CN106826762A - 一种双电机并联驱动的人体活动助力装置 - Google Patents

Abstract

一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，它涉及一种人体活动助力装置，以解决现有机器人驱动系统中，高功率输出需求与结构紧凑质量轻型需求存在矛盾，且应用于辅助人体活动助力上，在相同功率下，会增加系统质量，增大人体的负担和能耗的问题。它包括动力单元、传动单元和执行单元；所述动力单元包括支撑架、太阳轮驱动电机、太阳轮驱动电机输出锥齿轮、驱动轴、太阳轮驱动电机驱动锥齿轮、内齿圈输出锥齿轮、内齿圈、内齿圈驱动电机输出锥齿轮、内齿圈驱动电机和太阳轮；所述支撑架上并排布置有轴向竖向设置的所述太阳轮驱动电机和所述内齿圈驱动电机。本发明用于外骨骼机器人关节的驱动，并且对人体活动进行辅助助力。

Description

一种双电机并联驱动的人体活动助力装置

技术领域

本发明涉及一种人体活动助力装置，具体涉及一种双电机并联驱动的人体活动助力装置。

背景技术

目前，机器人系统中对于电机的使用，都是将一个电机单独作为单一关节的固定驱动装置，当机器人系统中的驱动关节多于一个时，若某个关节单独工作，其最大的输入功率取决于其对应的驱动电机，这就限制了关节的最大输出功率。目前，若机器人关节需要获得更大的功率，就要考虑匹配更大功率的电机作为驱动，但是会导致机器人系统整体尺寸和质量的增大。高功率输出需求与结构紧凑质量轻型的需求存在矛盾。如果将这种驱动方式应用于辅助人体活动助力上，在相同功率下，会增加系统质量，增大人体的负担与能耗。

发明内容

本发明是为解决现有机器人驱动系统中，高功率输出需求与结构紧凑质量轻型需求存在矛盾，且应用于辅助人体活动助力上，在相同功率下，会增加系统质量，增大人体的负担和能耗的问题，进而提供一种双电机并联驱动的人体活动助力装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，它包括动力单元、传动单元和执行单元；所述动力单元包括支撑架、太阳轮驱动电机、太阳轮驱动电机输出锥齿轮、驱动轴、太阳轮驱动电机驱动锥齿轮、内齿圈输出锥齿轮、内齿圈、内齿圈驱动电机输出锥齿轮、内齿圈驱动电机和太阳轮；所述传动单元包括行星轮、行星轮支架、行星轮支撑轴、一号驱动绳索和二号驱动绳索；所述执行单元包括助力左腿、助力右腿、两个鲍登线管固定卡头和两个鲍登线管；助力左腿和助力右腿分别包括大腿末端支架、大腿连接架、大腿前端支架、外骨骼膝关节、小腿连接架、小腿末端支架和绑带；

所述支撑架上并排布置有轴向竖向设置的所述太阳轮驱动电机和所述内齿圈驱动电机；所述太阳轮驱动电机的输出轴上安装有所述太阳轮驱动电机输出锥齿轮，所述内齿圈驱动电机的输出轴上安装有所述内齿圈驱动电机输出锥齿轮；

所述驱动轴转动安装在所述支撑架上，所述驱动轴上固装有所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮、固装有所述太阳轮、转动安装有所述内齿圈和转动安装有所述内齿圈输出锥齿轮，所述太阳轮布置在所述内齿圈的内部，所述内齿圈的外侧面与所述内齿圈输出锥齿轮固接，所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮和所述内齿圈间隔布置，所述太阳轮驱动电机输出锥齿轮与所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮啮合，所述内齿圈驱动电机锥齿轮与所述内齿轮输出锥齿轮啮合；

所述太阳轮与所述内齿圈之间布置有与二者啮合的行星轮，所述行星轮转动安装在与所述驱动轴平行设置的所述行星轮支撑轴上，所述行星轮支撑轴的一端固装在所述行星轮支架上，另一端转动安装在所述行星轮上，所述行星轮支架位于所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮和所述太阳轮之间，所述行星轮支架转动安装在所述驱动轴上，邻近所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮的所述行星轮支架的侧面上固装有所述行星轮支架绞盘，所述行星齿轮支架绞盘上缠绕有所述一号驱动绳索，所述行星轮支架与所述太阳轮之间的行星轮支撑轴及所述驱动轴上安装有中间传动机构；所述中间传动机构上缠绕有所述二号驱动绳索并能带动所述二号驱动绳索运动；所述一号驱动绳索和二号绳索的缠绕方向相同；

所述大腿末端支架通过所述大腿连接架与所述大腿前端支架固接，且所述大腿末端支架和所述大腿前端支架上分别固装有用于捆绑大腿的绑带；所述外骨骼膝关节转动安装在所述大腿前端支架，外骨骼膝关节通过小腿连接架与小腿末端支架固接；鲍登线管的一端通过一个鲍登线管固定卡头固定在所述水平板上，鲍登线管插装在所述大腿末端支架鲍登线管导向孔道和大腿前端支架鲍登线管导向孔道上，鲍登线管的另一端固定在大腿前端支架上，一号驱动绳索和二号驱动绳索分别从鲍登线管和外骨骼膝关节钢丝绳导向孔道穿出并固定在小腿末端支架上。

本发明的有益效果是：一、本发明采用了双电机并联驱动的方式，使得双关节的每个关节的运动都可以由两个电机承担，当电机输出功率一定时，增加了关节可输出的最大功率；当关节所需输出功率一定时，减小了电机的体积，减轻了系统的质量，加强了系统的结构紧凑性。本发明实现了高功率输出需求与结构紧凑质量轻型需求的匹配。

二、应用于人体活动的辅助助力，减小了系统的总质量，提升了装置驱动系统的功率密度，减小了人体的负担与能耗。

三、采用齿轮的中间传动机构和驱动绳索的末端驱动方式，增加了运动的精确性和运动范围。

四、采用绳索驱动的柔顺化驱动方式，实现了变刚度柔顺化自适应驱动，增加了辅助人体活动的灵活性、协同性以及自适应性，在轻型减重的同时，避免对人体造成伤害。

附图说明

图1本发明一种双电机并联驱动的人体活动助力装置的立体结构示意图；

图2为动力单元和传动单元连接的立体结构示意图；

图3为图2的主视图；

图4为太阳轮、行星轮和内齿圈啮合的示意图；

图5为支撑架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

结合图1-图5说明，一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，它包括动力单元、传动单元和执行单元；

所述动力单元包括支撑架1、太阳轮驱动电机2、太阳轮驱动电机输出锥齿轮3、驱动轴4、太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5、内齿圈输出锥齿轮6-1、内齿圈6、内齿圈驱动电机输出锥齿轮7、内齿圈驱动电机8和太阳轮9；所述传动单元包括行星轮10、行星轮支架12、行星轮支撑轴13、一号驱动绳索16-1和二号驱动绳索16-2；所述执行单元包括助力左腿、助力右腿、两个鲍登线管固定卡头17和两个鲍登线管18；助力左腿和助力右腿分别包括大腿末端支架21、大腿连接架22、大腿前端支架23、外骨骼膝关节24、小腿连接架25、小腿末端支架26和绑带27；

所述支撑架1上并排布置有轴向竖向设置的所述太阳轮驱动电机2和所述内齿圈驱动电机8；所述太阳轮驱动电机2的输出轴上安装有所述太阳轮驱动电机输出锥齿轮3，所述内齿圈驱动电机8的输出轴上安装有所述内齿圈驱动电机输出锥齿轮7；

所述驱动轴4转动安装在所述支撑架1上，所述驱动轴4上固装有所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5、固装有所述太阳轮9、转动安装有所述内齿圈6和转动安装有所述内齿圈输出锥齿轮6-1，所述太阳轮9布置在所述内齿圈6的内部，所述内齿圈6的外侧面与所述内齿圈输出锥齿轮6-1固接，所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5和所述内齿圈6间隔布置，所述太阳轮驱动电机输出锥齿轮3与所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5啮合，所述内齿圈驱动电机锥齿轮7与所述内齿轮输出锥齿轮6-1啮合；

所述太阳轮9与所述内齿圈6之间布置有与二者啮合的行星轮10，所述行星轮10转动安装在与所述驱动轴4平行设置的所述行星轮支撑轴13上，所述行星轮支撑轴13的一端固装在所述行星轮支架12上，另一端转动安装在所述行星轮10上，所述行星轮支架12位于所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5和所述太阳轮9之间，所述行星轮支架12转动安装在所述驱动轴4上，邻近所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5的所述行星轮支架12的侧面上固装有所述行星轮支架绞盘12-1，所述行星齿轮支架绞盘12-1上缠绕有所述一号驱动绳索16-1，所述行星轮支架12与所述太阳轮9之间的行星轮支撑轴13及所述驱动轴4上安装有中间传动机构20；所述中间传动机构20上缠绕有所述二号驱动绳索16-2并能带动所述二号驱动绳索16-2运动；所述一号驱动绳索16-1和二号绳索16-2的缠绕方向相同；

所述大腿末端支架21通过所述大腿连接架22与所述大腿前端支架23固接，且所述大腿末端支架21和所述大腿前端支架23上分别固装有用于捆绑大腿的绑带27；所述外骨骼膝关节24转动安装在所述大腿前端支架23，外骨骼膝关节24通过小腿连接架25与小腿末端支架26固接；

鲍登线管18的一端通过一个鲍登线管固定卡头17固定在所述水平板1-1上，鲍登线管18插装在所述大腿末端支架鲍登线管导向孔道21-1和大腿前端支架鲍登线管导向孔道23-1上，鲍登线管18的另一端固定在大腿前端支架23上，一号驱动绳索16-1和二号驱动绳索16-2分别从鲍登线管18和外骨骼膝关节钢丝绳导向孔道24-2穿出并固定在小腿末端支架26上。

本实施方式中太阳轮驱动电机2与内齿轮驱动电机8作为装置的两个独立的驱动电机固定在支撑架1上，驱动轴4采用阶梯结构，驱动轴4通过轴承装配连接在支撑架1上，太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5与驱动轴4由平键固定连接，内齿圈6通过轴承装配连接到驱动轴4上。太阳轮驱动电机2通过太阳轮驱动电机输出锥齿轮3驱动太阳轮驱动电机驱动锥齿轮5转动，内齿圈驱动电机8通过内齿圈驱动电机输出锥齿轮7，经由内齿圈输出锥齿轮6-1驱动内齿圈6转动。

太阳轮9由平键固连在驱动轴4上，太阳轮9与行星轮10齿轮啮合，行星轮10与内齿圈6啮合，行星轮10在太阳轮9和内齿圈6之间绕自身中心轴自转，同时绕着驱动轴4的中心轴公转。行星轮支撑轴13与行星轮10由轴承装配连接，行星轮支撑轴13与行星轮支架12由平键固连，行星轮支架12通过轴承与驱动轴4连接，行星轮支架12随着行星轮支撑轴13转动，相对于驱动轴4的中心轴做定轴转动。驱动绳索16缠绕在行星轮支架绞盘12-1上，通过行星轮支架12的定轴转动对驱动绳索16进行驱动。所述中间传动机构20在行星轮10的自转运动下缠绕带动驱动绳索16移动，行星轮支架绞盘12-1上的驱动绳索16和中间传动机构20上的驱动绳索16分别驱动相应的关节运动，进而实现双关节运动。助力大腿与助力小腿通过大腿前端支架转动孔23-2与外骨骼膝关节转动轴24-1转动连接，一号驱动绳索16-1和二号驱动绳索16-2分别固定在小腿末端支架钢丝绳固定端26-1上。由双电机并联驱动装置拉动相应绳索，带动整个外骨骼运动，从而实现对人体活动的助力。

结合图2和图3说明，所述中间传动机构20为摩擦传动机构，所述中间传动机构20包括同步带轮10-1、同步带14和同步带驱动轮15；所述同步带轮10-1与行星轮10一体制成；

所述同步带轮10-1套在所述行星轮支撑轴13上，所述同步带驱动轮15转动安装在所述驱动轴4上，所述同步带轮10-1通过同步带14与所述同步带驱动轮15传动连接，邻近所述行星轮支架12的所述同步带驱动轮15的侧面上固装有套在所述驱动轴4上的所述同步带驱动轮绞盘15-1，所述同步带驱动轮绞盘15-1上缠绕有所述二号驱动绳索16-2。

同步带驱动轮15通过轴承与驱动轴4连接，同步带轮10-1与同步带驱动轮15通过同步带14连接，随着行星轮10的转动，通过同步带14将行星轮10的自转运动传递给同步带驱动轮15，使其绕阶梯轴4的中心轴做定轴转动，通过同步带驱动轮绞盘15-1缠绕驱动钢丝绳16。同步带摩擦传动能提高运动精度。优选地，同步带14的同步带齿为梯形齿如此设置，梯形齿同步带具有传递功率和承载能力较大的优点。

结合图5说明，支撑架1包括水平板1-1和两个竖板1-2；两个所述竖板1-2的下端之间布置有与二者连接的水平板1-1，所述驱动轴4转动安装在两个所述竖板1-2上，所述动力单元和传动单元均布置在所述水平板1-1和两个所述竖板1-2形成的凹槽内，所述太阳轮驱动电机2固装在其中一个所述竖板1-2上，所述内齿圈驱动电机8固装在另一个所述竖板1-2上。

优选地，一号驱动绳索16-1和二号驱动绳索16-2均为钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳。如此设置，钢丝绳柔性好，强度大。凯夫拉绳具有耐高温，防火阻燃，重量轻，强度高，模量高，尺寸稳定，收缩率低，耐刺破，耐磨耗，耐热性，耐化学腐蚀，机械性能好，介电性好等优点；碳纤维绳具有强度大，便于保证重复展开精度。

工作原理：以内齿圈6、太阳轮9、行星轮10和行星轮支架12相互关系说明，本发明装置有两个自由度，其中内齿圈6与太阳轮9的转动为驱动输入，行星轮10自转与行星轮支架12的自转为动力输出，驱动装置有固定的运动。R₆为内齿圈6的转动半径，R₉为太阳轮9的转动半径，R₁₀为行星轮10的转动半径，R₁₂为行星轮支架12的转动半径。w₆为内齿圈6的角速度，w₉为太阳轮9的角速度，w₁₀为行星轮10的角速度，w₁₂为行星轮支架12的角速度。可以推导出动力输出端角速度与输入端角速度的关系。

根据原理图中齿轮配合关系有：

R₁₂＝R₉+R₁₀ (1)

R₆＝R₉+2R₁₀ (2)

由于齿轮之间作纯滚动运动，以顺时针转动为角速度正方向，则有：

将式(1)～(6)带入式(7)中可以得到：

太阳轮驱动电机2通过太阳轮驱动电机输出锥齿轮3带动驱动轴4进行转动，从而驱动太阳轮9进行绕驱动轴4中心轴的定轴转动，内齿轮驱动电机8驱动通过内齿轮输出锥齿轮7驱动内齿轮6进行转动。行星齿轮组中，以中心太阳轮9与外侧内齿轮6的定轴转动作为装置的驱动输入。行星轮10分别与太阳轮9与内齿轮6进行齿轮啮合转动，行星轮10的转动包括绕驱动轴4中心轴转动的公转和绕自身转动轴的自转，行星轮10的公转运动驱动，通过行星轮支撑轴13固定连接的行星轮支架12的转动，由行星轮支架绞盘12-1缠绕带动驱动绳索16，并由驱动绳索16对机器人系统中的一个关节进行驱动。行星轮10的自转运动驱动，通过同步带轮10-1经由同步带14驱动同步带驱动轮15，由同步带驱动轮绞盘15-1缠绕带动驱动绳索16，并由驱动绳索16对机器人系统中的另一个关节进行驱动。

行星轮10的运动状态是由太阳轮9与内齿圈6的转动方向与转动角速度唯一确定。改变太阳轮9与内齿圈6的转动方向与转动角速度，可以实现太阳轮驱动电机2和内齿轮驱动电机8输出功率的线性组合，以此作为驱动输出，从而使得机器人系统中的某一关节由两个驱动电机共同驱动。如图1所示，可以实现，机器人系统中的某一关节的功率为两个驱动电机的最大功率之和，同时另一关节不驱动。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，其特征在于：它包括动力单元、传动单元和执行单元；

所述动力单元包括支撑架(1)、太阳轮驱动电机(2)、太阳轮驱动电机输出锥齿轮(3)、驱动轴(4)、太阳轮驱动电机驱动锥齿轮(5)、内齿圈输出锥齿轮(6-1)、内齿圈(6)、内齿圈驱动电机输出锥齿轮(7)、内齿圈驱动电机(8)和太阳轮(9)；所述传动单元包括行星轮(10)、行星轮支架(12)、行星轮支撑轴(13)、一号驱动绳索(16-1)和二号驱动绳索(16-2)；所述执行单元包括助力左腿、助力右腿、两个鲍登线管固定卡头(17)和两个鲍登线管(18)；助力左腿和助力右腿分别包括大腿末端支架(21)、大腿连接架(22)、大腿前端支架(23)、外骨骼膝关节(24)、小腿连接架(25)、小腿末端支架(26)和绑带(27)；

所述支撑架(1)上并排布置有轴向竖向设置的所述太阳轮驱动电机(2)和所述内齿圈驱动电机(8)；所述太阳轮驱动电机(2)的输出轴上安装有所述太阳轮驱动电机输出锥齿轮(3)，所述内齿圈驱动电机(8)的输出轴上安装有所述内齿圈驱动电机输出锥齿轮(7)；

所述驱动轴(4)转动安装在所述支撑架(1)上，所述驱动轴(4)上固装有所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮(5)、固装有所述太阳轮(9)、转动安装有所述内齿圈(6)和转动安装有所述内齿圈输出锥齿轮(6-1)，所述太阳轮(9)布置在所述内齿圈(6)的内部，所述内齿圈(6)的外侧面与所述内齿圈输出锥齿轮(6-1)固接，所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮(5)和所述内齿圈(6)间隔布置，所述太阳轮驱动电机输出锥齿轮(3)与所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮(5)啮合，所述内齿圈驱动电机锥齿轮(7)与所述内齿轮输出锥齿轮(6-1)啮合；

所述太阳轮(9)与所述内齿圈(6)之间布置有与二者啮合的行星轮(10)，所述行星轮(10)转动安装在与所述驱动轴(4)平行设置的所述行星轮支撑轴(13)上，所述行星轮支撑轴(13)的一端固装在所述行星轮支架(12)上，另一端转动安装在所述行星轮(10)上，所述行星轮支架(12)位于所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮(5)和所述太阳轮(9)之间，所述行星轮支架(12)转动安装在所述驱动轴(4)上，邻近所述太阳轮驱动电机驱动锥齿轮(5)的所述行星轮支架(12)的侧面上固装有所述行星轮支架绞盘(12-1)，所述行星齿轮支架绞盘(12-1)上缠绕有所述一号驱动绳索(16-1)，所述行星轮支架(12)与所述太阳轮(9)之间的行星轮支撑轴(13)及所述驱动轴(4)上安装有中间传动机构(20)；所述中间传动机构(20)上缠绕有所述二号驱动绳索(16-2)并能带动所述二号驱动绳索(16-2)运动；所述一号驱动绳索(16-1)和二号绳索(16-2)的缠绕方向相同；

所述大腿末端支架(21)通过所述大腿连接架(22)与所述大腿前端支架(23)固接，且所述大腿末端支架(21)和所述大腿前端支架(23)上分别固装有用于捆绑大腿的绑带(27)；所述外骨骼膝关节(24)转动安装在所述大腿前端支架(23)，外骨骼膝关节(24)通过小腿连接架(25)与小腿末端支架(26)固接；

鲍登线管(18)的一端通过一个鲍登线管固定卡头(17)固定在所述水平板(1-1)上，鲍登线管(18)插装在所述大腿末端支架鲍登线管导向孔道(21-1)和大腿前端支架鲍登线管导向孔道(23-1)上，鲍登线管(18)的另一端固定在大腿前端支架(23)上，一号驱动绳索(16-1)和二号驱动绳索(16-2)分别从鲍登线管(18)和外骨骼膝关节钢丝绳导向孔道(24-2)穿出并固定在小腿末端支架(26)上。

2.根据权利要求1所述一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，其特征在于：所述中间传动机构(20)为摩擦传动机构，所述中间传动机构(20)包括同步带轮(10-1)、同步带(14)和同步带驱动轮(15)；所述同步带轮(10-1)与行星轮(10)一体制成；

所述同步带轮(10-1)套在所述行星轮支撑轴(13)上，所述同步带驱动轮(15)转动安装在所述驱动轴(4)上，所述同步带轮(10-1)通过同步带(14)与所述同步带驱动轮(15)传动连接，邻近所述行星轮支架(12)的所述同步带驱动轮(15)的侧面上固装有套在所述驱动轴(4)上的所述同步带驱动轮绞盘(15-1)，所述同步带驱动轮绞盘(15-1)上缠绕有所述二号驱动绳索(16-2)。

3.根据权利要求2所述一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，其特征在于：所述同步带(14)的同步带齿为梯形齿。

4.根据权利要求1、2或3所述一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，其特征在于：所述支撑架(1)包括水平板(1-1)和两个竖板(1-2)；两个所述竖板(1-2)的下端之间布置有与二者连接的水平板(1-1)，所述驱动轴(4)转动安装在两个所述竖板(1-2)上，所述动力单元和传动单元均布置在所述水平板(1-1)和两个所述竖板(1-2)形成的凹槽内，所述太阳轮驱动电机(2)固装在其中一个所述竖板(1-2)上，所述内齿圈驱动电机(8)固装在另一个所述竖板(1-2)上。

5.根据权利要求4所述一种双电机并联驱动的人体活动助力装置，其特征在于：所述一号驱动绳索(16-1)和二号驱动绳索(16-2)均为钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳。