TW202200329A - 可變速關節驅動裝置 - Google Patents

Abstract

本發明為可變速關節驅動裝置，其包含可變速之傳動機構，其以原動機驅動。經可變速之傳動機構後輸出至目標關節。關節包含肘、肩、髖、膝、踝等，人類與其他物種臨床所需。以多種傳動比輸出原動機之力，提供目標關節之所需轉矩與反應速度。應用涵蓋外骨骼、關節矯具、輔具、義肢等。

Description

可變速關節驅動裝置

本發明為一種具有變速機構之關節驅動裝置。

關節驅動裝置實現於外骨骼、穿戴式機器人、矯具與輔具應用之中。利用機械能量提供生物關節作動與特殊目的所需之動能。包含日常生活的力量輔助、復健時之穩定與支撐、訓練時所需的阻力等。已知的驅動裝置主要為馬達搭配單一傳動比傳動輸出至連接關節之上下軀體區域處，難以發揮馬達的最佳扭力輸出區間，甚而優化能源效率與小型化之期盼。致使關節驅動裝置難以應用至廣泛使用環境。

本發明提出一種以變速傳動機構傳遞原動機力之關節驅動裝置的方法。

所述之可變速關節驅動裝置，其包含有：可變速之傳動機構，其以原動機驅動，經可變速之傳動機構後經肢體連接機構輸出至目標關節。所述之肢體連接機構為可變速之傳動機構經輸出機構後連接至目標關節周遭軀體之機構。

本發明內容的實施方式提出一種包含變速傳動機構之關節驅動裝置。關節包含人體之肘、肩、髖、膝、踝等，人類與其他物種臨床所需。

可變速關節驅動裝置應用涵蓋外骨骼、關節矯具、輔具、義肢等。

可變速關節驅動裝置之傳動機構以多段不同傳動比，傳遞原動機之力至目標關節。所述之傳動比包含以齒輪、皮帶、鏈條等建立不同減速比之傳動機構、連桿力臂長度差與其他習知技術組合所實現之變速傳動機構。

可變速關節驅動裝置以多種傳動比輸出原動機之能量，提供目標關節之所需轉矩與反應速度。

本發明內容的實施方式提出一種包含變速傳動機構之關節驅動裝置。可變速傳動機構以多段傳動比輸出原動機之旋轉動能，此方法可以高傳動比對應高負載情境，高反應速度情境以低傳動比傳動。所述之高負載情境意指，關節需負擔大轉矩之動作。於關節應用中，肢體運動範圍於有限度的速度區間內，此方法以變速傳動機構形成多階段轉矩放大效果，因應不同負載情境，容許原動機處在最適工作範圍區間。所述之最適工作範圍區間，包含節能、效率、使用情境等單一、或多面向評估指標。

本發明內容的實施方式提出一種包含變速傳動機構之關節驅動裝置。所述之可變速之傳動機構包含：行星齒輪組合、諧波減速機組合、擺線式減速機組合、其他齒輪齒條傳動組合、由皮帶、鏈條、連桿等其他機構組成之可變傳動比機構。

本發明內容的實施方式提出一種包含變速傳動機構之關節驅動裝置。所述之原動機包含：電能驅動、液壓驅動、氣體驅動、其他制動手段。

本發明一實施例的可變速關節驅動裝置包括可變速之傳動機構、原動機及肢體連接機構。原動機適於驅動傳動機構。肢體連接機構連接於傳動機構，其中傳動機構藉由肢體連接機構將原動機之力輸出至目標關節。

本發明一實施例的目標關節包含肘、肩、髖、膝或踝。

本發明一實施例的肢體連接機構適於透過外骨骼、關節矯具、輔具或義肢連接至目標關節。

本發明一實施例的傳動機構以多段不同傳動比，傳遞原動機之力至目標關節。

本發明一實施例的傳動機構包括行星齒輪組合、諧波減速機組合、擺線式減速機組合、齒輪齒條傳動組合或由皮帶、鏈條、連桿組成之可變傳動比機構。

本發明一實施例的可變傳動比機構包含以齒輪、皮帶、鏈條建立不同減速比之傳動機構及以連桿力臂長度差建立不同減速比之變速傳動機構。

本發明一實施例的原動機包括電能驅動裝置、液壓驅動裝置或氣體驅動裝置。

本發明一實施例的傳動機構以多段不同傳動比輸出原動機之能量，提供目標關節之所需轉矩與反應速度。所述之所需轉矩與反應速度意指，因應不同負載情境，使其運作於最適工作範圍區間。所述之最適工作範圍區間包含節能、效率、使用情境等單一、或多面向評估指標。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明綜上所述，說明如後。

本發明內容的實施方式提出一種以變速傳動原動機能量之關節驅動裝置的方法。參照圖1所示為能量傳遞之物理模型。原動機P1輸出作用力T1至變速傳動機構P2，變速傳動機構P2以選定之傳動比輸出力T2至與肢體之連接機構P3，並將力T3作用至目標關節P4。

參照圖1所示為能量傳遞之物理模型。作用至目標關節P4之力T3包含肢體本身施加的力T4與肢體之連接機構P3輸出至目標關節P4之力T3。力T4包括作用於關節的重力T41及肌肉作用於關節的力T42。其中變速傳動機構P2依選定之傳動比輸出原動機P1之力。

以下將參照圖2、圖3、圖4、圖5說明本發明內容以行星齒輪變速機構之實施例。

然實務上的細節不用以限制本發明。

參照圖2說明本發明內容以行星齒輪變速機構之實施例。所述之可變速關節驅動裝置100包含電動機(原動機)E1、變速傳動機構E2、外殼E3、肢體之連接機構E4。

圖2所述之實施例中，所述變速傳動機構E2為行星減速機的構型，並可進行傳動鏈切換進而改變最終輸出比。所述之機制經由肢體之連接機構E4，依妥適方法連接至目標關節之機構。

圖2所述之行星減速機構型，參照圖3所示且以齒差式行星減速機構型為實施例，是以達成較大的差異之減速比切換，若以二階行星減速機構型本發明亦可得以施行。

圖3所述之固定外殼1將大部分的齒輪組與傳動元件包括其中，動力輸入軸2提供減速機與馬達連接的法蘭面與鎖固點，該動力輸入軸2與太陽齒輪5連結以傳遞扭矩給與其相嚙合之行星齒輪組，並且動力輸入軸2後段連接有軸承12與輔助太陽齒輪6連接並給予輔助太陽齒輪6自由旋轉，最後連接輸入軸軸承11。上述行星齒輪組具有連接軸14與上行星齒輪15、下行星齒輪21依序結合，且該連接軸14透過軸承樞設於行星齒輪固定架16中且能自由轉動。其中，參照圖3行星齒輪固定架16具有凹槽16a用以安裝軸承連接行星齒輪組，內孔16b做為行星齒輪組於太陽齒輪5與輔助太陽齒輪6之間的限位，缺槽部16c供離合裝置使用。

圖3所述之實施例中，行星齒輪組配置有四組，其中所配置組數可自由配置一組以上以平均分布於減速機內為原則。行星齒輪組的上行星齒輪15向內與太陽齒輪5嚙合，向外與第一內齒環7嚙合，第一內齒環7又與內齒環固定環9連接，內齒環固定環9具有軸承連接面9a、內齒環連接槽9b、缺槽部9c供離合裝置使用。行星齒輪組的下行星齒輪21向內與輔助太陽齒輪6嚙合，向外與第二內齒環8嚙合，第二內齒環8與動力輸出軸4連接輸出，其中動力輸出軸4連接軸承10與鎖固於固定外殼1之固定蓋3限位安裝。在前述內齒環固定環9中所包含之軸承連接面9a、內齒環連接槽9b、缺槽部9c可部分或全部整合於第一內齒環7的設計中以簡化機構，是故內齒環固定環9非必要機構，可將部分或全部機構併入本實施例中有與之相連接機構。

本發明實施例中，所述變速行星式減速機為基於齒差式行星減速機的構型，並可進行傳動鏈切換進而變為行星式減速機。以齒差式行星減速機為例，齒差式行星減速機減速比計算公式為：(1+(上行星齒輪齒數*第二內齒環齒數)/(太陽齒輪齒數*下行星齒輪齒數))除以(1-(上行星齒輪齒數*第二內齒環齒數)/(第一內齒環齒數*下行星齒輪齒數))。

在本發明實施例中，太陽齒輪齒數為32，上行星齒輪齒數為16，下行星齒輪齒數為21，第一內齒環齒數為64，第二內齒環齒數為81，帶入公式得出減速比為82。

以行星式減速機為例，行星式減速機減速比計算公式為(以太陽輪驅動環齒輪輸出行星架固定的傳動鏈為例)：-(第二內齒環齒數/太陽齒輪齒數)。

本發明實施例中，太陽齒輪齒數為32，第二內齒環齒數為81，帶入公式得出減速比為-2.53。所述之實施例中的變速行星式減速機，減速比得切換於82與-2.53之間，進而達到顯著的速度與扭矩切換效果，提供各式不同的機器人應用使用：低負載做動時減速機切換至低減速比模式，使本發明得快速作動。另，減速機切換至高減速比模式，使得終端具高扭矩輸出特性。因此可使用體積小、功率小、成本低的馬達控制系統進而使整體機器人系統可以降低成本、減少機構大小、若為電池系統可延長運作時間。

參照圖4、圖5說明本發明內容以圖2之實施例應用至膝關節與髖關節之實施例。本發明內容應用於人體下肢實施例。本發明內容以多段傳動比應用於大出力情境與快速反應情境。所述之大出力情境包含蹲下、坐下、跪下、起立、上下階、跳耀等其他目標關節周遭連接肌肉群需輸出大作用力之情境。所述之快速反應情境包含步行、奔跑、跳耀等其他目標關節周遭連接肌肉群需快速收放之情境。於此二元情境下，高減速比之變速傳動設定能對應大出力情境所需之力，放大電動機輸出之作用力。低減速比之變速傳動設定能對應快速反應情境，降低電動機之工作轉速，提升本實施例之反應速率。所述之反應速率包含起、停、正反轉切換等因應快速反應情境所需之動作。

本發明內容不限之圖2、圖3、圖4、圖5所述之實施例。

1:固定外殼 10:軸承 100:可變速關節驅動裝置 11、12:軸承 14:連接軸 15:上行星齒輪 16:行星齒固定輪架 16a:凹槽 16b:內孔 16c:缺槽部 2:動力輸入軸 21:下行星齒輪 3:固定蓋 4:動力輸出軸 5:太陽齒輪 6:輔助太陽齒輪 7:第一內齒環 8:第二內齒環 9:內齒環固定環 9a:軸承連接面 9b:內齒環連接槽 9c:缺槽部 E1:電動機 E3:外殼 E2、P2:變速傳動機構 E4、P3:連接機構 P1:原動機 P4:目標關節 T1、T2、T3、T4、T41、T42:力

圖1係本發明之物理模型 圖2係本發明之實施例機構爆炸圖 圖3係本發明之實施例變速減速機示意圖 圖4係本發明之實施例應用於膝關節示意圖 圖5係本發明之實施例應用於髖關節示意圖

P1:原動機

P2:變速傳動機構

P3:連接機構

P4:目標關節

T1、T2、T3、T4、T41、T42:力

Claims (8)

1. 一種可變速關節驅動裝置，包括： 可變速之傳動機構； 原動機，適於驅動該傳動機構；以及 肢體連接機構，連接於傳動機構，其中該傳動機構藉由該肢體連接機構將該原動機之力輸出至目標關節。
2. 如請求項1所述之可變速關節驅動裝置，其中該目標關節包含肘、肩、髖、膝或踝。
3. 如請求項1所述之可變速關節驅動裝置，其中該肢體連接機構適於透過外骨骼、關節矯具、輔具或義肢連接至該目標關節。
4. 如請求項1所述之可變速關節驅動裝置，其中該傳動機構以多段不同傳動比，傳遞該原動機之力至該目標關節。
5. 如請求項1所述之可變速關節驅動裝置，其中該傳動機構包括行星齒輪組合、諧波減速機組合、擺線式減速機組合、齒輪齒條傳動組合或由皮帶、鏈條、連桿組成之可變傳動比機構。
6. 如請求項5所述之可變速關節驅動裝置，其中該可變傳動比機構包含以齒輪、皮帶、鏈條建立不同減速比之傳動機構及以連桿力臂長度差建立不同減速比之變速傳動機構。
7. 如請求項1所述之可變速關節驅動裝置，其中該原動機包括電能驅動裝置、液壓驅動裝置或氣體驅動裝置。
8. 如請求項4所述之可變速關節驅動裝置，其中該傳動機構以多段不同傳動比輸出該原動機之能量，提供該目標關節之所需轉矩與反應速度。

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