本發(fā)明涉及一種下肢助力外骨骼機(jī)器人，具體涉及用于機(jī)器人的鋼絲傳動(dòng)變速比轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

目前，對(duì)于下肢助力外骨骼機(jī)器人來(lái)講，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前已有的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)大多是以電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、液壓缸驅(qū)動(dòng)或者曲柄連桿驅(qū)動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度差，在保證大出力的情況下電機(jī)或者液壓缸的負(fù)擔(dān)大，導(dǎo)致電機(jī)或者液壓缸的體積大、重量大，且不具有緩沖功能，出力不穩(wěn)定。而現(xiàn)有的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)，多為與電機(jī)減速器輸出端直接相連，不僅體積大，效果也不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)出力小、體積大、質(zhì)量重、精度差、抗沖擊效果差等問(wèn)題，而提出用于機(jī)器人的鋼絲傳動(dòng)變速比轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

本發(fā)明的用于機(jī)器人的鋼絲傳動(dòng)變速比轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)包括電機(jī)軸系、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、大腿連接件和小腿連接件；

電機(jī)軸系包括減速電機(jī)、軸承、軸承擋板和電機(jī)軸承座，減速電機(jī)固定在電機(jī)軸承座上，軸承擋板將軸承緊固在電機(jī)軸承座內(nèi)；

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、鋼絲繩、凸輪、關(guān)節(jié)軸、關(guān)節(jié)軸軸承、鋼絲繩固定塊、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、主動(dòng)軸軸承、從動(dòng)軸軸承，主動(dòng)軸與從動(dòng)軸平行設(shè)置在關(guān)節(jié)軸上，即主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的軸線均與關(guān)節(jié)軸垂直設(shè)置，主動(dòng)軸通過(guò)主動(dòng)軸軸承與關(guān)節(jié)軸連接，從動(dòng)軸通過(guò)從動(dòng)軸軸承與關(guān)節(jié)軸連接，凸輪設(shè)置在主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間，且凸輪通過(guò)關(guān)節(jié)軸軸承安裝在關(guān)節(jié)軸上，凸輪朝向主動(dòng)軸一側(cè)的側(cè)面上設(shè)有主凸輪外緣，凸輪朝向從動(dòng)軸一側(cè)的側(cè)面上設(shè)有副凸輪外緣，主動(dòng)軸的上方設(shè)有主動(dòng)軸走線槽，主動(dòng)軸走線槽的下端設(shè)有徑向通孔，從動(dòng)軸的上方設(shè)有從動(dòng)軸走線槽，從動(dòng)軸的軸心設(shè)有軸心孔，從動(dòng)軸走線槽的上端設(shè)有上通孔，從動(dòng)軸走線槽的下端設(shè)有下通孔，上通孔和下通孔均與軸心孔相通，鋼絲繩固定塊固裝在凸輪端面的上端，預(yù)緊機(jī)構(gòu)固裝在凸輪端面的下端，鋼絲繩的一端與鋼絲繩固定塊固連，鋼絲繩的另一端沿主凸輪外緣外輪廓表面繞在凸輪上，繞至主動(dòng)軸位置處再沿主動(dòng)軸的外徑表面螺旋向上纏繞至徑向通孔處并從徑向通孔穿過(guò)再沿主動(dòng)軸走線槽纏繞1圈后按“8”字形繞到從動(dòng)軸的從動(dòng)軸走線槽上，在從動(dòng)軸走線槽中纏繞2圈后按“8”字形 再繞到主動(dòng)軸的主動(dòng)軸走線槽上，在主動(dòng)軸走線槽中纏繞2圈后按“8”字形再繞到從動(dòng)軸的從動(dòng)軸走線槽中，在從動(dòng)軸走線槽中纏繞1圈后經(jīng)上通孔、軸心孔由下通孔穿出后再沿從副凸輪外緣外輪廓表面繞在凸輪上后與預(yù)緊機(jī)構(gòu)固連；

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的主動(dòng)軸與電機(jī)軸系上的減速電機(jī)的輸出軸連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的關(guān)節(jié)軸的兩端通過(guò)軸承與大腿連接件連接，小腿連接件的上端與關(guān)節(jié)軸固接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

一、本發(fā)明采用鋼絲繩與凸輪實(shí)現(xiàn)變減速比傳動(dòng)，在電機(jī)功率一定的情況下，在人正常行走時(shí)提供高轉(zhuǎn)速、小出力，在人上樓梯或從下蹲到起立的過(guò)程中提供低轉(zhuǎn)速、大出力，提高了能量利用率。

二、采用鋼絲繩傳遞動(dòng)力的方式，相比電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的方式，結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高了傳動(dòng)效率。

三、采用鋼絲繩在主動(dòng)軸與從動(dòng)軸走線槽上摩擦實(shí)現(xiàn)主動(dòng)軸到從動(dòng)軸的動(dòng)力傳遞，完成轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)屈伸自由度的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)，體積小，重量輕。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視圖；

圖2是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2的立體圖；

圖3是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2的另一個(gè)方向看的立體圖；

圖4是電機(jī)軸系1的立體圖；

圖5是關(guān)節(jié)軸2-6的立體圖；

圖6是預(yù)緊機(jī)構(gòu)2-8的立體圖；

圖7是主動(dòng)軸2-1和從動(dòng)軸2-2的上端鋼絲繩2-3在主動(dòng)軸走線槽2-1-1和從動(dòng)軸走線槽2-2-1中的纏繞示意圖；

圖8是圖7的俯視圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1～圖8說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括電機(jī)軸系1、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、大腿連接件3和小腿連接件4；

電機(jī)軸系1包括減速電機(jī)1-1、軸承1-2、軸承擋板1-3和電機(jī)軸承座1-4，減速電機(jī)1-1固定在電機(jī)軸承座1-4上，軸承擋板1-3將軸承1-2緊固在電機(jī)軸承座1-4內(nèi)；

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2包括主動(dòng)軸2-1、從動(dòng)軸2-2、鋼絲繩2-3、凸輪2-4、關(guān)節(jié)軸2-6、關(guān)節(jié)軸軸承2-5、鋼絲繩固定塊2-7、預(yù)緊機(jī)構(gòu)2-8、主動(dòng)軸軸承2-9、從動(dòng)軸軸承2-10，主動(dòng)軸2-1與從動(dòng)軸2-2平行設(shè)置在關(guān)節(jié)軸2-6上，即主動(dòng)軸2-1和從動(dòng)軸2-2的軸線均與關(guān)節(jié)軸2-6垂直設(shè)置，主動(dòng)軸2-1通過(guò)主動(dòng)軸軸承2-9與關(guān)節(jié)軸2-6連接，從動(dòng)軸2-2通過(guò)從動(dòng)軸軸承2-10與關(guān)節(jié)軸2-6連接，凸輪2-4設(shè)置在主動(dòng)軸2-1與從動(dòng)軸2-2之間，且凸輪2-4通過(guò)關(guān)節(jié)軸軸承2-5安裝在關(guān)節(jié)軸2-6上，凸輪2-4朝向主動(dòng)軸2-1一側(cè)的側(cè)面上設(shè)有主凸輪外緣2-4-1，凸輪2-4朝向從動(dòng)軸2-2一側(cè)的側(cè)面上設(shè)有副凸輪外緣2-4-2，主動(dòng)軸2-1的上方設(shè)有主動(dòng)軸走線槽2-1-1，主動(dòng)軸走線槽2-1-1的下端設(shè)有徑向通孔2-1-2，從動(dòng)軸2-2的上方設(shè)有從動(dòng)軸走線槽2-2-1，從動(dòng)軸2-2的軸心設(shè)有軸心孔2-2-2，從動(dòng)軸走線槽2-2-1的上端設(shè)有上通孔2-2-3，從動(dòng)軸走線槽2-2-1的下端設(shè)有下通孔2-2-4，上通孔2-2-3和下通孔2-2-4均與軸心孔2-2-3相通，鋼絲繩固定塊2-7固裝在凸輪2-4端面的上端，預(yù)緊機(jī)構(gòu)2-8固裝在凸輪2-4端面的下端，鋼絲繩2-3的一端與鋼絲繩固定塊2-7固連，鋼絲繩2-3的另一端沿主凸輪外緣2-4-1外輪廓表面繞在凸輪2-4上，繞至主動(dòng)軸2-1位置處再沿主動(dòng)軸2-1的外徑表面螺旋向上纏繞至徑向通孔2-1-2處并從徑向通孔2-1-2穿過(guò)再沿主動(dòng)軸走線槽2-1-1纏繞1圈后按“8”字形繞到從動(dòng)軸2-2的從動(dòng)軸走線槽2-2-1上，在從動(dòng)軸走線槽2-2-1中纏繞2圈后按“8”字形再繞到主動(dòng)軸2-1的主動(dòng)軸走線槽2-1-1上，在主動(dòng)軸走線槽2-1-1中纏繞2圈后按“8”字形再繞到從動(dòng)軸2-2的從動(dòng)軸走線槽2-2-1中，在從動(dòng)軸走線槽2-2-1中纏繞1圈后經(jīng)上通孔2-2-3、軸心孔2-2-3由下通孔2-2-4穿出后再沿從副凸輪外緣2-4-2外輪廓表面繞在凸輪2-4上后與預(yù)緊機(jī)構(gòu)2-8固連；主動(dòng)軸2-1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)軸2-1上的鋼絲繩2-3張緊并帶動(dòng)凸輪2-4正向旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于膝關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)軸2-1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)軸走線槽2-1-1上的鋼絲繩2-3通過(guò)摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)軸2-2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)軸2-2上的鋼絲繩2-3張緊并帶動(dòng)凸輪2-4反向旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于膝關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)；

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2上的主動(dòng)軸2-1與電機(jī)軸系1上的減速電機(jī)1-1的輸出軸連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2上的關(guān)節(jié)軸2-6的兩端通過(guò)軸承與大腿連接件3連接，小腿連接件4的上端與關(guān)節(jié)軸2-6固接。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖2、圖3、圖7和圖8說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的主動(dòng)軸2-1和從動(dòng)軸2-2的直徑相同。這樣設(shè)計(jì)可以保證主凸輪外緣D2-4-1的輪廓與副凸輪外緣D2-5-1的輪廓做成一樣的。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的預(yù)緊機(jī)構(gòu)2-8由預(yù)緊固定件2-8-1、預(yù)緊固定殼體2-8-2和鋁套2-8-3，預(yù)緊固定殼體2-8-2上設(shè)有預(yù)緊槽2-8-2-1，預(yù)緊固定件2-8-1安裝在預(yù)緊槽2-8-2-1內(nèi)，鋁套2-8-3安裝在預(yù)緊固定件2-8-1內(nèi)。鋁套2-8-3與鋼絲繩2-3端部相互固定，預(yù)緊固定件2-8-1可以在預(yù)緊槽2-8-2-1內(nèi)滑動(dòng)，通過(guò)螺紋連接改變預(yù)緊固定件2-8-1的位置，使鋼絲繩2-3達(dá)到張緊狀態(tài)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的為：

驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸出與減速電機(jī)1-1末端輸出的傳動(dòng)比i是通過(guò)以下公式得出的：

設(shè)主動(dòng)軸2-1與從動(dòng)軸2-2的半徑為r，凸輪2-4外輪廓半徑為R(θ)，主動(dòng)軸2-1的轉(zhuǎn)速為ω₁，凸輪2-4的外輪廓轉(zhuǎn)速為ω₂，

由主動(dòng)軸2-1與凸輪2-4的外輪廓上鋼絲繩2-3的線速度相等得：

rω₁＝R(θ)ω₂

傳動(dòng)比i：

驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)指本發(fā)明的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

由于人在正常行走以及負(fù)重時(shí)，凸輪的轉(zhuǎn)角大約在0°～45°，此時(shí)對(duì)外骨骼膝關(guān)節(jié)的出力沒(méi)有要求，但是需要高速；人在上樓梯或從下蹲到起立的過(guò)程中，凸輪的轉(zhuǎn)角接近135°，角度越大，對(duì)出力的要求越大，而不需要高速，由于減速電機(jī)1-1最大輸出轉(zhuǎn)矩恒定，普通的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足此要求。此凸輪的外輪廓半徑隨著轉(zhuǎn)角的增大而增大，傳動(dòng)比隨之增大，因此能夠在小轉(zhuǎn)角時(shí)提供高轉(zhuǎn)速、小出力，在大轉(zhuǎn)角時(shí)提供低轉(zhuǎn)速、大出力。利用鋼絲繩2-3及凸輪進(jìn)行合理的動(dòng)力分配，實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)1-1驅(qū)動(dòng)大腿與小腿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)屈伸自由度的運(yùn)動(dòng)，提高了能量利用率與傳動(dòng)效率。

其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的傳動(dòng)比i變化范圍為3～10。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式四相同。

具體實(shí)施方式六：結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的傳動(dòng)比i變化范圍為6。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式五相同。

具體實(shí)施方式七：結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的關(guān)節(jié)軸2-6包括磁鐵壓板2-6-1、凸輪磁鐵2-6-2、凸輪磁鐵固定蓋2-6-3、編碼器盤2-6-4、中心軸2-6-5和關(guān)節(jié)軸蓋2-6-6，中心軸2-6-5的上端設(shè)有兩個(gè)軸承安裝孔2-6-5-1，兩個(gè)軸承安裝孔2-6-5-1分別用于安裝主動(dòng)軸軸承2-9和從動(dòng)軸軸承2-10，編碼器盤2-6-4和關(guān)節(jié)軸蓋2-6-6分別設(shè)置在中心軸2-6-5的兩端，且編碼器盤2-6-4和關(guān)節(jié)軸蓋2-6-6均套裝在中心軸2-6-5上，編 碼器盤2-6-4的外側(cè)端面由里至外依次設(shè)置有凸輪磁鐵2-6-2、磁鐵壓板2-6-1和凸輪磁鐵固定蓋2-6-3。磁鐵壓板2-6-1將凸輪磁鐵2-6-2壓緊在凸輪磁鐵固定蓋2-6-3內(nèi)，磁鐵壓板2-6-1、凸輪磁鐵2-6-2和凸輪磁鐵固定蓋2-6-3隨小腿連接件4前后擺動(dòng)(即抬腿和放腿)，編碼器盤2-6-4在中心軸2-6-5上隨大腿連接件3前后擺動(dòng)(即抬腿和放腿)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式四、五或六相同。

具體實(shí)施方式八：結(jié)合圖2、圖3和圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的關(guān)節(jié)軸軸承2-5采用深溝球軸承。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式七相同。

具體實(shí)施方式九：結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的主動(dòng)軸軸承2-9和從動(dòng)軸軸承2-10均采用深溝球軸承。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式八相同。

具體實(shí)施方式十：結(jié)合圖2、圖3和圖7說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的主動(dòng)軸走線槽2-1-1和從動(dòng)軸走線槽2-2-1均為螺旋槽。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式九相同。

本發(fā)明的具體原理及運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程：

膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)，減速電機(jī)1-1帶動(dòng)主動(dòng)軸2-1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸2-1上的鋼絲繩2-3張緊，主動(dòng)軸2-1上主凸輪外緣2-4-1一側(cè)的鋼絲繩2-3從凸輪2-4外輪廓逐漸繞到主動(dòng)軸2-1上，同時(shí)，主動(dòng)軸走線槽2-1-1上的鋼絲繩2-3通過(guò)摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)軸2-2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)軸2-2一側(cè)的鋼絲繩2-3從從動(dòng)軸2-2逐漸繞到副凸輪外緣2-4-2上，形成閉環(huán)；

膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，減速電機(jī)1-1帶動(dòng)主動(dòng)軸2-1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸走線槽2-1-1上的鋼絲繩2-3通過(guò)摩擦力帶動(dòng)從動(dòng)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)軸2-2上的鋼絲繩2-3張緊，從動(dòng)軸2-2一側(cè)的鋼絲繩2-3從凸輪2-4外輪廓逐漸繞到從動(dòng)軸2-2上，同時(shí)，主動(dòng)軸2-1一側(cè)的鋼絲繩從主動(dòng)軸2-1逐漸繞到凸輪2-4外輪廓上，形成閉環(huán)。