CN112372622B - 一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及穿戴设备技术领域，涉及一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节。本发明通过柔性驱动机构、离合器机构的离合器和柔性驱动的功能来保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态，离合器机构可在穿戴者正常行走的过程中断开力的连接，防止对穿戴者正常行走步态的影响；柔性驱动机构作为柔性驱动的作用可减少穿戴者的不适感，避免突变载荷对人体关节的损伤；关节设计采用输入杆和输出杆分离式设计，使得关节模块厚度小于传统关节，可以保证穿戴者在日常行动中的需求，避免了关节与周围物体的干涉。

Description

一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节

技术领域

本发明涉及穿戴设备技术领域，涉及一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节。

背景技术

外骨骼机器人作为一种穿戴式装备，具有增强人体运动能力的功能，相对于传统机器人，外骨骼是一款人机协同化的装备。外骨骼发展至今，已经广泛应用于医疗康复、工业搬运以及军事等领域。在医疗康复领域，随着人口老龄化的增加，肌肉萎缩和脑卒中等疾病严重影响了人类的行动能力，当穿戴者仅靠自身能力无法实现正常的运动时，外骨骼的出现为运动功能的重现提供了帮助。其工作的主要原理是通过穿戴式传感器检测人体的运动意图，由控制方法计算出控制量，再控制各动力元件进行相应的运动。

此外，传统的关节缺少离合功能和柔性驱动功能，不仅会对人体关节造成冲击，降低穿戴的舒适性，还会影响穿戴者在不需要辅助力行走时的步态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态，避免突变载荷对人体关节的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节。

为了解决上述技术问题，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，包括底板、输入杆、输出杆、柔性驱动机构、传动机构以及离合器机构，所述底板上设置有输入杆，所述柔性驱动机构设置在所述底板上，所述柔性驱动机构与所述传动机构驱动连接，所述传动机构与所述离合器机构驱动连接，所述输出杆设置在所述离合器机构上，通过柔性驱动机构、离合器机构保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态。

进一步地，所述柔性驱动机构包括电机以及减速器，所述电机通过电机端盖与所述底板连接，所述电机输出轴上设置有电机联轴器，所述减速器通过电机联轴器与传动机构驱动连接。

进一步地，所述传动机构包括第一绕线轮和第二绕线轮，所述第一绕线轮与第二绕线轮通过钢丝绳连接，所述第一绕线轮与柔性驱动机构驱动连接，所述第二绕线轮与所述离合器机构驱动连接。

进一步地，所述第二绕线轮上设置有力矩传感器，所述力矩传感器上套设有第二轴承，所述第二轴承通过第二轴承挡圈与底板连接，所述力矩传感器与所述离合器机构连接。

进一步地，所述离合器机构包括半离合器一、半离合器二、第三轴承和离合器轴，所述离合器轴与半离合器一固定连接，所述第三轴承套设置在所述离合器轴上，且所述第三轴承与所述半离合器二的凸台端面相对设置，所述输出杆与所述半离合器二固定连接。

进一步地，还包括两组编码器组件，所述编码器组件包括传感器板和励磁体，两传感器板分别设置在第二绕线轮以及输出杆上，两励磁体分别设置在所述离合器轴两端，所述传感器板与所述励磁体一一对应设置。

进一步地，所述减速器包括刚轮、柔轮和波发生器，所述电机通过电机联轴器与所述减速器的波发生器固定连接；所述减速器的刚轮与底板连接，所述减速器的柔轮与第一绕线轮固定连接。

进一步地，还包括第二绕线轮端盖，所述第二绕线轮端盖与底板固定连接，所述第二绕线轮端盖上开设有与所述第一绕线轮相匹配的安装槽。

进一步地，还包括第一限位机构，所述第一限位机构包括限位块以及第一轴承，所述限位块固定于所述减速器的刚轮端面上，所述第一绕线轮上设置有与所述限位块相匹配的限位凸起，所述第一绕线轮通过第一轴承与第一绕线轮盖连接。

进一步地，还包括第二限位机构，所述第二限位机构包括机米螺栓以及短头螺栓，所述所述第一绕线轮通过机米螺栓与钢丝绳一端固定连接，所述钢丝绳另一端通过短头螺栓与第二绕线轮固定连接，通过钢丝绳与第一绕线轮、第二绕线轮固定来限制第一绕线轮、第二绕线轮转动。

本发明的有益效果：

本发明通过柔性驱动机构、离合器机构的离合器和柔性驱动的功能来保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态，离合器机构可在穿戴者正常行走的过程中断开力的连接，防止对穿戴者正常行走步态的影响；柔性驱动机构作为柔性驱动的作用可减少穿戴者的不适感，避免突变载荷对人体关节的损伤；关节设计采用输入杆和输出杆分离式设计，使得关节模块厚度小于传统关节，可以保证穿戴者在日常行动中的需求，避免了关节与周围物体的干涉。

附图说明

图1是本发明关节的整体结构爆炸图；

图2是本发明输入轴剖视图；

图3是本发明输出轴剖视图；

图4是本发明钢丝绳传动爆炸图；

图5是本发明离合器模块爆炸图；

图6是本发明限位机构爆炸图；

图中标号说明：1、底板；2、电机端盖；3、离合器轴；4、离合器；5、第三轴承；6、减速器；7、第二轴承；8、第一绕线轮；9、第一轴承；10、第一绕线轮端盖；11、第二轴承挡圈；12、第二绕线轮；13、输出杆；14、励磁体；15、电机联轴器；16、输入杆；18、短头螺栓；20、第一螺栓；22、机米螺丝；25、第二螺栓；26、第三螺栓；27、钢丝绳；28、传感器板；29、第二绕线轮端盖；31、力矩传感器；32、限位块；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-6所示，一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，包括底板1、输入杆16、输出杆13、柔性驱动机构、传动机构以及离合器机构，所述底板1上设置有输入杆16，所述柔性驱动机构设置在所述底板1上，所述柔性驱动机构与所述传动机构驱动连接，所述传动机构与所述离合器机构驱动连接，所述输出杆13设置在所述离合器机构上，通过柔性驱动机构、离合器机构保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态。

本发明通过柔性驱动机构、离合器机构的离合器4和柔性驱动的功能来保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态，离合器机构可在穿戴者正常行走的过程中断开力的连接，防止对穿戴者正常行走步态的影响，保证了外骨骼对人体没有外加的力干涉，避免离合器4钩从关断到接通的瞬间对人体关节形成较大冲击；柔性驱动机构作为柔性驱动的作用可减少穿戴者的不适感，当离合器4从关断到接通的瞬间，由于关节整体的刚度较大，会对人体关节形成较大冲击，避免突变载荷对人体关节的损伤；关节设计采用输入杆16和输出杆13分离式设计，即输入杆16、柔性驱动机构同轴安装，输出杆13、离合器机构在另一轴安装，使得输入杆16和输出杆13固定在两根轴，即输入杆16和输出杆13固定在两根轴上，通过传动机构传递力矩，使得关节模块厚度小于传统关节，可以保证穿戴者在日常行动中的需求，避免了关节与周围物体的干涉；同时用户配合其模块化的设计，能够显著提高外骨骼机器人组装调试及后期维护的方便性、快捷性、稳定性。

所述柔性驱动机构包括电机以及减速器6，所述减速器6为谐波减速器6，所述电机通过电机端盖2与所述底板1连接，所述电机输出轴上设置有电机联轴器15，所述减速器6通过电机联轴器15与传动机构驱动连接。

所述传动机构包括第一绕线轮8和第二绕线轮12，所述第一绕线轮8与第二绕线轮12通过钢丝绳27连接，所述第一绕线轮8与柔性驱动机构驱动连接，所述第二绕线轮12与所述离合器机构驱动连接。

传动机构的传动方式采用钢丝绳27传动，其既可以减少第一绕线轮8和第二绕线轮12的厚度，也可以在最大程度上减少关节模块的厚度，其作为机械限位功能使用从而保证关节的安全性。

而传动电机轴传动方法大多采用齿轮传动或同步带传动，其缺点在于：不仅传动件的本身厚度大，而且传动件与上述谐波减速器6柔轮、第一绕线轮8端盖还需连接件，进一步加大了整体的关节厚度；同时，齿轮传动体积较大、同步带传动需要设置压紧轮，会增加关节的质量。

所述第二绕线轮12上设置有力矩传感器31，所述力矩传感器31上套设有第二轴承7，所述第二轴承7通过第二轴承7挡圈与底板1连接，所述力矩传感器31与所述离合器机构连接。

驱动器和力矩传感器31集成为一体，可以减少关节体积和质量。

所述力矩传感器31同时集成了力矩检测和串联弹性驱动器的功能，所述力矩传感器31的一端与上述第二绕线轮12相连作为输入，力矩传感器31的另一端与离合器轴3通过第二螺栓25连接作为输出，同时为避免输入输出的干涉，所述力矩传感器31输出端采用凸台设计；为实现所述力矩传感器31的轴向定位，输出端连接一挡圈，为实现其周向定位，力矩传感器31外圆柱面与第二轴承7接触。

所述离合器机构包括半离合器一、半离合器二、第三轴承5和离合器轴3，所述离合器轴3与半离合器一固定连接，所述第三轴承5套设置在所述离合器轴3上，且所述第三轴承5与所述半离合器二的凸台端面相对设置，所述输出杆13与所述半离合器二固定连接，所述柔轮与第一绕线轮8相连作为减速器6模块的输出，同时为防止第一绕线轮8的轴向窜动，可利用第一绕线轮8端盖限制其自由度，所述刚轮与底板1采用螺栓固定，半离合器二另一端面与输出杆13通过第三螺栓26连接。

具体的，所述半离合器一的端面与所述离合器轴3端面连接，所述半离合器二的内圆柱面与所述第三轴承5的外端面配合实现半离合器二的周向定位，所述第三轴承5的端面与所述离合器轴3的台阶配合实现半离合器二的轴向定位，同时所述第三轴承5含有止动功能，可通过第三轴承5上的机米螺丝22固定在所述离合器轴3圆柱面上防止轴向窜动。

所述输入杆16的内圆柱面与上述电机端盖2的外圆柱面配合，实现输入杆16的周向定位，所述输入杆16的端面与底板1连接，实现输入杆16的轴向定位；所述输出杆13与半离合器二的内圆柱面配合，同时端面采用螺栓紧固，并压紧上述第三轴承5的端面，实现其轴向和周向定位。

还包括两组编码器组件，所述编码器组件包括传感器板28和励磁体14，两传感器板28分别设置在第二绕线轮12以及输出杆13上，两励磁体14分别设置在所述离合器轴3两端，所述传感器板28与所述励磁体14一一对应设置，当离合器4断开时，用于检测力矩传感器31输入输出的转角、离合器轴3与输出杆13的转角来测得关节转动的位置值。

两组编码器组件采用模块化设计，极大地见效使用体积，使其可以同时应用于髋关节和膝关节，编码器和力矩传感器31集成在第二绕线轮12的间隙中，可以进一步减小关节的总体积，集成度高于传统外骨骼关节。

编码器选用非接触式设计，包括励磁体14与传感器板28，使得拆装更加简便，同时编码器带有金属外壳，具有更高的防护等级和抗污染能力。

一个编码器组件的传感器板28与所述第二绕线轮12连接，励磁体14与离合器轴3的端面固定，可同时保证传感器板28与励磁体14的间隙和同轴度，用于检测上述力矩传感器31内外表面之间的相对转角；另一编码器组件的传感器板28与输出杆13固定，励磁体14与离合器轴3的另一端面固定

所述减速器6包括刚轮、柔轮和波发生器，所述电机通过电机联轴器15与所述减速器6的波发生器固定连接；所述减速器6的刚轮与底板1连接，所述减速器6的柔轮通过第一螺栓20与第一绕线轮8固定连接。

还包括第二绕线轮12端盖，所述第二绕线轮12端盖与底板1固定连接，所述第二绕线轮12端盖上开设有与所述第一绕线轮8相匹配的安装槽。

还包括第一限位机构，所述第一限位机构包括限位块32以及第一轴承9，所述限位块32固定于所述减速器6的刚轮端面上，所述第一绕线轮8上设置有与所述限位块32相匹配的限位凸起，所述第一绕线轮8通过第一轴承9与第一绕线轮8盖连接。

还包括第二限位机构，所述第二限位机构包括机米螺栓以及短头螺栓18，所述所述第一绕线轮8通过机米螺栓与钢丝绳27一端固定连接，所述钢丝绳27另一端通过短头螺栓18与第二绕线轮12固定连接，通过钢丝绳27与第一绕线轮8、第二绕线轮12固定来限制第一绕线轮8、第二绕线轮12转动。

具体的，第一层限位机构中的第一绕线轮8转动超过限制的转动角度时，限位块32通过机械方式阻挡第一绕线轮8上的限位凸起，避免第一绕线轮8继续转动，同时由于减速器6的刚性差，无法传递力矩，可通过第一轴承9将载荷施加载到第一绕线轮8端盖上；

第二层限位机构可限定钢丝绳27传动的最大转角范围为180度，当转动范围接近180度时，钢丝绳27的机械特性会限制第一绕线轮8、第二绕线轮12的继续转动，从而实现第二层限位的功能。

本发明所涉及的限位方式采用双层限位，且双层限位均为机械硬限位，当出现断电或电路故障情况时均可以保证限位功能的正常实现。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，包括底板、输入杆、输出杆、柔性驱动机构、传动机构以及离合器机构，所述底板上设置有输入杆，所述柔性驱动机构设置在所述底板上，所述柔性驱动机构与所述传动机构驱动连接，所述传动机构与所述离合器机构驱动连接，所述输出杆设置在所述离合器机构上，通过柔性驱动机构、离合器机构保护穿戴者关节同时保持穿戴者行走步态；

所述传动机构包括第一绕线轮和第二绕线轮，所述第一绕线轮与第二绕线轮通过钢丝绳连接，所述第一绕线轮与柔性驱动机构驱动连接，所述第二绕线轮与所述离合器机构驱动连接；

所述柔性驱动机构包括电机以及减速器，所述电机通过电机端盖与所述底板连接，所述电机输出轴上设置有电机联轴器，所述减速器通过电机联轴器与传动机构驱动连接；

所述减速器包括刚轮、柔轮和波发生器，所述电机通过电机联轴器与所述减速器的波发生器固定连接；所述减速器的刚轮与底板连接，所述减速器的柔轮与第一绕线轮固定连接。

2.如权利要求1所述的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，所述第二绕线轮上设置有力矩传感器，所述力矩传感器上套设有第二轴承，所述第二轴承通过第二轴承挡圈与底板连接，所述力矩传感器与所述离合器机构连接。

3.如权利要求1所述的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，所述离合器机构包括半离合器一、半离合器二、第三轴承和离合器轴，所述离合器轴与半离合器一固定连接，所述第三轴承套设在所述离合器轴上，且所述第三轴承与所述半离合器二的凸台端面相对设置，所述输出杆与所述半离合器二固定连接。

4.如权利要求3所述的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，还包括两组编码器组件，所述编码器组件包括传感器板和励磁体，两传感器板分别设置在第二绕线轮以及输出杆上，两励磁体分别设置在所述离合器轴两端，所述传感器板与所述励磁体一一对应设置。

5.如权利要求1所述的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，还包括第二绕线轮端盖，所述第二绕线轮端盖与底板固定连接，所述第二绕线轮端盖上开设有与所述第一绕线轮相匹配的安装槽。

6.如权利要求5所述的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，还包括第一限位机构，所述第一限位机构包括限位块以及第一轴承，所述限位块固定于所述减速器的刚轮端面上，所述第一绕线轮上设置有与所述限位块相匹配的限位凸起。

7.如权利要求1所述的面向穿戴式机器人的具有离合功能的柔性驱动关节，其特征在于，还包括第二限位机构，所述第二限位机构包括机米螺栓以及短头螺栓，所述第一绕线轮通过机米螺栓与钢丝绳一端固定连接，所述钢丝绳另一端通过短头螺栓与第二绕线轮固定连接，通过钢丝绳与第一绕线轮、第二绕线轮固定来限制第一绕线轮、第二绕线轮转动。

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