CN109702716A - 一种关节驱动器及外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节驱动器和外骨骼系统，关节驱动器包括动力装置，输出装置包括第一输出组件、第二输出组件和弹性驱动体，所述第一输出组件与所述动力装置的输出端连接，所述弹性驱动体的两侧分别与第一输出组件和第二输出组件连接，检测装置包括第一检测组件和第二检测组件，所述第一检测组件与所述第一输出组件连接，所述第二检测组件与所述第二输出组件连接。本发明通过第一检测组件对第一输出组件运动状态的检测、第二检测组件对第二输出组件运动状态的检测，并将数据反馈至动力装置，使动力装置调整对输出装置的驱动力，以配合人体关节的活动，提高了外骨骼系统与人体结合度及实用性。

Description

一种关节驱动器及外骨骼系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种关节驱动器及外骨骼系统。

背景技术

随着机器人技术的飞速发展，外骨骼机器人作为一种新型技术应用于康复工程中，该机器人实现了外骨骼与人体之间的高度耦合，并为人体行走和运动提供动力，减轻了人体劳动及负载重物时的工作强度，同时保证了人体与外骨骼活动的灵活性及安全性。

驱动器作为外骨骼机器人各关节之间的连接结构及动力装置，驱动各关节相对转动从而为使用者行走及运动提供动力，但现有的驱动器只具有驱动作用，不能通过输出端获取人体的活动信息，因此不能实时调整驱动力以配合人体的具体运动，实用性低。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种关节驱动器及外骨骼系统，以克服现有的外骨骼与人体的运动配合度低，实用性不高的缺陷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种关节驱动器，包括，

动力装置；

输出装置，所述输出装置包括第一输出组件、第二输出组件和弹性驱动体，所述第一输出组件与所述动力装置的输出端连接并在动力装置的驱动下运动，所述弹性驱动体的两侧分别与第一输出组件和第二输出组件连接，所述弹性驱动体在所述第一输出组件的驱动下带动所述第二输出组件运动；

检测装置，所述检测装置包括第一检测组件和第二检测组件，所述第一检测组件与所述第一输出组件连接，所述第二检测组件与所述第二输出组件连接，所述动力装置接收所述第一检测组件和第二检测组件的检测数值并调整对所述输出装置的动力驱动。

在一种优选的实施方式中，所述第一输出组件还包括安装壳，所述弹性驱动体容置于所述安装壳内，所述弹性驱动体能够沿所述安装壳的内壁弹性伸缩。

在一种优选的实施方式中，所述第一输出组件包括第一传动体，所述第二输出组件包括第二传动体，所述第一传动体与所述安装壳固定连接，所述第二传动体与所述弹性驱动体连接。

在一种优选的实施方式中，所述弹性驱动体呈盘状并相对其中心对称，所述弹性驱动体的中心处设有端轴，所述端轴插入所述第二传动体内并带动第二传动体转动，所述端轴与所述弹性驱动体的边缘之间设有盘旋的弹性片。

在一种优选的实施方式中，所述弹性驱动体的边缘设有限位块，所述安装壳的外壁上设有用于卡入所述限位块的卡槽。

在一种优选的实施方式中，所述第一检测组件包括第一转轮和第一检测单元，所述第一转轮跟随所述第一传动体转动，所述第一检测单元与所述第一转轮连接；所述第二检测组件包括第二转轮和第二检测单元，所述第二转轮跟随第二传动体转动，所述第二检测单元与第二转轮连接。

在一种优选的实施方式中，还包括谐波减速器，所述谐波减速器位于所述动力装置与所述输出装置之间，所述动力装置的输出端设有动力转轴，所述动力转轴穿过所述谐波减速器的输入端，所述谐波减速器的输出端与所述安装壳连接。

在一种优选的实施方式中，还包括限位装置，所述限位装置包括限位压盘，所述第二输出组件还包括输出转盘，所述输出转盘与第二传动体连接并跟随所述第二传动体转动，所述限位压盘的内壁上设有对所述输出转盘限位的限位体。

在一种优选的实施方式中，所述限位压盘呈环状，所述输出转盘的边缘设有凸块，所述凸块与所述限位压盘的内壁接触，所述凸块移动至所述限位体处时，所述限位体对所述凸块抵持。

在一种优选的实施方式中，所述限位装置还包括限位片，所述限位片与所述输出转盘连接，所述限位片的端部突出所述输出转盘的边缘并与所述限位压盘的内壁接触，所述限位片跟随所述输出转盘移动，当所述限位片移动至所述限位体处时，所述限位体抵持所述限位片。

在一种优选的实施方式中，所述限位组件还包括安装座，所述安装座设有一主体，所述主体呈壳状，所述限位压盘与所述主体固定连接，所述第一传动体、第二传动体、安装壳及弹性驱动体容置于所述主体内。

在一种优选的实施方式中，所述安装座还设有一基体，所述基体与主体一体连接，所述第一检测组件和第二检测组件与所述基体连接，所述基体上还设有用于连接关节的安装位。

本发明还提供了一种外骨骼系统，包括前述的关节驱动器和活动关节，所述关节驱动器连接于不同的活动关节之间并驱动所述活动关节相互转动。

本发明的有益效果是：本发明中的关节驱动器及外骨骼系统，通过第一检测组件对第一输出组件运动状态的检测、第二检测组件对第二输出组件运动状态的检测，并将数据反馈至动力装置，使动力装置调整对输出装置的驱动力，以配合人体关节的活动，提高了外骨骼系统与人体结合度及实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明关节驱动器一个实施例的爆炸示意图；

图2是本发明关节驱动器一个实施例的立体示意图；

图3是本发明动力装置一个实施例的立体示意图；

图4是本发明弹性驱动体一个实施例的立体示意图；

图5是本发明限位装置一个实施例的爆炸示意图；

图6是本发明限位装置一个实施例的立体示意图；

图7是本发明安装座一个实施例的立体示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1和图2，本发明中的一关节驱动器300的实施例包括动力装置310、输出装置320、检测装置330和限位装置340。动力装置310作为动力源为其他装置的运动提供动力，动力装置310与输出装置320连接并驱动输出装置320运动。检测装置330与输出装置320连接并对输出装置320的运动状态进行检测，动力装置310接收检测装置330的检测数据，并调整对输出装置320的动力驱动，以适应使用者的活动情况。限位装置340与输出装置320连接并对输出装置320的运动进行限位，防止运动幅度多大对人体造成损伤。通过检测装置330对输出装置320的运动检测及数据反馈，提高了输出装置320对人体运动的配合度，提高使用者活动的舒适性及关节驱动器300的实用性。

具体的，结合图3，动力装置310可选用电机，动力装置310与输出装置320之间设有谐波减速器350，谐波减速器350具有传动速比大、承载能力高、传动精度高、体积小、重量轻的特点。优选的，结合图3，动力装置310与谐波减速器350之间设有连接法兰311，连接法兰311可通过螺纹紧固件与谐波减速器350和动力装置310连接。还包括连接圆环312和连接座313，动力装置310的输出轴穿过连接圆环312的中心插入连接座313内，连接圆环312上设有卡接槽3121，连接座313上设有可插入卡接槽3121的凸块3131，从而实现连接圆环312与连接座313的周向固定。连接座313与谐波减速器350内圈的输入端固定连接，因此动力装置310的输出轴转动时通过连接圆环312、连接座313带动谐波减速器350的进行转动，实现动力装置310与谐波减速器350之间的运动传递。

谐波减速器350的输出端与输出装置320连接，将动力装置310的动力传递至输出装置320处。具体的，输出装置320包括第一输出组件321和第二输出组件322，第一输出组件321与谐波减速器350连接，第一输出组件321与第二输出组件322之间设有弹性驱动体360，通过弹性驱动体360实现第一输出组件321与第二输出组件322之间的运动传递。弹性驱动体360跟随第一输出组件321产生弹性运动，缓冲动力装置310对人体关节造成的冲击，使关节驱动器300的驱动模式与人体肌肉的驱动相同，通过肌肉驱动关节产生驱动力矩，并以低阻尼的被动方式放松肌肉，从而在遇到外界环境模式变化时，肌肉带动关节做出灵活调整以适应环境变化。

第一输出组件321包括第一传动体3211，第二输出组件322包括第二传动体3221，本发明实施例中的第一传动体3211和第二传动体3221优选为齿轮。第一输出组件321还包括安装壳370，第一传动体3211套设于安装壳370靠近动力装置310的一侧并与安装壳370固定连接，弹性驱动体360容置于安装壳370内。检测装置330包括第一检测组件331和第二检测组件332，第一检测组件331与第一传动体3211连接并对第一传动体3211的运动状态进行检测，第二检测组件332与第二传动体3221连接并对第二传动体3221的运动状态进行检测；第一检测组件331所测得的数据即为动力装置310输出端及输出装置320输入端的运动数据，第二检测组件332所测得的数据即为输出装置320输出端的运动数据，因此通过输出装置320输入端及输出端数据的检测及反馈，可实时监控使用者的运动状态及动力装置310的运动传递情况，从而根据该情况配合调整以适应使用者的具体活动。

以第一检测组件331为例进行描述(第二检测组件332与第一检测组件331的结构大致相同)，第一检测组件331包括传动轮3311和第一检测单元3312，传动轮3311优选为齿轮结构，传动轮3311与第一传动体3211连接并跟随第一传动体3211转动，第一检测单元3312与传动轮3311连接并对传动轮3311的运动状态进行检测；第一检测单元3312可直接与传动轮3311连接，本发明实施例中在第一检测单元3312的端部设有一传动轴3313，传动轴3313插入传动轮3311中心处，并跟随传动轮3311的转动而转动，从而实现第一检测单元3312对传动轮3311的运动检测。

图1中未示出第二检测组件332的具体结构，但参见第一检测组件331的结构描述可知，第二检测组件332也包括传动轮和第二检测单元，传动轮优选为齿轮结构，传动轮与第二传动体3221连接并跟随第二传动体3221转动，第二检测单元与传动轮连接并对传动轮的运动状态进行检测；第二检测单元也可直接与传动轮连接，本发明实施例中在第二检测单元的端部设有一传动轴，传动轴插入传动轮中心处，并跟随传动轮的转动而转动，从而实现第二检测单元对传动轮的运动检测。

本发明实施例中的第一检测单元3312和第二检测单元优选为编码器，分别用于读取跟随第一传动体3211和第二传动体3221转动的传动轮的转动角度，通过第一检测单元3312及第二检测单元所检测的转动角度，得出弹性驱动体360的变形量以及第二输出组件322的角度位移，从而可计算出输出装置320输出力的大小，不需使用测力传感器即达到对输出力的精确测量，并通过输出角度精确控制人体关节的摆动幅度，防止使用者关节受到冲击或伤害，提高外骨骼使用的安全性能。

结合图4，弹性驱动体360呈盘状结构，弹性驱动体360的边缘处设有环形弹性框361，该弹性框361的外表面设有凸起362，安装壳370上设有与凸起362配合的凹槽371，弹性驱动体360容置于安装壳370内后，凸起362恰好插入凹槽371，安装壳370与谐波减速器350的输出端固定连接，因此在安装壳370跟随谐波减速器350转动时，弹性驱动体360跟随安装壳370同步转动。凸起362设有多个，且沿弹性驱动体360周向均匀分布，凹槽371的排布形式与凸起362相同，以保证弹性驱动体360与安装壳370运动传递的稳定性。

弹性驱动体360的中心处设有端轴363，第二传动体3221的中心处设有与端轴363配合的通孔，端轴363的中心呈圆柱形，端轴363穿过第二传动体3221并带动第二传动体3221转动。端轴363与弹性框361之间设有盘旋状的弹性片364，因弹性驱动体360的边缘与第一输出组件321连接，中心处与第二输出组件322连接，安装壳370转动时，边缘处的凸起362带动弹性驱动体360转动，从而使得弹性片364产生弹性位移，并传递至中心处的端轴363，进而端轴363带动第二输出组件322运动，弹性片364所产生的变形量通过检测装置330的检测数据得出。通过设置弹性驱动体360一方面缓解动力装置310的驱动力，达到对使用者关节的缓冲作用；另一方面，通过检测装置330的数据检测，得出弹性驱动体360的变形量及输出角度，从而精确控制驱动力，提供使用者活动的舒适性。

本发明中实施例的弹性片364设有四组，且相对弹性驱动体360的中心对称，便于数据测量及运动传递。

参照图5-图7，限位装置340包括限位压盘341及输出转盘342，第二输出组件322包括转动法兰3222，弹性驱动体360的端轴363插入转动法兰3222并带动转动法兰3222转动，转动法兰3222与输出转盘342固定连接，从而带动输出转盘342旋转，输出转盘342与外骨骼关节连接，输出转盘342的转动实现人体关节的活动。限位装置340还包括安装座343，安装座343上设有用于安装外骨骼关节的安装位，输出转盘342相对安装座343的转动实现外骨骼不同关节之间的相互转动。

具体的,安装座343包括基体3432和本体3431，本体3431的中心处中空且设有一环形的容置腔体，第一传动体3211、第二传动体3221、弹性驱动体360及安装壳370容置于该容置腔体内，结构紧凑，占用空间小。转动法兰3222位于本体3431的中心处并与输出转盘342连接，限位压盘341固定连接于本体3431背离输出装置320的一端，限位压盘341呈环形，输出转盘342位于限位压盘341的中心处并可基于限位压盘341的中心转动。限位压盘341的内壁上设有限位挡块3411，用于对输出转盘342进行限位，使输出转盘342的摆动角度在人体的正常活动范围之内，避免因输出转盘342的转动角度过大，对使用者造成伤害。

限位装置340还包括限位片344，输出转盘342上设有安装限位片344的通槽，限位片344的两端从输出转盘342的边缘突出，限位片344的端部与限位压盘341的内壁接触，并在弹性驱动体360的带动下沿限位压盘341的内壁转动，在限位片344的端部移动至限位挡块3411处时，限位挡块3411对限位片344的端部抵持，从而实现对输出转盘342的限位。本发明实施例中限位挡块3411沿限位压盘341的周向分布有两个，限位挡块3411的数量及距离可根据外骨骼的实际使用情况合理选择；本发明实施例是通过限位挡块3411对限位片344的端部抵持实现定位，也可不设置限位片344，在输出转盘342的边缘设置与限位挡块3411抵持的限位体进行限位，限位结构不限于此。限位片344与输出转盘342背离动力装置310的侧面齐平，为外骨骼关节提供平整的安装平面。

基体3432上还设有一安装架3433，第一检测单元3312及第二检测单元安装于该安装架3433上，传动轴3313穿过安装架3433与传动轮3311连接，本体3431的下方设有供传动轮3311与第二传动体3221连接的开口，从而使检测装置330与限位装置340连接更为紧凑，节省安装空间。基体3432背向安装架3433的一侧设有用于安装外骨骼关节的安装位。

本发明实施例还提供了一种外骨骼系统，该外骨骼系统包括前述的关节驱动器300和多个活动关节，关节驱动器300连接于不同的活动关节之间，并驱动活动关节相互转动。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (13)

1.一种关节驱动器，其特征在于，包括，

动力装置；

输出装置，所述输出装置包括第一输出组件、第二输出组件和弹性驱动体，所述第一输出组件与所述动力装置的输出端连接并在动力装置的驱动下运动，所述弹性驱动体的两侧分别与第一输出组件和第二输出组件连接，所述弹性驱动体在所述第一输出组件的驱动下带动所述第二输出组件运动；

检测装置，所述检测装置包括第一检测组件和第二检测组件，所述第一检测组件与所述第一输出组件连接，所述第二检测组件与所述第二输出组件连接，所述动力装置接收所述第一检测组件和第二检测组件的检测数值并调整对所述输出装置的动力驱动。

2.根据权利要求1所述的关节驱动器，其特征在于，所述第一输出组件还包括安装壳，所述弹性驱动体容置于所述安装壳内，所述弹性驱动体能够沿所述安装壳的内壁弹性伸缩。

3.根据权利要求2所述的关节驱动器，其特征在于，所述第一输出组件包括第一传动体，所述第二输出组件包括第二传动体，所述第一传动体与所述安装壳固定连接，所述第二传动体与所述弹性驱动体连接。

4.根据权利要求3所述的关节驱动器，其特征在于，所述弹性驱动体呈盘状并相对其中心对称，所述弹性驱动体的中心处设有端轴，所述端轴插入所述第二传动体内并带动第二传动体转动，所述端轴与所述弹性驱动体的边缘之间设有盘旋的弹性片。

5.根据权利要求2至4任一项所述的关节驱动器，其特征在于，所述弹性驱动体的边缘设有限位块，所述安装壳的外壁上设有用于卡入所述限位块的卡槽。

6.根据权利要求3所述的关节驱动器，其特征在于，所述第一检测组件包括第一转轮和第一检测单元，所述第一转轮跟随所述第一传动体转动，所述第一检测单元与所述第一转轮连接；所述第二检测组件包括第二转轮和第二检测单元，所述第二转轮跟随第二传动体转动，所述第二检测单元与第二转轮连接。

7.根据权利要求2所述的关节驱动器，其特征在于，还包括谐波减速器，所述谐波减速器位于所述动力装置与所述输出装置之间，所述动力装置的输出端设有动力转轴，所述动力转轴穿过所述谐波减速器的输入端，所述谐波减速器的输出端与所述安装壳连接。

8.根据权利要求3所述的关节驱动器，其特征在于，还包括限位装置，所述限位装置包括限位压盘，所述第二输出组件还包括输出转盘，所述输出转盘与第二传动体连接并跟随所述第二传动体转动，所述限位压盘的内壁上设有对所述输出转盘限位的限位体。

9.根据权利要求8所述的关节驱动器，其特征在于，所述限位压盘呈环状，所述输出转盘的边缘设有凸块，所述凸块与所述限位压盘的内壁接触，所述凸块移动至所述限位体处时，所述限位体对所述凸块抵持。

10.根据权利要求8所述的关节驱动器，其特征在于，所述限位装置还包括限位片，所述限位片与所述输出转盘连接，所述限位片的端部突出所述输出转盘的边缘并与所述限位压盘的内壁接触，所述限位片跟随所述输出转盘移动，当所述限位片移动至所述限位体处时，所述限位体抵持所述限位片。

11.根据权利要求8所述的关节驱动器，其特征在于，所述限位组件还包括安装座，所述安装座设有一主体，所述主体呈壳状，所述限位压盘与所述主体固定连接，所述第一传动体、第二传动体、安装壳及弹性驱动体容置于所述主体内。

12.根据权利要求11所述的关节驱动器，其特征在于，所述安装座还设有一基体，所述基体与主体一体连接，所述第一检测组件和第二检测组件与所述基体连接，所述基体上还设有用于连接关节的安装位。

13.一种外骨骼系统，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的关节驱动器和活动关节，所述关节驱动器连接于不同的活动关节之间并驱动所述活动关节相互转动。