關節助力調節裝置的制作方法

專利名稱：關節助力調節裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及 關節助力調節裝置，用于降低關節驅動的峰值力矩，屬于機構設 計、機器人技術領域和和人體康復機構，可應用于步行機器人和智能假肢膝關節。
背景技術：
目前，低功耗步行機構設計是研究人類步行機理和開發合理步行機構的基礎，其 中步行機器人膝關節的設計是關鍵。現有技術中，機器人膝關節的驅動主要是直接利用電機等驅動設備進行主動驅 動，即在機器人行走過程中，膝關節的角度完全由電機等驅動設備控制，而在膝關節的一 個步行周期內，膝關節的旋轉力矩存在峰值和谷值，而選用驅動電機時，顯然是根據峰值來 確定，因此，這種驅動方法存在的問題是選擇驅動電機偏于保守，而電機的重量是步行機構 重量的主要組成部分之一，間接地造成機構運行耗能大，不適宜當前步行機構的研究以及 應用。

實用新型內容本實用新型針對現有技術的不足，提供關節助力調節裝置，以調節關節驅動的力 矩，使得峰值降低，而谷值提高，從而可以選擇功率和最大扭矩更小的電機，減輕關節機構 自重，節省能耗，或者使得假肢佩戴者驅動力矩減小，更加省力。為實現以上的技術目的，本實用新型將采取以下的技術方案一種關節助力調節裝置，涉及肢體一和肢體二，且肢體一和肢體二通過關節旋轉 軸鉸接，包括用于降低關節旋轉力矩峰值的力矩調節裝置，該力矩調節裝置的兩端分別固 定連接在肢體一和肢體二上。所述力矩調節裝置包括凸輪、彈性部件以及剛性部件，所述凸輪固定安裝在肢體 一上，剛性部件的兩端分別與肢體一和彈性部件固定連接，而彈性部件的另一端則與肢體 二固定連接，且剛性部件的部分表體繞在凸輪輪廓面上。所述彈性部件和第二固定部件之間還連接有剛性連接件。力矩調節裝置還包括有安裝定位架，該安裝定位架由相互鉸接的第一固定部件和 第二固定部件組成，所述凸輪通過第一固定部件安裝在肢體一上，而彈性部件則通過第二 固定部件安裝在肢體二上，剛性部件則通過第一固定部件安裝在肢體一上。所述彈性部件和第二固定部件之間還連接有剛性連接件。所述剛性部件呈繩狀或者片狀。剛性部件為鋼絲繩。所述彈性部件為拉簧。所述第一固定部件和第二固定部件都為鈑金架。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果1.本實用新型在組成關節的肢體一和肢體二上連接一力矩調節裝置，該力矩調節裝置可以對關節旋轉力矩峰值降低，同時還提高關節旋轉力矩谷值，從而可以選擇功率和 最大扭矩較小的電機，減輕關節機構自重，節省能耗，或者使得假肢佩戴者驅動力矩減小， 更加省力；2.本實用新型所述的力矩調節裝置包括凸輪、彈性部件以及剛性部件，凸輪固定 在肢體一上，而彈性部件與剛性部件連接后，兩端分別與肢體一和肢體而固定連接，且剛性 部件的部分表體繞在凸輪的輪廓面上，當關節旋轉，即肢體二繞肢體一旋轉時，彈性部件與 剛性部件連成的直線將沿凸輪輪廓面滾動，使得彈性力的力臂發生變化，同時該彈力的力 值也會產生變化，即該力矩調節裝置對關節旋轉提供一期望的輔助力矩，可以降低關節旋 轉的力矩峰值，由此可選擇功率和最大扭矩較小的電機，節約能耗；3.力矩調節裝置還包括安裝定位架，其包括相互鉸接的第一固定部件和第二固定 部件，且凸輪通過第一固定部件固定安裝在肢體一上，而彈性部件則通過第二固定部件安 裝在肢體二上，剛性部件則通過第一固定部件安裝在肢體一上，因此，這種方式更方便該力 矩調節裝置在肢體上的安裝，易于推廣實行；所述凸輪有效輪廓面曲線的設計方法，主要步驟是首先設定彈性部件的彈力初 值，以求出一組凸輪包絡線，然后用過凸輪中心的一組射線來掃描凸輪包絡線，從而得到一 系列待驗證凸輪輪廓曲線點坐標值，接著求出這些待驗證凸輪輪廓曲線點坐標值所對應的 彈性部件彈性形變量，即可求得各待驗證的凸輪輪廓曲線點坐標值所對應的彈性部件彈 力，最后檢驗所求彈性部件彈力是否滿足迭代條件若滿足則將本次迭代所求出的待驗證 凸輪輪廓曲線點坐標值作為實際的凸輪輪廓曲線點坐標值；若不滿足則用本次迭代所求得 的一組彈性部件彈力作為彈力初值，以求出一組新的凸輪包絡線，如此循環迭代下去，直到 滿足迭代條件為止。由此可知，本實用新型所述的有效凸輪輪廓面曲線可根據機器人膝關節在不同相 位所需轉矩進行相應設計，對于同一機器人可根據所設計的不同的膝關節轉矩函數曲線設 計不同的相應凸輪輪廓線；對于不同機器人的不同的膝關節轉矩函數曲線也可進行相應凸 輪廓線的設計，從而增加了本專利的靈活性和通用性。

圖1是本實用新型在關節旋轉角度為θ i時的結構示意圖；圖2是本實用新型在關節旋轉角度為θ j時的結構示意圖；圖3是本實用新型凸輪輪廓面曲線獲取的流程圖；其中，肢體一 1固定連接件2剛性部件3凸輪4關節旋轉軸5彈性部件6剛性 連接件7肢體二 8。
具體實施方式
以下將結合附圖詳細地說明本實用新型的技術方案。如圖1所示，本實用新型所述的關節助力調節裝置，涉及肢體一 1和肢體二 8，且 肢體一 1和肢體二 8通過關節旋轉軸5鉸接，包括用于降低關節旋轉力矩峰值的力矩調節 裝置，該力矩調節裝置的兩端分別固定連接在肢體一 1和肢體二 8上，本實施例中所述的 關節助力調節裝置主要應用于膝關節，則力矩調節裝置的兩端分別固定連接在大腿和小腿上，其包括凸輪4、彈性部件6以及剛性部件3，所述凸輪4固定安裝在肢體一 1上，剛性部件3的兩端分別與肢體一 1和彈性部件6固定連接，且其是通過固定連接件2連接在肢體 一 1上的，而彈性部件6的另一端則與肢體二 8固定連接，且剛性部件3的部分表體繞在凸 輪4輪廓面上，另所述彈性部件6為拉簧。為方便本實用新型在肢體一 1和肢體二 8上的安裝，則力矩調節裝置還包括有安裝定位架，該安裝定位架由相互鉸接的第一固定部件和第二固定部件組成，且第一固定部 件和第二固定部件都為鈑金架，所述凸輪4通過第一固定部件安裝在肢體一 1上，而彈性部 件6則通過第二固定部件安裝在肢體二 8上，剛性部件3則通過第一固定部件安裝在肢體 一 1上，即先將凸輪4固定安裝在第一固定部件上，而彈性部件6與剛性部件3所形成的連 接體兩端則分別固定連接在第一固定部件和第二固定部件上，且將剛性部件3的部分表體 繞在凸輪4的輪廓面，所述剛性部件3呈繩狀或者片狀，本實用新型選用鋼絲繩，另彈性部 件6和第二固定部件之間還連接有剛性連接件7。使用時，將第一固定部件安裝在大腿上，而將第二固定部件安裝在小腿上，當人體 或者機器人步行過程中，安裝定位架將隨著膝關節的旋轉運動而發生旋轉，而彈性部件6 則會繞著凸輪4發生不同的彈性形變，且每一個旋轉瞬間彈性部件6所產生的彈力都對應 有相應的力臂，從而本裝置可以提供一個力矩值，以對膝關節的旋轉力矩進行調整，即使 得膝關節的旋轉力矩峰值降低，而谷值提高，從而可以選擇功率和最大扭矩更小的電機，減 輕膝關節機構自重，節省步行能耗，或者使得假肢佩戴者驅動力矩減小，步行更加省力。本實用新型所述凸輪4有效輪廓面曲線的獲取方法，流程圖如圖3所示，其根據輔 助力矩函數，應用數值迭代的方法反求凸輪4有效輪廓面曲線，該有效輪廓面曲線即指關 節旋轉過程中彈性部件6所在直線與凸輪4切點的集合，主要步驟是首先設定彈性部件6 的彈力初值，以求出一組凸輪4包絡線，然后用過凸輪4中心的一組射線來掃描凸輪4包絡 線，從而得到一系列待驗證凸輪4輪廓曲線點坐標值，接著求出這些待驗證凸輪4輪廓曲線 點坐標值所對應的彈性部件6彈性形變量，即可求得各待驗證的凸輪4輪廓曲線點坐標值 所對應的彈性部件6彈力計算值，最后檢驗彈性部件6彈力計算值是否滿足迭代條件若滿 足則將本次迭代所求出的待驗證凸輪4輪廓曲線點坐標值作為實際的凸輪4輪廓曲線點坐 標值；若不滿足則用本次迭代所求得的一組彈性部件6彈力計算值作為彈力初值，以求出 一組新的凸輪4包絡線，如此循環迭代下去，直到滿足迭代條件為止。具體地說，結合圖1至3，該凸輪4有效輪廓面曲線獲取包括以下步驟(1)設定彈性部件6的彈力初值為fQ，建立凸輪4連體坐標系，同時選取η個離散 轉角位置= 1,2,3, Ln)作為數據擬合目標值，然后將初值&分別賦給與轉角91相 對應的彈力faa) (i = 1,2,3, Lj, L，η)，f(ijl)表示第1次迭代中轉角θ ,對應的彈力，圖中 a(i,k)表示第k次迭代中轉角θ i對應的彈性部件6所在直線與凸輪4的切點；(2)按照降低驅動力矩峰值的目標，選取期望輔助力矩值τ 在本實用新型中，經 過研究凸輪4有效輪廓面曲線的可實現性，采用線性輔助力矩Ti= ^+k^i，根據(1)中 得到的彈性力值，求取與轉角Qi相對應的彈力力臂(Iiia) = ^/^⑶，其中屯⑴表示第丄 次迭代中轉角θ i對應的彈力力臂；利用Simmulink中的SimMechanics模塊建立了擺動腿的動力學仿真模型，得到周 期穩定步行擺動相階段膝關節運動角度隨時間變化的曲線及相應的膝關節驅動扭矩隨時間變化的曲線，同時滿足膝關節期望輔助力矩設計原則(1)由于線性函數相對簡單，所以 將輔助力矩設計為線性，即Ti= TfkaQi ；(2)隨著膝關節運動角度的增大，輔助力矩逐 漸減小；(3)保證膝關節正向最大驅動扭矩有明顯的減小，且限制膝關節負向最大驅動扭 矩增大量；(4)加入輔助力矩后，膝關節驅動扭矩的峰值扭矩有明顯減小；(5)在不同時間 點，膝關節運動角度相同時，提供相同的輔助力矩；(6)輔助力矩均為正，大于零，即為逆時 針方向，則可以獲得輔助力矩與膝關節運動角度的關系函數為Ti(O) = -0. 147 θ knee+18. 6298，15°≤ θ knee ≤72°而膝關節運動隨時間變化的函數如下θ toe(t) = 19648t3-4864t2-13t_25，0 ≤ t ≤T因此，周期穩定步行擺動相階段輔助力矩隨時間變化的關系函數τ j(t) = 2847. 4t3_710. 2t2_2. 3t+15，0 ≤t ≤T其中^⑴為輔助力矩，單位為Nm; θ 一⑴為膝關節運動角度，單位為度；t為 時間，單位為s ;Τ = 0. 26s，為擺動相周期；(3)根據(Iiia)求出與其對應的力臂點A(i,D在凸輪4連體坐標系中的坐標[X(ia)， yu]，同時求出相應的彈性部件6與第二固定部件之間的固定連接點B(U)相對于凸輪4連 體坐標系的坐標[χ' α,ο,γ' (u)]，則可以按照以下公式求出一系列包絡線y = y+y(1，l)+y(1,l)/x(1,l)-x'(1,l)(x-x(1,l))(i= 1,2,3,L ,η)圖1中的B(i,k)表示第k次迭代中轉角θ i對應的彈性部件6與第二固定部件之間 的固定連接點在凸輪4連體坐標系中的坐標；而圖2中的B(M)表示第k次迭代中轉角θ j 對應的彈性部件6與第二固定部件之間的固定連接點在凸輪4連體坐標系中的坐標；(4)用過凸輪4連體坐標系原點的射線對上述步驟求出的包絡線進行掃描，以得 到相對應的待驗證凸輪4輪廓線的點坐標值；(5)根據第(4)步驟獲得的待驗證凸輪4輪廓線點坐標值求出其所對應的彈性部 件6彈性形變量，進而求出相應的彈力f(i,D' = ε [I(^)-IJ, (i = l，2，3，Ln)，其中，ε為 彈性剛度系數，Ια,)為第1次迭代中轉角θ i對應的彈性形變量，I0則為彈簧原長；(6)檢驗所求出的f'(⑶是否滿足迭代條件，即max{|f'(⑶-^ |} < Δ，其中， Δ為迭代條件值，若滿足迭代條件，則步驟(4)中待驗證凸輪4輪廓線對應點坐標即為實 際的凸輪4輪廓線點坐標，若不滿足迭代條件，則返回第(2)步驟，且以f' (U1)作為彈性 部件6初值，求出新的凸輪4包絡線，如此循環迭代下去，直到f' (i,k)滿足迭代條件為止， f' (i,k)表示所求出的第k次迭代中轉角Qi對應的彈力，k= 1，2，3，L η。(7)將第(6)步驟獲取的實際凸輪4輪廓線點擬合得到該有效輪廓面曲線方程 是y = 6. 2563χ2-0· 0475χ-0· 0161，(0· 013299 ≤χ ≤ 0· 03232)所求出的這段有效凸輪4輪廓曲線，即在關節旋轉過程中，膝關節運動角度范圍 內鋼絲繩所貼合的那一段凸輪4輪廓線。
權利要求一種關節助力調節裝置，涉及肢體一和肢體二，且肢體一和肢體二通過關節旋轉軸鉸接，其特征在于，包括用于降低關節旋轉力矩峰值的力矩調節裝置，該力矩調節裝置的兩端分別固定連接在肢體一和肢體二上。
2.根據權利要求1所述的關節助力調節裝置，其特征在于，所述力矩調節裝置包括凸 輪、彈性部件以及剛性部件，所述凸輪固定安裝在肢體一上，剛性部件的兩端分別與肢體一 和彈性部件固定連接，而彈性部件的另一端則與肢體二固定連接，且剛性部件的部分表體 繞在凸輪輪廓面上。
3.根據權利要求2所述的關節助力調節裝置，其特征在于，所述彈性部件和肢體二之 間還連接有剛性連接件。
4.根據權利要求2所述的關節助力調節裝置，其特征在于，力矩調節裝置還包括有安 裝定位架，該安裝定位架由相互鉸接的第一固定部件和第二固定部件組成，所述凸輪通過 第一固定部件安裝在肢體一上，而彈性部件則通過第二固定部件安裝在肢體二上，剛性部 件則通過第一固定部件安裝在肢體一上。
5.根據權利要求2所述的關節助力調節裝置，其特征在于，所述剛性部件呈繩狀或者 片狀。
6.根據權利要求5所述的關節助力調節裝置，其特征在于，剛性部件為鋼絲繩。
7.根據權利要求4所述的關節助力調節裝置，其特征在于，所述第一固定部件和第二 固定部件都為鈑金架。
8.根據權利要求2所述的關節助力調節裝置，其特征在于，所述彈性部件為拉簧。
專利摘要本實用新型涉及關節助力調節裝置，該關節助力調節裝置涉及肢體一和肢體二，且肢體一和肢體二通過關節旋轉軸鉸接，包括用于調節關節旋轉力矩的力矩調節裝置，該力矩調節裝置的兩端分別固定連接在肢體一和肢體二上，且該力矩調節裝置是基于凸輪和彈性部件組成的旋轉型關節助力機構，而凸輪的有效輪廓面曲線是根據輔助力矩函數，應用數值迭代的方法反求而獲得，則本實用新型所述關節助力調節裝置通過凸輪，實現變剛度的扭轉彈性裝置，以調節關節旋轉力矩，使得關節旋轉力矩峰值降低成為可能，同時還提高關節旋轉力矩谷值，從而可以選擇功率和最大扭矩更小的電機，減輕關節機構自重，節省能耗；或者使得假肢佩戴者驅動力矩減小，更加省力。
文檔編號A61F2/70GK201564637SQ200920188229
公開日2010年9月1日 申請日期2009年10月13日 優先權日2009年10月13日
發明者羅翔, 郭銳 申請人:東南大學