驱双臂a1包括两个机械机构设计相同的绳驱臂，其中，每一个绳驱臂的自由度分配均如图2所示，即肩关节有3个自由度，肘关节有2个自由度，腕关节有2个自由度。除固定于穿戴机构的关节外，其余6关节均采用模块化两自由度差动关节结构，且驱动各自由度的电机均置于穿戴机构上，减少了电机重量，增加了机械臂运动的柔性和快速响应性及安全性。
进一步地，所述的模块化两自由度差动关节结构，如图3所示，通过传动机构b1和b2的差动传动和传动机构b3耦合实现俯仰和回转的2自由度运动。其动力的传递通过分别和传动机构b1固连的滑轮b4和与传动机构b2固连的滑轮b5完成。
根据权利要求2所述的肩关节，其上固连有被动式重力补偿机构，如图4所示。在肩关节c6和c3之间，通过c6的铰接点c4和c3的铰接点c5连接支撑弹簧c1，通过支撑弹簧c1的伸缩实现对机械臂c2的支撑作用，补偿部分重力作用，节约能量和安全性。
所述的七自由度绳驱双臂a1，其布线驱动方式如图5所示，驱动器m1直接驱动肩关节j1，关节j2，j3，j4组成模块化关节实现肩关节俯仰和回转运动，j2，j3分别由滑轮g2和g3驱动，驱动绳通过过度滑轮g1与滑轮组机构t1和t2连接，再有t1和t2连接至驱动电机单元m2和m3。在肘关节处，j5，j6，j7构成肘关节机构，j6和j7通过固连其上的滑轮g5和g6驱动，g5和g6的驱动绳通过过渡张紧滑轮机构g4并经过g1和g2的过渡绕至驱动滑轮组t4和t5，在经过t4和t5绕至驱动电机单元m4和m5。在腕关节处，转动机构j8，j9和j10组成腕关节机构，转动机构j8和j9通过g9和g10驱动，绕绳通过过渡张紧滑轮机构g8并经过g5，g4，g3，g1的过渡至驱动滑轮组t5和t6，再经过t5和t6绕至电机驱动单元m6和m7。
进一步地，所述的七自由度绳驱双臂，其关节力矩测量原理如图8所示，驱动绳v3上连有弹簧V2和v6，V3通过基座v1和滑轮v4驱动连杆v5的运动，通过电位计或应变片测量弹簧的伸长量，根据胡克定理即可获得转动关节处的力矩，关节位置通过电机码盘获得。
所述的腰部穿戴机构a2，设有与人体腰部自适应穿戴接口e29，驱动滑轮组单元接口e3-e14，电机驱动单元接口e17-e28及电机支座e15和e16，七自由度绳驱双臂安装接口e1和e2，计算机接口f1，电源接口f2，控制驱动单元接口f3，下肢被动式外骨骼助力安装接口L1和L2。
所述的被动式下肢外骨骼助力机构a3，其组成为与腰部穿戴机构连接的球关节h1和h2，腿部固定套环h3和h4，大腿关节连杆h5和h6，小腿关节连杆h7和h8，脚部穿戴机构h9和h10，小腿连杆机构和脚部穿戴机构连接球关节h11。腰部穿戴机构姿态随着人的站姿的改变而改变，下肢助力机构可根据连接球关节h1和h2自适应调节下肢连接姿态，从而把机械臂产生的力及穿戴机构自身产生的重力通过助力机构传导给地面，较少人体负重。小腿关节连杆h7和h8处设置有腿部穿戴机构。
所述的腿部穿戴机构，设有小腿关节连杆接口k1、肌电信号阵列接口k2、k3、k4及穿戴本体构成，其中，肌电信号阵列接口k2，k3，k4位于穿戴本体的内侧。肌电信号阵列设置于肌电信号阵列接口k2，k3，k4处，用于检测小腿活动状态，通过小腿部的各个状态实现穿戴机械臂的控制，减少人手干预。同时脚部穿戴机构分担机械臂收到的环境力及整个穿戴机构的自身重力，同时对人体各个姿态起到稳定作用。
所述的肌电信号阵列，通过识别使用者的小腿的姿态已达到对机械臂方向上的控制；所述的控制模式中的智能手环，应用于智能手环控制模式，主要面向手部肌肉功能 缺失的人群，由置于手环内的三轴加速度计和三轴陀螺仪，完成对机械臂运动的控制；所述的脑机接口，应用于脑机接口控制模式，主要面向老年人和残疾人等手部肌肉功能缺失的弱势群体，通过脑电控制的方式控制机械臂完成运动。
图10为系统框图，本实施立体工的机械臂有3种控制模式可供用户选择，分别是肌电信号控制控制模式，智能手环控制模式和脑机接口控制模式：
--肌电信号控制模式，通过肌电信号阵列识别使用者的小腿的姿态已达到对机械臂方向上的控制。将根据肌电信号测量出的幅值，比较每个关节肌肉的张力，来判断每个关节运动意图方向，并将运动方向发送给速度控制器，根据正向运动学，以及用户可预设的末端速度，使得机械臂在该方向上运动。图11可以理解为对力的估计的流程图。力信号可以通过经过高通滤波后祛除疲劳影响的肌电信号来估计。整个估计得流程如图所示，肌电信号将通过高通滤波器除去大部分低频分量，非线性关系公式为：
EMGN=100e(-EMGLξ)-1e(-100ξ)-1]]>
其中EMGL为肌电信号测量出的幅值，EMGN为肌电信号的非线性规范化；ξ为定义指数曲率的常量。
--智能手环控制模式，主要面向手部肌肉功能缺失的人群，由置于手环内的三轴加速度计和三轴陀螺仪，完成对机械臂运动的控制。
用户将在手腕上佩戴智能手环，其中内置MEM三轴S加速计和三轴陀螺仪。陀螺仪的敏感轴如图14所示，其中，axayaz为对应轴的线加速度，ωxωyωz为对应轴的角速度，智能手环采集三轴加速度和角速度信号，通过如下公式解算得出手部的姿态和运动方向：

其中b表示载体坐标系(智能手环局部坐标系)，n表示机械臂基座坐标系，为两者间的方向余弦矩阵，γ为倾斜角，为航向角，θ为俯仰角。
捷联系统的加速度计测得的比力分量为：
fn=Cbnfb]]>
fb=fxbfybfzb]]>
其中，fn为基座坐标系的比力分量，fb为载体坐标系的比力分量，为沿载体各坐标轴的比力分量。
由此进行有效的意图运动方向识别，再将运动方向发送给速度控制器，穿戴控制机械臂末端以用户可预设的运动速度在指定方向上运动。
--脑机接口模式，主要面向老年人和残疾人等手部肌肉功能缺失的弱势群体，通过脑电控制的方式控制机械臂完成运动。所述的脑电采集方式，主要采用的方法包括基于P300诱发电位、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、运动想象的脑电信号特征提取与分类。通过P300或者SSVEP脑电特征来进行机械臂运动方向上的控制。在用户界面上将在代表机械臂前后左右上下运动方向的光标(频率：15Hz，12Hz，10Hz，8.57Hz，7.5Hz，6.67Hz)和代表机械钳开关的ON、OFF图标(频率：60Hz，30Hz)上以各不相同的频率进行闪烁。例如当使用者集中精力注视代表向前方向的方块时，系统将识别出机械臂运动方向为前方向，并使机械臂在前方向上以用户预设的速度运动。后、左、右、上、下方向和机械钳的开关同理。脑电信号通过电极位置安装国际10-20分法布置的脑电图帽采集，穿戴方便，操作简单，检测效率高。
下面结合附图对本实施例的三种不同控制模式作进一步具体详细描述。
肌电信号控制模式：
一种肌电信号采集装置，图10为所述的可穿戴式肌电传感器阵列系统框图，将根据肌电信号测量出的幅值，比较每个关节肌肉的张力，来判断每个关节该怎么运动，并将运动方向发送给速度控制器，根据正向运动学，及用户可预设的末端速度，使得机械臂在该方向上运动。图11为对力的估计的流程图。力信号可以通过经过滤波的肌电信号来估计。整个估计得流程如图所示，肌电信号将通过高通滤波器除去大部分低频分量，非线性关系公式为：
EMGN=100e(-EMGLξ)-1e(-100ξ)-1]]>
其中EMGL为肌电信号测量出的幅值，EMGN为肌电信号的非线性规范化。
智能手环控制模式：
图12为佩戴智能手环的示意图，13-1为一种智能手环控制装置，用户将在手腕上佩戴智能手环，其中内置三轴MEMS加速计和三轴MEMS陀螺仪，陀螺仪的敏感轴如图14所示。axayaz为对应轴的线加速度，ωxωyωz为对应轴的角速度，智能手环采集三轴加速度和角速度信号，利用成熟的捷联惯导技术，通过解算得出手部的姿态和运动方向。捷联惯导相关技术如下：

其中b表示载体坐标系(智能手环局部坐标系)，n表示大地坐标系，为两者间的方向余弦矩阵。捷联系统的加速度计测得的比力分量为
fn=Cbnfb]]>
fb=fxbfybfzb]]>
由此进行有效的定位定姿计算，再将运动方向发送给速度控制器，控制器将用户的运动意图，以用户可预设的末端速度，使得机械臂在该方向上运动。
脑机接口控制模式：
如图15所示，一种脑机接口控制装置的用户界面。所述的脑电采集方式，主要采用的方法包括基于P300诱发电位、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、运动想象的脑电信号特征提取与分类。通过P300或者SSVEP脑电特征来进行机械臂运动方向上的控制。在用户界面上将在代表机械臂前后左右上下运动方向的方块(频率：15Hz，12Hz，10Hz，8.57Hz，7.5Hz，6.67Hz)和代表机械钳开关的ON、OFF图标(频率：60Hz，30Hz)上以各不相同的频率进行闪烁。例如当使用者盯着代表向前的方块时，系统将辨识机械臂运动方向为前方向，并使机械臂在前方向上以用户预设的速度运动。后、左、右、上、下方向和机械钳的开关同理。
如上所述便可较好地实现本发明。
上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。