一種外骨骼關節驅動結構的制作方法

本發明涉及的是一種機械外骨骼結構，具體涉及的是一種外骨骼關節驅動結構。

背景技術：

現如今外骨骼機器人是高校實驗室和機器人創業公司的熱門研究方向，外骨骼的關節結構和關節驅動機構設計尤為重要，下肢各關節是通過韌帶連接，各關節在運動過程中不是簡單的純轉動，關節機構設計需要具有仿生機理特性。關節驅動器作為外骨骼的動力源機構，需要達到穩定性好、安全性高、能效比大、輸出力和速度可控以及防止對穿戴者造成二次傷害等關鍵技術，現有的關節驅動有直線驅動器推動和旋轉盤式電機驅動兩種形式，直線驅動器是將電機的旋轉運動通過絲杠螺母轉換為直線運動，旋轉盤式電機驅動是加入諧波減速器直接驅動關節。現有驅動器一般都只考慮關節輸出力、輸出速度和運動范圍，都屬于剛性驅動。另一類柔順驅動器有剛度恒定的彈性驅動器和變剛度驅動器兩種形式。彈性驅動器是加入彈性元件，驅動力突變時，彈性元件吸收一部分能量，避免剛性碰撞，從而避免二次傷害等；變剛度驅動器是實現運動過程中驅動器的剛度是變化，可以通過改變剛度緩沖外部沖擊和存儲部分能量，有力提高驅動器的輸出效率，人在行走過程中，其下肢肌肉就具有變剛度特性，電機和減速器輸出的旋轉運動，通過螺旋軸帶動彈簧旋轉，轉化為彈簧末端沿軸向的直線運動，彈簧末端的滑塊因此沿導軌進行上下的直線運動，然后通過鋼索，將滑塊的直線運動轉化為轉盤的轉動。因為轉盤與關節處相連，那么轉盤轉動將會帶動關節轉動，從而實現驅動關節的效果，參看圖1可看出此驅動器結構復雜，因具有同軸性，需要很高的加工精度，增加了加工成本和誤差。選擇了線彈簧，增加兩根導桿，這種形式增加了驅動器的長度和體積。雖然添加了一根彈簧使驅動器具有柔性，能吸收剛性碰撞時鋼索的張力，但對彈簧的選型（彈簧的變形量和關節的行程必須對應）和安裝要求高，鋼索的剛度要求高，因為關節需要至少50-60N*m的力矩。驅動形式復雜，因此瞬時響應速度很小，難以跟蹤人的正常步態。

技術實現要素：

本發明目的是克服現有的外骨骼關節驅動器的都是剛性驅動，輸出力不可控，容易對穿戴者造成二次傷害，以及現有的柔順驅動器具有效果不佳、結構復雜、體積大等缺點，用在外骨骼機器人上都不理想而提供的一種外骨骼關節驅動結構。

為了解決背景技術中所存在的問題，它包含腿部支架1，該腿部支架1的頂部設置有與其插接配合的下肢轉軸2，所述下肢轉軸2內安裝有一根關節軸3，該關節軸3的一端穿過第一軸承4和第一髖部支撐件5與阻抗器連接固定，所述的第一軸承4安裝在第一髖部支撐件5內，所述的關節軸3的另一端穿過第二軸承7和第二髖部支撐件8以及柔性鋼圈9，所述的第二軸承7安裝在第二髖部支撐件8內，所述第二髖部支撐件8的一側開設有供柔性鋼圈9和鋼圈套10間隙插入的環形槽，該鋼圈套10固定安裝在柔性鋼圈9的外側，所述的柔性鋼圈9套接固定在關節軸3的端部，該鋼圈套10的外側固定安裝有諧波減速器11，所述的諧波減速器11安裝在旋轉電機12上。

所述的阻抗器包含一個安裝在第一髖部支撐件5一側的卷簧套6，所述的卷簧套6內固定安裝有數個可與關節軸3套接固定的卷簧13。

所述的柔性鋼圈9整體為一個圓環狀結構，其內部設置有一個定位環14，該定位環14與柔性鋼圈9之間設置有彈簧片15，該彈簧片15呈螺旋狀布置，所述定位環14的內側環形陣列有數個定位卡頭16。

所述關節軸3的外圓面處開設有數個與定位卡頭16插接配合的定位卡槽17。

由于采用了以上技術方案，本發明具有以下有益效果：可以使關節驅動器運動更柔順，避免轉動力矩的突變，能量的吸收和釋放能增大驅動器的能效輸出比，其阻抗力的測量可以作為關節阻抗控制的一個反饋參數，提高運動控制精度。并且結構簡單，加工零件少，功能實現容易。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明中柔性鋼圈部分的俯視圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

參看圖1，本具體實施方式是采用以下技術方案予以實現，它包含腿部支架1，該腿部支架1的頂部設置有與其插接配合的下肢轉軸2，所述下肢轉軸2內安裝有一根關節軸3，該關節軸3的一端穿過第一軸承4和第一髖部支撐件5與阻抗器連接固定，所述的第一軸承4安裝在第一髖部支撐件5內，所述的關節軸3的另一端穿過第二軸承7和第二髖部支撐件8以及柔性鋼圈9，所述的第二軸承7安裝在第二髖部支撐件8內，所述第二髖部支撐件8的一側開設有供柔性鋼圈9和鋼圈套10間隙插入的環形槽，該鋼圈套10固定安裝在柔性鋼圈9的外側，所述的柔性鋼圈9套接固定在關節軸3的端部，該鋼圈套10的外側固定安裝有諧波減速器11，所述的諧波減速器11安裝在旋轉電機12上。

所述的阻抗器包含一個安裝在第一髖部支撐件5一側的卷簧套6，所述的卷簧套6內固定安裝有數個可與關節軸3套接固定的卷簧13。

參看圖2，所述的柔性鋼圈9整體為一個圓環狀結構，其內部設置有一個定位環14，該定位環14與柔性鋼圈9之間設置有彈簧片15，該彈簧片15呈螺旋狀布置，所述定位環14的內側環形陣列有數個定位卡頭16。

所述關節軸3的外圓面處開設有數個與定位卡頭16插接配合的定位卡槽17。

下面結合附圖對本具體實施方式中技術方案部分的使用方法及其原理作進一步的闡述：

旋轉電機12通過諧波減速器11減速，增加輸出力矩，然后結合阻抗器的阻抗力或輔助力輸出在外骨骼關節軸3上。阻抗器可以通過卷簧13的變形量吸收相應能量，因此阻抗器可以防止驅動器碰撞時剛性輸出，下肢離地時關節力矩會突變下降，阻抗器可以防止下肢運動發生抖動，使下肢運動更柔順。將下肢直立狀態設置為阻抗為零，抬腿時阻抗器吸收能量，在收腿時釋放能量輔助驅動器收腿，此時可以減少驅動器的力輸出，因此整個過程可以提高驅動器的能效輸出比。

由于阻抗器是由卷簧13和卷簧套6組成，卷簧13外端與固定的卷簧套6連接，內部與關節軸3套接連接，多個卷簧13的插入可以改變阻抗器的剛度，這樣能適用不同體型的穿戴者。關節軸3在運動過程中會使卷簧13發生相對轉動，該阻抗結構可以使關節驅動器運動更柔順，避免轉動力矩的突變，能量的吸收和釋放能增大驅動器的能效輸出比，其阻抗力的測量可以作為關節阻抗控制的一個反饋參數，提高運動控制精度。并且結構簡單，加工零件少，功能實現容易。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。