CN106826761B - 一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人。本发明的背部与腰部上下设置，腰部上的腰部捆绑连接件与背部上的背部支撑件连接，髋关节轴的上端与腰部上的腰髋连接件铰接，髋关节轴的下端设置在髋关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与髋关节轴连接，髋关节上的电机轴承座固装在大腿上，膝关节上的电机轴承座固装在大腿上，小腿连接件的上端设置在膝关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与小腿连接件连接，小腿连接件的下端与小腿连接，小腿的下端通过踝关节与脚部铰接。本发明用于军用负重。

Description

一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及一种下肢助力外骨骼机器人，具体涉及一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人。
背景技术
目前，对于下肢助力外骨骼机器人来讲，膝关节和髋关节是至关重要的设计环节，而且这两个关节对机器人助力效果影响最大。现有的外骨骼机器人在膝关节和髋关节设计上都采用主动驱动，采用电机直接驱动，对电机出力和速度要求高，导致电机体积重量做的很大；采用液压缸驱动，整体体积大，还需要考虑液压泵站，油源泄露，环境污染，效率低下，而且运动范围受限制；还有的外骨骼只在膝关节采用主动驱动，采用电机直接驱动或者液压缸驱动，髋关节完全采用被动驱动，由穿戴者直接带动控制，这种设计方式，对膝关节的要求特别高，导致膝关节电机或者液压缸的尺寸、重量进一步加大，增加外骨骼整体重量，髋关节没有任何助力装置，完全由人体带动，会消耗人体很多体能，限制人体的正常运动范围。
发明内容
本发明为解决现有下肢助力外骨骼机器人体积大、质量大、膝关节及髋关节传动效率低，且钢丝传动不可以双向传动的问题，而提出一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人。
本发明的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，所述机器人包括背部、腰部、两个髋关节、两个膝关节、两个髋关节轴、两个大腿、两个小腿连接件、两个小腿、两个踝关节和两个脚部；
每个膝关节包括电机轴系和传动机构；
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、主动轴凸轮、从动轴凸轮、关节轴、主动轴凸轮钢丝绳固定块、从动轴凸轮钢丝绳固定块、主动轴轴承和从动轴轴承，主动轴与从动轴平行设置在关节轴上，且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，主动轴和从动轴的轴线均与关节轴的轴线垂直设置，从动轴凸轮设置在主动轴与从动轴之间，且从动轴凸轮通过轴承安装在关节轴上，主动轴凸轮设置在主动轴的外侧，且主动轴凸轮通过轴承安装在关节轴上，主动轴凸轮朝向主动轴一侧的侧面上设有主凸轮外缘，从动轴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，主动轴凸轮钢丝绳固定块固装在主动轴凸轮的上端，从动轴凸轮钢丝绳固定块固装在从动轴凸轮的下端，钢丝绳的一端与主动轴凸轮钢丝绳固定块固连，钢丝绳的另一端沿主凸轮外缘表面绕在主动轴凸轮上，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2～4圈后再绕到从动轴的从动轴走线槽上，在从动轴走线槽中缠绕2～4圈后经上通孔、轴心孔由下通孔穿出后再沿从动轴凸轮的副凸轮外缘表面绕在从动轴凸轮上后与从动轴凸轮钢丝绳固定块固连；
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；
膝关节和髋关节的结构相同，且膝关节与髋关节设置位置相反，即髋关节上的传动机构朝上设置，膝关节上的传动机构朝下设置；
背部与腰部上下设置，且腰部上的腰部捆绑连接件与背部上的背部支撑件连接，腰部上的两个腰髋连接件、两个髋关节轴和两个髋关节一一对应，髋关节轴的上端与腰部上的腰髋连接件铰接，髋关节轴的下端设置在髋关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与髋关节轴连接，两个大腿与两个髋关节一一对应，髋关节上的电机轴承座固装在大腿上，两个膝关节与两个大腿一一对应，膝关节上的电机轴承座固装在大腿上，两个小腿连接件、两个小腿和两个膝关节一一对应，小腿连接件的上端设置在膝关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与小腿连接件连接，小腿连接件的下端与小腿连接，两个踝关节、两个脚部和两个小腿一一对应，小腿的下端通过踝关节与脚部铰接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的膝关节采用钢丝绳与凸轮机构实现变减速比传动，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。满足穿戴者在负重的情况下可以完成正常活动的目的，有效地起到助力并不影响运动的效果。本发明采用钢丝绳传递动力的方式，相比电机直接驱动膝关节的方式，结构更加紧凑，提高了传动效率。钢丝传动机构相比其他传动机构体积更小、机构更加简单紧凑、质量更轻、效率更高。本发明采用钢丝绳在主动轴与从动轴的走线槽上通过摩擦实现主动轴到从动轴的动力传递，完成膝关节屈伸自由度的闭环运动，解决了钢丝传动不可以双向传动的问题，且本发明的整体结构体积小，重量轻。
二、本发明的髋关节同样采用钢丝绳传动，完全根据人体正常行走、上下楼梯、蹲起、小跑时的髋关节转速和扭矩设计，满足拟人化设计，使人体穿戴外骨骼后在满足助力的情况下，不影响穿戴者其他的正常运动。
三、本发明的整体设计按照拟人化的设计原则，符合人体运动要求和活动范围，在人不同的运动状况下提供相应的出力以及速度，符合人体运动要求；采用模块化设计，提高了产品的可靠性与设计效率；质量轻，整体拆卸后可以装进20寸的行李箱内，携带方便；在大腿、小腿、腰部都设计了伸缩调节机构，尺寸调节方便，可以适应不同身材的穿戴人群，穿戴舒适、快捷。
四、本发明的整体重量包括电气系统不超过15kg，最大负重70kg，实现轻型化大负载的要求。
五、本发明用于军事领域和工业领域的背负大负载行进和工作，主要用于军用负重。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明的整体结构立体图；
图4是髋关节C或膝关节D的立体图；
图5是传动机构D2的立体图；
图6是传动机构D2的另一个方向看的立体图；
图7是电机轴系D1的立体图；
图8是关节轴D2-6的立体图；
图9是主动轴D2-1和从动轴D2-2的上端钢丝绳D2-3在主动轴走线槽D2-1-1和从动轴走线槽D2-2-1中的缠绕示意图；
图10是图9的俯视。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式包括背部A、腰部B、两个髋关节C、两个膝关节D、两个髋关节轴I、两个大腿E、两个小腿连接件J、两个小腿F、两个踝关节G和两个脚部H；
每个膝关节D包括电机轴系D1和传动机构D2；
电机轴系D1包括减速电机D1-1、轴承D1-2、轴承挡板D1-3和电机轴承座D1-4，减速电机D1-1固定在电机轴承座D1-4上，轴承挡板D1-3将轴承D1-2紧固在电机轴承座D1-4内；
传动机构D2包括主动轴D2-1、从动轴D2-2、钢丝绳D2-3、主动轴凸轮D2-4、从动轴凸轮D2-5、关节轴D2-6、主动轴凸轮钢丝绳固定块D2-7、从动轴凸轮钢丝绳固定块D2-8、主动轴轴承D2-9和从动轴轴承D2-10，主动轴D2-1与从动轴D2-2平行设置在关节轴D2-6上，且主动轴D2-1通过主动轴轴承D2-9与关节轴D2-6连接，从动轴D2-2通过从动轴轴承D2-10与关节轴D2-6连接，主动轴D2-1和从动轴D2-2的轴线均与关节轴D2-6的轴线垂直设置，从动轴凸轮D2-5设置在主动轴D2-1与从动轴D2-2之间，且从动轴凸轮D2-5通过轴承安装在关节轴D2-6上，主动轴凸轮D2-4设置在主动轴D2-1的外侧，且主动轴凸轮D2-4通过轴承安装在关节轴D2-6上，主动轴凸轮D2-4朝向主动轴D2-1一侧的侧面上设有主凸轮外缘D 2-4-1，从动轴凸轮D2-5朝向从动轴D2-2一侧的侧面上设有副凸轮外缘D2-5-1，主动轴D2-1的上方设有主动轴走线槽D2-1-1，主动轴走线槽D2-1-1的下端设有径向通孔D2-1-2，从动轴D2-2的上方设有从动轴走线槽D2-2-1，从动轴D2-2的轴心设有轴心孔D2-2-2，从动轴走线槽D2-2-1的上端设有上通孔D2-2-3，从动轴走线槽D2-2-1的下端设有下通孔D2-2-4，上通孔D2-2-3和下通孔D2-2-4均与轴心孔D2-2-2相通，主动轴凸轮钢丝绳固定块D2-7固装在主动轴凸轮D2-4的上端，从动轴凸轮钢丝绳固定块D2-8固装在从动轴凸轮D2-5的下端，钢丝绳D2-3的一端与主动轴凸轮钢丝绳固定块D2-7固连，钢丝绳D2-3的另一端沿主凸轮外缘D2-4-1表面绕在主动轴凸轮D2-4上，绕至主动轴D2-1位置处再沿主动轴D2-1的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔D2-1-2处并从径向通孔D2-1-2穿过再沿主动轴走线槽D2-1-1缠绕2～4圈后再绕到从动轴D2-2的从动轴走线槽D2-2-1上，在从动轴走线槽D2-2-1中缠绕2～4圈后经上通孔D2-2-3、轴心孔D2-2-2由下通孔D2-2-4穿出后再沿从动轴凸轮D2-5的副凸轮外缘D2-5-1表面绕在从动轴凸轮D2-5上后与从动轴凸轮钢丝绳固定块D2-8固连；
传动机构D2上的主动轴D2-1与电机轴系D1上的减速电机D1-1的输出轴连接；
膝关节D和髋关节C的结构相同，且膝关节D与髋关节C设置位置相反，即髋关节C上的传动机构D2朝上设置，膝关节D上的传动机构D2朝下设置；
背部A与腰部B上下设置，且腰部B上的腰部捆绑连接件B1与背部A上的背部支撑件A1通过连接元件连接，腰部B上的两个腰髋连接件B2、两个髋关节轴I和两个髋关节C一一对应，髋关节轴I的上端与腰部B上的腰髋连接件B4铰接，髋关节轴I的下端设置在髋关节C上的主动轴凸轮D2-4与从动轴凸轮D2-5之间，且通过连接元件将主动轴凸轮D2-4和从动轴凸轮D2-5与髋关节轴I连接，两个大腿E与两个髋关节C一一对应，髋关节C上的电机轴承座D1-4通过连接元件固装在大腿E上，两个膝关节D与两个大腿E一一对应，膝关节D上的电机轴承座D1-4通过连接元件固装在大腿E上，两个小腿连接件J、两个小腿F和两个膝关节D一一对应，小腿连接件J的上端设置在膝关节D上的主动轴凸轮D2-4与从动轴凸轮D2-5之间，且通过连接元件将主动轴凸轮D2-4和从动轴凸轮D2-5与小腿连接件J连接，小腿连接件J的下端与小腿F通过连接元件连接，两个踝关节G、两个脚部H和两个小腿F一一对应，小腿F的下端通过踝关节G与脚部H铰接。
背部A、腰部B、踝关节G和脚部H均为现有技术。
主动轴凸轮D2-4和从动轴凸轮D2-5相对固定，主动轴D2-1逆时针旋转时，主动轴D2-1上的钢丝绳D2-3张紧，带动主动轴凸轮D2-4和从动轴凸轮D2-5正向旋转，相当于膝关节D的伸展运动；主动轴D2-1顺时针旋转时，主动轴走线槽D2-1-1上的钢丝绳D2-3通过摩擦力带动从动轴D2-2顺时针旋转，从动轴D2-2上的钢丝绳D2-3张紧，带动主动轴凸轮D2-4和从动轴凸轮D2-5反向旋转，相当于膝关节D的屈曲运动。
髋关节C的屈伸自由度的原理与膝关节D相同，利用钢丝绳D2-3和凸轮传动实现髋关节C的屈伸运动。髋关节C上的关节轴D2-6与凸轮固定在一起，髋关节C上的关节轴D2-6与腰髋连接件B2之间配合角接触球轴承，实现髋关节C内收/外展自由度的运动。
具体实施方式二：结合图5和图9说明本实施方式，本实施方式的主动轴D2-1和从动轴D2-2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5和图6说明本实施方式，本实施方式的主动轴凸轮D2-4和从动轴凸轮D2-5的结构形状相同。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5和图6说明本实施方式，本实施方式为：
驱动关节输出与减速电机D1-1末端输出的传动比i是通过以下公式得出的：
设主动轴D2-1与从动轴D2-2的半径为r，从动轴凸轮D2-5外轮廓半径为R(θ)，主动轴D2-1的转速为ω1，从动轴凸轮(D2-5)的外轮廓转速为ω2，
由主动轴D2-1与从动轴凸轮D2-5的外轮廓上钢丝绳D2-3的线速度相等得：
rω1＝R(θ)ω2
传动比i：
驱动关节指膝关节D或髋关节C。
膝关节D的驱动凸轮传动比i变化范围为3～10，根据膝关节D不同转动角度，减速不同，满足负重情况下和正常运动情况下的出力及速度要求。膝关节D屈伸自由度的运动范围为：0°～135°。
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D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D1-1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D2-3及凸轮进行合理的动力分配，实现减速电机D1-1驱动大腿与小腿的相对转动，即实现膝关节D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5和图6说明本实施方式，本实施方式的传动比i的变化范围为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5和图6说明本实施方式，本实施方式的传动比i的变化范围为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8说明本实施方式，本实施方式的关节轴(D2-6)包括磁铁压板D2-6-1、凸轮磁铁D2-6-2、凸轮磁铁固定盖D2-6-3、编码器盘D2-6-4、中心轴D2-6-5、主动轴凸轮轴承D2-6-6、从动轴凸轮轴承D2-6-7和关节轴盖D2-6-8，中心轴D2-6-5的上端设有两个轴承安装孔D2-6-5-1，两个轴承安装孔D2-6-5-1分别用于安装主动轴轴承D2-9和从动轴轴承D2-10，从动轴凸轮轴承D2-6-7设置在两个轴承安装孔D2-6-5-1之间，且从动轴凸轮轴承D2-6-7套装在中心轴D2-6-5上，两个轴承安装孔D2-6-5-1的外侧分别设置有主动轴凸轮轴承D2-6-6和编码器盘D2-6-4，且主动轴凸轮轴承D2-6-6和编码器盘D2-6-4均套装在中心轴D2-6-5上，主动轴凸轮轴承D2-6-6的外侧端面固装有关节轴盖D2-6-8，编码器盘D2-6-4的外侧端面由里至外依次设置有凸轮磁铁D2-6-2、磁铁压板D2-6-1和凸轮磁铁固定盖D2-6-3，凸轮磁铁固定盖D2-6-3与从动轴凸轮D2-5通过连接元件连接。磁铁压板D2-6-1将凸轮磁铁D2-6-2压紧在凸轮磁铁固定盖D2-6-3内，磁铁压板D2-6-1、凸轮磁铁D2-6-2和凸轮磁铁固定盖D2-6-3随小腿F前后摆动(即抬腿和放腿)，编码器盘D2-6-4在中心轴D2-6-5上随大腿E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8说明本实施方式，本实施方式的主动轴凸轮轴承D2-6-6和从动轴凸轮轴承D2-6-7均采用深沟球轴承。其它组成及连接关系与具体实施方式四或七相同。
具体实施方式九：结合图8说明本实施方式，本实施方式的主动轴轴承D2-9和从动轴轴承D2-10均采用深沟球轴承。其它组成及连接关系与具体实施方式四、五或八相同。
具体实施方式十：结合图5、图6和图9说明本实施方式，本实施方式的主动轴走线槽D2-1-1和从动轴走线槽D2-2-1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D伸展时，减速电机D1-1带动主动轴D2-1顺时针转动，主动轴D2-1上的钢丝绳D2-3张紧，主动轴D2-1一侧的钢丝绳D2-3从主动轴凸轮D2-4外轮廓逐渐绕到主动轴D2-1上，同时，主动轴走线槽D2-1-1上的钢丝绳D2-3通过摩擦力带动从动轴D2-2逆时针旋转，从动轴D2-2一侧的钢丝绳D2-3从从动轴D2-2逐渐绕到从动轴凸轮D2-5外轮廓上，形成闭环，由于主动轴凸轮D2-4与从动轴凸轮D2-5都与小腿连接件J固定在一起，小腿将伸展开；
膝关节D屈曲时，减速电机D1-1带动主动轴D2-1逆时针转动，主动轴走线槽D2-1-1上的钢丝绳D2-3通过摩擦力带动从动轴D2-2顺时针旋转，从动轴D2-2上的钢丝绳D2-3张紧，从动轴D2-2一侧的钢丝绳D2-3从从动轴凸轮D2-5外轮廓逐渐绕到从动轴D2-2上，同时，主动轴D2-1一侧的钢丝绳D2-3从主动轴D2-1逐渐绕到主动轴凸轮D2-4外轮廓上，形成闭环，小腿F将随着主动轴凸轮D2-4及从动轴凸轮D2-5缩回。
髋关节C与膝关节D相同，根据采集人体大量的运动数据，包括关节转速及关节出力来设计髋关节C驱动凸轮的轮廓，凸轮轮廓的变化实现了传动比的变化范围为3～8。根据髋关节C关节不同转动角度，减速不同，满足负重情况下和正常运动情况下的出力及速度要求。髋关节C屈伸自由度运动范围为：-30°～150°。
由于人在上楼梯或弯腰过程中髋关节C在各转角具有不同的受力以及运动状况，采用钢丝绳D2-3及凸轮机构实现变减速比传动，在电机功率一定的情况下，外骨骼髋关节C可以在不同角度提供不同大小的出力以及速度。

Claims (10)

1.一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述机器人包括背部(A)、腰部(B)、两个髋关节(C)、两个膝关节(D)、两个髋关节轴(I)、两个大腿(E)、两个小腿连接件(J)、两个小腿(F)、两个踝关节(G)和两个脚部(H)；
每个膝关节(D)包括电机轴系(D1)和传动机构(D2)；
电机轴系(D1)包括减速电机(D1-1)、轴承(D1-2)、轴承挡板(D1-3)和电机轴承座(D1-4)，减速电机(D1-1)固定在电机轴承座(D1-4)上，轴承挡板(D1-3)将轴承(D1-2)紧固在电机轴承座(D1-4)内；
传动机构(D2)包括主动轴(D2-1)、从动轴(D2-2)、钢丝绳(D2-3)、主动轴凸轮(D2-4)、从动轴凸轮(D2-5)、关节轴(D2-6)、主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-7)、从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-8)、主动轴轴承(D2-9)和从动轴轴承(D2-10)，主动轴(D2-1)与从动轴(D2-2)平行设置在关节轴(D2-6)上，且主动轴(D2-1)通过主动轴轴承(D2-9)与关节轴(D2-6)连接，从动轴(D2-2)通过从动轴轴承(D2-10)与关节轴(D2-6)连接，主动轴(D2-1)和从动轴(D2-2)的轴线均与关节轴(D2-6)的轴线垂直设置，从动轴凸轮(D2-5)设置在主动轴(D2-1)与从动轴(D2-2)之间，且从动轴凸轮(D2-5)通过轴承安装在关节轴(D2-6)上，主动轴凸轮(D2-4)设置在主动轴(D2-1)的外侧，且主动轴凸轮(D2-4)通过轴承安装在关节轴(D2-6)上，主动轴凸轮(D2-4)朝向主动轴(D2-1)一侧的侧面上设有主凸轮外缘(D 2-4-1)，从动轴凸轮(D2-5)朝向从动轴(D2-2)一侧的侧面上设有副凸轮外缘(D2-5-1)，主动轴(D2-1)的上方设有主动轴走线槽(D2-1-1)，主动轴走线槽(D2-1-1)的下端设有径向通孔(D2-1-2)，从动轴(D2-2)的上方设有从动轴走线槽(D2-2-1)，从动轴(D2-2)的轴心设有轴心孔(D2-2-2)，从动轴走线槽(D2-2-1)的上端设有上通孔(D2-2-3)，从动轴走线槽(D2-2-1)的下端设有下通孔(D2-2-4)，上通孔(D2-2-3)和下通孔(D2-2-4)均与轴心孔(D2-2-2)相通，主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-7)固装在主动轴凸轮(D2-4)的上端，从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-8)固装在从动轴凸轮(D2-5)的下端，钢丝绳(D2-3)的一端与主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-7)固连，钢丝绳(D2-3)的另一端沿主凸轮外缘(D 2-4-1)表面绕在主动轴凸轮(D2-4)上，绕至主动轴(D2-1)位置处再沿主动轴(D2-1)的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔(D2-1-2)处并从径向通孔(D2-1-2)穿过再沿主动轴走线槽(D2-1-1)缠绕2～4圈后再绕到从动轴(D2-2)的从动轴走线槽(D2-2-1)上，在从动轴走线槽(D2-2-1)中缠绕2～4圈后经上通孔(D2-2-3)、轴心孔(D2-2-2)由下通孔(D2-2-4)穿出后再沿从动轴凸轮(D2-5)的副凸轮外缘(D2-5-1)表面绕在从动轴凸轮(D2-5)上后与从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-8)固连；
传动机构(D2)上的主动轴(D2-1)与电机轴系(D1)上的减速电机(D1-1)的输出轴连接；
膝关节(D)和髋关节(C)的结构相同，且膝关节(D)与髋关节(C)设置位置相反，即髋关节(C)上的传动机构(D2)朝上设置，膝关节(D)上的传动机构(D2)朝下设置；
背部(A)与腰部(B)上下设置，且腰部(B)上的腰部捆绑连接件(B1)与背部(A)上的背部支撑件(A1)连接，腰部(B)上的两个腰髋连接件(B2)、两个髋关节轴(I)和两个髋关节(C)一一对应，髋关节轴(I)的上端与腰部(B)上的腰髋连接件(B4)铰接，髋关节轴(I)的下端设置在髋关节(C)上的主动轴凸轮(D2-4)与从动轴凸轮(D2-5)之间，且通过连接元件将主动轴凸轮(D2-4)和从动轴凸轮(D2-5)与髋关节轴(I)连接，两个大腿(E)与两个髋关节(C)一一对应，髋关节(C)上的电机轴承座(D1-4)固装在大腿(E)上，两个膝关节(D)与两个大腿(E)一一对应，膝关节(D)上的电机轴承座(D1-4)固装在大腿(E)上，两个小腿连接件(J)、两个小腿(F)和两个膝关节(D)一一对应，小腿连接件(J)的上端设置在膝关节(D)上的主动轴凸轮(D2-4)与从动轴凸轮(D2-5)之间，且通过连接元件将主动轴凸轮(D2-4)和从动轴凸轮(D2-5)与小腿连接件(J)连接，小腿连接件(J)的下端与小腿(F)连接，两个踝关节(G)、两个脚部(H)和两个小腿(F)一一对应，小腿(F)的下端通过踝关节(G)与脚部(H)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述主动轴(D2-1)和从动轴(D2-2)的直径相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述主动轴凸轮(D2-4)和从动轴凸轮(D2-5)的结构形状相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：
驱动关节输出与减速电机(D1-1)末端输出的传动比i是通过以下公式得出的：
设主动轴(D2-1)与从动轴(D2-2)的半径为r，从动轴凸轮(D2-5)外轮廓半径为R(θ)，主动轴(D2-1)的转速为ω1，从动轴凸轮(D2-5)的外轮廓转速为ω2，
由主动轴(D2-1)与从动轴凸轮(D2-5)的外轮廓上钢丝绳(D2-3)的线速度相等得：
rω1＝R(θ)ω2
传动比i：
5.根据权利要求4所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，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所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，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所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述关节轴(D2-6)包括磁铁压板(D2-6-1)、凸轮磁铁(D2-6-2)、凸轮磁铁固定盖(D2-6-3)、编码器盘(D2-6-4)、中心轴(D2-6-5)、主动轴凸轮轴承(D2-6-6)、从动轴凸轮轴承(D2-6-7)和关节轴盖(D2-6-8)，中心轴(D2-6-5)的上端设有两个轴承安装孔(D2-6-5-1)，从动轴凸轮轴承(D2-6-7)设置在两个轴承安装孔(D2-6-5-1)之间，且从动轴凸轮轴承(D2-6-7)套装在中心轴(D2-6-5)上，两个轴承安装孔(D2-6-5-1)的外侧分别设置有主动轴凸轮轴承(D2-6-6)和编码器盘(D2-6-4)，且主动轴凸轮轴承(D2-6-6)和编码器盘(D2-6-4)均套装在中心轴(D2-6-5)上，主动轴凸轮轴承(D2-6-6)的外侧端面固装有关节轴盖(D2-6-8)，编码器盘(D2-6-4)的外侧端面由里至外依次设置有凸轮磁铁(D2-6-2)、磁铁压板(D2-6-1)和凸轮磁铁固定盖(D2-6-3)，凸轮磁铁固定盖(D2-6-3)与从动轴凸轮(D2-5)连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述主动轴凸轮轴承(D2-6-6)和从动轴凸轮轴承(D2-6-7)均采用深沟球轴承。
9.根据权利要求8所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述主动轴轴承(D2-9)和从动轴轴承(D2-10)均采用深沟球轴承。
10.根据权利要求9所述的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述主动轴走线槽(D2-1-1)和从动轴走线槽(D2-2-1)均为螺旋槽。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106956243B (zh) * 2017-03-06 2019-08-02 武汉大学 一种基于绳驱的仿生下肢外骨骼机器人
CN109011390B (zh) * 2018-08-27 2020-01-31 河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院） 预防更年期关节运动损伤的装备
CN110757498B (zh) * 2019-11-29 2021-05-25 东莞理工学院 一种三自由度机器人关节
CN111531523B (zh) * 2020-04-30 2021-08-20 宁波大学 一种助力行走及辅助支撑机构
CN112571403B (zh) * 2020-12-02 2021-12-24 北方工业大学 一种用于搬运助力的外骨骼装置
CN112460214B (zh) * 2020-12-02 2024-01-19 上海市静安区中心医院(复旦大学附属华山医院静安分院) 小范围自适应收放线比率的传动机构

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103610568A (zh) * 2013-12-16 2014-03-05 哈尔滨工业大学 一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人
CN103610524A (zh) * 2013-12-16 2014-03-05 哈尔滨工业大学 一种便携储能式外骨骼助力机器人
CN104552276A (zh) * 2014-12-31 2015-04-29 浙江大学 气动肌肉驱动的外骨骼助力机构
CN105479438A (zh) * 2015-12-29 2016-04-13 哈尔滨工业大学 弹簧储能弹跳外骨骼

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL105034A (en) * 1993-03-12 1998-03-10 Sate Of Israel Ministry Of Def Exoskeletal system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103610568A (zh) * 2013-12-16 2014-03-05 哈尔滨工业大学 一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人
CN103610524A (zh) * 2013-12-16 2014-03-05 哈尔滨工业大学 一种便携储能式外骨骼助力机器人
CN104552276A (zh) * 2014-12-31 2015-04-29 浙江大学 气动肌肉驱动的外骨骼助力机构
CN105479438A (zh) * 2015-12-29 2016-04-13 哈尔滨工业大学 弹簧储能弹跳外骨骼

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