CN110733028A - 一种基于柔性关节驱动器的老人助行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，以腰部穿戴装置穿戴于用户的腰部，后背部设有所述背包装置，所述背包装置的背包中内置供电装置与控制装置；一对大腿执行机构呈左右对称分设于腰部穿戴装置的左右侧；所述大腿执行机构利用随用户下肢同步运动的下连杆作为输入端，通过在驱动输出端与执行端之间串联双向扭簧，实现关节扭矩的柔性输出。本发明能够提高老年用户的使用舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，更具体地说是一种基于柔性关节驱动器的老人助行机器人。
背景技术
随着年龄的增加，老年人腿部肌肉强度下降，行走速度减慢，步幅减小。老人助行机器人就是通过给人体提供额外的辅助力矩，以弥补老年人由于年龄增加而丧失的那部分力矩，实现助行运动。但是，现有老人助行机器人机构的传动刚性强，抗冲击性小，容易对老年人身体造成伤害。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，能够实现关节扭矩的柔性输出，提高老年用户的使用舒适度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，其结构特点是：机器人本体结构包括背包装置、腰部穿戴装置和大腿执行机构；
所述腰部穿戴装置穿戴于用户的腰部，后背部设有所述背包装置，所述背包装置的背包中内置供电装置与控制装置；
一对大腿执行机构呈左右对称分设于腰部穿戴装置的左右侧；所述大腿执行机构是在罩壳壳中内置动力部件，所述动力部件的输出轴轴端露出于罩壳外，扭矩传感器通过传感器支撑轴套同轴套装于动力部件输出轴的轴端，在所述扭矩传感器上沿径向自内向外依次同轴安装有内轴承套、轴承、外轴承套，所述轴承夹紧于内轴承套与外轴承套之间，以内圈与内轴承套固连，以外圈与外轴承套固连；下连杆以上端部的安装孔同轴套装于所述外轴承套上，并于轴向紧固相连，与所述外轴承套共同组成下连杆同步回转组件，下连杆的下杆端通过绑带绑附于用户的大腿外侧；所述内轴承套沿轴向夹紧并固连于扭矩传感器与法兰盘之间，法兰盘与内轴承套共轴设置，朝外的盘面中部沿径向外凸形成圆柱状凸出部，上连杆依靠下端部的短套筒套装于法兰盘上，与法兰盘形成径向限位；双向扭簧套装于凸出部上，两端分别固定并张紧于上连杆的短套筒内壁与法兰盘盘面之间，所述上连杆的上杆端固设于腰部穿戴装置上，作用于用户的髋部；所述上连杆能够由动力部件提供驱动力，在法兰盘经由双向扭簧的柔性输出带动下，绕法兰盘的中轴线摆动；
以所述下连杆为输入端，以上连杆为执行端，通过所述扭矩传感器检测输入端运动时的扭矩信号，并传输至控制装置，由所述控制装置接收扭矩信号进行分析处理后，向动力部件发送驱动指令。
本发明的结构特点也在于：
所述上连杆的短套筒沿轴向朝外的端面上设有顺着周向开设的两段弧形导向孔，两段导向孔以法兰盘凸出部为中心对称布置，所述法兰盘盘面上对应于两段导向孔对应设有沿轴向凸出的两个限位螺钉，所述限位螺钉穿设于对应的导向孔中，与所述导向孔配合，形成对上连杆转动的导向。
所述动力部件是由电机提供动力，经减速器输出，由联接于减速器输出轴的锥齿轮副传动，所述锥齿轮副的输出轴轴端露出于罩壳外。
所述腰部穿戴装置上预留有绷带安装孔。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明是针对老年人由于年龄增加而导致肌肉强度下降而提出的用于下肢助行的机器人，利用随用户下肢同步运动的下连杆作为输入端，通过在驱动输出端与执行端之间串联双向扭簧，实现关节扭矩的柔性输出，可以很好地降低电机启动带来的冲击，使输出柔顺化，避免对老年人身体造成伤害，具有容易穿戴、操作简单的有点，适用于老年人助行运动。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是大腿执行机构的结构示意图；
图3是图2内部结构的剖视结构示意图；
图4是双向扭簧安装部位的剖视结构示意图。
图中，1腰部穿戴装置；2背包装置；3大腿执行机构；4电机；5减速器；6锥齿轮副；7传感器支撑轴套；8扭矩传感器；9轴承；10内轴承套；11外轴承套；12下连杆；13法兰盘；14凸出部；15双向扭簧；16上连杆；17短套筒；18导向孔；19限位螺钉；20绷带安装孔；21固定销柱；22罩壳。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图4，本实施例的基于柔性关节驱动器的老人助行机器人本体结构包括背包装置2、腰部穿戴装置1和大腿执行机构3；
腰部穿戴装置1穿戴于用户的腰部，后背部设有背包装置2，背包装置2的背包中内置供电装置与控制装置，利用供电装置为各用电元件供电；
一对大腿执行机构3呈左右对称分设于腰部穿戴装置1的左右侧；
大腿执行机构3是在罩壳22壳中内置动力部件，动力部件的输出轴轴端露出于罩壳外，扭矩传感器8通过传感器支撑轴套7同轴套装于动力部件输出轴的轴端，在扭矩传感器8上沿径向自内向外依次同轴安装有内轴承套10、轴承9、外轴承套11，轴承9夹紧于内轴承套10与外轴承套11之间，以内圈与内轴承套10固连，以外圈与外轴承套11固连；
下连杆12以上端部的安装孔同轴套装于外轴承套11上，并于轴向紧固相连，与外轴承套11共同组成下连杆12同步回转组件；
内轴承套10沿径向贴紧于扭矩传感器8，并沿轴向夹紧并固连于扭矩传感器8与法兰盘13之间，法兰盘13与内轴承套10共轴设置，朝外的盘面中部沿径向外凸形成圆柱状凸出部14，上连杆16依靠下端部的短套筒17套装于法兰盘13上，与法兰盘13形成径向限位；双向扭簧15套装于凸出部14上，一端通过限位螺钉19固定在法兰盘13上，另一端通过固定销柱21固定在上连杆的短套筒上，两端固定并张紧于上连杆16的短套筒17内壁与法兰盘13盘面之间，上连杆16的上杆端固设于腰部穿戴装置1上，作用于用户的髋部；上连杆16能够由动力部件提供驱动力，通过锥齿轮副6输出力矩，在法兰盘13经由双向扭簧15的柔性输出带动下，绕法兰盘13的中轴线摆动；
以下连杆12为输入端，以上连杆16为执行端，通过扭矩传感器8检测输入端运动时的扭矩信号，并传输至控制装置，由控制装置接收扭矩信号进行分析处理后，向动力部件发送驱动指令。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
上连杆16的短套筒17沿轴向朝外的端面上设有顺着周向开设的两段弧形导向孔18，两段导向孔18以法兰盘13凸出部14为中心对称布置，法兰盘13盘面上对应于两段导向孔18对应设有沿轴向凸出的两个上述限位螺钉19，限位螺钉19穿设于对应的导向孔18中，与导向孔18之间留有间隙，二者配合形成对上连杆16转动的导向。
动力部件是由电机4提供动力，经减速器5输出，由联接于减速器5输出轴的锥齿轮副6传动，锥齿轮副6的输出轴轴端露出于罩壳外。
腰部穿戴装置1上预留有绷带安装孔20，可利用绷带绑附在用户腰部。
下面以机器人左侧的大腿执行机构3为例对本发明的工作原理进行说明如下：
当用户抬腿走路时，带动下连杆12随之朝前摆动，与上连杆16之间发生相对转动；同时，扭矩传感器8检测到下连杆12的转动，将扭矩信号发送给控制装置，控制装置随后向电机4发出驱动信号，驱使电机4转动，电机4通过减速器5、锥齿轮副6输出力矩，然后通过法兰盘13上的双向扭簧15带动上连杆16沿图1所示箭头方向做逆时针摆动，从而使下连杆12相对于上连杆16产生顺时针方向的转动，实现关节扭矩的柔性输出。同理可使右侧大腿执行机构3产生反向关节扭矩柔性输出，为老人提供力矩。
本发明通过双向扭簧15连接动力部件输出端与执行端，可以很好地降低电机4启动带来的冲击，使输出柔顺化，避免对老年人身体造成伤害。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，其特征是：机器人本体结构包括背包装置、腰部穿戴装置和大腿执行机构；
所述腰部穿戴装置穿戴于用户的腰部，后背部设有所述背包装置，所述背包装置的背包中内置供电装置与控制装置；
一对大腿执行机构呈左右对称分设于腰部穿戴装置的左右侧；所述大腿执行机构是在罩壳壳中内置动力部件，所述动力部件的输出轴轴端露出于罩壳外，扭矩传感器通过传感器支撑轴套同轴套装于动力部件输出轴的轴端，在所述扭矩传感器上沿径向自内向外依次同轴安装有内轴承套、轴承、外轴承套，所述轴承夹紧于内轴承套与外轴承套之间，以内圈与内轴承套固连，以外圈与外轴承套固连；下连杆以上端部的安装孔同轴套装于所述外轴承套上，并于轴向紧固相连，与所述外轴承套共同组成下连杆同步回转组件，下连杆的下杆端通过绑带绑附于用户的大腿外侧；所述内轴承套沿轴向夹紧并固连于扭矩传感器与法兰盘之间，法兰盘与内轴承套共轴设置，朝外的盘面中部沿径向外凸形成圆柱状凸出部，上连杆依靠下端部的短套筒套装于法兰盘上，与法兰盘形成径向限位；双向扭簧套装于凸出部上，两端分别固定并张紧于上连杆的短套筒内壁与法兰盘盘面之间，所述上连杆的上杆端固设于腰部穿戴装置上，作用于用户的髋部；所述上连杆能够由动力部件提供驱动力，在法兰盘经由双向扭簧的柔性输出带动下，绕法兰盘的中轴线摆动；
以所述下连杆为输入端，以上连杆为执行端，通过所述扭矩传感器检测输入端运动时的扭矩信号，并传输至控制装置，由所述控制装置接收扭矩信号进行分析处理后，向动力部件发送驱动指令。
2.根据权利要求1所述的基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，其特征是：所述上连杆的短套筒沿轴向朝外的端面上设有顺着周向开设的两段弧形导向孔，两段导向孔以法兰盘凸出部为中心对称布置，所述法兰盘盘面上对应于两段导向孔对应设有沿轴向凸出的两个限位螺钉，所述限位螺钉穿设于对应的导向孔中，与所述导向孔配合，形成对上连杆转动的导向。
3.根据权利要求1所述的基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，其特征是：所述动力部件是由电机提供动力，经减速器输出，由联接于减速器输出轴的锥齿轮副传动，所述锥齿轮副的输出轴轴端露出于罩壳外。
4.根据权利要求1所述的基于柔性关节驱动器的老人助行机器人，其特征是：所述腰部穿戴装置上预留有绷带安装孔。
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