CN104825312A - 一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，它包括电机（1）、减速器（2）、涡轮蜗杆（3）、小腿连接杆（4）和小腿绑缚装置（5），小腿绑缚装置（5），包括小腿杆（51）、套筒（52）、销钉（53）、绑缚滑动件（54）、旋转销钉（55）、销钉固定件（56）、绑缚拖条（57）和碳纤维托板（58），所述的小腿杆（51）与小腿连接杆（4）连接。本发明的有益效果是：解决了由人-机系统微观错位产生的沿小腿的径向偏差问题以及解决了由人-机系统微观错位产生的切向旋转偏差问题，并且通过自适应的绑缚设计，无需增加任何主动执行机构，未大量增加系统的质量及复杂度，大大提高康复外骨骼穿戴的舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机械结构领域，特别是一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计。
背景技术
康复外骨骼机器人作为一种可穿戴设备，是典型的人机混合系统。我国现在的外骨骼机器人还处在研发阶段。对于小腿绑缚基本都是使用固定式的方案，将绑缚装置直接与小腿相连接。此种方案简单易行，完全可以满足绑缚需求。但由于国内外骨骼机器人膝关节基本都是简单的铰链结构，完全忽略了人体膝关节的复杂运动，所以往往在小腿屈、伸运动过程中，会产生关节微错位。这种错位将引发外骨骼小腿干与人体小腿的位置偏差，继而在绑缚处造成沿小腿径向和旋转的作用力，严重影响绑缚的舒适性。由于康复外骨骼面向对象为下肢运动功能障碍的残疾人群，此类人群下肢长期无法运动，极易受损，长期使用更会对穿戴者造成肢体的二次伤害。
发明内容
本发明主要针对康复外骨骼机器人的小腿绑缚，通过对运动过程中膝关节微错位导致的人-机偏差问题进行研究，提供一种质量轻、制造难度低和舒适度好的外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，它包括电机、减速器、涡轮蜗杆、小腿连接杆和小腿绑缚装置，所述的电机与减速器通过螺钉相连并组成膝关节驱动器，所述的涡轮蜗杆上端设置有一上端固定壳，涡轮蜗杆侧部设置有侧部固定壳，所述的涡轮蜗杆内安装有一花键输出轴，涡轮蜗杆前端安装有大腿连接杆，所述的小腿连接杆安装在花键输出轴两端，所述的减速器的输出轴位于上端固定壳内并与涡轮蜗杆的蜗杆相连，其动力通过涡轮蜗杆的涡轮传动，然后再通过花键输出轴输出；
所述的小腿绑缚装置包括小腿杆、套筒、销钉、绑缚滑动件、旋转销钉、销钉固定件、绑缚拖条和碳纤维托板，所述的小腿杆与小腿连接杆连接，在小腿杆的上开设有一通孔，销钉一端固定设于通孔中，销钉的另一端位于绑缚滑动件的滑槽内，所述的套筒套装在绑缚滑动件内，旋转销钉一端通过螺纹与绑缚滑动件相连接，另一端内置于销钉固定件内侧，所述的绑缚拖条分别与碳纤维托板和销钉固定件通过螺钉连接。
所述的电机为无刷直筒电机，减速器为行星减速器。
所述的套筒为聚四氟套筒。
所述的小腿杆为碳合金材料。
本发明具有以下优点：本发明的外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，解决了由人-机系统微观错位产生的沿小腿的径向偏差问题以及解决了由人-机系统微观错位产生的切向旋转偏差问题，并且通过自适应的绑缚设计，无需增加任何主动执行机构，未大量增加系统的质量及复杂度，从而降低了该机器人的质量和制造难度，同时大大提高康复外骨骼穿戴的舒适性。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图
图2 为小腿绑缚装置结构示意图
图中，1-电机，2-减速器，3-涡轮蜗杆，4-小腿连接杆，5-小腿绑缚装置，6-大腿连接杆，31-上端固定壳，32-侧部固定壳，33-花键输出轴，51-小腿杆，52-套筒，53-销钉，54-绑缚滑动件，55-旋转销钉，56-销钉固定件，57-绑缚拖条，58-碳纤维托板，59-通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1所示，一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，它包括电机1、减速器2、涡轮蜗杆3、小腿连接杆4和小腿绑缚装置5，所述的电机1与减速器2通过螺钉相连并组成膝关节驱动器，在本实施例中，所述的电机1为无刷直筒电机，减速器2为行星减速器，所述的涡轮蜗杆3上端设置有一上端固定壳31，涡轮蜗杆3侧部设置有侧部固定壳32，所述的涡轮蜗杆3内安装有一花键输出轴33，涡轮蜗杆3前端安装有大腿连接杆6，所述的小腿连接杆4安装在花键输出轴33两端，所述的减速器2的输出轴位于上端固定壳31内并与涡轮蜗杆3的蜗杆相连，其动力通过涡轮蜗杆3的涡轮传动，然后再通过花键输出轴33输出，使动力传递到小腿杆51上；如图2所示，所述的小腿绑缚装置5包括小腿杆51、套筒52、销钉53、绑缚滑动件54、旋转销钉55、销钉固定件56、绑缚拖条57和碳纤维托板58，所述的小腿杆51与小腿连接杆4连接，在本实施例中，所述的小腿杆51为碳合金材料，以保证外骨骼结构强度，小腿杆51的上开设有一通孔59，销钉53一端固定设于通孔59中，销钉53的另一端位于绑缚滑动件54的滑槽内，从而起到滑动限位作用，所述的套筒52套装在绑缚滑动件54内并组成小腿径向滑动组件，在本实施例中，所述的套筒52为聚四氟套筒，可以降低滑动阻力，旋转销钉55一端通过螺纹与绑缚滑动件54相连接，另一端内置于销钉固定件56内侧，所述的绑缚拖条57分碳纤维托板58通过螺钉连接并组成小腿支撑组件，绑缚拖条57和销钉固定件56通过螺钉连接。
本发明的工作过程如下：穿戴者使用时，将人体膝关节与图1中膝关节涡轮输出的花键输出轴33对齐，小腿放置于图2中碳纤维托板58内，并通过柔性捆带进行绑缚，当膝关节进行屈、伸运动时，由于人体膝关节是复杂的变轴运动，而外骨骼膝关节是单轴运动，这种不对应性必然导致关节微错位，从而在小腿绑缚处产生沿小腿径向的拉扯力和切向旋转偏差产生的扭转力。本发明的小腿绑缚通过图2中绑缚滑动件54释放小腿径向约束与旋转销钉55释放切向旋转约束来自适应人-机运动过程中的偏差，从而消除外骨骼绑缚对人体产生的牵扯和扭转力，进而提高康复外骨骼的穿戴舒适性。
Claims (4)
1.一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，其特征在于：它包括电机（1）、减速器（2）、涡轮蜗杆（3）、小腿连接杆（4）和小腿绑缚装置（5），所述的电机（1）与减速器（2）通过螺钉相连并组成膝关节驱动器，所述的涡轮蜗杆（3）上端设置有一上端固定壳（31），涡轮蜗杆（3）侧部设置有侧部固定壳（32），所述的涡轮蜗杆（3）内安装有一花键输出轴（33），涡轮蜗杆（3）前端安装有大腿连接杆（6），所述的小腿连接杆（4）安装在花键输出轴（33）两端，所述的减速器（2）的输出轴位于上端固定壳（31）内并与涡轮蜗杆（3）的蜗杆相连，其动力通过涡轮蜗杆（3）的涡轮传动，然后再通过花键输出轴（33）输出；
所述的小腿绑缚装置（5）包括小腿杆（51）、套筒（52）、销钉（53）、绑缚滑动件（54）、旋转销钉（55）、销钉固定件（56）、绑缚拖条（57）和碳纤维托板（58），所述的小腿杆（51）与小腿连接杆（4）连接，在小腿杆（51）的上开设有一通孔（59），销钉（53）一端固定设于通孔（59）中，销钉（53）的另一端位于绑缚滑动件（54）的滑槽内，所述的套筒（52）套装在绑缚滑动件（54）内，旋转销钉（55）一端通过螺纹与绑缚滑动件（54）相连接，另一端内置于销钉固定件（56）内侧，所述的绑缚拖条（57）分别与碳纤维托板（58）和销钉固定件（56）通过螺钉连接。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，其特征在于：所述的电机（1）为无刷直筒电机，减速器（2）为行星减速器。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，其特征在于：所述的套筒（52）为聚四氟套筒。
4.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人小腿自适应绑缚设计，其特征在于：所述的小腿杆（51）为碳合金材料。
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