人体仿生膝关节、髋关节传动系统技术方案

本发明专利技术提出的人体仿生膝、髋关节传动系统，属于人体仿生和人机接口技术领域，均包括动力单元、传动单元及运动输出单元，传动单元均包括输入和输出模块，膝关节传动系统中动力、运动输出单元分别位于传动单元顶、底部，髋关节传动系统中动力、运动输出单元均位于传动单元内部，两种关节传动系统顶、底部均分别设有连接人体其他仿生结构件接口；两种关节传动系统的传动单元输入、输出模块分别与各自动力、运动输出单元连接；通过传动单元将动力单元输入的高速转动转化为符合人体膝、髋关节在人体矢状面内低速转动，通过运动输出单元将该低速转动传递至人体其他仿生结构件；本发明专利技术与人体其他仿生结构件匹配，保证安全性同时具有较高运动传递效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于人体仿生和人机接口
，特别涉及人体仿生膝关节、髋关节运动装置的设计。
技术介绍
让残疾人，截瘫病人重新获得行动能力逐渐成为了现代社会医学研究的一个热门话题。用于辅助下肢残障人士进行行走的外骨骼的出现使得这一问题得到了解决。外骨骼机构的常见构型，是在人体下肢两侧平行搭建一台机构，与人体下肢相连接，该机构包括关节装置以及大腿/小腿杆件；其中，关节装置的布置与运动自由度接近人体或与人体相同；该关节装置上可增加传动装置，支撑人体的同时也能辅助带动人体下肢运动，同一侧腿部机构的髋关节装置与膝关节装置之间，以及膝关节装置与踝关节装置之间，通过固定长度或可调长度的大腿/小腿杆件连接。在外骨骼机构搭建的过程中，关节传动是一门重要技术。优秀的关节传动装置不仅可以实现关节的运动，还可以降低传动过程中耗损的能量，使机构传动性能大大提升；同时在残疾、截瘫人群中推行，又要求外骨骼机构能够实现限位和自锁。目前的关节传动装置设计大多不是很理想，或在传动性能上有所缺失，或安全性能不足。现有的一些关节传动装置采用锥齿轮传动或蜗轮蜗杆传动，传动磨损大，效率较低，且该类传动装置的体积非常臃肿；还有一些采用绳索滑轮传动，不仅体积臃肿，其内部的拉索单元还往往外露，存在将衣物甚至手指卷进该装置的风险；此外，有的设计试图简化传动单元，将电机、传动机构与关节转轴同轴串联排布，此种排布方式的传动效率损耗略小，但是整个机构在人体冠状面上投影的宽度将非常可观，阻碍人体的行动。
技术实现思路
本专利技术目的旨在克服已有技术的不足之处，提出人体仿生膝关节、髋关节传动系统，能够节约传动性能并安全地实现辅助或支配人体运动的功能。一种人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，包括传动单元1-2，以及分别固定于该传动单元顶部、底部的动力单元1-1、运动输出单元1-3；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部、运动输出单元底部分别设有与其他仿生腿部结构件相接的卡槽；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体膝关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至其他仿生腿部结构件。该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体膝关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。人体仿生膝关节传动系统的动力单元1-1包括电动机、电动机控制器及电源；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速度和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。人体仿生膝关节传动系统的传动单元1-2还包括齿轮基座1-203、谐波减速器1-205以及外壳；其中，齿轮基座具有类h型横截面，动力单元1-1固定在齿轮基座顶部，谐波减速器固定于齿轮基座两侧壁底部，且谐波减速器上半部分位于齿轮基座两侧壁之间的空间内，输出模块、输入模块分别与谐波减速器的输入端、输出端相接；齿轮基座与位于最外侧的外壳活动连接，两者之间发生相对转动；所述用于连接其他仿生腿部结构件的卡槽位于齿轮基座顶部。人体仿生膝关节传动系统中传动单元的输出模块包括编码器1-204以及至少两个编码器齿轮；编码器齿轮均位于齿轮基座1-203靠近谐波减速器1-205输出端的同一侧且共平面设置，其中一个编码器齿轮1-201与谐波减速器的输出端固接且共轴设置，还有一个编码器齿轮1-202与编码器的转轴固定连接，编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器输出端的运动传递至编码器，该编码器将关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器。人体仿生膝关节传动系统中传动单元的输入模块包括限位块1-208、限位开关1-212以及至少两个输入齿轮；输入齿轮均位于齿轮基座1-203靠近谐波减速器1-205输入端的同一侧且共平面设置，其中一个输入齿轮1-206固定在齿轮基座顶部且直接与电动机相连，还有一个输出齿轮1-207位于齿轮基座侧壁底部且与谐波减速器输入端固接且同轴设置，输入齿轮之间通过传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块与谐波减速器的输出端固接，该限位块与靠近谐波减速器输入端的齿轮基座侧壁位于同一平面内且随谐波减速器的输出端旋转，当限位块与齿轮基座侧壁接触时，限制谐波减速器输出端的转动范围；限位开关1-212安装在限位块上，且位于限位块与运动输出单元1-3发生抵触的两个接触面上，在抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动。人体仿生膝关节传动系统中传动单元的外壳包括两侧板1-209、1-210和固定轴盘1-211，该固定轴盘包括固定轴和位于该固定轴上的固定盘；两侧板呈类圆形，两侧板底部均设有用于与运动输出单元相连的螺纹孔位；固定轴两端分别与两侧板中部固定连接，固定盘的直径与两侧板相匹配；谐波减速器穿过固定轴且位于固定盘与第二侧板1-210之间，编码器齿轮1-202穿过固定轴且位于固定盘与第一侧板1-209之间，编码器齿轮1-202通过固定盘上设置的通孔与谐波减速器输出端形成固接，编码器齿轮1-202、谐波减速器输出端均与固定盘固接；输入齿轮1-207穿过固定轴后与谐波减速器输入端固接，输入齿轮1-207与固定轴盘同轴设置，该输入齿轮与固定轴盘间发生相对旋转。人体仿生膝关节传动系统的运动输出单元1-3连同传动单元外壳相对于齿轮基座1-203和与该运动输出单元连接的其他人体仿生腿部结构件存在转动。一种人体仿生髋关节传动系统，其特征在于，包括传动单元2-2，以及均位于该传动单元内部的动力模块2-1、运动输出模块2-3；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部设有与人体仿生腰部结构件的连接接口，运动输出单元底部设有与其他人体仿生腿部结构件相接的卡槽2-303；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接；通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体髋关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至人体其他仿生腿部结构件。该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体髋关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。人体仿生髋关节传动系统的动力单元2-1包括电动机、电动机控制器及电源，该动力单元靠近传动单元2-2顶部设置；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速度和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。人体仿生髋关节传动系统的传动单元2-2还包括谐波减速器2-209及外壳；其中，外壳为顶部封闭、底部及侧边开敞的壳体结构，包括均呈U型的两侧壁2-205、2-206；谐波减速器位于运动输出单元内部且运动输出单元与谐波减速器的输出端固定连接；传动单元的输出模块、输入模块、动力单元及运动输出单元均位于外壳内部。人体仿生髋关节传动系统传动单元的输出模块包括编码器2-204以及至少两个编码器齿轮；编码器的转轴所在端直接与第一编码器齿轮2-201连接、另一端固定在外壳第一侧壁2-205上；编码器齿轮均共平面排布，其中第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，包括传动单元(1‑2)，以及分别固定于该传动单元顶部、底部的动力单元(1‑1)、运动输出单元(1‑3)；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部、运动输出单元底部分别设有与其他仿生腿部结构件相接的卡槽；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体膝关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至其他仿生腿部结构件。

【技术特征摘要】
1.一种人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，包括传动单元(1-2)，以及分别固定于该传动单元顶部、底部的动力单元(1-1)、运动输出单元(1-3)；传动单元包括输入模块和输出模块，传动单元顶部、运动输出单元底部分别设有与其他仿生腿部结构件相接的卡槽；其中，传动单元的输入模块、输出模块分别与动力单元、运动输出单元连接，通过传动单元将动力单元输入的高速旋转运动转化为符合人体膝关节在人体矢状面内的低速旋转运动，通过运动输出单元将该低速旋转运动传递至其他仿生腿部结构件。2.如权利要求1所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，该传动系统在人体矢状面内的投影尺寸不超过人体膝关节的投影大小，且该传动系统在人体冠状面内的投影宽度小于60mm。3.如权利要求2所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述动力单元(1-1)包括电动机、电动机控制器及电源；其中，电动机控制器、电源均与电动机电连接，电动机控制器用于控制电动机的转动速速和转动角度；电动机控制器、电源与电动机集成排布于动力单元内部，或者将电动机控制器和电源外置、仅电动机位于动力单元内部。4.如权利要求3所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元(1-2)还包括齿轮基座(1-203)、谐波减速器(1-205)以及外壳；其中，齿轮基座具有类h型横截面，动力单元(1-1)固定在齿轮基座顶部，谐波减速器固定于齿轮基座两侧壁底部，且谐波减速器上半部分位于齿轮基座两侧壁之间的空间内，输出模块、输入模块分别与谐波减速器的输入端、输出端相接；齿轮基座与位于最外侧的外壳活动连接，两者之间发生相对转动；所述用于连接其他仿生腿部结构件的卡槽位于齿轮基座顶部。5.如权利要求4所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的输出模块包括编码器(1-204)以及至少两个编码器齿轮；编码器齿轮均位于齿轮基座(1-203)靠近谐波减速器(1-205)输出端的同一侧且共平面设置，其中一个编码器齿轮(1-201)与谐波减速器的输出端固接且共轴设置，还有一个编码器齿轮(1-202)与编码器的转轴固定连接，编码器齿轮之间通过传动将谐波减速器输出端的运动传递至编码器，该编码器将关节转动速度和转动角度反馈于电动机控制器。6.如权利要求5所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的输入模块包括限位块(1-208)、限位开关(1-212)以及至少两个输入齿轮；输入齿轮均位于齿轮基座(1-203)靠近谐波减速器(1-205)输入端的同一侧且共平面设置，其中一个输入齿轮(1-206)固定在齿轮基座顶部且直接与电动机相连，还有一个输出齿轮(1-207)位于齿轮基座侧壁底部且与谐波减速器输入端固接且同轴设置，输入齿轮之间通过传动将电动机的高速旋转运动传递到谐波减速器输入端；限位块与谐波减速器的输出端固接，该限位块与靠近谐波减速器输入端的齿轮基座侧壁位于同一平面内且随谐波减速器的输出端旋转，当限位块与齿轮基座侧壁接触时，限制谐波减速器输出端的转动范围；限位开关(1-212)安装在限位块上，且位于限位块与运动输出单元(1-3)发生抵触的两个接触面上，在抵触发生时，限位开关导通，电动机控制器将停下电动机并控制电动机往反方向略微转动。7.如权利要求6所述的人体仿生膝关节传动系统，其特征在于，所述传动单元的外壳包括两侧板(1-209、1-210)和固定轴盘(1-211)，该固定轴盘包括固定轴和位于该固定轴上的固定盘；两侧板呈类圆形，两侧板底部均设有用于与运动输出单元相连的螺纹孔位；固定轴两端分别与两侧板中部固定连接，固定盘的直径与两侧板相匹配；谐波减速器穿过固定轴且位于固定盘与第二侧板(1-210)之间，编码器齿轮(1-202)穿过固定轴且位于固定盘与第一侧板(1-209)之间，编码器齿轮(1-202)通过固定盘上设置的通孔与谐波减速器输出端形成固接，编码器齿轮(1-202)、谐波减速器输出端均与固定盘固接；输入齿轮(1-207)穿过固定轴后与谐波减速器输入端固接，输入齿轮(...

【专利技术属性】
技术研发人员：施炯明，包佳立，张必聪，胡佳音，边正梁，郑钢铁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11