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CN113183119B - 基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人 - Google Patents

基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人。本发明包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构;两组腿部外骨骼结构相同均包括两个超输入柔性驱动器,两个绷带结构和一个脚底板;每个超输入柔性驱动器均包括两个通过绳连接的柔性驱动器,输出一个转动自由度;两个超输入柔性驱动器再通过机械连接装置连接;其中一个绷带结构与一个超输入柔性驱动器连接,另一个绷带与机械连接装置连接;脚底板通过转接支架与另一个超输入柔性驱动器连接。本发明一方面可以应用到军事领域,为作战士兵提供助力,提高士兵行军运动能力;另一方面,可以为中风患者提供理疗帮助,改善患者在康复过程的恢复周期。

Description

基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域,涉及一种基于冗余绳驱柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人。
背景技术
在人机交互过程中,当机器人需要与未知环境交互时,传统机器人的刚性传动存在很大的安全隐患,人与机器人之间也常常存在过约束力。机器人的柔顺性则是人-机协作完成任务的重要保障。机器人柔顺性的研究正向着刚柔混合一体化机构、准确快速的环境判断、良好的柔顺控制的方向发展。机械系统的柔顺性是通过机械设计和驱动控制系统来保证的。当人与机器人发生运动不协调或控制系统失灵时,设计柔顺的驱动结构,可通过降低动能和惯性来减小冲击力。本发明基于人体下肢运动特点,设计了一种可穿戴下肢外骨骼机器人,实现帮助穿戴者辅助运动。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人。
本发明包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构;两组腿部外骨骼结构相同均包括四个柔性驱动器,两个绷带结构和一个脚底板;四个柔性驱动器,两两一组,通过绳连接,构成超输入超输入柔性驱动器,再将两组超输入柔性驱动器通过机械连接装置连接;一个绷带结构与一组柔性驱动器连接,另一个绷带结构与机械连接装置连接;脚底板通过转接支架与另一组柔性驱动器连接。本发明可以为穿戴者提供助力,因此,不仅可以应用到军事领域,辅助士兵负重行走,也可以应用到康复医疗领域,为患者提供理疗帮助,并充分保证患者在康复过程中的安全。
所述的超输入柔性驱动器,包括两个通过绳连接柔性驱动器,每个柔性驱动器均包括电机外壳、电机、齿轮箱、第一编码器、固定电机装置、第二编码器、联轴器、扭簧、滚筒、机械连接装置、两个伞齿轮、两根光轴、四个套筒、四个轴承、四个端盖;电机与电机固定装置安装于电机外壳上,电机外壳与齿轮箱固定连接;第一编码器与电机连接,通过在电机外壳上开孔外露;第一伞齿轮与电机输出轴相连,第一伞齿轮与第二伞齿轮啮合,实现输出90度转向;第一光轴从第一轴承中穿过与第二伞齿轮连接;第一轴承固定在电机外壳上,第一轴承内圈一端与第一套筒接触,另一端与第二套筒接触,第一轴承外圈与第一端盖接触;第二轴承套在第一光轴上,第二轴承外圈与第二端盖相连,第二端盖固定在电机外壳上,实现第一光轴的轴向约束;扭簧套在第一光轴输出端,通过扭簧将力矩传递给第二光轴;第二光轴通过与第一光轴类似结构,用第三轴承和第四轴承、第三套筒和第四套筒、第三端盖和第四端盖实现轴向约束;第四端盖通过固定在第二端盖上,第三端盖固定在第四端盖上;第二光轴通过联轴器与第二编码器相连接;联轴器外套上滚筒,滚筒连接绳,通过绳与另一个柔性驱动器相连,形成两电机输出一个自由度的超输入柔性驱动器;机械连接装置包括滑轨与连接板;
所述绷带结构由两个板与绷带两侧固接,绷带通过扣环实现宽度大小的调整;
所述脚底板包括转接支架、减震弹簧支柱、脚部支撑板、脚部前绷带;减震弹簧支柱与脚部支撑板连接,转接支架坐在减震弹簧支柱上,脚部前绷带固定在脚部支撑板前端。
所述的电机外壳通过三个凸起与齿轮箱相连,通过螺钉与电机上预留的螺纹孔连接固定电机。
所述的伞齿轮通过开孔用螺栓与轴连接。
所述超输入柔性驱动器通过在其中一个电机外壳上打孔与机械连接装置连接。
所述机械连接装置通过在连接板上打一系列螺纹孔,并设置滑轨可控制两柔性驱动器结构之间的安装距离。
所述绷带结构分别固定在一个柔性驱动器和机械连接装置上,整体方向朝下;所述脚底板通过在连接支架上打孔,用螺钉与柔性驱动器连接。
所述的绷带结构和脚底板位于内侧,柔性驱动器位于外侧。
本发明所涉及的柔性驱动器机架整体材料便携,小巧;通过绳驱动,降低机械机构的重量,为穿戴者提供助力;扭簧刚度大,体积小,一方面可以降低人-机的约束力,另一方面可以检测人机交互力的大小,从而反馈给柔性驱动器控制电机输出。综上,本发明结构简单,安装方便,可以为穿戴者提供助力,不仅可以应用到军事领域,辅助士兵负重行走,也可以让患者穿戴,使之独立正常行走,既可以为患者提供康复,也充分保证患者在康复过程中的安全。柔性驱动器机架整体材料便携,小巧。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明的超输入柔性驱动器结构示意图;
图3为本发明的柔性驱动器结构剖面图示意图;
图4为本发明的绷带结构示意图;
图5为本发明的脚底板结构示意图;
具体实施方式
如图1所示,一种基于冗余绳驱柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构;两组腿部外骨骼结构相同均包括两个超输入柔性驱动器1,两个绷带结构2和一个脚底板3;每个超输入柔性驱动器均包括一组柔性驱动器6,通过绳5连接;再将两组柔性驱动器6通过机械连接装置4连接;一个绷带结构与一组柔性驱动器连接,另一个绷带结构与机械连接装置连接;脚底板通过转接支架与另一组柔性驱动器连接。
如图2与图3所示,柔性驱动器包括电机外壳12、电机10、齿轮箱9、第一编码器8、电机固定装置7、第二编码器13、联轴器22、扭簧29、滚筒14、第一伞齿轮11、第二伞齿轮21、第二光轴17、第一光轴18、四个套筒、四个轴承、四个端盖;电机10与电机固定装置7安装于电机外壳12上,电机外壳12与齿轮箱9固定连接;第一编码器与电机连接,通过在电机外壳上开孔外露;第一伞齿轮11与电机输出轴相连,第一伞齿轮11与第二伞齿轮21啮合,实现输出90度转向;第一光轴18从第一轴承32中穿过与第二伞齿轮21连接,第一轴承32固定在电机外壳12上,内圈一端与第一套筒20接触,另一端与第二套筒41接触,外圈与第一端盖31接触;第二轴承30套在第一光轴18上,外圈与第二端盖19相连,第二端盖19固定在电机外壳12上,实现第一光轴18的轴向约束;扭簧29套在第一光轴18输出端,通过扭簧29将力矩传递给第二光轴17;第二光轴17通过与第一光轴18类似结构,用第三轴承26和第四轴承23、第三套筒27和第四套筒25、第三端盖15和第四端盖16实现轴向约束;第四端盖16通过第一螺钉28固定在第二端盖19上,第三端盖15通过第二螺钉24固定在第四端盖16上;第二光轴17通过联轴器22与第二编码器13相连接;联轴器22外套上滚筒14,滚筒14连接绳,通过绳与另一个柔性驱动器相连,形成两电机输出一个自由度的超输入柔性驱动器。
机械连接装置由滑轨与连接板组成,可实现各种腿长的人穿戴。
选用刚度大,体积小的扭簧。扭簧分别穿过两光轴的两个小圈,实现更高效率的传递扭矩。
如图4所示,绷带结构包括两个板33、绷带35、扣环34。两个板33与绷带35两侧固接,绷带35通过扣环34实现宽度大小的调整。
如图5所示,脚底板包括转接支架36、减震弹簧支柱37、脚部支撑板40、脚部前绷带39,减震弹簧支柱37与脚部支撑板40连接,转接支架36坐在减震弹簧支柱37上,脚部前绷带39固定在脚部支撑板40前端,实现各种类型的脚穿戴。
工作时,如当小腿抬起时,大腿上的柔性驱动器收绳,小腿上柔性驱动器放绳,也就是大腿上的柔性驱动器输出扭矩,小腿上柔性驱动器为跟随运动的状态;当小腿放下时,大腿上的柔性驱动器放绳,小腿上的柔性驱动器收绳,也就是小腿上的柔性驱动器为跟随运动,大腿上的柔性驱动器为输出扭矩。

Claims (7)

1.基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构,其特征在于:所述的腿部外骨骼结构包括一对超输入柔性驱动器、绷带结构、脚底板,所述的超输入柔性驱动器均包括一组通过绳连接的柔性驱动器,一对超输入柔性驱动器通过机械连接装置连接;其中一个绷带结构与一个超输入柔性驱动器连接,另一个绷带结构与机械连接装置连接;脚底板通过转接支架与另一个超输入柔性驱动器连接;
所述的超输入柔性驱动器,包括两个通过绳连接柔性驱动器,每个柔性驱动器均包括电机外壳、电机、齿轮箱、第一编码器、固定电机装置、第二编码器、联轴器、扭簧、滚筒、机械连接装置、两个伞齿轮、两根光轴、四个套筒、四个轴承、四个端盖;电机与电机固定装置安装于电机外壳上,电机外壳与齿轮箱固定连接;第一编码器与电机连接,通过在电机外壳上开孔外露;第一伞齿轮与电机输出轴相连,第一伞齿轮与第二伞齿轮啮合,实现输出90度转向;第一光轴从第一轴承中穿过与第二伞齿轮连接;第一轴承固定在电机外壳上,第一轴承内圈一端与第一套筒接触,另一端与第二套筒接触,第一轴承外圈与第一端盖接触;第二轴承套在第一光轴上,第二轴承外圈与第二端盖相连,第二端盖固定在电机外壳上,实现第一光轴的轴向约束;扭簧套在第一光轴输出端,通过扭簧将力矩传递给第二光轴;第二光轴通过与第一光轴类似结构,用第三轴承和第四轴承、第三套筒和第四套筒、第三端盖和第四端盖实现轴向约束;第四端盖通过固定在第二端盖上,第三端盖固定在第四端盖上;第二光轴通过联轴器与第二编码器相连接;联轴器外套上滚筒,滚筒连接绳,通过绳与另一个柔性驱动器相连,形成两电机输出一个自由度的超输入柔性驱动器;机械连接装置包括滑轨与连接板;
所述绷带结构由两个板与绷带两侧固接,绷带通过扣环实现宽度大小的调整;
所述脚底板包括转接支架、减震弹簧支柱、脚部支撑板、脚部前绷带;减震弹簧支柱与脚部支撑板连接,转接支架坐在减震弹簧支柱上,脚部前绷带固定在脚部支撑板前端。
2.如权利要求1所述的基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述的电机外壳通过三个凸起与齿轮箱相连,通过螺钉与电机上预留的螺纹孔连接固定电机。
3.如权利要求1所述的基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述的伞齿轮通过开孔用螺栓与轴连接。
4.如权利要求1所述的基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述超输入柔性驱动器通过在其中一个电机外壳上打孔与机械连接装置连接。
5.如权利要求1所述的基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述机械连接装置通过在连接板上打一系列螺纹孔,并设置滑轨可控制两柔性驱动器结构之间的安装距离。
6.如权利要求1所述的基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述绷带结构分别固定在一个柔性驱动器和机械连接装置上,整体方向朝下;所述脚底板通过在连接支架上打孔,用螺钉与柔性驱动器连接。
7.如权利要求1所述的基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述的绷带结构和脚底板位于内侧,柔性驱动器位于外侧。
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