CN218875500U

CN218875500U - 一种用于柔性下肢外骨骼的变刚度扭绳驱动装置

Info

Publication number: CN218875500U
Application number: CN202220690601.XU
Authority: CN
Inventors: 徐嘉骏; 陆永华; 黄恺真; 崔展祥; 杨昊铮; 胡佳辉
Original assignee: Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics Wuxi Research Institute; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University Of Aeronautics And Astronautics Wuxi Research Institute; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2032-03-28

Abstract

本实用新型公开了一种用于柔性下肢外骨骼的变刚度扭绳驱动装置，涉及外骨骼套装技术领域。驱动结构简单、驱动效果好，并且刚度调整方便。扭绳驱动装置包括锚点、鲍登线、连接环、支撑壳、扭绳、法兰盘以及旋转动力源；所述旋转动力源的输出轴连接所述法兰盘，通过旋转动力源驱动所述法兰盘旋转，所述扭绳的始端安装在所述法兰盘上，并且扭绳的末端安装在连接环上；所述支撑壳设置在旋转动力源和锚点之间，所述连接环可滑动的设置在支撑壳中；所述锚点通过鲍登线与连接环相连接，通过连接环的往复运动带动锚点往复运动。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，减少扭绳磨损。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变刚度扭绳驱动装置

技术领域

本实用新型涉及外骨骼套装技术领域，特别涉及一种柔性外骨骼套装驱动器的设计。

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；且大部分驱动器由单根绳索驱动，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。

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变刚度扭绳驱动装置，驱动结构简单、驱动效果好，并且刚度调整方便。

本实用新型的技术方案为：所述扭绳驱动装置包括锚点6、鲍登线8、连接环5、支撑壳10、扭绳4、法兰盘11以及旋转动力源，比如电机1，所述旋转动力源的输出轴连接所述法兰盘11，通过旋转动力源驱动所述法兰盘11旋转，所述扭绳10的始端安装在所述法兰盘11上，并且扭绳10的末端安装在连接环5上；所述支撑壳10设置在旋转动力源和锚点6之间，所述连接环5可滑动的设置在支撑壳10中；

所述锚点6通过鲍登线8与连接环5相连接，通过连接环5的往复运动带动锚点6往复运动。这样，电机的旋转运动将在法兰盘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10中进行往复运动，最终实现带动锚点6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在拉紧的方法，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，减少扭绳磨损。

所述支撑壳10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10的可滑动的连接。

所述旋转动力源和法兰盘11之间通过紧定螺钉2固定相连。以实现二者之间的同步旋转。

所述扭绳驱动装置还包括固定连接在支撑壳10两端的前端盖3以及末端盖7，所述前端盖3固定连接在电机1的一侧，并且所述扭绳10贯穿所述前端盖3；所述末端盖7则固定设置在锚点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10以及末端盖7形成扭绳保护机构。

所述法兰盘11上开有若干用于安装扭绳的通孔，扭绳由n股钢丝扭转而成，n为大于1的整数，根据实际所需，按以下公式设置驱动装置的总刚度；

（1）

（2）

（3）

其中，，为单根钢丝的半径，为钢丝与扭转中心的间距；

当驱动装置预设大小为的拉力时，按上式可调整钢丝的股数、初始长度和半径；其中，通过（1）式得到单根钢丝上的拉力与其初始长度及刚度 K的关系；通过（2）式得到驱动装置总拉力与钢丝股数、初始长度和半径的关系；通过（3）式得到驱动装置总刚度 S与钢丝股数、初始长度和半径的关系。

本实用新型具有以下有益效果：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在拉紧的方法，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，减少扭绳磨损。二、法兰盘上开有通孔，用于安装扭绳，所述通孔用于安装扭绳，可根据驱动强度需要，改变扭绳的粗细、长短以及股数来控制驱动刚度。三、支撑壳上开有导向槽，导向槽与连接环两侧滑片以点接触的方式相接触，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。

另外，由于本案还提出了驱动装置预设一定拉力时，即预设驱动装置的刚度，如何调整钢丝的股数、初始长度和半径的技术内容，一方面，前期设计人员可以根据用户的需求，可以在出厂时定制驱动装置的刚度，以满足不同人群的不同需求；另一方面，在用户使用了一段时间之后，后期维护人员可针对性的重新调整驱动装置的刚度，以进一步提升用户体验。

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3是扭绳断面结构示意图，

图4是扭绳的横向和轴向示意图，

图5是扭绳总长度与驱动装置长度之间的关系图，

图中1、电机，2、紧定螺钉，3、前端盖，4、扭绳，5、连接环，6、锚点，7、末端盖，8、鲍登线，9、导向槽，10、支撑壳，11、法兰盘。

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置于穿戴者背包中，锚点6固定在下肢关节处，用于驱动所述关节的伸展或收缩；直流电机1的输出轴、法兰盘11和扭绳4依次连接；连接环5分别连接着扭绳4的末端和鲍登线8的始端，鲍登线8末端连接在锚点6上并固定与关节处；前端盖3、支撑壳10、末端盖7依次连接，组成扭绳保护机构。

优选的，所述法兰盘11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，所述法兰盘11上开有若干通孔，所述通孔用于安装扭绳4，可根据驱动强度需要，改变扭绳4的粗细、长短以及股数来控制驱动刚度。

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置于穿戴者背包中，使用前应根据穿戴者身材和实际需要，调整锚点6的固定位置，末端盖7固定在大腿处的尼龙绑带上，当电机1运转时，扭绳4根据其本身性质将电机1的周转力转换成鲍登线8的牵引力，驱动锚点6移动，以辅助关节进行伸缩运动。

同时，为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型驱动装置的刚度可调性，如图3所示有6股半径为的钢丝，围绕半径为的中心圆相互扭转、缠绕，形成6个半径为的同轴螺旋扭绳，图4为该扭绳的横向和轴向视图，图5为扭绳总长度与驱动装置长度之间的关系，其中为扭绳缠绕时其方向相对于拉力的角度，为执行器延伸长度， L为扭绳总长度，为电机转过的角度， K为每股绳索的线性刚度,为绳索的初始长度，为驱动装置总拉力， S为驱动装置的总刚度，上述参数存在以下关系：

（1）

（2）

（3）

当驱动装置预设大小为的拉力时，按上式可调整钢丝的股数、初始长度和半径；其中，通过（1）式得到单根钢丝上的拉力与其初始长度及刚度 K的关系；通过（2）式得到驱动装置总拉力与钢丝股数、初始长度和半径的关系；通过（3）式得到驱动装置总刚度 S与钢丝股数、初始长度和半径的关系。因此，可以通过改变钢丝股数，长度和半径来控制整个执行装置的刚度，实现驱动装置的刚度可调控特性。

展开来说：上述参数之间存在以下关系：

、、，

根据勾股定理和三角函数关系可得扭矩和驱动装置总拉力的关系式：

；

假设缠绕的每股绳索具有线性刚度 K，则当绳索从初始长度拉伸至时，每股绳索上的拉力为：

；

上式即为拉力与刚度K、执行器延伸长度 P以及电机转动角度 θ的关系；

综合上述各式可得执行器总拉力与各影响参数之间的本构关系方程为：

；

而扭绳驱动装置的总刚度 S即为总拉力对长度的偏导：

。

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

1.一种用于柔性下肢外骨骼的变刚度扭绳驱动装置，其特征在于，所述扭绳驱动装置包括锚点（6）、鲍登线（8）、连接环（5）、支撑壳（10）、扭绳（4）、法兰盘（11）以及旋转动力源，所述旋转动力源的输出轴连接所述法兰盘（11），通过旋转动力源驱动所述法兰盘（11）旋转，所述扭绳（4）的始端安装在所述法兰盘（11）上，并且扭绳（4）的末端安装在连接环（5）上；所述支撑壳（10）设置在旋转动力源和锚点（6）之间，所述连接环（5）可滑动的设置在支撑壳（10）中；所述锚点（6）通过鲍登线（8）与连接环（5）相连接，通过连接环（5）的往复运动带动锚点（6）往复运动；

所述支撑壳（10）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。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性下肢外骨骼的变刚度扭绳驱动装置，其特征在于，所述旋转动力源和法兰盘（11）之间通过紧定螺钉（2）固定相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于柔性下肢外骨骼的变刚度扭绳驱动装置，其特征在于，所述扭绳驱动装置还包括固定连接在支撑壳（10）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，并且所述扭绳（4）贯穿所述前端盖（3）；所述末端盖（7）则固定设置在锚点（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（10）以及末端盖（7）形成扭绳保护机构。