CN106667720A - 穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节弹簧电机并联驱动器 - Google Patents

穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节弹簧电机并联驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外骨骼机器***簧电机并联驱动器结构设计，主要包括有驱动能力的髋关节部件、可调节刚度的且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件、可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件、起支撑作用的大腿杆部件。所述有驱动能力的髋关节部件主要包括关节驱动电机组件、齿轮1。所述的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件主要包括曲柄滑块机构、弹簧刚度调节部件、小齿轮组件、中齿轮组件。所述的可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件主要包括支撑件、定位板、舵机、舵盘、传动轴、齿轮、齿条。所述的起支撑作用的大腿杆部件主要包括大腿杆、轴承上盖、轴承端盖。

Description

穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节弹簧电机并联驱动器
一.技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种穿戴式下肢外骨骼康复机器人髋关节弹簧电机并联驱动器。
二.背景技术
本发明以降低外骨骼机器人髋关节驱动电机峰值转矩和功耗为目的，目前所有电机驱动型外骨骼机器人，所需的动力均来自电机，这使得行走过程中原本可回收利用的重力势能没有回收利用。
电池供电时间是影响辅助行走外骨骼机器人能否实际应用的一个重要因素；本发明能够降低电机功耗，从而增加外骨骼机器人电池供电时间，本发明又能减小电机峰值转矩，从而可以减小电机体积；因此，本发明外骨骼康复机器***簧电机并联驱动器正是能够有效解决外骨骼机器人实际应用的驱动器。
目前康复机器人主要有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助性康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机器人外骨骼等，康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练；按驱动方式划分，外骨骼机器人一般分为液压驱动、气压驱动和电气驱动。这三种驱动方式各有优缺点。
三.发明内容
本发明穿戴式下肢外骨骼康复机器***簧电机并联驱动器采用电机与柔性结构部件并联的形式作为下肢外骨骼机器人的驱动器，降低电机峰值转矩，降低能耗，节省能量。
一种穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，包括有驱动能力的髋关节部件、可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件、可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件、起支撑作用的大腿杆部件，其特征在于，通过设计，使弹簧电机并联驱动器的柔性结构部件能够收集外骨骼机器人在摆动期下肢损失的重力势能，并在支撑期将能量反馈给下肢，从而达到降低驱动电机功耗和峰值转矩的目的。
所述的有驱动能力的髋关节部件，包括关节驱动电机组件以及大齿轮，大齿轮固定于髋关节驱动电组件的外壳上，髋关节部件通过电机输出和大齿轮与大腿杆连接。
所述的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件主要包括曲柄滑块机构、弹簧刚度调节组件、小齿轮组件、中齿轮组件；所述的曲柄滑块机构主要包括曲柄圆盘、连杆、滑块、滑杆、支撑架；所述的弹簧刚度调节部件主要包括特殊螺栓、旋转环、丝杠板、弹簧；大齿轮与中齿轮啮合，中齿轮与小齿轮啮合，中齿轮、小齿轮安装在大腿杆上；曲柄圆盘固定于小齿轮上，通过连杆与滑块连接，滑块可在滑杆上滑动，滑杆通过支撑架固定在大腿杆上；弹簧一端通过旋转环固定在滑块上，另一端旋绕在丝杠板上，丝杠板固定在定位板上，定位板可在滑杆上滑动；当弹簧被拉伸时，柔性结构部件将下肢损失的重力势能以弹性势能的形式储存，通过对各个零件尺寸的优化设计，当髋关节进入支撑期后，由于曲柄滑块机构本身的运动特点，使弹簧最终作用在髋关节处扭矩的方向发生了改变，正好与髋关节驱动电机输出扭矩方向相同，从而将弹性势能反馈给下肢。
所述的可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件包括固定挡板、定位板、舵机、舵机架、舵盘、传动轴、齿轮、齿条；固定挡板固定于大腿杆上，其固定位置可根据弹簧刚度调节部件的位置进行调节；舵机通过舵机架安装在固定挡板上，舵盘与传动轴固定连接，齿轮安装在传动轴上，实现舵机对齿轮的驱动；齿条1嵌入安装在固定挡板上的导槽中，在齿轮的带动下进行直线运动，可***定位板的导槽中，将其固定；当需要柔性结构部件工作时，舵机转动带动齿条运动，定位板被固定，弹簧末端被锁定；当不需要柔性结构部件工作时，舵机反向旋转，带动齿条运动，齿条脱离定位板导槽，定位板处于自由状态，弹簧末端被释放。
所述的起支撑作用的大腿杆部件包括大腿杆、支撑盖以及轴承端盖；其特征在于，大腿杆与电机输出轴连接，同时实现柔性结构部件和定位开关结构部件机构的固定，可由关节驱动电机输出扭矩和弹簧能量释放产生的扭矩共同驱动。
本发明具有以下优点及特殊性效果：所述的电机与柔性结构部件并联的驱动方式，结构简单，启动制动相对容易，反应迅速灵敏，动态响应能力好，能够降低电机峰值转矩，降低能耗，节省能量；所述的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件，可以调节弹簧的刚度，适应不同体重的患者，以弹性势能的形式存储损失的重力势能，然后通过曲柄摇杆机构以力矩的形式输出；所述的可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件，控制简单，响应迅速，稳定性好。
四.附图说明
图1是本发明穿戴式下肢外骨骼康复机器***簧电机并联驱动器；
图2是本发明中有驱动能力的髋关节部件分块结构示意图；
图3是本发明中可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件分块机构示意图；
图4是所述的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件结构分解示意图；
图5是本发明中可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件结果分解示意图；
图6是本发明中起支撑作用的大腿杆部件结构分解示意图；
五.具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
参见图1，一种穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，主要包括有驱动能力的髋关节部件1、可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件2、可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件3、起支撑作用的大腿杆部件4。
参见图2，有驱动能力的髋关节部件1包括关节驱动电机组件1.1和大齿轮1.2，大齿轮1.2通过螺栓与关节驱动电机组件1.1固定连接，大齿轮1.2与柔性结构部件2的啮合传动，可以实现力矩的传递。
参见图3、图4，所述的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件2，主要包括曲柄滑块机构2.1、小齿轮组件2.2、中齿轮组件2.3以及弹簧刚度调节组件2.4；曲柄滑块机构2.1包括滑杆2.11、滑块2.12、无头销轴2.13、连杆2.14、固定头2.15、旋转盘2.16以及支撑架2.17；小齿轮组件2.2包括轴承2.21、齿轮2.22、转动轴2.23、轴用挡圈2.24以及轴承2.25；中齿轮组件2.3包括转动轴2.31、齿轮2.32以及轴承2.33；弹簧刚度调节组件2.4包括特殊螺栓2.41、旋转环2.42、弹簧2.43以及丝杠板2.44；下面详述各元件之间关系。
齿轮2.32安装在转动轴2.31上，转动轴2.31两端通过轴承2.33固定在大腿杆部件4上；齿轮2.22安装在转动轴2.23上，转动轴2.23两端通过轴承2.25固定在大腿杆部件4上，转动轴2.23上的轴用挡圈2.24可以限制轴承2.21和齿轮2.22的轴向位移，转动轴2.23一端设计有六边形凸台；连杆2.14一端通过固定头2.15与旋转盘2.16连接，另一端通过无头销轴2.13与滑块2.12连接，滑块2.12可沿滑杆2.11滑动，滑杆2.11固定在支撑架2.17上；旋转盘2.16上设计有六边形凹槽，与旋转轴2.23配合，同时通过螺栓固定连接，可以防止旋转盘2.16与旋转轴2.23之间发生相对转动；旋转环2.42通过特殊螺栓2.41固定在滑块2.12上，弹簧2.43一端勾在旋转环2.42上，另一端与丝杠板2.44配合连接，丝杠板2.44上设计有与弹簧2.43螺距相同的螺纹，可以固定弹簧2.43，通过调节弹簧2.43悬入丝杠板2.44的长度，便可以实现对柔性结构部件2刚度的调节；丝杠板2.44安装在定位开关结构部件3中的定位板3.1上。
本实施方案的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件2的优点在于通过丝杠板调节弹簧的有效圈数，实现对柔性结构部件刚度的调节，结构简单，而且易于实现；曲柄滑块机构中滑块具有周期性的往复运动，因此弹簧与滑块固定连接，可以实现弹簧随步态周期实现周期性的能量储存与释放。
参见图5，所述的可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件3，包括定位板3.1、齿条3.2、齿轮3.3、固定挡板3.4、传动轴3.5、舵盘3.6、舵机3.7以及舵机架3.8；舵机3.7通过舵机架3.8固定在大腿杆部件4上，舵机3.7通过舵盘3.6输出扭矩，舵盘3.6与传动轴3.5通过螺栓固定连接，齿轮3.3安装在传动轴3.5上，齿条3.2嵌入安装在固定挡板3.4上，可沿固定挡板3.4上的导槽运动，舵机3.7转动带动齿轮3.3旋转，使齿条3.2***定位板3.1的定位孔中，实现对定位板3.1的锁死固定；固定挡板3.4通过腰槽固定在大腿杆部件4上，可以根据柔性结构部件2中弹簧2.43的有效长度调节固定位置。
所述的可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件3的优点是采用舵机3.7直接驱动齿轮3.3，结构简单，稳定性好，没有能量损失；齿轮齿条传动，实现定位锁死，结构简单，控制方便。
参见图6，所述的起支撑作用的大腿杆部件，包括小支撑盖4.1、中支撑盖4.2、大腿杆4.3以及轴承端盖4.4；小支撑盖4.1和轴承端盖4.4固定小齿轮组件2.2，中支撑盖和轴承端盖固定中齿轮组件2.3；大腿杆与关节驱动电机组件的输出轴连接，同时安装有柔性结构部件2和定位开关结构部件3；大腿杆可由关节驱动电机组件输出扭矩和弹簧能量释放产生的扭矩共同驱动，可降低关节驱动电机扭矩峰值，较小电机能耗。
本实施方案的穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器的优点在于：1)可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件2通过丝杠板调节弹簧的有效圈数，实现对柔性结构部件刚度的调节，结构简单，而且易于实现；曲柄滑块机构中滑块具有周期性的往复运动，因此弹簧与滑块固定连接，可以实现弹簧随步态周期实现周期性的能量储存与释放；2)可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件3采用舵机3.7直接驱动齿轮3.3，结构简单，稳定性好，没有能量损失；齿轮齿条传动，实现定位锁死，结构简单，控制方便；3)起支撑作用的大腿杆部件4中大腿杆可由关节驱动电机输出扭矩和弹簧能量释放产生的扭矩共同驱动，可降低关节驱动电机扭矩峰值，较小电机能耗。
本以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，主要包括有驱动能力的髋关节部件、可调节刚度的且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件、可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件、起支撑作用的大腿杆部件。
2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，其特征在于：所述的有驱动能力的髋关节部件主要包括关节驱动电机组件、大齿轮，大齿轮固定于关节驱动电机组件的外壳上，髋关节部件可通过电机输出轴和大齿轮共同作用到所述起支撑作用的大腿杆上。
3.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，其特征在于：所述的可调节刚度且具有能量储存与释放功能的柔性结构部件主要包括曲柄滑块机构、弹簧刚度调节组件、小齿轮组件、中齿轮组件；所述的弹簧刚度调节组件包括弹簧、特殊螺栓、旋转环、滑块、丝杠板，通过调节弹簧悬入丝杠板的长度可对弹簧刚度进行调节。
4.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，其特征在于：所述的可调节位置并固定锁死的定位开关结构部件主要包括固定挡板、定位板、舵机架、舵机、舵盘、传动轴、齿轮、齿条，固定挡板设计有腰槽，固定于大腿杆上，其固定位置可根据弹簧刚度调节组件的位置进行调节，齿条嵌入定位板可实现定位开关的锁死定位。
5.根据权利要求1所述的穿戴式下肢外骨骼机器***簧电机并联驱动器，其特征在于：所述的起支撑作用的大腿杆部件主要包括大腿杆、支撑盖、轴承端盖，主要支撑着柔性机构和定位开关机构，一起绕髋关节摆动。
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