CN112842830A - 基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构及方法，驱动结构包括构成外骨骼膝关节结构的第一连接部和第二连接部；还包括驱动装置，驱动装置包括驱动器、偏心设于驱动器输出面的凸轮部、设于第二连接部上的第二导轮、绳索组件以及与绳索组件相连的弹性件，第二导轮的圆心到驱动器输出面的圆心的直线在驱动器输出面的圆周上存在两个点，驱动器带动凸轮部在两个点之间做单向圆周运动，弹性件产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。本发明在整个步态周期内驱动器单向旋转实现膝关节助力，无需驱动器频繁变换旋转方向，可有效降低系统对驱动器的要求，而且通过弹性件实现膝关节助力，当系统与人体步态不一致时，人体膝关节仍可正常活动。

Description

基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构及方法

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼技术领域，尤其涉及基于柔性凸轮系统的外骨骼 膝关节驱动结构及方法。

背景技术

外骨骼原来指生物学中保护生物内部柔软器官的一种坚硬外部结构，而现 在外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学 与人机工效学的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、 负重能力等特定方面的能力。由于外骨骼机器人涉及人机工效学，这就要求其 有较强适应性，不仅要适用不同体型穿戴者，同时也要对人体关节进行危险防 护，防止穿戴过程中造成人体损伤。

现有技术外骨骼机器人的柔性膝关节多是通过绳索结构驱动，例如膝关节 电机和缠绕在膝关节电机上的钢丝绳索，传统的膝关节电机为双向旋转，其中 涉及电机换向问题，因膝关节行走时角度变化较大，导致膝关节电机在快速行 走时需要较高的响应速度，对电机要求较高。而且一旦系统与人体步态不一致 便会影响人体膝关节正常活动，容易使人失去平衡造成危险。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的一个目的是提供一种基于柔性凸轮系 统的外骨骼膝关节驱动结构，包括构成外骨骼膝关节结构的第一连接部和第二 连接部；

还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动器、偏心设于所述驱动器输出面 上的凸轮部、设于第二连接部上的第二导轮、设于第二导轮上的绳索组件以及 与绳索组件相连的弹性件，所述绳索组件包括第一绳索和第二绳索，所述第一 绳索的一端连接第一连接部，第一绳索通过弹性件连接第二绳索，第二绳索连 接凸轮部，第二导轮的圆心到驱动器输出面的圆心的直线在驱动器输出面的圆 周上存在两个点，驱动器带动凸轮部在两个点之间做单向圆周运动，所述弹性 件产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。

采用以上技术方案，还包括第一导轮，所述第二连接部在靠近第一连接部 的位置设置有第一导轮，所述第二连接部在远离第一连接部的位置设置有第二 导轮。

采用以上技术方案，还包括拉力传感器，所述拉力传感器设于所述第一连 接部上。

采用以上技术方案，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的一端连接第一绳索， 所述第一绳索穿过第一导轮且第一绳索连接拉力传感器；所述弹簧的另一端连 接第二绳索，所述第二绳索穿过第二导轮且第二绳索连接凸轮部。

采用以上技术方案，所述凸轮部包括凸轮轴和出线轮，所述凸轮轴偏心设 置于所述驱动器的输出面上，所述凸轮轴上可旋转的设置有出线轮，所述出线 轮连接第二绳索。

采用以上技术方案，还包括大腿杆、固定块、支撑架和连接件，所述大腿 杆连接第二连接部，所述大腿杆上设置有固定块和支撑架，所述固定块上设置 有第二导轮，所述支撑架上设置有驱动器，所述连接件包括连接片和销轴，第 一连接部和第二连接部通过连接片和销轴连接。

采用以上技术方案，所述第一连接部包括第一齿面，所述第二连接部包括 第二齿面，所述第一齿面和第二齿面啮合，用于保持所述第一连接部和第二连 接部同步转动。

采用以上技术方案，所述驱动装置还包括绝对编码器、绝对编码器外壳、 磁珠和磁珠座，所述绝对编码器连接绝对编码器外壳，所述绝对编码器外壳连 接所述驱动器，所述绝对编码器外壳扣合连接磁珠座，所述磁珠座连接磁珠和 凸轮轴。

本发明的另一目的是提供一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动方 法，包括：

凸轮部偏心设置于驱动器的输出面上，第二导轮的圆心到驱动器输出面的 圆心的直线在驱动器输出面的圆周上存在两个点；

根据两个点到第二导轮的圆心的距离定义最高点和最低点，其中点到第二 导轮的圆心的距离最长的点为最高点，点到第二导轮的圆心的距离最短的点为 最低点；

驱动器带动凸轮部在最高点和最低点之间做单向圆周运动，弹性件产生拉 力或压力助力外骨骼膝关节运动。

采用以上技术方案，所述驱动器带动凸轮部在最高点和最低点之间做单向 圆周运动，弹性件产生拉力或压力助力第一连接部运动包括：

凸轮部包括凸轮轴和出线轮，凸轮轴上可旋转的设置有出线轮，出线轮连 接第二绳索，第二绳索通过弹性件连接第一绳索，第一绳索连接拉力传感器；

当人体膝关节从弯曲状态进入直立状态时，驱动器旋转使出线轮从最低点 向最高点移动，第二绳索拉伸弹性件，在出线轮旋转至最高点时，弹性件对第 一绳索产生拉力，使外骨骼膝关节处于直立状态；

当人体膝关节从直立状态进入弯曲状态时，驱动器旋转使出线轮从最高点 向最低点移动，第二绳索放松弹性件，在出线轮旋转至最低点时，弹性件对第 一绳索几乎没有拉力，使外骨骼膝关节不影响人体膝关节弯曲。

与现有技术相比较而言，本发明在整个步态周期内驱动器单向旋转实现膝 关节助力，无需驱动器频繁变换旋转方向，可有效降低系统对驱动器的要求， 而且通过弹性件实现膝关节助力，当系统与人体步态不一致时，人体膝关节仍 可正常活动，不会因失去平衡造成危险。

附图说明

图1是本发明第一实施例的主视图。

图2是本发明第一实施例的侧视图。

图3是本发明第一实施例的后视图。

图4是本发明第一实施例驱动装置的部分结构示意图。

图5是本发明第一实施例处于弯曲状态的结构示意图。

图6是本发明第二实施例的流程图。

图中标号说明：1、驱动器；2、支撑架；3、固定块；4、大腿杆；5、弹性 件；61、第一绳索；62、第二绳索；7、第二连接部；71、第二齿面；8、连接 片；9、第一连接部；91、第一齿面；10、绝对编码器外壳；11、绝对编码器； 12、磁珠；13、磁珠座；14、凸轮轴；15、出线轮；16、垫片；17、螺母；18、 拉力传感器；19、第一导轮；20、第二导轮；21、销轴；22、固定轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相 同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施 例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明第一实施例中，参照图1至图5所示，本发明提供一种基于柔性 凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，包括构成外骨骼膝关节结构的第一连接部 9和第二连接部7；还包括实现外骨骼膝关节动作的驱动装置。

驱动装置包括驱动器1、凸轮部、第一导轮19、第二导轮20、绳索组件以 及弹性件5，绳索组件包括第一绳索61和第二绳索62，第一绳索61的一端连 接第一连接部9，第一绳索61穿过第一导轮19且第一绳索61连接弹性件5， 弹性件5的另一端连接第二绳索62，第二绳索62穿过第二导轮20且第二绳索 62连接凸轮部，凸轮部偏心设于驱动器1的输出面上，第二导轮20的圆心到 驱动器1输出面的圆心的直线在驱动器1输出面的圆周上存在两个点，驱动器 1带动凸轮部在两个点之间做单向圆周运动，弹性件5产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。

优选的，弹性件5为弹簧，弹簧的一端连接第一绳索61，弹簧的另一端连 接第二绳索62，第二绳索62穿过第二导轮20且第二绳索62连接凸轮部，凸 轮部包括凸轮轴14和出线轮15，凸轮轴14偏心设置于驱动器1的输出面上， 凸轮轴14上可旋转的设置有出线轮15，出线轮15连接第二绳索62。具体的， 与传统结构中使用出线轮15收放绳索不同，本发明第二绳索62的一端打结套 设在出线轮15上，出线轮15在驱动器1的输出面上旋转只会带动第二绳索62 的端口移动，不会产生对绳索的收放动作。在第二绳索62移动的过程中，第二 绳索62与出线轮15的位置关系可能会发生改变，例如第二绳索62与出线轮 15的初始位置关系为相切时，那么在出线轮15移动的过程中，第二绳索62与 出线轮15的位置关系可能不是相切关系，因此本发明将出线轮15在凸轮轴14 上设置为自适应旋转，通过出线轮15的自适应旋转能够使得第二绳索62与出 线轮15的位置关系始终相切，保证整个系统驱动的一致性和稳定性。

还包括大腿杆4、固定块3、支撑架2和连接件，大腿杆4连接第二连接部 7，大腿杆4上设置有固定块3和支撑架2，第二导轮20通过销轴21与固定块 3连接，固定块3与大腿杆4连接，支撑架2上设置有驱动器1。连接件包括连 接片8和销轴21，第一连接部9和第二连接部7通过连接片8和销轴21连接， 第一连接部9包括第一齿面91，第二连接部7包括第二齿面71，第一齿面91 和第二齿面71啮合，用于保持第一连接部9和第二连接部7同步转动。其中第 二连接部7与导轮连接，第一连接部9与固定轴22连接。

还包括拉力传感器18，拉力传感器18设于第一连接部9上。

驱动装置还包括绝对编码器11、绝对编码器11外壳10、磁珠12和磁珠 12座，绝对编码器11外壳10与绝对编码器11连接，绝对编码器11外壳10、 支撑架2及驱动器1通过螺栓连接，凸轮轴14与驱动器1以偏心轮方式连接， 出线轮15、磁珠12座与凸轮轴14连接，其中出线轮15与磁珠12座由垫片16 隔开，螺母17与凸轮轴14连接，并压紧出线轮15和磁珠12座，磁珠12与磁 珠12座相连，磁珠12座与绝对编码器11外壳10扣合连接。

本发明出线轮15与第二绳索62连接，第二绳索62穿过第二导轮20与弹 性件5连接，弹性件5的另一端与第一绳索61连接，第一绳索61穿过第二连 接部7与第一导轮19，且第一绳索61与拉力传感器18连接，第一连接部9通 过第一齿面91与第二连接部7的第二齿面71保持同步。

基于图1至图5所示的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，本发 明提供一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动方式，具体详见图6所示。

一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动方法，包括：

S1、凸轮部偏心设置于驱动器1的输出面上，第二导轮20的圆心到驱动器 1输出面的圆心的直线在驱动器1输出面的圆周上存在两个点。

S2、根据两个点到第二导轮20的圆心的距离定义最高点和最低点，其中点 到第二导轮20的圆心的距离最长的点为最高点，点到第二导轮20的圆心的距 离最短的点为最低点。

S3、驱动器1带动凸轮部在最高点和最低点之间做单向圆周运动，弹性件 5产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。

在步骤S3中，凸轮部包括凸轮轴14和出线轮15，凸轮轴14上可旋转的 设置有出线轮15，出线轮15连接第二绳索62，第二绳索62通过弹性件5连接 第一绳索61，第一绳索61连接拉力传感器18。假设第一绳索61和第二绳索 62为刚性整体长度不变，当人体出现直立状态时，驱动器1将出线轮15旋转 至最高点，此时第二绳索62将弹性件5拉伸使外骨骼膝关节处于直立位置，当 人体膝关节弯曲时，驱动电机旋转使出线轮15向最低点移动，此时第二绳索62将放松弹性件5，使外骨骼膝关节不影响膝关节弯曲，在此期间通过拉力传 感器18确保放松过程中弹性件5有一定的预拉力防止绳索松脱，当人体膝关节 从弯曲状态进入直立状态时，驱动器1旋转使出线轮15向最高点移动，当人体 膝关节直立时出线轮15位于最高点，第二绳索62使弹性件5拉伸由此实现主 动助力；当人体膝关节从直立状态进入弯曲状态时，驱动器1旋转使出线轮15 从最高点向最低点移动，第二绳索62放松弹性件5，在出线轮15旋转至最低 点时，弹性件5对第一绳索61几乎没有拉力，使外骨骼膝关节不影响人体膝关 节弯曲。整个步态周期内驱动器1一直单向旋转，出线轮15便可交替到达最低 点和最高点，无需驱动器1频繁变换旋转方向，可有效降低系统对驱动器1的 要求。驱动系统通过弹性件5实现膝关节助力，当系统与人体步态不一致时， 人体膝关节仍可正常活动，不会因失去平衡造成危险。

还有当驱动器1不工作时依然可依靠弹性体实现被动助力。具体的，当膝 关节弯曲时第二连接部7上的第一导轮19会远离第一连接部9，第一绳索61 拉伸弹性件5，弹性件5帮助膝关节复位，实现被动助力效果。

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 (10)

1.一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于，包括构成外骨骼膝关节结构的第一连接部和第二连接部；

还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动器、偏心设于所述驱动器输出面上的凸轮部、设于第二连接部上的第二导轮、设于第二导轮上的绳索组件以及与绳索组件相连的弹性件，所述绳索组件包括第一绳索和第二绳索，所述第一绳索的一端连接第一连接部，第一绳索通过弹性件连接第二绳索，第二绳索连接凸轮部，第二导轮的圆心到驱动器输出面的圆心的直线在驱动器输出面的圆周上存在两个点，驱动器带动凸轮部在两个点之间做单向圆周运动，所述弹性件产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。

2.如权利要求1所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：还包括第一导轮，所述第二连接部在靠近第一连接部的位置设置有第一导轮，所述第二连接部在远离第一连接部的位置设置有第二导轮。

3.如权利要求2所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：还包括拉力传感器，所述拉力传感器设于所述第一连接部上。

4.如权利要求1所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述弹性件为弹簧，所述弹簧的一端连接第一绳索，所述第一绳索穿过第一导轮且第一绳索连接拉力传感器；所述弹簧的另一端连接第二绳索，所述第二绳索穿过第二导轮且第二绳索连接凸轮部。

5.如权利要求4所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述凸轮部包括凸轮轴和出线轮，所述凸轮轴偏心设置于所述驱动器的输出面上，所述凸轮轴上可旋转的设置有出线轮，所述出线轮连接第二绳索。

6.如权利要求1所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：还包括大腿杆、固定块、支撑架和连接件，所述大腿杆连接第二连接部，所述大腿杆上设置有固定块和支撑架，所述固定块上设置有第二导轮，所述支撑架上设置有驱动器，所述连接件包括连接片和销轴，第一连接部和第二连接部通过连接片和销轴连接。

7.如权利要求6所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述第一连接部包括第一齿面，所述第二连接部包括第二齿面，所述第一齿面和第二齿面啮合，用于保持所述第一连接部和第二连接部同步转动。

8.如权利要求1所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述驱动装置还包括绝对编码器、绝对编码器外壳、磁珠和磁珠座，所述绝对编码器连接绝对编码器外壳，所述绝对编码器外壳连接所述驱动器，所述绝对编码器外壳扣合连接磁珠座，所述磁珠座连接磁珠和凸轮轴。

9.一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动方法，其特征在于，包括：

凸轮部偏心设置于驱动器的输出面上，第二导轮的圆心到驱动器输出面的圆心的直线在驱动器输出面的圆周上存在两个点；

根据两个点到第二导轮的圆心的距离定义最高点和最低点，其中点到第二导轮的圆心的距离最长的点为最高点，点到第二导轮的圆心的距离最短的点为最低点；

驱动器带动凸轮部在最高点和最低点之间做单向圆周运动，弹性件产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。

10.如权利要求9所述的基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动方法，其特征在于，所述驱动器带动凸轮部在最高点和最低点之间做单向圆周运动，弹性件产生拉力或压力助力第一连接部运动包括：

凸轮部包括凸轮轴和出线轮，凸轮轴上可旋转的设置有出线轮，出线轮连接第二绳索，第二绳索通过弹性件连接第一绳索，第一绳索连接拉力传感器；

当人体膝关节从弯曲状态进入直立状态时，驱动器旋转使出线轮从最低点向最高点移动，第二绳索拉伸弹性件，在出线轮旋转至最高点时，弹性件对第一绳索产生拉力，使外骨骼膝关节处于直立状态；

当人体膝关节从直立状态进入弯曲状态时，驱动器旋转使出线轮从最高点向最低点移动，第二绳索放松弹性件，在出线轮旋转至最低点时，弹性件对第一绳索几乎没有拉力，使外骨骼膝关节不影响人体膝关节弯曲。

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