CN211439974U - 一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，包括：躯干壳体；直流电机；电磁离合器；主轴；第一同步带轮；输入端与主轴连接的髋关节驱动模块；大腿杆，与人体的大腿处相对应，与髋关节驱动模块的输出端连接，并与躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在髋关节驱动模块的驱动下绕外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助大腿进行运动；第二同步带轮，与第一同步带轮连接；转动轴；输入端与转动轴连接的膝关节驱动模块；以及小腿杆，与人体的小腿处相对应，与膝关节驱动模块的输出端连接，并与大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在膝关节驱动模块的驱动下绕外骨骼膝关节在矢状面内旋转来从而协助小腿进行运动。

Description

一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置

技术领域

本实用新型属于机械领域，具体涉及一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置。

背景技术

动力外骨骼可作为一种康复医疗和应对老龄化问题中迫切需要的助老助残智能辅具，其主要功能应为通过适时适量的助力辅助，协助穿戴者恢复基本的下肢运动；也可作为一款抗震救灾或战争用途等恶劣负载地形环境下的单兵作战与救援装备，其主要负责增强穿戴者的肢体承载能力与耐力。

目前动力下肢外骨骼的驱动***设计存在瓶颈问题，包括：(1)关节执行器多结构复杂自重大的问题，当前在机器人每个关节布置大质量关节执行器的常规设计方案，存在结构轻量化的瓶颈。一方面，外骨骼大质量与高末端惯量现状，影响了人机***的质量分布，增加了穿戴者对于欠驱动自由度控制和人机整体平衡控制的负担，严重降低了外骨骼的助力功效。另一方面，机器人远端关节执行器质量提高了近端驱动关节负的功率需求，并影响近端关节的柔顺控制性能。(2)关节控制欠柔顺低能效问题，传统机械臂一般采用基于力反馈的阻抗控制算法控制高刚度执行器与环境的交互行为。但是由于外骨骼与穿戴者之间存在人机强耦合特点，这种高刚度执行器结合精确阻抗控制的方式在强干扰下的反应欠佳，存在稳定性与安全性的巨大隐患，并且控制能耗较大。

近年生物力学和生物学研究发现，生物关节不仅具有被动柔顺特性，还在相邻关节之间还存在能量优化交互行为。上述结构与机制被认为是生物肢体获得柔顺高效运动行为的重要原因。然而现有的外骨骼设计中，各驱动关节之间相互独立，缺乏有效且自然的能量交互和联动机制，因而难以复现生物相邻关节间自然的能量优化行为。

CN 109528451A提出了一种基于离合器分时调控的双关节被动外骨骼装置，分别在外骨骼关节布置相互独立的基于棘轮-棘爪-棘轮-拉索的离合器控制的导线盘扭簧机构，并以关节的特定运动角度为触发，通过离合器控制扭簧对能量的捕捉与释放，以期提高能量利用效率，减少行走能耗。这种设计的缺点在于：(1)这种设计是被动装置，无法为上坡上楼梯和起立等克服重力的下肢运动提供主动的辅助力矩；(2)因关节以特定运动角度触发离合器控制，所以只有当穿戴者的下肢运动满足预设角度范围和触发顺序时，装置才能对其施加期望的能量控制行为，反之则可能干扰穿戴者的正常运动，因而对步态变化适应性较差；(3).关节相互独立，无法进行关节间能量优化

CN110179636A、CN104800043B、CN106389073、US000204627，US20190282428等专利提出的可穿戴外骨骼辅助装置，均具有关节致动器，末端惯量较大；其关节控制依赖于各关节制动器的转角或扭矩控制曲线，步态不自然；各致动器间相互独立控制，不存在能量交互和联动，步行能耗缺少优化策略，因此难以复现人体自然的下肢关节运动和步态行为。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置。

本实用新型提供了一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，具有这样的特征，包括：躯干壳体，与人体的腰部位置相对应；直流电机，固定设置在躯干壳体的一端；电磁离合器，与直流电机的转子连接；主轴，与电磁离合器连接；第一同步带轮，中心穿过有主轴并跟随主轴进行转动；髋关节驱动模块，包括与主轴连接的第一输入端、串联设置在第一输入端后的第一离合机构与第一弹性机构、与第一弹性机构连接的第一输出端以及用于安装第一离合机构与第一弹性机构的第一模块外壳；大腿杆，与人体的大腿处相对应，与第一输出端连接，并与躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在髋关节驱动模块的驱动下绕外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助大腿进行运动；第二同步带轮，通过同步带与第一同步带轮连接，用于跟随第一同步带轮进行转动；转动轴，设置在第二同步带轮中心处；膝关节驱动模块，包括与转动轴连接的第二输入端、串联设置在第二输入端后的第二离合机构与第二弹性机构、与第二弹性机构连接的第二输出端以及用于安装第二离合机构与第二弹性机构的第二模块外壳；以及小腿杆，与人体的小腿处相对应，与第二输出端连接，并与大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在膝关节驱动模块的驱动下绕外骨骼膝关节在矢状面内旋转来从而协助小腿进行运动，其中，电磁离合器还设有电磁控制端来控制通断状态，髋关节驱动模块中还设有第一刚度控制端，该第一刚度控制端与第一弹性机构连接，用于控制第一弹性机构的刚度，膝关节驱动模块中还设有第二刚度控制端，该第二刚度控制端与第二弹性机构连接，用于控制第二弹性机构的刚度。

在本实用新型提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一模块外壳固定在躯干壳体上，第二模块外壳固定在大腿杆上。

在本实用新型提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一离合机构包括第一固定件与第一离合件，第一固定件与第一输入端固定连接，第一离合件的一端与第一弹性机构连接，另一端与第一固定件连接或与第一模块外壳连接。

在本实用新型提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一离合件还连接有第一控制端，第一离合件的连接状态由第一控制端进行控制，默认状态下，第一离合件与第一模块外壳连接，使能状态下，第一控制端控制第一离合件与第一固定件连接。

在本实用新型提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第二离合机构包括第二固定件与第二离合件，第二固定件与第二输入端固定连接，第二离合件的一端与第二弹性机构连接，另一端与第二固定件连接或与第二模块外壳连接。

在本实用新型提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第二离合件还连接有第二控制端，第二离合件的连接状态由第二控制端进行控制，默认状态下，第二离合件与第二模块外壳连接，使能状态下，第二控制端控制第二离合件与第二固定件连接。

在本实用新型提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，当电磁离合器连通，且第一离合机构与第二离合机构均处于使能状态时，大腿杆和小腿杆分别绕外骨骼髋关节和外骨骼膝关节旋转，当电磁离合器连通，且仅有第一离合机构处于使能状态时，大腿杆绕外骨骼髋关节旋转，当电磁离合器连通，且仅有第二离合机构处于使能状态时，小腿杆绕外骨骼膝关节旋转，当电磁离合器断开，且第一离合机构与第二离合机构均处于使能状态时，大腿杆旋转带动小腿杆旋转，或者小腿杆旋转带动大腿杆旋转。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所涉及的一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，因为仅在对应腰部的躯干壳体处布置一个直流电机作为动力源，通过主轴与传动轴来同时给髋关节驱动模块和膝关节驱动模块提供动力，所以避免了在膝关节等远端关节处额外布置的沉重的动力源，从而减少外骨骼的总重，降低外骨骼的末端惯量；因为髋关节驱动模块和膝关节驱动模块之间由第一同步带轮、同步带以及第二同步带轮进行连通，并且髋关节驱动模块和膝关节驱动模块中均设有离合机构与弹性机构，弹性机构为大腿杆以及小腿杆提供被动柔顺性和储能能力，离合机构则控制进出模块的机械能的流通路径和方向，所以，能够通过对第一离合机构与第二离合机构的通断控制来实现单个直流电机对多个关节驱动模块的分时直驱和多关节联动控制，实现了驱动模块之间自然的能量交互和优化行为，提高了驱动***的整体能效。

附图说明

图1是本实用新型的实施例中的电机驱动的外骨骼联动装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型的实施例中的电机驱动的外骨骼联动装置的结构框图；

图3是本实用新型的实施例中矢状面的示意图；

图4是本实用新型的实施例中的关节驱动模块的结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本实用新型作具体阐述。

图1是本实用新型的实施例中的电机驱动的外骨骼联动装置的整体结构示意图；图2是本实用新型的实施例中的电机驱动的外骨骼联动装置的结构框图。

如图1和图2所示，本实施例的电机驱动的外骨骼联动装置100，用于协助人体进行下肢运动，具有躯干壳体1、直流电机2、电磁离合器3、主轴4、第一同步带轮5、髋关节驱动模块6、大腿杆7、第二同步带轮8、转动轴9、膝关节驱动模块10以及小腿杆11。

躯干壳体1与人体的腰部位置相对应。

直流电机2固定设置在躯干壳体1的一端。

电磁离合器3与直流电机2的转子21连接。

电磁离合器3还设有电磁控制端31来控制通断状态。

主轴4与电磁离合器3连接。

第一同步带轮5中心穿过有主轴4并跟随主轴4进行转动。

髋关节驱动模块6包括与主轴4连接的第一输入端61、串联设置在第一输入端61后的第一离合机构62与第一弹性机构63、与第一弹性机构63连接的第一输出端64以及用于安装第一离合机构62与第一弹性机构63的第一模块外壳65。

第一离合机构62包括第一固定件621与第一离合件622，第一固定件621与第一输入端61固定连接，第一离合件622的一端与第一弹性机构63连接，另一端与第一固定件621连接或与第一模块外壳65连接。

第一离合件622还连接有第一控制端623，第一离合件622的连接状态由第一控制端623进行控制，默认状态下，第一离合件622与第一模块外壳65连接，使能状态下，第一控制端623控制第一离合件622与第一固定件621连接。

大腿杆7与人体的大腿处相对应，与第一输出端61连接，并与躯干壳体1的另一端通过外骨骼髋关节71相铰接，在髋关节驱动模块6的驱动下绕外骨骼髋关节71在矢状面内旋转来从而协助大腿进行运动。

第一模块外壳65固定在躯干壳体1上。

第二同步带轮8通过同步带81与第一同步带轮5连接，用于跟随第一同步带轮5进行转动。

转动轴9设置在第二同步带轮8中心处。

本实施例中，第一同步带轮5与第二同步带轮8之间为同向连接或者反向连接。

膝关节驱动模块10包括与转动轴9连接的第二输入端101、串联设置在第二输入端101后的第二离合机构102与第二弹性机构103、与第二弹性机构103连接的第二输出端104以及用于安装第二离合机构102与第二弹性机构103的第二模块外壳105。

本实施例中，第一离合机构62与第二离合机构102包含但不限于超越离合器、单向离合器、电磁离合器/制动器、扭矩限制器、单向阀、溢流阀或开关阀。

本实施例中，第一弹性机构63与第二弹性机构103用于在外载作用下通过结构变形提高自身弹性势能，并在外载消除后，释放势能回到原来状态，包括但不限于圆柱弹簧、扭簧、板簧、气弹簧、气动肌肉或者蓄能器。

第二离合机构102包括第二固定件1021与第二离合件1022，第二固定件1021与第二输入端101固定连接，第二离合件1022的一端与第二弹性机构103连接，另一端与第二固定件1021连接或与第二模块外壳105连接。

第二离合件1022还连接有第二控制端1023，第二离合件1022的连接状态由第二控制端1023进行控制，默认状态下，第二离合件1022与第二模块外壳105连接，使能状态下，第二控制端1023控制第二离合件1022与第二固定件1021连接。

小腿杆11与人体的小腿处相对应，与第二输出端104连接，并与大腿杆7通过外骨骼膝关节111相铰接，在膝关节驱动模块10的驱动下绕外骨骼膝关节12在矢状面内旋转来从而协助小腿进行运动。

第二模块外壳105固定在大腿杆7上。

图3是本实用新型的实施例中矢状面的示意图。

如图3所示，矢状面指将人体分成左右两部的平面，大腿杆7与小腿杆11在矢状面内进行旋转从而带动大腿与小腿进行弯曲与伸展。

图4是本实用新型的实施例中的髋关节驱动模块和膝关节驱动模块的结构框图。

如图4所示，髋关节驱动模块6和膝关节驱动模块10为结构相同的关节驱动模块，均具有输入端、串联设置在输入端后的离合机构与弹性机构、与弹性机构连接的输出端、用于安装离合机构与弹性机构的模块外壳以及刚度控制端。

髋关节驱动模块6中还设有第一刚度控制端66，该第一刚度控制端66与第一弹性机构63连接，用于控制第一弹性机构63的刚度，

膝关节驱动模块10中还设有第二刚度控制端106，该第二刚度控制端106与第二弹性机构103连接，用于控制第二弹性机构103的刚度。

本实施例中，选用弹簧作为第一弹性机构63与第二弹性机构103，此时第一刚度控制端66通过连接外部的第一把手67来对弹簧的刚度进行控制，第二刚度控制端106通过连接外部的第一把手107来对弹簧的刚度进行控制。

本实施例中，当电磁离合器3断开，且第一离合机构62处于默认状态时，第一弹性机构63可对施加在大腿杆7上的绕外骨骼髋关节71的转动产生反向的回复力/力矩。

当电磁离合器3断开时，且第二离合机构102处于默认状态时，第二弹性结构103可对施加在小腿杆11上的绕外骨骼膝关节111的转动产生反向的回复力/力矩。

本实施例中，一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置100具有三种工作模式，分别为主动联动模式、自由度直驱模式以及被动联动模式。

当处于主动联动模式时，电磁离合器3连通，第一离合机构62与第二离合机构102均处于使能状态，直流电机2通过主轴4、第一同步带轮5、同步带81、第二同步带轮8、髋关节驱动模块6以及膝关节驱动模块10，使得大腿杆7和小腿杆11分别绕外骨骼髋关节71和外骨骼膝关节111进行旋转，从而带动大腿与小腿进行运动。

当处于自由度直驱模式时，电磁离合器3连通，第一离合机构62处于使能状态，第二离合机构102处于默认状态时，直流电机2通过主轴4与髋关节驱动模块6，使大腿杆7绕外骨骼髋关节71旋转，从而带动大腿进行运动，

或者电磁离合器3连通，第一离合机构62处于默认状态，第二离合机构102处于使能状态，直流电机2通过主轴4、第一同步带轮5、同步带81、第二同步带轮8以及膝关节驱动模块10，使小腿杆11绕外骨骼膝关节111旋转，从而带动小腿进行运动，

当处于被动联动模式时，电磁离合器3断开，且第一离合机构62与第二离合机构102均处于使能状态，此时髋关节驱动模块6的第一输入端61和膝关节驱动模块10的第二输入端101之间通过主轴4、第一同步带轮5、同步带81和第二同步带轮8相互联通，

此时，当人体大腿进行自主运动时将带动大腿杆7旋转，并带动小腿杆11旋转，从而带动小腿进行运动，

或者当人体小腿进行自主运动时将带动小腿杆11旋转，并带动大腿杆7旋转，从而带动大腿进行运动。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，因为仅在对应腰部的躯干壳体处布置一个直流电机作为动力源，通过主轴与传动轴来同时给髋关节驱动模块和膝关节驱动模块提供动力，所以避免了在膝关节等远端关节处额外布置的沉重的动力源，从而减少外骨骼的总重，降低外骨骼的末端惯量；因为髋关节驱动模块和膝关节驱动模块之间由第一同步带轮、同步带以及第二同步带轮进行连通，并且髋关节驱动模块和膝关节驱动模块中均设有离合机构与弹性机构，弹性机构为大腿杆以及小腿杆提供被动柔顺性和储能能力，离合机构则控制进出模块的机械能的流通路径和方向，所以，能够通过对第一离合机构与第二离合机构的通断控制来实现单个直流电机对多个关节驱动模块的分时直驱和多关节联动控制，实现了驱动模块之间自然的能量交互和优化行为，提高了驱动***的整体能效。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，其特征在于，包括：

躯干壳体，与所述人体的腰部位置相对应；

直流电机，固定设置在所述躯干壳体的一端；

电磁离合器，与所述直流电机的转子连接；

主轴，与所述电磁离合器连接；

第一同步带轮，中心穿过有所述主轴并跟随所述主轴进行转动；

髋关节驱动模块，包括与所述主轴连接的第一输入端、串联设置在所述第一输入端后的第一离合机构与第一弹性机构、与所述第一弹性机构连接的第一输出端以及用于安装所述第一离合机构与所述第一弹性机构的第一模块外壳；

大腿杆，与所述人体的大腿处相对应，与所述第一输出端连接，并与所述躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在所述髋关节驱动模块的驱动下绕所述外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助所述大腿进行运动；

第二同步带轮，通过同步带与所述第一同步带轮连接，用于跟随所述第一同步带轮进行转动；

转动轴，设置在所述第二同步带轮中心处；

膝关节驱动模块，包括与所述转动轴连接的第二输入端、串联设置在所述第二输入端后的第二离合机构与第二弹性机构、与所述第二弹性机构连接的第二输出端以及用于安装所述第二离合机构与所述第二弹性机构的第二模块外壳；以及

小腿杆，与所述人体的小腿处相对应，与所述第二输出端连接，并与所述大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在所述膝关节驱动模块的驱动下绕所述外骨骼膝关节在矢状面内旋转从而协助所述小腿进行运动，

其中，所述电磁离合器还设有电磁控制端来控制通断状态，

所述髋关节驱动模块中还设有第一刚度控制端，该第一刚度控制端与所述第一弹性机构连接，用于控制所述第一弹性机构的刚度，

所述膝关节驱动模块中还设有第二刚度控制端，该第二刚度控制端与所述第二弹性机构连接，用于控制所述第二弹性机构的刚度。

2.根据权利要求1所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：

其中，所述第一模块外壳固定在所述躯干壳体上，

所述第二模块外壳固定在所述大腿杆上。

3.根据权利要求1所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：

其中，所述第一离合机构包括第一固定件与第一离合件，

所述第一固定件与所述第一输入端固定连接，

所述第一离合件的一端与所述第一弹性机构连接，另一端与所述第一固定件连接或与所述第一模块外壳连接。

4.根据权利要求3所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：

其中，第一离合件还连接有第一控制端，第一离合件的连接状态由第一控制端进行控制，

默认状态下，第一离合件与第一模块外壳连接，

使能状态下，第一控制端控制第一离合件与第一固定件连接。

5.根据权利要求1所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：

其中，所述第二离合机构包括第二固定件与第二离合件，

所述第二固定件与所述第二输入端固定连接，

所述第二离合件的一端与所述第二弹性机构连接，另一端与所述第二固定件连接或与所述第二模块外壳连接。

6.根据权利要求5所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：

其中，所述第二离合件还连接有第二控制端，所述第二离合件的连接状态由第二控制端进行控制，

默认状态下，所述第二离合件与第所述二模块外壳连接，

使能状态下，所述第二控制端控制所述第二离合件与所述第二固定件连接。

7.根据权利要求1所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：

其中，当所述电磁离合器连通，且所述第一离合机构与所述第二离合机构均处于使能状态时，所述大腿杆和所述小腿杆分别绕所述外骨骼髋关节和所述外骨骼膝关节旋转，

当所述电磁离合器连通，且仅有所述第一离合机构处于使能状态时，所述大腿杆绕所述外骨骼髋关节旋转，

当所述电磁离合器连通，且仅有所述第二离合机构处于使能状态时，所述小腿杆绕所述外骨骼膝关节旋转，

当所述电磁离合器断开，且所述第一离合机构与所述第二离合机构均处于默认状态时，所述大腿杆旋转带动所述小腿杆旋转，或者所述小腿杆旋转带动所述大腿杆旋转。

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