CN109998859B - 一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，所述打滑机构包括：波珠螺丝、打滑连接环、内轴承、外轴承；波珠螺丝固定于外骨骼支架上；打滑连接环的表面设置凹槽，凹槽设计成一边高一边低，凹槽的位置对应波珠螺丝的弹珠；在旋转动力部件的旋转电机正常工作时，弹珠卡接于凹槽使波珠螺丝连接打滑连接环；通过波珠螺丝带动打滑连接环绕着外骨骼支架对应的人体髋关节的旋转轴进行圆周运动，提供行走过程中的助力；在旋转动力部件的旋转电机过载时波珠螺丝的弹簧发生伸缩形变，波珠螺丝的弹珠收入波珠螺丝的腔体内时，使外骨骼支架和旋转动力部件之间处于打滑状态；打滑连接环的内圈连接内轴承的外圈，打滑连接环的外圈连接外轴承的内圈。

Description

一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼机器人，具体地，涉及一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构。
背景技术
目前助行类和脑卒中康复类下肢外骨骼机器人与人体连接依靠关节电机提供扭矩输出，连接刚性太大，当扭矩过大会产生旋转电机过载发热，目前还没有一种很有效的下肢外骨骼机器人具备过扭矩打滑的功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，解决了现有的助行类和脑卒中康复类下肢外骨骼机器人与人体连接的关节电机会扭矩过大，从而过载发热的问题。
根据本发明提供所述打滑机构连接所述下肢外骨骼机器人的控制部件、旋转动力部件和外骨骼支架，所述旋转动力部件设有用于输出旋转力的旋转电机，带动大腿支撑部件给人体大腿提供助力，其特征在于，所述打滑机构包括：波珠螺丝、打滑连接环、内轴承、外轴承；
所述波珠螺丝固定于所述外骨骼支架上；
所述打滑连接环的表面设置凹槽，所述凹槽设计成一边高一边低，形成具有坡度凹槽，所述凹槽的位置对应所述波珠螺丝的弹珠；在所述旋转动力部件的所述旋转电机正常工作时，所述弹珠卡接于所述凹槽使所述波珠螺丝连接所述打滑连接环；通过所述波珠螺丝带动所述打滑连接环绕着所述外骨骼支架对应的人体髋关节的旋转轴进行圆周运动，提供行走过程中的助力；在所述旋转动力部件的所述旋转电机过载时所述波珠螺丝的弹簧发生伸缩形变，所述波珠螺丝的弹珠收入所述波珠螺丝的腔体内时，使所述外骨骼支架和所述旋转动力部件之间处于打滑状态；
所述打滑连接环的内圈连接所述内轴承的外圈，所述打滑连接环的外圈连接所述外轴承的内圈。
所述凹槽设计成一边高一边低，形成具有坡度所述凹槽。便于所述弹珠进/出所述凹槽，更容易实现所述波珠螺丝与所述打滑连接环的连接与断开。
上述的过载打滑机构通过波珠螺丝、打滑连接环的配合，能够巧妙实现旋转打滑状态、圆周运动之间的控制，实现保护电机以及增加和人体运动之间的柔性。
优选地，所述波珠螺丝还包括壳体和弹簧，所述壳体的腔体内设置弹簧和弹珠，所述壳体端部设有一缺口，所述弹珠通过所述缺口能部分外露出所述腔体；所述弹簧顶住所述弹珠，并根据外部对所述弹珠的施加力量产生所述弹簧的伸缩形变，使所述弹珠通过该缺口能收入所述腔体内。
优选地，所述打滑机构包括若干个所述波珠螺丝，所述打滑连接环的表面设置若干个所述凹槽，若干个所述凹槽分别对应所述波珠螺丝的所述弹珠。更加优选地，在所述外骨骼支架上绕人体髋关节旋转轴均匀设置四个所述波珠螺丝，并在所述打滑连接环的表面设置对应数量的凹槽，当所述弹珠在所述凹槽内时，使所述波珠螺丝更好的带动所述打滑连接环绕着人体髋关节的旋转轴进行旋转。
优选地，所述旋转动力部件还包括：减速器和编码器，所述减速器的一端连接所述旋转电机，另一端连接所述大腿支撑部件；所述编码器用于检测所述旋转电机的旋转速度，并传给所述控制部件。
本发明进一步设置为，所述过载打滑机构还包括测量部件，所述测量部件设置于所述打滑连接环，用于测量所述大腿支撑部件和人体大腿之间的扭矩值，并将所述扭矩值传递给所述控制部件。
优选地，所述测量部件为压力传感器，所述压力传感器感应打滑连接环的切线方向的压力，所述压力传感器将所述压力转换成扭矩信号。
优选地，所述打滑连接环外圆周面设置至少一个第一凸起，所述第一凸起上设有压力传感器安装槽，所述压力传感器安装槽位于所述打滑连接环的外周，用于放置所述压力传感器；
优选地，具有以下一种或多种特征：
--所述过载打滑机构还包括设置所述减速器连接支架，所述减速器连接支架连接的内圈与所述外轴承的外圈形成过盈配合连接，使得所述打滑连接环和所述减速器连接支架之间能旋转滑动；减速器连接支架的内圈连接所述旋转动力部件的输出端，所述减速器连接支架的旋转轴的轴心和所述旋转动力部件的旋转轴的轴心重合；
--所述内轴承的内圈连接所述外骨骼支架上的髋关节旋转轴外圈。
优选地，所述减速器连接支架外圆周面设置至少一个第二凸起，所述减速器连接支架的所述第二凸起与所述打滑连接环的所述第一凸起接触，并与所述打滑连接环内的所述压力传感器接触。
优选地，所述控制部件，为一种具有计算能力的处理器，连接所述旋转动力部件和所述过载打滑机构，通过用于获取所述大腿支撑部件和人体大腿之间的扭矩以及通过所述旋转动力部件的编码器检测大腿支撑部件旋转的角度，对当前的检测值进行计算，输出所述旋转动力部件上的旋转电机的速度、位置和扭矩。
本发明上述过载打滑机构的设计，能准确检测大腿支撑部件和人体大腿之间的扭矩值，便于精确控制。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明上述过载打滑机构用于下肢外骨骼机器人，使机器人具有过载打滑功能，当扭矩超出一定值时则可将髋关节部分进行打滑处理以保护电机并增加和人体运动之间的柔性，解决了现有的助行类和脑卒中康复类下肢外骨骼机器人与人体连接的关节电机会扭矩过大，从而过载发热的问题，具有很好的实用价值和商业前景。
本发明上述过载打滑机构，打滑机构的结构设计巧妙，操作便捷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中的外骨骼支架和过载打滑机构的连接示意图；
图2为本发明一优选实施例中过载打滑机构的结构示意图；
图3为本发明一优选实施例中外骨骼支架和过载打滑机构的连接细节图；
图4为本发明一优选实施例中外骨骼支架和过载打滑机构的连接剖面图；
图5a、图5b为本发明一优选实施例中外骨骼支架和过载打滑机构的装配剖面图；
图6为本发明一优选实施例中的负载结构示意图；
图中标记分别表示为：图中：010-外骨骼支架、020-身体绑带、030-过载打滑机构、031-波珠螺丝、032-打滑连接环、033-内轴承、034-外轴承、035-减速器连接支架、036-压力传感器安装槽、037-压力传感器、038-凹槽、040-旋转动力部件、050-大腿支撑部件、070-控制部件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在一优选实施例中，如图1、图6所示，过载打滑机构030连接机器人的控制部件、旋转动力部件040和外骨骼支架010。
其中，外骨骼支架010，用于包裹人体的躯干，以便将整个机器人与人体固定。外骨骼支架010的左、右腿侧的下端设置人体髋关节的旋转轴。
旋转动力部件040，是一个具备旋转力输出的机电部件，用于带动大腿支撑部件050给人的大腿提供辅助力。
大腿支撑部件050为一个连杆部件，一端连接旋转动力部件040，另一端固定在人体大腿后侧，并将大腿进行固定，由旋转动力部件040带动大腿进行助力运动，助力的旋转动力部件040的旋转轴和人体髋关节的旋转轴重合。
如图2所示，为过载打滑机构030的结构示意图，在一具体实施例中，图中过载打滑机构030包括：四个波珠螺丝031、打滑连接环032、内轴承033、外轴承034。
如图2和图5a、5b所示，打滑连接环032的内圈和内轴承033的外圈连接，打滑连接环032的外圈与外轴承034的内圈连接。内轴承033的内圈和外骨骼支架010上的髋关节旋转轴外圈连接，起到旋转滑动作用；外轴承034的外圈连接旋转动力部件040的输出端。
过载打滑机构030中的四个波珠螺丝031的一端通过螺纹分别固定在外骨骼支架010上，且外绕着外骨骼支架010上对应的人体髋关节旋转轴。
打滑连接环032的表面设置四个凹槽，凹槽与波珠螺丝031配合，在旋转动力部件040的旋转电机正常工作时，波珠螺丝031卡入凹槽，通过波珠螺丝031带动打滑连接环032绕着外骨骼支架010对应的人体髋关节的旋转轴进行圆周运动，提供行走过程中的助力；在旋转动力部件040的旋转电机过载时波珠螺丝031发生伸缩形变，波珠螺丝031与凹槽断开连接，使外骨骼支架010和旋转动力部件040之间处于打滑状态。
在部分优选实施例中，波珠螺丝031为一种具备弹力的滚珠。波珠螺丝031包括壳体，壳体的腔体内设置弹簧和弹珠，壳体端部设有一缺口，弹珠通过所述缺口能部分外露出腔体；弹簧顶住弹珠，并根据外部对弹珠的施加力量产生弹簧的伸缩形变，使弹珠通过该缺口能收入腔体内。
如图3所示，打滑连接环032的表面设置四个凹槽038，每个凹槽038对应一个波珠螺丝031的弹珠，弹珠位于凹槽038使波珠螺丝031与打滑连接环032形成连接，波珠螺丝031带动打滑连接环032绕着人体髋关节的旋转轴进行旋转。波珠螺丝031的弹珠会收入波珠螺丝031的腔体内并跨过凹槽，外骨骼支架010和旋转动力部件040之间处于旋转打滑状态。凹槽038对弹珠起到限位的作用。
上述的过载打滑机构030通过波珠螺丝031、打滑连接环032的配合，能够巧妙实现旋转打滑状态、圆周运动之间的控制，实现保护电机以及增加和人体运动之间的柔性。
在部分优选实施例中，如图4所示，打滑连接环032的凹槽038均设计成一边高一边低，形成具有一定的坡度的凹槽038，便于所述弹珠进/出凹槽038，更容易实现波珠螺丝031031与打滑连接环032的连接与断开。
本发明进一步设置为，过载打滑机构030还包括减速器连接支架035，减速器连接支架035的内圈连接外轴承034的外圈，使得打滑连接环032和减速器连接支架035之间可以旋转滑动；减速器连接支架035的内圈与旋转动力部件040的输出端连接，减速器连接支架035的旋转轴心和旋转动力部件040的旋转轴心重合。
本发明的进一步设置为，过载打滑机构030还包括压力传感器037，压力传感器037设置于打滑连接环032。打滑连接环032外圆周面设置至少一个第一凸起，第一凸起上设有与打滑连接环032圆周方向的空腔，即压力传感器安装槽036，压力传感器037安装于压力传感器安装槽036。
减速器连接支架035外圆周面设置至少一个第二凸起，减速器连接支架035的第二凸起与打滑连接环032的第一凸起接触，并与打滑连接环032内的压力传感器037接触，压力传感器037将压力转换成扭矩信号，传递给控制部件070。压力传感器037感应打滑连接环032的切线方向的压力，从而计算出大腿支撑部件050和人体大腿之间的扭矩值，并将该扭矩值传送至控制部件070。
旋转动力部件040还包括：减速器和编码器，减速器的一端连接旋转电机，另一端连接大腿支撑部件；编码器用于检测所述旋转电机的旋转速度，并传给控制部件。
控制部件070，为一种具有计算能力的处理器，连接旋转动力部件040和过载打滑机构030，通过用于获取大腿支撑部件050和人体大腿之间的扭矩以及通过旋转动力部件040的编码器检测大腿支撑部件050旋转的角度，对当前的检测值进行计算，输出旋转动力部件040上的旋转电机的速度、位置和扭矩。
当大腿支撑部件050和人体大腿之间的扭矩值低于设定值时，波珠螺丝031的弹珠在打滑连接环032的凹槽038内，由波珠螺丝031带动打滑连接环032绕着人体髋关节的旋转轴进行圆周运动；则使得旋转动力部件040带动大腿支撑部件050绕着外骨骼支架010对应的人体髋关节的旋转轴进行圆周运动，提供行走过程中的助力功效。
当大腿支撑部件050和人体大腿之间的扭矩值超过设定值时，波珠螺丝031的弹珠会收入波珠螺丝031的腔体内并跨过凹槽038，使外骨骼支架010和旋转动力部件040之间处于旋转打滑状态。控制部件070给旋转动力部件040的旋转电机设定一个恒定的转速值，此时旋转动力部件040输出处于低扭矩状态，直到大腿回落。
上述实施例所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构030，在使用时：
首先，通过身体绑带020将使用者和外骨骼支架010、大腿支撑部件050固定连接。
其次，过载打滑机构030检测使用者大腿和大腿支撑部件050之间的扭矩，从而判断使用者行走的意图，当扭矩低于设定值，作为使用者行走意图的标志，大腿支撑部件050带动用于大腿进行行走运行，辅助大腿抬起。
然后，当大腿支撑部件050和大腿之间的扭矩超过设定值时，过载打滑机构030处于打滑状态，控制部件070控制旋转动力部件040的旋转电机输出恒定转速值，直到使用者大腿回落。
周而复始，仅在使用者抬腿的时候提供一定扭矩的助力输出。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，所述下肢外骨骼机器人还包括：控制部件、旋转动力部件和外骨骼支架，所述打滑机构连接所述控制部件、旋转动力部件和外骨骼支架，所述旋转动力部件设有用于输出旋转力的旋转电机，带动大腿支撑部件给人体大腿提供助力，其特征在于，所述打滑机构包括：波珠螺丝、打滑连接环、内轴承、外轴承；
所述波珠螺丝固定于所述外骨骼支架上；
所述打滑连接环的表面设置凹槽，所述凹槽设计成一边高一边低，形成具有坡度凹槽，所述凹槽的位置对应所述波珠螺丝的弹珠；在所述旋转动力部件的所述旋转电机正常工作时，所述弹珠卡接于所述凹槽使所述波珠螺丝连接所述打滑连接环；通过所述波珠螺丝带动所述打滑连接环绕着所述外骨骼支架对应的人体髋关节的旋转轴进行圆周运动，提供行走过程中的助力；在所述旋转动力部件的所述旋转电机过载时所述波珠螺丝的弹簧发生伸缩形变，所述波珠螺丝的弹珠收入所述波珠螺丝的腔体内时，使所述外骨骼支架和所述旋转动力部件之间处于打滑状态；
所述打滑连接环的内圈连接所述内轴承的外圈，所述打滑连接环的外圈连接所述外轴承的内圈。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述波珠螺丝还包括壳体和弹簧，所述壳体的腔体内设置弹簧和弹珠，所述壳体端部设有一缺口，所述弹珠通过所述缺口能部分外露出所述腔体；所述弹簧顶住所述弹珠，并根据外部对所述弹珠的施加力量产生所述弹簧的伸缩形变，使所述弹珠通过该缺口能收入所述腔体内。
3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述打滑机构包括若干个所述波珠螺丝，所述打滑连接环的表面设置若干个所述凹槽，若干个所述凹槽的位置分别对应所述波珠螺丝的所述弹珠。
4.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述过载打滑机构还包括测量部件，所述测量部件设置于所述打滑连接环，用于测量所述大腿支撑部件和人体大腿之间的扭矩值，并将所述扭矩值传递给所述控制部件。
5.根据权利要求4所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述测量部件为压力传感器，所述压力传感器感应打滑连接环的切线方向的压力，所述压力传感器将所述压力转换成扭矩信号。
6.根据权利要求5所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，
所述打滑连接环外圆周面设置至少一个第一凸起，所述第一凸起上设有压力传感器安装槽，所述压力传感器安装槽位于所述打滑连接环的外周，用于放置所述压力传感器。
7.根据权利要求6所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，具有以下一种或多种特征：
--所述过载打滑机构还包括设置减速器连接支架，所述减速器连接支架连接的内圈与所述外轴承的外圈形成过盈配合连接，使得所述打滑连接环和所述减速器连接支架之间能旋转滑动；所述减速器连接支架的内圈连接所述旋转动力部件的输出端，所述减速器连接支架的旋转轴的轴心和所述旋转动力部件的旋转轴的轴心重合；
--所述内轴承的内圈连接所述外骨骼支架上的髋关节旋转轴外圈。
8.根据权利要求7所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述减速器连接支架外圆周面设置至少一个第二凸起，所述减速器连接支架的所述第二凸起与所述打滑连接环的所述第一凸起接触，并与所述打滑连接环内的所述压力传感器接触。
9.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述旋转动力部件还包括：减速器和编码器，所述减速器的一端连接所述旋转电机，另一端连接所述大腿支撑部件；所述编码器用于检测所述旋转电机的旋转速度，并传给所述控制部件。
10.根据权利要求9所述的一种下肢外骨骼机器人的过载打滑机构，其特征在于，所述控制部件连接所述旋转动力部件和所述过载打滑机构，通过获取所述大腿支撑部件和人体大腿之间的扭矩以及通过所述旋转动力部件的编码器检测大腿支撑部件旋转的角度，对当前的检测值进行计算，输出所述旋转动力部件上的旋转电机的速度、位置和扭矩。
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