一种用于下肢外骨骼的磁流变关节制造技术

本发明专利技术涉及一种用于下肢外骨骼的磁流变关节，下肢外骨骼包含腰部、大腿、膝关节、小腿、脚部，其中膝关节处为磁流变关节结构，内部有两个大锥齿轮、一个小锥齿轮、磁流变轴承、飞轮等结构。两个大锥齿轮均与小锥齿轮啮合，传动方向垂直。每个大锥齿轮与轴之间均安装有两个磁流变轴承，两个轴承之间绕有一个线圈。小锥齿轮所在轴上有一个飞轮，飞轮与所在轴之间也安装有两个磁流变轴承和一个线圈。通过向线圈中通入电流可以控制磁流变轴承转动的阻尼大小，从而控制腿部外骨骼运动时的阻力。这种使用磁流变关节的下肢外骨骼由于不需使用电机，具有低功耗、长工作时间、低成本、多功能等特点，能够解决传统电机驱动的外骨骼在能源、续航上的问题。航上的问题。航上的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种用于下肢外骨骼的磁流变关节


[0001]本专利技术属于智能机器人领域，特别涉及一种用于下肢外骨骼的磁流变关节结构。

技术介绍

[0002]近年来，外骨骼技术在民用领域得到了很大的发展，在许多领域都有应用。在医疗领域，可用于重复性的康复功能训练，在助老领域，可用于协助老人行走，在救援、物流等领域，用于提升人的负重能力。但这类电机驱动的外骨骼往往功耗较大，以电池作为能源时工作时间通常只有几个小时，之后就需要充电。
[0003]磁流变液，是一种特殊的材料，通过外加磁场可以可控地改变它的性能。磁流变液通常是由非磁性流体介质作为载体，里面悬浮有磁性颗粒。无外加磁场时，磁流变液呈现出一般流体的性质，流动性强；施加外加磁场时，磁性颗粒受磁场作用相互紧密接触，粘度增加，从而使磁流变液展现出类似固体的性质。在磁场控制下，磁流变液在液体状态和固体状态之间的转换非常迅速，且该过程中粘度变化具有无极、可逆、快速、可控、能耗小的特点，因此在运动器材、医疗器械、车辆、密封等领域被广泛应用。将磁流变技术应用于下肢外骨骼控制，能够大大降低下肢外骨骼的功耗，延长工作时间。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有外骨骼工作时间短的不足，把磁流变技术应用于下肢外骨骼领域，提出一种具有低功耗、长工作时间、低成本、多功能等特点的下肢外骨骼。多数下肢外骨骼采用电机驱动的方式控制各关节，在电力能源方面，出于便携性的要求，这些外骨骼使用电池来给电机供电。而由于电池比容量的局限性以及电机功耗较大的原因，通常电池不能支持电机长时间工作。而采用磁流变关节的下肢外骨骼不需要驱动电机，因此功耗大大降低，仅在线圈上有一个较小的功率，相同电池供电下使用时间大大加长。同时无电机的情况下，外骨骼的成本也能有所下降。另外，这种使用磁流变关节的下肢外骨骼能够实现多种不同的功能，如腿部抬升助力、缓冲保护、跳跃增强等。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于下肢外骨骼的磁流变关节，磁流变关节包括两个大锥齿轮、小锥齿轮、飞轮、磁流变轴承、环形线圈、变速箱、第一轴和输出轴、箱体；其中：
[0006]所述磁流变关节中，两个大锥齿轮与第一轴间分别通过两个磁流变轴承相连，两个磁流变轴承中间夹有一个线圈；每个大锥齿轮与小锥齿轮啮合传动；
[0007]所述磁流变关节中飞轮与小锥齿轮的轴间同样分布有两个磁流变轴承和线圈；
[0008]所述磁流变关节中变速箱外壳与箱体相连并固定。
[0009]进一步的，还包括腰部外骨骼、大腿部外骨骼、小腿部外骨骼、脚部外骨骼。
[0010]进一步的，所述磁流变关节与大腿部外骨骼采用键连接。
[0011]进一步的，磁流变关节的箱体底端对称分布4个孔，小腿外骨骼上部为带有4个同样大小孔的平板，箱体底端与小腿外骨骼之间通过螺钉相连。
[0012]进一步的，变速箱连接第一轴与输出轴，并维持两段轴的转速比为一定值。
[0013]进一步的，通过线圈中的电流来控制磁流变轴承中滚珠运动的阻尼，电流为零时阻尼最小，电流越大，阻尼越大。
[0014]进一步的，磁流变轴承内外圈与轴、齿轮之间分别均采用过盈配合。
[0015]进一步的，第一轴、输出轴与箱体相对转动时，锥齿轮传动使飞轮转动，飞轮能够储存能量；这部分能量之后可释放用于推动轴的转动。
[0016]进一步的，所述磁流变轴承通过向深沟球轴承中注入磁流变液获得。
[0017]进一步的，通过控制两个大锥齿轮下线圈中电流的通断，改变小锥齿轮的旋转方向
[0018]有益效果：
[0019]这种使用磁流变关节的下肢外骨骼由于不需使用电机，相比于传统的电机驱动的外骨骼，具有低功耗、长工作时间、低成本、多功能等特点，能够解决传统电机驱动的外骨骼在能源、续航上的问题
附图说明
[0020]图1为外骨骼模型；
[0021]图2为磁流变关节结构图。
具体实施方式
[0022]为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]一种用于下肢外骨骼的磁流变关节，包括腰部外骨骼(1)、大腿部外骨骼(2)、磁流变关节(3)、小腿部外骨骼(4)、脚部外骨骼(5)。磁流变关节(3)包括两个大锥齿轮(6)、小锥齿轮(7)、飞轮(8)、磁流变轴承(9)、环形线圈(10)、变速箱(11)、第一轴(12)和输出轴(14)、箱体(13)。其中：
[0024]所述磁流变关节(3)中，两个大锥齿轮(6)与第一轴(12)间分别通过两个磁流变轴承(9)相连，两个磁流变轴承(9)中间夹有一个线圈(10)。两个大锥齿轮(6)与小锥齿轮(7)啮合传动。
[0025]所述磁流变关节(3)中飞轮(8)与小锥齿轮(7)的轴间同样分布有两个磁流变轴承(9)和线圈(10)。
[0026]所述磁流变关节(3)中变速箱(11)外壳与箱体(13)相连并固定。
[0027]所述大腿部外骨骼(2)与磁流变关节(3)采用键连接定位；
[0028]所述磁流变关节(3)与小腿部外骨骼(4)之间通过螺钉连接固定
[0029]所述变速箱(11)维持两段轴(12)、(14)的转速比为一定值。
[0030]所述磁流变轴承(9)内外圈与轴、齿轮之间均采用过盈配合，以保证轴承内外圈与轴、齿轮间周向位置的固定。
[0031]所述磁流变轴承(9)通过向深沟球轴承中注入磁流变液获得。
[0032]所述磁流变轴承(9)中滚珠运动的阻尼通过线圈中电流的大小来控制，电流为零时，磁流变液处无外加磁场，滚珠运动阻尼最小；电流较大时，磁流变液在外加磁场作用下流动性较小，滚珠运动阻尼较大。
[0033]所述小锥齿轮(7)的旋转方向可通过改变两个大锥齿轮(6)中线圈(10)电流的通断来控制，两个线圈(10)a,b,a通电b断电，与a断电b通电下小锥齿轮的旋转方向是相反的。
[0034]本专利技术的工作原理是：外骨骼的大腿、小腿部分发生相对转动时，一个大锥齿轮(6)内线圈通电，磁流变轴承处于大阻尼状态，大锥齿轮(6)相对轴固定，带动小锥齿轮(7)转动，此时飞轮(8)处的线圈通电，小锥齿轮(7)的齿轮轴的转动带动飞轮(8)一起旋转，飞轮(8)中储存着动能；之后通过断开通电的锥齿轮(6)内线圈的电流，同时向另一个锥齿轮(6)内的线圈通电，飞轮就带动小锥齿轮(7)转动，进而带动线圈通电的大锥齿轮转动，这样就可以把飞轮的动能释放出来用于推动大锥齿轮所在轴的转动。另外在磁流变关节输出轴(14)与锥齿轮(7)所在第一轴(12)之间加入一个变速箱(11)，来加大第一轴(12)与输出轴(14)之间的转速比，增加飞轮储存能量的容量。另外，当飞轮(8)中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于下肢外骨骼的磁流变关节，其特征在于：磁流变关节包括两个大锥齿轮、小锥齿轮、飞轮、磁流变轴承、线圈、变速箱、第一轴和输出轴、箱体；所述线圈为环形线圈；其中：所述磁流变关节中，两个大锥齿轮与第一轴间分别通过两个磁流变轴承相连，两个磁流变轴承中间夹有一个线圈；每个大锥齿轮与小锥齿轮啮合传动；所述磁流变关节中飞轮与小锥齿轮的轴间同样分布有两个磁流变轴承和线圈；所述磁流变关节中变速箱外壳与箱体相连并固定。2.根据权利要求1所述用于下肢外骨骼的磁流变关节，其特征在于，还包括腰部外骨骼、大腿部外骨骼、小腿部外骨骼、脚部外骨骼。3.根据权利要求2所述用于下肢外骨骼的磁流变关节，其特征在于，所述磁流变关节与大腿部外骨骼采用键连接。4.根据权利要求2所述用于下肢外骨骼的磁流变关节，其特征在于，磁流变关节的箱体底端对称分布4个孔，小腿外骨骼上部为带有4个同样大小孔的平板，箱体底端与小腿外骨骼之间通过螺钉相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙帅帅，祝绳凤，张世武，岳永铭，杨健，龚兴龙，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：