一种无源外骨骼机器人的大转矩力关节结构的制作方法

1.本实用新型涉及无源外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种无源外骨骼机器人的大转矩力关节结构。


背景技术：

2.随着社会发展，全球老龄化、医疗康复以及抢险救灾等问题愈发突出，外骨骼机器人作为一种能够辅助并增强人体机能的穿戴式机器人，其可以将人体的智力与机器人的体力进行完美结合，实现单纯机器人完成不了的复杂运动，具有非常广泛的应用前景。
3.面向外骨骼关节是外骨骼机器人研究的重要分支，主要用于辅助人体上下肢负重方面的助力。主动有源外骨骼指利用传感器感知人体运动意图，并通过控制程序驱动执行机构将力施加于穿戴者，但现阶段由于意图感知、柔顺控制等的技术瓶颈，经常会引起穿戴者的不适，同时由于其系统复杂，存在可靠性低、成本高、续航短、穿戴体验差的缺点。因此，被动无源的外骨骼慢慢成为主流方案之一，被动无源外骨骼的关节结构主要采用具有势能的卷簧结构连接可以相互转动的关节转臂和关节基座，由于轴连接式的弹性驱动，使得转矩力限制在10n以内，无法满足关节反作用输出助力的需求，此外，由于考虑关节质量、体积比例的原由，导致大转臂的设计也无法实现，因此在质量、体积比受限的情况下，大转矩的外骨骼关节结构亟需解决。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种无源外骨骼机器人的大转矩力关节结构，为增强无源外骨骼下肢关节结构的大转矩辅助力进行负重行走、蹲起搬运等工作提供解决方案，使得使用者可以进行往复高负荷关节运动的舒适工作，降低疲劳度。
5.为解决以上技术问题，本实用新型提供一种无源外骨骼机器人的大转矩力关节结构，其包括关节转臂、关节基座、卷簧、卷簧座及固定盖，所述关节转臂、关节基座、关节端盖、卷簧、卷簧座及固定盖，所述关节转臂和所述关节基座转动连接，所述卷簧安装于所述卷簧座内，所述卷簧安装于所述关节基座内，并且通过安装于所述关节基座侧面固定，所述关节端盖用于将卷簧座封装于所述关节基座内；
6.所述卷簧与所述关节转臂之间形成有至少两节转轴，两节转轴分别对应主动卷簧旋转轴和从动卷簧旋转轴，所述主动卷簧旋转轴用于与所述卷簧连接，所述从动旋转轴用于与所述关节转臂连接，所述主动卷簧旋转轴与所述从动卷簧旋转轴之间设有行星轮机构，使得主动卷簧旋转轴与从动卷簧旋转轴之间的扭矩力扩大。
7.在一些优选的实施方式中，所述主动卷簧旋转轴与所述从动卷簧旋转轴具有同一转动自由度，该转动自由度对应一个转动轴线，所述行星轮结构也具有所述转动轴线。
8.在一些优选的实施方式中，所述行星轮机构为安装于所述关节端盖内的三个行星轮，在三个所述的行星轮靠近所述关节转臂的一侧安装有三角架，该三角架的的三个角侧分别通过销轴插接所述行星轮内，并且与之转动连接，所述三角架的中心设有安装孔，所述
安装孔用于与所述从动卷簧旋转轴连接；还包括位于三个行星轮之间与之啮合的恒星轮，所述恒星轮中心与所述主动卷簧旋转轴固定连接。
9.在一些优选的实施方式中，所述三角架具有所述转动轴线。
10.在一些优选的实施方式中，三个所述的行星轮直径相同。
11.在一些优选的实施方式中，所述恒星轮的直径小于所述行星轮的直径。
12.在一些优选的实施方式中，所述从动卷簧旋转轴上形成有阶梯轴段一，所述阶梯轴段一的直径大于所述从动卷簧旋转轴的直径，使得从动卷簧旋转轴较高的强度。
13.在一些优选的实施方式中，所述从动卷簧旋转轴两端设有安装螺孔，所述从动卷簧旋转轴与所述关节转臂和所述行星轮机构之间分别通过螺钉安装于所述安装螺孔内固定。
14.在一些优选的实施方式中，所述主动卷簧旋转轴上形成有阶梯轴段二，所述阶梯轴段二的直径大于所述主动卷簧旋转轴的直径，使得主动卷簧旋转轴与所述卷簧座之间的稳定转动连接
15.与现有技术相比，本实用新型具有的优点：
16.无源外骨骼的关节结构具有同一转动自由度所对应的转动轴线的主动卷簧旋转轴和从动卷簧旋转轴，主动卷簧旋转轴与从动卷簧旋转轴之间形成有可以增大转矩力的行星轮机构，行星轮通过三角架固定，三角架具有转动轴线，使得位于其中间的小直径恒星轮将小转矩传递至三个大直径行星轮转化为三角架的大转矩，从而实现无源关节结构大转矩力的助力，使得穿戴者可以在下肢弯曲负重搬运起立时的轻松进行，还可以解决做往复下肢折弯蹲起疲劳的问题。
附图说明
17.图1为本实用新型的实施例的大转矩关节结构的整体立体装配结构示意图；
18.图2为本实用新型的实施例的大转矩关节结构的整体立体爆炸示意图；
19.图3为本实用新型的实施例的大转矩关节结构的另一种视图的整体立体爆炸示意图；
20.图4为本实用新型的实施例的行星轮机构、关节端盖和关节转臂的装配示意图。
具体实施方式
21.为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图4及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
22.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
23.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”“左”“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.本实施例提供一种无源外骨骼机器人的大转矩力关节结构，可安装于大小腿及大腿与腰部之间由使用者穿戴辅助于膝关节和腰关节，可以增强使用者的机能，比如增强人体机能、增强能力。
26.参见图1，关节结构具有关节转臂101、关节基座104、卷簧、卷簧座103及固定盖105，关节转臂101和关节基座104通过转轴相对转动连接，关节基座104和关节转臂101一般是用于连接下肢结构，比如膝关节的小腿、大腿及上体结构，也即关节转臂101和关节基座104是关节结构的基础承力部位。现有的无源关节结构一般是在关节基座104和关节转臂101之间安装卷簧和卷簧座103一体结构，卷簧座103安装于关节基座104内与之固定连接，并且提前对卷簧做预紧力提升，通过转轴将卷簧的预紧力转化为扭矩力传递至关节转臂101，但是由于卷簧自身的弹性系数有限以及关节基座104和关节转臂101的体积、质量比限制，导致一般的关节结构扭矩力在10n以内，无法满足使用者穿戴后关节部的辅助作用。因此，本实施例在现有的关节结构基础上进行了转矩力扩大改进。
27.参见图2和3，该关节结构在卷簧和关节转臂之间设置了两节转轴，此两节转轴分别对应主动卷簧旋转轴108和从动卷簧旋转轴107，主动卷簧旋转轴108与卷簧连接，可将卷簧的预紧力输出至主动卷簧旋转轴108上，而主动卷簧旋转轴108是完全位于关节端盖102所封装的关节基座104内的，也即主动卷簧旋转轴108为固定在内部的结构；从动卷簧旋转轴107是位于关节端盖102的外部，用于与关节转臂101连接，可将关节转臂101与关节基座104在两节转轴的基础上完成连接安装，实现原有的转动和轴向固定；为了使转矩力得以扩大，在主动卷簧旋转轴108与从动卷簧旋转轴107之间相对接的一端通过行星轮机构106连接，故可将主动卷簧旋转轴108和从动卷簧旋转轴107在分离的情况下实现力传递，并且可通过行星轮机构将原有的小转矩力扩大，从而可解决无源外骨骼关节结构的转矩力受限在10n以内的问题，使得使用者可以穿戴具有该关节结构的外骨骼下肢进行往复负重的蹲起工作。
28.参见图2和3，值得说明的是，主动卷簧旋转轴108与从动卷簧旋转轴107具有相同的转动自由度，该转动自由度对应转动轴线x，关节结构也具有转动轴线x，也即主动卷簧旋转轴108与从动卷簧旋转轴107同轴转动，并且与关节结构同轴转动，更明了的解释为，关节基座104和关节转臂101借助同轴的主动卷簧旋转轴108和从动卷簧旋转轴107实现相对转动。示例的，参见图2，主动卷簧旋转轴108上形成有一段直径大于本身的阶梯轴段二1081，该阶梯轴段二1081使主动卷簧旋转轴108可以稳定地转动地安装于卷簧座104内，从而可以实现主动卷簧旋转轴108稳定的具有转动轴线x对应的转动自由度转动，使卷簧的预紧力得以稳定的释放转化为主动卷簧旋转轴108的扭矩力，防止错转动自由度而导致的卡滞、力损失等问题。示例的，参见图2，从动卷簧旋转轴107上也形成有一段直径大于本身的阶梯轴段一1071，一方面可以在从动卷簧旋转轴107安装于关节转臂101和关节端盖102上时便于轴向上的定位，另一方面，由于从动卷簧旋转轴107在行星轮机构106的转矩力扩大后所承载
的转矩力较大，需要较高的强度要求，且从动卷簧旋转轴107是关节基座104和关节转臂101承受人体重力和底面反作用力的主要承力部件，因此，大直径的阶梯轴段一1071可以增强强度，使装置具有较高的工作载荷。
29.特别的，为了能够使从动卷簧旋转轴107插接入关节转臂101和关节端盖102的行星轮机构106中与之固定，防止脱落，在从动卷簧旋转轴107的两端设有安装螺孔，通过在该安装螺孔螺纹安装螺钉，可将其两端稳定的固定在关节转臂101和行星轮结构106上。
30.参见图2-4，行星轮机构106的具有安装于关节端盖102内的三个行星轮1062，三个行星轮1062呈中心对称布置，在行星轮1062靠近关节转臂101的一侧形成有一个三角架1061，三角架1061的三个角侧分别通过销轴插接行星轮1062的中心，并且与之转动连接，也即完全中心对称的三角架1061三个角同一侧通过销轴转动连接有三个中心对称的行星轮1062，三个行星轮1062均与关节端盖102内开有的圆形内齿槽内壁啮合，使得行星轮1062绕圆形内齿槽内壁滚动的同时带动整个三角架1061在转动轴线x上转动，也即三角架1061具有转动轴线x。此外，在三角架1061的中心设有安装孔1064，该安装孔1064用于与从动卷簧旋转轴107的端部插接连接。行星轮机构106还具有位于三个行星轮1062中部同时与之啮合的恒星轮1063，恒星轮1063与主动卷簧旋转轴108端部固定连接。
31.值得说明的是，三个行星轮1062的直径相同，也即采用相同的三个行星轮1062，使得三个行星轮1062作为整体的中心转动自由度对应在转动轴线x上，行星轮1062的直径还小于恒星轮1063的直径，可以在体积比一定的情况下，最大可能的扩大转矩力。
32.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本实用新型的保护范围。