[發(fā)明專利]一種基于柔性凸輪機構的外骨骼膝關節(jié)驅動結構

有效

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• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112589829B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設計）人: 魏巍;林西川;張海峰
• 申請（專利權）人: 邁寶智能科技（蘇州）有限公司
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J9/00
• 代理公司: 南京九致知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 32307
• 代理人: 嚴巧巧

本發(fā)明公開了一種基于柔性凸輪機構的外骨骼膝關節(jié)驅動結構，包括驅動機構、大腿桿和膝關節(jié)仿真機構；膝關節(jié)通過弧形齒面I和弧形齒面II的嚙合實現(xiàn)膝關節(jié)兩個轉動點的同步轉動，可彌補因膝關節(jié)彎曲產(chǎn)生的扭矩變化；通過幾何關系，可以確定拉繩的長度變化與膝關節(jié)彎曲的角度成正弦曲線關系，因而可以不通過角度傳感器即可確定膝關節(jié)彎曲的角度，減少外骨骼傳感器的使用數(shù)量；同時，通過幾何關系可以知道弧形齒面I和弧形齒面II半徑的大小還能夠決定驅動機構的旋轉半徑；本方案中，膝關節(jié)轉動時力矩較為穩(wěn)定，能夠減少能量損失，降低系統(tǒng)能量消耗。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于柔性凸輪機構的外骨骼膝關節(jié)驅動結構，是一種膝關節(jié)驅動的可穿戴外骨骼機械結構。

背景技術

外骨骼原來指生物學中保護生物內(nèi)部柔軟器官的一種堅硬外部結構，而現(xiàn)在外骨骼機器人是指一類模仿人體運動狀態(tài)、加強人體運動能力的、集仿生學與人機工效學的機械裝置，穿戴于人體肢體外側，可以提高人們在行走耐久性、負重能力等特定方面的能力。由于外骨骼機器人涉及人機工效學，這就要求其有較強適應性，不僅要適用不同體型穿戴者，同時也要對人體關節(jié)進行危險防護，防止穿戴過程中造成人體損傷。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：現(xiàn)有技術中的外骨骼機器人中柔性膝關節(jié)在彎曲時，因關節(jié)角度不斷變化，使驅動力角度不斷變化，導致外骨骼關節(jié)力矩不斷改變，進而產(chǎn)生能量損失的問題，本發(fā)明提供一種基于柔性凸輪機構的外骨骼膝關節(jié)驅動結構，采用變力矩柔性膝關節(jié)結構，使膝關節(jié)在轉動時扭矩保持穩(wěn)定，能夠減少能量損失。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種基于柔性凸輪機構的外骨骼膝關節(jié)驅動結構，包括驅動機構、大腿桿和膝關節(jié)仿真機構；

所述驅動機構包括電機、拉繩編碼器和固定塊，電機安裝在電機架上，拉繩編碼器安裝在編碼器盒體內(nèi)，編碼器盒體固定在電機架上；

所述固定塊固定在大腿桿中上部，電機架固定在大腿桿上、位于大腿桿根部和固定塊之間；在固定塊上設置有兩個上導輪，分別記為上導輪I和上導輪II；

所述膝關節(jié)仿真機構包括上連接塊、下連接塊和連接片，上連接塊與連接片之間通過銷軸I連接，下連接塊與連接片之間通過銷軸II連接，在上連接塊上設置有以銷軸I為圓心的弧形齒面I，在下連接塊上設置有以銷軸II為圓心的弧形齒面II，弧形齒面I和弧形齒面II相嚙合；在上連接塊上設置有兩個下導輪，分別記為下導輪I和下導輪II，兩個下導輪均位于銷軸I遠離銷軸II的一側；在下連接塊上設置有固定軸，固定軸位于銷軸II遠離銷軸I的一側；

所述上連接塊固定在大腿桿的下端；

所述拉繩編碼器的拉繩包括上拉繩、彈性體和下拉繩三部分，上拉繩的一端與拉繩編碼器內(nèi)的出線輪連接，上拉繩的另一端依次繞經(jīng)上導輪I和上導輪II后與彈性體的一端連接，彈性體的另一端與下拉繩的一端連接，下拉繩的另一端依次繞經(jīng)下導輪II和下導輪I后與固定軸連接，通過拉力傳感器檢測下拉繩上承載的拉力。

優(yōu)選的，所述拉繩編碼器包括絕對編碼器、磁珠、磁珠座、螺紋軸、出線輪、墊片和螺母，出線輪、墊片和螺母均安裝在螺紋軸上，出線輪與螺紋軸緊固連接，磁珠座的側面與螺紋軸的側面形成嚙合傳動機構，墊片隔離開出線輪和磁珠座，螺母與螺紋軸緊固連接，通過螺母壓緊磁珠座和出線輪；螺紋軸與電機的輸出軸連接，絕對編碼器固定在編碼器盒體內(nèi)，絕對編碼器將磁珠覆罩在磁珠座內(nèi)，磁珠座與編碼器盒體通過扣合結構連接。

優(yōu)選的，所述上連接塊固定在大腿桿的下端，上連接塊與大腿桿之間形成小于180°大于140°的夾角。

優(yōu)選的，所述上導輪II和下導輪II之間的拉繩處于張緊狀態(tài)，并與大腿桿之間存在間隙。