CN112873174A - 基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节 - Google Patents

基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节 Download PDF

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李鹏飞
徐克锋
王大帅
孙健铨
季心宇
傅睿卿
刘王智懿
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Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节。一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，包括小腿连接件、交叉滚子轴承、线圈组件、大腿连接件和离合定位组件；小腿连接件和大腿连接件通过交叉滚子轴承连接，使膝关节能灵活地旋转，线圈组件固定设置在大腿连接件中，离合定位组件包括转轴滑台，转轴滑台穿过交叉滚子轴承、线圈组件、大腿连接件后与所述小腿连接件固定连接，通过对线圈组件通断电来使线圈组件与离合定位组件的齿圈啮合与分离，最终实现小腿连接件和大腿连接件锁紧和解锁。

Description

基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节。
背景技术
人的能力有限，有必要研发辅助人的设备来提高人的生理机能。外骨骼机器人是一种人机一体化装置，可用于扩充或增强人的生理机能，如提高人在行走时的耐久性、负重能力等特定的能力。外骨骼机器人用于军事或者体力劳动中，让穿戴者得到更好保护，且具有比正常人更强的体能。近年外骨骼机器人来越来越受重视，对机器人的要求也越来越高且越来越接近实际生活，要求机器人结构紧凑、质量和惯性尽可能小、控制方便等。以电机作为关节会导致外骨骼机器人结构体积大、重量重的结果，而膝关节是人体负重较大的关节之一，如何提高膝关节的工作性能是一个亟需解决的难题。
发明内容
本发明提出一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，具有结构简单、控制方便、能耗低、具备锁紧、支撑功能等特点，将该膝关节应用于外骨骼机器人上，通过对其膝关节的励磁线圈通过较小的电流，可在任意时刻及姿态(如下蹲)或动态下锁紧支撑相膝关节，起到支撑作用，减轻负载，减少穿戴者的能量损耗。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特殊之处在于，
包括小腿连接件、交叉滚子轴承、线圈组件、大腿连接件和离合定位组件；
小腿连接件和大腿连接件通过交叉滚子轴承连接，使膝关节能高精度地旋转运动，线圈组件固定设置在大腿连接件中，离合定位组件包括转轴滑台，转轴滑台穿过交叉滚子轴承、线圈组件、大腿连接件后与所述小腿连接件固定连接，通过对线圈组件通断电来使线圈组件与离合定位组件的齿圈啮合与分离，最终实现小腿连接件和大腿连接件锁紧和解锁。
进一步地，上述小腿连接件上设有用于与外骨骼机器人的小腿进行固定的第一螺纹孔、用于与离合定位组件固定连接的第二沉头孔、用于与交叉滚子轴承固定的第一沉头孔。
进一步地，上述交叉滚子轴承，分别与小腿连接件和大腿连接件通过螺栓固定连接，使得小腿连接件和大腿连接件能高精度地旋转运动。交叉滚子轴承也保证其和小腿连接件、线圈组件、大腿连接件和离合定位组件同轴，进而保证在励磁线圈通电后齿圈Ⅰ和齿圈Ⅱ的完全啮合。
进一步地，上述线圈组件包括线圈安装槽、励磁线圈和齿圈Ⅰ；线圈安装槽为柱状体，柱状体的中心设有第一圆槽，其一端设有U型槽，柱状体的端面设有第一通孔，第一通孔内依次装入滚珠、弹簧、顶丝；励磁线圈固定设置在U型槽内，固定设置在齿圈Ⅰ内；励磁线圈通电时，衔铁与线圈安装槽吸合，压紧滚珠，弹簧压缩；断电瞬间，弹簧复原推动滚珠，滚珠顶紧衔铁并带动齿圈Ⅱ沿轴向复位。齿圈Ⅰ的一个端面设有第一矩形导向齿，另一个端面设有第一细牙梯形齿。
进一步地，上述线圈安装槽侧面设有第二通孔，齿圈Ⅰ的侧面设有第三通孔，第二通孔与第三通孔通过销轴固定连接。
进一步地，上述大腿连接件上设有用于与交叉滚子轴承固定的第二螺纹孔，用于嵌入第一矩形导向齿的凹槽，用于与外骨骼机器人的大腿固定的第三螺纹孔，用于装电线的第二过线孔。大腿连接件通孔与交叉滚子轴承通过螺栓连接，用于实现大腿连接件的转动。
进一步地，上述大腿连接件上设有大凹槽，用于嵌入线圈组件；大腿连接件其侧面设有第四通孔，用于通过销轴固定线圈组件。
进一步地，上述离合定位组件包括衔铁、齿圈Ⅱ、和转轴滑台。
所述衔铁为圆柱体，圆柱体中心设有第二圆槽，圆柱体端面设有阶梯孔；
所述齿圈Ⅱ的一端设有第二细牙梯形齿，另一端设有第二矩形导向齿；
所述转轴滑台包括圆柱凸台，圆柱凸台上设有与齿圈Ⅱ第二矩形导向齿匹配的矩形导向齿槽，圆柱凸台上设有第五螺纹孔，
衔铁固定在齿圈Ⅱ内，带有压缩弹簧的螺栓通过阶梯孔将衔铁固定连接转轴滑台的第五螺纹孔，组成离合定位组件。
当励磁线圈通电，产生磁场吸合衔铁，衔铁带动齿圈Ⅱ沿轴方向移动并与线圈组件的齿圈Ⅰ啮合，使膝关节锁紧。线圈安装槽及衔铁经过磁化，形成闭合磁力线，吸合后增强吸力，确保齿圈Ⅰ和齿圈Ⅱ的啮合。当励磁线圈断电，磁场消失，齿圈Ⅰ和齿圈Ⅱ脱离啮合，压缩弹簧带动衔铁及齿圈Ⅱ复原。
进一步地，上述衔铁的侧面设有盲孔，所述齿圈Ⅱ的侧面设有第五通孔，第五通孔与盲孔通过销轴固定连接。
本发明的优点：
1)本发明基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，部件少，具有结构简单，容易控制的特点；
2)不需要在膝关节整合电机等驱动装置，以减轻下肢外骨骼下肢的重量；
3)可通过外骨骼机器人控制系统控制励磁线圈的通断电，来吸合和释放衔铁，进而对膝关节锁紧与解锁，可以在任意时刻及姿态(如下蹲)或动态下锁紧，支撑自重，同时还可以为负重提供支撑减轻负载；
4)励磁线圈通过较小的电流就可以使得齿圈啮合，锁紧膝关节来提供支撑、减轻负重，且能量损耗小。
附图说明
图1为本发明基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节的整体结构图；
图2为图1的爆炸图；
图3为图1的剖面图；
图4为小腿连接件、交叉滚子轴承、大腿连接件分解图；
图5为线圈组件图；
图6为线圈安装槽图；
图7为离合定位组件图。
其中：1、小腿连接件，11、第一螺纹孔，12、第一沉头孔，13、第二沉头孔；
2、交叉滚子轴承；
3、线圈组件，31、线圈安装槽，311、第一通孔，312、第一圆槽，313、第一过线孔，314、第二通孔，315、顶丝，316、弹簧，317、滚珠，318、U型槽，32、励磁线圈，33、齿圈Ⅰ，331、第一矩形导向齿，332、第三通孔，333、第一细牙梯形齿；
4、大腿连接件，41、第二螺纹孔，42、凹槽，43、第三螺纹孔，44、第二过线孔，45、第四通孔，46、大凹槽，
5、离合定位组件，51、衔铁，511、第二圆槽，512、阶梯孔，513、盲孔，52、齿圈Ⅱ，521、第二细牙梯形齿，522、第五通孔，523、第二矩形导向齿，53、转轴滑台，531、第四螺纹孔，532、圆柱凸台，533、矩形导向齿槽，534、第五螺纹孔，535、压缩弹簧，536、螺栓。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参见图1-图7，一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，包括小腿连接件1、交叉滚子轴承2、线圈组件3、大腿连接件4和离合定位组件5；小腿连接件1和大腿连接件4通过交叉滚子轴承2连接，使膝关节能高精度地旋转运动，线圈组件3固定设置在大腿连接件4中，离合定位组件5包括转轴滑台53，转轴滑台53穿过交叉滚子轴承2、线圈组件3、大腿连接件4后与所述小腿连接件1固定连接，通过对线圈组件3通断电来使线圈组件3与离合定位组件5的齿圈啮合与分离，最终实现小腿连接件1和大腿连接件4锁紧和解锁。
作为本发明的一个优选实施例，所述小腿连接件1上设有：用于与外骨骼机器人的小腿固定三个第一螺纹孔11、与离合定位组件5的四个第四螺纹孔531通过螺栓固定连接的1组四个第二沉头孔13、与装置于小腿连接件1内侧的交叉滚子轴承固定的1组共六个第一沉头孔12。
所述小腿连接件1通过螺栓固定连接交叉滚子轴承2和外骨骼机器人的小腿，用于实现小腿连接件的转动。
作为本发明的一个优选实施例，所述交叉滚子轴承2分别与小腿连接件1和大腿连接件4通过螺栓固定连接，使得小腿连接件1和大腿连接件4能高精度地旋转运动。交叉滚子轴承2也保证其和小腿连接件1、线圈组件3、大腿连接件4和离合定位组件5同轴，进而保证在励磁线圈32通电后齿圈Ⅰ33和齿圈Ⅱ52的完全啮合。
作为本发明的一个优选实施例，所述线圈组件3包括线圈安装槽31、励磁线圈32和齿圈Ⅰ33。
所述线圈安装槽31上设有第一圆槽312、U型槽318、第一过线孔313、与齿圈Ⅰ33固定的3个第二通孔314、顶丝315、弹簧316、滚珠317以及3个第一通孔311。
U型槽318用于装励磁线圈32；齿圈Ⅰ33上设有4个第一矩形导向齿331，与线圈安装槽31固定的3个第三通孔332、第一细牙梯形齿333。线圈安装槽31的第二通孔314与齿圈Ⅰ33的第三通孔332通过销轴固定连接。励磁线圈32置于线圈安装槽U型槽318内并用热熔胶填充固定。滚珠317、弹簧316、顶丝315依次装入线圈安装槽第一通孔311。励磁线圈32通电产生磁场，使得滚珠317受到衔铁51的挤压，弹簧316压缩，齿圈Ⅰ33和齿圈Ⅱ52啮合；励磁线圈32断电，磁场消失，弹簧316复原推动滚珠317，齿圈Ⅰ33和齿圈Ⅱ52脱离啮合，进而推动衔铁51复位。
作为本发明的一个优选实施例，所述大腿连接件4包括用于与交叉滚子轴承2固定的1组共六个第二螺纹孔41，用于嵌入线圈组件3的四个凹槽42，用于与外骨骼机器人的大腿固定三个第三螺纹孔43，一个第二过线孔44，固定线圈组件3的1组共6个第四通孔45，大凹槽46。
大腿连接件通孔41与交叉滚子轴承2通过螺栓连接，用于实现大腿连接件4的转动；大腿连接件4的大凹槽46嵌入线圈组件3，其第四通孔45通过销轴固定线圈组件3；大腿连接件4有第二过线孔44，用于装电线给所述线圈组件3的励磁线圈32通电。
作为本发明的一个优选实施例，参见图7，所述离合定位组件5包括衔铁51、齿圈Ⅱ52、和转轴滑台53。
所述衔铁51包括一个第二圆槽511，三个阶梯孔512，与齿圈Ⅱ的固定连接的三个盲孔513。
所述齿圈Ⅱ52包括第二细牙梯形齿521，在于与衔铁固定连接的3个第五通孔522，4个第二矩形导向齿523。
所述转轴滑台53包括：与小腿连接件第二沉头孔13通过螺栓固定连接的1组共四个第四螺纹孔531，圆柱凸台532，与齿圈Ⅱ52匹配的4个矩形导向齿槽533，三个第五螺纹孔534，三个压缩弹簧535、三个螺栓536。
与齿圈Ⅱ52固定在一起的衔铁51，通过带有压缩弹簧535的螺栓536连接其阶梯孔512，再固定连接转轴滑台的三个第五螺纹孔534，组成离合定位组件5。衔铁51与齿圈Ⅱ52通过通孔513、第五通孔522固定连接，衔铁51与转轴滑台53通过带有压缩弹簧535的螺栓536连接。
本发明的工作原理为：
小腿连接件1与外骨骼机器人的小腿固定，大腿连接件4与外骨骼机器人的大腿固定。
当励磁线圈32通电，产生磁场吸合衔铁51，衔铁51带动齿圈Ⅱ52沿轴方向移动并与线圈组件3的齿圈Ⅰ33啮合，使膝关节锁紧。线圈安装槽31及衔铁51经过磁化，形成闭合磁力线(形成磁场)，吸合后增强吸力，确保齿圈Ⅰ33和齿圈Ⅱ52的啮合。当励磁线圈32断电，磁场消失，齿圈Ⅰ33和齿圈Ⅱ52脱离啮合，弹簧316复原推动滚珠317，齿圈Ⅰ33和齿圈Ⅱ52脱离啮合，进而推动衔铁51复位，同时压缩弹簧535带动衔铁51及齿圈Ⅱ52复原，实现解锁。
本发明基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节具有结构简单、控制方便、具备锁紧功能等特点，将该膝关节应用于外骨骼机器人上，通过对其膝关节的励磁线圈通过较小的电流，锁紧膝关节来起到提供支撑、减轻人负载的作用，且能量损耗小。
穿戴者负重行走时，外骨骼机器人一条腿处于支撑状态，控制系统控制膝关节的励磁线圈通电来吸合衔铁，进而上下齿圈啮合，膝关节锁紧，起到支撑的作用；另一条腿处于摆动状态，控制系统控制膝关节的励磁线圈断电，上下齿圈脱离啮合，解锁膝关节，实现自由摆动。当人站立或下蹲时，控制系统控制膝关节的励磁线圈通电来吸合衔铁，进而上下齿圈啮合，外骨骼膝关节锁紧。锁紧的膝关节将负载传递至地面，起到支撑作用，减小穿戴者的负载和能量损耗。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
包括小腿连接件(1)、交叉滚子轴承(2)、线圈组件(3)、大腿连接件(4)和离合定位组件(5)；
小腿连接件(1)和大腿连接件(4)通过交叉滚子轴承(2)连接，线圈组件(3)固定设置在大腿连接件(4)中，离合定位组件(5)包括转轴滑台(53)，转轴滑台(53)穿过交叉滚子轴承(2)、线圈组件(3)、大腿连接件(4)后与所述小腿连接件(1)固定连接，通过对线圈组件(3)通断电来使线圈组件(3)与离合定位组件(5)的齿圈啮合与分离，最终实现小腿连接件(1)和大腿连接件(4)锁紧和解锁。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述小腿连接件(1)上设有用于与外骨骼机器人的小腿进行固定的第一螺纹孔(11)、用于与离合定位组件(5)固定连接的第二沉头孔(13)、用于与交叉滚子轴承(2)固定的第一沉头孔(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述交叉滚子轴承(2)，分别与小腿连接件(1)和大腿连接件(4)通过螺栓固定连接，使得小腿连接件(1)和大腿连接件(4)能高精度地旋转运动。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述线圈组件(3)包括线圈安装槽(31)、励磁线圈(32)和齿圈Ⅰ(33)；
线圈安装槽(31)为柱状体，柱状体的中心设有第一圆槽(312)，其一端设有U型槽(318)，柱状体的端面设有第一通孔(311)，第一通孔(311)内依次装入滚珠(317)、弹簧(316)、顶丝(315)；励磁线圈(32)固定设置在U型槽(318)内，线圈安装槽(31)固定设置在齿圈Ⅰ(33)内；
齿圈Ⅰ(33)的一个端面设有第一矩形导向齿(331)，另一个端面设有第一细牙梯形齿(333)。
5.根据权利要求4所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述线圈安装槽(31)的侧面设有第二通孔(314)，齿圈Ⅰ(33)的侧面设有第三通孔(332)，第二通孔(314)与第三通孔(332)通过销轴固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述大腿连接件(4)上设有用于与交叉滚子轴承(2)固定的第二螺纹孔(41)，用于嵌入第一矩形导向齿(331)的凹槽(42)，用于与外骨骼机器人的大腿固定的第三螺纹孔(43)；用于装电线的第二过线孔(44)；大腿连接件通孔(41)与交叉滚子轴承通过螺栓连接，用于实现大腿连接件(4)的转动。
7.根据权利要求6所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述大腿连接件(4)上设有大凹槽(46)，用于嵌入线圈组件(3)；大腿连接件(4)其侧面设有第四通孔(45)，用于通过销轴固定线圈组件(3)。
8.根据权利要求7所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
离合定位组件(5)包括衔铁(51)、齿圈Ⅱ(52)、和转轴滑台(53)；
所述衔铁(51)为圆柱体，圆柱体中心设有第二圆槽(511)，圆柱体端面设有阶梯孔(512)；
所述齿圈Ⅱ(52)的一端设有第二细牙梯形齿(521)，另一端设有第二矩形导向齿(523)；
所述转轴滑台(53)包括圆柱凸台(532)，圆柱凸台(532)上设有与齿圈Ⅱ(52)第二矩形导向齿(523)匹配的矩形导向齿槽(533)，圆柱凸台(532)上设有第五螺纹孔(534)，
衔铁(51)固定在齿圈Ⅱ(52)内，带有压缩弹簧(535)的螺栓(536)通过阶梯孔(512)将衔铁(51)固定连接转轴滑台(53)的第五螺纹孔(534)，组成离合定位组件(5)。
9.根据权利要求8所述的一种基于电磁离合的外骨骼机器人膝关节，其特征在于：
所述衔铁(51)的侧面设有盲孔(513)，所述齿圈Ⅱ(52)的侧面设有第五通孔(522)，第五通孔(522)与盲孔(513)通过销轴固定连接。
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