CN112589829B - 一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构 - Google Patents
一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，包括驱动机构、大腿杆和膝关节仿真机构；膝关节通过弧形齿面I和弧形齿面II的啮合实现膝关节两个转动点的同步转动，可弥补因膝关节弯曲产生的扭矩变化；通过几何关系，可以确定拉绳的长度变化与膝关节弯曲的角度成正弦曲线关系，因而可以不通过角度传感器即可确定膝关节弯曲的角度，减少外骨骼传感器的使用数量；同时，通过几何关系可以知道弧形齿面I和弧形齿面II半径的大小还能够决定驱动机构的旋转半径；本方案中，膝关节转动时力矩较为稳定，能够减少能量损失，降低***能量消耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，是一种膝关节驱动的可穿戴外骨骼机械结构。
背景技术
外骨骼原来指生物学中保护生物内部柔软器官的一种坚硬外部结构，而现在外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学与人机工效学的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的能力。由于外骨骼机器人涉及人机工效学，这就要求其有较强适应性，不仅要适用不同体型穿戴者，同时也要对人体关节进行危险防护，防止穿戴过程中造成人体损伤。
发明内容
发明目的：现有技术中的外骨骼机器人中柔性膝关节在弯曲时，因关节角度不断变化，使驱动力角度不断变化，导致外骨骼关节力矩不断改变，进而产生能量损失的问题，本发明提供一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，采用变力矩柔性膝关节结构，使膝关节在转动时扭矩保持稳定，能够减少能量损失。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，包括驱动机构、大腿杆和膝关节仿真机构；
所述驱动机构包括电机、拉绳编码器和固定块，电机安装在电机架上，拉绳编码器安装在编码器盒体内，编码器盒体固定在电机架上；
所述固定块固定在大腿杆中上部，电机架固定在大腿杆上、位于大腿杆根部和固定块之间；在固定块上设置有两个上导轮，分别记为上导轮I和上导轮II；
所述膝关节仿真机构包括上连接块、下连接块和连接片，上连接块与连接片之间通过销轴I连接，下连接块与连接片之间通过销轴II连接，在上连接块上设置有以销轴I为圆心的弧形齿面I，在下连接块上设置有以销轴II为圆心的弧形齿面II，弧形齿面I和弧形齿面II相啮合；在上连接块上设置有两个下导轮，分别记为下导轮I和下导轮II，两个下导轮均位于销轴I远离销轴II的一侧；在下连接块上设置有固定轴，固定轴位于销轴II远离销轴I的一侧；
所述上连接块固定在大腿杆的下端；
所述拉绳编码器的拉绳包括上拉绳、弹性体和下拉绳三部分，上拉绳的一端与拉绳编码器内的出线轮连接，上拉绳的另一端依次绕经上导轮I和上导轮II后与弹性体的一端连接，弹性体的另一端与下拉绳的一端连接，下拉绳的另一端依次绕经下导轮II和下导轮I后与固定轴连接，通过拉力传感器检测下拉绳上承载的拉力。
优选的，所述拉绳编码器包括绝对编码器、磁珠、磁珠座、螺纹轴、出线轮、垫片和螺母，出线轮、垫片和螺母均安装在螺纹轴上，出线轮与螺纹轴紧固连接，磁珠座的侧面与螺纹轴的侧面形成啮合传动机构，垫片隔离开出线轮和磁珠座，螺母与螺纹轴紧固连接，通过螺母压紧磁珠座和出线轮；螺纹轴与电机的输出轴连接，绝对编码器固定在编码器盒体内，绝对编码器将磁珠覆罩在磁珠座内，磁珠座与编码器盒体通过扣合结构连接。
优选的，所述上连接块固定在大腿杆的下端，上连接块与大腿杆之间形成小于180°大于140°的夹角。
优选的，所述上导轮II和下导轮II之间的拉绳处于张紧状态，并与大腿杆之间存在间隙。
本案相对于现有技术，膝关节通过弧形齿面I和弧形齿面II的啮合实现膝关节两个转动点的同步转动，可弥补因膝关节弯曲产生的扭矩变化；结合几何关系，可以确定拉绳的长度变化与膝关节弯曲的角度成正弦曲线关系，因而可以不通过角度传感器即可确定膝关节弯曲的角度，减少外骨骼传感器的使用数量；同时，结合几何关系，可以知道弧形齿面I和弧形齿面II半径的大小还能够决定驱动机构的旋转半径；本方案中，膝关节转动时力矩较为稳定，能够减少能量损失，降低***能量消耗。
有益效果：本发明提供的基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，采用变力矩柔性膝关节结构，使膝关节在转动时扭矩保持稳定，能够减少能量损失；同时，绳索长度变化与角度成正弦曲线关系，可根据绳索长度变化判断膝关节角度。
附图说明
图1(a)为本发明的正视结构示意图；
图1(b)为本发明的侧视结构示意图；
图1(c)为本发明的后视结构示意图；
图2为驱动机构中拉绳编码器的组装结构示意图；
图3为本发明在膝关节自然状态时的受力示意图；
图4为本发明在膝关节弯曲状态时的受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示为一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，包括驱动机构、大腿杆4和膝关节仿真机构。
所述驱动机构包括电机1、拉绳编码器和固定块3，电机1安装在电机架2上，拉绳编码器安装在编码器盒体10内，编码器盒体10固定在电机架2上。
所述固定块3固定在大腿杆4中上部，电机架2固定在大腿杆4上、位于大腿杆4根部和固定块3之间；在固定块3上设置有两个上导轮3.1，分别记为上导轮I和上导轮II。
所述膝关节仿真机构包括上连接块7、下连接块9和连接片8，上连接块7与连接片8之间通过销轴I3.4连接，下连接块9与连接片8之间通过销轴II3.5连接，在上连接块7上设置有以销轴I3.4为圆心的弧形齿面I7.1，在下连接块9上设置有以销轴II3.5为圆心的弧形齿面II9.1，弧形齿面I7.1和弧形齿面II9.1相啮合；在上连接块7上设置有两个下导轮3.2，分别记为下导轮I和下导轮II，两个下导轮3.2均位于销轴I3.4远离销轴II3.5的一侧；在下连接块9上设置有固定轴3.3，固定轴3.3位于销轴II3.5远离销轴I3.4的一侧。
所述上连接块7固定在大腿杆4的下端。
所述拉绳编码器的拉绳6包括上拉绳6.1、弹性体5和下拉绳6.2三部分，上拉绳6.1的一端与拉绳编码器内的出线轮15连接，上拉绳6.1的另一端依次绕经上导轮I和上导轮II后与弹性体5的一端连接，弹性体5的另一端与下拉绳6.2的一端连接，下拉绳6.2的另一端依次绕经下导轮II和下导轮I后与固定轴3.3连接，通过拉力传感器检测下拉绳6.2上承载的拉力。
如图2所示，所述拉绳编码器包括绝对编码器11、磁珠12、磁珠座13、螺纹轴14、出线轮15、垫片16和螺母17，出线轮15、垫片16和螺母17均安装在螺纹轴14上，出线轮15与螺纹轴14紧固连接，磁珠座13的侧面与螺纹轴14的侧面形成啮合传动机构，垫片16隔离开出线轮15和磁珠座13，螺母17与螺纹轴14紧固连接，通过螺母17压紧磁珠座13和出线轮15；螺纹轴14与电机1的输出轴连接，绝对编码器11固定在编码器盒体10内，绝对编码器11将磁珠12覆罩在磁珠座13内，磁珠座13与编码器盒体10通过扣合结构连接。
下面针对膝关节仿真机构的动作原理进行说明。
如图3所示，为膝关节处于自然状态时，即膝关节弯曲角度θ为0°时，膝关节有效驱动力臂dθ为d1，拉绳的有效长度Lθ为L1，弧形齿面I和弧形齿面II半径均为r。
如图4所示，为膝关节处于弯曲状态时，即膝关节弯曲角度θ不为0°时，膝关节有效驱动力臂dθ与膝关节弯曲角度θ之间的关系为
根据该关系可知，当膝关节弯曲角度θ为最大值θmax时，拉绳的有效长度Lθ为Lmax＝Lθ(θmax)。根据膝关节驱动结构，当驱动模块旋转半径d2≥Lmax时，驱动模块才能满足膝关节活动范围要求。
同时，根据图3、图4可知，拉绳的拉力F与驱动模块旋转半径d2的关系为
τ为驱动模块扭矩，θ2为拉绳与大腿杆夹角，θ3为出线轮中心和旋转中心的连线与大腿杆的夹角。基于该关系设计驱动模块的尺寸及位置，能够有效表面机构死点的出现，同时应尽可能缩短d2的尺寸，以减少θ2造成的拉力减少。
同时，根据图3、图4可知，膝关节在弯曲时，弧形齿面I和弧形齿面II啮合点随膝关节弯曲角度θ而变化，既膝关节力臂长度随膝关节弯曲角度θ变化，当膝关节处于自然状态时膝关节扭矩与力臂的关系为T1＝F×d1，其中T1为膝关节处于自然状态时的关节扭矩。
当膝关节弯曲时膝关节扭矩为
Tθ膝关节弯曲角度为θ时的关节扭矩；根据该关系可知本案设计可以补偿因膝关节弯曲产生的扭矩损失。
以上所述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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：包括驱动机构、大腿杆(4)和膝关节仿真机构；
所述驱动机构包括电机(1)、拉绳编码器和固定块(3)，电机(1)安装在电机架(2)上，拉绳编码器安装在编码器盒体(10)内，编码器盒体(10)固定在电机架(2)上；
所述固定块(3)固定在大腿杆(4)中上部，电机架(2)固定在大腿杆(4)上、位于大腿杆(4)根部和固定块(3)之间；在固定块(3)上设置有两个上导轮(3.1)，分别记为上导轮I和上导轮II；
所述膝关节仿真机构包括上连接块(7)、下连接块(9)和连接片(8)，上连接块(7)与连接片(8)之间通过销轴I(3.4)连接，下连接块(9)与连接片(8)之间通过销轴II(3.5)连接，在上连接块(7)上设置有以销轴I(3.4)为圆心的弧形齿面I(7.1)，在下连接块(9)上设置有以销轴II(3.5)为圆心的弧形齿面II(9.1)，弧形齿面I(7.1)和弧形齿面II(9.1)相啮合；在上连接块(7)上设置有两个下导轮(3.2)，分别记为下导轮I和下导轮II，两个下导轮(3.2)均位于销轴I(3.4)远离销轴II(3.5)的一侧；在下连接块(9)上设置有固定轴(3.3)，固定轴(3.3)位于销轴II(3.5)远离销轴I(3.4)的一侧；
所述上连接块(7)固定在大腿杆(4)的下端；
所述拉绳编码器的拉绳(6)包括上拉绳(6.1)、弹性体(5)和下拉绳(6.2)三部分，上拉绳(6.1)的一端与拉绳编码器内的出线轮(15)连接，上拉绳(6.1)的另一端依次绕经上导轮I和上导轮II后与弹性体(5)的一端连接，弹性体(5)的另一端与下拉绳(6.2)的一端连接，下拉绳(6.2)的另一端依次绕经下导轮II和下导轮I后与固定轴(3.3)连接，通过拉力传感器检测下拉绳(6.2)上承载的拉力。
2.根据权利要求1所述的基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述拉绳编码器包括绝对编码器(11)、磁珠(12)、磁珠座(13)、螺纹轴(14)、出线轮(15)、垫片(16)和螺母(17)，出线轮(15)、垫片(16)和螺母(17)均安装在螺纹轴(14)上，出线轮(15)与螺纹轴(14)紧固连接，磁珠座(13)的侧面与螺纹轴(14)的侧面形成啮合传动机构，垫片(16)隔离开出线轮(15)和磁珠座(13)，螺母(17)与螺纹轴(14)紧固连接，通过螺母(17)压紧磁珠座(13)和出线轮(15)；螺纹轴(14)与电机(1)的输出轴连接，绝对编码器(11)固定在编码器盒体(10)内，绝对编码器(11)将磁珠(12)覆罩在磁珠座(13)内，磁珠座(13)与编码器盒体(10)通过扣合结构连接。
3.根据权利要求1所述的基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述上连接块(7)固定在大腿杆(4)的下端，上连接块(7)与大腿杆(4)之间形成小于180°大于140°的夹角。
4.根据权利要求1所述的基于柔性凸轮机构的外骨骼膝关节驱动结构，其特征在于：所述上导轮II和下导轮II之间的拉绳(6)处于张紧状态，并与大腿杆(4)之间存在间隙。
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