一种康复机器人变刚度柔性关节的制作方法

本发明涉及一种变刚度柔性关节，主要应用于康复机器人关节处，属于智能机器人领域。

背景技术

据统计我国仅脑卒中所引起的偏瘫患者就人数众多，估计人数在390万～1300万，虽然越来越多的脑血管疾病患者都能够得到及时的手术治疗，但是往往伴随着术后偏瘫和运动障碍等后遗症。临床实验表明针对这类患者偏瘫部位进行康复训练可以有效减少残疾的可能性。但是传统的治疗师在对患者进行康复训练时，存在效率低、工作强度大等不足，并且目前这类医务人员严重紧缺。为了缓解上述现象，医疗康复机器人应运而生。与传统机器人应用不同，康复机器人在应用过程中时刻处于人机交互的状态，为了提高康复机器人的自适应性与人机交互安全性，防止机器人在发生意外碰撞时能够对患者的二次损伤，根据仿生学的理论分析，设计一种具有变刚度柔性关节的康复机器人可以有效解决上述问题。

磁流变液属于一种可控的智能磁流体材料。磁流变液在磁场作用下能够在毫秒级的时间内连续、可逆地转变为具有高粘度、低流动性的bingham流体，其表观黏度能增加两个数量级以上，具有类似固体的力学性质；当撤去外加磁场时，磁流变液又能快速恢复良好的流动性，此效应称为磁流变效应。随着外加磁场的强度不断增加，磁流变液的剪切屈服应力也逐渐加大。磁流变液的这种及其优良的流变特性，使得它被广泛的应用在制动器、阻尼器、离合器、健身器械、车辆悬架系统、航空航天等领域。

利用磁流变液的磁流变效应，设计变刚度柔性关节将具有结构简单、易于控制的优点，可以避免传统变刚度关节或驱动器所存在的结构复杂，控制难度大等问题。经过对现有专利的检索发现，发明专利cn101293351a公开了“磁流变液离合器的安全型刚度可调机械关节”，包括动力机构、传动机构、输出机构、驱动传感部件、变刚度机构，传动机构与输出机构连接，变刚度机构就是磁流变液离合器，磁流变液离合器与动力机构和传动机构连接，驱动传感部件是指伺服电机驱动器和电机传感器。该可调机械关节可实现关节刚、柔转换，但是在设计上不够紧凑，未能完全发挥磁流变液离合器的功能。发明专利cn104493836a公开了“一种基于磁流变液离合器的机器人关节结构”，包括外壳，伺服电机驱动器、电机编码器、盘式伺服电机、谐波减速器、磁流变液离合器、末端输出轴、第一联轴器和第二联轴器。该发明可用较小的励磁电流控制较大的传递功率，易于实现自动控制，磁流变液需要在磁场的作用下才能实现牛顿流体与类固体之间的变化，在该发明创造中未给出励磁线圈或用来生成可变磁场的物体，无法看出磁场的分布，所以在磁场磁路的设计上不够合理。发明人2017年在《technology&healthcare》25(4)1-11上发表论文theforcecontrolandpathplanningofelectromagneticinduction-basedmassagerobot中提及按摩机器人的力度控制，通过子系统控制驱动电机，进而改变电机输出的力矩，但该机器人控制效果的连续性不够，有待进一步提高。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的按摩机器人力度的控制连续性不够、磁场磁路的设计不够合理，以及不能完全发挥磁流变液离合器功能的不足，本发明提出了一种康复机器人变刚度柔性关节。

本发明包括传动套筒、线圈骨架、主动隔环、从动盘、从动隔环、主动盘、大隔圈、线圈挡板、两个导磁端板、轴承端盖和输入轴。其中：

所述的主动隔环有n个；从动隔环分为第一从动隔环、第二从动隔环和第三从动隔环；所述的第一从动隔环有两个，第二从动隔环有一个，第三从动隔环的数量为n+1-3；所述主动盘分为第一主动盘和第二主动盘，并且该第一主动盘的数量为n+1-2，第二主动盘的数量为两个；所述的从动盘的数量与主动隔环的数量相同。

各所述主动隔环、从动隔环、主动盘和从动盘之间有填装磁流变液的间隙，其中，各主动隔环与各从动盘相邻表面之间的间隙a均为0.75mm，各主动盘外圆周表面与各从动隔环内圆周表面之间的间隙b均为1mm，各主动盘的内圆周表面与各从动盘外圆周表面之间的间隙c均为1mm。

大隔圈套装在各所述从动隔环的外圆周上，并使该大隔圈的一端与所在端的导磁端板和第一线圈挡板固连，另一端与所在端的导磁端板和第二线圈挡板固连。所述的从动盘和各所述的从动隔环均固定在大隔圈内，并使各从动盘与各从动隔环间隔排布。各所述的从动隔环中，两个第一从动隔环分别位于所述大隔圈内表面的两端；第二从动隔环位于大隔圈任意一端，并位于该端第一个从动盘的内侧。

所述的线圈骨架固定套装在所述大隔圈的外圆周上，并位于所述第一线圈挡板与第二线圈挡板之间。线圈缠绕在所述线圈骨架上。传动套筒套装在所述线圈骨架的外圆周上，并使该传动套筒的一端与第一线圈挡板固连，另一端与第二线圈挡板固连。

所述输入轴中部工作段；在该工作段的表面均布有轴向的键槽，用于安装第一主动盘、第二主动盘和主动隔环。在所述安装段的两端分别有弹性挡圈和导磁端板的安装面。所述输入轴两端的直径与机械臂上的连接孔内径相同。在所述弹性挡圈安装面的外侧分别有第二密封圈的安装槽。在该输入轴两端的圆周表面均有键槽，通过键将该输入轴的两端分别与机械臂固连。

所述的各主动隔环均套装并固定在输入轴工作段的外圆周上。所述两个第二主动盘套装并固定在输入轴工作段主动隔环的外侧；所述的第一主动盘亦套装并固定在输入轴工作段的外圆周上，并使各所述第一主动盘分别与主动隔环间隔排布；通过弹性挡圈限定所述第一主动盘、第二主动盘和主动隔环的轴向位置。所述两个导磁端板套装在输入轴上，并分别位于各所述第二主动盘的外侧。

所述线圈骨架的内圆周表面均布有与大隔圈外圆周表面配合的轴向键槽。所述线圈骨架的两端均有径向凸出的挡板，该挡板的外径与传动套筒的内径相同，并使二者之间过盈配合。所述线圈骨架的轴向长度与所述大隔圈的轴向长度相同。在该线圈骨架位于线圈挡板一端的挡板的外圆周上有用于穿过线缆u形的开口。

所述线圈线圈采用标称直径为0.8mm的漆包线缠绕而成。缠绕时，所述线圈径向为16层，每层绕45匝，并且各匝之间无间隙。

所述第一主动盘的外径比第二从动隔环的内径小1mm，第二主动盘的外径比第一从动隔环的内径小1mm。所述第一主动盘与第二主动盘的内圆周表面有与输入轴配合的轴向键槽。

所述内表面与固定在所述输入轴安装面上的法兰轴承的轴承座外表面固定配合。该导磁端板的外表面为阶梯面，其中一端的大直径为与线圈骨架两侧端面连接的法兰，该法兰的外圆周表面为阶梯面，形成了与所述线圈挡板配合的止口；在所述止口上均布有连接孔，该连接孔的中心线与导磁端板的中心线平行。所述导磁端板小直径端的端面均布有轴承端盖的安装孔。

所述第一线圈挡板和第二线圈挡板的内表面均为与所述阶梯状导磁端板法兰外圆周表面止口配合的阶梯面；该第一线圈挡板和第二线圈挡板的外径与所述传动套筒的内径相同，并且在该第一线圈挡板和第二线圈挡板的外表面分别均布有径向的凸块，在各凸块上分别有传动套筒连接孔。该第一线圈挡板和第二线圈挡板的内缘分别均布有与导磁端板连接孔。所述传动套筒连接孔的中心线和导磁端板连接孔的中心线均平行于所在线圈挡板的中心线。所述第一线圈挡板外缘处有一个线缆孔，并使装配后的线缆孔与位于线圈骨架上的u形开口的位置相对应。

所述第一从动隔环的内径比所述第二主动盘的外径大1mm；第三从动隔环的内径比所述第一主动盘的外径大1mm；第二从动隔环的内径比所述第一主动盘的外径大1mm，并且在该第二从动隔环的圆周上有用于注入磁流变液的开口；当该第二从动隔环与所述大隔圈装配后，所述的开口的位置与大隔圈上的磁流变液注入孔的位置对应。

本发明结构简单、易于控制，具有更宽的主动变刚度调节范围的柔性关节，满足机器人在未知环境下的自适应性与人机交互时安全性的要求。

本发明的有益效果是：因利用磁流变液的磁流变效应，以磁流变液作为传动介质，通过改变线圈的电流能够无级调节柔性关节的刚度，从而实现其主动变刚度特点，并且具有从脱离到接近完全刚性的宽刚度变化范围；由于采用了智能材料的设计方法，避免了利用机械结构与弹性元件所设计的柔性驱动器存在结构复杂、体积庞大控制困难的问题；由于磁流变液同时具备阻尼特性，能够吸收振动或者冲击能量，因此所提出的变刚度柔性关节在实现变刚度的同时可提高传动套筒稳定性。在后续实验中，本发明输出力矩随外接电源的变化，力矩调节范围可达0至8n·m，且变化平滑，超过同类变刚度柔性关节的调节范围。

附图说明

图1是本发明的侧视图。

图2是图1的a-a剖面示意图。

图3是线圈骨架的结构示意图。

图4是第一主动盘的结构示意图。

图5是输入轴。

图6是输入轴装配主动盘后结构。

图7是主动隔环。

图8是第二主动盘。

图9是第一从动隔环。

图10是从动盘。

图11是第三从动隔环。

图12是第二从动隔环。

图13是大隔圈。

图14是传动套筒。

图15是弹性挡圈。

图16是导磁端板。

图17是轴承端盖。

图18是第二线圈挡板。

图19是第一线圈挡板。

图20是各从动隔环与各主动盘的装配间隙示意图。

图中：

1.传动套筒；2.第一螺钉；3.线圈；4.线圈骨架；5.第二螺钉；6.法兰轴承；7.键槽；8.轴承端盖；9.导磁端板；10.第一密封圈；11.第三螺钉；12.第一线圈挡板；13.第一主动盘；14.主动隔环；15.第二主动盘；16.第二密封圈；17.弹性挡圈；18.输入轴；19.注入孔；20.从动盘；21.第一从动隔环；22.第二从动隔环；23.第三从动隔环；24.大隔圈；25.第二线圈挡板。

具体实施方式

本实施例是一种康复机器人变刚度柔性关节，包括传动套筒1、线圈骨架4、主动隔环14、从动盘20、从动隔环、主动盘、大隔圈24、线圈挡板12、2个导磁端板9、轴承端盖8和输入轴18。其中：所述的主动隔环14有n个；从动隔环分为第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23；所述的第一从动隔环21有2个，第二从动隔环22有1个，第三从动隔环23的数量为n+1-3；所述主动盘分为第一主动盘13和第二主动盘15，并且该第一主动盘13的数量为n+1-2，第二主动盘的数量为2个；所述的从动盘20的数量与主动隔环14的数量相同。

所述的n个主动隔环14均套装并固定在输入轴18工作段的外圆周上。所述2个第二主动盘15套装并固定在输入轴工作段的外圆周上，并分别位于该输入轴工作段的两端、主动隔环的外侧；所述的第一主动盘13亦套装并固定在输入轴18工作段的外圆周上，并使各所述第一主动盘分别位于各主动隔环之间，与主动隔环间隔排布；通过弹性挡圈17限定所述第一主动盘13、第二主动盘15和主动隔环14的轴向位置。所述2个导磁端板9分别通过法兰轴承6套装在输入轴两端的连接段上，并分别位于各所述第二主动盘15的外侧。所述各导磁端板的外端面分别安装有轴承端盖8。

大隔圈24套装在各所述从动隔环的外圆周上，并使该大隔圈的一端与所在端的导磁端板9和第一线圈挡板12固连，另一端与所在端的导磁端板9和第二线圈挡板25固连。所述的从动盘20和各所述的从动隔环均固定在大隔圈24内，并使各从动盘与各从动隔环间隔排布。各所述的从动隔环中，两个第一从动隔环21分别位于所述大隔圈内表面的两端；1个第二从动隔环22位于大隔圈任意一端，并位于该端第一个从动盘20的内侧。该大隔圈24的圆周上有用于注入磁流变液的注入孔。所述注入孔为螺纹孔，当注入磁流变液后，用螺丝将该注入孔封堵。

所述的线圈骨架4固定套装在所述大隔圈的外圆周上，并位于所述第一线圈挡板12与第二线圈挡板25之间。线圈缠绕在所述线圈骨架上。传动套筒1套装在所述线圈骨架4的外圆周上，并使该传动套筒的一端与第一线圈挡板12固连，另一端与第二线圈挡板25固连。

所述输入轴18为阶梯轴。所述输入轴中部的直径最大，为该输入轴的工作段；在该工作段的表面均布有8个轴向的键槽，用于安装第一主动盘13、第二主动盘15和主动隔环14。在所述安装段的两端分别有弹性挡圈17、导磁端板9的安装面。所述输入轴两端的直径与机械臂上的连接孔内径相同。在所述弹性挡圈安装面的外侧分别有第二密封圈16的安装槽。在该输入轴两端的圆周表面均有键槽7，通过键将该输入轴18的两端分别与机械臂固连。

所述固定有从动盘和从动隔环的大隔圈24套装在所述所述主动盘的外圆周表面，并使各所述主动隔环、从动隔环、主动盘和从动盘之间填装磁流变液的间隙，其中，各主动隔环14与各从动盘20相邻表面之间的间隙a均为0.75mm，各主动盘外圆周表面与各从动隔环内圆周表面之间的间隙b均为1mm，各主动盘的内圆周表面与各从动盘外圆周表面之间的间隙c均为1mm。

所述线圈骨架4为套筒状。在该线圈骨架的内圆周表面均布有三个与大隔圈24外圆周表面配合的轴向键槽。所述线圈骨架的两端均有径向凸出的挡板，该挡板的外径与传动套筒1的内径相同，并使二者之间过盈配合。所述线圈骨架的轴向长度与所述大隔圈24的轴向长度相同。在该线圈骨架位于线圈挡板12一端的挡板的外圆周上有u形的开口，用于穿过线缆。

所述线圈3线圈采用标称直径为0.8mm的漆包线缠绕而成。缠绕时，所述线圈径向为16层，每层绕45匝，并且各匝之间无间隙。

所述主动盘分为第一主动盘13和第二主动盘15，并且第一主动盘13与第二主动盘15的结构相同。第一主动盘13与第二主动盘15的不同之处在于，第一主动盘13的外径比第二从动隔环22的内径小1mm，第二主动盘15的外径比第一从动隔环21的内径小1mm。所述第一主动盘13与第二主动盘15的内圆周表面有与输入轴18配合的轴向键槽。

所述导磁端板9为中空回转体。该导磁端板的内表面与固定在所述输入轴18安装面上的法兰轴承6的轴承座外表面固定配合。该导磁端板的外表面为阶梯面，其中一端的大直径为与线圈骨架4两侧端面连接的法兰，该法兰的外圆周表面为阶梯面，形成了与所述线圈挡板12配合的止口；在所述止口上均布有连接孔，该连接孔的中心线与导磁端板的中心线平行。所述导磁端板小直径端的端面均布有轴承端盖8的安装孔。

所述线圈挡板包括第一线圈挡板12和第二线圈挡板25；该第一线圈挡板12和第二线圈挡板25的内表面均为与所述阶梯状导磁端板9法兰外圆周表面止口配合的阶梯面；该第一线圈挡板12和第二线圈挡板25的外径与所述传动套筒1的内径相同，并且在该第一线圈挡板12和第二线圈挡板25的外表面分别均布有径向的凸块，在各凸块上分别有传动套筒连接孔。该第一线圈挡板12和第二线圈挡板25的内缘分别均布有与导磁端板连接孔。所述传动套筒连接孔的中心线和导磁端板连接孔的中心线均平行于所在线圈挡板的中心线。所述第一线圈挡板12外缘处有一个线缆孔，并使装配后的线缆孔与位于线圈骨架上的u形开口的位置相对应。

所述主动隔环14为中空回转体。该主动隔环的外径略小于从动盘20的内径，当二者装配后，使各主动隔环14与各从动盘20相邻表面之间均有0.75mm的间隙。所述主动隔环的内圆周表面为与输入轴18配合的轴向键槽。

所述从动盘的外圆周表面均布有与所述大隔圈24的内圆周表面配合的凸键；该从动盘的内径比所述主动隔环的外径大0.75mm。

所述从动隔环包括第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23。其中，第一从动隔环21的内径比所述第二主动盘的外径大1mm；第三从动隔环23的内径比所述第一主动盘13的外径大1mm；第二从动隔环22的内径比所述第一主动盘13的外径大1mm，并且在该第二从动隔环22的圆周上有用于注入磁流变液的开口；当该第二从动隔环与所述大隔圈装配后，所述的开口的位置与大隔圈上的磁流变液注入孔的位置对应。

所述第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23的外圆周表面分别均布有与所述大隔圈24的内表面配合的凸键。

所述弹性挡圈17为橡胶制成的弹性环。该弹性挡圈内径与所述输入轴18外径相同，使二者之间干涉配合；该弹性挡圈的外径略小于所述导磁端板9的内径，使二者之间不产生干涉。在该弹性挡圈的外圆周上有贯通的弹性开口。

本实施例中，传动套筒1和线圈挡板12的外表面均布有凸块，用于与关节的后杆相连。线圈挡板12和导磁端板9相互扣合构成变刚度柔性关节的侧面结构，使用第一螺钉2固定于传动套筒1之上，使用第三螺钉11固定于大隔圈24之上，第一螺钉2和第三螺钉11均采用圆周等间距分布。法兰轴承套在输入轴18之上，一侧由轴肩固定，另一侧使用轴承端盖8固定，使用第二螺钉5将轴承端盖固定到导磁端板9之上，第二螺钉5同样采用圆周等间距分布。

所述的主动输入机构包括输入轴18、第一主动盘13、第二主动盘15、主动隔环14、第二密封圈16和弹性挡圈17一起构成主动输入机构。

第一主动盘13和第二主动盘15只是在尺寸上稍有不同。第一主动盘13、第二主动盘15和主动隔环14通过花键与输入轴18相连接，第二主动盘15位于输入轴18上花键的两端，使用主动隔环14将主动盘均匀分开，最后通过弹性挡圈17将第一主动盘13、第二主动盘15和主动隔环14进行轴向固定于输入轴18上。第一主动盘13、第二主动盘15与主动隔环交错排列。输入轴18的两侧开有键槽7方便与关节的前杆相连以及动力的输入。输入轴18上安装有第二密封圈16用来防止磁流变液顺着输入轴18处渗漏。

大隔圈24内侧分布有圆周等间距的沟槽，从动盘20、第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23的外侧均凸出有相对应于大隔圈24上的沟槽的凸起。从而使从动盘20、第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23固定于大隔圈24之上。使用第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23将从动盘20均匀分散开来。第一从动隔环21和第三从动隔环23在尺寸上稍有区别，第二从动隔环22和第三从动隔环23外形尺寸一致，只是第二从动隔环22上开有豁口，豁口位置与mr注入孔19相对应，用来封装磁流变液。从动盘20和主动盘交错分布，通过磁流变液产生相互作用力。为防止从动盘20、第一从动隔环21、第二从动隔环22和第三从动隔环23沿大隔圈24的沟槽轴向移动，通过第三螺钉11使用将导磁端板9和线圈挡板12固定在大隔圈24之上。第一从动隔环21和导磁端板9之间使用第一密封圈10用来防止磁流变液渗漏。

大隔圈24上的磁流变液注入孔19是用来封装磁流变液，该孔设有螺纹，当磁流变液完全填充在主动盘和从动盘之间的空隙当中之后，使用螺钉与密封垫圈将该孔封住，防止磁流变液渗漏。

大隔圈24外侧有圆周等间距分布的凸起，线圈骨架4内侧有与其相对应的沟槽，将线圈骨架4和大隔圈24相固定。线圈挡板12用来防止线圈骨架4轴向移动。线圈3缠绕在线圈骨架4之上，引线通过线圈骨架4和线圈挡板12上的孔穿过。线圈3的外侧即是变刚度柔性关节的外侧，为关节的传动套筒1，用来与关节的后杆相连，传动套筒1采用整体式或者剖分式设计结构。

工作时：

传动套筒1、线圈挡板12、导磁端板9、第二主动盘15、从动盘20、第一主动盘13采用导磁材料设计，第一螺钉2、第二螺钉5、第三螺钉11选用导磁材料或不导磁材料，其余零部件选用不导磁材料设计。磁感线的流向分布依次为：传动套筒1→线圈挡板12→导磁端板9→磁流变液→第二主动盘15→磁流变液→从动盘20→磁流变液→第一主动盘13→磁流变液→从动盘20→……→第二主动盘15→磁流变液→导磁端板9→线圈挡板12→传动套筒1，从而形成磁场的闭合回路。

本发明通过施加线圈电流，生成作用于磁流变液的磁场，从而实现磁流变液在自由流动的牛顿流体到高黏度、低流动性的bingham流体之间的转换，主动盘与从动盘之间通过磁流变液进行传动。通过实时改变线圈电流的大小，磁流变液可表现出不同的剪切屈服应力，从而实现主、从动之间扭矩的发生实时变化，以此达到柔性关节的变刚度特性。通过增大线圈电流或者增加主、从动盘的个数即可实现柔性关节的刚度增加。