CN112428253B - 一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，包括变扭矩单元一、变扭矩单元二和联轴器，所述变扭矩单元一和变扭矩单元二对称设置，所述联轴器设置在两者之间将两者的输出轴联接在一起，所述变扭矩单元一包括外部框架、扭矩控制模块、储能模块和预紧力调节机构；通过本发明的外骨骼驱动器，可实现关节刚度的连续变化以适应人体的复杂运动条件下的助力需求，同时降低人机交互界面的力干涉现象。

Description

一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器

技术领域

本发明涉及机械工程、被动外骨骼、航空航天等领域，具体涉及一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器。

背景技术

在工农业生产过程中，机器人可以执行需要很大力量的任务；然而，它们缺乏和人类一样的操作能力、灵活性、以及解决问题的能力。所以现阶段产品生产的过程主要还是自动化和人工劳动的合作半自动化生产模式为主。人工操作中存在如举起、搬运、推或拉等重复性高的劳动。人体暴露在这些重复的负荷下或采用不合适的姿态承受负荷，有很高的风险造成肌肉拉伤或劳损。Carrivick等人指出，在大多数与工伤有关的案件中，有三分之一的案件涉及手工处理。为了改善工人在手动操作过程中的作业环境，许多科研机构开始开发外骨骼助力技术将人类的灵活性和机器人的力量融合在一起来减少物理负荷，增加人体对重复任务的耐力，有效地避免和治疗肌肉骨骼疾病，帮助患者恢复工作能力。外骨骼分为主动和被动两类，最初主要用于军事和康复应用。动力外骨骼需要依靠大量的传感器、复杂的电子控制系统和执行器完成人机交互，在工作中需要大量的能源。由于供能困难和制造成本高等方面的问题，其应用收到了很大程度上的限制。

与之对应的被动外骨骼，虽然助力性能有限，但由于具有不消耗能源，无需电子控制系统，制造成本低的特点，近些年逐渐被许多科研机构关注，并展开了相关的研究。现有的被动外骨骼的驱动方式是已现有的弹性元件如拉簧、压簧、扭簧和气动弹簧等常规的储能元件直接结合简单的机构来完成人机之间的能量转化和传递来降低人体的肌肉活动。在研究过程中一些学者提出了被动外骨胳模型内弹性原件的刚度配置优化设计方法，但是由于上述弹性原件本身力学性质的限制，优化的结果仍无法满足人体复杂运动状态的需求。

发明内容

因此针对被动外骨骼驱动过程中的此类问题，提出了一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，可实现关节刚度的连续变化以适应人体的复杂运动条件下的助力需求，同时降低人机交互界面的力干涉现象。此外本发明可在航空航天重力补偿，工业机器人节能设计上进行广泛应用。

本发明采用的技术方案如下：一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，包括变扭矩单元一、变扭矩单元二和联轴器，所述变扭矩单元一和变扭矩单元二对称设置，所述联轴器设置在两者之间将两者的输出轴联接在一起；

所述变扭矩单元一包括外部框架、扭矩控制模块、储能模块和预紧力调节机构，所述外部框架整体呈矩形框式结构，所述扭矩控制模块包括双凸轮模块、短轴、轴承座、导轮、导轮支架和链条，所述双凸轮模块是由凸轮一、凸轮二和轴套焊接组装而成，凸轮一和凸轮二分别为边缘带有齿的具有一定特定形状的凸轮形链轮；轴套为带有定位销的套筒，与短轴固定配合，将凸轮一和凸轮二上的扭矩传递到短轴上；短轴两端通过轴承座安装到外部框架上，所述导轮支架上安装有导轮，导轮边缘的齿上安装链条，所述链条的两端分别通过定位螺钉固定安装在凸轮一和凸轮二上，且链条与凸轮一和凸轮二边缘的齿进行配合；所述导轮支架通过螺栓固定安装在横梁上；

所述储能模块由弹簧支架和弹簧构成，所述弹簧并联设置有多个，其两端分别安装在两个弹簧支架上，两个弹簧支架分别固定安装在两个横梁上，

所述预紧力调节机构主要由导轨、直线轴承、连接板、横梁、丝杠、挡板和定位螺母构成，所述导轨有两组，分别安装在外部框架的内部两侧，所述横梁有两根，两根横梁的两端分别通过直线轴承安装在导轨上且可沿导轨滑动，其中一根横梁上安装导轮支架，另一根横梁上安装丝杠，挡板通过螺栓安装在外部框架的底部，其中心具有直径略大于丝杠直径的圆孔，丝杠穿过挡板的中心圆孔后与定位螺母形成螺纹副配合，拧动定位螺母即可利用丝杠将与其连接的横梁向下拉动，以调节弹簧组的预紧力。

所述变扭矩单元一和变扭矩单元二结构相同。

所述凸轮一、凸轮二均为边缘带有齿的具有一定特定形状的凸轮形链轮，例如，凸轮一外形轮廓为凸轮型，凸轮二为面积小于凸轮一且与凸轮二重叠在一起的凸轮型，所述凸轮二也可以设置为圆形轮廓。

附图说明

图1是本发明总体结构布局示意图；

图2是本发明变扭矩单元总体结构布局示意图；

图3是本发明变扭矩单元总体结构布局轴侧图；

图4是本发明扭矩控制模块原理示意图；

图5是本发明扭矩控制模块轴侧图；

图6是本发明双凸轮模块结构示意图；

图中：1变扭矩单元一、2变扭矩单元二、3联轴器、4输出轴、5链条、6双凸轮模块、7短轴、8轴承座、9外部框架，10导轮、11导轮支架、12直线轴承、13连接板、14横梁、15弹簧支架、16弹簧、17直线导轨、18丝杠、19挡板、20定位螺母、21凸轮一、22凸轮二、23轴套、24定位销、25定位螺钉。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明总体结构布局示意图，图2是本发明变扭矩单元总体结构布局示意图，图3是本发明变扭矩单元总体结构布局轴侧图，如图所示，如图所示，本发明的扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，包括变扭矩单元一1、变扭矩单元二2和联轴器3，所述变扭矩单元一1和变扭矩单元二2对称设置，所述联轴器设置在两者之间将两者的输出轴4联接在一起；

所述变扭矩单元一1包括外部框架9、扭矩控制模块、储能模块和预紧力调节机构，所述外部框架9整体呈矩形框式结构，所述扭矩控制模块包括双凸轮模块6、短轴7、轴承座8、导轮10、导轮支架11和链条5，所述双凸轮模块6是由凸轮一21、凸轮二22和轴套23焊接组装而成，凸轮一21和凸轮二22分别为边缘带有齿的具有一定特定形状的凸轮形链轮；轴套23为带有定位销24的套筒，与短轴7固定配合，将凸轮一21和凸轮二22上的扭矩传递到短轴7上；短轴7两端通过轴承座8安装到外部框架9上，所述导轮支架11上安装有导轮10，导轮10边缘的齿上安装链条5，所述链条5的两端分别通过定位螺钉固定安装在凸轮一21和凸轮二22上，且链条5与凸轮一21和凸轮二22边缘的齿进行配合；所述导轮支架11通过螺栓固定安装在横梁14上；

所述储能模块由弹簧支架15和弹簧16构成，所述弹簧16并联设置有多个，其两端分别安装在两个弹簧支架15上，两个弹簧支架15分别固定安装在两个横梁14上，

所述预紧力调节机构主要由导轨17、直线轴承12、连接板13、横梁14、丝杠18、挡板19和定位螺母20构成，所述导轨17有两组，分别安装在外部框架9的内部两侧，所述横梁14有两根，两根横梁14的两端分别通过直线轴承12安装在导轨17上且可沿导轨17滑动，其中一根横梁14上安装导轮支架11，另一根横梁14上安装丝杠18，挡板19通过螺栓安装在外部框架9的底部，其中心具有直径略大于丝杠18直径的圆孔，丝杠18穿过挡板19的中心圆孔后与定位螺母20形成螺纹副配合，拧动定位螺母20即可利用丝杠18将与其连接的横梁14向下拉动，以调节弹簧组的预紧力。

图5是本发明扭矩控制模块轴侧图，图6是本发明双凸轮模块结构示意图，如图所示，凸轮一21、凸轮二22均为边缘带有齿的链轮，其均与轴套23焊接组装在一起，短轴7安装在轴套23的内部，且通过定位销24实现短轴7和轴套23的定位安装，链条5的两端分别通过定位螺钉固定安装在凸轮一21和凸轮二22上，且链条5与凸轮一21和凸轮二22边缘的齿进行配合，导轮10安装在链条5围绕成的闭合链的内部，且导轮10具有与链条5配合的边缘齿。所述凸轮一21、凸轮二22均为边缘带有齿的具有一定特定形状的凸轮形链轮，例如，如图6所示，凸轮一21外形轮廓为凸轮型，凸轮二22为面积小于凸轮一21且与凸轮二22重叠在一起的凸轮型。

图4是本发明扭矩控制模块原理示意图，下面结合图4对本发明的原理解释如下：

由以上描述可知链条5的两端分别固定在凸轮一21和凸轮二22的边缘，并且两端附近分别与凸轮一21和凸轮二22进行配合；由于链条通过导轮10将链条张紧，因此在不计摩擦力的情况下链条两端拉力相等；由于链条5与凸轮一21和凸轮二22边缘相切的直线部分到转轴中心距离分别为R₁、R₂，设链条内的拉力为F_LT那么在短轴上产生的扭矩为：

M＝F_LT(R₂-R₁)

由于在短轴7轴线、导轮10相对于横梁14圆心坐标为常数时R₁、R₂、F_LT均随着凸轮的转动角度θ变化，均是以θ为自变量的函数，则上式可改写为：

M(θ)＝F_LT(θ)[R₂(θ)-R₁(θ)]       (1)

式(1)中F_LT(θ)的大小取决于弹簧组的刚度k，θ＝0时的预拉伸长度L_TH0以及随着θ变化产生的增量L_THθ(θ)，根据弹簧的性质弹簧的拉力和表示为：

F_TH(θ)＝k[L_THθ(θ)+L_TH0]          (2)

上式可进一步改写为函数表达形式：

F_TH(θ)＝F_TH(L_THθ，L₀，k、θ)         (3)

由于凸轮一21和凸轮二22在绕短轴7转动过程中，对应两个凸轮的等效半径R₁、R₂在不断变化，所以在这个过程中链条5绕在凸轮一21和凸轮二22的长度之和也随之变化，由于链条长度L_LT为定值，这迫使两个导轮10上下移动，所以式(2)中的L_THθ(θ)的大小取决于两个变量R₁、R₂和链条的长度L_LT，所存在函数关系：

L_THθ(θ)＝L_THθ(R₂，R₁，L_LT、θ)         (3)

以此，在短轴7轴线、导轮10相对于横梁14圆心位置为已知参数的情况下式(3)可改写为：

F_TH(θ)＝F_TH(R₂，R₁，L_LT，L₀，k、θ)       (4)

如图4所示，由力学平衡关系可知F_LT(θ)为变量F_TH、R₂、R₁、L_LT函数所以有：

F_TH＝F_LT(θ)·[COS(β1)+COS(β2)]        (5)

式(5)中β₁、β₂分别为两凸轮与导轮之间的直线形状的链条中心线与导轨的夹角β₁、β₂均为以R₁、R₂、L_LT、θ为变量的函数。所式(5)可写为函数形式：

F_LT(θ)＝F_TH(θ)·N(R₁、R₂、L_LT、θ)       (6)

其中

将式(6)变形得到

F_LT(θ)＝F_LT(F_TH，R₂，R₁，L_LT、θ)＝F_LT(L_TH0，K，R₂，R₁，L_LT，θ)        (7)

由式(1)和式(7)可知输出的扭矩可表示为：

M(θ)＝M(L_TH0，k，R₂，R₁，L_LT，θ)       (8)

由式(6)可知以上的一个变扭矩驱动单元的随θ变化扭矩输出的大小可通过L_TH0、k、R₁、R₂、L_LT等参数进行调整。所以我们可以通过设计凸轮的形状对参数对R₁(θ)、R₂(θ)进行控制配合L_TH0、k、L_LT实现我们想要的任何扭矩输出特性。

将式(6)和(2)导入式(1)可得到如下关系：

令H(θ)＝N(R₁、R₂、L_LT、θ)·[R₂(θ)-R₁(θ)]

U(θ)＝L_THθ·N(R₁、R₂、L_LT、θ)·[R₂(θ)-R₁(θ)]

式(9)可化简为：

M(θ)＝L_TH0·H(θ)+U(θ)         (10)

这里我们构建了一个类似直线方程的扭矩输出模型；

(2)两单元拟合模型

如图1所示，其结构由变扭矩单元一1、变扭矩单元二2两个单元构成；

令变扭矩单元一1的扭矩输出为：

M¹(θ)＝L¹ _TH0·H¹(θ)+U¹(θ)       (11)

变扭矩单元二2的扭矩输出为：

M²(θ)＝L² _TH0·H²(θ)+U²(θ)         (12)

通过设计变扭矩单元二2的两个凸轮轮廓使

M²(θ)＝-U¹(θ)         (13)

那么通过联轴器连接变扭矩单元一1和变扭矩单元二2就得到了扭矩输出

M¹(θ)＝L¹ _TH0·H¹(θ)       (14)

式中H¹(θ)是通过参数R¹ ₁、R¹ ₂、L¹ _LT构建的函数。L¹ _TH0是可以通过丝杠调节的参数。所以如图1中由变扭矩单元一1、变扭矩单元二2两个单元构成的机构可以实现一个可调参数与自行构建函数的乘积的输出特性。

(3)对单元拟合模型

当由多个式(14)的模型串联驱动时其表达形式为：

M^all(θ)＝L¹ _TH0·H¹(θ)+L² _TH0·H²(θ)+……+Lⁿ _TH0·Hⁿ(θ)，(n＝1，2，3....)   (15)

综上所述本专利提出了一种多个可调参数与自行构建函数乘积的线性组合的扭矩输出驱动方法，可广泛应用与航天系统重力补偿、被动外骨骼驱动，工业机器人的节能技术和体育训练器材领域。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，包括变扭矩单元一(1)、变扭矩单元二(2)和联轴器(3)，所述变扭矩单元一(1)和变扭矩单元二(2)对称设置，所述联轴器(3)设置在两者之间将两者的输出轴(4)联接在一起；

所述变扭矩单元一(1)包括外部框架(9)、扭矩控制模块、储能模块和预紧力调节机构，所述外部框架(9)整体呈矩形框式结构，所述扭矩控制模块包括双凸轮模块(6)、短轴(7)、轴承座(8)、导轮(10)、导轮支架(11)和链条(5)，所述双凸轮模块(6)是由凸轮一(21)、凸轮二(22)和与凸轮一(21)、凸轮二(22)固定套设在一起的轴套(23)组成，凸轮一(21)和凸轮二(22)分别为边缘带有齿的凸轮形链轮；短轴(7)固定安装在轴套(23)的内部；短轴(7)两端通过轴承座(8)安装到外部框架(9)上，所述导轮支架(11)上安装有导轮(10)，导轮(10)边缘的齿上安装链条(5)，所述链条(5)的两端分别固定安装在凸轮一(21)和凸轮二(22)上，且链条(5)与凸轮一(21)和凸轮二(22)边缘的齿进行配合；

所述储能模块由弹簧支架(15)和弹簧(16)构成，所述弹簧(16)并联设置有多个，其两端分别安装在两个弹簧支架(15)上，两个弹簧支架(15)分别固定安装在两个横梁(14)上；

所述预紧力调节机构主要由导轨(17)、直线轴承(12)、连接板(13)、横梁(14)、丝杠(18)、挡板(19)和定位螺母(20)构成，所述导轨(17)有两组，分别安装在外部框架(9)的内部两侧，所述横梁(14)有两根，两根横梁(14)的两端分别通过直线轴承(12)安装在导轨(17)上且可沿导轨(17)滑动，其中一根横梁(14)上安装导轮支架(11)，另一根横梁(14)上安装丝杠(18)，挡板(19)固定安装在外部框架(9)的底部，其中心具有直径略大于丝杠(18)直径的圆孔，丝杠(18)穿过挡板(19)的中心圆孔后与定位螺母(20)形成螺纹副配合，所述变扭矩单元一和变扭矩单元二结构相同。

2.根据权利要求1所述的扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，其特征还在于，所述轴套(23)上设置定位销(24)，所述定位销(24)实现短轴(7)和轴套(23)的定位安装。

3.根据权利要求1所述的扭矩可编辑被动外骨骼驱动器，其特征还在于，所述链条(5)的两端分别通过定位螺钉固定在凸轮一(21)和凸轮二(22)的边缘上。

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