可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器的制作方法

本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器。

背景技术：

目前，国内外高校和科研机构都对外骨骼已经做了大量的研究工作，主要用于军事负载、助力和残疾人助行，相关技术的外骨骼均采用刚性关节驱动器。就外骨骼膝关节而言，在一个步态周期的支撑阶段，其目的在于为人体膝关节提供伸展力矩，保证使用者支撑一侧下肢的稳定性，并通过机械结构将载荷传递到地面，有效减小使用者的身体负担；在一个步态周期的摆动阶段，其目的在于为人体膝关节提供屈曲力矩，通过膝关节屈曲减小有效腿长，使足底与地面产生一定间隙，从而保证外骨骼的通过性与灵活度。

外骨骼膝关节驱动器通常包括两种形式：一种采用直线电机驱动，另外一种采用旋转电机驱动。前者导致驱动器沿腿方向的重量和体积过大，进而增大外骨骼下肢摆动过程中的惯性，以及关节输出力矩；后者导致驱动器关节转轴方向的长度过长，影响外骨骼下肢的宽度，降低了外骨骼的灵活程度。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：

膝关节作为人体最复杂的一个关节，由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成。膝关节最主要的自由度是屈伸，使下肢远端移动向或者离开大腿根部，并以这种方式控制身体与地面之间的距离，另外一个辅助自由度是在膝关节屈曲的时候可围绕小腿的轴线进行旋转。膝关节在完全伸直状态下具有最大的稳定性，此时因身体的重量以及杠杆臂长度的作用，膝关节受到的压力最大；膝关节在屈曲状态下则具有最大的活动自由度，有助于跑动，也有助于足部相对于不规则的地面调整最好的方向。综上，膝关节在行走以及其他运动形式中起重要作用。

2017年，中国人口中60周岁及以上人口24090万人，占总人口的17.3％。据相关部门预测，至2035年老年人口将达到4亿人。随着年龄的增长老年人肌力减弱，关节退行性病变，导致其行走能力降低，严重影响生活质量。此外，因意外事故引起肢体损伤患者的数量也在迅速增加。2012年，中国残疾人联合会发布的数据显示：我国残疾人总数为8502万人，其中，肢体残疾人数达到2472万，这些残障人士中相当一部分下肢功能障碍者需要膝关节助力辅助。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器，该驱动器具有结构简单，易于加工，成本较低，维护方便的优点。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器，包括：支撑板；轴向固定设置于所述支撑板上的驱动部件，用于输出驱动力；轴向固定设置于所述支撑板上的传动部件，所述传动部件与所述驱动部件相连，用于传递所述驱动力；轴向固定设置于所述支撑板上的减速部件，所述减速部件与所述传动部件相连，用于放大所述驱动力；与所述支撑板相连的连接部件，所述连接部件包括多个长方形孔，所述多个长方形孔用于调节所述连接部件与所述支撑板的相对位置。

本发明实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器，结构简单紧凑，充分利用有限的空间，尺寸较小；在保证足够强度的前提下，对减速器轴、轴齿、支撑板等金属部件进行轻量化设计，不要求负载的结构用热塑塑料3d打印制造，机构整体重量较轻；与髋关节连接的向上连接件包含一定倾斜，补偿人体下肢天然存在的内收角度，并且通过沿大腿方向和沿下肢摆动方向的可调节结构对膝关节转轴的偏移进行补偿；与小腿连接的向下连接件有限位装置进行限位，避免转动角度过大导致出现危险，从而具有结构简单，易于加工，成本较低，维护方便的优点。

另外，根据本发明上述实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动部件包括直流电机组件、电机轴、轴承套和电机盖，其中，所述驱动部件通过所述电机轴输出所述驱动力。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述传动部件包括：电机轻量化齿轮，所述电机轻量化齿轮与所述电机轴相连；减速器轻量化齿轮，所述减速器轻量化齿轮与所述电机轻量化齿轮相连；传动机构保护盖。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电机轻量化齿轮与所述减速器轻量化齿轮设置有相同的齿轮数，且均设置有多组减重槽和多组拆卸孔。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述减速部件包括向下连接件、限位件、谐波减速器、内六角圆柱头螺钉、平垫片、减速器轴、普通平键和多个深沟球轴承，其中，所述向下连接件与小腿连接，并与所述谐波减速器的输出端通过所述内六角圆柱头螺钉进行固定；所述限位件用于限制所述向下连接件的转动角度处于预设转动角度范围内；所述减速器轴与所述减速器轻量化齿轮相连，且通过所述普通平键传递所述驱动力至所述谐波减速器，在所述多个深沟球轴承的支撑下转动，并通过多个深沟球轴承进行轴向定位，通过多个深沟球轴承、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、所述传动机构保护盖轴向固定于所述支撑板上；所述谐波减速器用于放大所述驱动力，其中，所述谐波减速器通过所述支撑板的轴肩进行轴向定位，以定位于所述支撑板上的预设位置处，并通过内所述六角圆柱头螺钉和所述平垫片轴向固定于所述减速器轴上，通过多个所述内六角圆柱头螺钉固定在所述支撑板上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述连接部件包括向上连接件、内六角圆柱头螺钉和六角螺母，其中，所述向上连接件上与外骨骼的大腿杆连接的接口预留有预设倾斜角度，且所向上连接件上有所述多个长方形孔，所述多个长方形孔与所述支撑板上的多个孔通过所述内六角圆柱头螺钉和所述六角螺母进行紧固。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器轻量化的齿轮传动机构图；

图3为根据本发明一个实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器俯视图；

图4为根据本发明一个实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器半剖轴测图；

图5为根据本发明一个实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器起支撑作用的支撑板的轴测图。

附图标记说明：

可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器100、驱动部件1、传动部件2、减速部件3、支撑板4、连接部件5、电机盖1.1、电机1.2、套筒1.3、电机轻量化齿轮2.1、减速器轻量化齿轮2.2、传动机构保护盖2.3、齿轮减重槽2.1.1、拆卸孔2.1.2、齿轮减重槽2.2.1、拆卸孔2.2.2向下连接件3.1、限位件3.2、谐波减速器3.3、内六角圆柱头螺钉3.4、平垫片3.5、减速器轴3.6、普通平键3.7和深沟球轴承3.8。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的核心构思在于通过对与传动轴系的合理设计使得机构整体结构简单紧凑，充分利用有限的空间，尺寸较小；在保证足够强度的前提下，对减速器轴、轴齿、支撑板等金属部件进行轻量化设计，不要求负载的结构用热塑塑料3d打印制造，机构整体重量较轻；与髋关节连接的向上连接件包含一定倾斜角度，补偿人体下肢天然存在的内收角度，并且通过沿大腿方向和沿下肢摆动方向的可调节结构对膝关节转轴的偏移进行补偿；与小腿连接的向下连接件有限位装置进行限位，避免转动角度过大导致出现危险。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器。

图1是本发明一个实施例的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器的结构示意图。

如图1所示，该可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器100包括：驱动部件1、传动部件2、减速部件3、支撑板4和连接部件5。

其中，轴向固定设置于支撑板4上的驱动部件1，用于输出驱动力。轴向固定设置于支撑板4上的传动部件2，传动部件2与驱动部件1相连，用于传递驱动力。轴向固定设置于支撑板4上的减速部件3，减速部件3与传动部件2相连，用于放大驱动力。与支撑板4相连的连接部件，连接部件5包括多个长方形孔，多个长方形孔用于调节连接部件5与支撑板4的相对位置。

可以理解的是，本发明实施例的驱动器100包括5部分，有驱动能力的驱动部件1、有运动、动力传递能力的传动部件2、有力矩放大能力的减速部件3均轴向固定在起支撑作用的支撑板4与实现转轴的双向位置调节和倾角补偿的连接部件5相连接。有驱动能力的驱动部件1由电机轴上输出，经过电机轻量化齿轮和减速器轻量化齿轮，将动力传递给有力矩放大能力的减速部件3。另外，本发明实施例的驱动器100可用于驱动外骨骼机器人，康复机器人系统，足类机器人，服务型机器人等人机互连装置。

具体而言，可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器包括5部分：(1)有驱动能力的驱动部件1；(2)有运动、动力传递能力的传动部件2；(3)有力矩放大能力的减速部件，谐波减速器3；(4)起支撑作用的支撑板4；(5)实现转轴的双向位置调节和倾角补偿的连接部件5。

需要说明的是，如果本发明实施例应用于助行式或增强式下肢助行外骨骼，作为膝关节的驱动器，首先，膝关节作为外骨骼中比较靠下部的结构，与髋关节驱动器基本位置不变不同，需要随着下肢的运动而运动，产生较大的转矩负载。同时，由于膝关节驱动器普遍的安装方式是外挂于膝关节外侧，因此膝关节驱动器的体积决定了外骨骼下肢部分的宽度，进而决定了外骨骼的灵活程度和通过性能。为了保证外骨骼的通过性、灵活度，并且尽量减小对髋关节驱动器的负载，因此膝关节的设计应追求轻量化、小型化。本发明实施例在选用电机实现膝关节矢状面主动自由度的情况下，通过结构设计，充分利用空间，对膝关节的厚度进行严格控制，并通过三维仿真软件对金属零件进行轻量化设计和强度仿真校核，将整个膝关节驱动器的重量和体积尽可能减小。

其次，由于人体的大腿自然内收，大腿外侧与垂直于地面的小腿呈现约一定的倾斜角度，并且由于人体自身膝关节与大腿末端的相对位置因人而异，以及外骨骼存在加工误差，导致在穿戴外骨骼或矫形器时，人体关节转轴与机械关节转轴存在不可避免的偏差。传统的外骨骼膝关节设计普遍忽视了倾斜角度和转轴偏差的问题，导致运动过程中为了维持运动的几何关系产生人体关节内力和对外骨骼膝关节额外的压力和扭矩，加速外骨骼膝关节的劳损，增加患者穿戴外骨骼设备的不舒适感。针对这一问题，本发明有针对性地设计了独特的膝关节向上连接部件，不仅具备了一定的倾斜角度，让外骨骼更加贴合人体大腿外侧，还设计了沿大腿方向和沿下肢摆动方向双向的可调节结构，让使用者可以根据自身的使用感受，调节外骨骼膝关节驱动器的转轴与人体膝关节自然转轴的相对位置，从而有效减少因外骨骼膝关节驱动器转轴与使用者膝关节轴存在的位置偏差而产生的关节内力，提升使用者的使用体验，还能降低使用者穿戴外骨骼行走过程中产生的能耗和关节损伤，一定程度上降低外骨骼设备对用户个人身体尺寸的敏感程度，提高外骨骼的通用性。

下面将对可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器100进行进一步阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，驱动部件1包括直流电机组件、电机轴、轴承套和电机盖，其中，驱动部件通过电机轴输出驱动力。

可以理解的是，有驱动能力的驱动部件1，包括直流电机组件、电机轴、轴承套、电机盖等部件。整个驱动部件1通过电机轴进行输出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，传动部件2包括：电机轻量化齿轮，电机轻量化齿轮与电机轴相连；减速器轻量化齿轮，减速器轻量化齿轮与电机轻量化齿轮相连；传动机构保护盖。其中，电机轻量化齿轮与减速器轻量化齿轮设置有相同的齿轮数，且均设置有多组减重槽和多组拆卸孔。

可以理解的是，有运动、动力传递能力的传动部件2，包括与电机轴相连的轻量化齿轮、与减速器轴相连的轻量化齿轮、传动机构保护盖，作用是将电机的输出扭矩传递至减速器的输入端并使整个驱动器的结构扁平化，减小膝关节驱动器厚度。2个齿轮齿数相等，传动比为1，只起传递转矩的作用，不起增大驱动器的输出扭矩的作用，齿轮通过减重槽去除一定的材料减轻重量。

具体而言，如图2所示，由电机轻量化齿轮2.1和减速器轻量化齿轮2.2组成的传动机构。2个齿轮齿数相等，传动比为1，只起传递转矩的作用，不起增大驱动器的输出扭矩的作用。通过2组减重槽2.1.1和2.2.1的设计去除一定的材料，对齿轮进行减重；通过2组拆卸孔2.1.2和2.2.2的设计，使得齿轮的拆卸更加方便，同时进一步减重；通过三维仿真计算的方式确保轻量化的齿轮强度可以满足工作需求。

进一步地，在本发明的一个实施例中，减速部件3包括向下连接件、限位件、谐波减速器、内六角圆柱头螺钉、平垫片、减速器轴、普通平键和多个深沟球轴承，其中，向下连接件与小腿连接，并与谐波减速器的输出端通过内六角圆柱头螺钉进行固定；限位件用于限制向下连接件的转动角度处于预设转动角度范围内；减速器轴与减速器轻量化齿轮相连，且通过普通平键传递驱动力至谐波减速器，在多个深沟球轴承的支撑下转动，并通过多个深沟球轴承进行轴向定位，通过多个深沟球轴承、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、传动机构保护盖轴向固定于支撑板上；谐波减速器用于放大驱动力，其中，谐波减速器通过支撑板的轴肩进行轴向定位，以定位于支撑板上的预设位置处，并通过内六角圆柱头螺钉和平垫片轴向固定于减速器轴上，通过多个内六角圆柱头螺钉固定在支撑板上。

可以理解的是，有力矩放大能力的减速部件，包括减速器轴、深沟球轴承、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、内六角圆柱头螺钉、普通平键、平垫片以及谐波减速器。谐波减速器起大驱动器的输出扭矩的作用。

如图3所示，图3右侧为有力矩放大能力的减速部件3的输出机构和限位机构。向下连接件3.1与谐波减速器3.3的输出端通过内六角圆柱头螺钉固定，向下连接件3.1的转动角度被限位件3.2限制在一定合适的范围，保证膝关节在工作时转动范围在对于人体安全的范围内，起到机械保障的作用。

具体而言，如图4所示，电动机1.2的输入轴系和谐波减速器3.3的输出轴系。电动机1.2的输入轴系由电机盖1.1、电机1.2、套筒1.3和电机轻量化齿轮2.1组成。电机盖1.1对电机1.2进行保护，避免电机的转子直接与外界接触，造成损伤。套筒1.3作为一个整体装配的修配环，不仅起到对电机轻量化齿轮2.1轴向定位的作用，在装配时还可以适当修磨套筒的厚度，来保证两个齿轮可以较好地啮合，消除轴向误差。谐波减速器3.3的输出轴系包括向下连接件3.1、限位件3.2、谐波减速器3.3、内六角圆柱头螺钉3.4、平垫片3.5、减速器轴3.6、普通平键3.7、深沟球轴承3.8。减速器轴3.6在2个深沟球轴承3.8的支撑下转动，通过深沟球轴承3.8进行轴向定位，通过2个深沟球轴承3.8、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、传动机构保护盖2.3轴向固定于支撑板4上。谐波减速器3.3通过支撑板4的轴肩进行轴向定位和支撑板4上的位置定位，通过内六角圆柱头螺钉3.4和平垫片3.5轴向固定于减速器轴上，减速器轴3.6通过普通平键3.7传递动力至谐波减速器3.3，谐波减速器3.3通过6个内六角圆柱头螺钉固定在支撑板4上。

进一步地，起支撑作用的支撑板支撑上述3个部件。若本本发明实施例的驱动器100应用于助行式或增强式下肢外骨骼以及躯干支撑式外骨骼，作为膝关节的驱动器，支撑板4连接可调节连接部件5。

进一步地，在本发明的一个实施例中，连接部件5包括向上连接件、内六角圆柱头螺钉和六角螺母，其中，向上连接件上与外骨骼的大腿杆连接的接口预留有预设倾斜角度，且所向上连接件上有多个长方形孔，多个长方形孔与支撑板上的多个孔通过内六角圆柱头螺钉和六角螺母进行紧固。

具体而言，如图3所示，参考图3左侧为实现转轴的双向位置调节和倾角补偿的连接部件5，包括向上连接件5、内六角圆柱头螺钉、六角螺母。向上连接件5上与外骨骼的大腿杆连接的接口有一定倾斜角度，补偿大腿自然内收的角度。向上连接件5上有一组长条形孔，可与支撑板上的一组孔进行配合，使用内六角圆柱头螺钉和六角螺母进行紧固，在沿大腿方向可实现多个离散位置的调节，在沿下肢摆动方向，即长条形孔延伸方向，可实现一定距离的连续位置调节，从而实现双向位置的可调节。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图5所示，一种可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器起支撑作用的支撑板的轴测图，即起支撑作用的支撑板4。上述4个部件均通过螺钉在支撑板4上进行固定，其中有驱动能力的驱动部件1、有运动、动力传递能力的传动部件2、有力矩放大能力的减速部件3为轴向固定，连接部件5为可调节相对位置的固定。

根据本发明实施例提出的可调节式轻薄外骨骼膝关节驱动器，结构简单紧凑，充分利用有限的空间，尺寸较小；在保证足够强度的前提下，对减速器轴、轴齿、支撑板等金属部件进行轻量化设计，不要求负载的结构用热塑塑料3d打印制造，机构整体重量较轻；与髋关节连接的向上连接件包含一定倾斜，补偿人体下肢天然存在的内收角度，并且通过沿大腿方向和沿下肢摆动方向的可调节结构对膝关节转轴的偏移进行补偿；与小腿连接的向下连接件有限位装置进行限位，避免转动角度过大导致出现危险，从而具有结构简单，易于加工，成本较低，维护方便的优点。

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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。