CN114505884A - 外骨骼膝关节模组及外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种外骨骼膝关节模组，包括：减速器，包括输入端和输出端；扭簧基座，与输出端连接；外壳，套设在减速器上，外壳的第一端的端面上设置有弧形滑槽；扭簧，套设在外壳上，扭簧的两端分别与扭簧基座和第一端固定连接；多个磁流变液轴承，间隔套设在减速器上，磁流变液轴承的内圈与减速器连接，磁流变液轴承的外圈与外壳连接；励磁线圈，设置在相邻的两个磁流变液轴承之间；两个单向轴承，内圈分别套设在输入端的轴上，两个单向轴承的超越方向相同；第一连接件，套设在一个单向轴承的外圈上，第一连接件上设置有凸台，凸台滑动卡设在弧形滑槽内；以及第二连接件，套设在另一个单向轴承的外圈上。本公开还提供一种外骨骼机器人。

Description

外骨骼膝关节模组及外骨骼机器人

技术领域

本公开涉及外骨骼关节模组研究和工程领域，尤其涉及一种应用磁流变技术，能够实现增强人体跳跃能力和高空安全跃下能力的外骨骼膝关节模组及外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种集控制技术、人机工程、传感技术等多种技术于一身的可穿戴设备。与一般腿式机器人不同，外骨骼在设计和测试阶段均要考虑和人体的运动耦合关系，其中运动的速度和扭矩的大小也要限制在人体可承受的范围内，对于运动过程中的有害冲击也要做出一定的限制。按照功能划分，外骨骼可分为医疗康复型、工业助力型和军用增强型几种；按照结构和穿戴部位不同，又可分为上肢外骨骼和下肢外骨骼两种。

下肢外骨骼主要包括髋关节、膝关节和踝关节，其中膝关节作为外骨骼大腿和小腿结构件的连接部分，是主要受力关节之一，也是外骨骼结构设计和功能实现的很重要的部分。与人体膝关节矢状面的屈曲和伸直、小幅度的旋转两个自由度不同，外骨骼膝关节只保留了矢状面的屈曲和伸直一个自由度。

康复型和助力型外骨骼一般由关节模组驱动，关节模组的性能好坏直接影响外骨骼的运动性能，关节模组的研发或选型对此类外骨骼机器人来说尤为重要。在现有外骨骼产品中，常见关节模组通常由电机和大减速比减速器（大减速比的行星减速器或谐波减速器）组成，该结构的工作原理是由电机提供动力，经减速器减速增扭后将扭矩作用在外骨骼机械结构上。这种结构由于过大的减速比的引入，关节的反向驱动性能较差。以上所述的电机加减速器的驱动方案需要稳定的电源对其供电，需要配备大容量电池或拖线供电，极大的限制了设备的使用时长和移动范围。电机与减速器为机械的刚性连接，在关节有较大载荷或冲击时，零件的强度和模组工作的稳定性都将变差，这种关节模组不具有柔顺性和抗冲击能力，且其提供的扭矩只能起到一般助力效果，无法稳定输出大扭矩达到对人体功能增强的作用。上述驱动方式无法满足模组的大扭矩输出和吸收有害的冲击的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，根据本公开一个方面的发明构思，提供一种外骨骼膝关节模组，包括：

减速器，包括输入端和输出端；

扭簧基座，与所述输出端连接；

外壳，套设在所述减速器上，所述外壳的第一端的端面上设置有弧形滑槽；

扭簧，套设在所述外壳上，所述扭簧的两端分别与所述扭簧基座和所述第一端固定连接；

多个磁流变液轴承，间隔地套设在所述减速器上，所述磁流变液轴承的内圈与所述减速器连接，所述磁流变液轴承的外圈与所述外壳连接；

励磁线圈，设置在相邻的两个所述磁流变液轴承之间；

两个单向轴承，内圈分别套设在所述输入端的轴上，两个所述单向轴承的超越方向相同；

第一连接件，套设在一个单向轴承的外圈上，所述第一连接件上设置有凸台，所述凸台滑动卡设在所述弧形滑槽内；

第二连接件，套设在另一个单向轴承的外圈上。

可选的，外骨骼膝关节模组还包括：

衬套，套设在所述减速器上；

其中，所述衬套、相邻的两个磁流变液轴承和所述外壳共同组成磁场回路通道。

可选的，所述磁流变液轴承响应于所述励磁线圈产生的磁场改变工作状态，所述工作状态包括自由转动、锁死和阻尼转动。

可选的，外骨骼膝关节模组还包括：

拓展轴套，与所述输入端连接，其中，所述两个单向轴承的内圈分别套设在所述拓展轴套上。

可选的，外骨骼膝关节模组还包括：

套筒，设置在所述两个单向轴承之间，用以调整所述两个单向轴承的间距；

轴用卡簧，套设在所述拓展轴套上，所述轴用卡簧配合所述拓展轴套的轴肩和所述套筒对所述两个单向轴承进行定位和固定。

可选的，所述外壳为包括至少两个分段式壳体，每个所述分段式壳体分别套设在相邻的两个磁流变液轴承上。

可选的，所述磁流变液轴承的数量为三个，三个所述磁流变液轴承分别套设在所述减速器的两端和中间，所述外壳包括两个所述分段式壳体。

可选的，外骨骼膝关节模组还包括：

连接中间件，两端分别固定地连接所述减速器的外壳和所述第二连接件。

可选的，外骨骼膝关节模组还包括：

限位件，设置在所述第一连接件上；

定位件，设置在所述第二连接件上；

其中，所述限位件和所述定位件配合限定所述第一连接件相对于所述第二连接件的转动范围。

根据本公开另一个方面的发明构思，提供一种外骨骼机器人，包括前述的外骨骼膝关节模组。

通过上述的外骨骼膝关节模组，利用两个单向轴承配合第一连接件、第二连接件以及减速器对扭簧进行多次的输入和蓄能，待蓄能完成后，利用磁流变液轴承完成蓄能的释放，能够达成大扭矩输出，同时，还能够改变磁流变液轴承的工作状态实现阻尼减震的效果。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的立体图；

图2示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的部分结构爆炸图；

图3示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的磁场回路示意图；

图4示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的二维原理示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1-扭簧基座；

2-减速器；

3-第一衬套；

4-磁流变液轴承；

5-扭簧；

6-第一分段式壳体；

7-励磁线圈；

8-第二分段式壳体；

9-第二衬套；

10-减速器连接件；

11-第一连接件；

12-第二连接件；

13-连接中间件；

14-单向轴承；

15-拓展轴套；

16-轴用卡簧；

17-限位件。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

磁流变材料是一种物理特性随外加磁场快速变化的新兴功能材料，以此为基础的磁流变器件广泛应用于航空航天、交通运输、机器人、武器装备及医疗等领域。常见的磁流变材料有磁流变液、磁流变弹性体、磁流变脂、磁流变泡沫等，磁流变材料具有毫秒级的响应速度和优良的可控性。本公开通过结合磁流变技术提出一种集成磁流变液轴承的具有大扭矩输出和冲击耗散功能的外骨骼膝关节模组，解决了电机加减速器驱动方式柔顺性不足、无法输出大扭矩、无法吸收有害冲击的问题。能够对外输出大扭矩，以此达到对人体跳跃能力的大幅增强；可通过励磁线圈控制磁流变液轴承阻尼的大小吸收有害的冲击能量，以此实现对外骨骼穿戴者在高空跃下的安全保护。

图1示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的立体图；图2示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的部分结构爆炸图。

为了解决上述技术问题，根据本公开一个方面的发明构思，提供一种外骨骼膝关节模组，如图1和图2所示，包括扭簧基座1、减速器2、外壳、磁流变液轴承4、扭簧5、励磁线圈7、单向轴承14、第一连接件11和第二连接件12，其中：

减速器2包括输入端和输出端；

扭簧基座1与输出端连接；

外壳套设在减速器2上，外壳的第一端的端面上设置有弧形滑槽；

扭簧5套设在外壳上，扭簧5的两端分别与扭簧基座1和第一端固定连接；

多个磁流变液轴承4间隔套设在减速器2上，磁流变液轴承4的内圈与减速器2连接，磁流变液轴承4的外圈与外壳连接；

励磁线圈7设置在相邻的两个磁流变液轴承4之间；

两个单向轴承14内圈分别套设在输入端的轴上，两个单向轴承14的超越方向相同；

第一连接件11套设在一个单向轴承14的外圈上，第一连接件11上设置有凸台，凸台滑动卡设在弧形滑槽内；

第二连接件12套设在另一个单向轴承14的外圈上。

通过上述实施例的外骨骼膝关节模组，利用两个单向轴承配合第一连接件、第二连接件以及减速器对扭簧进行多次的输入和蓄能，待蓄能完成后，利用磁流变液轴承完成蓄能的释放，能够达成大扭矩输出，同时，还能够改变磁流变液轴承的工作状态实现阻尼减震的效果。

根据本公开可选的一些实施例，减速器2包括齿轮减速器、蜗杆减速器、谐波减速器和行星齿轮减速器。

根据本公开的一些实施例，第一连接件11用于固定在用户的大腿处，第二连接件12用于固定在用户的小腿处。

根据本公开的一些实施例，外骨骼膝关节模组还包括衬套，衬套套设在减速器2上，其中，衬套、相邻的两个磁流变液轴承4和外壳共同组成磁场回路通道。

根据本公开的一些实施例，减速器2的外壳为绝磁材料支撑，衬套为导磁材料，可选的，衬套包括第一衬套3和第二衬套9，第一衬套3和第二衬套9以拼接的方式罩设在减速器2的外壳上。

根据本公开的一些实施例，磁流变液轴承4响应于励磁线圈7产生的磁场改变工作状态，磁流变液轴承4的工作状态包括自由转动、锁死和阻尼转动。

根据本公开的一些实施例，外骨骼膝关节模组还包括拓展轴套15，拓展轴套15与输入端连接，两个单向轴承14的内圈分别套设在拓展轴套15上。

根据本公开的一些实施例，外骨骼膝关节模组还包括套筒和轴用卡簧16，套筒设置在所述两个单向轴承14之间，且分别抵靠两个单向轴承14相对的一侧的内圈，用以调整所述两个单向轴承14的间距；轴用卡簧16套设在拓展轴套15上，轴用卡簧16配合拓展轴套15的轴肩和套筒对两个单向轴承14进行定位和固定，其中，一个单向轴承14内圈的一侧抵靠在拓展轴套15的轴肩上，另一侧抵靠套筒，另一个单向轴承14内圈的两侧分别抵靠套筒和轴用卡簧16。

根据本公开的一些实施例，外壳为包括至少两个分段式壳体，每个分段式壳体分别套设在相邻的两个磁流变液轴承4上。

根据本公开的一些实施例，磁流变液轴承4的数量为三个，三个磁流变液轴承4分别套设在减速器2的两端和中间，外壳包括两个分段式壳体。可选的，外壳包括第一分段式壳体6和第二分段式壳体8，分别罩设在三个磁流变液轴承4上。

根据本公开的一些实施例，外骨骼膝关节模组还包括连接中间件13，连接中间件13的两端分别固定地连接减速器2的外壳和第二连接件12。可选的，连接中间件13与减速器2之间设置有减速器连接件10。

根据本公开的一些实施例，外骨骼膝关节模组还包括限位件17和定位件，可选的，限位件17设置在第一连接件11上；定位件设置在第二连接件12上；限位件17和定位件配合限定第一连接件11相对于第二连接件12的转动范围。

根据本公开另一个方面的发明构思，提供一种外骨骼机器人，包括前述的外骨骼膝关节模组。

根据本公开的一些实施例，通过控制励磁线圈7通入的电流大小控制穿过磁流变液轴承组件4的磁场强度，进而改变了磁流变液轴承组件4工作状态。

根据本公开的一些实施例，磁流变液轴承4的内圈与衬套通过平键连接，磁流变液轴承4的外圈与分段式壳体通过平键连接以便更好的传递扭矩。

根据本公开的一些实施例，单向轴承14与拓展轴套15和外骨骼连接结构件通过平键连接。

根据本公开的一些实施例，衬套与减速器2的外壳、外骨骼接口与减速器2以及接口各零件通过螺钉连接。

根据本公开的一些实施例，单向轴承14通过轴肩和套筒定位，通过轴用卡簧16做轴向固定。

根据本公开的一些实施例，外壳上的弧形滑槽与第一连接件11上的凸台形成轴孔配合，凸台可在槽中自由滑动，凸台滑到弧形槽两端后，通过抵靠两侧的槽壁传递扭矩。

图3示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的磁场回路示意图；图4示意性示出了本公开实施例外骨骼膝关节模组的二维原理示意图。

根据本公开的一些实施例，如图3和图4所示，外骨骼膝关节模组中形成的磁场回路示意图，通过磁流变液轴承组件、衬套和分段式壳体构成了完整的磁场回路，这样使轴承间隙中的磁流变液处于一定的磁场环境中。

在本实施例中，减速器2采用隔磁材料支撑，衬套、磁流变液轴承4和外壳均为导磁材料支撑。可选的，衬套和分段式壳体均采用导磁性较好的10号钢作为加工材料。

根据本公开的一些实施例，扭簧基座1与扭簧5的一端通过焊接固定，扭簧基座1的孔与行星减速器2的输出轴配合，通过键和轴端螺钉定位。

根据本公开的一些实施例，扭簧5另一端与第二分段式壳体8上的无弧形滑槽的一侧贴合，整体有间隙的套在第一分段式壳体6和第二分段式壳体8上，第二分段式壳体8上设置有突起部分，用以起到对该侧扭簧5的固定作用。

根据本公开的一些实施例，利用单向轴承14单向自由回转的特点，将两个单向轴承14同向并排安装，两个单向轴承14中间通过套筒隔开，两个单向轴承14的外圈分别与第一连接件11（大腿连接件）和第二连接件12（小腿连接件）形成轴孔配合，为了更好的传递扭矩轴承处的轴孔配合都辅以平键连接，通过大腿与小腿的运动将能量通过拓展轴套15传递下去，同时单向轴承14对蓄能起到锁止作用。

根据本公开的一些实施例，磁流变液轴承4内的磁流变液是由磁性颗粒、基液、添加剂组成的混合可控新型流体。在外部无磁场时呈现低粘度的牛顿流体特性，在外加磁场时呈现为高粘度、低流动性的宾汉流体特性。液体的粘度大小与磁通量存在一定对应关系，其在剪切模式下的剪切屈服应力可用于传递扭矩。磁流变液是磁流变液轴承4的工作介质，它均匀的充满滚珠轴承的空腔。当励磁线圈7中无电流通入时，内圈和外圈之间只靠液体的黏性剪切力传递扭矩，这个值一般很小，不足以使内外圈锁死；当线圈中通入电流时，磁场的存在使磁流变液发生“固化”反应，剪切屈服应力大幅增加，内圈和外圈之间传递的扭矩增大，当增大到一定值时，内圈通过磁流变液带动外圈转动起来，直至最终两者同步转动，实现扭矩的传递；当电流被切断后，作用于磁流变液的磁场消失，磁流变液迅速恢复液态，内圈与外圈分离。

根据本公开可选的一些实施例，磁流变液轴承4可以在普通滚动轴承的基础上加工键槽、改进密封条件后在间隙中注入磁流变液获得。

根据本公开的一些实施例，外骨骼膝关节模组具有结构紧凑、助力明显、响应迅速等优点，可用于装备特种用途外骨骼完成障碍物破除、翻越垂直障碍物、高空跃下等极限操作，可用于消防、抢险救援以及军事等领域。

根据本公开的一些实施例，用户在使用外骨骼膝关节模组的使用过程包括蓄能过程和助力过程，其中：

蓄能过程包括：用户穿戴配备有本公开实施例的外骨骼膝关节模组的下肢外骨骼，用户的大腿的运动和动力作用于第一连接件11上。在此过程中励磁线圈7通入大电流（超过第一预设阈值电流），磁流变液轴承4内圈、外圈相对锁死不能发生相对转动，人体带动下肢外骨骼重复做下蹲再站起的动作，此时第一连接件11上的凸台在第二分段式壳体8上的弧形槽里做滑动，由于单向轴承14的作用，下蹲过程中减速器2的输入轴不会发生转动，站起过程中带动输入轴转动，下肢膝关节的扭矩通过减速器2减速增扭之后使与减速器2输出轴连接的扭簧5发生扭转变形继而蓄能。同样由于单向轴承14的作用，在输入轴处形成单向锁止，弹性势能不会从输入端释放，基于此，可以重复性进行循环蓄能，也即，用户多次进行下蹲-站立的动作；

助力过程包括：在蓄能过程结束后，用户保持在一种下蹲准备起跳的状态，这时第一连接件11上的凸台处于第二分段式外壳8上的弧形槽的最底端。在这个过程中，将励磁线圈7断电，磁流变液轴承4中的磁流变液恢复液态，磁流变液轴承4的内圈和外圈分离。与此同时，扭簧5的弹性势能释放带动第二分段式壳体8转动，分段式壳体8将动力和能量经弧形槽作用并传递到第一连接件11上，这部分能量最终作用于外骨骼和人体，的大扭矩输出使人体下肢的跳跃能力得到大幅增强。

根据本公开的一些实施例，用户在使用外骨骼膝关节模组还包括缓冲过程：用户穿戴配备本公开实施例的外骨骼膝关节模组从高空跃下时，励磁线圈7通入适当的小电流（大于第二预设阈值且小于第三预设阈值），此时磁流变液处于半固态，磁流变液轴承4的内圈和外圈可以做有阻尼的转动。伴随着高空跃下落地时的屈膝缓冲，大腿带动第一连接件11相对于第二连接件12发生转动，第一连接件11上的凸台与第二分段式壳体8的弧形槽配合带动第二分段式壳体8相对于减速器2的外壳旋转（磁流变液轴承内外圈相对转动）基于此，大部分有害冲击在磁流变液轴承上被耗散，起到了对人体的保护作用。

本公开提供的外骨骼膝关节模组可通过人体的屈膝运动使扭簧变形继而蓄能，下肢多次下蹲与站立使扭簧蓄能累积，由磁流变液轴承控制蓄能的一次性释放，可以对外提供很大的膝关节输出扭矩，以这种机械增强的方式提高人体跳跃能；创新性的将大扭矩磁流变液轴承集成在膝关节上，使膝关节具有更高的柔性和抗冲击能力，磁流变液轴承内处于半固态的磁流变液可以吸收对人体有害的冲击能量，为人体膝关节提供高空跃下时的安全保护；结构紧凑、功能多样，具有较高的集成度。阻尼力可快速响应、连续控制。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外骨骼膝关节模组，包括：

减速器，包括输入端和输出端；

扭簧基座，与所述输出端连接；

外壳，套设在所述减速器上，所述外壳的第一端的端面上设置有弧形滑槽；

扭簧，套设在所述外壳上，所述扭簧的两端分别与所述扭簧基座和所述第一端固定连接；

多个磁流变液轴承，间隔地套设在所述减速器上，所述磁流变液轴承的内圈与所述减速器连接，所述磁流变液轴承的外圈与所述外壳连接；

励磁线圈，设置在相邻的两个所述磁流变液轴承之间；

两个单向轴承，内圈分别套设在所述输入端的轴上，两个所述单向轴承的超越方向相同；

第一连接件，套设在一个单向轴承的外圈上，所述第一连接件上设置有凸台，所述凸台滑动卡设在所述弧形滑槽内；

第二连接件，套设在另一个单向轴承的外圈上。

2.根据权利要求1所述的外骨骼膝关节模组，还包括：

衬套，套设在所述减速器上；

其中，所述衬套、相邻的两个磁流变液轴承和所述外壳共同组成磁场回路通道。

3.根据权利要求1所述的外骨骼膝关节模组，其中，所述磁流变液轴承响应于所述励磁线圈产生的磁场改变工作状态，所述工作状态包括自由转动、锁死和阻尼转动。

4.根据权利要求1所述的外骨骼膝关节模组，还包括：

拓展轴套，与所述输入端连接，其中，所述两个单向轴承的内圈分别套设在所述拓展轴套上。

5.根据权利要求4所述的外骨骼膝关节模组，还包括：

套筒，设置在所述两个单向轴承之间，用以调整所述两个单向轴承的间距；

轴用卡簧，套设在所述拓展轴套上，所述轴用卡簧配合所述拓展轴套的轴肩和所述套筒对所述两个单向轴承进行定位和固定。

6.根据权利要求1所述的外骨骼膝关节模组，其中，所述外壳为包括至少两个分段式壳体，每个所述分段式壳体分别套设在相邻的两个磁流变液轴承上。

7.根据权利要求6所述的外骨骼膝关节模组，其中，所述磁流变液轴承的数量为三个，三个所述磁流变液轴承分别套设在所述减速器的两端和中间，所述外壳包括两个所述分段式壳体。

8.根据权利要求1所述的外骨骼膝关节模组，还包括：

连接中间件，两端分别固定地连接所述减速器的外壳和所述第二连接件。

9.根据权利要求1所述的外骨骼膝关节模组，还包括：

限位件，设置在所述第一连接件上；

定位件，设置在所述第二连接件上；

其中，所述限位件和所述定位件配合限定所述第一连接件相对于所述第二连接件的转动范围。

10.一种外骨骼机器人，包括如权利要求1至9任一项所述的外骨骼膝关节模组。

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