CN112792803A - 一种适用于上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明是涉及一种串联弹性驱动器，具体是涉及一种适用于上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器。包括机架，电机，弹性元件，机械限位机构，深沟球轴承以及编码器装置。因此，本发明具有如下优点：(1)所述弹性元件在工作范围内具有较为一致的刚度特性，转矩与转角差呈线性关系，且正反转特性连续，一致；(2)弹性元件内部，弹性元件与外壳间设有轴承，摩擦较小，运动平顺；(3)改变弹簧型号以及其实际安装数量即可改变弹性元件刚度，无需重新设计，便于调节；(4)关节角以及转角差均可由编码器测出，利于实现反馈控制。

Description

一种适用于上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器

技术领域

本发明是涉及一种串联弹性驱动器，具体是涉及一种适用于上肢康复外骨骼机器人 的串联弹性驱动器。

背景技术

随进入21世纪，我国老龄化问题日趋严重，据统计，2015年65岁及以上人口达 到1.66亿，占总人口的11.93％，老龄抚养比达到16.8％，而且该比例还有逐年上升的趋 势。此外，随着工业化的推进和建筑业的发展，因工伤使上肢受损的人群也有所增多， 为此，设计一款适用于上肢康复训练的外骨骼机器人显得尤为必要。所谓上肢康复外骨 骼机器人，就是一种可穿戴式的，能够提供辅助动力协助患者运动，或者能够根据康复 训练的需求提供合适阻抗的一种机械装置。此处所谓的柔性，指的是将柔性驱动器结合 至外骨骼各必要主动自由度中，以期提高人机交互的舒适性和安全性。

目前，大部分的外骨骼机器人的直驱关节都采用传统的电机，减速器，输出端的模式，这样做的好处是，机构简单，传动比准确，而且响应迅速。但是，这种结构形式传 动缺乏必要的柔性。考虑到本设计是应用到康复用途上，穿戴者上肢运动功能有所损伤 或欠缺，若采用上述直驱结构，电机的突然启动，加速或者制动势必会给穿戴者带来冲 击，轻者造成穿戴不适，重者可能会给患者带来二次损伤。为此，应在驱动器传动链中 串联弹性元件以提高机构柔顺性。

当前，相当一部分串联弹性驱动器的弹性元件采用类似于板簧的结构，而本设计则 采用拉伸弹簧环绕布置结构。设计关键在于确定拉伸弹簧型号，数量，安装位置以及连接方法，确保在驱动器设计工作范围内，拉伸弹簧都处于正常拉伸工作状态，且弹性元 件等效转动刚度特性符合设计要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种适用于上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器， 并对其中的关键部件，如弹性元件以及机械限位机构的具体结构外形与尺寸进行针对性 的设计，同时对该串联弹性驱动器的各零件布局进行设计，以达到提高系统柔性，保证使用安全，实现紧凑设计，满足外骨骼机器人的使用需要的目的。

为达到设计目的，本发明提出一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱 动器，其特征在于，包括机架，电机，弹性元件，机械限位机构，深沟球轴承以及编码 器装置。所述机架包括电机安装架和外壳，所述电机安装架与所述外壳通过螺纹连接。 所述机械限位机构包含限位环以及螺栓。所述电机设置在电机安装架上，包括直流伺服 电机和以及与直流伺服电机输出配接的谐波减速器。所述直流伺服电机通过螺纹与机架 中的电机安装架的内法兰连接，所述谐波减速器通过螺纹与直流伺服电机连接集成为一 体；编码器装置设置在弹性元件上，弹性元件内外均设有深沟球轴承。

在上述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，弹性元件包含 弹簧安装架一，拉伸弹簧，深沟球轴承61810，深沟球轴承61812，螺栓，垫片以及弹 簧安装架二。其中弹簧安装架一的前端轴面以及轴肩与所述深沟球轴承61810内孔及端 面配合定位，弹簧安装架二内的轴承座孔及台阶面与深沟球轴承61810外圆面及端面配 合定位。弹簧安装架一的三个枝状结构放置于弹簧安装架二的对应缺口处，使弹簧安装 架一和弹簧安装架二可以实现有限的相对转动。所述拉伸弹簧两端带有若干拉环，其中 每个拉伸弹簧两端拉环分别置于弹簧安装架一和弹簧安装架二的枝状结构的螺纹孔上， 利用垫片调整拉环径向高度，并用螺栓穿过拉环，固定于枝状结构上，实现拉伸弹簧环 绕弹簧安装架一和弹簧安装架二布置，深沟球轴承61812内孔及内圈端面分别与弹簧安 装架二的输出轴外圆面及轴肩配合，其外圈的外圆面以及端面分别与外壳的内孔以及台 阶面配合。

在上述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，所有拉伸弹簧 都施加合适的预拉伸量，以保证在由弹簧安装架二缺口所确保的弹性元件形变范围内，即弹簧安装架一与弹簧安装架二的相对转动范围内时，所有拉伸弹簧都处于正常拉伸工作状态。当弹簧安装架一以及弹簧安装架二出现相对转动时，其中拉伸弹簧相对伸长， 另外拉伸弹簧相对缩短，产生切向分力，进而在弹簧安装架一与弹簧安装架二间产生扭 矩。

在上述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，限位机构包含 限位环及螺栓。限位环外法兰开有若干螺纹孔，在对应螺纹孔装上螺栓，当限位环随弹性元件转动至一定角度时，螺栓会触及机架中的外壳内的挡块而无法继续向该方向转 动，从而实现串联弹性驱动器处于合理转动范围。

因此，本发明具有如下优点：(1)所述弹性元件在工作范围内具有较为一致的刚度特性，转矩与转角差呈线性关系，且正反转特性连续，一致；(2)弹性元件内部，弹性 元件与外壳间设有轴承，摩擦较小，运动平顺；(3)改变弹簧型号以及其实际安装数量 即可改变弹性元件刚度，无需重新设计，便于调节；(4)关节角以及转角差均可由编码 器测出，利于实现反馈控制。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图.

图2是机架的结构示意图.

图3是电机的示意图.

图4(a)是弹性元件及编码器的示意图.

图4(b)是弹性元件及编码器的安装示意图.

图5是机械限位机构示意图.

图6是轴承示意图。

图7是本发明的立体结构示意图。

图中，1-直流伺服电机，2-谐波减速器，3-弹簧安装架一，4-深沟球轴承61810，5-绝对值编码器，6-限位环，7-编码器测量柱，8-输出端，9-电机安装架，10-编码器安装 块，11-弹簧安装架二，12-深沟球轴承61812，13-编码器支柱，14-编码器架，15-外壳。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实 施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的串联弹性驱动器爆炸视图如图所示。

如图2所示，本发明的机架包含9-电机安装架和15-外壳。其中，电机安装架的外圆面与所述外壳内孔通过螺纹连接。

如图3所示，本发明的电机包含1-直流伺服电机和2-谐波减速器。

如图4(a)和图4(b)所示，本发明的弹性元件包含3-弹簧安装架一，16-拉伸弹 簧，4-深沟球轴承61810，螺栓，垫片以及9-弹簧安装架二。其中弹簧安装架一的前端 轴面以及轴肩与所述深沟球轴承61810内孔及端面配合定位，弹簧安装架二内的轴承座 孔及台阶面与深沟球轴承61810外圆面及端面配合定位。弹簧安装架一的三个枝状结构 放置于弹簧安装架二的对应缺口处，使弹簧安装架一和弹簧安装架二可以实现有限的相 对转动。所述拉伸弹簧两端带有拉环，共计12根。其中每个拉伸弹簧两端拉环分别置 于弹簧安装架一和弹簧安装架二的枝状结构的螺纹孔上，利用垫片调整拉环径向高度， 并用螺栓穿过拉环，固定于枝状结构上，实现拉伸弹簧环绕弹簧安装架一和2布置。所 有拉伸弹簧都施加合适的预拉伸量，以保证在由弹簧安装架二缺口所确保的弹性元件形 变范围内，即弹簧安装架一与弹簧安装架二的相对转动范围内时，所有拉伸弹簧都处于 正常拉伸工作状态。当弹簧安装架一以及弹簧安装架二出现相对转动时，其中6根拉伸 弹簧相对伸长，另外6根拉伸弹簧相对缩短，产生切向分力，进而在弹簧安装架一与2 间产生扭矩

如图5所示，本发明的限位机构包含6-限位环及螺栓。如图所示，限位环外法兰开有螺纹孔若干，根据实际需求可在对应螺纹孔装上螺栓，当限位环随弹性元件转动至一 定角度时，螺栓会触及机架中的外壳内的挡块而无法继续向该方向转动，从而实现串联 弹性驱动器处于合理转动范围。

如图6所示，本发明12-深沟球轴承61812。其内孔及内圈端面分别与与弹簧安装架二的输出轴外圆面及轴肩配合，其外圈的外圆面以及端面分别与外壳的内孔以及台阶面配合。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域 的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，包括机架，电机，弹性元件，机械限位机构，深沟球轴承以及编码器装置；所述机架包括电机安装架和外壳，所述电机安装架与所述外壳通过螺纹连接；所述机械限位机构包含限位环以及螺栓；所述电机设置在电机安装架上，包括直流伺服电机和以及与直流伺服电机输出配接的谐波减速器；所述直流伺服电机通过螺纹与机架中的电机安装架的内法兰连接，所述谐波减速器通过螺纹与直流伺服电机连接集成为一体；编码器装置设置在弹性元件上，弹性元件内外均设有深沟球轴承。

2.根据权利要求1所述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，弹性元件包含弹簧安装架一，拉伸弹簧，深沟球轴承61810，深沟球轴承61812，螺栓，垫片以及弹簧安装架二；其中弹簧安装架一的前端轴面以及轴肩与所述深沟球轴承61810内孔及端面配合定位，弹簧安装架二内的轴承座孔及台阶面与深沟球轴承61810外圆面及端面配合定位；弹簧安装架一的三个枝状结构放置于弹簧安装架二的对应缺口处，使弹簧安装架一和弹簧安装架二可以实现有限的相对转动；所述拉伸弹簧两端带有若干拉环，其中每个拉伸弹簧两端拉环分别置于弹簧安装架一和弹簧安装架二的枝状结构的螺纹孔上，利用垫片调整拉环径向高度，并用螺栓穿过拉环，固定于枝状结构上，实现拉伸弹簧环绕弹簧安装架一和弹簧安装架二布置，深沟球轴承61812内孔及内圈端面分别与弹簧安装架二的输出轴外圆面及轴肩配合，其外圈的外圆面以及端面分别与外壳的内孔以及台阶面配合。

3.根据权利要求1所述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，所有拉伸弹簧都施加合适的预拉伸量，以保证在由弹簧安装架二缺口所确保的弹性元件形变范围内，即弹簧安装架一与弹簧安装架二的相对转动范围内时，所有拉伸弹簧都处于正常拉伸工作状态；当弹簧安装架一以及弹簧安装架二出现相对转动时，其中拉伸弹簧相对伸长，另外拉伸弹簧相对缩短，产生切向分力，进而在弹簧安装架一与弹簧安装架二间产生扭矩。

4.根据权利要求1所述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，限位机构包含限位环及螺栓；限位环外法兰开有若干螺纹孔，在对应螺纹孔装上螺栓，当限位环随弹性元件转动至一定角度时，螺栓会触及机架中的外壳内的挡块而无法继续向该方向转动，从而实现串联弹性驱动器处于合理转动范围。

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