CN109773762B - 一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构 - Google Patents

Abstract

一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，包括整体支撑装置、导轨滑块装置、电机调节装置以及丝杆自动传动装置，腿部自动连续调节伸缩机构与现有的手动间隔调节机构相比，极大地改善了人体穿戴的舒适性和运动的灵活性，由于人体和外骨骼机器人之间匹配精确度高，电机产生的能量可以很大程度上用于驱动人体的运动，提高了电机的使用效率，而且较高的匹配精确度可以提高人机之间的耦合性，减少外骨骼机器人自身零部件的磨损，提高外骨骼机器人的使用寿命，本发明采用模块化设计，选择不同的导轨量程可以适应不同的人群，降低了开发成本。

Description

一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构。

背景技术

外骨骼机器人是穿戴在人体外部的一种典型的人机一体化系统，综合了机械设计、控制、信息融合等机器人技术，将人的智力和机器人的“体力”结合在一起，提供动力以辅助人的运动。近20年来，外骨骼机器人作为一款辅助人体的装备得到了广泛的应用。

现有的外骨骼机器人腿部调节伸缩机构采用手动间隔调节的方式，即采用螺栓间隔固定以及联合手动调节的方式，这种手动间隔调节设计方式导致人体和外骨骼机器人之间的匹配度较差，降低人体穿戴的舒适性和运动的灵活性，而且在一定程度上还损失了电机的使用效率、减少外骨骼机器人的使用寿命。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，能够对机器人腿部进行自动连续调节，具有穿戴舒适、灵活性高、成本低的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，包括整体支撑装置1、导轨滑块装置2、电机调节装置3、丝杆自动传动装置4，导轨滑块装置2、电机调节装置3、丝杆自动传动装置4均与整体支撑装置1相连；

所述整体支撑装置1包括通过外加电源模块和控制模块驱动而转动的无刷电机5，无刷电机5、谐波减速机6、关节支撑板7自上而下设置，无刷电机5与谐波减速机6固结，谐波减速机6与关节支撑板7固结；

所述导轨滑块装置2包括导轨固定板9，所述导轨固定板9的一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板7上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，导轨固定板9上固定安装有导轨8，导轨8的一端与关节支撑板7相接触，导轨8的另一端固定连接导轨固定端10，导轨固定端10并与滑块固定端13固定连接，滑块11通过其内部的凹槽轨道与导轨8滑动相连，滑块11分别与滑块固定板12和滑块固定端13固结，将滑块11、滑块固定板12、滑块固定端13连接为一个整体，滑块固定板12的一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板7上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接；

所述电机调节装置3包括小型同步带轮14，小型同步带轮14通过顶丝连接到有刷电机15的电机输出轴上，有刷电机15的一端自带有与螺栓连接的螺纹孔，电机固定座16和调节滑块固定座17均通过其上的螺纹孔与有刷电机15固定连接，电机调节滑块18通过其上的螺纹孔与调节滑块固定座17固定连接，电机调节滑块18通过其内部设置的凹槽轨道与电机调节导轨19滑动连接，电机调节导轨19与圆端固定板20固定连接，圆端固定板20与L型连接板21横向方向的螺纹孔通过螺栓固定连接，L型连接板21竖直方向的螺纹孔与基座22固定连接，基座22与关节支撑板7固定连接；

所述丝杆自动传动装置4包括一端均为圆弧形状的正旋丝杆螺母基座23和反旋丝杆螺母基座30，正旋丝杆螺母基座23和反旋丝杆螺母基座30的圆弧形状与关节支撑板7上圆弧形状的凹槽匹配固定连接，正旋丝杆螺母基座23和反旋丝杆螺母基座30分别与正旋丝杆螺母24、反旋丝杆螺母29固定连接，正旋丝杆螺母24和反旋丝杆螺母29分别通过其内部的梯形螺纹与正旋丝杆25、反旋丝杆28连接，正旋丝杆25和反旋丝杆28相对的一端均与平键26相配合，正旋丝杆25扁平端、反旋丝杆28扁平端、平键26三者相接触并一起和大型同步带轮27内部过盈连接，大型同步带轮27上套有同步带31。

所述无刷电机5和谐波减速机6的圆周上均开设有等间距的八个螺纹孔，两者通过八个螺纹孔固定连接。

所述滑块11上面开有四个螺纹孔，通过四个螺纹孔分别与滑块固定板12上面的两个螺纹孔和滑块固定端13上面的两个螺纹孔对齐通过螺栓固定连接，将滑块11、滑块固定板12、滑块固定端13连接为一个整体。

所述电机调节导轨19与圆端固定板20上面均设有相同的等间距的螺纹孔，通过螺栓按照等间距的螺纹孔将电机调节导轨19与圆端固定板20固定连接。

本发明的有益效果是：

本发明采用有刷电机通过同步带传送实现自动调节，改变了现有的外骨骼机器人腿部调节伸缩机构采用手动调节的方式，可以实现腿部自动连续调节功能，提高了外骨骼机器人腿部调节的自动化程度和运动灵活性，降低了手动调节的工作量，减少了手动调节带来的误差。本发明采用正反旋丝杆连续调节方式，改变了现有的外骨骼机器人腿部调节伸缩机构采用螺栓间隔固定调节的方式，可以实现人体和外骨骼机器人之间的匹配精确度，提高人体穿戴的舒适性和运动的灵活性，由于人体和外骨骼机器人之间匹配精确度高，电机产生的能量可以很大程度上用于驱动人体的运动，进而提高了电机的使用效率。而且较高的匹配精确度可以提高人机之间的耦合性，减少外骨骼机器人自身零部件的磨损，降低开发成本、提高外骨骼机器人的使用寿命。

自动连续调节伸缩机构的调节范围可以在满足不同身高的人群穿戴，在一定程度上提高了外骨骼机器人的重复使用率，节约开发成本。

附图说明

图1是外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构结构示意图。

图2是外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构的整体支撑装置的分解结构示意图。

图3是外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构的导轨滑块装置的分解结构示意图。

图4是外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构的电机调节装置的分解结构示意图。

图5是外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构的丝杆自动传动装置的分解结构示意图。

附图标记如下：1整体支撑装置、2导轨滑块装置、3电机调节装置、4丝杆自动传动装置、5无刷电机、6谐波减速机、7关节支撑板、8导轨、9导轨固定板、10导轨固定端、11滑块、12滑块固定板、13滑块固定端、14小型同步带轮、15有刷电机、16电机固定座、17调节滑块固定座、18电机调节滑块、19电机调节导轨、20圆端固定板、21L型连接板、22基座、23正旋丝杆螺母基座、24正旋丝杆螺母、25正旋丝杆、26平键、27大型同步带轮、28反旋丝杆、29反旋丝杆螺母、30反旋丝杆螺母基座、31同步带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构如图1所示，包括整体支撑装置1、导轨滑块装置2、电机调节装置3、丝杆自动传动装置4，用于实现腿部自动连续调节且穿戴舒适、运动灵活、人机耦合的机械装置。其中，导轨滑块装置2与整体支撑装置1相连，电机调节装置3与整体支撑装置1相连，丝杆自动传动装置4与整体支撑装置1相连。

整体支撑装置的分解结构如图2所示，所述整体支撑装置2包括自上而下设置的无刷电机5、谐波减速机6、关节支撑板7，无刷电机5与谐波减速机6通过分布在两者圆周等间距的8个螺纹孔固定连接，通过外加电源模块和控制模块驱动无刷电机5转动，同时无刷电机5转子按照相应的减速比带动谐波减速机6转动，使谐波减速机6输出相应的转矩。为了支撑无刷电机5和谐波减速机6这两个模块，将谐波减速机6与关节支撑板7通过螺纹固定连接。

导轨滑块装置的分解结构如图3所示，所述导轨滑块装置2包括导轨8、导轨固定板9、导轨固定端10、滑块11、滑块固定板12、滑块固定端13，所述导轨固定板9的一端设计成圆弧形状，在圆弧形状上面设有螺纹孔，关节支撑板7设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将导轨固定板9的圆弧形状和关节支撑板7的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接，导轨固定板9上安装有导轨8，两者通过等间隔的螺纹孔固定连接，导轨8的一端与关节支撑板7相接触，导轨8的另一端通过螺纹固定连接导轨固定端10，导轨固定端10上面设置有螺纹孔，滑块11内部设置有凹槽轨道，凹槽轨道与导轨8滑动相连，滑块11可以沿着导轨8做直线往复运动，以便于达到连续调节腿部长度的目的。滑块11上面设置有四个螺纹孔，这四个螺纹孔分别与滑块固定板12上面的两个螺纹孔和滑块固定端13上面的两个螺纹孔对齐通过螺栓固定连接，这样的话就将滑块11、滑块固定板12、滑块固定端13连接为一个整体，滑块固定端13与导轨固定端10通过螺栓固定连接，以保持当前调节的高度。针对不同的身高人群可以选择适当的导轨8长度。滑块固定板12的一端设计成圆弧形状，在圆弧形状上面设有螺纹孔，关节支撑板7设计有相同圆弧形状的凹槽，凹槽上面也设有螺纹孔，将滑块固定板12的圆弧形状和关节支撑板7的圆弧形状的凹槽对齐并通过螺纹固定连接。

电机调节装置的分解结构如图4所示，电机调节装置3包括小型同步带轮14、有刷电机15、电机固定座16、调节滑块固定座17、电机调节滑块18、电机调节导轨19、圆端固定板20、L型连接板21、基座22，小型同步带轮14通过顶丝连接到有刷电机15的电机输出轴上面，电机输出轴转动将带动小型同步带轮14一起转动，有刷电机15的一端自带有与螺栓连接的螺纹孔，电机固定座16上面设计有螺纹孔，调节滑块固定座17底端也设计有螺纹孔，这样就可以通过螺栓将有刷电机15、电机固定座16、调节滑块固定座17连接为一个整体，调节滑块固定座17侧面设计有两个螺纹孔，电机调节滑块18上面自带有两个螺纹孔，通过螺栓将调节滑块固定座17和电机调节滑块18固定连接，电机调节滑块18内部设计有凹槽轨道，凹槽轨道与电机调节导轨19滑动连接，通过电机调节滑块18与电机调节导轨19的直线往复运动带动电机的上下高度调节。电机调节导轨19与圆端固定板20上面都设计有相同的等间距的螺纹孔，通过螺栓按照等间距的螺纹孔将电机调节导轨19与圆端固定板20固定连接，圆端固定板20与L型连接板21横向方向的螺纹孔通过螺栓固定连接、L型连接板21竖直方向的螺纹孔与基座22通过螺栓固定连接、关节支撑板7上面专门设计有用于连接基座22的螺纹孔，通过螺栓将基座22与关节支撑板7固定连接。

丝杆自动传动装置的分解结构如图5所示，丝杆自动传动装置4包括正旋丝杆螺母基座23、正旋丝杆螺母24、正旋丝杆25、平键26、大型同步带轮27、反旋丝杆28、反旋丝杆螺母29、反旋丝杆螺母基座30、同步带31，首先在关节支撑板7的一端专门设计有两个圆弧形状的凹槽，这两个圆弧形状的凹槽与正旋丝杆螺母基座23的圆弧形状端相对应，通过螺栓可以将正旋丝杆螺母基座23固定在关节支撑板7上面、正旋丝杆螺母24的一端设计成扁平形状可以与正旋丝杆螺母基座23的方形端相匹配，通过螺栓将两者进行连接、正旋丝杆螺母24内部设计有梯形螺纹，刚好与正旋丝杆25通过梯形螺纹连接，正旋丝杆25的一端设计成扁平形状为了与平键26相配合，相同的反旋丝杆28的一端也被设计成扁平形状为了与平键26相配合，正旋丝杆25扁平端、反旋丝杆28扁平端、平键26三者相接触并一起和大型同步带轮27内部过盈连接，当同步带31带动大型同步带轮27转动的同时，也会同时带动正旋丝杆25、反旋丝杆28、平键26一起转动，反旋丝杆螺母24内部设计有梯形螺纹，刚好与反旋丝杆28通过梯形螺纹连接，反旋丝杆螺母29扁平端和反旋丝杆螺母基座30的形状和安装连接方式与正旋丝杆相同。

有刷电机15转动带动小型同步带轮14，小型同步带轮14通过同步带31带动大型同步带轮27，大型同步带轮27同时带动正旋丝杆25、反旋丝杆28并通过与正旋丝杆螺母24、反旋丝杆螺母29的配合，以及导轨滑块装置2的联动实现自动连续调节的目的。

Claims (4)

1.一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，其特征在于，包括整体支撑装置(1)、导轨滑块装置(2)、电机调节装置(3)、丝杆自动传动装置(4)，导轨滑块装置(2)、电机调节装置(3)、丝杆自动传动装置(4)均与整体支撑装置(1)相连；

所述整体支撑装置(1)包括通过外加电源模块和控制模块驱动而转动的无刷电机(5)，无刷电机(5)、谐波减速机(6)、关节支撑板(7)自上而下设置，无刷电机(5)与谐波减速机(6)固结，谐波减速机(6)与关节支撑板(7)固结；

所述导轨滑块装置(2)包括导轨固定板(9)，所述导轨固定板(9)的一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板(7)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接，导轨固定板(9)上固定安装有导轨(8)，导轨(8)的一端与关节支撑板(7)相接触，导轨(8)的另一端固定连接导轨固定端(10)，导轨固定端(10)并与滑块固定端(13)固定连接，滑块(11)通过其内部的凹槽轨道与导轨(8)滑动相连，滑块(11)分别与滑块固定板(12)和滑块固定端(13)固结，将滑块(11)、滑块固定板(12)、滑块固定端(13)连接为一个整体，滑块固定板(12)的一端为开有螺纹孔的圆弧形状，与关节支撑板(7)上相同圆弧形状的凹槽配合固定连接；

所述电机调节装置(3)包括小型同步带轮(14)，小型同步带轮(14)通过顶丝连接到有刷电机(15)的电机输出轴上，有刷电机(15)的一端自带有与螺栓连接的螺纹孔，电机固定座(16)和调节滑块固定座(17)均通过其上的螺纹孔与有刷电机(15)固定连接，电机调节滑块(18)通过其上的螺纹孔与调节滑块固定座(17)固定连接，电机调节滑块(18)通过其内部设置的凹槽轨道与电机调节导轨(19)滑动连接，电机调节导轨(19)与圆端固定板(20)固定连接，圆端固定板(20)与L型连接板(21)横向方向的螺纹孔通过螺栓固定连接，L型连接板(21)竖直方向的螺纹孔与基座(22)固定连接，基座(22)与关节支撑板(7)固定连接；

所述丝杆自动传动装置(4)包括一端均为圆弧形状的正旋丝杆螺母基座(23)和反旋丝杆螺母基座(30)，正旋丝杆螺母基座(23)和反旋丝杆螺母基座(30)的圆弧形状与关节支撑板(7)上圆弧形状的凹槽匹配固定连接，正旋丝杆螺母基座(23)和反旋丝杆螺母基座(30)分别与正旋丝杆螺母(24)、反旋丝杆螺母(29)固定连接，正旋丝杆螺母(24)和反旋丝杆螺母(29)分别通过其内部的梯形螺纹与正旋丝杆(25)、反旋丝杆(28)连接，正旋丝杆(25)和反旋丝杆(28)相对的一端均与平键(26)相配合，正旋丝杆(25)扁平端、反旋丝杆(28)扁平端、平键(26)三者相接触并一起和大型同步带轮(27)内部过盈连接，大型同步带轮(27)上套有同步带(31)。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，其特征在于，所述无刷电机(5)和谐波减速机(6)的圆周上均开设有等间距的八个螺纹孔，两者通过八个螺纹孔固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，其特征在于，所述滑块(11)上面开有四个螺纹孔，通过四个螺纹孔分别与滑块固定板(12)上面的两个螺纹孔和滑块固定端(13)上面的两个螺纹孔对齐通过螺栓固定连接，将滑块(11)、滑块固定板(12)、滑块固定端(13)连接为一个整体。

4.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人腿部自动连续调节伸缩机构，其特征在于，所述电机调节导轨(19)与圆端固定板(20)上面均设有相同的等间距的螺纹孔，通过螺栓按照等间距的螺纹孔将电机调节导轨(19)与圆端固定板(20)固定连接。

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