一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的制作方法

本发明涉及机械结构设计领域，尤其是涉及一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器。

背景技术

现有的可穿戴外骨骼的关节传动装置一般有蜗轮蜗杆，齿轮的组合和斜齿轮等等几种结构。蜗轮蜗杆结构具有便于实现高速比，可实现自锁的特点，但其传动效率不高，容易磨损，体积大，使得外骨骼关节执行器寿命较短，体积大。而齿轮结构具有传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，功率、速度和尺寸范围大等特点，但其要求润滑条件高，安装精度高，体积大，使得外骨骼关节显得十分臃肿。可穿戴外骨骼的关节执行器要求具有线性度好，力矩比大和小型轻量化的特点，以上外骨骼关节执行器均无法满足小型轻量化和可控性好的要求。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器，其用以实现关节处的角度旋转，该关节执行器包括中空的l型机架、设置在机架顶部的电机、设置在机架底部且通过转动轴连接的转动块以及设置在机架内部的滚珠丝杠机构和连杆机构，所述的电机、滚珠丝杠机构、连杆机构和转动块依次传动连接。

所述的滚珠丝杠机构包括滚珠丝杠、套设在滚珠丝杠上的滚珠丝杠螺母、螺母套以及安装在机架内侧且与滚珠丝杠平行设置的微型导轨，所述的微型导轨内部设有沿微型导轨安装方向滑动的微型滑块，所述的滚珠丝杠螺母通过螺母套带动微型滑块滑动，所述的滚珠丝杠上端与电机传动连接，下端固定在机架内的下隔板上，所述的滚珠丝杠螺母通过连杆机构与转动块连接。

所述的连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述的第一连杆上端与滚珠丝杠螺母铰接，下端分别与第二连杆和第三连杆的上端铰接，所述的第二连杆下端通过销轴与机架内壁铰接，所述的第三连杆的下端与转动块铰接。

所述的转动块为一扇形构件，其圆心处设有与机架底部转动连接的转动轴，所述的第三连杆下端铰接在第一直边与圆弧边连接处，第二直边上开设有连接槽口。

所述的电机依次通过联轴器、角接触球轴承和深沟球轴承与滚珠丝杠传动连接。

所述的滚珠丝杠端通过自润滑轴承固定在机架内的下隔板上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、减小了执行器占用的外骨骼横向空间：本发明通过滚珠丝杠机构将电机输出的转动转换为滚珠丝杠螺母的螺旋直线运动，再由连杆机构将滚珠丝杠螺母的螺旋直线运动转换为关节的旋转，电机与转动轴呈垂直关系，与电机直驱的方案相比，占用横向空间小，重量轻。

二、减小了关节的负荷：本发明使用多级连杆机构作为中间的传动机构，使电机、滚珠丝杠等相对较大重量的零件远离关节，从而减小了关节的负荷。

三、关节执行器具有良好的可控性：本发明关节执行器的关节转角与滚珠丝杠螺母直线位移的线性关系较好，使电机转速与关节转角之间具有简单的线性关系，保持了电机直驱或电机带减速器等方案具有良好可控性的优点。

附图说明

图1为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的侧视图。

图2为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的轴测图。

图3为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的驱动方案原理图。

图4为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的滚珠丝杠机构侧视图。

图5为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器连杆机构侧视图。

图6为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的连杆机构的运动原理图。

图7为本发明一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器的平行连杆机构的滚珠丝杠螺母位移x与关节转角θ之间的关系示意图。

图中标记说明：

1、电机，2、机架，3、螺钉，4、联轴器，5、轴承挡盖，6、滚珠丝杠螺母，7、螺母套，8、微型滑块，9、滚珠丝杠，10、第一连杆，11、微型导轨，12、第二连杆，13、第三连杆，14、销轴，15、转动块，16、转动轴，17、角接触球轴承，18、深沟球轴承，19自润滑轴承，20、滚珠丝杠机构，21、连杆机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种用于可穿戴外骨骼的关节执行器，包括电机1、机架2、螺钉3、联轴器4、轴承挡盖5、滚珠丝杠螺母6、螺母套7、微型滑块8、滚珠丝杠9、第一连杆10、微型导轨11、第二连杆12、第三连杆13、销轴14、转动块15、转动轴16、角接触球轴承17、深沟球轴承18、自润滑轴承19、滚珠丝杠机构20、连杆机构21。

如图1和2所示，图中包括电机1、机架2、联轴器4、滚珠丝杠机构20、连杆机构21、转动块15和微型导轨11；联轴器4的一端与固连在机架2上的电机1连接，联轴器4的另一端与滚珠丝杠机构20中的滚珠丝杠9连接；连杆机构21的一端与转动块15连接，连杆机构21的另一端与滚珠丝杠机构20中的滚珠丝杠螺母6连接；转动块15通过转动轴16与机架2连接；微型导轨11固定在机架2上，并与滚珠丝杠机构20中的微型滑块8连接。

如图3和4所示，滚珠丝杠机构20包括滚珠丝杠9、轴承挡盖5、角接触球轴承17、深沟球轴承18、自润滑轴承19、滚珠丝杠螺母6，螺母套7和微型滑块8；滚珠丝杠9的左端被两个角接触球轴承17和一个深沟球轴承18支承在机架2上，滚珠丝杠9的右端被自润滑轴承19支撑在机架2上，轴承挡盖5通过螺钉3固定在机架2上，并紧靠最外边的角接触球轴承17，滚珠丝杠螺母6与螺母套7通过螺钉3固定，螺母套7与微型滑块8通过螺钉3连接，滚珠丝杠螺母6在滚珠丝杠9上进行螺旋直线运动。

如图5所示，连杆机构21包括第一连杆10、第二连杆12、第三连杆13，销轴14；第一连杆10的一端与滚珠丝杠机构20中的螺母套7通过销轴14连接，第二连杆12的一端与机架2通过销轴14连接，第三连杆13的一端与转动块15通过销轴15连接，第一连杆10的另一端、第二连杆12的另一端和第三连杆13的另一端通过销轴14连接在一起。

电机1通过联轴器4带动滚珠丝杠9旋转，滚珠丝杠机构20中的滚珠丝杠螺母6和螺母套7在滚珠丝杠9上进行螺旋直线运动，螺母套7带动连杆机构21运动，进而推动连接在连杆机构21一端的转动块15旋转，实现了关节的旋转运动。关节执行器通过滚珠丝杠机构20将电机1输出的转动转换为滚珠丝杠螺母6的螺旋直线运动，再由连杆机构21将滚珠丝杠螺母6的螺旋直线运动转换为关节的旋转，改善了电机转角与关节转角间的运动关系，增强了关节执行器的可控性。

图6为连杆机构21的运动原理图，连杆机构21使得电机1、滚珠丝杠9等相对大重量零件远离驱动关节，减小了关节的负荷。

图7中的实线表示本发明关节执行器运行中螺母位移x与关节转角θ的曲线，虚线是利用最小二乘法拟合的螺母位移x与关节转角θ的直线。从中可以看出，本发明关节执行器的关节转角与滚珠丝杠螺母直线位移的线性关系较好，具有良好的可控性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。