CN106420268A - 一种具有两自由度的套索传动机构 - Google Patents

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Abstract

一种具有两自由度的套索传动机构，本发明的前臂部件的一端与腕肘连接件连接，腕关节桡偏/尺偏运动部件的一端与第一安装轴头铰接、另一端与腕关节屈伸运动部件的一端连接，第一编码器安装架和第一编码器由里至外依次设置第二安装轴头上，第一编码器安装架与第二安装轴头铰接且与第一腕关节固连，腕关节屈伸运动部件另一端与关节轴铰接，手掌部件的一端固装在关节轴上、另一端与掌托部件连接，第二编码器设置在关节轴上，第一绳索的左端和第二绳索的左端都固装在第一输出轮上、右端固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件上，第三绳索3的左端和第四绳索的左端都固装在第二输出轮上、右端固定在手掌部件上。本发明用于老人、残疾人辅助与康复训练。

Description

一种具有两自由度的套索传动机构
技术领域
本发明涉及一种套索传动机构，具体涉及一种具有两自由度的套索传动机构。
背景技术
人体腕关节是一个非常灵活的关节，在设计上肢可穿戴外骨骼腕关节时，应尽量减轻外骨骼腕关节结构的重量。目前，腕关节外骨骼一般都是将电机布置在人的手臂上，从而保证电机与被驱动关节紧密连接，增加手臂承受的外骨骼重量，这对于人手臂而言，是一个很大的负担。再者，还需要在相应被驱动关节附近设计电机安置结构，电机安置结构会缩小腕关节外骨骼的可运动范围。
发明内容
本发明为解决现有的外骨骼腕关节整体重量比较重且关节运动范围不大的问题，而提供一种具有两自由度的套索传动机构。
本发明的一种具有两自由度的套索传动机构，其组成包括第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索、背板、槽形基板、第一预紧装置、第二预紧装置、第三预紧装置、第四预紧装置、第一绳索套、第二绳索套、第三绳索套、第四绳索套、第一输出轮、第二输出轮、第一电机、第二电机、关节轴、腕肘连接件、前臂部件、腕关节桡偏/尺偏运动部件、腕关节屈伸运动部件、手掌部件、掌托部件、第一编码器、第一编码器安装架、第二编码器、第一轴承、第二轴承、第三轴承，前臂部件的一端与腕肘连接件连接，前臂部件的另一端设有第一安装轴头，腕关节桡偏/尺偏运动部件的一端与第一安装轴头通过第一轴承铰接，腕关节桡偏/尺偏运动部件上设有第二安装轴头，第一编码器安装架和第一编码器由里至外依次设置在第二安装轴头上，第一编码器安装架与第二安装轴头通过第二轴承铰接，第一编码器安装架的另一端与前臂部件固连，腕关节桡偏/尺偏运动部件的另一端与腕关节屈伸运动部件的一端连接，腕关节屈伸运动部件另一端与关节轴通过第三轴承铰接，手掌部件的一端固装在关节轴上，手掌部件的另一端与掌托部件连接，第二编码器设置在关节轴上，第二安装轴头的轴线与关节轴的轴线垂直设置，槽形基板设置在背板的前面，第一绳索、第二绳索、第三绳索和第四绳索由上至下依次设置在槽形基板的槽内，第一绳索的左端穿过槽形基板的左端固装在第一输出轮上，第一绳索的右端穿过槽形基板的右端、第一绳索套后固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件上，第二绳索的左端穿过槽形基板的左端固装在第一输出轮上，第二绳索的右端穿过槽形基板的右端、第二绳索套后固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件上，第三绳索的左端穿过槽形基板的左端固装在第二输出轮上，第三绳索的右端穿过槽形基板的右端、第三绳索套后固定在手掌部件上，第四绳索的左端穿过槽形基板的左端固装在第二输出轮上，第四绳索的右端穿过槽形基板的右端、第四绳索套后固定在手掌部件上，第一输出轮固装在第一电机的输出轴上，第二输出轮固装在第二电机的输出轴上，第一预紧装置固装在第一绳索上，第二预紧装置固装在第二绳索上，第三预紧装置固装在第三绳索上，第四预紧装置固装在第四绳索上。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
一、本发明的腕关节有两个自由度，分别为腕关节屈伸自由度和腕关节桡偏/尺偏自由度。本发明利用绳索结构，将电机能量传递到腕关节，带动腕关节两个方向的运动。为了保证传动过程中不会出现空回现象，在背板上还在绳索上安置了套索预紧装置，保证了绳索在传动过程中，一直保持拉紧状态，使得传动平稳可靠。。每个自由度对应两根绳索，保证伸/缩运动。本发明有助于增大腕关节外骨骼的运动范围，使得辅助人体腕关节运动的可达空间更大，更符合人腕关节实际的运动范围。
二、由于绳索传动不可避免地会存在摩擦，从而损耗电机输出力矩。电机输出力矩和传递到腕关节的力矩存在一个迟滞现象，所以，在腕关节处安装两个编码器(即第一编码器26和第二编码器28)，两个编码器用于测量实际的关节旋转角度，作为控制***的反馈信号，保证整个***按照预想的轨迹运行。
三、本发明的第一预紧装置7、第二预紧装置8、第三预紧装置9和第四预紧装置10可以保证套索传动不出现空回现象，
四、本发明结构紧凑，可广泛用于老人、残疾人生活辅助与康复训练。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是第一预紧装置7、第二预紧装置8、第三预紧装置9和第四预紧装置10的主剖视图；
图3是本发明的整体结构立体图(去掉关节轴19、腕肘连接件20、前臂部件21、腕关节桡偏/尺偏运动部件22、腕关节屈伸运动部件23、手掌部件24、掌托部件25、第一编码器26、第一编码器安装架27、第二编码器28、第一轴承29第二轴承30和第三轴承31)。
图4是关节轴19、腕肘连接件20、前臂部件21、腕关节桡偏/尺偏运动部件22、腕关节屈伸运动部件23、手掌部件24、掌托部件25、第一编码器26、第一编码器安装架27、第二编码器28、第一轴承29第二轴承30和第三轴承31的连接关系立体图；
图5是腕肘连接件20、前臂部件21、腕关节桡偏/尺偏运动部件22、腕关节屈伸运动部件23、手掌部件24、掌托部件25、第一编码器26和第一编码器安装架27的连接关系立体图；
图6是图5的A-A剖视图；
图7是槽形基板6的结构立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图7说明本实施方式，本实施方式包括第一绳索1、第二绳索2、第三绳索3、第四绳索4、背板5、槽形基板6、第一预紧装置7、第二预紧装置8、第三预紧装置9、第四预紧装置10、第一绳索套11、第二绳索套12、第三绳索套13、第四绳索套14、第一输出轮15、第二输出轮16、第一电机17、第二电机18、关节轴19、腕肘连接件20、前臂部件21、腕关节桡偏/尺偏运动部件22、腕关节屈伸运动部件23、手掌部件24、掌托部件25、第一编码器26、第一编码器安装架27、第二编码器28、第一轴承29、第二轴承30、第三轴承31，前臂部件21的一端通过连接元件与腕肘连接件20连接，前臂部件21的另一端设有第一安装轴头21-1，腕关节桡偏/尺偏运动部件22的一端与第一安装轴头21-1通过第一轴承29铰接，腕关节桡偏/尺偏运动部件22上设有第二安装轴头22-1，第一编码器安装架27和第一编码器26由里至外依次设置在第二安装轴头22-1上，第一编码器安装架27与第二安装轴头22-1通过第二轴承30铰接，第一编码器安装架27的另一端与前臂部件21固连，腕关节桡偏/尺偏运动部件22的另一端通过连接元件与腕关节屈伸运动部件23的一端连接，腕关节屈伸运动部件23另一端与关节轴19通过第三轴承31铰接，手掌部件24的一端固装在关节轴19上，手掌部件24的另一端通过连接元件与掌托部件25连接，第二编码器28设置在关节轴19上，第二安装轴头22-1的轴线与关节轴19的轴线垂直设置，槽形基板6设置在背板5的前面，槽形基板6与背板5固接，第一绳索3、第二绳索4、第三绳索5和第四绳索6由上至下依次设置在槽形基板6的槽内，第一绳索1的左端穿过槽形基板6的左端固装在第一输出轮15上，第一绳索1的右端穿过槽形基板6的右端、第一绳索套11后固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件22上，第二绳索2的左端穿过槽形基板6的左端固装在第一输出轮15上，第二绳索2的右端穿过槽形基板6的右端、第二绳索套12后固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件22上，第三绳索3的左端穿过槽形基板6的左端固装在第二输出轮16上，第三绳索3的右端穿过槽形基板6的右端、第三绳索套13后固定在手掌部件24上，第四绳索4的左端穿过槽形基板6的左端固装在第二输出轮16上，第四绳索4的右端穿过槽形基板6的右端、第四绳索套14后固定在手掌部件24上，第一输出轮15固装在第一电机17的输出轴上，第二输出轮16固装在第二电机18的输出轴上，第一预紧装置7固装在第一绳索1上，第二预紧装置8固装在第二绳索2上，第三预紧装置9固装在第三绳索3上，第四预紧装置10固装在第四绳索4上。
具体实施方式二：结合图6说明本实施方式，本实施方式是第二安装轴头22-1的轴线与第一安装轴头21-1的轴线重合。其它组成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2说明本实施方式，本实施方式是第一预紧装置7、第二预紧装置8、第三预紧装置9和第四预紧装置10均由U形座7-1、左U形连接件7-2、右U形连接件7-3、左预紧螺栓7-4、右预紧螺栓7-5、左螺钉7-6、右螺钉7-7、左螺母7-8和右螺母7-9，U形座7-1的U形开口朝前设置，U形座7-1的左侧边上设有左螺纹孔7-1-1，U形座7-1的右侧边上设有右螺纹孔7-1-2，左U形连接件7-2和右U形连接件7-3对称设置在U形座7-1的左右端，且左U形连接件7-2和右U形连接件7-3的U形开口分别朝向外侧，左U形连接件7-2上设有与左螺纹孔7-1-1正对的左预紧螺栓通过孔7-2-1，右U形连接件7-3上设有与右螺纹孔7-1-2正对的右预紧螺栓通过孔7-3-1，左预紧螺栓7-4穿过左预紧螺栓通过孔7-2-1与左螺纹孔7-1-1螺纹连接，右预紧螺栓7-5穿过右预紧螺栓通过孔7-3-1与右螺纹孔7-1-2螺纹连接，左螺钉7-6竖向穿过左U形连接件7-2上的两个U形边后与左螺母7-8螺纹连接，右螺钉7-7竖向穿过右U形连接件7-3上的两个U形边后与右螺母7-9螺纹连接。
左螺钉7-6和右螺钉7-7用于连接两端的绳索，绳索可以绕着该螺钉打结。左螺母7-8和右螺母7-9用于固定螺钉，防止螺钉脱落。左螺母7-8和右螺母7-9还用于调节两端绳索的相对位移，从而起到预紧作用，由于绳索的拉力，所以，左U形连接件7-2和右U形连接件7-3紧贴着左预紧螺栓7-4和右预紧螺栓7-5，左预紧螺栓7-4与左U形连接件7-2的连接孔为通孔，右预紧螺栓7-5与右U形连接件7-3的连接孔为通孔，所以，在调节过程中，两端的绳索不会随着左预紧螺栓7-4和右预紧螺栓7-5的转动而转动。
其它组成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7说明本实施方式，本实施方式是槽形基板6包括基板6-1、两个角板6-2、两个连接板6-3和数个套管6-4，两个角板6-2设置在基板6-1的前面，两个连接板6-3设置在基板6-1的后面，两个角板6-2相对基板6-1的竖直中心线N-N对称设置，且角板6-2的内角朝里，每个角板6-2的侧边由上至下依次设有数个绳索孔6-2-1，每个绳索孔6-2-1的外侧对应一个套管6-4，且套管6-4与角板6外侧连接。套管6-4用于绳索穿过。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是套索传动机构还包括第一电机安装架32和第二电机安装架33，第一电机17固装在第一电机安装架32上，第一电机安装架32固装在背板5上，第二电机18固装在第二电机安装架33上，第二电机安装架33固装在背板5上。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
本发明的工作原理：
第一电机17驱动腕关节的桡偏/尺偏运动：通过第一绳索1和第二绳索2实现桡偏/尺偏运动，第一编码器26测取实际桡偏/尺偏运动角度。第一电机17，带动第一输出轮15转动，通过第一绳索1和第二绳索2带动腕关节桡偏/尺偏运动部件22转动，利用第一预紧装置7、第二预紧装置8对第一绳索1和第二绳索2进行预紧，腕关节桡偏/尺偏运动部件22带动腕关节屈伸运动部件23、手掌部件24、掌托部件25绕着腕关节桡偏/尺偏运动部件22转动轴转动，掌托部件25与人体手掌连接，从而实现腕关节带动人体手掌绕着腕关节实现桡偏/尺偏运动。
第二电机18驱动腕关节的屈伸运动：通过第三绳索3和第四绳索4实现屈伸运动，第二编码器28测取实际屈伸运动。第二电机18，带动第二输出轮16转动，通过第三绳索3、第四绳索4带动手掌部件24绕着转动轴转动，利用第三预紧装置9、第四预紧装置10对第三绳索3、第四绳索4进行预紧，手掌部件带动掌托部件25绕着手掌部件的转动轴转动，掌托部件25与人体手掌连接，从而腕关节带动人体手掌绕着腕关节实现屈伸运动。

Claims (5)

1.一种具有两自由度的套索传动机构，其特征在于：所述套索传动机构包括第一绳索(1)、第二绳索(2)、第三绳索(3)、第四绳索(4)、背板(5)、槽形基板(6)、第一预紧装置(7)、第二预紧装置(8)、第三预紧装置(9)、第四预紧装置(10)、第一绳索套(11)、第二绳索套(12)、第三绳索套(13)、第四绳索套(14)、第一输出轮(15)、第二输出轮(16)、第一电机(17)、第二电机(18)、关节轴(19)、腕肘连接件(20)、前臂部件(21)、腕关节桡偏/尺偏运动部件(22)、腕关节屈伸运动部件(23)、手掌部件(24)、掌托部件(25)、第一编码器(26)、第一编码器安装架(27)、第二编码器(28)、第一轴承(29)、第二轴承(30)、第三轴承(31)，前臂部件(21)的一端与腕肘连接件(20)连接，前臂部件(21)的另一端设有第一安装轴头(21-1)，腕关节桡偏/尺偏运动部件(22)的一端与第一安装轴头(21-1)通过第一轴承(29)铰接，腕关节桡偏/尺偏运动部件(22)上设有第二安装轴头(22-1)，第一编码器安装架(27)和第一编码器(26)由里至外依次设置在第二安装轴头(22-1)上，第一编码器安装架(27)与第二安装轴头(22-1)通过第二轴承(30)铰接，第一编码器安装架(27)的另一端与前臂部件(21)固连，腕关节桡偏/尺偏运动部件(22)的另一端与腕关节屈伸运动部件(23)的一端连接，腕关节屈伸运动部件(23)另一端与关节轴(19)通过第三轴承(31)铰接，手掌部件(24)的一端固装在关节轴(19)上，手掌部件(24)的另一端与掌托部件(25)连接，第二编码器(28)设置在关节轴(19)上，第二安装轴头(22-1)的轴线与关节轴(19)的轴线垂直设置，槽形基板(6)设置在背板(5)的前面，第一绳索(3)、第二绳索(4)、第三绳索(5)和第四绳索(6)由上至下依次设置在槽形基板(6)的槽内，第一绳索(1)的左端穿过槽形基板(6)的左端固装在第一输出轮(15)上，第一绳索(1)的右端穿过槽形基板(6)的右端、第一绳索套(11)后固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件(22)上，第二绳索(2)的左端穿过槽形基板(6)的左端固装在第一输出轮(15)上，第二绳索(2)的右端穿过槽形基板(6)的右端、第二绳索套(12)后固定在腕关节桡偏/尺偏运动部件(22)上，第三绳索(3)的左端穿过槽形基板(6)的左端固装在第二输出轮(16)上，第三绳索(3)的右端穿过槽形基板(6)的右端、第三绳索套(13)后固定在手掌部件(24)上，第四绳索(4)的左端穿过槽形基板(6)的左端固装在第二输出轮(16)上，第四绳索(4)的右端穿过槽形基板(6)的右端、第四绳索套(14)后固定在手掌部件(24)上，第一输出轮(15)固装在第一电机(17)的输出轴上，第二输出轮(16)固装在第二电机(18)的输出轴上，第一预紧装置(7)固装在第一绳索(1)上，第二预紧装置(8)固装在第二绳索(2)上，第三预紧装置(9)固装在第三绳索(3)上，第四预紧装置(10)固装在第四绳索(4)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有两自由度的套索传动机构，其特征在于：所述第二安装轴头(22-1)的轴线与第一安装轴头(21-1)的轴线重合。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有两自由度的套索传动机构，其特征在于：第一预紧装置(7)、第二预紧装置(8)、第三预紧装置(9)和第四预紧装置(10)均由U形座(7-1)、左U形连接件(7-2)、右U形连接件(7-3)、左预紧螺栓(7-4)、右预紧螺栓(7-5)、左螺钉(7-6)、右螺钉(7-7)、左螺母(7-8)和右螺母(7-9)，
U形座(7-1)的U形开口朝前设置，U形座(7-1)的左侧边上设有左螺纹孔(7-1-1)，U形座(7-1)的右侧边上设有右螺纹孔(7-1-2)，左U形连接件(7-2)和右U形连接件(7-3)对称设置在U形座(7-1)的左右端，且左U形连接件(7-2)和右U形连接件(7-3)的U形开口分别朝向外侧，左U形连接件(7-2)上设有与左螺纹孔(7-1-1)正对的左预紧螺栓通过孔(7-2-1)，右U形连接件(7-3)上设有与右螺纹孔(7-1-2)正对的右预紧螺栓通过孔(7-3-1)，左预紧螺栓(7-4)穿过左预紧螺栓通过孔(7-2-1)与左螺纹孔(7-1-1)螺纹连接，右预紧螺栓(7-5)穿过右预紧螺栓通过孔(7-3-1)与右螺纹孔(7-1-2)螺纹连接，左螺钉(7-6)竖向穿过左U形连接件(7-2)上的两个U形边后与左螺母(7-8)螺纹连接，右螺钉(7-7)竖向穿过右U形连接件(7-3)上的两个U形边后与右螺母(7-9)螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有两自由度的套索传动机构，其特征在于：所述槽形基板(6)包括基板(6-1)、两个角板(6-2)、两个连接板(6-3)和数个套管(6-4)，两个角板(6-2)设置在基板(6-1)的前面，两个连接板(6-3)设置在基板(6-1)的后面，两个角板(6-2)相对基板(6-1)的竖直中心线(N-N)对称设置，且角板(6-2)的内角朝里，每个角板(6-2)的侧边由上至下依次设有数个绳索孔(6-2-1)，每个绳索孔(6-2-1)的外侧对应一个套管(6-4)，且套管(6-4)与角板(6)外侧连接。
5.根据权利要求4所述的一种具有两自由度的套索传动机构，其特征在于：所述套索传动机构还包括第一电机安装架(32)和第二电机安装架(33)，第一电机(17)固装在第一电机安装架(32)上，第一电机安装架(32)固装在背板(5)上，第二电机(18)固装在第二电机安装架(33)上，第二电机安装架(33)固装在背板(5)上。
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