CN110328656A - 一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，该预紧机构由导套、滑块、上盖和压簧组成，鲍登线预紧机构的预紧力由压缩压簧产生，预紧力使鲍登线处于绷紧状态。在轮子两侧对称安装鲍登线预紧机构，当电机顺时针转时，左侧鲍登线拉紧，预紧机构压簧收缩，吸收能量，当电机逆时针转时左侧鲍登线松弛。压缩的压簧释放能量而伸长给予左侧松弛鲍登线一个预紧力，这样左侧松弛下来鲍登线就不会积累在轮子上，从而不会飞出卡入轮子与外壳间隙。同理右侧鲍登线预紧原理也同左侧。在电机正反转交替时，左右预紧机构交替工作，完成左右侧鲍登线预紧。

Description

一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构

技术领域

本发明涉及机动工具领域，具体是一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构。该预紧机构是给鲍登线一个预紧力，防止在电机反转时使松弛的鲍登线卡入卷轴与卷轴外壳的缝隙中。

技术背景

随着现代科技的飞速发展，武器装备水平越来越成为现代战争胜利的重要保证。作战部队规模小、作战消耗高成为现代战争的基本特征。同时，反恐战争等新形式的武装打击对单兵装备要求越来越高，单兵负荷也随之增大，但过重的单兵负荷又是影响执行任务成败的重要因素。能够提升单兵携行能力又不妨碍动作敏捷性的外骨骼系统受到广泛的关注。外骨骼系统是一种穿戴在单兵身体上的伴随式智能装备，通过人机协调同步运动，为单兵提供承重及运动助力，提升其搬移托举能力、承载携行能力及快速机动能力。目前国内外对硬质外骨骼研究最多，硬质结构外骨骼机器人还普遍存在重量大、动作灵活性差、反应速度慢、舒适性差、穿脱不方便、携带不方便等方面的问题，无法满足单兵实战需求，制约了其应用普及。

近年，柔性外骨骼系统因其能够克服硬质外骨骼系统的上述瓶颈问题而受到更多青睐。哈佛大学YeDing等人研制的主动式离线式下肢助力柔性外骨骼包括踝关节、膝关节、髋关节驱动，其力传递采用绳索，外骨骼最大可以为踝关节、膝关节、髋关节提供124.6Nm、40Nm、104Nm的力矩，正常人穿戴该外骨骼，行走时可以减少22.83±3.17％代谢消耗。这种外置实验平台的设计只能进行实验研究，不能商业化和实际运用。哈佛AlanT.Asbeck等人报告一种可穿戴的多关节辅助软外套，帮助踝关节伸展和髋关节伸展，行走速度可达1.79m/s(4.0mph)。外套在踝关节负荷路径上施加力最大值为300N，在髋关节伸展处施加力最大值为150N。多关节辅助软外套使用一种利用关节协同作用的新的驱动方法，其中一台电机驱动双腿上踝关节伸展，一台电机驱动双腿上的髋关节伸展，以便减少总系统重量。申请人前期设计开发的一种柔性外骨骼助力机器人支撑相也是通过一台电机驱动双腿上的髋关节伸展助力。以上这种设计当电机转速过快鲍登线均容易从轮子飞出卡入轮子与外壳间隙，这一问题增加了机构不稳定性，且限制了外骨骼机器人助力速度。这是使用鲍登线作为末端执行机构所必须面临的常见问题，这也是鲍登线控制的缺点。

发明内容

为解决现有技术鲍登线易松弛卡死的问题，本发明提供一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，可实现快速机动条件下助力需求。鲍登线在外骨骼机器人上的运用已经彰显了他的力传递灵活优势，为了克服这种优势带来的负面问题，加装助力机器人鲍登线预紧机构，可提高穿戴者高负荷快速机动能力，提高系统结构稳定性。预紧机构还能够在运动过程中吸收大腿运动受到的冲击，并利用其自身压簧弹性吸收人机控制的不协调性，从而确保穿戴的舒适性。处于持续张紧状态下鲍登线能通过同步“跟随”人体运动，有效提升穿戴者的快速机动能力。使助力机器人适用于士兵的日常负荷和作战环境中频繁进行的蹲、爬、匍匐、奔跑等动作，能够防止并减轻肌肉与骨骼损伤。

本发明所采用的技术方案是：设计一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，其特征在于，该预紧机构包括导管、滑柱、上盖、U型片和压簧。

所述导管为一端全开口、另一端端面中部设置有通孔的中空条状结构，其内部为光滑圆孔，该光滑圆孔的孔径大于其一端端面中部的通孔孔径，上盖安装在全开口端的端面上，滑柱安装在另一端的端面内侧，压簧设置在滑柱与上盖之间，U型片套装在上盖的外侧；

所述滑柱整体近似轴向设置有贯通内部的豁口的圆筒状，其连接压簧的一端内部的孔径较另一端内部的孔径小，且在孔径较小的一端的豁口两侧设置有用于安装限位螺栓的钢丝限位螺栓孔；在滑柱内部的孔径大的一侧与孔径小的一侧之间形成端面为鲍登线外壳限位端面；鲍登线从滑柱内部孔径较大的一端穿入，鲍登线外壳头端卡在鲍登线外壳限位端面上，鲍登线内部的鲍登线芯经由滑柱内部孔径较小的一端穿出，接着依次穿过压簧内部、上盖内部，延伸到上盖的外侧并安装在卷轴上；在钢丝限位螺栓孔内安装限位螺栓使鲍登线内部的鲍登线芯始终位于滑柱的内部；

所述上盖整体为内部沿长度方向设置有通孔、外表面为三段横截面依次增大的近似“T”型结构，该通孔为钢丝孔，且在其外表面沿内部通孔设置有与内部通孔贯通的豁口；上盖的横截面最大的一段位于导管的开口端的外侧；中段与横截面最小的一段均为带豁口的圆筒状，中段与横截面最小的一段之间形成的端面为弹簧限位端面；

上盖与导管的开口端配合，并用螺栓横向固定锁紧在导管上，上盖的横截面最小的一段位于压簧一端的内部，且压簧该端的末端顶在弹簧限位端面上。

本发明与现有技术比较有以下几点优势：

(1)采用左右双侧预紧方案，使两侧鲍登线都能预紧。

(2)预紧机构在预紧的同时利用其自身弹簧弹性吸收人机控制的不协调性，从而确保穿戴的舒适性，同步“跟随”人体运动。

(3)预紧机构能够在运动过程中吸收大腿快速运动时大腿与机构之间冲击力，提高穿戴者快速机动能力，提高系统结构稳定性。

附图说明

图1为本发明预紧机构一种实施例的装配示意图；

图2为本发明预紧机构一种实施例的结构示意图；

图3为本发明预紧机构一种实施例的内部结构示意图(剖视视图)；

图4为本发明预紧机构一种实施例的滑柱结构示意图；

图5为本发明预紧机构一种实施例的上盖结构示意图；

其中，附图标记汇总如下：

预紧机构5；第一预紧机构1；第二预紧机构2；导套6；第一导套4；第二导套3；鲍登线10；第一鲍登线9；第二鲍登线8；钢丝13；第一钢丝11；第二钢丝12；护膝16；第一护膝14；第二护膝15；臀部卡套19；第一臀部卡套17；第二臀部卡套18；导管20：U型片21；鲍登线外壳23；滑柱24；弹簧25；鲍登线芯27；上盖28；钢丝限位螺栓孔29；鲍登线外壳限位端面30；弹簧限位端面31；钢丝孔32；豁口33。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步陈述。

本发明提供一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构(简称预紧机构，参见图1-5)，该预紧机构包括导管20、滑柱24、上盖28、U型片21和压簧25。

所述导管20为一端全开口、另一端端面中部设置有通孔的中空条状结构，其内部为光滑圆孔，该光滑圆孔的孔径大于其一端端面中部的通孔孔径，上盖28安装在全开口端的端面上，滑柱24安装在另一端的端面内侧，压簧25设置在滑柱24与上盖28之间，U型片21套装在上盖28的外侧。

所述滑柱24如图4所示，整体近似轴向设置有贯通内部的豁口的圆筒状，其连接压簧25的一端内部的孔径较另一端内部的孔径小，且在孔径较小的一端的豁口两侧设置有用于安装限位螺栓的钢丝限位螺栓孔29。在滑柱24内部的孔径大的一侧与孔径小的一侧之间形成端面为鲍登线外壳限位端面30。鲍登线10从滑柱24内部孔径较大的一端穿入，鲍登线外壳头端卡在鲍登线外壳限位端面30上，鲍登线内部的鲍登线芯27经由滑柱24内部孔径较小的一端穿出，接着依次穿过压簧25内部、上盖28内部，延伸到上盖28的外侧并安装在卷轴7上。在钢丝限位螺栓孔29内安装限位螺栓使鲍登线内部的鲍登线芯27始终位于滑柱24的内部。滑柱24的作用其一是对鲍登线外壳头端限位，其二是在导管20内部对压簧25进行定位并跟随压簧25上下滑动。

所述导管20起到导向作用，内部是光滑圆孔，可使滑块在内部上下自由滑动，导管上端与上盖28配合，下端外侧设置有带通孔端面，防止滑柱24脱出。

所述上盖28如图5所示，其整体为内部沿长度方向设置有通孔、外表面为三段横截面依次增大的近似“T”型结构，该通孔为钢丝孔32，且在其外表面沿内部通孔设置有与内部通孔贯通的豁口33，方便鲍登线装配。上盖28的横截面最大的一段位于导管20的开口端的外侧，该段的周向端面为由一个半圆与一个矩形衔接所形成的形状，豁口位于半圆形端面部分的中部；中段与横截面最小的一段均为带豁口的圆筒状，中段与横截面最小的一段之间形成的端面为弹簧限位端面31。

上盖28与导管20的开口端配合，并用螺栓横向固定锁紧在导管20上，上盖28的横截面最小的一段位于压簧25一端的内部，且压簧25该端的末端顶在弹簧限位端面31上。

所述U型片21用来加强上盖28与导管20之间的连接强度，U型片21两侧有对称孔，螺柱从U型片21一侧穿入，经过导管20后从U型片21的另一侧穿出再用螺母锁紧。这样U型片中间端面就限制了上盖28的上端面，由于工作过程中，往往上盖28与导管20之间的力很大(大于150N)，采用U型片固定上盖使结构更加牢固。

本发明预紧机构的工作原理：压簧25安装在上盖28和滑柱24之间的导管20内部，压簧25上端由弹簧限位端面31限位，下端与滑柱24接触，当卷轴7拉动鲍登线芯27收缩时，鲍登线外壳23随之推动滑柱24挤压压簧25，当压簧25压缩到最大压缩量时就不在压缩，滑柱24也不再往上移动，此时压簧25吸收了能量。当卷轴7释放鲍登线时，鲍登线将会松弛，预紧机构5为了吸收掉松弛鲍登线会释放压簧25能量，压簧25自然伸长，滑柱24带动鲍登线外壳23下移，这样就绷紧了松弛的鲍登线芯27，以防止松弛鲍登线芯27在卷轴7上积累，导致鲍登线芯27在卷轴7高速转动下由于离心力飞出轮槽，卡入卷轴7与外壳间隙处。

具体应用时，两个预紧机构5对称的安装于卷轴7所在面的两侧，预紧机构5的下端安装导套6，鲍登线10(鲍登线10的鲍登线芯为钢丝)一端依次穿入导套6、预紧机构5，最后从预紧机构5上端孔引出钢丝分别从两侧缠绕在卷轴7上，鲍登线外壳被限位留在预紧机构内部。鲍登线10的另一端依次穿入臀部卡套19，从臀部卡套下端孔引出钢丝分别与左右腿护膝相连，鲍登线外壳被限位留在臀部卡套内部。两个预紧机构5的装配方式完全相同。当卷轴7正反转时，可以带动左右侧钢丝拉紧和放松，从而拉动左、右臀部，给人体行走时助力。拉紧侧的钢丝收缩时，此时预紧机构内部弹簧吸收了能量，当卷轴7释放鲍登线时，鲍登线将会松弛，预紧机构为了吸收掉松弛鲍登线会释放压簧25能量，压簧25自然伸长，这样就绷紧了松弛的鲍登线钢丝，以防止松弛钢丝在卷轴7上积累，进而在卷轴7高速转动下由于离心力飞出轮槽，卡入卷轴7与外壳间隙处。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，其特征在于，该预紧机构包括导管、滑柱、上盖、U型片和压簧；

所述导管为一端全开口、另一端端面中部设置有通孔的中空条状结构，其内部为光滑圆孔，该光滑圆孔的孔径大于其一端端面中部的通孔孔径，上盖安装在全开口端的端面上，滑柱安装在另一端的端面内侧，压簧设置在滑柱与上盖之间，U型片套装在上盖的外侧；

所述滑柱整体近似轴向设置有贯通内部的豁口的圆筒状，其连接压簧的一端内部的孔径较另一端内部的孔径小，且在孔径较小的一端的豁口两侧设置有用于安装限位螺栓的钢丝限位螺栓孔；在滑柱内部的孔径大的一侧与孔径小的一侧之间形成端面为鲍登线外壳限位端面；鲍登线从滑柱内部孔径较大的一端穿入，鲍登线外壳头端卡在鲍登线外壳限位端面上，鲍登线内部的鲍登线芯经由滑柱内部孔径较小的一端穿出，接着依次穿过压簧内部、上盖内部，延伸到上盖的外侧并安装在卷轴上；在钢丝限位螺栓孔内安装限位螺栓使鲍登线内部的鲍登线芯始终位于滑柱的内部；

所述上盖整体为内部沿长度方向设置有通孔、外表面为三段横截面依次增大的近似“T”型结构，该通孔为钢丝孔，且在其外表面沿内部通孔设置有与内部通孔贯通的豁口；上盖的横截面最大的一段位于导管的开口端的外侧；中段与横截面最小的一段均为带豁口的圆筒状，中段与横截面最小的一段之间形成的端面为弹簧限位端面；

上盖与导管的开口端配合，并用螺栓横向固定锁紧在导管上，上盖的横截面最小的一段位于压簧一端的内部，且压簧该端的末端顶在弹簧限位端面上。

2.根据权利要求1所述的一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，其特征在于，上盖的横截面最大的一段的周向端面为由一个半圆与一个矩形衔接所形成的形状，豁口位于半圆形端面部分的中部。

3.根据权利要求1所述的一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，其特征在于，所述U型片两侧开有对称孔，螺柱从U型片一侧穿入，经过导管后从U型片的另一侧穿出，再用螺母锁紧。

4.根据权利要求1所述的一种柔性外骨骼助力机器人鲍登线预紧机构，其特征在于，所述鲍登线芯为钢丝。