CN106737828B - 用于机器人的钢丝传动变速比转动关节 - Google Patents

Abstract

用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人。本发明包括电机轴系、传动机构、大腿连接件和小腿连接件；电机轴系包括减速电机、轴承、轴承挡板和电机轴承座，减速电机固定在电机轴承座上，轴承挡板将轴承紧固在电机轴承座内；传动机构包括主动轴、从动轴、钢丝绳、凸轮、关节轴、关节轴轴承、钢丝绳固定块、预紧机构、主动轴轴承和从动轴轴承，传动机构上的主动轴与电机轴系上的减速电机的输出轴连接，传动机构上的关节轴的两端通过轴承与大腿连接件连接，小腿连接件的上端与关节轴固接。本发明用于下肢助力外骨骼机器人上。

Description

用于机器人的钢丝传动变速比转动关节

技术领域

本发明涉及一种下肢助力外骨骼机器人，具体涉及用于机器人的钢丝传动变速比转动关节。

背景技术

目前，对于下肢助力外骨骼机器人来讲，膝关节和髋关节的设计是非常重要的一个环节。目前已有的膝关节和髋关节设计大多是以电机直接驱动、液压缸驱动或者曲柄连杆驱动，这些结构运动精度差，在保证大出力的情况下电机或者液压缸的负担大，导致电机或者液压缸的体积大、重量大，且不具有缓冲功能，出力不稳定。而现有的串联弹性驱动，多为与电机减速器输出端直接相连，不仅体积大，效果也不理想。

发明内容

本发明为解决现有外骨骼机器人膝关节出力小、体积大、质量重、精度差、抗冲击效果差等问题，而提出用于机器人的钢丝传动变速比转动关节。

本发明的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，所述转动关节包括电机轴系、传动机构、大腿连接件和小腿连接件；

电机轴系包括减速电机、轴承、轴承挡板和电机轴承座，减速电机固定在电机轴承座上，轴承挡板将轴承紧固在电机轴承座内；

传动机构包括主动轴、从动轴、钢丝绳、凸轮、关节轴、关节轴轴承、钢丝绳固定块、预紧机构、主动轴轴承、从动轴轴承，主动轴与从动轴平行设置在关节轴上，即主动轴和从动轴的轴线均与关节轴垂直设置，主动轴通过主动轴轴承与关节轴连接，从动轴通过从动轴轴承与关节轴连接，凸轮设置在主动轴与从动轴之间，且凸轮通过关节轴轴承安装在关节轴上，凸轮朝向主动轴一侧的侧面上设有主凸轮外缘，凸轮朝向从动轴一侧的侧面上设有副凸轮外缘，主动轴的上方设有主动轴走线槽，主动轴走线槽的下端设有径向通孔，从动轴的上方设有从动轴走线槽，从动轴的轴心设有轴心孔，从动轴走线槽的上端设有上通孔，从动轴走线槽的下端设有下通孔，上通孔和下通孔均与轴心孔相通，钢丝绳固定块固装在凸轮端面的上端，预紧机构固装在凸轮端面的下端，钢丝绳的一端与钢丝绳固定块固连，钢丝绳的另一端沿主凸轮外缘外轮廓表面绕在凸轮上，绕至主动轴位置处再沿主动轴的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔处并从径向通孔穿过再沿主动轴走线槽缠绕1圈后按“8”字形绕到从动轴的从动轴走线槽上，在从动轴走线槽中缠绕2圈后按“8”字形再绕到主动轴的主动轴走线槽上，在主动轴走线槽中缠绕2圈后按“8”字形再绕到从动轴的从动轴走线槽中，在从动轴走线槽中缠绕1圈后经上通孔、轴心孔由下通孔穿出后再沿从副凸轮外缘外轮廓表面绕在凸轮上后与预紧机构固连；

传动机构上的主动轴与电机轴系上的减速电机的输出轴连接，传动机构上的关节轴的两端通过轴承与大腿连接件连接，小腿连接件的上端与关节轴固接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明采用钢丝绳与凸轮实现变减速比传动，在电机功率一定的情况下，在人正常行走时提供高转速、小出力，在人上楼梯或从下蹲到起立的过程中提供低转速、大出力，提高了能量利用率。

二、采用钢丝绳传递动力的方式，相比电机直接驱动膝关节或髋关节的方式，结构更加紧凑，提高了传动效率。

三、采用钢丝绳在主动轴与从动轴走线槽上摩擦实现主动轴到从动轴的动力传递，完成转驱动关节屈伸自由度的闭环运动，体积小，重量轻。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；

图2是传动机构2的立体图；

图3是传动机构2的另一个方向看的立体图；

图4是电机轴系1的立体图；

图5是关节轴2-6的立体图；

图6是预紧机构2-8的立体图；

图7是主动轴2-1和从动轴2-2的上端钢丝绳2-3在主动轴走线槽2-1-1和从动轴走线槽2-2-1中的缠绕示意图；

图8是图7 的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式包括电机轴系1、传动机构2、大腿连接件3和小腿连接件4；

电机轴系1包括减速电机1-1、轴承1-2、轴承挡板1-3和电机轴承座1-4，减速电机1-1固定在电机轴承座1-4上，轴承挡板1-3将轴承1-2紧固在电机轴承座1-4内；

传动机构2包括主动轴2-1、从动轴2-2、钢丝绳2-3、凸轮2-4、关节轴2-6、关节轴轴承2-5、钢丝绳固定块2-7、预紧机构2-8、主动轴轴承2-9、从动轴轴承2-10，主动轴2-1与从动轴2-2平行设置在关节轴2-6上，即主动轴2-1和从动轴2-2的轴线均与关节轴 2-6垂直设置，主动轴2-1通过主动轴轴承2-9与关节轴2-6连接，从动轴2-2通过从动轴轴承2-10与关节轴2-6连接，凸轮2-4设置在主动轴2-1与从动轴2-2之间，且凸轮2-4 通过关节轴轴承2-5安装在关节轴2-6上，凸轮2-4朝向主动轴2-1一侧的侧面上设有主凸轮外缘2-4-1，凸轮2-4朝向从动轴2-2一侧的侧面上设有副凸轮外缘2-4-2，主动轴2-1 的上方设有主动轴走线槽2-1-1，主动轴走线槽2-1-1的下端设有径向通孔2-1-2，从动轴 2-2的上方设有从动轴走线槽2-2-1，从动轴2-2的轴心设有轴心孔2-2-2，从动轴走线槽 2-2-1的上端设有上通孔2-2-3，从动轴走线槽2-2-1的下端设有下通孔2-2-4，上通孔2-2-3 和下通孔2-2-4均与轴心孔2-2-2相通，钢丝绳固定块2-7固装在凸轮2-4端面的上端，预紧机构2-8固装在凸轮2-4端面的下端，钢丝绳2-3的一端与钢丝绳固定块2-7固连，钢丝绳2-3的另一端沿主凸轮外缘2-4-1外轮廓表面绕在凸轮2-4上，绕至主动轴2-1位置处再沿主动轴2-1的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔2-1-2处并从径向通孔2-1-2穿过再沿主动轴走线槽2-1-1缠绕1圈后按“8”字形绕到从动轴2-2的从动轴走线槽2-2-1上，在从动轴走线槽2-2-1中缠绕2圈后按“8”字形再绕到主动轴2-1的主动轴走线槽2-1-1 上，在主动轴走线槽2-1-1中缠绕2圈后按“8”字形再绕到从动轴2-2的从动轴走线槽 2-2-1中，在从动轴走线槽2-2-1中缠绕1圈后经上通孔2-2-3、轴心孔2-2-2由下通孔2-2-4 穿出后再沿从副凸轮外缘2-4-2外轮廓表面绕在凸轮2-4上后与预紧机构2-8固连；主动轴2-1顺时针旋转时，主动轴2-1上的钢丝绳2-3张紧并带动凸轮2-4正向旋转，相当于膝关节的伸展运动；主动轴2-1逆时针旋转时，主动轴走线槽2-1-1上的钢丝绳2-3通过摩擦力带动从动轴2-2顺时针旋转，从动轴2-2上的钢丝绳2-3张紧并带动凸轮2-4反向旋转，相当于膝关节的屈曲运动；

传动机构2上的主动轴2-1与电机轴系1上的减速电机1-1的输出轴连接，传动机构2上的关节轴2-6的两端通过轴承与大腿连接件3连接，小腿连接件4的上端与关节轴2-6 固接。

具体实施方式二：结合图2、图3、图7和图8说明本实施方式，本实施方式的主动轴2-1和从动轴2-2的直径相同。这样设计可以保证主凸轮外缘D2-4-1的轮廓与副凸轮外缘D2-5-1的轮廓做成一样的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式的预紧机构2-8由预紧固定件2-8-1、预紧固定壳体2-8-2和铝套2-8-3，预紧固定壳体2-8-2上设有预紧槽，预紧固定件2-8-1安装在预紧槽内，铝套2-8-3安装在预紧固定件2-8-1内。铝套2-8-3与钢丝绳2-3端部相互固定，预紧固定件2-8-1可以在预紧槽内滑动，通过螺纹连接改变预紧固定件2-8-1的位置，使钢丝绳2-3达到张紧状态。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的为：

驱动关节输出与减速电机1-1末端输出的传动比i是通过以下公式得出的：

设主动轴2-1与从动轴2-2的半径为r，凸轮2-4外轮廓半径为R(θ)，主动轴2-1 的转速为ω₁，凸轮2-4的外轮廓转速为ω₂，

由主动轴2-1与凸轮2-4的外轮廓上钢丝绳2-3的线速度相等得：

rω₁＝R(θ)ω₂

传动比i：

驱动关节指本发明的转动关节。

由于人在正常行走以及负重时，凸轮的转角大约在0°～45°，此时对外骨骼膝关节的出力没有要求，但是需要高速；人在上楼梯或从下蹲到起立的过程中，凸轮的转角接近135°，角度越大，对出力的要求越大，而不需要高速，由于减速电机1-1最大输出转矩恒定，普通的传动机构无法满足此要求。此凸轮的外轮廓半径随着转角的增大而增大，传动比随之增大，因此能够在小转角时提供高转速、小出力，在大转角时提供低转速、大出力。利用钢丝绳2-3及凸轮进行合理的动力分配，实现减速电机1-1驱动大腿与小腿的相对转动，即实现膝关节屈伸自由度的运动，提高了能量利用率与传动效率。

其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的传动比i变化范围为3～10。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的传动比i变化范围为6。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式的关节轴2-6包括磁铁压板 2-6-1、凸轮磁铁2-6-2、凸轮磁铁固定盖2-6-3、编码器盘2-6-4、中心轴2-6-5和关节轴盖2-6-6，中心轴2-6-5的上端设有两个轴承安装孔2-6-5-1，两个轴承安装孔2-6-5-1分别用于安装主动轴轴承2-9和从动轴轴承2-10，编码器盘2-6-4和关节轴盖2-6-6分别设置在中心轴2-6-5的两端，且编码器盘2-6-4和关节轴盖2-6-6均套装在中心轴2-6-5上，编码器盘2-6-4的外侧端面由里至外依次设置有凸轮磁铁2-6-2、磁铁压板2-6-1和凸轮磁铁固定盖2-6-3。磁铁压板2-6-1将凸轮磁铁2-6-2压紧在凸轮磁铁固定盖2-6-3内，磁铁压板2-6-1、凸轮磁铁2-6-2和凸轮磁铁固定盖2-6-3随小腿连接件4前后摆动(即抬腿和放腿)，编码器盘2-6-4在中心轴2-6-5上随大腿连接件3前后摆动(即抬腿和放腿)。其它组成及连接关系与具体实施方式四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图2、图3和图5说明本实施方式，本实施方式的关节轴轴承2-5采用深沟球轴承。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图5说明本实施方式，本实施方式的主动轴轴承2-9和从动轴轴承2-10均采用深沟球轴承。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图2、图3和图7说明本实施方式，本实施方式的主动轴走线槽2-1-1和从动轴走线槽2-2-1均为螺旋槽。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

本发明的具体原理及运转过程：

膝关节伸展时，减速电机1-1带动主动轴2-1顺时针转动，主动轴2-1上的钢丝绳2-3 张紧，主动轴2-1上主凸轮外缘2-4-1一侧的钢丝绳2-3从凸轮2-4外轮廓逐渐绕到主动轴2-1上，同时，主动轴走线槽2-1-1上的钢丝绳2-3通过摩擦力带动从动轴2-2逆时针旋转，从动轴2-2一侧的钢丝绳2-3从从动轴2-2逐渐绕到副凸轮外缘2-4-2上，形成闭环；

膝关节屈曲时，减速电机1-1带动主动轴2-1逆时针转动，主动轴走线槽2-1-1上的钢丝绳2-3通过摩擦力带动从动轴顺时针旋转，从动轴2-2上的钢丝绳2-3张紧，从动轴 2-2一侧的钢丝绳2-3从凸轮2-4外轮廓逐渐绕到从动轴2-2上，同时，主动轴2-1一侧的钢丝绳从主动轴2-1逐渐绕到凸轮2-4外轮廓上，形成闭环。

Claims (10)

1.一种用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述转动关节包括电机轴系(1)、传动机构(2)、大腿连接件(3)和小腿连接件(4)；

电机轴系(1)包括减速电机(1-1)、轴承(1-2)、轴承挡板(1-3)和电机轴承座(1-4)，减速电机(1-1)固定在电机轴承座(1-4)上，轴承挡板(1-3)将轴承(1-2)紧固在电机轴承座(1-4)内；

传动机构(2)包括主动轴(2-1)、从动轴(2-2)、钢丝绳(2-3)、凸轮(2-4)、关节轴(2-6)、关节轴轴承(2-5)、钢丝绳固定块(2-7)、预紧机构(2-8)、主动轴轴承(2-9)、从动轴轴承(2-10)，主动轴(2-1)与从动轴(2-2)平行设置在关节轴(2-6)上，即主动轴(2-1)和从动轴(2-2)的轴线均与关节轴(2-6)垂直设置，主动轴(2-1)通过主动轴轴承(2-9)与关节轴(2-6)连接，从动轴(2-2)通过从动轴轴承(2-10)与关节轴(2-6)连接，凸轮(2-4)设置在主动轴(2-1)与从动轴(2-2)之间，且凸轮(2-4)通过关节轴轴承(2-5)安装在关节轴(2-6)上，凸轮(2-4)朝向主动轴(2-1)一侧的侧面上设有主凸轮外缘(2-4-1)，凸轮(2-4)朝向从动轴(2-2)一侧的侧面上设有副凸轮外缘(2-4-2)，主动轴(2-1)的上方设有主动轴走线槽(2-1-1)，主动轴走线槽(2-1-1)的下端设有径向通孔(2-1-2)，从动轴(2-2)的上方设有从动轴走线槽(2-2-1)，从动轴(2-2)的轴心设有轴心孔(2-2-2)，从动轴走线槽(2-2-1)的上端设有上通孔(2-2-3)，从动轴走线槽(2-2-1)的下端设有下通孔(2-2-4)，上通孔(2-2-3)和下通孔(2-2-4)均与轴心孔(2-2-2 )相通，钢丝绳固定块(2-7)固装在凸轮(2-4)端面的上端，预紧机构(2-8)固装在凸轮(2-4)端面的下端，钢丝绳(2-3)的一端与钢丝绳固定块(2-7)固连，钢丝绳(2-3)的另一端沿主凸轮外缘(2-4-1)外轮廓表面绕在凸轮(2-4)上，绕至主动轴(2-1)位置处再沿主动轴(2-1)的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔(2-1-2)处并从径向通孔(2-1-2)穿过再沿主动轴走线槽(2-1-1)缠绕1圈后按“8”字形绕到从动轴(2-2)的从动轴走线槽(2-2-1)上，在从动轴走线槽(2-2-1)中缠绕2圈后按“8”字形再绕到主动轴(2-1)的主动轴走线槽(2-1-1)上，在主动轴走线槽(2-1-1)中缠绕2圈后按“8”字形再绕到从动轴(2-2)的从动轴走线槽(2-2-1)中，在从动轴走线槽(2-2-1)中缠绕1圈后经上通孔(2-2-3)、轴心孔(2-2-2 )由下通孔(2-2-4)穿出后再沿从副凸轮外缘(2-4-2)外轮廓表面绕在凸轮(2-4)上后与预紧机构(2-8)固连；

传动机构(2)上的主动轴(2-1)与电机轴系(1)上的减速电机(1-1)的输出轴连接，传动机构(2)上的关节轴(2-6)的两端通过轴承与大腿连接件(3)连接，小腿连接件(4)的上端与关节轴(2-6)固接。

2.根据权利要求1所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述主动轴(2-1)和从动轴(2-2)的直径相同。

3.根据权利要求1或2所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述预紧机构(2-8)由预紧固定件(2-8-1)、预紧固定壳体(2-8-2)和铝套(2-8-3)，预紧固定壳体(2-8-2)上设有预紧槽，预紧固定件(2-8-1)安装在预紧槽内，铝套(2-8-3)安装在预紧固定件(2-8-1)内。

4.根据权利要求3所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：

驱动关节输出与减速电机(1-1)末端输出的传动比i是通过以下公式得出的：

设主动轴(2-1)与从动轴(2-2)的半径为r，凸轮(2-4)外轮廓半径为R(θ)，主动轴(2-1)的转速为ω₁，凸轮(2-4)的外轮廓转速为ω₂，

由主动轴(2-1)与凸轮(2-4)的外轮廓上钢丝绳(2-3)的线速度相等得：

rω₁＝R(θ)ω₂

传动比i：。

5.根据权利要求4所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：传动比i的变化范围为3～10。

6.根据权利要求5所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：传动比i的变化范围为6。

7.根据权利要求4、5或6所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述关节轴(2-6)包括磁铁压板(2-6-1)、凸轮磁铁(2-6-2)、凸轮磁铁固定盖(2-6-3)、编码器盘(2-6-4)、中心轴(2-6-5)和关节轴盖(2-6-6)，中心轴(2-6-5)的上端设有两个轴承安装孔(2-6-5-1)，编码器盘(2-6-4)和关节轴盖(2-6-6)分别设置在中心轴(2-6-5)的两端，且编码器盘(2-6-4)和关节轴盖(2-6-6)均套装在中心轴(2-6-5)上，编码器盘(2-6-4)的外侧端面由里至外依次设置有凸轮磁铁(2-6-2)、磁铁压板(2-6-1)和凸轮磁铁固定盖(2-6-3)。

8.根据权利要求7所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述关节轴轴承(2-5)采用深沟球轴承。

9.根据权利要求8所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述主动轴轴承(2-9)和从动轴轴承(2-10)均采用深沟球轴承。

10.根据权利要求9所述的用于机器人的钢丝传动变速比转动关节，其特征在于：所述主动轴走线槽(2-1-1)和从动轴走线槽(2-2-1)均为螺旋槽。