CN107263525B - 一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节 - Google Patents

Abstract

本发明一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，包括骨架、驱动盘、传力绳、驱动绳与刚度调节机构。其中，骨架包括上骨架与下骨架；两者间通过转动轴相连形成转动副；驱动盘同轴套接于转动轴上，两者间形成转动副；驱动盘上缠绕有一根传力绳与两根驱动绳；传力绳两端分别连接刚度调节机构，由刚度调节机构调节上骨架与下骨架间的驱动刚度；两根驱动绳反向缠绕，一端固定于驱动盘上，另一端连接驱动组件，由驱动组件驱动两根驱动绳带动驱动盘的转动，通过传力绳转变为驱动力，驱动上下骨架间的相互转动。本发明变刚度绳驱动关节刚度调节、控制灵敏度高、通用性好，可用于各种外骨骼和步行机器人。

Description

一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种机械驱动关节，是一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，通过绳传动驱动力，在绳驱动的作用下实现关节转动，并可通过更换或调解关节弹簧以获得不同的刚度和机械特性。

背景技术

现有的外骨骼和步行机器人，大部分关节处的驱动器直接安装在关节上，增加了腿/臂分支质量，增大了腿/臂分支惯性，降低了装置的控制灵敏性，增加了运动过程中的能量消耗。同时驱动关节普遍为刚性关节，不具备变刚度和缓冲功能，在运动过程中存在冲击，降低了驱动关节的使用寿命。外骨骼和步行机器人的在我们生活中的应用越来越广泛，好的驱动关节结构具备缓冲功能，能够提高驱动关节的使用寿命，同时将驱动装置布置在机器人本体上，其驱动力通过合适的传递机构传递到关节处，减小腿/臂分支质量，降低腿/臂分支惯性，提高控制灵敏性，降低运动能耗。

绳驱动机构可以远距离传输驱动力矩，可以将驱动装置远距离安装。由于绳本身的柔性，驱动过程存在一定的缓冲作用。在机器人关节处加入柔性环节，可以使刚性关节变为柔性关节，实现缓冲储能作用。同时可对柔性环节调节或更换，以获得不同的刚度。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，可用于外骨骼和步行机器人，增加关节柔性，实现缓冲储能功效。

本发明变刚度绳驱动关节，可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节：包括骨架、驱动盘、传力绳、驱动绳与刚度调节机构。

所述骨架包括上骨架与下骨架；两者间通过转动轴相连形成转动副；驱动盘同轴套接于转动轴上，两者间形成转动副。

所述驱动盘上缠绕有一根传力绳与两根驱动绳。其中，传力绳两端分别与下骨架上左右对称设计的刚度调节机构相连；由刚度调节机构调节上骨架与下骨架间的驱动刚度。

两根驱动绳反向缠绕，一端固定于驱动盘上，另一端连接驱动组件，由驱动组件驱动驱动两根驱动绳反向运动，进而带动驱动盘转动，并通过传力绳将驱动盘的转动转化为对下骨架的驱动力，驱动下骨架与上骨架间相对转动。

本发明的优点在于：

1、本发明变刚度绳驱动关节，绳驱动方式可将驱动组件与关节分离设计，实现远距离传力，减小关节质量；

2、本发明变刚度绳驱动关节，实现驱动关节的刚度调节；

3、本发明变刚度绳驱动关节，控制灵敏度高、通用性好，可用于各种外骨骼和步行机器人；

4、本发明变刚度绳驱动关节，是一种柔性关节，可以实现缓冲储能作用，传力绳上的弹簧，在负载大的时候会拉长(另一侧弹簧收缩)，负载小的时候会收缩(另一侧弹簧拉长)，降低冲击，提高关节的使用寿命。

附图说明

图1为本发明可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节整体结构正面示意图；

图2为本发明可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节整体结构背面示意图；

图3为本发明可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节整体结构侧视剖视图；

图4为本发明可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节中传力绳绕绳方式示意图；

图5为本发明可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节的驱动方式示意图；

图6为本发明可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节中驱动绳柔性支撑外壳示意图。

图中：

1-骨架 2-驱动盘 3-传力绳

4-驱动绳 5-刚度调节机构 6-角度传感器

7-骨架转接头 8-驱动转接头 9-驱动鼓

10-防脱轮轴 11-防脱轮 12-驱动绳柔性支撑外壳

101-上骨架 102-下骨架 103-转动轴

201-传力绳通道 202-套绳盘 203-导向台

204-防脱片 501-弹簧 502-调整螺钉

503-调整螺母

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明变刚度绳驱动关节，包括骨架1、驱动盘2、传力绳3、驱动绳4、刚度调节机构5与角度传感器6，如图1、图2所示；

如图3所示，所述骨架1包括上骨架101与下骨架102。其中，上骨架101具有顶面与相互平行的前侧面和后侧面；其中，顶面上安装骨架转接头7；前侧面与后侧面之间安装驱动盘2。上骨架101的后侧面与前侧面间垂直安装有转动轴103，转动轴103两端通过轴承分别与后侧面和前侧面间转动连接。下骨架102顶端通过键连接实现与转动轴103间的固定，使上骨架101与下骨架102间可相对转动，形成转动关节。上骨架101与下骨架102间的转动角度可通过角度传感器6获取，角度传感器6固定安装于转动轴103端部相连，安装于上骨架101后侧面上。

所述驱动盘2通过轴承与上述转动轴103间同轴的转动连接；驱动盘2周向上开有三条环形绕绳槽，其中靠近驱动盘后侧的一条环形绕绳槽作为传力绳绕绳槽，另两条环形绕绳槽作为驱动绳绕绳槽。如图4所示，驱动盘2后侧面设计有环形传力绳通道201，由环形传力绳通道201将驱动盘2后侧面分割为外侧圆环以及内侧圆形套绳盘202。所述外侧圆环上开设缺口，该缺口同时与传力绳通道及传力绳绕绳槽连通。同时在外侧圆环上，位于该缺口两侧位置设计为弧形导向台203。传力绳3套在套绳盘202上，两端分别绕过缺口两侧的弧形导向台203后，反向沿缺口两侧的传力绳绕绳槽布置后，分别通过刚度调整机构5连接于下骨架102下部前侧面左右两侧对称设计的安装台105上。为防止传力绳3由套绳盘202以及弧形导向台203内脱出，因此在驱动盘2后侧面上安装有两个防脱片204，另一个防脱片204安装于传力绳通道201内，两端分别与外侧圆环以及内侧圆形套绳盘接触。上述两个防脱片204内均设计有导绳槽，用以穿过传力绳3，为传力绳3的运动导向。

所述刚度调整机构5包括弹簧501、调整螺钉502与调整螺母503，如图3所示。传力绳端部固结于弹簧501一端，弹簧501另一端固定于调整螺钉502顶端上，调整螺钉502末端穿过安装台105后与调整螺母503连接。驱动盘2上的两条驱动绳绕绳槽内各嵌入并缠绕有一根驱动绳4，两根驱动绳4反向缠绕，一端固定于各自所在绕绳槽内，另一端分别由上骨架101顶面上的两个骨架转接头7穿出，并穿过驱动组件上的驱动转接头8缠绕并固定于驱动组件的驱动鼓9上，如图5所示，通过骨架转接头7与驱动转接头8分别对驱动绳4在驱动盘2与驱动鼓9上的缠绕长度进行调节。由此，通过驱动电机带动驱动鼓9旋转，带动两根驱动绳4反向运动，进而一根驱动绳4拉紧的同时，另一根驱动绳4放松(即：一根驱动绳4卷绕，令一根驱动绳4释放)，从而实现驱动盘2的转动；驱动盘2的转动可带动传力绳3两端拉拽下骨架102下部左右两侧，进而将驱动盘2的转动转化为对下骨架102的驱动力，最终下骨架102与上骨架101间相对转动，实现驱动绳4对转动关节的同步驱动。

上述由两个骨架转接头7穿出的驱动绳4置于驱动绳柔性支撑外壳12内，如图6所示，驱动绳柔性支撑外壳12可弯曲但轴向不能压缩的管状结构，用来承受轴向压力。驱动绳柔性支撑外壳12一端与骨架101顶面上的两个转接头7固连，另一端与驱动组件上安装的驱动转接头8相连。

上述转动关节的刚度可通过调整螺母502和调整螺栓503实现传力绳3两端弹簧的预紧力的调节；同时也可对弹簧501进行更换，以获得不同的驱动刚度。

本发明中，在上骨架102后侧面上还螺纹固连有两根垂直于后侧面内壁的防脱轮轴10，每根防脱轮轴10上通过轴承同轴转动连接有一个防脱轮11，如图3所示；且使两个防脱轮11分别位于驱动盘2上方左右两侧，并与驱动盘2相切。两个防脱轮11周向上开有三条环形防脱槽，三条防脱槽槽宽及间距均与驱动盘2上的三条绕绳槽槽宽及间距相同；由此使三条防脱槽分别与三条绕绳槽连通；由此通过三条防脱槽可保证驱动绳4和传力绳3不从驱动盘2上的绕绳槽内脱出，且还起到对驱动绳4和传力绳3的导向作用。

Claims (10)

1.一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，包括骨架、驱动盘、传力绳、驱动绳与刚度调节机构；其特征在于：

所述骨架包括上骨架与下骨架；两者间通过转动轴相连形成转动副；驱动盘同轴套接于转动轴上，两者间形成转动副；

所述驱动盘上缠绕有一根传力绳与两根驱动绳；传力绳两端分别与下骨架上左右对称设计的刚度调节机构相连；由刚度调节机构调节上骨架与下骨架间的驱动刚度；

两根驱动绳反向缠绕，一端固定于驱动盘上，另一端连接驱动组件，由驱动组件驱动两根驱动绳反向运动，进而带动驱动盘转动，并通过传力绳将驱动盘的转动转化为对下骨架的驱动力，驱动下骨架与上骨架间相对转动。

2.如权利要求1所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：转动轴上安装角度传感器，获取上骨架与下骨架间的转动角度。

3.如权利要求1所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：驱动盘侧面上设计有环形传力绳通道，由环形传力绳通道将驱动盘后侧面分割为外侧圆环以及内侧圆形套绳盘；所述外侧圆环上开设缺口，缺口与传力绳通道及传力绳绕绳槽连通；传力绳套在套绳盘上，两端分别穿过缺口，反向沿缺口两侧的传力绳绕绳槽布置。

4.如权利要求3所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：外侧圆环上，位于缺口两侧位置设计弧形导向台。

5.如权利要求3所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：驱动盘侧面上安装有两个防脱片，防止传力绳脱出套绳盘。

6.如权利要求5所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：防脱片内设计有导绳槽，为传力绳的运动导向。

7.如权利要求1所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：所述刚度调整机构包括弹簧、调整螺钉与调整螺母；传力绳端部固结于弹簧一端，弹簧另一端固定于调整螺钉顶端，调整螺钉末端穿过安装台后与调整螺母连接。

8.如权利要求1所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：两根驱动绳分别由上骨架上的两个骨架转接头穿出，并穿过驱动组件上的驱动转接头缠绕并固定于驱动组件的驱动鼓上。

9.如权利要求1所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：由骨架转接头穿出的驱动绳置于驱动绳柔性支撑外壳内，驱动绳柔性支撑外壳一端与骨架转接头固连，另一端与驱动转接头相连。

10.如权利要求1所述一种可用于外骨骼及步行机器人的变刚度绳驱动关节，其特征在于：上骨架后侧面上安装有两个防脱轮；两个防脱轮分别位于驱动盘上方左右两侧，并与驱动盘相切。

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