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CN111823218B - 一种基于形状记忆合金的变刚度膝关节外骨骼机器人 - Google Patents

一种基于形状记忆合金的变刚度膝关节外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

一种基于形状记忆合金的变刚度膝关节外骨骼机器人，属于人机融合领域，包括大腿支件、小腿支件、轴承座支撑座、膝关节传动件、膝关节电机、变刚度模块。变刚度模块固定在小腿支件一侧，上部通过膝关节传动件与膝关节法兰座相连，变刚度模块内部记忆合金可实现刚度调节。膝关节电机与大腿支件固连，提供动力。大腿支件与小腿支件保持平行关系。轴承座支撑座上端与大腿支件底部固连，利用内部轴承实现膝关节的回转功能。轴承座输出端片与小腿支件固连，用于带动小腿支件运动。本发明以形状记忆合金作为驱动原理，提升外骨骼整体的机动性能；变刚度外骨骼膝关节可以有效辅助穿戴者行走；材料均采用美铝合金，可有效承载外界力，保护穿戴者。

Description

一种基于形状记忆合金的变刚度膝关节外骨骼机器人
技术领域
本发明属于人机融合领域，具体涉及一种变刚度膝关节外骨骼机器人。
背景技术
随着现代战争、医疗对增强、恢复受试群体运动能力的需求不断提升，膝关节外骨骼逐渐成为研究热点。膝关节助力外骨骼机器人是一种可穿戴在操作者身体外部的机械装置，它可以给穿戴者提供支撑、辅助，增强、恢复其运动功能，所以研制膝关节外骨骼机器人具备极大的现实意义。
传统变刚度外骨骼机器人，虽然可以隔离本体与周围环境的接触碰撞，保护受试者安全，适应不同精度、速度、负载需求。但变刚度单元均采用机械结构进行驱动，其结构复杂。导致外骨骼系统体积、重量过大，不能有效应用于外骨骼设备。
发明内容
考虑到这种技术背景，为减轻其重量，增强系统机动性能，开发基于形状记忆合金的变刚度下肢外骨骼机器人，其主要原理为将智能材料的材料科学特性与人体下肢运动科学相结合，通过利用智能材料相变过程中输出的力与位移代替传统电机结构驱动变刚度单元，结合传统电机驱动膝关节外骨骼设备。在满足战争、医疗对外骨骼设备需求的基础上，减轻外骨骼自重，增强外骨骼灵活性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于形状记忆合金的变刚度膝关节外骨骼机器人，其结构紧凑简洁，重心布置合理，运动平稳可靠。所述变刚度膝关节外骨骼机器人包括大腿支件1，小腿支件6，轴承座支撑座10，轴承座输出端片9，膝关节法兰座4，膝关节传动件8，膝关节电机3，电机辅助支撑板2，大腿腿部绑缚板11，小腿腿部绑缚板7，变刚度模块5。
所述变刚度模块5底部固定在小腿支件6一侧，与小腿支件6保持平行，上部通过膝关节传动件8与膝关节法兰座4相连，能够传递膝关节电机3的力矩，利用弹簧压缩实现双向柔性输出，变刚度模块5内部记忆合金可实现刚度调节；所述膝关节电机3通过电机辅助支撑板2与大腿支件1固连，并保持与大腿支件1垂直关系，输出转矩通过膝关节法兰座4和膝关节传动件8传递给变刚度模块5，为外骨骼机器人提供动力；所述大腿支件1与小腿支件6保持平行关系；所述大腿腿部绑缚板11安装在大腿支件1中部，小腿腿部绑缚板7安装在小腿支件6中部，用于人体穿戴时的绑缚固定；所述轴承座支撑座10与轴承座输出端片9通过轴配合相连，上端与大腿支件1底部固连，可以利用内部轴承实现膝关节的回转功能；所述轴承座输出端片9下端与小腿支件6上端固连，用于带动小腿支件6运动。
进一步的，所述变刚度模块5包括导向装配件501，拉伸弹簧保护导向件502，导向板503，导向套筒504，无油衬套505，保护外壳506，连接扣507，底板508，安装板510，直线位移传感器509，直线位移传感器固定件511和512，直线位移传感器连接件513，记忆合金丝顶部固定件514，导向连接轴515，弹簧516，记忆合金丝518，记忆合金丝绑缚件517，记忆合金丝底部固定件519。所述导向装配件501底部与拉伸弹簧保护导向件502固连，顶部与膝关节传动件8相连，可以将膝关节电机3输出的力矩传递给变刚度模块5。所述拉伸弹簧保护导向件502通过导向连接轴515与导向板503相连，可以沿导向板503中部槽上下移动，导向板503底部与导向套筒504相连。所述导向套筒504通过无油衬套505与保护外壳506配合，用于弹簧的导向，连接扣507连接保护外壳506与底板508，保护外壳506用于保护弹簧内部结构。所述安装板510一侧与小腿支件6固连，与其小腿支件6保持平行，上部连接底板508，起到支承变刚度模块5的作用；所述直线位移传感器509下端通过直线位移传感器固定件511和512安装在保护外壳506外侧，上端通过直线位移传感器连接件513安装在导向套筒504上侧；所述变刚度模块5只具有单向压缩功能，通过两侧对称结构实现变刚度主动元双向柔性设计。当穿戴者出现腿部骤停等特殊情况时，系统由单侧变刚度单元吸收电机3运动力矩。所述弹簧516安装在导向套筒504和保护外壳506内部，其拉伸与压缩变化可以调节变刚度模块5的刚度；所述记忆合金丝顶部固定件514以及记忆合金丝底部固定件519保持平行关系，用于预紧记忆合金丝518；所述记忆合金丝518利用记忆合金丝绑缚件517构成多根并行结构，可以同时增大其收缩力与收缩位移，当温度升高时，记忆合金可以有效收缩，并且交叉绑缚形状记忆合金，可以有效提升变刚度主动单元的输出力与位移。输入承受力单元侧装有热电偶，以此检测形状记忆合金温度，实现对其相变的实时控制，以此调节收缩力和位移。变刚度模块5安装于外骨骼的两侧，与传统电机配合实现外骨骼的变刚度功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)以形状记忆合金作为驱动的新原理，其重量轻，体积小，提升外骨骼整体的机动性能。
(2)设计了变刚度外骨骼膝关节，可以有效辅助穿戴者行走，具有变刚度功能，在高机动性需求下，具备更好的驱动效果。
(3)材料均采用美铝合金，其质量轻，强度高，可以有效承载外界力，保护穿戴者。
附图说明
图1是本发明实例中所用变刚度膝关节外骨骼机器人的整体结构图。
图2是本发明实例中所用变刚度膝关节外骨骼机器人的变刚度主动单元模块结构图。
图3是本发明实例中所用变刚度膝关节外骨骼机器人的变刚度主动单元内部记忆合金丝布置形式结构图。
图中：1大腿支件，2电机辅助支撑板，3膝关节电机，4膝关节法兰座，5变刚度模块，6小腿支件，7小腿腿部绑缚板，8膝关节传动件，9轴承座输出端片，10轴承座支撑座，11大腿腿部绑缚板；
501导向装配件，502拉伸弹簧保护导向件，503导向板，504导向套筒，505无油衬套，506保护外壳，507连接扣，508底板，509直线位移传感器，510安装板，511和512直线位移传感器固定件，513直线位移传感器连接件，514记忆合金丝顶部固定件，515导向连接轴，516弹簧，517记忆合金丝绑缚件，518记忆合金丝，519记忆合金丝底部固定件。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种变刚度膝关节外骨骼机器人包括大腿支件1，小腿支件6，轴承座支撑座10，轴承座输出端片9，膝关节法兰座4，膝关节传动件8，膝关节电机3，电机辅助支撑板2，大腿腿部绑缚板11，小腿腿部绑缚板7，变刚度模块5。变刚度模块5底部固定在小腿支件6一侧，与小腿支件6保持平行，上部通过膝关节传动件8与膝关节法兰座4相连；膝关节电机3通过电机辅助支撑板2与大腿支件1固连，输出转矩通过膝关节法兰座4和膝关节传动件8传递给变刚度模块5；大腿支件1与小腿支件6保持平行关系；大腿腿部绑缚板11安装在大腿支件1中部，小腿腿部绑缚板7安装在小腿支件6中部；轴承座支撑座10与轴承座输出端片9通过轴配合相连，上端与大腿支件1底部固连；轴承座输出端片9下端与小腿支件6上端固连。
如图2和图3所示，一种变刚度膝关节外骨骼机器人，其变刚度模块5还包括导向装配件501，拉伸弹簧保护导向件502，导向板503，导向套筒504，无油衬套505，保护外壳506，连接扣507，底板508，安装板510，直线位移传感器509，直线位移传感器固定件511和512，直线位移传感器连接件513，记忆合金丝顶部固定件514，导向连接轴515，弹簧516，记忆合金丝518，记忆合金丝绑缚件517，记忆合金丝底部固定件519。导向装配件501底部与拉伸弹簧保护导向件502固连，顶部与膝关节传动件8相连；拉伸弹簧保护导向件502通过导向连接轴515与导向板503相连，导向板503底部与导向套筒504相连；导向套筒504通过无油衬套505与保护外壳506配合，连接扣507连接保护外壳506与底板508。安装板510一侧与小腿支件6固连，与小腿支件6保持垂直关系，上部连接底板508；直线位移传感器509下端通过直线位移传感器固定件511和512安装在保护外壳506外侧，上端通过直线位移传感器连接件513安装在导向套筒504上侧；弹簧516安装在导向套筒504和保护外壳506内部；记忆合金丝顶部固定件514以及记忆合金丝底部固定件519保持平行关系；记忆合金丝518利用记忆合金丝绑缚件517构成多根并行结构。
虽然上文中已经结合附图和实例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明范围的情况下，可对其进行各种改进，且可以用等效物替换其中的部件。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于形状记忆合金的变刚度膝关节外骨骼机器人，其特征在于，所述变刚度膝关节外骨骼机器人包括大腿支件(1)，小腿支件(6)，轴承座支撑座(10)，轴承座输出端片(9)，膝关节法兰座(4)，膝关节传动件(8)，膝关节电机(3)，电机辅助支撑板(2)，大腿腿部绑缚板(11)，小腿腿部绑缚板(7)，变刚度模块(5)；
所述变刚度模块(5)底部固定在小腿支件(6)一侧，与小腿支件(6)保持平行，上部通过膝关节传动件(8)与膝关节法兰座(4)相连，用于传递膝关节电机(3)的力矩，利用弹簧压缩实现双向柔性输出，变刚度模块(5)内部形状记忆合金可实现刚度调节；所述膝关节电机(3)通过电机辅助支撑板(2)与大腿支件(1)固连，并保持与大腿支件(1)垂直关系，输出转矩通过膝关节法兰座(4)和膝关节传动件(8)传递给变刚度模块(5)，为外骨骼机器人提供动力；所述大腿支件(1)与小腿支件(6)保持平行关系；所述大腿腿部绑缚板(11)安装在大腿支件(1)中部，小腿腿部绑缚板(7)安装在小腿支件(6)中部，用于人体穿戴时的绑缚固定；所述轴承座支撑座(10)与轴承座输出端片(9)通过轴配合相连，上端与大腿支件(1)底部固连，利用内部轴承实现膝关节的回转功能；所述轴承座输出端片(9)下端与小腿支件(6)上端固连，用于带动小腿支件(6)运动；
所述变刚度模块(5)包括导向装配件(501)，拉伸弹簧保护导向件(502)，导向板(503)，导向套筒(504)，无油衬套(505)，保护外壳(506)，连接扣(507)，底板(508)，安装板(510)，直线位移传感器(509)，直线位移传感器连接件(513)，记忆合金丝顶部固定件(514)，导向连接轴(515)，弹簧(516)，记忆合金丝(518)，记忆合金丝绑缚件(517)，记忆合金丝底部固定件(519)；变刚度模块(5)只具有单向压缩功能，通过两侧对称结构实现变刚度主动单元的双向柔性设计；
所述导向装配件(501)底部与拉伸弹簧保护导向件(502)固连，顶部与膝关节传动件(8)相连，将膝关节电机(3)输出的力矩传递给变刚度模块(5)；所述拉伸弹簧保护导向件(502)通过导向连接轴(515)与导向板(503)相连，能够沿导向板(503)中部槽上下移动，导向板(503)底部与导向套筒(504)相连；所述导向套筒(504)通过无油衬套(505)与保护外壳(506)配合，用于弹簧的导向，连接扣(507)连接保护外壳(506)与底板(508)；所述安装板(510)一侧与小腿支件(6)固连，与其小腿支件(6)保持平行，所述安装板(510)上部连接底板(508)，用于支承变刚度模块(5)；所述直线位移传感器(509)下端通过直线位移传感器固定件安装在保护外壳(506)外侧，上端通过直线位移传感器连接件(513)安装在导向套筒(504)上侧；所述弹簧(516)安装在导向套筒(504)和保护外壳(506)内部，其拉伸与压缩变化可以调节变刚度模块(5)的刚度；所述记忆合金丝顶部固定件(514)以及记忆合金丝底部固定件(519)保持平行关系，用于预紧记忆合金丝(518)；所述记忆合金丝(518)利用记忆合金丝绑缚件(517)构成多根并行结构，能够同时增大其收缩力与收缩位移，当温度升高时，形状记忆合金进行有效收缩，并且记忆合金丝绑缚件(517)对形状记忆合金进行交叉绑缚，提升变刚度主动单元的输出力与位移；外骨骼机器人装有热电偶，用于检测形状记忆合金温度，实现对其相变的实时控制，进而调节收缩力和位移。
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