CN104382722B - 一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征是：它主要包括第一导管，深沟球轴承，涡簧，第二导管，滚针轴承，机架。第一导管转动，促使涡簧产生一定量的弹性变形，再带动第二导管的转动。涡簧是一种柔弹性的原件，第一导管的转动不会立即带动第二导管的转动，而是要先克服涡簧的对其产生的阻力再带动第二导管的转动。该装置能固定在机械的关节处，能够方便地拆卸更换易损件。两个轴承保证传动时的同轴度，从而保证传动的精度。本发明的涡簧式柔弹性关节使得康复机器人关节具备有柔弹性，控制了关节的大小，使之结构更加紧凑，设计更加灵活，改变了传统康复机器人关节的设计模式。

Description

一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节

技术领域

本发明涉及一种对驱动力矩有柔弹性要求的传动装置，尤其应用于医疗康复机器人驱动领域。

技术背景

为了高效、低成本地解决由脑卒中、脑外伤等病因造成的人体上肢中枢神经性运动障碍患者的康复治疗这一社会难题，国内外的很多专家学者都在设计针对康复训练的康复机器人，并逐步取代传统的医师治疗。

传统的康复机器人设计中，康复机器人都有一个共同点：机器人各关节的设计主要采用刚性的设计方法，采用电机、减速器等作为机器人关机的驱动单元。这种关节设计缺乏柔弹性单元，较大的冲击不仅使得康复机器人关节容易受到外部冲击而损坏，直接影响了机器人的正常运行，甚至可能对患者造成二次伤害。近些年来，一些学者提出了具有力/力矩传感器的柔性关节设计和串联弹性驱动关节设计等方法，使得机器人可以避免外部冲击对执行关节的影响，并且为机器人与人和环境的交互创造良好的条件。然而，基于力/力矩传感器的柔性关节本身并不具备柔性的特点，抗外部冲击的性能并非最佳，基于串联弹性驱动关节具有良好的抗冲击和力感知性能，但大部分关节采用了传统的螺旋弹簧，很难设计出空间小，重量轻，结构紧凑的关节。哈尔滨工业大学的王立权等人设计的弹性驱动转动关节专利号CN102152319A和双串联弹性驱动器专利号CN101318331都具有较好的柔弹性，但是都用了传统的螺旋弹簧，这种设计的轴向尺寸大，结构不紧凑，不能应用于康复机器人的关节上。浙江大学的杨灿军等人设计的基于柔绳传动的外骨骼柔性关节驱动装置专利号CN103315881A能实现柔弹性传动，但是其占用空间大，结构复杂，因此其应用范围非常有限。目前，国内能应用于康复机器人上的柔弹性关节还非常少，至于结构紧凑、空间小、重量轻的柔弹性关节少之又少。

发明内容

本发明针对当前康复机器人传动系统设计的不足，提出了一种适用于康复机器人关节以涡簧为柔性元件的柔弹性关节，应用于康复机器人关节中，解决了由于外部载荷对康复机器人和人产生的刚性冲击的问题，避免了由于刚性冲击对机器人和人体造成损害的风险。同时，解决了传统机器人关节占用空间大，结构松散等问题，自身轴向尺寸小，结构紧凑，易于安装在机器人关节上。本发明改变了传统机器人关节的模式，适用于升级现在康复机器人和机器臂关节，有助于促进机器人的更新换代。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，包括第一导管、深沟球轴承、涡簧、第二导管、滚针轴承和机架，所述机架设有左腔室和右腔室，所述右腔室的直径大于所述左腔室的直径，所述第一导管左侧轴的外圈与所述机架的左腔室的内圈通过所述深沟球轴承过盈配合，所述第二导管左侧轴的外圈与所述机架的右腔室的内圈通过所述滚针轴承过盈配合，所述第二导管的左侧轴设有一型腔，所述型腔的侧壁设有多个槽，所述涡簧的外圈卡在所述槽中，所述涡簧的芯轴与所述第一导管的右侧轴通过键固定连接。

进一步的，所述机架的左腔室外壁设有若干通孔，所述通孔正对所述滚针轴承。

进一步的，所述第一导管的内圈设置有键槽，用于连接动力输入装置；所述第二导管的内圈也设置有键槽，用于连接动力输出装置。

进一步的，所述槽有一个向涡簧旋转方向的倾角α。

进一步的，所述机架的底部设有沉头螺钉孔。

本发明的有益效果是：本发明的第一导管一侧用于连接电机或者减速器等驱动单元，第一导管转动，带动涡簧内圈转动带动，涡簧内圈和涡簧外圈中间的弹性体发生弹性形变，继而带动涡簧转动，然后带动第二导管转动，最终带动齿轮一类的传动件转动。本发明的涡簧式柔弹性关节使得康复机器人关节具备有柔弹性，控制了关节的大小，使之结构更加紧凑，设计更加灵活，改变了传统康复机器人关节的设计模式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明内部结构分解示意图

图3为本发明的装配图

图4为第二导管左视图

图中，1，第一导管 2，深沟球轴承 3，涡簧 4，第二导管 5，滚针轴承 6，机架 7，槽8，通孔

具体实施方式

本发明所提及的一种涡簧式柔弹性关节模块包括第一导管1，深沟球轴承2，涡簧3，第二导管4，滚针轴承5和机架6。其中第一导管1的左侧轴开有圆柱型内孔，在内孔上设有键槽，第一导管1的右侧轴上开有一槽，用于卡住涡簧3的芯轴。深沟球轴承2内径与第一导管1的左侧轴过盈配合，外径与机架6的左腔室内径过盈配合。涡簧3的芯轴与第一导管1右侧轴通过键固定连接。第二导管4左侧轴的外圈与滚针轴承过盈配合，侧壁上开有多个槽7，以方便涡簧卡入，槽7与涡簧的转动方向形成一个夹角α，以便涡簧更好的卡在槽7中，第二导管4的右侧轴上设有一圆柱型内孔，在内孔的侧壁上设有键槽。滚针轴承5的外径与机架6右腔室的内孔过盈配合。机架6的底面上开有沉头孔，以方便该装置用螺钉固定在康复机器人上，机架6的左腔室和右腔室中间开有一退刀槽，不仅能方便精加工时刀具不干涉到左腔室的端面，而且能保证在传动时滚针轴承5的转动不与左腔室的端面摩擦。在其一侧开有通孔8，以方便该装置的拆卸，更换易损件。深沟球轴承2和滚针轴承5不仅能减少摩擦力的影响，而且能保证了第一导管1、第二导管4转动的同轴度，保证了第一导管1到第二导管2传动时的精度。

本发明的工程过程如下：第一导管1转动，促使涡簧3产生一定量的弹性变形，再带动第二导管4的转动。由于涡簧3是一种柔弹性的原件，传动有柔弹性的特点，第一导管1的转动不会立即带动第二导管4的转动，而是要先克服涡簧3的对其产生的阻力再带动第二导管4的转动。

装配时先将第一导管1的左侧轴与深沟球轴承2配合，再将深沟球轴承2与机架6的左腔室配合，再将涡簧3的芯轴卡入第一导管1右侧轴的槽内，将涡簧3的另外一端卡入第二导管4的槽7内，最后将滚针轴承5装配在第二导管4和机架6之间，这样就完成了装配。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征在于，包括第一导管(1)、深沟球轴承(2)、涡簧(3)、第二导管(4)、滚针轴承(5)和机架(6)，所述机架(6)设有左腔室和右腔室，所述右腔室的直径大于所述左腔室的直径，所述第一导管(1)左侧轴的外圈与所述机架(6)的左腔室的内圈通过所述深沟球轴承(2)过盈配合，所述第二导管(4)左侧轴的外圈与所述机架(6)的右腔室的内圈通过所述滚针轴承(5)过盈配合，所述第二导管(4)的左侧轴有一型腔，所述型腔的侧壁设有多个槽(7)，所述涡簧(3)的外圈卡在所述槽(7)中，所述涡簧(3)的芯轴与所述第一导管(1)的右侧轴通过键固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征在于，所述机架(6)的左腔室外壁设有若干通孔(8)，所述通孔(8)正对所述滚针轴承(5)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征在于，所述第一导管(1)的内圈设置有键槽，用于连接动力输入装置；所述第二导管(4)的内圈也设置有键槽，用于连接动力输出装置。

4.根据权利要求1所述的一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征在于，所述槽(7)有一个向涡簧旋转方向的倾角(α)。

5.根据权利要求1所述的一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征在于，所述机架(6)的底部设有沉头螺钉孔。

6.根据权利要求1所述的一种适用于康复机器人的涡簧式柔弹性关节，其特征在于，所述机架(6)的左腔室和右腔室之间设有一个退刀槽。