CN106826763B - 用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人 - Google Patents

用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人，以解决现有下肢助力外骨骼机器人由于构型的刚性化所带来的体积大、重量大、与人体融合性低、灵活性差、能耗较大，且无法针对人体攀登过程膝关节进行柔顺化适应性辅助运动的问题，包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿和小腿；所述变力矩驱动装置包括电机、支撑架和驱动转盘；所述传动组件包括两条绳索、两根鲍登线管和两个鲍登线管固定接头；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘组成；所述大腿和所述小腿转动连接。本发明用于对人体攀登过程进行膝关节助力。

Description

用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人
技术领域
本发明涉及一种下肢助力外骨骼机器人，具体涉及一种用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人。
背景技术
目前，助力外骨骼机器人基本都是采用刚性的连接构件，并采用驱动***直接对这些刚性的连接构件进行驱动，从而带动人体与外骨骼一起运动。此种刚性的外骨骼构型设计，增大了外骨骼***的体积与整体质量，极大地影响了外骨骼构型与人体的融合性，限制了外骨骼机器人的拟人化程度，影响了外骨骼机器人与人体的协同运动，同时限制了整个外骨骼***的运动灵活性，增加了***的能量消耗。对于采用钢丝绳作为外骨骼机器人的驱动，根据人体的运动步态不同阶段所需力矩进行变力矩适应性驱动，实现起来需要比较复杂的控制算法。此外，目前的助力外骨骼机器人主要针对辅助人体平地行走，在辅助人体进行攀登运动的外骨骼机器人较少。
发明内容
本发明是为解决现有下肢助力外骨骼机器人由于构型的刚性化所带来的体积大、重量大、与人体融合性低、灵活性差、能耗较大，且无法针对人体攀登过程膝关节进行柔顺化适应性辅助运动的问题，进而提供一种用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿和小腿；
所述变力矩驱动装置包括电机、支撑架和驱动转盘；所述传动组件包括两条绳索、两根鲍登线管和两个鲍登线管固定接头；
所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘组成；凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘加工有驱动转盘轴，两个所述凸轮绞盘对称设置；所述凸轮绞盘分界盘与两个所述凸轮绞盘之间分别加工有用于缠绕绳索的绳索槽，两个绳索槽内的绳索的缠绕方向相反；
所述驱动转盘轴转动安装在所述支撑架上，所述电机的输出轴固装在驱动转盘轴的轴孔内，所述电机通过电机连接法兰盘固装在所述支撑架上；所述大腿和所述小腿转动连接，所述大腿的背侧设有鲍登线管导向孔道；
所述支撑架上固装有两个所述鲍登线管固定接头；鲍登线管的一端通过鲍登线管固定接头固定，鲍登线管穿设在鲍登线管导向孔道内，鲍登线管的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道的下端口处，绳索槽内绳索的一端缠绕固定在所述绳索槽上，绳索7穿设在鲍登线管内，绳索的另一端固接在所述小腿的背侧。
本发明的有益效果是：一、本发明采用轻型材料柔顺化设计，方便携带；二、采用一个电机和驱动转盘对左腿和右腿进行交替驱动，整体结构紧凑，质量轻；三、整体构型设计高度拟人化，与人体生理参数高度适应；四、腿部采用3D打印轻型化弹性材料，极大的减轻整体重量，更加柔顺；五、膝关节采用绳索主动变力矩驱动，具有柔顺化适应性驱动效果；六、驱动输出结合人体攀登运动步态周期对应所需力矩，实现功能上的拟人化，节省了能源，提升了续航时间；七、攀登时辅助人体膝关节出力，提高人体运动能力，减少人体新陈代谢。本发明整体重量包括电控***不超过3kg。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为变力矩驱动装置的结构示意图；
图3为图2去端盖的主视图；
图4为变力矩驱动装置的***图；
图5为图4中驱动转盘的结构示意图；
图6为图4中驱动转盘从电机侧看的结构示意图；
图7为驱动转盘的侧视图；
图8为大腿、小腿和鲍登线管导向孔道连接结构侧视图；
图9为大腿、小腿、鲍登线管导向孔道和鲍登线管相互连接结构示意图；
图10为小腿结构示意图；
图11为大腿结构示意图；
图12为本发明工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
结合图1-图11说明，用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿9和小腿10；
所述变力矩驱动装置包括电机1、支撑架13和驱动转盘4；所述传动组件包括两条绳索7、两根鲍登线管12和两个鲍登线管固定接头8；
所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘4-2和两个凸轮绞盘4-1组成；凸轮绞盘分界盘4-2和两个凸轮绞盘4-1加工有驱动转盘轴4-3，两个所述凸轮绞盘4-1对称设置；所述凸轮绞盘分界盘4-2与两个所述凸轮绞盘4-1之间分别加工有用于缠绕绳索7的绳索槽4-1-1，两个绳索槽4-1-1内的绳索7的缠绕方向相反；
所述驱动转盘轴4-3转动安装在所述支撑架13上，所述电机1的输出轴固装在驱动转盘轴4-3的轴孔内，所述电机1通过电机连接法兰盘2固装在所述支撑架13上；所述大腿9和所述小腿10转动连接，所述大腿9的背侧设有鲍登线管导向孔道9-1；
所述支撑架13上固装有两个所述鲍登线管固定接头8；鲍登线管12的一端通过鲍登线管固定接头8固定，鲍登线管12穿设在鲍登线管导向孔道9-1内，鲍登线管12的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道9-1的下端口处，绳索槽4-1-1内绳索7的一端缠绕固定在所述绳索槽4-1-1上，绳索7穿设在鲍登线管12内，绳索7的另一端固接在所述小腿10的背侧。
本实施方式的两个凸轮绞盘4-1的外形尺寸完全一致，在凸轮绞盘分界盘4-2两边成对称分布，从而实现驱动转盘轴4-3朝一个方向定向转动时，两个凸轮绞盘4-1分别处于收绳和放绳的工作状态，并且随着驱动转盘轴4-3的转动方向改变，两个凸轮绞盘4-1交替改变工作状态，从而实现一组绳索处于驱动关节状态，而另一组绳索处于放松状态，实现变力矩驱动输出。两个凸轮绞盘4-1的外缘上出绳点有效力臂变化范围为R1～R2mm(R1<R2)。大腿9和小腿10由轻质弹性材料3D打印制成，本身具有较强的弹性。大腿9和小腿10之间通过大腿转动孔9-2和小腿转动轴10-1之间的配合连接，实现大腿9和小腿10之间相对转动，鲍登线管12内部有钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳等绳索7，鲍登线管12穿过鲍登线管导向孔道9-1，在孔的端口处截止，鲍登线管12内部有绳索7直接跨过大腿9和小腿10，通过钢丝绳卡头固定在小腿钢丝绳固定端10-2上。大腿9和小腿10上分别还设有两条腿部绑带11，大腿9和小腿10通过腿部绑带11分别固定在人体的腿部上，实现轻质柔性外骨骼对带动人体下肢运动。电机1旋转拉动对应的大腿9和小腿10上的绳索7时，大腿9和小腿10与人体之间通过腿部绑带11固定，攀登时蹬踏腿的小腿10保持不动，绳索7长度变短，使大腿9绕转动轴相对小腿10进行转动，实现人体整体重心的提升，从而达到攀登过程的膝关节进行助力，实现辅助人体攀登。
结合图1说明，优选地，绳索7为钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳。如此设置，钢丝绳柔性好，强度大。凯夫拉绳具有耐高温，防火阻燃，重量轻，强度高，模量高，尺寸稳定，收缩率低，耐刺破，耐磨耗，耐热性，耐化学腐蚀，机械性能好，介电性好等优点；碳纤维绳具有强度大，便于保证重复展开精度。
结合图1以及图8-图11说明，大腿9和小腿10均由轻质弹性材料制成。如此设置，极大地减轻了整个装置的重量。
结合图2-图4说明，支撑架13包括支撑外壳3和支撑外壳端盖5；所述支撑外壳端盖5安装在所述支撑外壳3上，所述驱动转盘轴4-3布置在所述支撑外壳3内并转动安装在所述支撑外壳3和所述支撑外壳端盖5上，所述电机1通过电机连接法兰盘2固装在所述支撑外壳3上，两个所述鲍登线管固定接头8固装在所述支撑外壳3上。本实施例的电机连接法兰盘2通过螺栓固定在支撑外壳3上，驱动转盘轴4-3通过键连接电机1的输出轴上，驱动转盘轴4-3通过轴承固定在支撑外壳3和支撑外壳端盖5的支撑孔上，保证电机1的轴心、驱动转盘4的转动中心与支撑外壳3以及支撑外壳端盖5的支撑孔的中心轴重合，驱动转盘4可以与电机1同步转动。绳索7缠绕在驱动转盘4的绳索槽4-1中，鲍登线管固定接头8固定在支撑外壳3上，用以传导钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳。
结合图3和图4说明，变力矩驱动装置还包括两个绳索导轮6，两个所述绳索导轮6安装在所述支撑外壳3上，且两个所述绳索导轮6与两个所述鲍登线管固定接头8一一对应布置，绳索7支撑在所述绳索导轮6上。如此设置，绳索导轮6通过螺栓固定在支撑外壳3上，在驱动转盘4随着电机1同步转动驱动绳索7时，对钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳进行导向。
结合图2和图4说明，优选地，电机1为伺服电机。如此设置，线性度高，起步转矩大，运转平稳可靠。
工作原理：
本发明的膝关节设置为主动助力关节，采用一种钢丝绳变力矩驱动的柔性驱动方式，利用电机1、凸轮绞盘4-1、钢丝绳或绳索7、大腿9和小腿10相互配合组成一类新型的变力矩柔性驱动***。钢丝绳缠绕在变有效力臂的凸轮绞盘4-1上，随着电机1的转动可以实现变力矩动力输出，钢丝绳沿外骨骼腿部上侧，跨过大腿和小腿的膝关节，固定在小腿膝关节的下部，通过电机1带动凸轮绞盘4-1缠绕钢丝绳，减少钢丝绳长度，以小腿钢丝绳固定端10-2为固定点，实现钢丝绳提供拉力，带动整个身体提升，对膝关节实现助力，完成辅助人体攀登运动。
这种驱动方式，在人体攀登过程，利用一个电机交替对双腿进行驱动，实现变力矩输出，保证***结构紧凑，质量轻型化，对电机要求低，腿部外骨骼具有弹性，结构上具有高度的拟人化，与人体下肢构型完全贴合，具有较强的柔顺性与协同性。
变力矩驱动装置中，电机1带动驱动转盘4对钢丝绳进行驱动，通过驱动转盘4上的两个对称分布的凸轮绞盘4-1对钢丝绳进行缠绕与放松，分别对人体的两条不同的腿进行施力驱动与自由放松，当人体攀登时，凸轮绞盘4-1缠绕蹬踏腿侧的钢丝绳，同时另一端的凸轮绞盘4-1放松摆动腿的驱动钢丝绳，让摆动腿***。如图12所示，一个凸轮绞盘4-1缠绕钢丝绳，驱动人体攀登支撑腿，为人体提供攀登辅助的原理图。图12中：
Ri—某i点处的有效力臂；
Si—凸轮绞盘转过的绳长；
T0—电机的输出力矩；
Ti—某i点作用在膝关节上的力矩；
R0—膝关节的转动半径；
R1—起始转动后缠绕钢丝绳时的有效力臂；
R2—结束转动后缠绕钢丝绳时的有效力臂；
θ—支撑腿开始蹬踏后，膝关节角度。
通过凸轮绞盘4-1的有效力臂与膝关节转动半径R0的关系，可以得到***运动到i点时，作用在膝关节上的力矩为：
由于上楼时支撑腿不动，钢丝绳固定点10-2与小腿10的固定连接也保持不动，钢丝绳或绳索7通过鲍登线管12固定在人体的大腿9上，钢丝绳或绳索7可以在鲍登线管12内自由滑动，鲍登线管12与人体大腿通过腿部绑带11固定连接，随着凸轮绞盘4-1缠绕钢丝绳或绳索7，使钢丝绳或绳索7长度变小，膝关节的角度变化随着钢丝绳或绳索7长度的变化的关系为：
由于钢丝绳固定点绳端不动，所以钢丝绳会带动整个大腿顺时针转动，实现膝关节伸展运动助力，使人体的整个身体提升，完成攀登的动作，产生的转动力矩即为其作用在膝关节上的力矩Ti。
凸轮绞盘4-1的有效转动半径范围为R1～R2mm(R1<R2)，由于人体攀登过程中，蹬踏腿初始发力时，需要较大的关节力矩，此时起始转动缠绕钢丝绳时的有效力臂设置为R1mm，蹬踏腿结束发力时，需要较小的关节力矩，此时结束转动缠绕钢丝绳时的有效力臂设置为R2mm，下肢助力外骨骼的膝关节转动半径为R0mm(R1<R2<R0)，则可以实现对输出端力矩变力矩输出和二次放大，放大倍数为R0/R2～R0/R1。
在不增加电机功率的情况下，实现更大的力矩输出，并且适应人体攀登过程中蹬踏腿膝关节所需力矩的变化，实现功能上的拟人化，提升辅助人体上楼的辅助效果，节省了能源，在不增加***重量的前提下，提升了***的续航时间。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿(9)和小腿(10)；
所述变力矩驱动装置包括电机(1)、支撑架(13)和驱动转盘(4)；所述传动组件包括两条绳索(7)、两根鲍登线管(12)和两个鲍登线管固定接头(8)；
所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘(4-2)和两个凸轮绞盘(4-1)组成；凸轮绞盘分界盘(4-2)和两个凸轮绞盘(4-1)加工有驱动转盘轴(4-3)，两个所述凸轮绞盘(4-1)对称设置；所述凸轮绞盘分界盘(4-2)与两个所述凸轮绞盘(4-1)之间分别加工有用于缠绕绳索(7)的绳索槽(4-1-1)，两个绳索槽(4-1-1)内的绳索(7)的缠绕方向相反；所述驱动转盘轴(4-3)转动安装在所述支撑架(13)上，所述电机(1)的输出轴固装在驱动转盘轴(4-3)的轴孔内，所述电机(1)通过电机连接法兰盘(2)固装在所述支撑架(13)上；所述大腿(9)和所述小腿(10)转动连接，所述大腿(9)的背侧设有鲍登线管导向孔道(9-1)；所述支撑架(13)上固装有两个所述鲍登线管固定接头(8)；鲍登线管(12)的一端通过鲍登线管固定接头(8)固定，鲍登线管(12)穿设在鲍登线管导向孔道(9-1)内，鲍登线管(12)的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道(9-1)的下端口处，绳索槽(4-1-1)内绳索(7)的一端缠绕固定在所述绳索槽(4-1-1)上，绳索(7)穿设在鲍登线管(12)内，绳索(7)的另一端固接在所述小腿(10)的背侧。
2.根据权利要求1所述的用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：所述绳索(7)为钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳。
3.根据权利要求1或2所述的用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：大腿(9)和小腿(10)均由轻质弹性材料制成。
4.根据权利要求3所述的用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：所述支撑架(13)包括支撑外壳(3)和支撑外壳端盖(5)；所述支撑外壳端盖(5)安装在所述支撑外壳(3)上，所述驱动转盘轴(4-3)布置在所述支撑外壳(3)内并转动安装在所述支撑外壳(3)和所述支撑外壳端盖(5)上，所述电机(1)通过电机连接法兰盘(2)固装在所述支撑外壳(3)上，两个所述鲍登线管固定接头(8)固装在所述支撑外壳(3)上。
5.根据权利要求4所述的用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：所述变力矩驱动装置还包括两个绳索导轮(6)，两个所述绳索导轮(6)安装在所述支撑外壳(3)上，且两个所述绳索导轮(6)与两个所述鲍登线管固定接头(8)一一对应布置，绳索(7)支撑在所述绳索导轮(6)上。
6.根据权利要求5所述的用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：所述电机(1)为伺服电机。
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