CN103169554A - 一种助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器。该多头螺纹阻尼器具有抗倾覆、吸振减能的功能，且具有行程小、承载高、吸能减震快速、高度集成化、安装维护简便快捷等特点。阻尼器主要的工作部件是两只聚氨酯弹性体和多头螺纹旋转体，将多头螺纹旋转体安装于两只弹性体之间，在弹性体与旋转体之间设置推力轴承，既能使二者之间可以相对旋转，也能通过推力轴承有效传递大负荷轴向载荷。弹性体自身的压缩变形和多头螺纹旋转体相对于多头螺纹杆的旋转运动和轴向的平移运动而产生的摩擦力可为外载荷提供抵抗其左右倾倒的支撑力，且能为运动过程中的冲击载荷提供吸能缓冲作用。

Description

一种助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器

技术领域

本发明涉及机械元器件，尤其涉及一种用于助力型外骨骼的实现背架和髋部稳定连接且能抗倾覆的助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器。

背景技术

外骨骼技术是近年来智能机器人学科研究的重要热点之一。外骨骼的概念就是模拟人体的骨骼、肌肉和关节系统为之配备相应的金属外骨骼，使负重主要通过外骨骼传递至地面，在机械、动力和控制系统的协同工作下，提高人体运动时的负重能力，增强人的耐力，可有效的解决负荷与人体承载能力有限之间的矛盾。目前包括美国、日本和俄罗斯等国在内的多家科研机构和高等院校均将外骨骼技术列为重点研究内容。

依据人体结构而设计的外骨骼主要分为背架、髋部和下肢结构，分别模拟人体的躯干骨、髋骨和下肢骨。背架和髋部之间为款关节点，该关节自由度众多，既有相对的平动自由度也有转动自由度，是外骨骼研究中的难点之一。背架主要用于支撑各种形状、各种重量的外载荷，为了将外载荷能有效地传递至髋部，在背架和髋部之间必须设置联结装置。由于人体髋关节的运动很灵活，为了使外骨骼的结构不妨碍人体的运动，因此联结装置必须既能传递载荷，也要有一定的自由度。同时，人机携行期间，负重随人体运动的速度和加速度会造成振动和冲击现象。当人机携行行走时，在支撑相和摆动相的周期运动中，人机质心有一个上下起伏的运动特征，在起或沉的阶段，负重都会由加速度引起动载荷，并随人机质心曲线反复作用于外骨骼，随着行走速度的增加，步频的加快和步幅的增大，此动载荷作用周期的频率也会增加，幅值会变大，造成对外骨骼的振动冲击。

因此，通过对外骨骼传递载荷和人机协调运动的功能分析，要求外骨骼的背架和髋部结构之间的结构设计既要能满足承载要求，又要能实现左右髋部的解耦，满足人机运动协调性的要求。在目前的外骨骼机械结构的研究中，往往忽略了背架和髋部之间的问题，且从公布的研究成果来看，通常将背架、左右髋部连接为一个整体，能够实现人体直立、静态条件下的承载，但对于诸如行走等运动姿态的承载则没有解决，且人机之间的协调运动没有实现；即使增加了弹性联结装置，也仅仅是设置圆柱螺旋弹簧，没有阻尼的作用；且背架和髋部结构之间的空间位置有限，仅采用圆柱螺旋弹簧或橡胶簧会导致支撑力不足，不能有效地起到背架及其外载荷抗倾覆的作用。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种用于外骨骼背架和髋部联结的新型助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，其目的是为了通过在背架和髋部之间左、右各设置一只阻尼器，在阻尼的作用下减缓外载荷的左右倾覆，增强稳定性，并能有效降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，实现外骨骼左右两侧的解耦，有效提高人机运动的协调性。

本发明所采用的技术方案是：一种助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，用于背架和髋部稳定连接，其特征在于，包括：一内套筒3，内套筒的一端与左侧连接座1联接，另一端套置在与右侧连接座5相连的外套筒4内，内套筒与外套筒4间隙配合呈可轴向滑动状态；外套筒4内轴向固定有一中段具有多头螺杆的中心轴12，中心轴的另一端穿过内套筒3的中心通孔13，由螺母6封住中心轴左端头，从而使中心轴在受到右侧轴向力时可作轴向串动；二推力轴承对称设置在中心轴上，其间设置有与所述中心轴多头螺杆相配合的多头内螺纹的多头螺纹旋转体10；各推力轴承与套筒间设置有弹性体；阻尼器的右侧连接座和左侧连接座分别用于与助力型外骨骼用背负系统背架和髋部结构相连。

本发明的用于助力型外骨骼的实现背架和髋部稳定连接且能抗倾覆的助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，安装在背架和髋部之间，可将二者进行可靠连接，通过阻尼器的抗压作用，可以增强负重的稳定性，防止其产生左右的摆动，并能通过阻尼有效降低负重在人机运动期间对外骨骼造成的冲击载荷，有效提高人机运动的协调性。

本发明阻尼器主要的工作部件是两只聚氨酯弹性体和多头螺纹旋转体。将多头螺纹旋转体安装于两只弹性体之间，在弹性体与旋转体之间设置推力轴承，既能使二者之间可以相对旋转，也能通过推力轴承有效传递大负荷轴向载荷。弹性体将受到的压力通过推力轴承传递给多头螺纹旋转体，弹性体自身的压缩变形可为支撑外载荷和吸能减震提供一定的弹性支撑力和阻尼；而多头螺纹旋转体在压力的作用下，产生相对于中间多头螺纹杆的旋转运动和轴向的平移运动，通过内外螺纹之间的摩擦力提供轴向支撑力和为吸能减震提供阻尼作用。在弹性体和多头螺纹的共同作用下，为外载荷提供抵抗其左右倾倒的支撑力，且能为运动过程中的冲击载荷提供吸能缓冲作用。

附图说明

图1是本发明多头螺纹阻尼器的外观图。

图2是图1的A-A剖视图。

具体实施方式

结合图1和图2可以看到，助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，用于背架和髋部稳定连接，阻尼器的两端分别与背架和髋部结构相连。包括：一内套筒3，内套筒的一端与左侧连接座1联接，另一端套置在与右侧连接座5相连的外套筒4内，内套筒与外套筒4间隙配合呈可轴向滑动状态。外套筒4内轴向固定有一中段具有多头螺杆的中心轴12，中心轴的另一端穿过内套筒3的中心通孔13，由螺母6封住中心轴左端头，从而使中心轴在受到右侧轴向力时可作轴向串动。二推力轴承14和11对称设置在中心轴上，其间设置有与所述中心轴多头螺杆相配合的多头内螺纹的多头螺纹旋转体10。各推力轴承与套筒间设置有弹性体，中心轴12的末端设置锁紧螺母6、防松垫圈7和平垫圈8，平垫圈起到局部增强的作用，锁紧螺母与防松垫圈配合起到锁紧的作用，且通过旋转锁紧螺母可起到预紧的作用，并能够调整整个阻尼器的安装距。阻尼器的右侧连接座和左侧连接座分别用于与助力型外骨骼用背负系统背架和髋部结构相连。

安装时先将一只弹性体穿过中心轴12放置在外套筒底部，再依次将推力轴承垫板15、推力轴承11、多头螺纹旋转体10、推力轴承14、推力轴承垫板9、另一弹性体叠在一起，然后将内套筒套在这些零件的外缘，通过锁紧螺母锁紧，最后在外套筒和内套筒的两个外端面通过螺栓连接左侧连接座和右侧连接座；外套筒内腔的外圆与内套筒的外径为间隙配合，用于加强阻尼器的径向受力；通过旋转锁紧螺母可起到预紧的作用，并能够调整整个阻尼器的安装距。

当阻尼器受压时，力通过左侧和右侧连接座、内套筒、外套筒、右侧连接座同时传递给弹性体、推力轴承垫板、多头螺纹旋转体、推力轴承。由于弹性体采用聚氨酯橡胶制造，在压力的作用下产生弹性变形，弹性支撑力可起到外载荷抗倾覆的作用，而且聚氨酯橡胶的弹性模数小，具有较大的阻尼，对突然冲击以及高频振动可起到良好的吸能作用；同时，由于中心轴和多头螺纹旋转体之间的螺纹规格为多头螺纹，多头螺纹升角较大且不能自锁，当受力时，内外螺纹之间克服摩擦力产生回转运动，外界传递的运动能量转换为内外螺纹之间的摩擦而消失，起到吸振减能的作用，而且摩擦力通过轴向传递可起到外载荷抗倾覆的作用。

通过这种在助力型外骨骼的背架和髋部之间设置多头螺纹阻尼器的方式，在聚氨酯弹性体和多头螺纹摩擦力的共同作用下，通过弹性体的压缩和多头螺纹旋转体的旋转运动，为外载荷提供抵抗其左右倾倒的支撑力，且能为运动过程中的冲击载荷提供吸能缓冲作用。

实施例一

图1示出，本发明的一种实施例为：

在外骨骼背架和左右髋部结构之间设置一种助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，阻尼器的两端分别与背架和髋部结构相连，阻尼器主要由左侧连接座(1)、弹性体(2)、内套筒(3)、多头螺杆外套筒(4)、右侧连接座(5)、锁紧螺母(6)、防松垫圈(7)、平垫圈(8)、推力轴承垫板(9)、多头螺纹体(10)、推力轴承(11)组成。弹性体(2)、推力轴承垫板(9)为两只，安装时先将一只弹性体装于多头螺杆外套筒的内腔底部，再依次将推力轴承垫板、推力轴承、多头螺纹体、推力轴承、推力轴承垫板、弹性体叠在一起，然后将内套筒套在这些零件的外缘，通过锁紧螺母锁紧，最后在多头螺杆外套筒和内套筒的两个外端面通过螺栓连接左侧连接座和右侧连接座。

实施例二

图1示出，本发明的一种实施例为：

当阻尼器受压时，力通过左侧和右侧连接座、内套筒、多头螺杆外套筒、右侧连接座同时传递给弹性体、推力轴承垫板、多头螺纹体、推力轴承。由于弹性体采用聚氨酯橡胶制造，在压力的作用下产生弹性变形，弹性支撑力可起到外载荷抗倾覆的作用，而且聚氨酯橡胶的弹性模数小，具有较大的阻尼，对突然冲击以及高频振动可起到良好的吸能作用；同时，由于多头螺杆外套筒和多头螺纹体之间的螺纹规格为多头螺纹，多头螺纹升角较大且不能自锁，当受力时，内外螺纹之间克服摩擦力产生回转运动，外界传递的运动能量转换为内外螺纹之间的摩擦而消失，起到吸振减能的作用，而且摩擦力通过轴向传递可起到外载荷抗倾覆的作用。

Claims (3)

1.一种助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，用于背架和髋部稳定连接，其特征在于，包括：一内套筒(3)，内套筒的一端与左侧连接座(1)联接，另一端套置在与右侧连接座(5)相连的外套筒(4)内，内套筒与外套筒(4)间隙配合呈可轴向滑动状态；外套筒(4)内轴向固定有一中段具有多头螺杆的中心轴(12)，中心轴的另一端穿过内套筒(3)的中心通孔(13)，由螺母(6)封住中心轴左端头，从而使中心轴在受到右侧轴向力时可作轴向串动；二推力轴承对称设置在中心轴上，其间设置有与所述中心轴多头螺杆相配合的多头内螺纹的多头螺纹旋转体(10)；各推力轴承与套筒间设置有弹性体；阻尼器的右侧连接座和左侧连接座分别用于与助力型外骨骼用背负系统背架和髋部结构相连。

2.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，其特征在于，弹性体(2)采用聚氨酯橡胶制造。

3.根据权利要求1所述的助力型外骨骼用背负系统抗倾覆多头螺纹阻尼器，其特征在于中心轴(12)的末端设置锁紧螺母(6)、防松垫圈(7)和平垫圈(8)，平垫圈起到局部增强的作用，锁紧螺母与防松垫圈配合起到锁紧的作用，且通过旋转锁紧螺母可起到预紧的作用，并能够调整整个阻尼器的安装距。