【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及外骨骼机器人，具体为套索驱动式旋转关节及外骨骼机器人。
技术介绍
1、上肢运动障碍是脑卒中患者康复的重点难题之一，基于运动再学习原理的高强度高重复性训练可以促进神经系统获得活动依赖可塑性，但是，依靠康复治疗师进行一对一的训练，其效率低下，患者的依从性差，因此结合康复医学与机器人技术，上肢外骨骼机器人的出现成为改变传统康复治疗手段提供了一种有效的解决方案。
2、上肢外骨骼机器人是一种可穿戴式机械臂，机械臂的运动与人体上肢运动相匹配，可以提供安全、灵活、丰富的康复训练，然而，现有的外骨骼机器人多将驱动电机直接安装在运动关节处，如美国德克萨斯大学奥斯汀分校研制的harmony，韩国现代汽车公司机器人实验室研制的rearmex以及苏黎世联邦理工学院研制的anyexo等，此类关节形式整体结构尺寸与重量较大，且容易产生较高的运动惯量，不利于提高外骨骼的控制精度与降低系统能耗，为此，我们提出套索驱动式旋转关节及外骨骼机器人。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供套索驱动式旋转关节及外骨骼机器人，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：套索驱动式旋转关节，包括导向旋转机构，所述导向旋转机构上转动连接有变向绕索机构，所述变向绕索机构的一端安装有套索传动机构，所述套索传动机构驱动作用于导向旋转机构，且所述变向绕索机构的另一端还安装有角度测量机构。
3、进一步的，所述导向旋转机构包括弧形导轨、弧形齿条、齿条
4、所述弧形齿条固定于弧形导轨的侧边，所述索头固定端子固定于弧形导轨的两端，且弧形导轨外弧面侧壁的两端开设有与索头固定端子相适配的收纳槽；
5、所述基座连接件固定在弧形导轨的两端，弧形连杆基座的两端分别固定在基座连接件上，柔性手臂绑带固定于弧形导轨的弧形轮廓内侧；
6、所述弧形导轨的侧壁上开设有弧形滑槽，弧形齿条的侧壁上开设有导轨滑槽，弧形滑槽与导轨滑槽之间相互对齐；
7、弧形导轨的外侧壁上开设有导索槽，所述导索槽的两端与收纳槽之间相互贯通，且索头固定端子的底部还开设有开槽。
8、进一步的，所述变向绕索机构包括第一轴承侧板、隔离盖安装螺钉、隔离块安装螺钉、隔离柱安装螺母、第一法兰轴承、第二绕索轴、第三绕索轴、滑槽导向轴、螺纹隔离柱、第二轴承侧板、中间隔离块、第一绕索轴与顶部隔离盖；
9、所述第一法兰轴承分别安装于第一轴承侧板、第二轴承侧板、中间隔离块以及顶部隔离盖上所开设的阶梯孔中，第二绕索轴、第三绕索轴与滑槽导向轴的两端轴颈分别以第一轴承侧板与第二轴承侧板中的第一法兰轴承作为支承，而第一绕索轴的两端轴颈分别以中间隔离块与顶部隔离盖上的第一法兰轴承作为支承；
10、所述螺纹隔离柱两端分别穿过第一轴承侧板与第二轴承侧板上的通孔，其两端轴肩分别抵接在两侧板的内侧面，螺纹部分穿出两侧板的外侧面，并通过隔离柱安装螺母进行锁紧；
11、所述中间隔离块安装在第一轴承侧板与第二轴承侧板之间，所述顶部隔离盖同样安装在第一轴承侧板与第二轴承侧板之间。
12、进一步的，所述滑槽导向轴与螺纹隔离柱安装时穿设所述弧形滑槽，螺纹隔离柱位于弧形滑槽内的轴段外径小于槽宽，且螺纹隔离柱位于弧形滑槽中间，滑槽导向轴位于弧形滑槽内的轴段外径小于槽宽且与弧形滑槽的外弧面相切。
13、进一步的，所述第一绕索轴、第二绕索轴与第三绕索轴的外表面中心位置均开设有环形槽口，且第三绕索轴的外轮廓与弧形导轨的外弧面相切。
14、进一步的，所述套索传动机构包括第一绳索、第一套管、第二套管、第二绳索、套管端子安装螺钉、套管固定端子、第一连杆安装螺钉、关节连杆与第二连杆安装螺钉；
15、所述关节连杆分别通过第一连杆安装螺钉与第二连杆安装螺钉固定在第一轴承侧板和顶部隔离盖上，套管固定端子通过套管端子安装螺钉固定于关节连杆上，第一套管与第二套管的出线端均安装于套管固定端子的开孔之中，第一绳索与第二绳索分别穿设在第一套管、第二套管中。
16、进一步的，所述第一绳索与第二绳索依次穿过关节连杆与第一轴承侧板上的通孔，经两侧的第一绕索轴、第二绕索轴与第三绕索轴进行换向后，分别沿着弧形导轨上的导索槽反向走线，绳索的索头连接在索头固定端子的开槽中，并通过索头端子安装螺钉固定于弧形导轨两端的收纳槽内。
17、进一步的，所述角度测量机构包括齿轮轴、第二法兰轴承、轴用挡圈、孔用挡圈、编码器安装螺钉与空心轴编码器；
18、所述第二法兰轴承安装在第二轴承侧板外侧面所开设的阶梯孔中，齿轮轴从第二轴承侧板的内侧面穿设在第二法兰轴承的内孔中，轴用挡圈安装在齿轮轴的环形卡槽当中，孔用挡圈安装在阶梯孔中且与第二法兰轴承的法兰端面相抵接，空心轴编码器通过编码器安装螺钉固定于第二轴承侧板的外侧面；
19、所述齿轮轴与弧形齿条之间相互啮合，且齿轮轴的轴段部分穿设在空心轴编码器的中部。
20、进一步的，所述中间隔离块在靠近第二轴承侧板的位置开设有矩形槽，矩形槽长度大于齿轮轴的齿顶圆直径，宽度大于齿轮轴的轮齿宽度。
21、根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种外骨骼机器人，其包括所述的套索驱动式旋转关节。
22、本专利技术至少具备以下有益效果：
23、(1)本专利技术整体采用套索传动方式，套索的长度可以根据整个外骨骼系统的运动范围与安装需求进行定制，进而实现动力源与执行机构之间的分离，有效减小外骨骼关节的重量与惯量，提高关节的运动性能并减少其驱动能耗。
24、(2)本专利技术采用套索驱动可以灵活地改变方向，只需要保证绳索与绕索轴外径相切即可，本专利技术的变向绕索机构利用了索驱动的换向原理，采用三级绕索轴对绳索进行换向，使得双套索模块的套管可以沿着关节连杆的长度方向布置，整体结构布局较为紧凑。
25、(3)本专利技术中变向绕索机构的齿轮轴与导向旋转机构的弧形齿条形成齿面啮合关系，其中齿轮轴的转动角度由空心轴编码器测量，结合齿条与齿轮的传动比可以间接地得到导向旋转机构相对于变向绕索机构的相对转动角度，齿轮传动精度较高，测量结果精准。
26、(4)本专利技术中的弧形导轨采用开口式结构，可通过柔性绑带与手臂直接相连，提高了穿戴的方便性。
27、(5)本专利技术的外骨骼关节只需要对各关节组件的尺寸进行缩放，同时改变弧形导轨的弧度大小，在机构原理与基本构型不变的条件下便可同时用于大臂的内旋/外旋与小臂的旋前/旋后运动，结构可移植性较强。
28、当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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1.套索驱动式旋转关节，其特征在于，包括导向旋转机构(1)，所述导向旋转机构(1)上转动连接有变向绕索机构(2)，所述变向绕索机构(2)的一端安装有套索传动机构(3)，所述套索传动机构(3)驱动作用于导向旋转机构(2)，且所述变向绕索机构(2)的另一端还安装有角度测量机构(4)。
2.根据权利要求1所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述导向旋转机构(1)包括弧形导轨(101)、弧形齿条(102)、齿条安装螺钉(103)、索头固定端子(104)、索头端子安装螺钉(105)、连杆基座安装螺钉(106)、第一连接件安装螺钉(107)、基座连接件(108)、第二连接件安装螺钉(109)、弧形连杆基座(110)、绑带安装螺钉(111)与柔性手臂绑带(112)；
3.根据权利要求2所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述变向绕索机构(2)包括第一轴承侧板(201)、隔离盖安装螺钉(202)、隔离块安装螺钉(203)、隔离柱安装螺母(204)、第一法兰轴承(205)、第二绕索轴(206)、第三绕索轴(207)、滑槽导向轴(208)、螺纹隔离柱(209)、第二轴承侧
4.根据权利要求3所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述滑槽导向轴(208)与螺纹隔离柱(209)安装时穿设所述弧形滑槽，螺纹隔离柱(209)位于弧形滑槽内的轴段外径小于槽宽，且螺纹隔离柱(209)位于弧形滑槽中间，滑槽导向轴(208)位于弧形滑槽内的轴段外径小于槽宽且与弧形滑槽的外弧面相切。
5.根据权利要求3所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述第一绕索轴(212)、第二绕索轴(206)与第三绕索轴(207)的外表面中心位置均开设有环形槽口，且第三绕索轴(207)的外轮廓与弧形导轨(101)的外弧面相切。
6.根据权利要求5所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述套索传动机构(3)包括第一绳索(301)、第一套管(302)、第二套管(303)、第二绳索(304)、套管端子安装螺钉(305)、套管固定端子(306)、第一连杆安装螺钉(307)、关节连杆(308)与第二连杆安装螺钉(309)；
7.根据权利要求6所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述第一绳索(301)与第二绳索(304)依次穿过关节连杆(308)与第一轴承侧板(201)上的通孔，经两侧的第一绕索轴(212)、第二绕索轴(206)与第三绕索轴(207)进行换向后，分别沿着弧形导轨(101)上的导索槽反向走线，绳索的索头连接在索头固定端子(104)的开槽中，并通过索头端子安装螺钉(105)固定于弧形导轨(101)两端的收纳槽内。
8.根据权利要求6所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述角度测量机构(4)包括齿轮轴(401)、第二法兰轴承(402)、轴用挡圈(403)、孔用挡圈(404)、编码器安装螺钉(405)与空心轴编码器(406)；
9.根据权利要求8所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述中间隔离块(211)在靠近第二轴承侧板(210)的位置开设有矩形槽，矩形槽长度大于齿轮轴(401)的齿顶圆直径，宽度大于齿轮轴(401)的轮齿宽度。
10.一种外骨骼机器人，其特征在于，其包括权利要求1至9中任一项所述的套索驱动式旋转关节。
...【技术特征摘要】
1.套索驱动式旋转关节，其特征在于，包括导向旋转机构(1)，所述导向旋转机构(1)上转动连接有变向绕索机构(2)，所述变向绕索机构(2)的一端安装有套索传动机构(3)，所述套索传动机构(3)驱动作用于导向旋转机构(2)，且所述变向绕索机构(2)的另一端还安装有角度测量机构(4)。
2.根据权利要求1所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述导向旋转机构(1)包括弧形导轨(101)、弧形齿条(102)、齿条安装螺钉(103)、索头固定端子(104)、索头端子安装螺钉(105)、连杆基座安装螺钉(106)、第一连接件安装螺钉(107)、基座连接件(108)、第二连接件安装螺钉(109)、弧形连杆基座(110)、绑带安装螺钉(111)与柔性手臂绑带(112)；
3.根据权利要求2所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述变向绕索机构(2)包括第一轴承侧板(201)、隔离盖安装螺钉(202)、隔离块安装螺钉(203)、隔离柱安装螺母(204)、第一法兰轴承(205)、第二绕索轴(206)、第三绕索轴(207)、滑槽导向轴(208)、螺纹隔离柱(209)、第二轴承侧板(210)、中间隔离块(211)、第一绕索轴(212)与顶部隔离盖(213)；
4.根据权利要求3所述的套索驱动式旋转关节，其特征在于：所述滑槽导向轴(208)与螺纹隔离柱(209)安装时穿设所述弧形滑槽，螺纹隔离柱(209)位于弧形滑槽内的轴段外径小于槽宽，且螺纹隔离柱(209)位于弧形滑槽中间，滑槽导向轴(208)位于弧形滑槽内的轴段外径小于槽宽且与弧形滑槽的外弧面相切。
5.根据权利要求3所述的套索驱动式旋转关节，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：王兴松，陈智权，吴继媛，居春岐，田梦倩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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