[发明专利]一种用于下肢外骨骼的柔顺变刚度驱动器

说明书

本发明公开了一种用于下肢外骨骼的柔顺变刚度驱动器，所述驱动器包括有支撑组件、外壳体组件、弹簧组件、驱动组件和滚轮组件。其中外壳体组件与滚轮组件保持同步运动。本发明驱动器通过使用一对齿轮结构实现以非线性的方式压缩线性弹簧，从而实现输出力矩的柔顺变刚度特性。本发明驱动器能够应用在下肢外骨骼的髋关节、膝关节中。

技术领域

本发明涉及一种应用于下肢外骨骼的驱动装置，更具体的说，是指一种用于下肢外骨骼的柔顺变刚度驱动器。

背景技术

外骨骼机器人是一种穿戴在人体外部，融入了先进的控制、信息和通信技术的人—机—电系统，可以为穿戴者提供防护、支撑作用，及一定的辅助动力。据预测，随着社会老龄化加剧，外骨骼机器人将成为人类未来生活工作中的得力助手，有着巨大的商业前景和社会价值。一般地，外骨骼机器人包括上肢外骨骼和下肢外骨骼，其中，下肢外骨骼包括有髋关节、膝关节、踝关节、大腿和小腿。

现有外骨骼的驱动往往采用电机直接驱动关节的方式，该驱动方式直接有效，然而电机的刚性工作特点使得外骨骼的安全性和随动性无法得到保障。为了解决该问题，常见的方式是设计一套串联弹性驱动器，暨在电机与外骨骼之间添加弹簧等弹性元件，并利用胡克定律，把对外骨骼输出力\力矩的控制问题转化为位置控制。

人体下肢运动过程中，关节力矩变化很大。实验数据显示，对于一个体重大约80kg的正常人来说，在正常平地行走时，其膝关节的最大力矩能达到40Nm。然而，在满足所需提供的力矩的同时，实现对外骨骼驱动力/力矩的精确控制对提高外骨骼的安全性和舒适性具有重要的意义。对于弹簧的选择来说，根据胡克定律，刚度较大的弹簧能提供较大的力，但是相应的力控制精度降低，刚度较小的弹簧能实现更精确的力控制，但是降低了输出力的大小。生理学研究表明，人体运动过程中，关节刚度是随着外界负载的变化而不断变化的，当肌肉所承受的负载增大或其变形增大时，相应的刚度也随之增大。因此，现有的设计均没有很好的解决驱动过程控制力的大小与精度的问题，尤其是关节刚度与外界负载的变化相对应的问题。

发明内容

为了解决传统串联弹性驱动器输出力矩大小与精度难以兼顾的问题，本发明设计了一种用于下肢外骨骼的柔顺变刚度驱动器。本发明驱动器通过使用一对齿轮结构实现以非线性的方式压缩线性弹簧，从而实现输出力矩的柔顺变刚度特性。具体地说，驱动刚度随着外界负载的增加而增大，实现在外界负载小的时候，外骨骼刚度低，具有很高的力控制精度，同时在外界负载很大的时候，外骨骼刚度高，从而能够输出足够的辅助力矩。本发明驱动器的特性符合人体关节的刚度与外界负载之间的变化规律。

本发明的一种用于下肢外骨骼的柔顺变刚度驱动器，其包括有支撑组件、外壳体组件、弹簧组件、驱动组件和滚轮组件(8)；弹簧组件置于外壳体组件内；外壳体组件与滚轮组件保持同步运动；

支撑组件由基座(11)、AA立柱(12)、AB立柱(13)、AC立柱(14)、AA线缆支座(15)和AB线缆支座(16)构成；其中，AA立柱(12)、AB立柱(13)和AC立柱(14)的结构相同；AA线缆支座(15)和AB线缆支座(16)的结构相同；

基座(11)上设有KA通孔(11A)、KB通孔(11B)、KA滑槽(11C)、KB滑槽(11D)；KA通孔(11A)处用于固定AA线缆支座(15)；KB通孔(11B)处用于固定AB线缆支座(16)；KA滑槽(11C)和KB滑槽(11D)上用于固定平行放置的AA立柱(12)、AB立柱(13)和AC立柱(14)；

AA立柱(12)为T型结构体，AA立柱(12)的横面板固定在基座(11)上，AA立柱(12)的竖面板上设有L通孔(12A)；

AB立柱(13)为T型结构体，AB立柱(13)的横面板固定在基座(11)上，AB立柱(13)的竖面板上设有M轴孔(13A)；

AC立柱(14)为T型结构体，AC立柱(14)的横面板固定在基座(11)上，AC立柱(14)的竖面板上设有N轴孔(14A)；