CN106914920A - 面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器 - Google Patents

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韩亚丽
朱松青
吴振宇
沈培
张猛
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    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
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Abstract

本发明是一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，包括外部框架、驱动电机、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆机构、扭簧驱动端、扭簧、转盘拨叉机构、阶梯轴以及末端执行件，阶梯轴分别与蜗轮蜗杆机构、扭簧驱动端、转盘拨叉机构以及末端执行件相连，驱动电机与蜗轮蜗杆机构之间通过齿轮传动机构连接，扭簧驱动端通过扭簧与转盘拨叉机构相连，蜗轮蜗杆机构将运动传递给扭簧驱动端，进而压缩扭簧带动转盘拨叉机构运动。本发明通过压缩弹簧进而改变弹簧压缩方向与受力方向的夹角，满足踝关节外骨骼机构的变刚度要求，充分利用弹性元件在行走阶段储能、释能的功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

Description

面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器
技术领域
本发明属于机器人领域，具体的说是涉及一种变刚度柔性驱动器，特别涉及一种用于助力外骨骼机器人及仿生机器人下肢关节驱动的柔性驱动器。
背景技术
目前，下肢助力外骨骼多为刚性机构，驱动方式多采用液压或电机，但无论是液压驱动还是电机驱动，都存在传力过程中缓冲较差的问题，尤其是足底着地的瞬间，产生较大的冲击力，造成机械本体的振动，从而影响人机系统的稳定性，特别是快速连续行走的时候，连续的冲击力和振动，会导致机体和机载设备的损坏。
近年来，机器人技术日益成熟，以人为中心的机器人应用领域越来越多，人体和机械体高度耦合的人机系统的交互性也不断增加。下肢助力外骨骼为典型的人机一体化系统，为了保证人体与机械体运动时的灵活性和安全性，机械体的执行机构必须具有一定的柔性。同时，为了负载重物，执行机构又必须具有一定的刚性，故本申请提出了一种变刚度下肢踝关节外骨骼机器人，采用电机带动齿轮及蜗轮蜗杆传动机构，进而串联扭簧，扭簧带动内置弹簧的转盘拨叉机构，实现踝关节外骨骼机构的屈/伸运动，在运动过程中对穿戴者进行助力，此种变刚度的刚柔耦合的驱动器具有较低的机械输出阻抗、能适应较大的控制带宽，类似肌肉工作原理一样具有较好的自然柔顺性与缓冲功能。
发明内容
针对目前踝关节外骨骼驱动器存在的驱动模式单一问题，以及结合踝关节外骨骼机器人对仿生节能驱动器的需求，本发明提供了一种具有储能、释能功能，且刚度可变的柔性驱动器，从而满足下肢踝关节外骨骼机器人的运动要求。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，包括外部框架、驱动电机、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆机构、扭簧驱动端、扭簧、转盘拨叉机构、阶梯轴以及末端执行件，阶梯轴分别与蜗轮蜗杆机构、扭簧驱动端、转盘拨叉机构以及末端执行件相连，驱动电机与蜗轮蜗杆机构之间通过齿轮传动机构连接，扭簧驱动端通过扭簧与转盘拨叉机构相连，蜗轮蜗杆机构将运动传递给扭簧驱动端，进而压缩扭簧带动转盘拨叉机构运动。
本发明的进一步改进在于：齿轮传动机构由直齿轮A和直齿轮B啮合而成。
本发明的进一步改进在于：蜗轮蜗杆机构由蜗轮和蜗杆啮合而成。
本发明的进一步改进在于：转盘拨叉机构包括转盘、拨叉、弹簧，转盘与拨叉之间通过六组相同规格的非标弹簧相连，且弹簧可根据不同的运动模式需求进行调整及替换。
本发明的进一步改进在于：末端执行件包括上脚板和下脚板。
本发明的进一步改进在于：阶梯轴分别与外部框架、蜗轮、扭簧驱动端、转盘通过滚珠轴承相连，阶梯轴分别与拨叉、上脚板通过圆键相连。
本发明的有益效果是：本发明驱动电机通过齿轮传动机构与蜗轮蜗杆机构相连，并由蜗轮蜗杆机构将运动传递给扭簧驱动端，进而压缩扭簧带动转盘拨叉机构运动，所述转盘拨叉机构通过压缩弹簧进而改变弹簧压缩方向与受力方向的夹角，实现机构的储能和释能以及模拟人体肌肉的运动方式。
下肢外骨骼机械腿旨在通过穿戴者的运动导向，在穿戴者的下肢运动中助力，人体下肢在行走运动时，其腿部肌肉实时变化其粘弹性，并带动关节做出灵活的调整以适应外部环境的变化，为了提高外骨骼与穿戴者运动的匹配性，本发明通过改变弹簧受力方向与变形方向的夹角来实现踝关节外骨骼机构刚度的改变，实现模拟人体肌肉变刚度机理。同时通过在行走过程中的负功储存，在需要正功行走过程中进行释放，充分利用弹性元件的储能、释能功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。
附图说明
图1 是本发明的轴测图。
图2是本发明的仰视图。
图3是本发明的正视图。
图4是本发明转盘拨叉机构的轴测图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-4所示，本发明是一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，所述驱动器包括外部框架1、驱动电机2、齿轮传动机构3、蜗轮蜗杆机构4、扭簧驱动端5、扭簧6、转盘拨叉机构7、阶梯轴8以及末端执行件9，所述阶梯轴8分别与蜗轮蜗杆机构4、扭簧驱动端5、转盘拨叉机构7以及末端执行件9相连，驱动电机2与蜗轮蜗杆机构4之间通过齿轮传动机构3连接，扭簧驱动端5通过扭簧6与转盘拨叉机构7相连，蜗轮蜗杆机构4将运动传递给扭簧驱动端5，进而压缩扭簧6带动转盘拨叉机构7运动，所述齿轮传动机构3由直齿轮A10和直齿轮B11啮合而成，所述蜗轮蜗杆机构4由蜗轮和蜗杆啮合而成，所述转盘拨叉机构7包括转盘14、拨叉15、弹簧16，转盘14与拨叉15之间通过六组相同规格的非标弹簧16相连，且弹簧可根据不同的运动模式需求进行调整及替换，所述末端执行件9包括上脚板17和下脚板18，所述阶梯轴8分别与外部框架1、蜗轮、扭簧驱动端5、转盘14通过滚珠轴承相连，阶梯轴8分别与拨叉15、上脚板17通过圆键相连，驱动电机2通过齿轮传动机构3与蜗轮蜗杆机构4相连，并由蜗轮蜗杆机构4将运动传递给扭簧驱动端5，进而压缩扭簧6带动转盘拨叉机构7运动，所述转盘拨叉机构7通过压缩弹簧16进而改变弹簧压缩方向与受力方向的夹角，实现机构的储能和释能以及模拟人体肌肉的运动方式。
实施例一
本发明是一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，是一个主、被动相结合的驱动器，主动器件是驱动电机2，被动器件是扭簧6以及弹簧16。驱动电机2通过齿轮传动机构3与蜗轮蜗杆机构4相连，并由蜗轮蜗杆机构4将运动传递给扭簧驱动端5，进而压缩扭簧6带动转盘拨叉机构7运动；变刚度柔性驱动器的主动驱动电机2仅在行走过程中的适时阶段进行驱动，也即是电机仅在脚踝需要助力的阶段进行驱动，多模式驱动器充分利用储能器件的储能并有效释能的优点使得下肢踝关节外骨骼机器人具有低功耗的特点。
图1、图2、图3中，变刚度柔性驱动器由外部框架1、驱动电机2、齿轮传动机构3、蜗轮蜗杆机构4、扭簧驱动端5、扭簧6、转盘拨叉机构7、阶梯轴8以及末端执行件9组成。阶梯轴8分别与外部框架1、蜗轮、扭簧驱动端5、转盘14通过滚珠轴承相连，阶梯轴8分别与拨叉15、上脚板17通过键相连，驱动电机2通过齿轮传动机构3与蜗轮蜗杆机构4相连，并由蜗轮蜗杆机构4将运动传递给扭簧驱动端5，进而压缩扭簧6带动转盘拨叉机构7运动。
图4中，转盘拨叉机构7由转盘14、拨叉15以及六根非标弹簧16组成，非标弹簧16通过螺钉与转盘14以及拨叉15相连。
转盘拨叉机构7工作时，其具体的工作过程为：当转盘14正转时，弹簧16中拨叉单侧弹簧被压缩，另一侧弹簧被拉伸，实现了弹簧储能；当转盘14反转时，弹簧16由拉伸压缩状态转化为初始状态，实现了弹簧释能，同时弹簧16在拉伸压缩的过程中，变形方向与受力方向的夹角不断改变，实现了柔性驱动器变刚度的效果。
在工作过程中，变刚度柔性驱动器充分利用了扭簧6以及弹簧16储能、释能的特点，驱动电机2仅在下肢踝关节外骨骼行走过程中的适时阶段进行动力补偿，故多模式弹性驱动器具有低功耗的优点。
本发明组合了主动驱动元件也就是驱动电机2与弹性元件也就是弹簧16，通过改变装盘拨叉机构7中弹簧16的变形方向与受力方向的夹角，实现柔性驱动器的变刚度效果，是一种体积小巧、性能可靠、低功耗且具有仿生特征的柔性驱动器，可用于助力外骨骼机器人及仿人机器人的下肢踝关节驱动，在驱动过程中能量具有存储和放大作用，因此，此种变刚度柔性驱动器的仿生驱动技术及能量放大特性具有很高的研究价值，且随着人口老龄化的加剧，助力外骨骼机器人需求的日益增加，此种变刚度柔性驱动器也具有广阔的应用前景。
本发明通过压缩弹簧进而改变弹簧压缩方向与受力方向的夹角，满足踝关节外骨骼机构的变刚度要求，充分利用弹性元件在行走阶段储能、释能的功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。

Claims (6)

1.一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述驱动器包括外部框架（1）、驱动电机（2）、齿轮传动机构（3）、蜗轮蜗杆机构（4）、扭簧驱动端（5）、扭簧（6）、转盘拨叉机构（7）、阶梯轴（8）以及末端执行件（9），所述阶梯轴（8）分别与蜗轮蜗杆机构（4）、扭簧驱动端（5）、转盘拨叉机构（7）以及末端执行件（9）相连，驱动电机（2）与蜗轮蜗杆机构（4）之间通过齿轮传动机构（3）连接，扭簧驱动端（5）通过扭簧（6）与转盘拨叉机构（7）相连，蜗轮蜗杆机构（4）将运动传递给扭簧驱动端（5），进而压缩扭簧（6）带动转盘拨叉机构（7）运动。
2.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述齿轮传动机构（3）由直齿轮A（10）和直齿轮B（11）啮合而成。
3.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构（4）由蜗轮和蜗杆啮合而成。
4.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述转盘拨叉机构（7）包括转盘（14）、拨叉（15）、弹簧（16），转盘（14）与拨叉（15）之间通过六组相同规格的弹簧（16）相连。
5.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述末端执行件（9）包括上脚板（17）和下脚板（18）。
6.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述阶梯轴（8）分别与外部框架（1）、蜗轮、扭簧驱动端（5）、转盘（14）通过滚珠轴承相连，阶梯轴（8）分别与拨叉（15）、上脚板（17）通过圆键相连。
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