CN103878790B - 面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，包括上基座、驱动电机、导轨、丝杆、刹车轨道、弹簧、下基座和刹车模块，所述上基座与下基座间设有导轨和刹车轨道，刹车模块串在导轨与刹车轨道上，驱动电机通过刹车模块连接板与第三刹车模块相连，驱动电机通过联轴器与丝杆相连，第二刹车模块与第一刹车模块之间连接弹簧；与现有技术相比，本发明通过改变三个刹车模块与刹车轨道间的锁紧与放松关系，能实现不同的工作模式；本发明采用主被动相结合的方式，充分利用储能器件在行走阶段储能、释能的功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

Description

面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器

技术领域

    本发明涉及一种多模式弹性驱动器，特别涉及一种用于助力外骨骼机器人及仿生机器人下肢关节驱动的弹性驱动器，属于机器人领域。

背景技术

目前，下肢助力外骨骼机器人多采用液压及电机对关节进行驱动，无论采用液压还是电机进行驱动，均为主动驱动方式。由于液压油的不可压缩性、电机—齿轮箱机构属于刚性传动，它们在传力过程中缓冲较差，当可穿戴式步行助力外骨骼机器人在进行实际行走时，摆动腿落地时，脚底对地面的碰撞会瞬间产生较大的冲击，由于反作用力的作用，会造成机器人本体机构的振动，从而影响了机器人整体的稳定性。

特别是快速连续行走的时候，连续的冲击力和振动，会导致机体和机载设备的损坏。对于下肢助力外骨骼驱动器，除了传力过程中缓冲较差问题，还存在驱动功能单一问题。

由于技术限制，驱动器都是针对特定的驱动功能而设计，动作能力有限，而我们所希望的助力外骨骼应具有适应各种路况运动的能力，不仅能平地凭走，而且能跳，能爬坡及上下楼梯等，且在运动过程中具有能耗低等优点，这就对驱动器提出了更高的要求，希望驱动器的驱动模式像人体肌肉的驱动一样，人体在进行各种动作时，肌肉驱动骨骼牵引关节产生相应的运动，肌肉能驱动关节产生大的驱动力矩，同时能很快的以低阻尼的被动运动方式放松肌肉，而在遇到外界环境模式变化时，肌肉的粘弹性特征使得肌肉带动关节做出灵活的调整以适应外部环境的变化。

由于下肢助力外骨骼是一种并联与人体下肢外部，在运动过程中对穿戴者进行助力的机器人，故需要其驱动器需具有较低的机械输出阻抗、能适应较大的控制带宽，类似肌肉工作原理一样具有较好的自然柔顺性与缓冲功能。

发明内容

针对上述下肢助力外骨骼驱动器存在的不足及下肢助力外骨骼机器人对仿生节能驱动器的需求，本发明提供了一种主、被动相结合，能实现多种运动模式的低功耗的弹性驱动器。

本发明的技术解决方案是：

一种面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，包括上基座、驱动电机、导轨、丝杆、刹车轨道、弹簧、下基座和刹车模块，所述上基座与下基座间设有导轨和刹车轨道，刹车模块串在导轨与刹车轨道上，刹车模块包括第一刹车模块、第二刹车模块与第三刹车模块，驱动电机通过刹车模块连接板与第三刹车模块相连，驱动电机通过联轴器与丝杆相连，所述丝杆穿过第二刹车模块的内部，第二刹车模块与第一刹车模块之间连接弹簧。

优选地，所述第一刹车模块、第二刹车模块与第三刹车模块的结构相同。

优选地，所述刹车模块包括齿条轨道、左推杆、右推杆、左刹车片、右刹车片、刹车装置支撑块、刹车电机支撑座一、刹车电机支撑座二、刹车电机、齿条、齿轮；刹车电机与齿轮相连接，齿轮与齿条相啮合，齿条在齿条轨道上滑动，齿条与左推杆、右推杆连接，左推杆与左刹车片相连，右推杆与右刹车片相连。

优选地，齿条轨道固定在刹车装置支撑块上，刹车电机通过刹车电机支撑座一、刹车电机支撑座二固定在刹车装置支撑块上，所述刹车装置支撑块的两侧设有分别设有用于导轨穿过的直线轴承，所述刹车装置支撑块设有用于刹车轨道穿过的通孔，所述刹车装置支撑块的顶部设有用于齿条穿过的圆孔。

优选地，所述第一刹车模块、第二刹车模块与第三刹车模块依次设于上基座与下基座间，第一刹车模块与第二刹车模块之间通过弹簧连接板与弹簧相连接。

优选地，电机通过联轴器带动丝杆及螺母运动，进而压缩弹簧，与刹车模块结合实现不同的工作模式。

优选地，刹车模块与刹车轨道有两种工作方式：当齿轮带动齿条向下运动时，推动推杆向下运动，进而推动刹车片挤压刹车轨道，使刹车模块锁紧在刹车轨道上；而当齿轮带动齿条向上运动时，使刹车轨道放松，进而能实现刹车模块在导轨上的自由移动。

本发明本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过改变三个刹车模块与刹车轨道间的锁紧与放松关系，能实现不同的工作模式；本发明采用主被动相结合的方式，充分利用储能器件在行走阶段储能、释能的功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

附图说明

图1是面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器的轴测图；

图2是面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器的俯视图；

图3是面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器的正视图；

图4是面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器的内部构件图；

图5是实施例中刹车模块的轴测图；

图6是实施例中刹车模块的构件分解示意图。

其中，1、上基座；2、驱动电机；3、导轨；4、丝杆；5、刹车轨道；6、弹簧；7、下基座；8、第一刹车模块；9、第二刹车模块；10、第三刹车模块；11、齿条轨道；12、左推杆；13、左刹车片；14、刹车装置支撑块；15、刹车电机支撑座一；16、刹车电机支撑座二；17、刹车电机；18、右刹车片；19、右推杆；20、齿条；21、齿轮；22、刹车模块连接板；23、联轴器；24、刹车橡胶片；25、弹性安装板；26、螺母；27、直线轴承；28、弹簧连接板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

    实施例是一种面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性强驱动器，是一个主、被动相结合的驱动器，主动器件是驱动电机2，被动器件是弹簧6。电机通过联轴器23带动丝杆4及螺母26运动，进而压缩弹簧6，结合刹车模块现不同的工作模式。

多模式弹性驱动器的主动驱动电机2仅在行走过程中的适时阶段进行驱动，也即是电机仅在下肢需要助力的阶段进行驱动，多模式驱动器充分利用储能器件的储能并有效释能的优点使得下肢助力外骨骼机器人具有低功耗的特点。

    图1、图2和图3中，多模式弹性驱动器由上基座1、驱动电机2、导轨3、丝杆4、刹车轨道5、弹簧6、下基座7及三个刹车模块组成。导轨3、刹车轨道5与上基座1及下基座7相连。三个刹车模块通过直线轴承27串在导轨3并且穿过刹车轨道5。驱动电机2通过刹车模块连接板22与第三刹车模块10相连，同时驱动电机2通过联轴器23与丝杆4相连，螺母26安装在丝杆4上，丝杆4穿过第二刹车模块9的内部，第二刹车模块9与第一刹车模块8之间通过弹簧6连接板与弹簧6相连接。第三刹车模块10可设置弹性安装板28，用来固定支撑弹簧。

    图4中，三个刹车模块内部机构相同。如图5和图6所示，刹车模块由齿条20轨道11、左推杆12及右推杆19、左刹车片13及右刹车片18、刹车装置支撑块14、刹车电机支撑座一15及刹车电机支撑座二16、刹车电机17、齿条20及齿轮21组成。齿条20在齿条20轨道11上滑动，齿条20与左推杆12、右推杆19连接，左推杆12与左刹车片13相连，右推杆19与右刹车片18相连，齿条20与齿轮21相啮合。

    实施例中的刹车模块工作时，其具体的工作过程为：当刹车电机17做正向转动，带动齿轮21转动，齿轮21带动齿条20向下运动，齿条20与左推杆12与右推杆19相连接，故推动左推杆12与右推杆19向下运动，进而推动左刹车片13与右刹车片18相两侧运动挤压刹车轨道5，在刹车橡胶片24的作用下，挤紧刹车轨道5，使刹车模块锁紧在导轨3上；相反的，而当齿轮21带动齿条20向上运动时，使刹车轨道5放松，进而能实现刹车模块在导轨3上的自由移动。

    实施例的多模式弹性驱动器在工作时，根据刹车模块与导轨3之间的锁紧与松开状态，有如表1所示的八种工作模式。

    表1 多模式弹性驱动器的工作模式

实施例在工作过程中，多模式弹性驱动器充分利用了弹簧6储能、释能的特点，驱动电机2仅在下肢助力外骨骼行走过程中的适时阶段进行动力补偿，故多模式弹性驱动器具有低功耗的优点。

实施例组合了主动驱动元件(驱动电机2)与弹性元件(弹簧6)，通过改变三个刹车模块与刹车轨道5间的锁紧与松开关系，实现弹性驱动器的多种模式运动，是一种体积小巧、性能可靠、低功耗且具有仿生特征的弹性驱动器，可用于助力外骨骼机器人及仿人机器人的下肢关节驱动，在驱动过程中能量具有存储和放大作用，因此，此种多模式弹性驱动器的仿生驱动技术及能量放大特性具有很高的研究价值，且随着人口老龄化的加剧，助力外骨骼机器人需求的日益增加，此种多模式弹性驱动器也具有广阔的应用前景。

    以上为实施例的最佳实施方式，依据实施例公开的内容，本领域的技术人员能够用显而易见地想到的一些变型或替代的方案，均应落入实施例保护的范围。

Claims (7)

1.一种面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：包括上基座（1）、驱动电机（2）、导轨（3）、丝杆（4）、刹车轨道（5）、弹簧（6）、下基座（7）和刹车模块，所述上基座（1）与下基座（7）间设有导轨（3）和刹车轨道（5），刹车模块串在导轨（3）与刹车轨道（5）上，刹车模块包括第一刹车模块（8）、第二刹车模块（9）与第三刹车模块（10），驱动电机（2）通过刹车模块连接板（22）与第三刹车模块（10）相连，驱动电机（2）通过联轴器（23）与丝杆（4）相连，所述丝杆（4）穿过第二刹车模块（9）的内部，第二刹车模块（9）与第一刹车模块（8）之间连接弹簧（6）。

2.如权利要求1所述的面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述第一刹车模块（8）、第二刹车模块（9）与第三刹车模块（10）的结构相同。

3.如权利要求2所述的面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述刹车模块包括齿条轨道（11）、左推杆（12）、右推杆（19）、左刹车片（13）、右刹车片（18）、刹车装置支撑块（14）、刹车电机支撑座一（15）、刹车电机支撑座二（16）、刹车电机（17）、齿条（20）、齿轮（21）；刹车电机（17）与齿轮（21）相连接，齿轮（21）与齿条（20）相啮合，齿条（20）在齿条轨道（11）上滑动，齿条（20）与左推杆（12）、右推杆（19）连接，左推杆（12）与左刹车片（13）相连，右推杆（19）与右刹车片（18）相连。

4.如权利要求3所述的面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：齿条轨道（11）固定在刹车装置支撑块（14）上，刹车电机（17）通过刹车电机支撑座一（15）、刹车电机支撑座二（16）固定在刹车装置支撑块（14）上，所述刹车装置支撑块（14）的两侧设有分别设有用于导轨（3）穿过的直线轴承（27），所述刹车装置支撑块（14）设有用于刹车轨道（5）穿过的通孔，所述刹车装置支撑块（14）的顶部设有用于齿条（20）穿过的圆孔。

5.如权利要求1-4任一项所述的面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：所述第一刹车模块（8）、第二刹车模块（9）与第三刹车模块（10）依次设于上基座（1）与下基座（7）间，第一刹车模块（8）与第二刹车模块（9）之间通过弹簧连接板（28）与弹簧（6）相连接。

6.如权利要求1-4任一项所述的面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于：电机通过联轴器（23）带动丝杆（4）及螺母（26）运动，进而压缩弹簧（6），与刹车模块结合实现不同的工作模式。

7.如权利要求1-4任一项所述的面向下肢助力外骨骼机器人的多模式弹性驱动器，其特征在于，刹车模块与刹车轨道（5）有两种工作方式：当齿轮（21）带动齿条（20）向下运动时，推动推杆向下运动，进而推动刹车片挤压刹车轨道（5），使刹车模块锁紧在刹车轨道（5）上；而当齿轮（21）带动齿条（20）向上运动时，使刹车轨道（5）放松，进而能实现刹车模块在导轨（3）上的自由移动。