[發(fā)明專利]一種扭矩可編輯被動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010798304.2
• 申請(qǐng)日: 2020-08-07
• 公開（公告）號(hào): CN112428253B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何柏巖;焦彪彪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/00
• 分類號(hào): B25J9/00;B25J9/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明的目的在于提供一種扭矩可編輯被動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)器，包括變扭矩單元一、變扭矩單元二和聯(lián)軸器，所述變扭矩單元一和變扭矩單元二對(duì)稱設(shè)置，所述聯(lián)軸器設(shè)置在兩者之間將兩者的輸出軸聯(lián)接在一起，所述變扭矩單元一包括外部框架、扭矩控制模塊、儲(chǔ)能模塊和預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；通過本發(fā)明的外骨骼驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的連續(xù)變化以適應(yīng)人體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)條件下的助力需求，同時(shí)降低人機(jī)交互界面的力干涉現(xiàn)象。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械工程、被動(dòng)外骨骼、航空航天等領(lǐng)域，具體涉及一種扭矩可編輯被動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，機(jī)器人可以執(zhí)行需要很大力量的任務(wù)；然而，它們?nèi)狈腿祟愐粯拥牟僮髂芰Α㈧`活性、以及解決問題的能力。所以現(xiàn)階段產(chǎn)品生產(chǎn)的過程主要還是自動(dòng)化和人工勞動(dòng)的合作半自動(dòng)化生產(chǎn)模式為主。人工操作中存在如舉起、搬運(yùn)、推或拉等重復(fù)性高的勞動(dòng)。人體暴露在這些重復(fù)的負(fù)荷下或采用不合適的姿態(tài)承受負(fù)荷，有很高的風(fēng)險(xiǎn)造成肌肉拉傷或勞損。Carrivick等人指出，在大多數(shù)與工傷有關(guān)的案件中，有三分之一的案件涉及手工處理。為了改善工人在手動(dòng)操作過程中的作業(yè)環(huán)境，許多科研機(jī)構(gòu)開始開發(fā)外骨骼助力技術(shù)將人類的靈活性和機(jī)器人的力量融合在一起來減少物理負(fù)荷，增加人體對(duì)重復(fù)任務(wù)的耐力，有效地避免和治療肌肉骨骼疾病，幫助患者恢復(fù)工作能力。外骨骼分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類，最初主要用于軍事和康復(fù)應(yīng)用。動(dòng)力外骨骼需要依靠大量的傳感器、復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)和執(zhí)行器完成人機(jī)交互，在工作中需要大量的能源。由于供能困難和制造成本高等方面的問題，其應(yīng)用收到了很大程度上的限制。

與之對(duì)應(yīng)的被動(dòng)外骨骼，雖然助力性能有限，但由于具有不消耗能源，無需電子控制系統(tǒng)，制造成本低的特點(diǎn)，近些年逐漸被許多科研機(jī)構(gòu)關(guān)注，并展開了相關(guān)的研究。現(xiàn)有的被動(dòng)外骨骼的驅(qū)動(dòng)方式是已現(xiàn)有的彈性元件如拉簧、壓簧、扭簧和氣動(dòng)彈簧等常規(guī)的儲(chǔ)能元件直接結(jié)合簡單的機(jī)構(gòu)來完成人機(jī)之間的能量轉(zhuǎn)化和傳遞來降低人體的肌肉活動(dòng)。在研究過程中一些學(xué)者提出了被動(dòng)外骨胳模型內(nèi)彈性原件的剛度配置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，但是由于上述彈性原件本身力學(xué)性質(zhì)的限制，優(yōu)化的結(jié)果仍無法滿足人體復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的需求。

發(fā)明內(nèi)容

因此針對(duì)被動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)過程中的此類問題，提出了一種扭矩可編輯被動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的連續(xù)變化以適應(yīng)人體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)條件下的助力需求，同時(shí)降低人機(jī)交互界面的力干涉現(xiàn)象。此外本發(fā)明可在航空航天重力補(bǔ)償，工業(yè)機(jī)器人節(jié)能設(shè)計(jì)上進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種扭矩可編輯被動(dòng)外骨骼驅(qū)動(dòng)器，包括變扭矩單元一、變扭矩單元二和聯(lián)軸器，所述變扭矩單元一和變扭矩單元二對(duì)稱設(shè)置，所述聯(lián)軸器設(shè)置在兩者之間將兩者的輸出軸聯(lián)接在一起；

所述變扭矩單元一包括外部框架、扭矩控制模塊、儲(chǔ)能模塊和預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述外部框架整體呈矩形框式結(jié)構(gòu)，所述扭矩控制模塊包括雙凸輪模塊、短軸、軸承座、導(dǎo)輪、導(dǎo)輪支架和鏈條，所述雙凸輪模塊是由凸輪一、凸輪二和軸套焊接組裝而成，凸輪一和凸輪二分別為邊緣帶有齒的具有一定特定形狀的凸輪形鏈輪；軸套為帶有定位銷的套筒，與短軸固定配合，將凸輪一和凸輪二上的扭矩傳遞到短軸上；短軸兩端通過軸承座安裝到外部框架上，所述導(dǎo)輪支架上安裝有導(dǎo)輪，導(dǎo)輪邊緣的齒上安裝鏈條，所述鏈條的兩端分別通過定位螺釘固定安裝在凸輪一和凸輪二上，且鏈條與凸輪一和凸輪二邊緣的齒進(jìn)行配合；所述導(dǎo)輪支架通過螺栓固定安裝在橫梁上；

所述儲(chǔ)能模塊由彈簧支架和彈簧構(gòu)成，所述彈簧并聯(lián)設(shè)置有多個(gè)，其兩端分別安裝在兩個(gè)彈簧支架上，兩個(gè)彈簧支架分別固定安裝在兩個(gè)橫梁上，

所述預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)軌、直線軸承、連接板、橫梁、絲杠、擋板和定位螺母構(gòu)成，所述導(dǎo)軌有兩組，分別安裝在外部框架的內(nèi)部兩側(cè)，所述橫梁有兩根，兩根橫梁的兩端分別通過直線軸承安裝在導(dǎo)軌上且可沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，其中一根橫梁上安裝導(dǎo)輪支架，另一根橫梁上安裝絲杠，擋板通過螺栓安裝在外部框架的底部，其中心具有直徑略大于絲杠直徑的圓孔，絲杠穿過擋板的中心圓孔后與定位螺母形成螺紋副配合，擰動(dòng)定位螺母即可利用絲杠將與其連接的橫梁向下拉動(dòng)，以調(diào)節(jié)彈簧組的預(yù)緊力。