CN109623803A - 一种传动装置及外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种传动装置及外骨骼机器人，该传动装置包括：绕线筒，缠绕有鲍登线；超越离合器，包括主动件和从动件，其中，超越离合器的从动件与绕线筒耦合在一起而与其同步旋转；驱动机构，与超越离合器的主动件连接，用于驱动主动件运动，以使超越离合器在结合状态和超越状态之间切换，其中当超越离合器处于结合状态时，主动件咬合从动件以使绕线筒随着超越离合器的从动件旋转而处于收线状态；当超越离合器处于超越状态时，主动件与从动件分离以使耦合在从动件上的绕线筒处于自由放线状态，通过该传动装置，能够避免外骨骼机器人在用户自由活动时对用户的阻碍。

Description

一种传动装置及外骨骼机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种传动装置及外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人能够减轻单兵作战、灾后救援、铁路维护等高强度体力劳动行业的从业人员的工作强度，能够提高其工作效率，减轻体力劳动导致的身体损伤，同时也能够帮助身体机能日趋下降的老年人，其受到了越来越多的关注。

本申请的发明人在研究中发现，目前几乎所有的外骨骼机器人在穿戴之后都会对人体的自由活动产生限制或者阻碍，且目前大部分对外骨骼机器人的研究工作均在于助力输出上，对穿戴者舒适度考虑较为欠缺，这样虽然在外骨骼机器人进行助力时能够有一定的助力效果，但是当外骨骼机器人出现供电问题时，其会对穿戴者的自由行动造成阻碍，造成了穿戴者的不便。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是如何避免外骨骼机器人在用户自由活动时对用户的阻碍。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种传动装置，包括：

绕线筒，缠绕有鲍登线；

超越离合器，包括主动件和从动件，其中，所述超越离合器的所述从动件与所述绕线筒耦合在一起而与其同步旋转；

驱动机构，与所述超越离合器的所述主动件连接，用于驱动所述主动件运动，以使所述超越离合器在结合状态和超越状态之间切换，其中当所述超越离合器处于所述结合状态时，所述主动件咬合所述从动件以使所述绕线筒随着所述超越离合器的所述从动件旋转而处于收线状态；当所述超越离合器处于所述超越状态时，所述主动件与所述从动件分离以使耦合在所述从动件上的所述绕线筒处于自由放线状态。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种外骨骼机器人，包括上述任一项所述的传动装置。

本申请的有益效果是：本申请中的传动装置通过设置超越离合器，通过驱动机构切换超越离合器的两种不同状态，从而让绕线筒随着超越离合器的状态而在收线状态和自由放线状态之间切换，避免外骨骼机器人在用户自由活动时对用户的阻碍。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本申请传动装置一实施方式的结构示意图；

图2是图1传动装置的爆炸结构示意图；

图3是图1传动装置中超越离合器200的结构示意图；

图4是本申请传动装置另一实施方式的部分结构示意图；

图5是本申请外骨骼机器人一实施方式的结构示意图；

图6是本申请外骨骼机器人另一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参阅图1至图3，图1是本申请传动装置一实施方式的结构示意图，图2是图1传动装置的爆炸结构示意图，图3是图1传动装置中超越离合器的结构示意图，该传动装置包括：驱动机构100、超越离合器200以及绕线筒300。

绕线筒300缠绕有鲍登线，鲍登线通常采用柔软材料制成，具有质量低、弹性低等特点，其中鲍登线的一端固定在绕线筒300上，并在绕线筒300缠绕若干圈后，通过另一端与执行机构连接，例如，鲍登线的一端通过绕线筒300上的销钉固定在绕线筒300上，另一端与外骨骼机器人的腿部穿戴部分连接，以将驱动力穿戴给人体，当用户大腿前移时，鲍登线可以拉动腿部穿戴部分，达到行走助力的目的。

超越离合器200包括主动件210和从动件220，同时从动件220与绕线筒300耦合在一起而与其同步旋转。其中，超越离合器200利用主动件210和从动件220的速度变化或旋转方向变化自动离合。

驱动机构100与超越离合器200的主动件210连接，用于驱动主动件210运动，以使超越离合器200在结合状态和超越状态之间切换。也就是说，通过驱动机构100驱动主动件210运动而使主动件210与从动件220之间的相对状态发生改变，从而使超越离合器200在结合状态和超越状态之间切换。

其中，当超越离合器200处于结合状态时，主动件210咬合从动件220，绕线筒300随着从动件220旋转而处于收线状态；当超越离合器200处于超越状态时，主动件210与从动件220分离，耦合在从动件220上的绕线筒300处于自由放线状态。

具体地，当超越离合器200处于结合状态时，主动件210和从动件220在驱动机构100的驱动下同步旋转，从而带动绕线筒300旋转使鲍登线处于收紧状态而拉动与其连接的执行机构，当超越离合器200处于超越状态时，由于主动件210和从动件220分离，绕线筒300与主动件210也处于分离状态，此时鲍登线处于松弛状态，当与鲍登线连接的执行机构移动拉出绕线筒300上的鲍登线时，从动件220不会再将力矩传递下去，因此鲍登线所受拉力很小，从而不会妨碍执行机构的运动。

从上述内容可知，在上述的传动装置用于外骨骼机器人上时，若需要外骨骼机器人提供助力，则通过驱动机构100驱动超越离合器200处于结合状态，使绕线筒300处于收线状态而拉动与鲍登线连接的执行机构，若用户需要自由活动，则通过驱动机构100驱动超越离合器200处于超越状态，从而绕线筒300上缠绕的鲍登线可以自由地被拉出，从而可以避免外骨骼机器人对用户的阻碍。

继续参阅图2，驱动机构具体包括：电机110、减速器120以及联轴器130。

电机110包括层叠设置的定子111和转子112以及自定子111和转子112的中心向外延伸的输出轴113，输出轴113与主动件210连接，用于输出动力驱动主动件210旋转。

具体地，当电机110从第一方向的旋转状态切换至停止旋转状态或者反向的第二方向的至少预设角度的旋转状态时，超越离合器200从结合状态切换至超越状态；而当电机110从停止旋转状态或者反向的第二方向的至少预设角度的旋转状态切换至第一方向的旋转状态时，超越离合器200从超越状态切换至结合状态。

也就是说，当电机110停止旋转或者反向旋转至少预设角度时，超越离合器200的状态发生改变，因此只要通过控制电机110的旋转状态即可切换超越离合器200的状态，从而间接控制绕线筒300的状态。

在一应用场景中，第一方向为顺时针方向，具体地，当控制电机110顺时针旋转时，超越离合器200处于结合状态，绕线筒300与超越离合器200同步旋转，且处于收线状态，当控制电机110停止旋转或者逆时针旋转预设角度时，超越离合器200处于离合状态，此时绕线筒300处于自由放线状态，此时若拉动绕线筒300上的鲍登线，鲍登线不会将受到的力矩传递下去，因此鲍登线会很容易被拉动。当然在其他应用场景中，第一方向也可以为逆时针方向。

其中预设角度的存在是为了防止由于电机110工作时的惯性、静摩擦力而导致电机110停止旋转后，超越离合器200的状态未得到及时切换。具体地，一般情况下，当电机110停止旋转后，超越离合器200的工作状态便会发生切换，但是在某些特殊情况下，由于电机110的惯性，在电机110停止旋转后，超越离合器200的状态未得到及时切换，因此为了确保超越离合器200的状态能够及时地切换，控制电机110反向旋转至少预设角度。其中预设角度可由设计人员在考虑电机110的规格、工作时的惯性、静摩擦力等因素后确定，例如将预设角度的范围确认为10°至40°之间，如10°、20°、30°或者40°。

为了防止电机110输出的力矩较小而无法驱动超越离合器200的主动件210，本实施方式通过设置减速器120，利用减速增矩原理增大传递至主动件210的转矩，具体地，减速器120的输入端与电机110的输出轴113连接，输出端与超越离合器的主动件210连接，从而将接收到的电机110的动力而驱动主动件210旋转。

其中，减速器为谐波减速器，具体包括：谐波减速器钢轮121、谐波发生器122以及谐波减速器柔轮123，谐波减速器钢轮121作为谐波减速器的输入端与电机110的输出轴113连接，谐波减速器柔轮123作为谐波减速器的输出端与超越离合器200的主动件210连接。

由于电机110的输出轴113为光轴，无法直接与减速器120的输入端连接，本实施方式中还通过设置联轴器130，将联轴器130分别与电机110的输出轴113、减速器120的输入端连接，具体地，联轴器130与谐波减速器钢轮121连接。

继续参阅图3，本实施方式中的超越离合器200包括作为主动件210的主动爪轮210和套设在主动爪轮210外侧作为从动件220的从动外圈220以及设置在主动爪轮210和从动外圈220之间间隙处的阻挡块230、弹簧240。

在本实施方式中绕线筒300套设在从动外圈220上，既保证绕线筒300能够与从动外圈220同步旋转，也能缩小传动装置的体积。

主动爪轮210设有爪件211，阻挡块230通过弹簧240与爪件211连接，当弹簧240伸长而将阻挡块230推向间隙处的狭窄区域时，主动爪轮210咬合从动外圈220而使超越离合器200从超越状态切换成结合状态，当弹簧240收缩而使阻挡块230脱离间隙处的狭窄区域时，主动爪轮210和从动外圈220分离而使超越离合器200从结合状态切换成超越状态。

下面以当电机110顺时针旋转时，超越离合器200便会处于结合状态对超越离合器200的工作原理做详细的介绍。

当电机110自静止状态开始顺时针旋转时，由于减速器120的输入端与电机110的输出轴113连接，因此减速器120也与电机110同步顺时针旋转，从而带动与减速器120输出端连接的超越离合器200的主动件210顺时针旋转，由于惯性的作用，此时弹簧240会被拉长，阻挡块230相对于主动爪轮210而言便会为逆时针运动，且被推向主动爪轮210和从动外圈220之间间隙处的狭窄区域，故而阻挡块230卡死，此时主动爪轮210与从动外圈220咬合，通过静摩擦力，从动外圈220被驱动运动，此时主动爪轮210和从动外圈220同步运动，超越离合器200处于结合状态。当电机110停止旋转(或反转一定角度)时，此时主动爪轮210相对从动外圈220为顺时针转动，从而从动外圈220带动阻挡块230脱离主动爪轮210和从动外圈220之间间隙处的狭窄区域，此时由于弹簧240的作用，阻挡块230将从从动外圈220脱开且不会再次进入主动爪轮210和从动外圈220之间间隙处的狭窄区域，超越离合器200的主动爪轮210与从动外圈220分离，超越离合器200处于分离状态。

从上述内容可以看出，当电机110停止旋转或反向旋转一定角度时，绕线筒300便会在收线状态和自由放线状态之间切换，也就是说，当用户需要自由活动时，只要电机110停止旋转或反向旋转一预设角度即可。现有技术中一般都要通过控制电机正反转而使外骨骼机器人不会对用户的自由活动产生限制，且在电机失电后，外骨骼机器人仍会对用户的自由活动产生限制，因此本申请通过采用超越离合器200，能够避免电机110产生空转耗能的问题，即在本实施方式中，电机110只需要间断性进行旋转即可。

在一应用场景中，绕线筒300缠绕有多根鲍登线，多根鲍登线的缠绕方向不完全相同。由于多个鲍登线的缠绕方向不完全同，因此多个鲍登线的状态也不完全相同。具体地，两个缠绕反向相反的鲍登线的状态相反，能够分别提供两个方向的助力。同时多个鲍登线可以与外骨骼机器人不同的部分连接，提供不同关节的助力。

参阅图4，图4本申请传动装置另一实施方式的部分结构示意图，在该实施方式中，传动装置包括转轴400、多个超越离合器200及与多个超越离合器200一一对应的多个绕线筒300，转轴400的一端与驱动机构100连接，转轴400依次穿过多个超越离合器200各自的主动爪轮210而与多个超越离合器200各自的主动爪轮210固定连接，其中在驱动机构100的驱动下，超越离合器的状态不完全相同。

具体地，通过多个超越离合器200并列排布，并使多个超越离合器200的安装方向不完全相同，保证无论电机110是正转还是反转，传动装置都能够提供不同方向的助力，或者是不同关节的助力。

参阅图5，图5是本申请外骨骼机器人一实施方式的结构示意图。外骨骼机器人10包括传动装置20，该传动装置20为上述任一项实施方式中的传动装置，具体其结构可参见上述实施方式，在此不再赘述。

参阅图6，图6是本申请外骨骼机器人另一实施方式的结构示意图，在该实施方式中，外骨骼机器人10还包括：传感器30以及控制器40。

传感器30用于获取用户的运动信息，控制器40分别与传感器30以及传动装置20中的驱动机构100耦接，用于根据运动信息而控制驱动机构100驱动超越离合器200的主动件210的运动。

具体地，传感器30可以是惯性测量单元传感器(IMU)，其可以固定在用户腰部、大腿侧部或者前部等位置来获取用户的运动信息，例如获取用户腿部的速度、加速度以及倾角，在传感器30获取到用户的运动信息后，将获取的运动信息发送给控制器40，控制器40分析该运动信息，判断用户的运动方向是否与预设的助力方向一致，当两者一致时，则表明此时需要外骨骼机器人提供助力，则控制驱动机构100驱动超越离合器200的主动件210，使超越离合器200处于结合状态而绕线筒300处于收线状态，从而鲍登线拉动外骨骼机器人的执行机构运动，达到助力的目的，当判断出用户的运动方向与预设的助力方向不一致时，控制器40控制驱动机构100驱动超越离合器200中的主动件210，使超越离合器200处于分离状态而绕线筒300处于自由方向状态，从而当外骨骼机器人中的执行机构需要从绕线筒300中拉出鲍登线时，鲍登线不会将力矩传递到电机110中，鲍登线会很容易被拉动，从而不会妨碍用户的自由活动。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种传动装置，其特征在于，包括：

绕线筒，缠绕有鲍登线；

超越离合器，包括主动件和从动件，其中，所述超越离合器的所述从动件与所述绕线筒耦合在一起而与其同步旋转；

驱动机构，与所述超越离合器的所述主动件连接，用于驱动所述主动件运动，以使所述超越离合器在结合状态和超越状态之间切换，其中当所述超越离合器处于所述结合状态时，所述主动件咬合所述从动件以使所述绕线筒随着所述超越离合器的所述从动件旋转而处于收线状态；当所述超越离合器处于所述超越状态时，所述主动件与所述从动件分离以使耦合在所述从动件上的所述绕线筒处于自由放线状态。

2.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，所述驱动机构包括：

电机，包括层叠设置的定子和转子以及自所述定子和所述转子的中心向外延伸的输出轴，所述输出轴与所述主动件连接，用于输出动力驱动所述主动件旋转，其中，当所述电机从第一方向的旋转状态切换至停止旋转状态或者反向的第二方向的至少预设角度的旋转状态时，所述超越离合器从所述结合状态切换至所述超越状态；而当所述电机从停止旋转状态或者反向的第二方向的至少预设角度的旋转状态切换至第一方向的旋转状态时，所述超越离合器从所述超越状态切换至所述结合状态。

3.根据权利要求2所述的传动装置，其特征在于，所述驱动机构还包括：

减速器，其输入端与所述电机的所述输出轴连接，输出端与所述超越离合器的所述主动件连接，用于接收所述电机输出的动力而驱动所述主动件旋转。

4.根据权利要求3所述的传动装置，其特征在于，

所述减速器为谐波减速器，包括：谐波减速器钢轮、谐波发生器以及谐波减速器柔轮，所述谐波减速器钢轮作为所述谐波减速器的输入端与所述电机的所述输出轴连接，所述谐波减速器柔轮作为所述谐波减速器的输出端与所述超越离合器的所述主动件连接。

5.根据权利要求3所述的传动装置，其特征在于，所述驱动机构还包括：

联轴器，分别与所述电机的输出轴及所述减速器的输入端连接。

6.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，所述绕线筒缠绕有多根所述鲍登线，多根所述鲍登线的缠绕方向不完全相同。

7.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于，

所述超越离合器包括作为所述主动件的主动爪轮和套设在所述主动爪轮外侧作为所述从动件的从动外圈以及设置在所述主动爪轮和所述从动外圈之间间隙处的阻挡块、弹簧，所述主动爪轮设有爪件，所述阻挡块通过所述弹簧与所述爪件连接，当所述弹簧伸长而将所述阻挡块推向所述间隙处的狭窄区域时，所述主动爪轮咬合所述从动外圈而使所述超越离合器从所述超越状态切换成所述结合状态，当所述弹簧收缩而使所述阻挡块脱离所述间隙处的所述狭窄区域时，所述主动爪轮和所述从动外圈分离而使所述超越离合器从所述结合状态切换成所述超越状态，其中，所述绕线筒套设在所述从动外圈上。

8.根据权利要求7所述的传动装置，其特征在于，

所述传动装置包括转轴、多个所述超越离合器及与所述多个所述超越离合器一一对应的多个所述绕线筒，所述转轴的一端与驱动机构连接，所述转轴依次穿过所述多个超越离合器各自的所述主动爪轮而与所述多个超越离合器各自的所述主动爪轮固定连接，其中在所述驱动机构的驱动下，所述超越离合器的状态不完全相同。

9.一种外骨骼机器人，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的传动装置。

10.根据权利要求9所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述机器人还包括：

传感器，用于获取用户的运动信息；

控制器，分别与所述传感器以及所述驱动机构耦接，用于根据所述运动信息而控制所述驱动机构驱动所述超越离合器的所述主动件的运动。