一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110652425A(43)申请公布日2020.01.07(21)申请号201910768255.5(22)申请日2019.08.20(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人吴青聪朱杨辉陈柏陈喜徐大文(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人张弛(51)Int.Cl.A61H3/00(2006.01)A61H1/02(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图10页(54)发明名称一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人(57)摘要本发明公开了一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，用以穿戴在人体下肢上，包括腰部机构、髋部机构、膝部机构；通过腰部机构上的驱动电机和驱动盘作为驱动源，而将驱动套索索正转或者反转，带动下方膝部机构的输入盘正转或者反转，而使输入盘相对输出盘转动达到带动膝部关节的转动。膝部机构的输入盘与输出盘之间采用滑轮及钢丝绳形成变刚度调节作用。而调整滑轮组数就可以增加或减少关节的刚度范围，改变关节的刚度特性。使用该变刚度机构驱动，刚度可以在行走过程中主动变化，使外骨骼具有柔顺性更好，安全性更高、适应性更好、机构紧凑简单的优点。CN110652425ACN110652425A权利要求书1/2页1.一种可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：包括腰部机构、髋部机构、膝部机构；所述腰部机构连接有腰部穿戴件，腰部机构包括腰部架、安装在腰部架上的驱动电机、与驱动电机配合的减速器、安装在减速器输出上的驱动盘，所述驱动盘上绕有驱动套索；所述髋部机构连接有大腿穿戴件，髋部机构包括与腰部架连接的髋关节转向板，该髋关节转向板的后端通过髋关节外展内收轴与腰部架铰接而前端弯折延伸；所述髋关节转向板前端连接有髋关节下板，该髋关节下板的上端与髋关节通过髋关节屈伸轴与转向板铰接而髋关节下板的下端向下延伸；所述髋关节下板的下方具有向外延伸的髋关节平衡滑轮；髋部机构连还设有上下延伸的髋关节平衡弹簧及髋关节套索，所述髋关节套索的一端向上延伸并与髋关节转向板固定连接，髋关节套索的另一端向下延伸并绕在髋关节平衡滑轮后再向上与髋关节平衡弹簧的下端固定连接，所述髋关节平衡弹簧的上端与髋关节下板的上端固定连接；所述膝部机构连接有小腿穿戴件，膝部机构包括膝关节上板、绳索末端受力架、自膝关节上板向外延伸的膝关节轴、安装在膝关节轴上的输入盘、同样安装在膝关节轴上的输出盘、安装在输出盘下端并向下延伸的膝关节下板；输入盘绕膝关节轴转动；输出盘与膝关节轴相对固定；所述输入盘外侧设有供驱动套索绕过的台阶盘，该台阶盘、驱动盘与驱动套索形成带传动，驱动盘转动而通过驱动套索带动输入盘转动；所述输入盘面对输出盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的变刚度输入滑轮；该变刚度输入滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；所述输出盘面对输入盘的一面上设有若干在该面沿同一圆周均匀布置的膝关节输出滑轮，该膝关节输出滑轮轴向与膝关节轴平行且围绕在膝关节轴外围；且每个变刚度输入滑轮与每个膝关节输出滑轮一一对应，并且变刚度输入滑轮位于膝关节输出滑轮外侧；膝部机构还设有一条钢丝绳，该钢丝绳在每个膝关节输出滑轮内侧处交叉形成一个绳套并套在变刚度输入滑轮上；所述膝关节下板上设有辅助弹簧以及张紧装置，该辅助弹簧沿着膝关节下板延伸方向同向延伸设置，且辅助弹簧的上端与钢丝绳的一端连接，辅助弹簧的下端与膝关节下板外侧延伸出的弹簧固定装置连接；钢丝绳的另一端与张紧装置连接。2.根据权利要求1所述的可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述腰部机构、髋部机构、膝部机构均为对称的两个，包括左腰部机构及右腰部机构、左髋部机构及右髋部机构、左膝部机构及右膝部机构；左腰部机构及右腰部机构之间通过腰部调节板。3.根据权利要求1或2所述的可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：所述张紧装置包括安装在膝关节下板外侧的伺服电机、安装在伺服电机上方的涡轮，所述伺服电机的输出轴设有与涡轮配合的蜗杆，膝关节下板外侧还设有向外延伸的涡轮连接轴，该涡轮设置在涡轮连接轴上，且涡轮内侧设有与钢丝绳配合的圆台，钢丝绳缠绕在圆台上。4.根据权利要求3所述的可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：还设有膝关节旋转编码器、变刚度差角旋转编码器；左膝关节旋转编码器的轴连接左编码器处带轮；膝关节轴的外端连接轴端带轮，编码器处带轮通过同步带与轴端带轮连接，膝关节旋转编码器用以测量膝关节上板和左膝关节下板之间的相对角度；变刚度差角旋转编码器的轴与膝关节轴粘连，变刚度差角旋转编码器用于测量输入盘和输出盘之间的相对角度。5.根据权利要求4所述的可变刚度下肢外骨骼助力机器人，其特征在于：腰部机构还包2CN11