一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人制造技术

一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人。本发明专利技术的背部与腰部上下设置，腰部上的腰部捆绑连接件与背部上的背部支撑件连接，髋关节轴的上端与腰部上的腰髋连接件铰接，髋关节轴的下端设置在髋关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与髋关节轴连接，髋关节上的电机轴承座固装在大腿上，膝关节上的电机轴承座固装在大腿上，小腿连接件的上端设置在膝关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与小腿连接件连接，小腿连接件的下端与小腿连接，小腿的下端通过踝关节与脚部铰接。本发明专利技术用于军用负重。

Lower limb power assisted exoskeleton robot based on steel wire drive speed ratio joint

The utility model relates to a lower limb power assisted exoskeleton robot based on a steel wire transmission variable speed joint, which relates to a lower limb power assisted exoskeleton robot. Back and waist of the invention arranged on the waist, the waist tie connecting piece is connected with the back support on the back, and the upper end of the waist hip axis of the waist and hip joints with lower hip axis is arranged in the hip on the driving shaft and the driven shaft between the cam and the cam. The connecting element will drive shaft and the driven shaft cam cam and hip joint shaft, motor bearing on the hip joint is fixed on the thigh, motor bearing knee joint is fixedly arranged on the thigh, between the driving shaft and the driven shaft cam cam is connected with the upper end of the leg is arranged on the knee joint, and through the connecting element will drive shaft and the driven shaft cam cam and connecting the leg, leg joints and the lower end of the lower end of the connecting leg leg, ankle and foot. The invention is used for carrying weight in military service.

【技术实现步骤摘要】
一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人
本专利技术涉及一种下肢助力外骨骼机器人，具体涉及一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人。
技术介绍
目前，对于下肢助力外骨骼机器人来讲，膝关节和髋关节是至关重要的设计环节，而且这两个关节对机器人助力效果影响最大。现有的外骨骼机器人在膝关节和髋关节设计上都采用主动驱动，采用电机直接驱动，对电机出力和速度要求高，导致电机体积重量做的很大；采用液压缸驱动，整体体积大，还需要考虑液压泵站，油源泄露，环境污染，效率低下，而且运动范围受限制；还有的外骨骼只在膝关节采用主动驱动，采用电机直接驱动或者液压缸驱动，髋关节完全采用被动驱动，由穿戴者直接带动控制，这种设计方式，对膝关节的要求特别高，导致膝关节电机或者液压缸的尺寸、重量进一步加大，增加外骨骼整体重量，髋关节没有任何助力装置，完全由人体带动，会消耗人体很多体能，限制人体的正常运动范围。
技术实现思路
本专利技术为解决现有下肢助力外骨骼机器人体积大、质量大、膝关节及髋关节传动效率低，且钢丝传动不可以双向传动的问题，而提出一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人。本专利技术的一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，所述机器人包括背部、腰部、两个髋关节、两个膝关节、两个髋关节轴、两个大腿、两个小腿连接件、两个小腿、两个踝关节和两个脚部；每个膝关节包括电机轴系和传动机构；电机轴系包括减速电机、轴承、轴承挡板和电机轴承座，减速电机固定在电机轴承座上，轴承挡板将轴承紧固在电机轴承座内；传动机构包括主动轴、从动轴、钢丝绳、主动轴凸轮、从动轴凸轮、关节轴、主动轴凸轮钢丝绳固定块、从动轴凸轮钢丝绳固定块、主动轴轴承和从动轴轴承，主动轴与从动轴平行设置在关节轴上，且主动轴通过主动轴轴承与关节轴连接，从动轴通过从动轴轴承与关节轴连接，主动轴和从动轴的轴线均与膝盖轴的轴线垂直设置，从动轴凸轮设置在主动轴与从动轴之间，且从动轴凸轮通过轴承安装在关节轴上，主动轴凸轮设置在主动轴的外侧，且主动轴凸轮通过轴承安装在关节轴上，主动轴凸轮朝向主动轴一侧的侧面上设有主凸轮外缘，从动轴凸轮朝向从动轴一侧的侧面上设有副凸轮外缘，主动轴的上方设有主动轴走线槽，主动轴走线槽的下端设有径向通孔，从动轴的上方设有从动轴走线槽，从动轴的轴心设有轴心孔，从动轴走线槽的上端设有上通孔，从动轴走线槽的下端设有下通孔，上通孔和下通孔均与轴心孔相通，主动轴凸轮钢丝绳固定块固装在主动轴凸轮的上端，从动轴凸轮钢丝绳固定块固装在从动轴凸轮的下端，钢丝绳的一端与主动轴凸轮钢丝绳固定块固连，钢丝绳的另一端沿主凸轮外缘表面绕在主动轴凸轮上，绕至主动轴位置处再沿主动轴的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔处并从径向通孔穿过再沿主动轴走线槽缠绕2～4圈后再绕到从动轴的从动轴走线槽上，在从动轴走线槽中缠绕2～4圈后经上通孔、轴心孔由下通孔穿出后再沿从动轴凸轮的副凸轮外缘表面绕在从动轴凸轮上后与从动轴凸轮钢丝绳固定块固连；传动机构上的主动轴与电机轴系上的减速电机的输出轴连接；膝关节和髋关节的结构相同，且膝关节与髋关节设置位置相反，即髋关节上的传动机构朝上设置，髋关节上的传动机构朝下设置；背部与腰部上下设置，且腰部上的腰部捆绑连接件与背部上的背部支撑件连接，腰部上的两个腰髋连接件、两个髋关节轴和两个髋关节一一对应，髋关节轴的上端与腰部上的腰髋连接件铰接，髋关节轴的下端设置在髋关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与髋关节轴连接，两个大腿与两个髋关节一一对应，髋关节上的电机轴承座固装在大腿上，两个膝关节与两个大腿一一对应，膝关节上的电机轴承座固装在大腿上，两个小腿连接件、两个小腿和两个膝关节一一对应，小腿连接件的上端设置在膝关节上的主动轴凸轮与从动轴凸轮之间，且通过连接元件将主动轴凸轮和从动轴凸轮与小腿连接件连接，小腿连接件的下端与小腿连接，两个踝关节、两个脚部和两个小腿一一对应，小腿的下端通过踝关节与脚部铰接。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：一、本专利技术的膝关节采用钢丝绳与凸轮机构实现变减速比传动，在电机功率一定的情况下，在人正常行走时提供高转速、小出力，在人上楼梯或从下蹲到起立的过程中提供低转速、大出力，提高了能量利用率。满足穿戴者在负重的情况下可以完成正常活动的目的，有效地起到助力并不影响运动的效果。本专利技术采用钢丝绳传递动力的方式，相比电机直接驱动膝关节的方式，结构更加紧凑，提高了传动效率。钢丝传动机构相比其他传动机构体积更小、机构更加简单紧凑、质量更轻、效率更高。本专利技术采用钢丝绳在主动轴与从动轴的走线槽上通过摩擦实现主动轴到从动轴的动力传递，完成膝关节屈伸自由度的闭环运动，解决了钢丝传动不可以双向传动的问题，且本专利技术的整体结构体积小，重量轻。二、本专利技术的髋关节同样采用钢丝绳传动，完全根据人体正常行走、上下楼梯、蹲起、小跑时的髋关节转速和扭矩设计，满足拟人化设计，使人体穿戴外骨骼后在满足助力的情况下，不影响穿戴者其他的正常运动。三、本专利技术的整体设计按照拟人化的设计原则，符合人体运动要求和活动范围，在人不同的运动状况下提供相应的出力以及速度，符合人体运动要求；采用模块化设计，提高了产品的可靠性与设计效率；质量轻，整体拆卸后可以装进20寸的行李箱内，携带方便；在大腿、小腿、腰部都设计了伸缩调节机构，尺寸调节方便，可以适应不同身材的穿戴人群，穿戴舒适、快捷。四、本专利技术的整体重量包括电气系统不超过15kg，最大负重70kg，实现轻型化大负载的要求。五、本专利技术用于军事领域和工业领域的背负大负载行进和工作，主要用于军用负重。附图说明图1是本专利技术的整体结构主视图；图2是图1的左视图；图3是本专利技术的整体结构立体图；图4是髋关节C或膝关节D的立体图；图5是传动机构D2的立体图；图6是传动机构D2的另一个方向看的立体图；图7是电机轴系D1的立体图；图8是关节轴D2-6的立体图；图9是主动轴D2-1和从动轴D2-2的上端钢丝绳D2-3在主动轴走线槽D2-1-1和从动轴走线槽D2-2-1中的缠绕示意图；图10是图9的俯视。具体实施方式具体实施方式一：结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式包括背部A、腰部B、两个髋关节C、两个膝关节D、两个髋关节轴I、两个大腿E、两个小腿连接件J、两个小腿F、两个踝关节G和两个脚部H；每个膝关节D包括电机轴系D1和传动机构D2；电机轴系D1包括减速电机D1-1、轴承D1-2、轴承挡板D1-3和电机轴承座D1-4，减速电机D1-1固定在电机轴承座D1-4上，轴承挡板D1-3将轴承D1-2紧固在电机轴承座D1-4内；传动机构D2包括主动轴D2-1、从动轴D2-2、钢丝绳D2-3、主动轴凸轮D2-4、从动轴凸轮D2-5、关节轴D2-6、主动轴凸轮钢丝绳固定块D2-7、从动轴凸轮钢丝绳固定块D2-8、主动轴轴承D2-9和从动轴轴承D2-10，主动轴D2-1与从动轴D2-2平行设置在关节轴D2-6上，且主动轴D2-1通过主动轴轴承D2-9与关节轴D2-6连接，从动轴D2-2通过从动轴轴承D2-10与关节轴D2-6连接，主动轴D2-1和从动轴D2-2的轴线均与膝盖轴D2-6的轴线垂直设置，从动轴凸轮D2-5设置在主动轴D2-1与从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述机器人包括背部(A)、腰部(B)、两个髋关节(C)、两个膝关节(D)、两个髋关节轴(I)、两个大腿(E)、两个小腿连接件(J)、两个小腿(F)、两个踝关节(G)和两个脚部(H)；每个膝关节(D)包括电机轴系(D1)和传动机构(D2)；电机轴系(D1)包括减速电机(D1‑1)、轴承(D1‑2)、轴承挡板(D1‑3)和电机轴承座(D1‑4)，减速电机(D1‑1)固定在电机轴承座(D1‑4)上，轴承挡板(D1‑3)将轴承(D1‑2)紧固在电机轴承座(D1‑4)内；传动机构(D2)包括主动轴(D2‑1)、从动轴(D2‑2)、钢丝绳(D2‑3)、主动轴凸轮(D2‑4)、从动轴凸轮(D2‑5)、关节轴(D2‑6)、主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2‑7)、从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2‑8)、主动轴轴承(D2‑9)和从动轴轴承(D2‑10)，主动轴(D2‑1)与从动轴(D2‑2)平行设置在关节轴(D2‑6)上，且主动轴(D2‑1)通过主动轴轴承(D2‑9)与关节轴(D2‑6)连接，从动轴(D2‑2)通过从动轴轴承(D2‑10)与关节轴(D2‑6)连接，主动轴(D2‑1)和从动轴(D2‑2)的轴线均与膝盖轴(D2‑6)的轴线垂直设置，从动轴凸轮(D2‑5)设置在主动轴(D2‑1)与从动轴(D2‑2)之间，且从动轴凸轮(D2‑5)通过轴承安装在关节轴(D2‑6)上，主动轴凸轮(D2‑4)设置在主动轴(D2‑1)的外侧，且主动轴凸轮(D2‑4)通过轴承安装在关节轴(D2‑6)上，主动轴凸轮(D2‑4)朝向主动轴(D2‑1)一侧的侧面上设有主凸轮外缘(D2‑4‑1)，从动轴凸轮(D2‑5)朝向从动轴(D2‑2)一侧的侧面上设有副凸轮外缘(D2‑5‑1)，主动轴(D2‑1)的上方设有主动轴走线槽(D2‑1‑1)，主动轴走线槽(D2‑1‑1)的下端设有径向通孔(D2‑1‑2)，从动轴(D2‑2)的上方设有从动轴走线槽(D2‑2‑1)，从动轴(D2‑2)的轴心设有轴心孔(D2‑2‑2)，从动轴走线槽(D2‑2‑1)的上端设有上通孔(D2‑2‑3)，从动轴走线槽(D2‑2‑1)的下端设有下通孔(D2‑2‑4)，上通孔(D2‑2‑3)和下通孔(D2‑2‑4)均与轴心孔(D2‑2‑3)相通，主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2‑7)固装在主动轴凸轮(D2‑4)的上端，从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2‑8)固装在从动轴凸轮(D2‑5)的下端，钢丝绳(D2‑3)的一端与主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2‑7)固连，钢丝绳(D2‑3)的另一端沿主凸轮外缘(D2‑4‑1)表面绕在主动轴凸轮(D2‑4)上，绕至主动轴(D2‑1)位置处再沿主动轴(D2‑1)的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔(D2‑1‑2)处并从径向通孔(D2‑1‑2)穿过再沿主动轴走线槽(D2‑1‑1)缠绕2～4圈后再绕到从动轴(D2‑2)的从动轴走线槽(D2‑2‑1)上，在从动轴走线槽(D2‑2‑1)中缠绕2～4圈后经上通孔(D2‑2‑3)、轴心孔(D2‑2‑2)由下通孔(D2‑2‑4)穿出后再沿从动轴凸轮(D2‑5)的副凸轮外缘(D2‑5‑1)表面绕在从动轴凸轮(D2‑5)上后与从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2‑8)固连；传动机构(D2)上的主动轴(D2‑1)与电机轴系(D1)上的减速电机(D1‑1)的输出轴连接；膝关节(D)和髋关节(C)的结构相同，且膝关节(D)与髋关节(C)设置位置相反，即髋关节(C)上的传动机构(D2)朝上设置，髋关节(C)上的传动机构(D2)朝下设置；背部(A)与腰部(B)上下设置，且腰部(B)上的腰部捆绑连接件(B1)与背部(A)上的背部支撑件(A1)连接，腰部(B)上的两个腰髋连接件(B2)、两个髋关节轴(I)和两个髋关节(C)一一对应，髋关节轴(I)的上端与腰部(B)上的腰髋连接件(B4)铰接，髋关节轴(I)的下端设置在髋关节(C)上的主动轴凸轮(D2‑4)与从动轴凸轮(D2‑5)之间，且通过连接元件将主动轴凸轮(D2‑4)和从动轴凸轮(D2‑5)与髋关节轴(I)连接，两个大腿(E)与两个髋关节(C)一一对应，髋关节(C)上的电机轴承座(D1‑4)固装在大腿(E)上，两个膝关节(D)与两个大腿(E)一一对应，膝关节(D)上的电机轴承座(D1‑4)固装在大腿(E)上，两个小腿连接件(J)、两个小腿(F)和两个膝关节(D)一一对应，小腿连接件(J)的上端设置在膝关节(D)上的主动轴凸轮(D2‑4)与从动轴凸轮(D2‑5)之间，且通过连接元件将主动轴凸轮(D2‑4)和从动轴凸轮(D2‑5)与小腿连接件(J)连接，小腿连接件(J)的下端与小腿(F)连接，两个踝关节(G)、两个脚部(H)和两个小腿(F)一一对应，小腿(F)的下端通过踝关节(G...

【技术特征摘要】
1.一种基于钢丝传动变速比关节的下肢助力外骨骼机器人，其特征在于：所述机器人包括背部(A)、腰部(B)、两个髋关节(C)、两个膝关节(D)、两个髋关节轴(I)、两个大腿(E)、两个小腿连接件(J)、两个小腿(F)、两个踝关节(G)和两个脚部(H)；每个膝关节(D)包括电机轴系(D1)和传动机构(D2)；电机轴系(D1)包括减速电机(D1-1)、轴承(D1-2)、轴承挡板(D1-3)和电机轴承座(D1-4)，减速电机(D1-1)固定在电机轴承座(D1-4)上，轴承挡板(D1-3)将轴承(D1-2)紧固在电机轴承座(D1-4)内；传动机构(D2)包括主动轴(D2-1)、从动轴(D2-2)、钢丝绳(D2-3)、主动轴凸轮(D2-4)、从动轴凸轮(D2-5)、关节轴(D2-6)、主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-7)、从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-8)、主动轴轴承(D2-9)和从动轴轴承(D2-10)，主动轴(D2-1)与从动轴(D2-2)平行设置在关节轴(D2-6)上，且主动轴(D2-1)通过主动轴轴承(D2-9)与关节轴(D2-6)连接，从动轴(D2-2)通过从动轴轴承(D2-10)与关节轴(D2-6)连接，主动轴(D2-1)和从动轴(D2-2)的轴线均与膝盖轴(D2-6)的轴线垂直设置，从动轴凸轮(D2-5)设置在主动轴(D2-1)与从动轴(D2-2)之间，且从动轴凸轮(D2-5)通过轴承安装在关节轴(D2-6)上，主动轴凸轮(D2-4)设置在主动轴(D2-1)的外侧，且主动轴凸轮(D2-4)通过轴承安装在关节轴(D2-6)上，主动轴凸轮(D2-4)朝向主动轴(D2-1)一侧的侧面上设有主凸轮外缘(D2-4-1)，从动轴凸轮(D2-5)朝向从动轴(D2-2)一侧的侧面上设有副凸轮外缘(D2-5-1)，主动轴(D2-1)的上方设有主动轴走线槽(D2-1-1)，主动轴走线槽(D2-1-1)的下端设有径向通孔(D2-1-2)，从动轴(D2-2)的上方设有从动轴走线槽(D2-2-1)，从动轴(D2-2)的轴心设有轴心孔(D2-2-2)，从动轴走线槽(D2-2-1)的上端设有上通孔(D2-2-3)，从动轴走线槽(D2-2-1)的下端设有下通孔(D2-2-4)，上通孔(D2-2-3)和下通孔(D2-2-4)均与轴心孔(D2-2-3)相通，主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-7)固装在主动轴凸轮(D2-4)的上端，从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-8)固装在从动轴凸轮(D2-5)的下端，钢丝绳(D2-3)的一端与主动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-7)固连，钢丝绳(D2-3)的另一端沿主凸轮外缘(D2-4-1)表面绕在主动轴凸轮(D2-4)上，绕至主动轴(D2-1)位置处再沿主动轴(D2-1)的外径表面螺旋向上缠绕至径向通孔(D2-1-2)处并从径向通孔(D2-1-2)穿过再沿主动轴走线槽(D2-1-1)缠绕2～4圈后再绕到从动轴(D2-2)的从动轴走线槽(D2-2-1)上，在从动轴走线槽(D2-2-1)中缠绕2～4圈后经上通孔(D2-2-3)、轴心孔(D2-2-2)由下通孔(D2-2-4)穿出后再沿从动轴凸轮(D2-5)的副凸轮外缘(D2-5-1)表面绕在从动轴凸轮(D2-5)上后与从动轴凸轮钢丝绳固定块(D2-8)固连；传动机构(D2)上的主动轴(D2-1)与电机轴系(D1)上的减速电机(D1-1)的输出轴连接；膝关节(D)和髋关节(C)的结构相同，且膝关节(D)与髋关节(C)设置位置相反，即髋关节(C)上的传动机构(D2)朝上设置，髋关节(C)上的传动机构(D2)朝下设置；背部(A)与腰部(B)上下设置，且腰部(B)上的腰部捆绑连接件(B1)与背部(A)上的背部支撑件(A1)连接，腰部(B)上的两个腰髋连接件(B2)、两个髋关节轴(I)和两个髋关节(C)一一对应，髋关节轴(I)的上端与腰部(B)上的腰髋连接件(B4)铰接...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，马舜，张宗伟，赵杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23