CN109528453A - 一种基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节 - Google Patents

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Abstract

一种基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，它涉及一种异构膝关节。本发明解决了现有下肢外骨骼膝关节抬腿时可能会出现死点易对人体造成伤害以及人体运动舒适性较差的问题。端盖通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体固装在端盖内，并联弹性体通过轴架与减速器输出轴同轴固接，磁编码器磁环安装在膝关节本体上，磁编码器磁头安装在并联弹性体上，磁编码器磁环与磁编码器磁头相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块，圆弧凹槽与连接板正对设置，连接板上沿其圆周方向加工有多个限位孔，连接板上插装有限位销，可调节限位块与限位销之间设置有弹性橡胶块。本发明用于下肢外骨骼机器人上。

Description

一种基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼膝关节，具体涉及一种基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节。
背景技术
外骨骼机器人是一种融合了传感技术、控制技术等多种技术的可穿戴设备，特别地，下肢外骨骼机器人是一种与人体下肢结构相类似的的外骨骼机器人，能够帮助穿戴者实现助力行走、下肢康复、上下楼梯等动作。
下肢外骨骼机器人主要髋关节、膝关节与踝关节构成，其中踝关节作为下肢外骨骼整体与足底压力鞋的连接，是结构设计中很重要的一部分，踝关节主要包括了三个自由度：矢状面内的跖屈、背屈，冠状面内的外翻、内翻，以及横截面内的外旋、内旋。
目前，现有的下肢外骨骼膝关节存在极限奇异，当抬腿时可能会出现死点，即主动件上的力无穷大也无法推动杆件，从而使得膝关节无法正常运动，甚至对人体造成伤害；同时在行走过程中，由于外骨骼与地面会存在碰撞冲击，导致的对人体关节运动柔顺性造成不可避免的影响，导致人体运动舒适性较差。
综上，现有的下肢外骨骼膝关节抬腿时可能会出现死点易对人体造成伤害以及人体运动舒适性较差。
发明内容
本发明为解决现有的下肢外骨骼膝关节抬腿时可能会出现死点易对人体造成伤害以及人体运动舒适性较差的问题，进而提供一种基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节包括电机1、固定盖2、谐波减速器3、连接板4、膝关节本体、大腿杆连接件5、小腿杆连接件7和减速器输出轴8，大腿杆连接件5的下端设置有外沿，固定盖2和连接板4平行设置且固装在大腿杆连接件5的外沿上，电机1固装在固定盖2的一端面上，谐波减速器3的一端固装在固定盖2的另一端面上，谐波减速器3的另一端与连接板4连接，减速器输出轴8固装在谐波减速器3上，膝关节本体通过深沟球轴承6安装在减速器输出轴8上，小腿杆连接件7的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体9、磁编码器磁环10、磁编码器磁头11和端盖12，端盖12通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体9固装在端盖12内，并联弹性体9通过轴架与减速器输出轴8同轴固接，磁编码器磁环10安装在膝关节本体上，磁编码器磁头11安装在并联弹性体9上，磁编码器磁环10与磁编码器磁头11相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块501，圆弧凹槽与连接板4正对设置，连接板4上沿其圆周方向加工有多个限位孔4-1，连接板4上插装有限位销4-2，可调节限位块501与限位销4-2之间设置有弹性橡胶块506。
进一步地，可调节限位块501包括橡胶垫和两个调节片，橡胶垫位于两个调节片之间，可调节限位块501通过螺栓螺母锁紧在膝关节本体的圆弧凹槽上。
进一步地，并联弹性体9包括弹性体外环901、弹性体内环903、六对矩形弹簧902、三对三角块905和六对弹性定位销906，弹性体内环903上沿其圆周方向均布加工有三个燕尾块，弹性体外环901内壁上其圆周方向均布设置有三对三角块905，每对三角块905并列设置，弹性体内环903位于弹性体外环901内，每对矩形弹簧902的一端与一对三角块905相接触，每对矩形弹簧902的另一端与相应的一个燕尾块相接触，每个矩形弹簧902通过一个弹性定位销906定位。
进一步地，三角块905通过螺钉和两侧矩形弹簧902的压力作用与弹性体外环901固定在一起。
进一步地，并联弹性体9还包括六对球头销904，弹性体内环903的每个燕尾块的两侧均设置有一对球头销904。
进一步地，减速器输出轴8包括连接法兰和阶梯轴，连接法兰与阶梯轴的大端固接为一体，连接法兰通过螺栓固装在谐波减速器3上。
进一步地，并联弹性体9的轴架的一端固套在减速器输出轴8的小端上，并联弹性体9固套在轴架的另一端上。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节为串联弹性体，从而增加了膝关节的柔性，增加了控制力的带宽，并联弹性体的内圈与减速器输出轴相连，并联弹性体的外圈与大腿杆相连，通过磁编码器和电机编码器测量角度差，进而进行人机交互力的测量；
本发明的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节通过并联弹性体的形变，减缓冲击，提高关节柔性，保证穿戴者的舒适性，同时为了检测人体的关节力矩，采用磁编码器获取输出端的转动角度，电机自带编码器为输入端转动角度，根据两个编码器角度差和弹性体刚度参数，获取关节力矩；
本发明的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节抬腿时不会出现死点，膝关节本体采用限位的方式对膝关节进行异构，提高关节运动灵活性性。
附图说明
图1是本发明的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节的整体结构***图；
图2是本发明具体实施方式三中并联弹性体9的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式三中并联弹性体9的剖视；
图4是本发明具体实施方式一中膝关节本体9的右视图；
图5是本发明的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节的主剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节包括电机1、固定盖2、谐波减速器3、连接板4、膝关节本体、大腿杆连接件5、小腿杆连接件7和减速器输出轴8，大腿杆连接件5的下端设置有外沿，固定盖2和连接板4平行设置且固装在大腿杆连接件5的外沿上，电机1固装在固定盖2的一端面上，谐波减速器3的一端固装在固定盖2的另一端面上，谐波减速器3的另一端与连接板4连接，减速器输出轴8固装在谐波减速器3上，膝关节本体通过深沟球轴承6安装在减速器输出轴8上，小腿杆连接件7的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体9、磁编码器磁环10、磁编码器磁头11和端盖12，端盖12通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体9固装在端盖12内，并联弹性体9通过轴架与减速器输出轴8同轴固接，磁编码器磁环10安装在膝关节本体上，磁编码器磁头11安装在并联弹性体9上，磁编码器磁环10与磁编码器磁头11相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块501，圆弧凹槽与连接板4正对设置，连接板4上沿其圆周方向加工有多个限位孔4-1，连接板4上插装有限位销4-2，可调节限位块501与限位销4-2之间设置有弹性橡胶块506。
由于下肢机器人存在极限奇异，当抬腿时可能会出现死点，即主动件上的力无穷大也无法推动杆件，从而使得膝关节无法正常运动，甚至对人体造成伤害。为了避免出现奇异点，现将外骨骼膝关节进行一定角度的异构。为了实现膝关节异构，其膝关节异构方式如图4所示，可调节限位块501用于机械限位，异构角度可设置为三个档：0°、20°和45°，可调节限位块501通过限位销4-2和限位孔4-1配合使用，实现异构角度。用于限制膝关节屈伸自由度的转动范围，其中弹性橡胶块506可以起到缓冲的作用，而避免纯刚性接触。
具体实施方式二：如图4所示，本实施方式可调节限位块501包括橡胶垫和两个调节片，橡胶垫位于两个调节片之间，可调节限位块501通过螺栓螺母锁紧在膝关节本体的圆弧凹槽上。如此设计，当需要调节可调节限位块501时，松开螺栓螺母滑动可调节限位块501到所需位置后锁紧进行限位。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：如图1和图2所示，本实施方式并联弹性体9包括弹性体外环901、弹性体内环903、六对矩形弹簧902、三对三角块905和六对弹性定位销906，弹性体内环903上沿其圆周方向均布加工有三个燕尾块，弹性体外环901内壁上其圆周方向均布设置有三对三角块905，每对三角块905并列设置，弹性体内环903位于弹性体外环901内，每对矩形弹簧902的一端与一对三角块905相接触，每对矩形弹簧902的另一端与相应的一个燕尾块相接触，每个矩形弹簧902通过一个弹性定位销906定位。如此设计，并联弹性体9是利用矩形弹簧的压缩变形来实现内外环的相对转动，为了实现弹性体小尺寸大刚度的需求，采用并联方式设计弹性体，通过选择小尺寸的矩形弹簧，达到弹性体刚度需求，能够保证运动过程的稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
矩形弹簧902一端与弹性体外环901上的三角块905的平面接触，另一端与弹性体内环903上燕尾块的平面接触，为了使装配过程简单方便，外环的结构做成分体式，包括三角块905和弹性体外环901，三角块905在螺钉和弹簧的压力作用下与外环固定在一起，三角块905上通过螺纹连接了弹簧定位销，它的主要作用是限制弹簧径向的位移，安装时将三角块905、弹性定位销906和矩形弹簧902一起压入内外环之间的空隙，矩形弹簧902分别从两侧装入。
具体实施方式四：如图3所示，本实施方式三角块905通过螺钉和两侧矩形弹簧902的压力作用与弹性体外环901固定在一起。如此设计，可以实现弹簧对三角块905正向施加压力，可以提高力传递效率，三角块905通过螺钉连接方便安装和拆卸，可以根据需要更换弹簧。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：如图1和2所示，本实施方式并联弹性体9还包括六对球头销904，弹性体内环903的每个燕尾块的两侧均设置有一对球头销904。如此设计，由于内外环的相对运动时回转运动，在转动过程中内环将会与弹簧端面分离，使弹簧受力不沿轴线方向，进而产生弯曲，容易造成危险，所以内环平面与弹簧端面之间通过球头销连接，这样在内外环相对转动的过程中弹簧与球面始终能保持线接触，能够保证运动过程的稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：如图5所示，本实施方式减速器输出轴8包括连接法兰和阶梯轴，连接法兰与阶梯轴的大端固接为一体，连接法兰通过螺栓固装在谐波减速器3上。如此设计，使得关节结构紧凑，缩减关节轴的轴向尺寸。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：如图5所示，本实施方式并联弹性体9的轴架的一端固套在减速器输出轴8的小端上，并联弹性体9固套在轴架的另一端上。如此设计，可以实现将并联弹性体9、轴架和减速器输出轴8连接在一起，实现输出轴到弹性体的力传递，此外方便磁编码器磁环10、磁编码器磁头11的安装，实现磁编码器检测角度的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落在本发明的保护范围。
工作原理：
电机1、固定盖2、谐波减速器3、连接板4、膝关节本体、大腿杆连接件5、小腿杆连接件7和减速器输出轴8，
电机1转动带动谐波减速器3旋转，谐波减速器3将电机1的转矩放大，电机1和谐波减速器3通过固定盖2连接在一起，减速器输出轴8连接在谐波减速器3上，减速器输出轴8通过轴架与并联弹性体9的内圈连接，并联弹性体9的外圈与端盖12连接，端盖12通过膝关节本体与小腿杆连接件7连接；本发明通过电机1转动带动谐波减速器3旋转，减速器输出轴8带动并联弹性体9运动，并联弹性体9通过端盖12连接小腿杆连接件7，最后将转矩运动力传递到小腿杆连接件7上。

Claims (7)

1.一种基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，所述下肢外骨骼异构膝关节包括电机(1)、固定盖(2)、谐波减速器(3)、连接板(4)、膝关节本体、大腿杆连接件(5)、小腿杆连接件(7)和减速器输出轴(8)，其特征在于：大腿杆连接件(5)的下端设置有外沿，固定盖(2)和连接板(4)平行设置且固装在大腿杆连接件(5)的外沿上，电机(1)固装在固定盖(2)的一端面上，谐波减速器(3)的一端固装在固定盖(2)的另一端面上，谐波减速器(3)的另一端与连接板(4)连接，减速器输出轴(8)固装在谐波减速器(3)上，膝关节本体通过深沟球轴承(6)安装在减速器输出轴(8)上，小腿杆连接件(7)的上端固装在膝关节本体的下部，所述下肢外骨骼异构膝关节还包括并联弹性体(9)、磁编码器磁环(10)、磁编码器磁头(11)和端盖(12)，端盖(12)通过法兰固装在膝关节本体的外环面上，并联弹性体(9)固装在端盖(12)内，并联弹性体(9)通过轴架与减速器输出轴(8)同轴固接，磁编码器磁环(10)安装在膝关节本体上，磁编码器磁头(11)安装在并联弹性体(9)上，磁编码器磁环(10)与磁编码器磁头(11)相对设置，膝关节本体上沿其外沿加工有圆弧凹槽，圆弧凹槽内设置有两个可调节限位块(501)，圆弧凹槽与连接板(4)正对设置，连接板(4)上沿其圆周方向加工有多个限位孔(4-1)，连接板(4)上插装有限位销(4-2)，可调节限位块(501)与限位销(4-2)之间设置有弹性橡胶块(506)。
2.根据权利要求1所述的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，其特征在于：可调节限位块(501)包括橡胶垫和两个调节片，橡胶垫位于两个调节片之间，可调节限位块(501)通过螺栓螺母锁紧在膝关节本体的圆弧凹槽上。
3.根据权利要求1或2所述的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，其特征在于：并联弹性体(9)包括弹性体外环(901)、弹性体内环(903)、六对矩形弹簧(902)、三对三角块(905)和六对弹性定位销(906)，弹性体内环(903)上沿其圆周方向均布加工有三个燕尾块，弹性体外环(901)内壁上其圆周方向均布设置有三对三角块(905)，每对三角块(905)并列设置，弹性体内环(903)位于弹性体外环(901)内，每对矩形弹簧(902)的一端与一对三角块(905)相接触，每对矩形弹簧(902)的另一端与相应的一个燕尾块相接触，每个矩形弹簧(902)通过一个弹性定位销(906)定位。
4.根据权利要求3所述的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，其特征在于：三角块(905)通过螺钉和两侧矩形弹簧(902)的压力作用与弹性体外环(901)固定在一起。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，其特征在于：并联弹性体(9)还包括六对球头销(904)，弹性体内环(903)的每个燕尾块的两侧均设置有一对球头销(904)。
6.根据权利要求5所述的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，其特征在于：减速器输出轴(8)包括连接法兰和阶梯轴，连接法兰与阶梯轴的大端固接为一体，连接法兰通过螺栓固装在谐波减速器(3)上。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的基于并联弹性体的下肢外骨骼异构膝关节，其特征在于：并联弹性体(9)的轴架的一端固套在减速器输出轴(8)的小端上，并联弹性体(9)固套在轴架的另一端上。
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