一种外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节的制作方法

本发明涉及外骨骼机械技术领域，具体为一种外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节。

背景技术：

外骨骼机器人是一种集人机工程学、仿生学于一体的机械装置，集成了传感、控制、信息耦合、移动计算等机器人技术，可以为人类身体提供支撑、保护、助力等作用，主用于康复医疗和军事等领域。外骨骼机器人是一种人机交互的系统，其安全性、稳定性与舒适性尤其重要。而目前，外骨骼机器人的机械结构大多为刚性连接，存在运动不够柔顺，人类穿戴其行走时脚底与地面的冲击力过大，以及运动时系统能耗大等缺点。下肢与地面的冲力会通过结构传递到机器各个部位，造成零部件之间的振动，降低机器稳定性与精度，同时僵硬的步态会使用户体验的舒适性大为降低。因此，提高机器下肢关节的柔性度，利用柔性结构进行能量的储存和释放，降低其系统能耗等，都对提高外骨骼机器人可靠性与舒适性有极为重要的作用。

目前，实现外骨骼柔性传动的方法有气动肌肉和sea(串联弹性驱动器)，气动肌肉虽可以提高外骨骼仿生性能，但是其难以控制、噪声大且收缩率小。sea在柔性关节方面用得比较多，但是sea的刚度并没有发生变化，很多时候是因外部负载的不同只对弹簧的初始相位进行调节，并不能做到像生物肌肉那样在收缩舒张的运动过程中实现刚度的时刻改变，降低了其适应性。公开号cn103522302b的专利介绍了一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节,基于生物肌肉力学特性研究的仿生学设计，以及关节转动中重力势能的变化,通过在传统机器人关节中加入扭簧和自行设计的串联弹性体,实现关节转动时，机器人重力势能的存储和大扭矩的释放,从而达到大出力效果,具有减震蓄能作用。但本设计的刚度不可调，且没有限位机构，安全性不足。如果公开号为cn104385294b的专利介绍了一种用于关节型机器人的柔性关节，通过采用弹簧-锥齿轮换向器的串联弹性驱动器形式，将锥齿轮换向器的输出轴一端与柔性输出端相连，使得关节运动过程中能够实现柔性输出，并且利用柔性弹簧结构的储存和释放能量特性，提高了能量使用效率，耗能较低。但该柔性关节只解决了能耗的问题，其刚度不可调，使得它难以适应不同的外界环境与工作需求。公开号为cn105397837a的专利介绍了一种单向串联弹性驱动器，通过在电机与负载之间安装以扭簧作为弹性元件的单向弹性传动机构，增加关节的柔性，但是并没有降低系统的能耗，而且刚度也不可变。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够减缓人在穿戴外骨骼机器人行走的过程中脚着地瞬间地面带来的冲击力，并起到脚着地缓冲的作用，保护人体膝关节不受伤害，使行走过程更为舒适的外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节。技术方案如下：

一种外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节，包括设置在膝关节处的弹性片，设置在小腿内板上提供动力的无刷直流电机，及内侧一端与大腿连杆固定的膝关节转轴；弹性片包括外圈和内圈，外圈和内圈之间连接有s型弹性体，外圈与大腿连杆固定连接；无刷直流电机一端设有小弧齿锥齿轮，小弧齿锥齿轮与套装在膝关节转轴上的大弧齿锥齿轮啮合，大弧齿锥齿轮与内圈卡合连接。

进一步的，还包括拉力弹簧，所述小腿内板上还设有棘爪模块，膝关节转轴外侧一端固定有凸轮转盘，拉力弹簧一端通过钢丝绳固定于凸轮转盘上，另一端固定于棘爪模块的棘轮转盘上。

更进一步的，所述棘爪模块上设有调节旋钮，调节旋钮的旋钮轴与棘轮转轴装配固定；棘爪通过尾端的棘爪弹簧施加弹力，抵靠于棘齿间，棘爪弹簧另一端连接有用于将棘爪拉出棘齿的拉片。

更进一步的，所述外圈内侧设有限位凸台，小腿内板的膝关节处外侧设有与限位凸台配合，起旋转限位作用的弧形金属片。

更进一步的，所述大腿连杆下端的膝关节处同时设有用于与外圈固定连接的外连接孔，及用于与内圈固定连接的内连接孔。

更进一步的，所述膝关节转轴的内侧一端为星形轴端，其通过螺栓与大腿连杆固定连接。

更进一步的，所述小腿内板上端设有小腿上端盖，小腿上端盖上设有用于检测膝关节的转动角度的编码器。

本发明的有益效果是：

1）本发明采用柔性驱动，减缓了人在穿戴外骨骼机器人行走的过程中脚着地瞬间地面带来的冲击力，起到脚着地缓冲的作用，保护人体膝关节不受伤害，使行走过程更为舒适；

2）本发明降低了人机之间交互力的变化速率，减轻了对人体组织的挤压，使行走过程更加自然、舒适；

3）本发明实现了膝关节转动过程中连续性的刚度变化，使柔性驱动的过程更加符合人体肌肉组织的机理，达到仿生的目的，让人感到舒适；

4）本发明实现了初始刚度的可调，针对不同体重的穿戴者或者不同负重调节柔性驱动环节达到最合适的初始刚度；

5）本发明降低了驱动电机的功率，利用弹性体实现了能量储放；弹性环节储能使电机功率降低，延长了续航时间；

6）本发明的弹性片具有限位机构，能大大增加柔性驱动的安全性；

7）本发明“原动肌”模块和“对抗肌”模块的组合弹性模块，使柔性驱动过程更为自然，让人感到舒适，还可以根据需求，自由切换柔性驱动/刚性驱动，使用/不使用变刚度“对抗肌”模块。

附图说明

图1为本发明外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节的外形结构示意图。

图2为本发明弹性片在小腿内板上的安装示意图。

图3为大弧齿锥齿轮结构示意图。

图4为实现限位旋转功能的结构示意图。

图5为大腿连杆内侧结构示意图。

图6为本发明模拟对抗肌功能的结构示意图。

图7为关节转轴结构示意图。

图8为初始刚度调节模块结构示意图。

图9为调节旋钮安装关系结构示意图。

图10为本发明外骨骼机器人仿生变刚度柔性膝关节的爆炸图。

图中：11-大腿连杆；12-弹性片；13-小腿上端盖；14-编码器；15-无刷直流电机；16-电机编码器；17-钢丝绳；18-拉力弹簧；19-节点板；110-小腿下端盖；111-调节旋钮模块；112-棘爪模块；113-小腿内板；114-轴承；22-外圈；23-s型弹性体；24-内圈；25-尾端；31-大弧齿锥齿轮；32-螺孔；42-弧形金属片；43-限位凸台；52-外连接孔；53-星形轴端；54-内连接孔；62-小弧齿锥齿轮；63-凸轮转盘；66-棘轮转盘；72-膝关节转轴；81-拉片；82-棘爪弹簧；83-棘爪；84-棘轮；85-调节旋钮；86-旋钮端盖，87-棘爪端盖；91-棘轮转轴；92-旋钮轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例针对于助行外骨骼机器人设计的一种仿生柔性下肢，其主要包含柔性驱动的膝关节，对抗形式的变刚度弹性单元以及初始刚度调节模块。

柔性驱动的膝关节，包括设置在膝关节处的弹性片12，设置在小腿内板113上提供动力的无刷直流电机15，及内侧一端与大腿连杆11固定的膝关节转轴72；弹性片12包括外圈22和内圈24，外圈22和内圈24之间连接有s型弹性体23，外圈22与大腿连杆11固定连接；无刷直流电机15一端设有小弧齿锥齿轮62，小弧齿锥齿轮62与套装在膝关节转轴72上的大弧齿锥齿轮31啮合，大弧齿锥齿轮31与内圈24卡合连接。

对抗形式的变刚度弹性单元，包括拉力弹簧18，所述小腿内板113上还设有棘爪模块112，膝关节转轴72外侧一端固定有凸轮转盘63，拉力弹簧18一端通过钢丝绳17固定于凸轮转盘63上，另一端固定于棘爪模块112的棘轮转盘66上。

初始刚度调节模块，棘爪模块112上设有调节旋钮85，调节旋钮85的旋钮轴92与棘轮转轴91装配固定；棘爪83通过尾端的棘爪弹簧82施加弹力，抵靠于棘齿间，棘爪弹簧82另一端连接有用于将棘爪83拉出棘齿的拉片81。

图1所示为助行外骨骼机器人柔性膝关节的整体外观，主要是膝关节及小腿部分。大腿连杆11通过螺栓与弹性片12相连，再与大弧齿锥齿轮31通过螺栓固连，使动力端与输出端的联接由刚性变为柔性，实现柔性驱动；编码器14贴在小腿上端盖13上，测得膝关节的转动角度；无刷直流电机15作为动力输出端带动小弧齿锥齿轮62转动，电机编码器16测量电机的绝对转角，节点板19实现对电机的控制；拉力弹簧18作为弹性元件模拟对抗肌；棘爪模块112以及调节旋钮模块111作为外部对棘轮的控制端，装配在小腿下端盖110上。

图2为柔性膝关节的关键件弹性片12在小腿上的安装视图。弹性片12的内圈24与大弧齿锥齿轮的尾端25相配合，螺栓经过内圈上四个直径3.2mm通孔与图3大弧齿锥齿轮中齿轮末端第二阶端面上m3的螺孔32相配合，将扭矩输出端与特制弹性片内圈固接；弹性片中间的s形弹性体23一端接外圈22，一端接内圈24，当扭矩作用与内圈时，内外圈有相对转动趋势，通过中间的s形性体传递扭矩到外圈上，实现柔性驱动，减缓电机传递的扭矩变化速率，降低人机交互力；并且，在脚着地产生冲击力时，由于膝关节中间的s形弹性体，将产生一个缓冲的作用，极大的降低了冲击力，保护了膝关节；该特制弹性片也能具备一定的储能功能，在屈膝过程中压缩弹簧储能，伸直的过程中放能以降低电机功率。相对于作为对抗肌的拉力弹簧18，该弹性片12被定义为原动肌，两种“肌肉”相互作用，实现对抗形式的柔性驱动，达到仿生的目的。

图4为特制弹性体与小腿装配的内侧图。弹性片12的外圈22内侧设有限位凸台43，小腿内板113的膝关节处外侧设有与限位凸台43配合，起旋转限位作用的弧形金属片42。限位凸台只能在没有金属片的部分转动，起到了限位作用，当电机误转或者特制弹性片中间的s形弹性体疲劳破坏时，能保护穿戴者在一定的位置卡住不动，防止二次伤害。

图5为大腿连杆内侧图。大腿连杆11通过螺栓与弹性片12相连；当采用外圈直径4.3mm的外连接孔52与特制弹性片外圈m4的螺纹孔相连时，具备柔性驱动效应；当采用内圈直径4.3mm的内连接孔54与特制弹性片内圈m4的螺纹孔相连时，将不具备柔性驱动效应，变成刚性连接；这就使该机构能够根据是否需要柔性环节而随意切换柔性膝关节以及刚性膝关节两种模式；星形轴端53与大腿连杆通过螺栓连接，该轴的另一端接凸轮转盘63，产生对抗形式的弹性力矩作用在轴上，进而作用在大腿连杆上。

图6为助行外骨骼机器人柔性膝关节小腿去掉端盖的内部视图。大弧齿锥齿轮31以及小弧齿锥齿轮62相啮合。

图7为膝关节转轴图，凸轮转盘63通过轴套固接在膝关节转轴72上，膝关节转轴72的内侧一端为星形轴端53，其通过螺栓与大腿连杆11固定连接。星形轴端53与大腿连杆相连，星形机构能分担一部分力矩的传递，减小连接螺栓上的受力；凸轮转盘上缠绕钢丝绳17，然后连接拉力弹簧18，最后缠绕在棘轮转盘66上，整体形成“对抗肌”模块；当膝关节转动，带动转轴转动，凸轮转盘转动，对拉力弹簧产生拉力，由于棘轮在该拉力方向自锁，下端不动，弹簧拉力对凸轮产生一个扭矩，该扭矩对用与大腿连杆上；该弹簧产生的扭矩不仅也起到缓冲冲击力的作用，同时也具备储能作用，在屈膝过程中，弹簧拉伸储能，腿伸直过程中，弹性恢复力做功使电机功率降低。该模块最大的作用是能够实现在柔性驱动过程中连续性的刚度变化，因为凸轮的外圈到转轴中心的距离不同，在转动过程中，力臂连续变长，力产生的力矩也连续性的增大，使得特制弹性片和拉力弹簧的等效刚度连续性的缓慢增大，这跟肌肉的刚度原理类似，达到仿生的作用，实现更为自然平滑的柔性驱动。

图8为初始刚度调节模块，主要有棘轮84构成。当钢丝绳17拉着棘轮转盘沿图逆时针方向转动时，棘轮在棘爪83的作用下自锁；棘爪由于棘爪弹簧82的作用，一直处于顶死状态，可以通过调节旋钮85顺时针方向旋转增大初始刚度，将拉片81拔出可以逆时针方向旋转旋钮以减小初始刚度，通过对弹簧预紧力的改变来改变初始的刚度，以适应不同的负重及穿戴者体重，对于越重的人，采用更大的刚度较好。

调节旋钮部分装配关系如图9，棘轮转轴91与旋钮轴92装配，再用紧固螺钉固定轴和旋钮；拉片81拔出后旋转90°后可以使它不能弹回，从而使棘轮失去它的功能，可以通过这样在使用“对抗肌”模型实现变刚度或者不使用“对抗肌”模块两周模式上随意切换。

穿戴者使用时，通过绑缚将大、小腿和外骨骼机器人仿生柔性膝关节相连，柔性驱动膝关节转动。可以通过拔出棘爪拉片81并旋转90°变成不使用“对抗肌”模块的模式，可以通过大腿连杆11与弹性片外圈22连接，使用柔性驱动功能，可以通过大腿连杆11与弹性片内圈24连接，使用刚性驱动功能。穿戴开始时，可根据自身体重以及负重情况，旋转旋钮85调节初始等效刚度。该仿生柔性膝关节可以降低着地冲击力，降低人机交互力，保护膝关节，降低电机功率，使人在穿戴外骨骼机器人行走时感到更加舒适，也提升了机器本身的安全性。