CN105666476A - 用于外骨骼机器人的柔性驱动结构 - Google Patents

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董为
杜志江
张志明
龙亿
王伟东
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闫志远
吴冬梅
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Abstract

用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，它涉及一种柔性驱动机构。目前外骨骼机器人***多以刚性机构进行动力输出，但作为需要与人类直接接触的关节驱动器，柔顺性差，不能满足人机互动机器人对安全性及舒适性的要求。本发明中第一锥齿轮位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间围合的空腔内且第一锥齿轮套装在电机的输出轴上，离轴式磁编码器设在第一转轴的另一端上，第二转轴位于骨骼杆接头二的另一侧且其依次穿设在骨骼杆接头一和骨骼杆接头二上，弹性体套装在第一转轴上且其位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间，第二锥齿轮位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间围合的空腔内，第二锥齿轮套装在第一转轴上且其与第一锥齿轮相啮合。本发明用于机器人中。

Description

用于外骨骼机器人的柔性驱动结构
技术领域
本发明涉及一种柔性驱动机构，属于机械技术及自动化技术领域。
背景技术
外骨骼机器人将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个***，不仅增强了人体的体力、速度和耐力，还具备保护人体和支持人体结构的功能。目前的外骨骼机器人***多以刚性机构进行动力输出，但作为需要与人类直接接触的关节驱动器，柔顺性差，不能满足人机互动机器人对安全性及舒适性的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，以解决目前外骨骼机器人***多以刚性机构进行动力输出，但作为需要与人类直接接触的关节驱动器，柔顺性差，不能满足人机互动机器人对安全性及舒适性的要求的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，它包括电机、电机安装座、第一锥齿轮、骨骼杆接头一、第二锥齿轮、第一转轴、弹性体、离轴式磁编码器、骨骼杆接头二和第二转轴，所述骨骼杆接头一和骨骼杆接头二均为“匚”字形框体，所述骨骼杆接头一设置在骨骼杆接头二内且其缺口端朝向骨骼杆接头二，所述电机通过电机安装座穿设在骨骼杆接头一上，所述第一锥齿轮位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间围合的空腔内且第一锥齿轮套装在电机的输出轴上，所述第一转轴位于骨骼杆接头二的一侧，所述第一转轴的一端依次穿过骨骼杆接头二和骨骼杆接头一且位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间围合的空腔内，所述离轴式磁编码器设置在骨骼杆接头二外且其套装在第一转轴的另一端上，所述第二转轴位于骨骼杆接头二的另一侧且其依次穿设在骨骼杆接头一和骨骼杆接头二上，所述弹性体套装在第一转轴上且其位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间，所述第二锥齿轮位于骨骼杆接头一和骨骼杆接头二之间围合的空腔内，所述第二锥齿轮套装在第一转轴上且其与第一锥齿轮相啮合。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过采用带有弹性体的柔性驱动器，力控制通过弹性体变形的测量转化为位置控制，从而实现精确的力控制同时具有输出力低阻抗性、输出稳定、能量密度高的特点，并降低了***的带宽，减小输出阻抗，
2、本发明能够有效地增加外骨骼机器人的稳定性，降低干扰影响，增强外部冲击下弹性体的缓冲保护作用。
3、本发明在用于外骨骼机器人康复或助力行走的环境中，显著提高了人机协调运动的舒适性以及运动连续性。
4、本发明结构简单且构造合理，有利于降低外骨骼机器人的使用成本。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图；
图2是弹性体10的主视结构示意图；
图3是弹性体10的立体结构示意图；
图4是骨骼杆接头一4的立体结构示意图；
图5是骨骼杆接头二12的立体结构示意图；
图6是离轴式磁编码器11的主视结构示意图；
图7是本发明的使用状态图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式包括电机1、电机安装座2、第一锥齿轮3、骨骼杆接头一4、第二锥齿轮5、第一转轴8、弹性体10、离轴式磁编码器11、骨骼杆接头二12和第二转轴14，所述骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12均为“匚”字形框体，所述骨骼杆接头一4设置在骨骼杆接头二12内且其缺口端朝向骨骼杆接头二12，所述电机1通过电机安装座2穿设在骨骼杆接头一4上，所述第一锥齿轮3位于骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12之间围合的空腔内且第一锥齿轮3套装在电机1的输出轴上，所述第一转轴8位于骨骼杆接头二12的一侧，所述第一转轴8的一端依次穿过骨骼杆接头二12和骨骼杆接头一4且位于骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12之间围合的空腔内，所述离轴式磁编码器11设置在骨骼杆接头二12外且其套装在第一转轴8的另一端上，所述第二转轴14位于骨骼杆接头二12的另一侧且其依次穿设在骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12上，所述弹性体10套装在第一转轴8上且其位于骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12之间，所述第二锥齿轮5位于骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12之间围合的空腔内，所述第二锥齿轮5套装在第一转轴8上且其与第一锥齿轮3相啮合。
本发明中离轴式磁编码器11为现有产品，离轴式磁编码器11包括磁盘11-1和芯片11-2，所述芯片11-2设置在磁盘11-1上，所述磁盘11-1朝向骨骼杆接头二12设置，所述芯片11-2设置在磁盘11-1远离骨骼杆接头二12的一侧。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述第二锥齿轮5通过平键一6套装在第一转轴8上，所述弹性体10通过平键二9套装在第一转轴8上。平键一6和平键二9的设置是为了用以传递转矩和运动；当第二锥齿轮5和第一转轴8之间、弹性体10和第一转轴8之间要求作轴向移动时,还可以起导向作用。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式中所述第一转轴8通过第一轴承7与骨骼杆接头一4相连接，所述第一转轴8通过第二轴承18与骨骼杆接头二12相连接。
本实施方式中骨骼杆接头一4的一侧加工有第一通过孔21，第一转轴8上套装有第一轴承7，第一转轴8通过第一轴承7穿设在骨骼杆接头一4的第一通过孔21内。与第一通过孔21靠近的骨骼杆接头二12的一侧上加工有第二通过孔23，第一转轴8上套装有第二轴承18，第一转轴8通过第二轴承18穿设在骨骼杆接头二12的第二通过孔23内。
本实施方式中骨骼杆接头一4的另一侧加工有第三通过孔22，第二转轴14上套装有第三轴承13，第二转轴14通过第三轴承13穿设在骨骼杆接头一4的第三通过孔22内，骨骼杆接头二12的另一侧加工有第四通过孔24，第二转轴14通过第四轴承15穿设在骨骼杆接头二12的第四通过孔24内，骨骼杆接头二12外设置有轴端盖16，轴端盖16用于扣合在第二通过孔23上。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2、图3和图7说明本实施方式，本实施方式中所述弹性体10包括圆环形本体10-1、中心柱体10-2和三组辐条10-3，所述三组辐条10-3均布在圆环形本体10-1内，中心柱体10-2位于圆环形本体10-1内，所述中心柱体10-2沿其轴向方向加工有转轴穿过孔10-4，每组辐条10-3固定连接在中心柱体10-2的外壁和圆环形本体10-1的内壁之间。
本实施方式中三组辐条10-3均作为变形单元，每组辐条10-3包括两根组成条，两根组成条处于同一水平面上，二者之间形成了一种上四边形结构。每根组成条呈S形设置且该根组成条的一端固定连接在中心柱体10-2的外壁上，该根组成条的另一端固定连接在圆环形本体10-1的内壁上。三组辐条10-3的设置补偿了圆环形本体10-1在力矩作用下，每组辐条10-3必有的径向位移，从而使得圆环形本体10-1在小体积小尺寸的情况易于承受大力矩大变形，由于圆环形本体10-1的外径为60mm，厚度为7mm，所以圆环形本体10-1在小体积小尺寸的情况指的是与其自身尺寸相对应的空间，在这个空间内三组辐条10-3能够使得圆环形本体10-1易于承受大力矩大变形。弹性体10采用总体对称结构，保证了弹性正反转的刚度、线性度的一致性。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式中所述圆环形本体10-1一侧圆周面的边缘处均匀加工有多个矩形凸起10-5。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式中所述离轴式磁编码器11以第一转轴8为转动轴对称设置在骨骼杆接头二12外。对称布置更加有利于减小***尺寸且便于装配及检修。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或五相同。
具体实施方式七：结合图4和图7说明本实施方式，本实施方式中所述骨骼杆接头一4靠近第二转轴14的一侧加工有牙形限位槽19。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一、二、四或五相同。
具体实施方式八：结合图1、图5和图7说明本实施方式，所述骨骼杆接头二12外固定连接有外骨骼杆17。其他未提及的结构及连接关系与具体实施方式一或七相同。
工作过程：
启动电机1，第一锥齿轮3在电机1输出轴的带动下转动，从而带动与其啮合的第二锥齿轮5转动，通过第二锥齿轮5的转动带动弹性体10和离轴式磁编码器11同步转动，通过第二锥齿轮5的转动带动弹性体10，弹性体中心柱体10-2将动力通过三组辐条10-3传至圆环形本体10-1，同时骨骼杆接头一4和骨骼杆接头二12之间在第一转轴8转动以及第二转轴14的辅助下发生相对位置变化，产生柔性连接的效果。

Claims (8)

1.一种用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：它包括电机(1)、电机安装座(2)、第一锥齿轮(3)、骨骼杆接头一(4)、第二锥齿轮(5)、第一转轴(8)、弹性体(10)、离轴式磁编码器(11)、骨骼杆接头二(12)和第二转轴(14)，所述骨骼杆接头一(4)和骨骼杆接头二(12)均为“匚”字形框体，所述骨骼杆接头一(4)设置在骨骼杆接头二(12)内且其缺口端朝向骨骼杆接头二(12)，所述电机(1)通过电机安装座(2)穿设在骨骼杆接头一(4)上，所述第一锥齿轮(3)位于骨骼杆接头一(4)和骨骼杆接头二(12)之间围合的空腔内且第一锥齿轮(3)套装在电机(1)的输出轴上，所述第一转轴(8)位于骨骼杆接头二(12)一侧，所述第一转轴(8)一端依次穿过在骨骼杆接头二(12)和骨骼杆接头一(4)且位于骨骼杆接头一(4)和骨骼杆接头二(12)之间围合的空腔内，所述离轴式磁编码器(11)设置在骨骼杆接头二(12)外且其套装在第一转轴(8)的另一端上，所述第二转轴(14)位于骨骼杆接头二(12)的另一侧且其依次穿设在骨骼杆接头一(4)和骨骼杆接头二(12)上，所述弹性体(10)套装在第一转轴(8)上且其位于骨骼杆接头一(4)和骨骼杆接头二(12)之间，所述第二锥齿轮(5)位于骨骼杆接头一(4)和骨骼杆接头二(12)之间围合的空腔内，所述第二锥齿轮(5)套装在第一转轴(8)上且其与第一锥齿轮(3)相啮合。
2.根据权利要求1所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述第二锥齿轮(5)通过平键一(6)套装在第一转轴(8)上，所述弹性体(10)通过平键二(9)套装在第一转轴(8)上。
3.根据权利要求1或2所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述第一转轴(8)通过第一轴承(7)与骨骼杆接头一(4)相连接，所述第一转轴(8)通过第二轴承(18)与骨骼杆接头二(12)相连接。
4.根据权利要求3所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述弹性体(10)包括圆环形本体(10-1)、中心柱体(10-2)和三组辐条(10-3)，所述三组辐条(10-3)均布在圆环形本体(10-1)内，中心柱体(10-2)位于圆环形本体(10-1)内，所述中心柱体(10-2)沿其轴向方向加工有转轴穿过孔(10-4)，每组辐条(10-3)固定连接在中心柱体(10-2)的外壁和圆环形本体(10-1)的内壁之间。
5.根据权利要求4所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述圆环形本体(10-1)一侧圆周面的边缘处均匀加工有多个矩形凸起(10-5)。
6.根据权利要求1或5所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述离轴式磁编码器(11)以第一转轴(8)为转动轴对称设置在骨骼杆接头二(12)外。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述骨骼杆接头一(4)靠近第二转轴(14)的一侧加工有牙形限位槽(19)。
8.根据权利要求1或7所述的用于外骨骼机器人的柔性驱动结构，其特征在于：所述骨骼杆接头二(12)外固定连接有外骨骼杆(17)。
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