CN100460165C - 人工关节电绳驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工关节电绳驱动器，属于一种驱动机构，用于驱动人工关节或其它机构。人工关节电绳驱动器包括伺服电机、总框架以及安装在总框架上的限位圆筒、绳轮副及输出接头。圆盘和数根牵引钢绳构成绳轮副，伺服电机的输出轴与圆盘固定。所有牵引钢绳的一端对称地固定在圆盘四周，另一端穿过总框架上的光滑圆孔后与输出接头固定。本发明利用伺服电机带动圆盘转动，圆盘转动时拉动牵引钢绳，从而产生拉力，实现了与生物肌肉组织相似的收缩运动。

Description

人工关节电绳驱动器

技术领域

本发明涉及一种人工关节电绳驱动器，更具体地涉及一种采用伺服电机驱动、钢绳牵引传动的人工关节电绳驱动器。

背景技术

目前人工关节驱动器主要有同步带轮式、谐波齿轮式、滚珠丝杠式、气缸式、气动肌肉式和液压式等多种，普遍存在诸如机构复杂、输出力矩小、尺寸大、精度低等缺点。

人工关节驱动器通常由驱动机构和传动机构构成。其中，驱动机构可以采用伺服电机来实现。对于伺服电机驱动的人工关节驱动器，其伺服电机是在专业的加工和组装车间里完成的，一般能够达到比较高的加工精度。而其传动机构一般为自行设计和加工，精度比较低。传统的人工关节驱动器的整体性能在很大程度上受到传动机构加工精度的影响和制约。因此，当用户需要一种具有较高性能的人工关节驱动器的时候，必须保证传动机构有足够高的加工精度，而提高传动机构的加工精度必将大大地增加人工关节驱动器的成本。因此鉴于传动机构的加工精度对传统的人工关节驱动器的整体性能影响大，需要设计一种人工关节驱动器，降低其整体性能对传动机构加工精度的依赖。

另外，伺服电机驱动的人工关节驱动器可以采用筋拉式。采用筋拉式可以使整个关节机构质量分布更加合理，而且可以提高空间利用率，从而给传感器的安装留下充足的空间。对于安装在关节内侧的筋拉式人工关节驱动器，当关节处在伸展状态时，转动力臂小；当关节处在弯曲状态时，转动力臂大。因此，要在关节上产生同样的转矩并且能够充分地发挥伺服电机的性能，在伸展状态时要求传动比大，在弯曲状态时要求传动比小。现有的筋拉式人工关节驱动器大都不能满足输出传动比随伸缩量变化而变化的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种人工关节电绳驱动器，结构简单，传动比随伸缩量变化而变化、对传动机构加工精度要求低、稳定性好、适合安装在人工关节上。

为实现上述目的，本发明设计提供的一种人工关节电绳驱动器，包括伺服电机，总框架，圆盘，角接触球轴承，限位圆筒，牵引钢绳和输出接头，总框架的前端安装伺服电机，伺服电机的输出轴与位于总框架内的圆盘固定连接，总框架的后端内侧安装限位圆筒，限位圆筒与圆盘之间通过角接触球轴承相连，沿圆盘的圆周均匀固定偶数根牵引钢绳，这些牵引钢绳的另一端各自穿过总框架后端相应的光滑圆孔与输出接头固定连接。

本发明利用伺服电机带动圆盘转动，圆盘转动时拉动牵引钢绳从而产生拉力，实现了与生物肌肉组织相似的收缩运动。

本发明中，一个圆盘和数根牵引钢绳构成绳轮副，牵引钢绳与圆盘固定，通过圆盘的转动带动牵引钢绳，由牵引钢绳直接带动输出接头。本发明上述结构非常简单，便于加工和安装。本发明没有使用传统传动机构通常采用的同步齿带轮或齿轮等，而是将伺服电机的输出通过绳轮副直接输出到输出接头上，避免了传动间隙，提高了输出的精度和稳定性。

本发明的有益效果还表现在传动机构的输出传动比随伸缩量的变化而变化。在总框架内的所有牵引钢绳处在与伺服电机轴相平行的位置时，传动比达到最大；随着圆盘转角的增大，输出传动比逐渐减小。

附图说明

图1是本发明人工关节电绳驱动器的结构示意图。

图2表示了输出传动比和伸缩量的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明人工关节电绳驱动器的结构示意图。如图1所示，本发明的人工关节电绳驱动器包括伺服电机1，总框架2，圆盘3，角接触球轴承4，限位圆筒5，牵引钢绳6和输出接头7。总框架2的前端安装伺服电机1，伺服电机1的输出轴与位于总框架内的圆盘3固定连接，总框架2的后端内侧安装限位圆筒5，限位圆筒5与圆盘3之间通过角接触球轴承4相连，沿圆盘3的圆周均匀固定偶数根牵引钢绳6，这些牵引钢绳6的另一端各自穿过总框架2后端相应的光滑圆孔与输出接头7固定连接。

本发明中，牵引钢绳的数目根据输出拉力的大小成对选取。输出拉力越大，安装的牵引钢绳的数目则越多。钢绳的数目是偶数，例如可以是四根，均匀地固定在圆盘的四周。限位圆筒5的外壁光滑，所有牵引钢绳均匀地分布在限位圆筒的外侧四周，在圆盘3转动时能够限制牵引钢绳6向轴心移动。

本发明的工作原理是：人工关节一般由两个部分构成，在人工关节的内侧将总框架2固定在人工关节的一个部分，将输出接头7固定在人工关节的另一部分。在人工关节的外侧安装弹簧，弹簧的两端分别与人工关节的两个部分固定。当伺服电机1转动时带动圆盘3转动，圆盘3拉动所有牵引钢绳6在输出接头7上产生筋拉运动，实现了与生物肌肉组织相似的收缩运动。在圆盘3转动的过程中，限位圆筒5起到限制牵引钢绳6向轴心移动的作用。当伺服电机1反向旋转时，在人工关节外侧安装的弹簧作用下，输出接头7恢复到原来的位置。

本发明具有结构简单、输出传动比随伸缩量变化而变化、传动机构加工精度要求低、便于安装在人工关节相应位置的特点。

本发明输出传动比随伸缩量的变化情况如图2所示，说明如下：

图2中：

O  为牵引钢绳6在圆盘3上的固定点的起始位置；

A  为牵引钢绳6在圆盘3上的固定点在圆盘3转动θ角后的位置；

B  为光滑圆孔的位置；

h  为牵引钢绳6在圆盘3上的固定点在圆盘转过θ角时经过的圆弧长度；

L₀ 为圆盘3处在起始位置时输出接头7与圆盘3的距离；

L  为圆盘3转过θ角时输出接头7与圆盘3的距离；

l  为圆盘3与光滑圆孔的距离；

x  为伸缩量。

由图2可知：

h＝Rθ  其中R为牵引钢绳6在圆盘3上的固定点到圆盘3圆心的距离，在图中未标出。θ为圆盘3相对于起始位置的转角，以弧度为单位，在图中未标出。

x＝L₀-L

$L=L_0-(\sqrt{l^2+h^2}-l)$

$\mathrm{dL}/\mathrm{d\θ}=-R^2\mathrm{\θ}/\sqrt{l^2+{\left(\mathrm{R\θ}\right)}^2}$

$\mathrm{dL}/\mathrm{d\θ}=-R\sqrt{x^2+2\mathrm{lx}}/x+l$

当x→0时，|dL/dθ|→0，说明当伸缩量x非常小时，输出传动比接近无穷大(传动比为|dL/dθ|倒数)，随着x的增大，输出传动比逐渐减小，满足输出传动比随伸缩量变化而变化的要求。

在整个过程中，本发明所述的人工关节电绳驱动器传动机构的输出传动比随伸缩量的变化而变化，能够充分的发挥伺服电机的性能，降低对伺服电机的输出功率的要求，易于小型化。

Claims (1)

1.一种人工关节电绳驱动器，其特征在于包括伺服电机(1)，总框架(2)，圆盘(3)，角接触球轴承(4)，限位圆筒(5)，牵引钢绳(6)和输出接头(7)，总框架(2)的前端安装伺服电机(1)，伺服电机(1)的输出轴与位于总框架内的圆盘(3)固定连接，总框架(2)的后端内侧安装限位圆筒(5)，限位圆筒(5)与圆盘(3)之间通过角接触球轴承(4)相连，沿圆盘(3)的圆周均匀固定偶数根牵引钢绳(6)，这些牵引钢绳(6)的另一端各自穿过总框架(2)后端相应的光滑圆孔与输出接头(7)固定连接。

Images