CN217245402U - 一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，涉及外骨骼机器人技术领域。可显著减少单关节处锚点数量以及驱动装置数量，降低了外骨骼整体的重量，也降低了穿戴及使用的难度。所述双向扭绳驱动装置包括定滑轮、鲍登线以及连接在鲍登线两端的两个驱动单元，所述定滑轮与下肢外骨骼固定相连，所述鲍登线绕过所述定滑轮，通过两个驱动单元带动鲍登线的两个端头往复运动，从而带动定滑轮以及下肢外骨骼同步转动。利用扭绳本身的物理性质传递牵引力，传递效率高，且在驱动器末端使用鲍登线，避免扭绳与定滑轮直接接触，减少磨损。整体结构精简，使用便捷，实用性好。

Description

一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置

技术领域

本实用新型涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种柔性外骨骼驱动器的设计。

背景技术

目前，由衰老和中风等疾病引起的下肢运动障碍已经成为我国社会关注的主要问题。对于那些存在下肢运动障碍的群体来说，由于自身下肢肌力匮乏，在进行深蹲、跑步、爬楼梯等对下肢能力要求较高的运动时，具有较高的挑战性。因此，设计一款能够帮助那些具有下肢运动障碍的群体进行康复运动的外骨骼机器人显得尤为重要，而柔性外骨骼近几年来快速发展，柔性驱动系统作为外骨骼领域的关键技术之一，其性能很大程度上决定着外骨骼的辅助效果。

目前，下肢柔性外骨骼主要的驱动方式为绳索驱牵引，而大部分绳驱是将鲍登线绕在滑轮上来拉紧，这种绳驱方式需要额外的笨重部件，如滚珠螺钉、滑轮、齿轮等，效率低下；且大部分驱动器只能实现单关节的单向运动，即通过一套绳索驱动装置只能控制单个关节的伸展或弯曲；单根绳索驱动力强度不足，难以驱动穿戴者肢体；绳索驱动刚度不可调节，无法满足不同用户需求。因此，为了控制下肢髋—膝—踝关节的运动，往往需要在同一个关节位置设置多套驱动设备来固定锚点，使得驱动装置在安装与调试阶段有着较为严格的要求和限制，且关节的伸展或弯曲是由一个锚点单独控制，各个锚点之间并无联系，使得各关节无法协调运动。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提出了一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，可显著减少单关节处锚点数量以及驱动装置数量，降低了外骨骼整体的重量，也降低了穿戴及使用的难度。

本实用新型的技术方案为：所述双向扭绳驱动装置包括定滑轮6、鲍登线8以及连接在鲍登线两端的两个驱动单元，所述定滑轮6与下肢外骨骼固定相连，所述鲍登线8绕过所述定滑轮6，通过两个驱动单元带动鲍登线8的两个端头往复运动，从而带动定滑轮6以及下肢外骨骼同步转动。

所述驱动单元包括电机1、连接轴11、支撑壳4以及连接环5，所述电机1的输出轴与连接轴11相连接，通过电机1带动连接轴11旋转，所述连接轴11的另一端安装扭绳10的始端；扭绳10的末端安装在连接环5上；

所述支撑壳4的设置在电机1和定滑轮6之间，所述连接环5可滑动的连接在支撑壳4中，所述鲍登线8的端头固定连接在连接环5上。这样，电机的旋转运动将在连接轴11的转换下带动扭绳旋紧或放松，从而带动连接环5在支撑壳4中进行往复运动，最终实现带动鲍登线8端头往复运动的目的，可将所述电机的周转力转化为鲍登线的线性力。摒弃了原先通过鲍登线绕在滑轮上来拉紧的方法，而是利用扭绳本身的物理性质传递牵引力，传递效率高，且在驱动器末端使用鲍登线，避免扭绳与定滑轮直接接触，减少磨损。

所述支撑壳4上开有两个相平行的导向槽9，所述连接环5两侧设有滑片，所述滑片伸入所述导向槽9中。从而实现连接环5和支撑壳4的可滑动的连接。

所述支撑壳4的一端固定连接在定滑轮6的上方，使得鲍登线8初始状态下保持张紧。

所述电机1和连接轴11之间通过联轴器12相连接。以实现二者之间的同步旋转。

所述驱动单元还包括固定连接在支撑壳4两端的前端盖3以及末端盖7，所述前端盖3固定连接在电机1的一侧，并且所述连接轴11的一端伸入前端盖3中与扭绳10相连接；所述末端盖7则固定设置在定滑轮6的一侧，并且所述鲍登线8贯穿所述末端盖7；通过前端盖3、支撑壳4以及末端盖7形成扭绳保护机构。

本实用新型的有益效果为：一、该驱动装置采用的驱动单元为扭绳与鲍登线，摒弃了原先通过鲍登线绕在滑轮上来拉紧的方法，而是利用扭绳本身的物理性质传递牵引力，传递效率高，且在驱动器末端使用鲍登线，避免扭绳与定滑轮直接接触，减少磨损。二、定滑轮两侧各设有驱动装置，用于定滑轮双向运动，利于控制关节的伸展与收缩，提高各关节之间协调运动。三、支撑壳上开有导向槽，导向槽与连接环两侧滑片相接触，保证连接环只在牵引力方向上移动。四、整体结构精简，使用便捷，实用性好。

附图说明

图1是本案的结构示意图；

图2是本案的实施方式示意图；

图中1、电机，2、紧定螺钉，3、前端盖，4、支撑壳，5、连接环，6、定滑轮，7、末端盖，8、鲍登线，9、导向槽，10、扭绳，11、连接轴，12、联轴器。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

如图1所示，其结构关系为：直流电机1置于佩戴者背包中，定滑轮6通过柔性外骨骼（比如图2所示的固定绑带）固定在下肢关节（比如膝关节）处，并与下肢关节保持同步旋转，用于驱动所述关节的转动，实现伸展与收缩；直流电机1的输出轴、联轴器12和连接轴11依次连接，连接轴11的另一端安装扭绳10的始端；连接环5分别连接着扭绳10的末端和鲍登线8的始端，鲍登线8绕在定滑轮6上并连接到另一侧的连接环上；前端盖3、支撑壳4、末端盖7依次连接，组成扭绳保护机构。

优选的，扭绳10由若干股绳索相互扭转形成。也可以是两根绳索扭转形成，一端与连接轴固定相连，另一端与连接环固定相连。

优选的，所述联轴器12与直流电机1的输出轴之间由紧定螺钉2锁紧。

优选的，所述支撑壳4上开有导向槽9，所述连接环5两侧设有滑片，导向槽9与滑片之间以点接触的形式连接，用于约束连接环的自由度，其中，导向槽9与滑片均为对称设置。

优选的，所述定滑轮6两侧各设置一套驱动装置，所述鲍登线8将两组驱动装置相连，用于驱动关节的伸缩。

优选的，所述连接环5内还设有凹槽，所述鲍登线8圆柱头安装在所述连接环凹槽中，用于限制鲍登线8圆柱头。

优选的，所述支撑壳4所使用的材料为柔性材料。

如图2所示，具体使用时，电机1置于佩戴者背包中，使用前应根据佩戴者身材和实际需要，调整定滑轮6固定位置，末端盖7固定在大腿处的尼龙棒带上，从而实现对鲍登线8的预紧，避免鲍登线拉伸但滑轮不动；当电机1运转时，扭绳4根据其本身的性质将电机1的周转力转换成鲍登线8的牵引力，带动定滑轮6转动，以辅助关节进行伸缩运动。具体来说，当驱动装置开始工作时，将会在定滑轮的其中一侧产生相应的拉力，从而在定滑轮固定连接点产生拉力的同时，也会产生一定的扭矩，从而带动定滑轮转动，由于定滑轮与柔性外骨骼固定连接，柔性外骨骼是与人体下肢又保持固定，因此，定滑轮转动最终也将带动人体下肢关节的转动。

本实用新型具体实施途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，其特征在于，所述双向扭绳驱动装置包括定滑轮（6）、鲍登线（8）以及连接在鲍登线两端的两个驱动单元，所述定滑轮（6）与下肢外骨骼固定相连，所述鲍登线（8）绕过所述定滑轮（6），通过两个驱动单元带动鲍登线（8）的两个端头往复运动，从而带动定滑轮（6）以及下肢外骨骼同步转动。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，其特征在于，所述驱动单元包括电机（1）、连接轴（11）、支撑壳（4）以及连接环（5），所述电机（1）的输出轴与连接轴（11）相连接，通过电机（1）带动连接轴（11）旋转，所述连接轴（11）的另一端安装扭绳（10）的始端；扭绳（10）的末端安装在连接环（5）上；

所述支撑壳（4）的设置在电机（1）和定滑轮（6）之间，所述连接环（5）可滑动的连接在支撑壳（4）中，所述鲍登线（8）的端头固定连接在连接环（5）上。

3.根据权利要求2所述的一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，其特征在于，所述支撑壳（4）上开有两个相平行的导向槽（9），所述连接环（5）两侧设有滑片，所述滑片伸入所述导向槽（9）中。

4.根据权利要求2所述的一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，其特征在于，所述支撑壳（4）的一端固定连接在定滑轮（6）的上方，使得鲍登线（8）初始状态下保持张紧。

5.根据权利要求2所述的一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，其特征在于，所述电机（1）和连接轴（11）之间通过联轴器（12）相连接。

6.根据权利要求2-5任一所述的一种用于柔性下肢外骨骼的双向扭绳驱动装置，其特征在于，所述驱动单元还包括固定连接在支撑壳（4）两端的前端盖（3）以及末端盖（7），所述前端盖（3）固定连接在电机（1）的一侧，并且所述连接轴（11）的一端伸入前端盖（3）中与扭绳（10）相连接；所述末端盖（7）则固定设置在定滑轮（6）的一侧，并且所述鲍登线（8）贯穿所述末端盖（7）；通过前端盖（3）、支撑壳（4）以及末端盖（7）形成扭绳保护机构。

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