面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，包括上基座、驅(qū)動電機、導軌、絲桿、剎車軌道、彈簧、下基座和剎車模塊，所述上基座與下基座間設(shè)有導軌和剎車軌道，剎車模塊串在導軌與剎車軌道上，驅(qū)動電機通過剎車模塊連接板與第三剎車模塊相連，驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與絲桿相連，第二剎車模塊與第一剎車模塊之間連接彈簧；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過改變?nèi)齻€剎車模塊與剎車軌道間的鎖緊與放松關(guān)系，能實現(xiàn)不同的工作模式；本發(fā)明采用主被動相結(jié)合的方式，充分利用儲能器件在行走階段儲能、釋能的功能，主動驅(qū)動電機僅在適時階段實施驅(qū)動，具有低功耗的特點。
【專利說明】面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多模式彈性驅(qū)動器，特別涉及一種用于助力外骨骼機器人及仿生機器人下肢關(guān)節(jié)驅(qū)動的彈性驅(qū)動器，屬于機器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，下肢助力外骨骼機器人多采用液壓及電機對關(guān)節(jié)進行驅(qū)動，無論采用液壓還是電機進行驅(qū)動，均為主動驅(qū)動方式。由于液壓油的不可壓縮性、電機一齒輪箱機構(gòu)屬于剛性傳動，它們在傳力過程中緩沖較差，當可穿戴式步行助力外骨骼機器人在進行實際行走時，擺動腿落地時，腳底對地面的碰撞會瞬間產(chǎn)生較大的沖擊，由于反作用力的作用，會造成機器人本體機構(gòu)的振動，從而影響了機器人整體的穩(wěn)定性。
[0003]特別是快速連續(xù)行走的時候，連續(xù)的沖擊力和振動，會導致機體和機載設(shè)備的損壞。對于下肢助力外骨骼驅(qū)動器，除了傳力過程中緩沖較差問題，還存在驅(qū)動功能單一問題。
[0004]由于技術(shù)限制，驅(qū)動器都是針對特定的驅(qū)動功能而設(shè)計，動作能力有限，而我們所希望的助力外骨骼應(yīng)具有適應(yīng)各種路況運動的能力，不僅能平地憑走，而且能跳，能爬坡及上下樓梯等，且在運動過程中具有能耗低等優(yōu)點，這就對驅(qū)動器提出了更高的要求，希望驅(qū)動器的驅(qū)動模式像人體肌肉的驅(qū)動一樣，人體在進行各種動作時，肌肉驅(qū)動骨骼牽引關(guān)節(jié)產(chǎn)生相應(yīng)的運動，肌肉能驅(qū)動關(guān)節(jié)產(chǎn)生大的驅(qū)動力矩，同時能很快的以低阻尼的被動運動方式放松肌肉，而在遇到外界環(huán)境模式變化時，肌肉的粘彈性特征使得肌肉帶動關(guān)節(jié)做出靈活的調(diào)整以適應(yīng)外部環(huán)境的變化。
[0005]由于下肢助力外骨骼是一種并聯(lián)與人體下肢外部，在運動過程中對穿戴者進行助力的機器人，故需要其驅(qū)動器需具有較低的機械輸出阻抗、能適應(yīng)較大的控制帶寬，類似肌肉工作原理一樣具有較好的自然柔順性與緩沖功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述下肢助力外骨骼驅(qū)動器存在的不足及下肢助力外骨骼機器人對仿生節(jié)能驅(qū)動器的需求，本發(fā)明提供了一種主、被動相結(jié)合，能實現(xiàn)多種運動模式的低功耗的彈性驅(qū)動器。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，包括上基座、驅(qū)動電機、導軌、絲桿、剎車軌道、彈簧、下基座和剎車模塊，所述上基座與下基座間設(shè)有導軌和剎車軌道，剎車模塊串在導軌與剎車軌道上，剎車模塊包括第一剎車模塊、第二剎車模塊與第三剎車模塊，驅(qū)動電機通過剎車模塊連接板與第三剎車模塊相連，驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與絲桿相連，所述絲桿穿過第二剎車模塊的內(nèi)部，第二剎車模塊與第一剎車模塊之間連接彈簧。
[0008]優(yōu)選地，所述第一剎車模塊、第二剎車模塊與第三剎車模塊的結(jié)構(gòu)相同。
[0009]優(yōu)選地，所述剎車模塊包括齒條軌道、左推桿、右推桿、左剎車片、右剎車片、剎車裝置支撐塊、剎車電機支撐座一、剎車電機支撐座二、剎車電機、齒條、齒輪；剎車電機與齒輪相連接，齒輪與齒條相嚙合，齒條在齒條軌道上滑動，齒條與左推桿、右推桿連接，左推桿與左剎車片相連，右推桿與右剎車片相連。
[0010]優(yōu)選地，齒條軌道固定在剎車裝置支撐塊上，剎車電機通過剎車電機支撐座一、剎車電機支撐座二固定在剎車裝置支撐塊上，所述剎車裝置支撐塊的兩側(cè)設(shè)有分別設(shè)有用于導軌穿過的直線軸承，所述剎車裝置支撐塊設(shè)有用于剎車軌道穿過的通孔，所述剎車裝置支撐塊的頂部設(shè)有用于齒條穿過的圓孔。
[0011]優(yōu)選地，所述第一剎車模塊、第二剎車模塊與第三剎車模塊依次設(shè)于上基座與下基座間，第一剎車模塊與第二剎車模塊之間通過彈簧連接板與彈簧相連接。
[0012]優(yōu)選地，電機通過聯(lián)軸器帶動絲桿及螺母運動，進而壓縮彈簧，與剎車模塊結(jié)合實現(xiàn)不同的工作模式。
[0013]優(yōu)選地，剎車模塊與剎車軌道有兩種工作方式:當齒輪帶動齒條向下運動時，推動推桿向下運動，進而推動剎車片擠壓剎車軌道，使剎車模塊鎖緊在剎車軌道上；而當齒輪帶動齒條向上運動時，使剎車軌道放松，進而能實現(xiàn)剎車模塊在導軌上的自由移動。
[0014]本發(fā)明本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過改變?nèi)齻€剎車模塊與剎車軌道間的鎖緊與放松關(guān)系，能實現(xiàn)不同的工作模式；本發(fā)明采用主被動相結(jié)合的方式，充分利用儲能器件在行走階段儲能、釋能的功能，主動驅(qū)動電機僅在適時階段實施驅(qū)動，具有低功耗的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器的軸測圖；
圖2是面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器的俯視圖；
圖3是面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器的正視圖；
圖4是面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器的內(nèi)部構(gòu)件圖；
圖5是實施例中剎車模塊的軸測圖；
圖6是實施例中剎車模塊的構(gòu)件分解示意圖。
[0016]其中，1、上基座；2、驅(qū)動電機；3、導軌；4、絲桿；5、剎車軌道；6、彈簧；7、下基座；
8、第一剎車模塊；9、第二剎車模塊；10、第三剎車模塊；11、齒條軌道；12、左推桿；13、左剎車片；14、剎車裝置支撐塊；15、剎車電機支撐座一 ；16、剎車電機支撐座二 ；17、剎車電機；18、右剎車片；19、右推桿；20、齒條；21、齒輪；22、剎車模塊連接板；23、聯(lián)軸器；24、剎車橡膠片；25、彈性安裝板；26、螺母；27、直線軸承；28、彈簧連接板。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0018]實施例是一種面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性強驅(qū)動器，是一個主、被動相結(jié)合的驅(qū)動器，主動器件是驅(qū)動電機2，被動器件是彈簧6。電機通過聯(lián)軸器23帶動絲桿4及螺母26運動，進而壓縮彈簧6，結(jié)合剎車模塊現(xiàn)不同的工作模式。
[0019]多模式彈性驅(qū)動器的主動驅(qū)動電機2僅在行走過程中的適時階段進行驅(qū)動，也即是電機僅在下肢需要助力的階段進行驅(qū)動，多模式驅(qū)動器充分利用儲能器件的儲能并有效釋能的優(yōu)點使得下肢助力外骨骼機器人具有低功耗的特點。
[0020]圖1、圖2和圖3中，多模式彈性驅(qū)動器由上基座1、驅(qū)動電機2、導軌3、絲桿4、剎車軌道5、彈簧6、下基座7及三個剎車模塊組成。導軌3、剎車軌道5與上基座I及下基座7相連。三個剎車模塊通過直線軸承27串在導軌3并且穿過剎車軌道5。驅(qū)動電機2通過剎車模塊連接板22與第三剎車模塊10相連，同時驅(qū)動電機2通過聯(lián)軸器23與絲桿4相連，螺母26安裝在絲桿4上，絲桿4穿過第二剎車模塊9的內(nèi)部，第二剎車模塊9與第一剎車模塊8之間通過彈簧6連接板與彈簧6相連接。第三剎車模塊10可設(shè)置彈性安裝板28，用來固定支撐彈簧。
[0021 ] 圖4中，三個剎車模塊內(nèi)部機構(gòu)相同。如圖5和圖6所示，剎車模塊由齒條20軌道11、左推桿12及右推桿19、左剎車片13及右剎車片18、剎車裝置支撐塊14、剎車電機支撐座一 15及剎車電機支撐座二 16、剎車電機17、齒條20及齒輪21組成。齒條20在齒條20軌道11上滑動，齒條20與左推桿12、右推桿19連接，左推桿12與左剎車片13相連，右推桿19與右剎車片18相連，齒條20與齒輪21相嚙合。
[0022]實施例中的剎車模塊工作時，其具體的工作過程為:當剎車電機17做正向轉(zhuǎn)動，帶動齒輪21轉(zhuǎn)動，齒輪21帶動齒條20向下運動，齒條20與左推桿12與右推桿19相連接，故推動左推桿12與右推桿19向下運動，進而推動左剎車片13與右剎車片18相兩側(cè)運動擠壓剎車軌道5，在剎車橡膠片24的作用下，擠緊剎車軌道5，使剎車模塊鎖緊在導軌3上；相反的，而當齒輪21帶動齒條20向上運動時，使剎車軌道5放松，進而能實現(xiàn)剎車模塊在導軌3上的自由移動。
[0023]實施例的多模式彈性驅(qū)動器在工作時，根據(jù)剎車模塊與導軌3之間的鎖緊與松開狀態(tài)，有如表I所不的八種工作模式。
[0024]表I多模式彈性驅(qū)動器的工作模式
【權(quán)利要求】
1.一種面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于:包括上基座(I)、驅(qū)動電機(2)、導軌(3)、絲桿(4)、剎車軌道(5)、彈簧(6)、下基座(7)和剎車模塊，所述上基座(I)與下基座(7)間設(shè)有導軌(3)和剎車軌道(5)，剎車模塊串在導軌(3)與剎車軌道(5)上，剎車模塊包括第一剎車模塊(8)、第二剎車模塊(9)與第三剎車模塊(10)，驅(qū)動電機(2)通過剎車模塊連接板(22)與第三剎車模塊(10)相連，驅(qū)動電機(2)通過聯(lián)軸器(23)與絲桿(4)相連，所述絲桿(4)穿過第二剎車模塊(9)的內(nèi)部，第二剎車模塊(9)與第一剎車模塊(8)之間連接彈簧(6)。
2.如權(quán)利要求1所述的面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于:所述第一剎車模塊(8)、第二剎車模塊(9)與第三剎車模塊(10)的結(jié)構(gòu)相同。
3.如權(quán)利要求2所述的面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于:所述剎車模塊包括齒條軌道(11)、左推桿(12 )、右推桿(19 )、左剎車片(13 )、右剎車片(18)、剎車裝置支撐塊(14)、剎車電機支撐座一(15)、剎車電機支撐座二(16)、剎車電機(17)、齒條(20)、齒輪(21);剎車電機(17)與齒輪(21)相連接，齒輪(21)與齒條(20)相嚙合，齒條(20 )在齒條軌道(11)上滑動，齒條(20 )與左推桿(12 )、右推桿(19 )連接，左推桿(12)與左剎車片(13)相連，右推桿(19)與右剎車片(18)相連。
4.如權(quán)利要求3所述的面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于:齒條軌道(11)固定在剎車裝置支撐塊(14)上，剎車電機(17)通過剎車電機支撐座一(15)、剎車電機支撐座二( 16)固定在剎車裝置支撐塊(14)上，所述剎車裝置支撐塊(14)的兩側(cè)設(shè)有分別設(shè)有用于導軌(3)穿過的直線軸承(27)，所述剎車裝置支撐塊(14)設(shè)有用于剎車軌道(5)穿過的通孔，所述剎車裝置支撐塊(14)的頂部設(shè)有用于齒條(20)穿過的圓孔。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于:所述第一剎車模塊(8)、第二剎車模塊(9)與第三剎車模塊(10)依次設(shè)于上基座(I)與下基座(7 )間，第一剎車模塊(8 )與第二剎車模塊(9 )之間通過彈簧連接板(28 )與彈簧(6)相連接。
6.如權(quán)利要求1-4任一項所述的面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于:電機通過聯(lián)軸器(23)帶動絲桿(4)及螺母(26)運動，進而壓縮彈簧(6)，與剎車模塊結(jié)合實現(xiàn)不同的工作模式。
7.如權(quán)利要求1-4任一項所述的面向下肢助力外骨骼機器人的多模式彈性驅(qū)動器，其特征在于，剎車模塊與剎車軌道(5)有兩種工作方式:當齒輪(21)帶動齒條(20)向下運動時，推動推桿向下運動，進而推動剎車片擠壓剎車軌道(5)，使剎車模塊鎖緊在剎車軌道(5 )上；而當齒輪(21)帶動齒條(20 )向上運動時，使剎車軌道(5 )放松，進而能實現(xiàn)剎車模塊在導軌(3)上的自由移動。
【文檔編號】A61H3/00GK103878790SQ201410155428
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】韓亞麗, 朱松青, 祁兵, 于建銘, 高海濤 申請人:南京工程學院