面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器.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CN106914920A(43)申请公布日2017.07.04(21)申请号201710201541.4(22)申请日2017.03.30(71)申请人南京工程学院地址211167江苏省南京市江宁科学园弘景大道1号(72)发明人韩亚丽朱松青吴振宇沈培张猛(74)专利代理机构南京正联知识产权代理有限公司32243代理人王素琴(51)Int.Cl.B25J17/02(2006.01)B25J9/00(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图3页(54)发明名称面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器(57)摘要本发明是一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，包括外部框架、驱动电机、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆机构、扭簧驱动端、扭簧、转盘拨叉机构、阶梯轴以及末端执行件，阶梯轴分别与蜗轮蜗杆机构、扭簧驱动端、转盘拨叉机构以及末端执行件相连，驱动电机与蜗轮蜗杆机构之间通过齿轮传动机构连接，扭簧驱动端通过扭簧与转盘拨叉机构相连，蜗轮蜗杆机构将运动传递给扭簧驱动端，进而压缩扭簧带动转盘拨叉机构运动。本发明通过压缩弹簧进而改变弹簧压缩方向与受力方向的夹角，满足踝关节外骨骼机构的变刚度要求，充分利用弹性元件在行走阶段储能、释能的功能，主动驱动电机仅在适时阶段实施驱动，具有低功耗的特点。CN106914920ACN106914920A权利要求书1/1页1.一种面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述驱动器包括外部框架（1）、驱动电机（2）、齿轮传动机构（3）、蜗轮蜗杆机构（4）、扭簧驱动端（5）、扭簧（6）、转盘拨叉机构（7）、阶梯轴（8）以及末端执行件（9），所述阶梯轴（8）分别与蜗轮蜗杆机构（4）、扭簧驱动端（5）、转盘拨叉机构（7）以及末端执行件（9）相连，驱动电机（2）与蜗轮蜗杆机构（4）之间通过齿轮传动机构（3）连接，扭簧驱动端（5）通过扭簧（6）与转盘拨叉机构（7）相连，蜗轮蜗杆机构（4）将运动传递给扭簧驱动端（5），进而压缩扭簧（6）带动转盘拨叉机构（7）运动。2.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述齿轮传动机构（3）由直齿轮A（10）和直齿轮B（11）啮合而成。3.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构（4）由蜗轮和蜗杆啮合而成。4.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述转盘拨叉机构（7）包括转盘（14）、拨叉（15）、弹簧（16），转盘（14）与拨叉（15）之间通过六组相同规格的弹簧（16）相连。5.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述末端执行件（9）包括上脚板（17）和下脚板（18）。6.根据权利要求1所述面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述阶梯轴（8）分别与外部框架（1）、蜗轮、扭簧驱动端（5）、转盘（14）通过滚珠轴承相连，阶梯轴（8）分别与拨叉（15）、上脚板（17）通过圆键相连。2CN106914920A说明书1/3页面向下肢踝关节外骨骼机器人的变刚度柔性驱动器技术领域[0001]本发明属于机器人领域，具体的说是涉及一种变刚度柔性驱动器，特别涉及一种用于助力外骨骼机器人及仿生机器人下肢关节驱动的柔性驱动器。背景技术[0002]目前，下肢助力外骨骼多为刚性机构，驱动方式多采用液压或电机，但无论是液压驱动还是电机驱动，都存在传力过程中缓冲较差的问题，尤其是足底着地的瞬间，产生较大的冲击力，造成机械本体的振动，从而影响人机系统的稳定性，特别是快速连续行走的时候，连续的冲击力和振动，会导致机体和机载设备的损坏。[0003]近年来，机器人技术日益成熟，以人为中心的机器人应用领域越来越多，人体和机械体高度耦合的人机系统的交互性也不断增加。下肢助力外骨骼为典型的人机一体化系统，为了保证人体与机械体运动时的灵活性和安全性，机械体的执行机构必须具有一定的柔性。同时，为了负载重物，执行机构又必须具有一定的刚性，故本申请提出了一种变刚度下肢踝关节外骨骼机器人，采用电机带动齿轮及蜗轮蜗杆传动机构，进而串联扭簧，扭簧带动内置弹簧的转盘拨叉机构，实现踝关节外骨骼机构的屈/伸运动，在运动过程中对穿戴者进行助力，此种变刚度的刚柔耦合的驱动器具有较低的机械输出阻抗、能适应较大的控制带宽，类似肌肉工作原理一样具有较好的自然柔顺性与缓冲功能。发明内容[0004]针对目前踝关节外骨骼驱动器存在的驱动模式单一问题，以及结合踝关节外骨骼机器人对仿生节能驱动器的需求，本发明提供了一种具有储能、释能功能，且刚度可变的柔性驱动器，从而满足下肢踝关节外骨骼机