用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人制造技术

用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它涉及一种下肢助力外骨骼机器人，以解决现有下肢助力外骨骼机器人由于构型的刚性化所带来的体积大、重量大、与人体融合性低、灵活性差、能耗较大，且无法针对人体攀登过程膝关节进行柔顺化适应性辅助运动的问题，包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿和小腿；所述变力矩驱动装置包括电机、支撑架和驱动转盘；所述传动组件包括两条绳索、两根鲍登线管和两个鲍登线管固定接头；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘组成；所述大腿和所述小腿转动连接。本发明专利技术用于对人体攀登过程进行膝关节助力。

Flexible exoskeleton robot for climbing knee power

For the exoskeleton robot assisted knee climbing process, which relates to a lower extremity exoskeleton robot, in order to solve the existing lower extremity exoskeleton robot from the rigid configuration of the large volume and weight, and human integration is low, poor flexibility, high energy consumption, and can not climb for human knee joint for smooth adaptability auxiliary movement problems, including variable torque drive, the left leg, right leg and transmission components; including left and right leg thigh and leg; the variable torque drive device comprises a motor, a supporting frame and the driving wheel; the driving assembly comprises two ropes, two Bowden wire tube and two abalone on line pipe fixing joint; the driving wheel is mainly composed of a cam is connected with the winch boundary plate and two cam winch composition; the thigh and the Leg rotation joint. The invention is used for assisting the knee in the climbing process of the human body.

【技术实现步骤摘要】
用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人
本专利技术涉及一种下肢助力外骨骼机器人，具体涉及一种用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人。
技术介绍
目前，助力外骨骼机器人基本都是采用刚性的连接构件，并采用驱动系统直接对这些刚性的连接构件进行驱动，从而带动人体与外骨骼一起运动。此种刚性的外骨骼构型设计，增大了外骨骼系统的体积与整体质量，极大地影响了外骨骼构型与人体的融合性，限制了外骨骼机器人的拟人化程度，影响了外骨骼机器人与人体的协同运动，同时限制了整个外骨骼系统的运动灵活性，增加了系统的能量消耗。对于采用钢丝绳作为外骨骼机器人的驱动，根据人体的运动步态不同阶段所需力矩进行变力矩适应性驱动，实现起来需要比较复杂的控制算法。此外，目前的助力外骨骼机器人主要针对辅助人体平地行走，在辅助人体进行攀登运动的外骨骼机器人较少。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有下肢助力外骨骼机器人由于构型的刚性化所带来的体积大、重量大、与人体融合性低、灵活性差、能耗较大，且无法针对人体攀登过程膝关节进行柔顺化适应性辅助运动的问题，进而提供一种用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿和小腿；所述变力矩驱动装置包括电机、支撑架和驱动转盘；所述传动组件包括两条绳索、两根鲍登线管和两个鲍登线管固定接头；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘组成；凸轮绞盘分界盘和两个凸轮绞盘加工有驱动转盘轴，两个所述凸轮绞盘对称设置；所述凸轮绞盘分界盘与两个所述凸轮绞盘之间分别加工有用于缠绕绳索的绳索槽，两个绳索槽内的绳索的缠绕方向相反；所述驱动转盘轴转动安装在所述支撑架上，所述电机的输出轴固装在驱动转盘轴的轴孔内，所述电机通过电机连接法兰盘固装在所述支撑架上；所述大腿和所述小腿转动连接，所述大腿的背侧设有鲍登线管导向孔道；所述支撑架上固装有两个所述鲍登线管固定接头；鲍登线管的一端通过鲍登线管固定接头固定，鲍登线管穿设在鲍登线管导向孔道内，鲍登线管的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道的下端口处，绳索槽内绳索的一端缠绕固定在所述绳索槽上，绳索7穿设在鲍登线管内，绳索的另一端固接在所述小腿的背侧。本专利技术的有益效果是：一、本专利技术采用轻型材料柔顺化设计，方便携带；二、采用一个电机和驱动转盘对左腿和右腿进行交替驱动，整体结构紧凑，质量轻；三、整体构型设计高度拟人化，与人体生理参数高度适应；四、腿部采用3D打印轻型化弹性材料，极大的减轻整体重量，更加柔顺；五、膝关节采用绳索主动变力矩驱动，具有柔顺化适应性驱动效果；六、驱动输出结合人体攀登运动步态周期对应所需力矩，实现功能上的拟人化，节省了能源，提升了续航时间；七、攀登时辅助人体膝关节出力，提高人体运动能力，减少人体新陈代谢。本专利技术整体重量包括电控系统不超过3kg。附图说明图1为本专利技术的立体结构示意图；图2为变力矩驱动装置的结构示意图；图3为图2去端盖的主视图；图4为变力矩驱动装置的爆炸图；图5为图4中驱动转盘的结构示意图；图6为图4中驱动转盘从电机侧看的结构示意图；图7为驱动转盘的侧视图；图8为大腿、小腿和鲍登线管导向孔道连接结构侧视图；图9为大腿、小腿、鲍登线管导向孔道和鲍登线管相互连接结构示意图；图10为小腿结构示意图；图11为大腿结构示意图；图12为本专利技术工作原理图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。结合图1-图11说明，用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿9和小腿10；所述变力矩驱动装置包括电机1、支撑架13和驱动转盘4；所述传动组件包括两条绳索7、两根鲍登线管12和两个鲍登线管固定接头8；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘4-2和两个凸轮绞盘4-1组成；凸轮绞盘分界盘4-2和两个凸轮绞盘4-1加工有驱动转盘轴4-3，两个所述凸轮绞盘4-1对称设置；所述凸轮绞盘分界盘4-2与两个所述凸轮绞盘4-1之间分别加工有用于缠绕绳索7的绳索槽4-1-1，两个绳索槽4-1-1内的绳索7的缠绕方向相反；所述驱动转盘轴4-3转动安装在所述支撑架13上，所述电机1的输出轴固装在驱动转盘轴4-3的轴孔内，所述电机1通过电机连接法兰盘2固装在所述支撑架13上；所述大腿9和所述小腿10转动连接，所述大腿9的背侧设有鲍登线管导向孔道9-1；所述支撑架13上固装有两个所述鲍登线管固定接头8；鲍登线管12的一端通过鲍登线管固定接头8固定，鲍登线管12穿设在鲍登线管导向孔道9-1内，鲍登线管12的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道9-1的下端口处，绳索槽4-1-1内绳索7的一端缠绕固定在所述绳索槽4-1-1上，绳索7穿设在鲍登线管12内，绳索7的另一端固接在所述小腿10的背侧。本实施方式的两个凸轮绞盘4-1的外形尺寸完全一致，在凸轮绞盘分界盘4-2两边成对称分布，从而实现驱动转盘轴4朝一个方向定向转动时，两个凸轮绞盘4-1分别处于收绳和放绳的工作状态，并且随着驱动转盘轴4的转动方向改变，两个凸轮绞盘4-1交替改变工作状态，从而实现一组绳索处于驱动关节状态，而另一组绳索处于放松状态，实现变力矩驱动输出。两个凸轮绞盘4-1的外缘上出绳点有效力臂变化范围为R1～R2mm(R1<R2)。大腿9和小腿10由轻质弹性材料3D打印制成，本身具有较强的弹性。大腿9和小腿10之间通过大腿转动孔9-2和小腿转动轴10-1之间的配合连接，实现大腿9和小腿10之间相对转动，鲍登线管12内部有钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳等绳索7，鲍登线管12穿过鲍登线管导向孔道9-1，在孔的端口处截止，鲍登线管12内部有绳索7直接跨过大腿9和小腿10，通过钢丝绳卡头固定在小腿钢丝绳固定端10-2上。大腿9和小腿10上分别还设有两条腿部绑带11，大腿9和小腿10通过腿部绑带11分别固定在人体的腿部上，实现轻质柔性外骨骼对带动人体下肢运动。电机1旋转拉动对应的大腿9和小腿10上的绳索7时，大腿9和小腿10与人体之间通过腿部绑带11固定，攀登时蹬踏腿的小腿10保持不动，绳索7长度变短，使大腿9绕转动轴相对小腿10进行转动，实现人体整体重心的提升，从而达到攀登过程的膝关节进行助力，实现辅助人体攀登。结合图1说明，优选地，绳索7为钢丝绳或凯夫拉绳或碳纤维绳。如此设置，钢丝绳柔性好，强度大。凯夫拉绳具有耐高温，防火阻燃，重量轻，强度高，模量高，尺寸稳定，收缩率低，耐刺破，耐磨耗，耐热性，耐化学腐蚀，机械性能好，介电性好等优点；碳纤维绳具有强度大，便于保证重复展开精度。结合图1以及图8-图11说明，大腿9和小腿10均由轻质弹性材料制成。如此设置，极大地减轻了整个装置的重量。结合图2-图4说明，支撑架13包括支撑外壳3和支撑外壳端盖5；所述支撑外壳端盖5安装在所述支撑外壳3上，所述驱动转盘轴4布置在所述支撑外壳3内并转动安装在所述支撑外壳3和所述支撑外壳端盖5上，所述电机1通过电机连接法兰盘2固装在所述支撑外壳3上，两个所述鲍登线管固定接头8固装在所述支撑外壳3上。本实施例的电机连接法兰盘2通过螺栓固定在支撑本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿(9)和小腿(10)；所述变力矩驱动装置包括电机(1)、支撑架(13)和驱动转盘(4)；所述传动组件包括两条绳索(7)、两根鲍登线管(12)和两个鲍登线管固定接头(8)；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘(4‑2)和两个凸轮绞盘(4‑1)组成；凸轮绞盘分界盘(4‑2)和两个凸轮绞盘(4‑1)加工有驱动转盘轴(4‑3)，两个所述凸轮绞盘(4‑1)对称设置；所述凸轮绞盘分界盘(4‑2)与两个所述凸轮绞盘(4‑1)之间分别加工有用于缠绕绳索(7)的绳索槽(4‑1‑1)，两个绳索槽(4‑1‑1)内的绳索(7)的缠绕方向相反；所述驱动转盘轴(4‑3)转动安装在所述支撑架(13)上，所述电机(1)的输出轴固装在驱动转盘轴(4‑3)的轴孔内，所述电机(1)通过电机连接法兰盘(2)固装在所述支撑架(13)上；所述大腿(9)和所述小腿(10)转动连接，所述大腿(9)的背侧设有鲍登线管导向孔道(9‑1)；所述支撑架(13)上固装有两个所述鲍登线管固定接头(8)；鲍登线管(12)的一端通过鲍登线管固定接头(8)固定，鲍登线管(12)穿设在鲍登线管导向孔道(9‑1)内，鲍登线管(12)的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道(9‑1)的下端口处，绳索槽(4‑1‑1)内绳索(7)的一端缠绕固定在所述绳索槽(4‑1‑1)上，绳索(7)穿设在鲍登线管(12)内，绳索(7)的另一端固接在所述小腿(10)的背侧。...

【技术特征摘要】
1.用于攀登过程膝关节助力的柔性外骨骼机器人，其特征在于：它包括变力矩驱动装置、左腿、右腿和传动组件；左腿和右腿分别包括大腿(9)和小腿(10)；所述变力矩驱动装置包括电机(1)、支撑架(13)和驱动转盘(4)；所述传动组件包括两条绳索(7)、两根鲍登线管(12)和两个鲍登线管固定接头(8)；所述驱动转盘主要由连接为一体的凸轮绞盘分界盘(4-2)和两个凸轮绞盘(4-1)组成；凸轮绞盘分界盘(4-2)和两个凸轮绞盘(4-1)加工有驱动转盘轴(4-3)，两个所述凸轮绞盘(4-1)对称设置；所述凸轮绞盘分界盘(4-2)与两个所述凸轮绞盘(4-1)之间分别加工有用于缠绕绳索(7)的绳索槽(4-1-1)，两个绳索槽(4-1-1)内的绳索(7)的缠绕方向相反；所述驱动转盘轴(4-3)转动安装在所述支撑架(13)上，所述电机(1)的输出轴固装在驱动转盘轴(4-3)的轴孔内，所述电机(1)通过电机连接法兰盘(2)固装在所述支撑架(13)上；所述大腿(9)和所述小腿(10)转动连接，所述大腿(9)的背侧设有鲍登线管导向孔道(9-1)；所述支撑架(13)上固装有两个所述鲍登线管固定接头(8)；鲍登线管(12)的一端通过鲍登线管固定接头(8)固定，鲍登线管(12)穿设在鲍登线管导向孔道(9-1)内，鲍登线管(12)的另一端固定在所述鲍登线管导向孔道(9-1)的下端口处，绳索槽(4-1-1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，赵思恺，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