CN106493716A - 一种外骨骼关节驱动结构 - Google Patents

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孙睿
孙一睿
黄超
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陈鑫
高青龙
徐贤国
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
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Abstract

本发明公开了一种外骨骼关节驱动结构，它包含腿部支架(1)，该腿部支架(1)的顶部设置有与其插接配合的下肢转轴(2)，所述下肢转轴(2)内安装有一根关节轴(3)，该关节轴(3)的一端穿过第一轴承(4)和第一髋部支撑件(5)与阻抗器连接固定，所述的第一轴承(4)安装在第一髋部支撑件(5)内，所述的关节轴(3)的另一端穿过第二轴承(7)和第二髋部支撑件(8)以及柔性钢圈(9)。本发明可以使关节驱动器运动更柔顺，避免转动力矩的突变，能量的吸收和释放能增大驱动器的能效输出比，其阻抗力的测量可以作为关节阻抗控制的一个反馈参数，提高运动控制精度。并且结构简单，加工零件少，功能实现容易。

Description

一种外骨骼关节驱动结构
技术领域
本发明涉及的是一种机械外骨骼结构，具体涉及的是一种外骨骼关节驱动结构。
背景技术
现如今外骨骼机器人是高校实验室和机器人创业公司的热门研究方向，外骨骼的关节结构和关节驱动机构设计尤为重要，下肢各关节是通过韧带连接，各关节在运动过程中不是简单的纯转动，关节机构设计需要具有仿生机理特性。关节驱动器作为外骨骼的动力源机构，需要达到稳定性好、安全性高、能效比大、输出力和速度可控以及防止对穿戴者造成二次伤害等关键技术，现有的关节驱动有直线驱动器推动和旋转盘式电机驱动两种形式，直线驱动器是将电机的旋转运动通过丝杠螺母转换为直线运动，旋转盘式电机驱动是加入谐波减速器直接驱动关节。现有驱动器一般都只考虑关节输出力、输出速度和运动范围，都属于刚性驱动。另一类柔顺驱动器有刚度恒定的弹性驱动器和变刚度驱动器两种形式。弹性驱动器是加入弹性元件，驱动力突变时，弹性元件吸收一部分能量，避免刚性碰撞，从而避免二次伤害等；变刚度驱动器是实现运动过程中驱动器的刚度是变化，可以通过改变刚度缓冲外部冲击和存储部分能量，有力提高驱动器的输出效率，人在行走过程中，其下肢肌肉就具有变刚度特性，电机和减速器输出的旋转运动，通过螺旋轴带动弹簧旋转，转化为弹簧末端沿轴向的直线运动，弹簧末端的滑块因此沿导轨进行上下的直线运动，然后通过钢索，将滑块的直线运动转化为转盘的转动。因为转盘与关节处相连，那么转盘转动将会带动关节转动，从而实现驱动关节的效果，参看图1可看出此驱动器结构复杂，因具有同轴性，需要很高的加工精度，增加了加工成本和误差。选择了线弹簧，增加两根导杆，这种形式增加了驱动器的长度和体积。虽然添加了一根弹簧使驱动器具有柔性，能吸收刚性碰撞时钢索的张力，但对弹簧的选型（弹簧的变形量和关节的行程必须对应）和安装要求高，钢索的刚度要求高，因为关节需要至少50-60N*m的力矩。驱动形式复杂，因此瞬时响应速度很小，难以跟踪人的正常步态。
发明内容
本发明目的是克服现有的外骨骼关节驱动器的都是刚性驱动，输出力不可控，容易对穿戴者造成二次伤害，以及现有的柔顺驱动器具有效果不佳、结构复杂、体积大等缺点，用在外骨骼机器人上都不理想而提供的一种外骨骼关节驱动结构。
为了解决背景技术中所存在的问题，它包含腿部支架1，该腿部支架1的顶部设置有与其插接配合的下肢转轴2，所述下肢转轴2内安装有一根关节轴3，该关节轴3的一端穿过第一轴承4和第一髋部支撑件5与阻抗器连接固定，所述的第一轴承4安装在第一髋部支撑件5内，所述的关节轴3的另一端穿过第二轴承7和第二髋部支撑件8以及柔性钢圈9，所述的第二轴承7安装在第二髋部支撑件8内，所述第二髋部支撑件8的一侧开设有供柔性钢圈9和钢圈套10间隙插入的环形槽，该钢圈套10固定安装在柔性钢圈9的外侧，所述的柔性钢圈9套接固定在关节轴3的端部，该钢圈套10的外侧固定安装有谐波减速器11，所述的谐波减速器11安装在旋转电机12上。
所述的阻抗器包含一个安装在第一髋部支撑件5一侧的卷簧套6，所述的卷簧套6内固定安装有数个可与关节轴3套接固定的卷簧13。
所述的柔性钢圈9整体为一个圆环状结构，其内部设置有一个定位环14，该定位环14与柔性钢圈9之间设置有弹簧片15，该弹簧片15呈螺旋状布置，所述定位环14的内侧环形阵列有数个定位卡头16。
所述关节轴3的外圆面处开设有数个与定位卡头16插接配合的定位卡槽17。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：可以使关节驱动器运动更柔顺，避免转动力矩的突变，能量的吸收和释放能增大驱动器的能效输出比，其阻抗力的测量可以作为关节阻抗控制的一个反馈参数，提高运动控制精度。并且结构简单，加工零件少，功能实现容易。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中柔性钢圈部分的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参看图1，本具体实施方式是采用以下技术方案予以实现，它包含腿部支架1，该腿部支架1的顶部设置有与其插接配合的下肢转轴2，所述下肢转轴2内安装有一根关节轴3，该关节轴3的一端穿过第一轴承4和第一髋部支撑件5与阻抗器连接固定，所述的第一轴承4安装在第一髋部支撑件5内，所述的关节轴3的另一端穿过第二轴承7和第二髋部支撑件8以及柔性钢圈9，所述的第二轴承7安装在第二髋部支撑件8内，所述第二髋部支撑件8的一侧开设有供柔性钢圈9和钢圈套10间隙插入的环形槽，该钢圈套10固定安装在柔性钢圈9的外侧，所述的柔性钢圈9套接固定在关节轴3的端部，该钢圈套10的外侧固定安装有谐波减速器11，所述的谐波减速器11安装在旋转电机12上。
所述的阻抗器包含一个安装在第一髋部支撑件5一侧的卷簧套6，所述的卷簧套6内固定安装有数个可与关节轴3套接固定的卷簧13。
参看图2，所述的柔性钢圈9整体为一个圆环状结构，其内部设置有一个定位环14，该定位环14与柔性钢圈9之间设置有弹簧片15，该弹簧片15呈螺旋状布置，所述定位环14的内侧环形阵列有数个定位卡头16。
所述关节轴3的外圆面处开设有数个与定位卡头16插接配合的定位卡槽17。
下面结合附图对本具体实施方式中技术方案部分的使用方法及其原理作进一步的阐述：
旋转电机12通过谐波减速器11减速，增加输出力矩，然后结合阻抗器的阻抗力或辅助力输出在外骨骼关节轴3上。阻抗器可以通过卷簧13的变形量吸收相应能量，因此阻抗器可以防止驱动器碰撞时刚性输出，下肢离地时关节力矩会突变下降，阻抗器可以防止下肢运动发生抖动，使下肢运动更柔顺。将下肢直立状态设置为阻抗为零，抬腿时阻抗器吸收能量，在收腿时释放能量辅助驱动器收腿，此时可以减少驱动器的力输出，因此整个过程可以提高驱动器的能效输出比。
由于阻抗器是由卷簧13和卷簧套6组成，卷簧13外端与固定的卷簧套6连接，内部与关节轴3套接连接，多个卷簧13的插入可以改变阻抗器的刚度，这样能适用不同体型的穿戴者。关节轴3在运动过程中会使卷簧13发生相对转动，该阻抗结构可以使关节驱动器运动更柔顺，避免转动力矩的突变，能量的吸收和释放能增大驱动器的能效输出比，其阻抗力的测量可以作为关节阻抗控制的一个反馈参数，提高运动控制精度。并且结构简单，加工零件少，功能实现容易。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种外骨骼关节驱动结构，其特征在于它包含腿部支架(1)，该腿部支架(1)的顶部设置有与其插接配合的下肢转轴(2)，所述下肢转轴(2)内安装有一根关节轴(3)，该关节轴(3)的一端穿过第一轴承(4)和第一髋部支撑件(5)与阻抗器连接固定，所述的第一轴承(4)安装在第一髋部支撑件(5)内，所述的关节轴(3)的另一端穿过第二轴承(7)和第二髋部支撑件(8)以及柔性钢圈(9)，所述的第二轴承(7)安装在第二髋部支撑件(8)内，所述第二髋部支撑件(8)的一侧开设有供柔性钢圈(9)和钢圈套(10)间隙插入的环形槽，该钢圈套(10)固定安装在柔性钢圈(9)的外侧，所述的柔性钢圈(9)套接固定在关节轴(3)的端部，该钢圈套(10)的外侧固定安装有谐波减速器(11)，所述的谐波减速器(11)安装在旋转电机(12)上。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼关节驱动结构，其特征在于所述的阻抗器包含一个安装在第一髋部支撑件(5)一侧的卷簧套(6)，所述的卷簧套(6)内固定安装有数个可与关节轴(3)套接固定的卷簧(13)。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼关节驱动结构，其特征在于所述的柔性钢圈(9)整体为一个圆环状结构，其内部设置有一个定位环(14)，该定位环(14)与柔性钢圈(9)之间设置有弹簧片(15)，该弹簧片(15)呈螺旋状布置，所述定位环(14)的内侧环形阵列有数个定位卡头(16)。
4.根据权利要求1所述的一种外骨骼关节驱动结构，其特征在于所述关节轴(3)的外圆面处开设有数个与定位卡头(16)插接配合的定位卡槽(17)。
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