CN113649998A - 适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，包括机架，所述机架包括电机安装架和外壳，电机安装架和外壳之间固定连接，所述电机安装架内设无框直流伺服电机，无框直流伺服电机内设传动轴，传动轴的输出端头连接谐波减速器，所述谐波减速器设于外壳内，谐波减速器的输出端固定连接输出连接盘，输出连接盘上设弹性元件，所述弹性元件用于与下级机构连接，用以输出平缓的力矩。本发明具有控制精度高，输出阻尼低，抗冲击载荷强等优点，可提高穿戴者的安全性和舒适性。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，具体是涉及一种适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器。
背景技术
2019年国家统计局发布的经济社会发展成就系列报告称，中国老龄化形势日益严峻，人口老龄化加速，是国家面临的巨大挑战。在我国，约有14.3％的人口因年老而生活难以自理。其中中风、神经损伤等各种病症使得患者的运动功能受损。老年人随着年纪增长，运动功能减弱，并常常受各种病症的影响。神经系统受损会导致偏瘫或全瘫，经过治疗后，部分人能够恢复运动能力。然而，后遗症对患者运动造成的障碍仍旧存在，例如关节僵硬、肌力不足、病态步态等，对患者的正常生活造成极大影响。传统的治疗方法需要对步行各要素如下肢负重站立、平衡站立、重心转移和迈步等进行分解单独训练。患者在自身没有平衡能力情况下，因步行过程的复杂性和患者自身下肢肌力匮乏，致使整个训练过程不连贯且不可控，通常无法达到预期效果。然而，国内中风患者数量正在逐年递增，因为专业康复医师的缺乏，有大量下肢患者无法得到及时科学的康复训练。针对这种现状，康复医疗机构开始使用医疗机器人代替治疗师进行康复训练，减少人力成本的同时，还可以协助患者进行科学准确的康复训练。为此，设计一款适用于下肢康复训练的外骨骼机器人显得尤为必要。所谓下肢康复外骨骼机器人，就是一种可穿戴式的，能够提供辅助动力保护并支撑病人完成对应的训练动作的一种机械装置，所谓柔性，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，大部分的下肢柔性康复外骨骼采用的是绳驱方式，这样做的好处是减小了关节质量和惯量，但是这种结构设计缺少机械支撑，且绳驱输出上限由连接的绳子决定，输出上限不高，在输出的过程中存在一定的能量耗损，因此提出一种可以实现柔顺直驱的驱动器。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器。
为实现上述目的，本发明的采用以下技术方案：
一种适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，包括机架，所述机架包括电机安装架和外壳，电机安装架和外壳之间固定连接，所述电机安装架内设无框直流伺服电机，无框直流伺服电机内设传动轴，传动轴的输出端头连接谐波减速器，所述谐波减速器设于外壳内，谐波减速器的输出端固定连接输出连接盘，输出连接盘上设弹性元件，所述弹性元件用于与下级机构连接，用以输出平缓的力矩。
优选地，所述弹性元件包括固定盘和环型外圈，固定盘和环形外圈之间均匀设有三条S形扭力梁，相邻扭力梁之间夹角为120°，所述固定盘与输出连接盘之间固定连接，所述环形外圈上设有螺纹孔，用以和下级机构连接。
优选地，所述弹性元件为弹簧钢材料且一体加工成型。
优选地，所述传动轴分别和无框直流伺服电机的定子、转子通过第一轴承连接，传动轴上固定设有输入连接盘，所述输入连接盘与无框直流伺服电机的转子固定连接。
优选地，电机安装架的端面设内圈口，所述外壳套设于内圈口上，外壳的内端口设有第一轴承板，第一轴承板和内圈口的端面固定连接，外壳的外端口设第二轴承板，输出连接盘的外端面设连接柱，传动轴上设轴肩，连接柱和第二轴承板之间、轴肩和第一轴承板之间分别通过第二轴承连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1)本发明是应用到康复用途上，穿戴者大多是偏瘫或中风患者等运动功能不健全者，为增加穿戴者的舒适性和安全性，在驱动器传动链中串联弹性元件极大的提高机构柔顺性。
2)本发明采用弹簧钢制成的弹性元件作为扭力输出部件，弹性元件的扭力梁为S形，确保在驱动器设计工作范围内，弹性元件的不会断裂，且弹性元件的形变量可以达到预期的柔顺要求。
3)本发明同时对驱动器各零部件布局进行优化设计，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目的。
4)本发明具有控制精度高，输出阻尼低，抗冲击载荷强等优点，可提高穿戴者的安全性和舒适性。
附图说明
图1为本发明的整体结构爆炸示意图；
图2为本发明机架的结构示意图；
图3为无框直流伺服电机及相应连接件与谐波减速器的结构示意图；
图4为弹性元件的结构示意图。
图中，1-电机安装架，2-第一轴承，3-传动轴，4-第二轴承,5-第一轴承板，6-无框直流伺服电机，7-输入连接盘，8-第二轴承板，9-谐波减速器，10-外壳，11-输出连接盘，12-弹性元件。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图4所示，一种适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，包括机架，机架包括电机安装架1和外壳10，电机安装架1和外壳10之间固定连接，电机安装架1内设无框直流伺服电机6，无框直流伺服电机6内设传动轴3，传动轴3的输出端头连接谐波减速器9，谐波减速器9设于外壳10内，谐波减速器9的输出端固定连接输出连接盘11，输出连接盘11上设弹性元件12，弹性元件12用于与下级机构连接，无框直流伺服电机6、谐波减速器9所输出的力矩，经过弹性元件12输出，可以得到平缓、柔顺的力矩，极大的增加穿戴者的舒适性和安全性。
在上述方案的基础上，弹性元件12包括固定盘121和环形外圈122，固定盘121和环型外圈122之间均匀设有三条S形扭力梁123，相邻扭力梁123之间夹角为120°，固定盘121与输出连接盘11之间固定连接，环形外圈122上设有螺纹孔，用以和下级机构连接。扭力梁123为S形，确保了在驱动器设计工作范围内，弹性元件12不会断裂，且弹性元件12的形变量可以达到预期的柔顺要求。
进一步，弹性元件12为弹簧钢材料且一体加工成型。
具体的，传动轴3分别和无框直流伺服电机6的定子、转子通过第一轴承连接2，传动轴3上固定设有输入连接盘7，输入连接盘7与无框直流伺服电机6的转子固定连接，以使转子驱动传动轴3。
进一步，电机安装架1的端面设内圈口101，外壳10套设于内圈口101上，外壳10的内端口设有第一轴承板8，第一轴承板8和内圈口101的端面固定连接，外壳10的外端口设第二轴承板5，输出连接盘7的外端面设连接柱，传动轴3上设轴肩，连接柱和第二轴承板5之间、轴肩和第一轴承板8之间分别通过第二轴承4连接，第一轴承板8和第二轴承板5对设置于外壳10内的部件进行轴向定位，使整体结构更为稳定和紧凑。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，包括机架，其特征在于，所述机架包括电机安装架和外壳，电机安装架和外壳之间固定连接，所述电机安装架内设无框直流伺服电机，无框直流伺服电机内设传动轴，传动轴的输出端头连接谐波减速器，所述谐波减速器设于外壳内，谐波减速器的输出端固定连接输出连接盘，输出连接盘上设弹性元件，所述弹性元件用于与下级机构连接，用以输出平缓的力矩。
2.根据权利要求1所述适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，所述弹性元件包括固定盘和环型外圈，固定盘和环形外圈之间均匀设有三条S形扭力梁，相邻扭力梁之间夹角为120°，所述固定盘与输出连接盘之间固定连接，所述环形外圈上设有螺纹孔，用以和下级机构连接。
3.根据权利要求2所述适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，所述弹性元件为弹簧钢材料且一体加工成型。
4.根据权利要求1所述适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，所述传动轴分别和无框直流伺服电机的定子、转子通过第一轴承连接，传动轴上固定设有输入连接盘，所述输入连接盘与无框直流伺服电机的转子固定连接。
5.根据权利要求4所述适用于柔性外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于，电机安装架的端面设内圈口，所述外壳套设于内圈口上，外壳的内端口设有第一轴承板，第一轴承板和内圈口的端面固定连接，外壳的外端口设第二轴承板，输出连接盘的外端面设连接柱，传动轴上设轴肩，连接柱和第二轴承板之间、轴肩和第一轴承板之间分别通过第二轴承连接。
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