CN106491312A - 人体仿生膝关节、髋关节传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的人体仿生膝、髋关节传动系统，属于人体仿生和人机接口技术领域，均包括动力单元、传动单元及运动输出单元，传动单元均包括输入和输出模块，膝关节传动系统中动力、运动输出单元分别位于传动单元顶、底部，髋关节传动系统中动力、运动输出单元均位于传动单元内部，两种关节传动系统顶、底部均分别设有连接人体其他仿生结构件接口；两种关节传动系统的传动单元输入、输出模块分别与各自动力、运动输出单元连接；通过传动单元将动力单元输入的高速转动转化为符合人体膝、髋关节在人体矢状面内低速转动，通过运动输出单元将该低速转动传递至人体其他仿生结构件；本发明与人体其他仿生结构件匹配，保证安全性同时具有较高运动传递效率。

Description

人体仿生膝关节、髋关节传动系统

技术领域

本发明属于人体仿生和人机接口技术领域，特别涉及人体仿生膝关节、髋关节运动装置的设计。

背景技术

让残疾人，截瘫病人重新获得行动能力逐渐成为了现代社会医学研究的一个热门话题。用于辅助下肢残障人士进行行走的外骨骼的出现使得这一问题得到了解决。

外骨骼机构的常见构型，是在人体下肢两侧平行搭建一台机构，与人体下肢相连接，该机构包括关节装置以及大腿/小腿杆件；其中，关节装置的布置与运动自由度接近人体或与人体相同；该关节装置上可增加传动装置，支撑人体的同时也能辅助带动人体下肢运动，同一侧腿部机构的髋关节装置与膝关节装置之间，以及膝关节装置与踝关节装置之间，通过固定长度或可调长度的大腿/小腿杆件连接。在外骨骼机构搭建的过程中，关节传动是一门重要技术。

优秀的关节传动装置不仅可以实现关节的运动，还可以降低传动过程中耗损的能量，使机构传动性能大大提升；同时在残疾、截瘫人群中推行，又要求外骨骼机构能够实现限位和自锁。

目前的关节传动装置设计大多不是很理想，或在传动性能上有所缺失，或安全性能不足。现有的一些关节传动装置采用锥齿轮传动或蜗轮蜗杆传动，传动磨损大，效率较低，且该类传动装置的体积非常臃肿；还有一些采用绳索滑轮传动，不仅体积臃肿，其内部的拉索单元还往往外露，存在将衣物甚至手指卷进该装置的风险；此外，有的设计试图简化传动单元，将电机、传动机构与关节转轴同轴串联排布，此种排布方式的传动效率损耗略小，但是整个机构在人体冠状面上投影的宽度将非常可观，阻碍人体的行动。

发明内容

本发明目的旨在克服已有技术的不足之处，提出人体仿生膝关节、髋关节传动系统，能够节约传动性能并安全地实现辅助或支配人体运动的功能。

一种人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，包括传动单元1-2，以及分别固定于该传动单元顶部、底部的动力单元1-1、运动输出单元1-3；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部、运动输出单元底部分别设有与其他仿生腿部结构件相接的卡槽；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体膝关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至其他仿生腿部结构件。该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体膝关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。

人体仿生膝关节传动系统的动力单元1-1包括电动机、电动机控制器及电源；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速度和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。

人体仿生膝关节传动系统的传动单元1-2还包括齿轮基座1-203、谐波减速器1-205以及外壳；其中，齿轮基座具有类h型横截面，动力单元1-1固定在齿轮基座顶部，谐波减速器固定于齿轮基座两侧壁底部，且谐波减速器上半部分位于齿轮基座两侧壁之间的空间内，输出模块、输入模块分别与谐波减速器的输入端、输出端相接；齿轮基座与位于最外侧的外壳活动连接，两者之间发生相对转动；所述用于连接其他仿生腿部结构件的卡槽位于齿轮基座顶部。

人体仿生膝关节传动系统中传动单元的输出模块包括编码器1-204以及至少两个编码器齿轮；编码器齿轮均位于齿轮基座1-203靠近谐波减速器1-205输出端的同一侧且共平面设置，其中一个编码器齿轮1-201与谐波减速器的输出端固接且共轴设置，还有一个编码器齿轮1-202与编码器的转轴固定连接，编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器输出端的运动传递至编码器，该编码器将关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器。

人体仿生膝关节传动系统中传动单元的输入模块包括限位块1-208、限位开关1-212以及至少两个输入齿轮；输入齿轮均位于齿轮基座1-203靠近谐波减速器1-205输入端的同一侧且共平面设置，其中一个输入齿轮1-206固定在齿轮基座顶部且直接与电动机相连，还有一个输出齿轮1-207位于齿轮基座侧壁底部且与谐波减速器输入端固接且同轴设置，输入齿轮之间通过传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块与谐波减速器的输出端固接，该限位块与靠近谐波减速器输入端的齿轮基座侧壁位于同一平面内且随谐波减速器的输出端旋转，当限位块与齿轮基座侧壁接触时，限制谐波减速器输出端的转动范围；限位开关1-212安装在限位块上，且位于限位块与运动输出单元1-3发生抵触的两个接触面上，在抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动。

人体仿生膝关节传动系统中传动单元的外壳包括两侧板1-209、1-210和固定轴盘1-211，该固定轴盘包括固定轴和位于该固定轴上的固定盘；两侧板呈类圆形，两侧板底部均设有用于与运动输出单元相连的螺纹孔位；固定轴两端分别与两侧板中部固定连接，固定盘的直径与两侧板相匹配；谐波减速器穿过固定轴且位于固定盘与第二侧板1-210之间，编码器齿轮1-202穿过固定轴且位于固定盘与第一侧板1-209之间，编码器齿轮1-202通过固定盘上设置的通孔与谐波减速器输出端形成固接，编码器齿轮1-202、谐波减速器输出端均与固定盘固接；输入齿轮1-207穿过固定轴后与谐波减速器输入端固接，输入齿轮1-207与固定轴盘同轴设置，该输入齿轮与固定轴盘间发生相对旋转。

人体仿生膝关节传动系统的运动输出单元1-3连同传动单元外壳相对于齿轮基座1-203和与该运动输出单元连接的其他人体仿生腿部结构件存在转动。

一种人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，包括传动单元2-2，以及均位于该传动单元内部的动力模块2-1、运动输出模块2-3；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部设有与人体仿生腰部结构件的连接接口，运动输出单元底部设有与其他人体仿生腿部结构件相接的卡槽2-303；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接；通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体髋关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至人体其他仿生腿部结构件。该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体髋关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。

人体仿生髋关节传动系统的动力单元2-1包括电动机、电动机控制器及电源，该动力单元靠近传动单元2-2顶部设置；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速度和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。

人体仿生髋关节传动系统的传动单元2-2还包括谐波减速器2-209及外壳；其中，外壳为顶部封闭、底部及侧边开敞的壳体结构，包括均呈U型的两侧壁2-205、2-206；谐波减速器位于运动输出单元内部且运动输出单元与谐波减速器的输出端固定连接；传动单元的输出模块、输入模块、动力单元及运动输出单元均位于外壳内部。

人体仿生髋关节传动系统传动单元的输出模块包括编码器2-204以及至少两个编码器齿轮；编码器的转轴所在端直接与第一编码器齿轮2-201连接、另一端固定在外壳第一侧壁2-205上；编码器齿轮均共平面排布，其中第二编码器齿轮2-203通过运动输出单元与谐波减速器2-209输出端共轴固定连接，编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器输出端的运动传递至编码器，该编码器将关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器。

人体仿生髋关节传动系统传动单元的输入模块包括限位块2-210以及至少两个输入齿轮；输入齿轮均共平面排布，其中一个输入齿轮2-207直接与电动机相连，还有一个输入齿轮2-208与谐波减速器2-209输入端固接且同轴设置，输入齿轮之间通过传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块2-210为整体呈圆环状的阶梯形结构，限位块与外壳第一侧板2-205固定连接，该限位块与谐波减速器同圆心设置。

人体仿生髋关节传动系统的运动输出单元2-3还包括两侧板2-301、2-302，谐波减速器2-209位于两侧板之间，两侧板边缘均设有用于固定谐波减速器输出端的通孔；其中，第一侧板2-301的中部设有通孔，在该通孔内侧局部设置弧形突起，当限位块2-210与该弧形突起接触时，限制谐波减速器输出端的转动范围；所述传动单元的输入模块还包括限位开关2-211，该限位开关2-211安装在限位块2-210上且位于限位块与运动输出单元发生抵触的两个接触面上，当抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动。

人体仿生髋关节传动系统的运动输出单元2-3连同与该运动输出单元固接的其他人体仿生腿部结构件，相对于传动单元外壳存在相对转动。

本发明的特点及有益效果：

本发明放弃了滑轮绳索传动或锥齿轮传动方式，而采用谐波减速器；此外，可以通过同步带传动等方式，使电机与传动单元形成并联排布，进一步减小了外形轮廓尺寸。本发明的所有传动单元部件全部位于外壳内侧，避免发生卷入衣物或肢体的风险。本发明能够安全地运用于外骨骼设备，方便地实现人体关节间的运动传递，在保证安全性的同时具有较高的运动传递效率。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的人体仿生膝关节传动系统的整体结构示意图。

图2-1,2-2为根据本发明一个实施例的人体仿生关节传动系统-传动单元输出模块的结构示意图。

图3为根据本发明一个实施例的人体仿生膝关节传动系统-传动单元外壳结构示意图。

图4为根据本发明一个实施例的人体仿生膝关节传动系统-运动输出单元结构示意图。

图5为根据本发明一个实施例的人体仿生髋关节传动系统的整体结构示意图。

图6为根据本发明一个实施例的人体仿生髋关节传动系统的一侧结构示意图。

图7为根据本发明一个实施例的人体仿生髋关节传动系统的另一侧结构示意图。

图8为根据本发明一个实施例的人体仿生髋关节传动系统-运动输出单元的结构示意图。

图9为根据本发明一个实施例的人体仿生髋关节传动系统-运动输出单元两侧板与限位块的装配结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出的人体仿生膝关节传动系统和人体仿生髋关节传动系统，下面结合附图及实施例进一步详细说明如下：

图1为根据本发明一个实施例的人体仿生膝关节传动系统的结构示意图，包括传动单元1-2，以及分别固定于传动单元顶部、底部的动力单元1-1、运动输出单元1-3，传动单元包括输入模块、输出模块，传动单元顶部、运动输出单元底部分别设有与其他仿生腿部结构件(分别如大腿杆件、小腿杆件)相接的卡槽；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体膝关节在人体矢状面内的低速旋转运动(该低速旋转运动与人体膝关节的运动模式相适应)，并通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至与运动输出单元相连的其他人体仿生腿部结构件(如小腿杆件)；所述人体仿生膝关节传动系统要求在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体膝关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。

所述动力单元1-1包括电动机、电动机控制器及电源，动力单元1-1可部分拆卸/外置；本实施例中仅电动机位于本关节传动系统内(如图1所示)且固定在传动单元顶部；电动机控制器和电源均位于由使用者背负的、容纳整个仿生外骨骼系统所用的计算机等设备的背包(该背包为现有技术，不属于本发明内容)内，电动机控制器与电源均通过导线与关节传动系统内的电动机连接；电动机控制器接收计算机给出的信号后控制电动机的转动速度和转动角度；在实际装配过程中，电动机控制器和电源也可以与电动机集成共同排布在本传动系统内。

所述传动单元1-2还包括齿轮基座1-203、谐波减速器1-205以及外壳；其中，齿轮基座1-203具有类h型横截面，动力单元1-1固定在齿轮基座顶部，谐波减速器1-205固定于齿轮基座1-203两侧壁底部，且谐波减速器上半部分位于齿轮基座两侧壁之间的空间内，输出模块、输入模块分别与谐波减速器1-205的输入端(即谐波减速器中部的椭圆齿轮)、输出端(即谐波减速器的柔性齿轮)相接；齿轮基座与位于最外侧的外壳活动连接，两者之间发生相对转动；所述用于连接其他人体仿生腿部结构件(例如大腿杆件)的卡槽位于齿轮基座1-203顶部。

所述膝关节传动单元输出模块的结构如图2-1所示，包括编码器齿轮1-201和1-202、编码器1-204；其中，编码器齿轮1-201和1-202均位于齿轮基座1-203靠近谐波减速器输出端的同一侧且共平面设置，编码器齿轮1-202与谐波减速器1-205共轴设置、且与谐波减速器1-205的输出端(即谐波减速器的柔性齿轮)固接，另一个编码器齿轮1-201位于编码器齿轮1-202的斜上方、与编码器齿轮1-202啮合、并与编码器1-204的转轴固接；编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器的输出运动从谐波减速器输出端传递到编码器，由编码器将该关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器，驱动电动机实现该关节传动系统转动速度与转动角度的精确控制。根据本发明人体仿生膝关节传动系统的整体尺寸要求以及所选用电动机与谐波减速器1-205的具体型号确定所述两个编码齿轮之间的相对位置。该输出模块内齿轮数量、各齿轮传动方式，可根据人体仿生膝关节传动系统的整体尺寸要求与输出模块内各器件型号进行调整：当谐波减速器1-205与编码器1-204的中心距需要设置得较远，而关节传动系统整体尺寸要求不允许布置较大直径的编码器齿轮1-201与1-202时，可在1-201和1-202之间多设置一个或多个编码器齿轮，使单个编码器齿轮的直径维持较小的数值；输出模块内各齿轮之间的传动方式包括但不限于普通啮合传动、带传动、蜗轮蜗杆传动等。

所述膝关节传动单元输入模块的结构如图2-2，包括与电动机相连的输入齿轮1-206和1-207、限位块1-208、限位开关1-212；两输入齿轮均位于齿轮基座1-203靠近谐波减速器1-205输入端的同一侧且共平面设置，输入齿轮1-206固定在齿轮基座1-203顶部且直接与动力单元中的电动机相连，输入齿轮1-207位于齿轮基座侧壁底部凹槽内与谐波减速器1-205输入端(即谐波减速器中部的小直径椭圆齿轮)同轴固定相连，输入齿轮1-206与1-207采用同步带传动的传动方式，带的长度取决于电动机与谐波减速器的相对位置，并由所选电动机与谐波减速器的型号确定，通过输入齿轮之间的传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块1-208与谐波减速器1-205的输出端(即谐波减速器的柔性齿轮)固定，且限位块与靠近谐波减速器输入端的齿轮基座侧壁位于同一平面内，该限位块随谐波减速器输出端旋转，关节转动到本传动系统的可动范围边界时，限位块1-208将与齿轮基座1-203发生接触，达到旋转限位的效果；在限位块上安装有限位开关1-212，位于限位块可能与运动输出单元发生抵触的两个接触面上(由于限位开关为小型元件且为常规产品，仅在图2-2中标出安装位置)，在抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机，并控制电动机往反方向略微转动，电机反向转动角度，使限位块与运动输出单元脱离抵触即可，进一步保护穿着者的安全。该输入模块内齿轮数量、各齿轮间的传动方式，可根据人体仿生膝关节传动系统的整体尺寸需要与器件选型进行调整；所述传动方式包括但不限于普通啮合传动、同步带传动、蜗轮蜗杆传动等。

所述本传动系统的可动范围，与人体膝关节在行走、起坐等日常行为中的可动范围基本一致，从直立状态到弯曲约100度。

所述膝关节传动单元外壳的结构如图3所示，包括两侧板1-209和1-210、固定轴盘1-211，固定轴盘1-211包括一固定轴和位于该固定轴上的固定盘；两侧板呈类圆形，两侧板底部均设有用于与运动输出单元相连的螺纹孔位；固定轴两端分别与两侧板中部固定连接，固定盘的直径与两侧板相近，固定盘上分布有一圈通孔。谐波减速器穿过固定轴且位于固定盘与侧板1-210之间，所述编码器齿轮1-202穿过固定轴且位于固定盘与侧板1-209之间，编码器齿轮1-202通过固定盘上的通孔与谐波减速器1-205输出端形成固接，同时，编码器齿轮1-202、谐波减速器1-205输出端均与固定盘固接；所述输入齿轮1-207穿过固定轴后与谐波减速器1-205的输入端(即谐波减速器中部的椭圆齿轮)固接，输入齿轮1-207与固定轴盘1-211同轴设置，该输入齿轮与固定轴盘间可以相对旋转。固定轴盘1-211、侧板1-209和1-210均相对于齿轮基座1-203可以发生转动。

所述运动输出单元1-3的结构如图4所示，运动输出单元1-3顶部有与传动单元外壳两侧板1-209、1-210相连的通孔1-301。本膝关节传动系统转动的运动输出，表现为运动输出单元1-3连同外壳(即固定轴盘1-211与两侧板1-209、1-210)相对于齿轮基座1-203和与之固接的大腿杆件存在转动；运动输出单元底部还设有卡槽1-302，可与其他仿生腿部结构件相连，例如小腿杆件。所述运动输出单元1-3外形设计可以根据所连接的其他仿生腿部结构件不同有所不同，包括但不限于四棱台的形状(如图4所示)、圆弧形、桁架结构等。

动力单元1-1中的电动机与传动单元1-2中的齿轮基座固结，该电动机与传动单元中的谐波减速器输入端可以通过同步带等传动方式进行运动传递，即由电动机驱动谐波减速器的输入端(即谐波减速器中部的椭圆齿轮)高速旋转运动，谐波减速器将该高速旋转运动转化为低速旋转运动，通过与其输出端(即谐波减速器的柔性齿轮)固定连接的固定轴盘传递到传动单元外壳，再传递到运动输出单元。

图5为根据本发明一个实施例的人体仿生髋关节传动系统的结构示意图，包括传动单元2-2，以及均位于传动单元内部的动力单元2-1、运动输出单元2-3，传动单元包括输入模块、输出模块；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，运动输出单元底部设有与其他人体仿生腿部结构件(如大腿杆件)相接的卡槽；通过传动单元将动力单元输入的高度旋转运动转化为符合人体髋关节在人体矢状面内的低速旋转运动(该低速旋转运动符合人体髋关节的运动模式)，并通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至其他人体仿生腿部结构件(如大腿杆件)；传动单元的顶部还设有与人体仿生外骨骼系统整体中的腰部结构件的连接接口，用于布置导线，以及形成机械传力路径；所述人体仿生髋关节传动系统要求在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体髋关节的投影大小，在冠状面投影的宽度小于60mm。

所述动力单元2-1的内部组成与人体仿生膝关节传动系统的动力单元1-1相同，且也仅电动机2-101位于该人体仿生髋关节传动系统内部，此处不再赘述；不同的是电动机2-101固定在传动单元2-2内部且靠近传动单元顶部设置。

所述传动单元2-2(为了便于看清传动单元的内部组成，将该单元一分为二，分别如图6、7所示)还包括谐波减速器2-209及外壳；外壳为顶部封闭、底部及侧边开敞的壳体结构，包括均呈U型的两侧壁2-205、2-206；谐波减速器位于运动输出单元内部且运动输出单元与谐波减速器的输出端固定连接；传动单元的输出模块、输入模块、动力单元及运动输出单元均位于外壳内部；其中：

传动单元2-2的输出模块包括编码器齿轮2-201、2-202、2-203及编码器2-204；其中，编码器2-204的转轴所在端直接与编码器齿轮2-201连接、另一端固定在外壳侧壁2-205上，该编码器与本发明膝关节传动系统内编码器采用的型号可以相同；编码器齿轮均共平面排布，编码器齿轮2-202位于编码齿轮2-201与2-203之间，编码器齿轮2-202的转动轴位于髋关节外壳侧板2-206上，编码器齿轮2-203通过运动输出单元与谐波减速器输出端(即谐波减速器的柔性齿轮)共轴固定连接，编码器齿轮2-201、2-202、2-203之间通过啮合传动，将谐波减速器的输出运动从谐波减速器输出端传递到编码器，由编码器2-204将该关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器，驱动电动机实现关节传动系统转动速度与转动角度的精确控制。上述编码器齿轮的模数和直径可根据人体仿生髋关节传动系统的整体尺寸要求与该输出模块内各器件选型进行调整：如可以仅有编码器齿轮2-201、2-203，此时两齿轮间的传动方式包括但不限于同步带传动、蜗轮蜗杆传动等。

传动单元的输入模块包括与电动机相连的输入齿轮2-207、2-208，限位块2-210以及限位开关2-211；其中，输入齿轮2-207、2-208共平面排布，输入齿轮2-207与电动机直接相连，输入齿轮2-208与谐波减速器的输入端固接且同轴设置，两输入齿轮以同步带传动方式(带的长度根据所选电动机与谐波减速器的型号及两者的中心间距确定)共平面连接，将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器2-209输入端；限位块2-210为整体呈圆环状的阶梯形结构，限位块通过其表面的三处突起固定于髋关节外壳侧板2-205，但不嵌入侧板之中，限位块2-210的圆心与谐波减速器2-209的中心线共轴设置，限制谐波减速器输出端的转动范围，以不超过人体髋关节的可动范围(该可动范围为前向摆动95度与后向摆动30度为界，覆盖人体起坐、行走的关节转动范围)为准，当关节转动到可动范围边界时，限位块2-210将与运动输出单元发生抵触；限位开关2-211安装在限位块上且位于限位块可能与运动输出单元发生抵触的两个接触面上(由于限位开关为小型元件，仅在图9中标出安装位置)，在抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动，电机反向转动角度，使限位块与运动输出单元脱离抵触即可，进一步保护穿着者的安全。输出齿轮2-207、2-208与谐波减速器2-209的相对位置、各齿轮间的传动方式，可根据人体仿生髋关节传动系统的整体尺寸需要与各器件选型进行调整；输出齿轮间的传动方式除所述同步带传动外还包括但不限于普通啮合传动、蜗轮蜗杆传动等。

所述运动输出单元2-3的结构如图8所示，由两块侧板2-301和2-302、以及底部的卡槽2-303组成，谐波减速器2-209位于两侧板之间，两块侧板边缘均匀设有用于固定谐波减速器输出端(即谐波减速器的柔性齿轮)的通孔；其中侧板2-301的中部设有通孔，在该通孔内侧局部设置的弧形突起与限位块2-210形成限位装置，当关节转动到可动范围边界时，弧形突起将与限位块2-210两端产生抵触，如图9所示；此外，输入齿轮2-208穿过侧板2-301中部通孔与谐波减速器的输入端固接，侧板2-301与输入齿轮2-208同轴设置，但两者可相对转动；侧板2-302通过其中部的突起结构与编码器齿轮2-203同轴固接；底部的卡槽2-303形状与人体仿生膝关节传动系统的卡槽1-302类似，可与其他人体仿生腿部结构件(如大腿杆件)相连。运动输出单元2-3连同与该运动输出单元固接的其他人体仿生腿部结构件(如大腿杆件)，相对于传动单元外壳存在相对转动。所述运动输出机构2-3外形设计可以根据所连接的其他仿生腿部结构件不同有所不同，包括但不限于图中的类圆形形状。

本发明的人体仿生膝关节、髋关节传动系统(以下分别简称为膝关节、髋关节)的工作原理及工作过程说明如下：

动力单元的电动机的运动由电动机控制器控制，该控制器行为可由计算机给出外部信号控制；该控制器控制电动机的转动速速、转动角度；电动机固定在髋关节外壳或膝关节的齿轮基座上。

电动机的高速旋转运动经过多个输入齿轮间的传动可以通过同步带等传动方式传递到谐波减速器的输入端(椭圆齿轮)，经过减速转化为谐波减速器输出端(柔性齿轮)的低速旋转运动，髋关节的运动输出单元或膝关节的固定轴盘(与膝关节的运动输出单元固接)与谐波减速器输出端固接，因而实现髋/膝关节运动输出单元相对于髋关节外壳或膝关节齿轮基座的相对转动。

髋关节外壳以及膝关节的齿轮基座上均固定有编码器，多个编码齿轮，将髋关节或膝关节的转动角度传递到编码器予以记录，记录的转角将用于电动机控制器对关节的反馈控制，以调节转动角度、转动速度等。

本发明的关节、髋关节与其他人体仿生腿部结构件(该腿部结构件不属于本发明范畴，包括大腿/小腿杆件等)共同构成与人体下肢平行并联的仿生外骨骼机构，支撑人体并辅助下肢运动。所述人体下肢仿生外骨骼机构与人体下肢之间可采用如下方式固定(该固定方式不属于本发明内容)：大腿/小腿杆件上安装有C型固定片(该C型固定片为常规部件)，为由具有一定刚度的弹性材料制成的C型圆弧结构，C型圆弧的半径接近人体腿部(大腿或小腿)的截面半径；大腿/小腿杆件和人体下肢通过C型固定片与软质绑带固定在一起，使本发明的髋关节和膝关节与人体的对应关节相邻且紧贴。

通过本发明关节传动系统的转动，使人体下肢仿生外骨骼机构整体具备了类似人体抬起/放下下肢的能力，有助于使用者在该仿生外骨骼机构辅助下实现起立/坐下、平地行走等功能。

根据本发明实施例的仿生人体关节传动系统，能够利用一个转轴(膝关节中该转轴为固定轴盘中的固定轴，髋关节中该转轴为由谐波减速器、编码器齿轮2-203、输入齿轮2-208的中心轴形成)实现人体髋部与膝部外骨骼的随动运动，可以通过槽位与任意形式的其他仿生腿部结构件连接，满足了外骨骼机构所需要的适配性能。本发明传动性能好，运行稳定安全，设计简单，易于实现。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (16)

1.一种人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，包括传动单元(1-2)，以及分别固定于该传动单元顶部、底部的动力单元(1-1)、运动输出单元(1-3)；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部、运动输出单元底部分别设有与其他仿生腿部结构件相接的卡槽；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体膝关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至其他仿生腿部结构件。

2.如权利要求1所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体膝关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。

3.如权利要求2所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述动力单元(1-1)包括电动机、电动机控制器及电源；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速速和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。

4.如权利要求3所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元(1-2)还包括齿轮基座(1-203)、谐波减速器(1-205)以及外壳；其中，齿轮基座具有类h型横截面，动力单元(1-1)固定在齿轮基座顶部，谐波减速器固定于齿轮基座两侧壁底部，且谐波减速器上半部分位于齿轮基座两侧壁之间的空间内，输出模块、输入模块分别与谐波减速器的输入端、输出端相接；齿轮基座与位于最外侧的外壳活动连接，两者之间发生相对转动；所述用于连接其他仿生腿部结构件的卡槽位于齿轮基座顶部。

5.如权利要求4所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的输出模块包括编码器(1-204)以及至少两个编码器齿轮；编码器齿轮均位于齿轮基座(1-203)靠近谐波减速器(1-205)输出端的同一侧且共平面设置，其中一个编码器齿轮(1-201)与谐波减速器的输出端固接且共轴设置，还有一个编码器齿轮(1-202)与编码器的转轴固定连接，编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器输出端的运动传递至编码器，该编码器将关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器。

6.如权利要求5所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的输入模块包括限位块(1-208)、限位开关(1-212)以及至少两个输入齿轮；输入齿轮均位于齿轮基座(1-203)靠近谐波减速器(1-205)输入端的同一侧且共平面设置，其中一个输入齿轮(1-206)固定在齿轮基座顶部且直接与电动机相连，还有一个输出齿轮(1-207)位于齿轮基座侧壁底部且与谐波减速器输入端固接且同轴设置，输入齿轮之间通过传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块与谐波减速器的输出端固接，该限位块与靠近谐波减速器输入端的齿轮基座侧壁位于同一平面内且随谐波减速器的输出端旋转，当限位块与齿轮基座侧壁接触时，限制谐波减速器输出端的转动范围；限位开关(1-212)安装在限位块上，且位于限位块与运动输出单元(1-3)发生抵触的两个接触面上，在抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动。

7.如权利要求6所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的外壳包括两侧板(1-209、1-210)和固定轴盘(1-211)，该固定轴盘包括固定轴和位于该固定轴上的固定盘；两侧板呈类圆形，两侧板底部均设有用于与运动输出单元相连的螺纹孔位；固定轴两端分别与两侧板中部固定连接，固定盘的直径与两侧板相匹配；谐波减速器穿过固定轴且位于固定盘与第二侧板(1-210)之间，编码器齿轮(1-202)穿过固定轴且位于固定盘与第一侧板(1-209)之间，编码器齿轮(1-202)通过固定盘上设置的通孔与谐波减速器输出端形成固接，编码器齿轮(1-202)、谐波减速器输出端均与固定盘固接；输入齿轮(1-207)穿过固定轴后与谐波减速器输入端固接，输入齿轮(1-207)与固定轴盘同轴设置，该输入齿轮与固定轴盘间发生相对旋转。

8.如权利要求4所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述运动输出单元(1-3)连同传动单元外壳相对于齿轮基座(1-203)和与该运动输出单元连接的其他人体仿生腿部结构件存在转动。

9.一种人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，包括传动单元(2-2)，以及均位于该传动单元内部的动力模块(2-1)、运动输出模块(2-3)；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部设有与人体仿生腰部结构件的连接接口，运动输出单元底部设有与其他人体仿生腿部结构件相接的卡槽(2-303)；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接；通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体髋关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至人体其他仿生腿部结构件。

10.如权利要求9所述的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体髋关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。

11.如权利要求10所述的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，所述动力单元(2-1)包括电动机、电动机控制器及电源，该动力单元靠近传动单元(2-2)顶部设置；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速速和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。

12.如权利要求11所述的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，所述传动单元(2-2)还包括谐波减速器(2-209)及外壳；其中，外壳为顶部封闭、底部及侧边开敞的壳体结构，包括均呈U型的两侧壁(2-205、2-206)；谐波减速器位于运动输出单元内部且运动输出单元与谐波减速器的输出端固定连接；传动单元的输出模块、输入模块、动力单元及运动输出单元均位于外壳内部。

13.如权利要求12所述的的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的输出模块包括编码器(2-204)以及至少两个编码器齿轮；编码器的转轴所在端直接与第一编码器齿轮(2-201)连接、另一端固定在外壳第一侧壁(2-205)上；编码器齿轮均共平面排布，其中第二编码器齿轮(2-203)通过运动输出单元与谐波减速器(2-209)输出端共轴固定连接，编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器输出端的运动传递至编码器，该编码器将关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器。

14.如权利要求12所述的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的输入模块包括限位块(2-210)以及至少两个输入齿轮；输入齿轮均共平面排布，其中一个输入齿轮(2-207)直接与电动机相连，还有一个输入齿轮(2-208)与谐波减速器(2-209)输入端固接且同轴设置，输入齿轮之间通过传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块(2-210)为整体呈圆环状的阶梯形结构，限位块与外壳第一侧板(2-205)固定连接，该限位块与谐波减速器同圆心设置。

15.如权利要求14所述的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，所述运动输出单元(2-3)还包括两侧板(2-301、2-302)，谐波减速器(2-209)位于两侧板之间，两侧板边缘均设有用于固定谐波减速器输出端的通孔；其中，第一侧板(2-301)的中部设有通孔，在该通孔内侧局部设置弧形突起，当限位块(2-210)与该弧形突起接触时，限制谐波减速器输出端的转动范围；所述传动单元的输入模块还包括限位开关(2-211)，该限位开关(2-211)安装在限位块(2-210)上且位于限位块与运动输出单元发生抵触的两个接触面上，当抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动。

16.如权利要求14所述的人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，所述运动输出单元(2-3)连同与该运动输出单元固接的其他人体仿生腿部结构件，相对于传动单元外壳存在相对转动。