[发明专利]一种基于形状记忆合金的变刚度下肢外骨骼机器人

权利要求书

1.一种基于形状记忆合金的变刚度下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的变刚度下肢外骨骼机器人包括一个背部横梁(1)，两个髋关节(2)，两个膝关节(3)，两个踝关节(4)；所述背部横梁(1)的两端各设一个髋关节(2)，髋关节(2)下部通过大腿支件连接膝关节(3)，膝关节(3)下端通过小腿支件连接踝关节(4)；

所述髋关节(2)包括锁紧旋钮钣金板(201)，横梁(202)，旋转轴件(203)，上侧方孔旋转板(204)，上侧锁紧旋钮(205)，上侧方孔连接板(206)，上侧方形板(207)，电机驱动板(208)，电机固定板(209)，髋关节电机(210)，端面输出板(211)，髋关节距离调节板(212)，下侧方形板(213)，下侧方孔连接板(214)，下侧方孔旋转板(215)，旋转板连接件(216)，侧面锁紧旋钮(217)，电机压块(218)，弹簧A(219)，弹簧压块(220)；所述侧面锁紧旋钮(217)与锁紧旋钮钣金板(201)保持垂直关系，固定在锁紧旋钮钣金板(201)的一侧，锁紧旋钮钣金板(201)固连在横梁(202)一侧；所述旋转轴件(203)穿过横梁(202)与侧面锁紧旋钮(217)配合，另一侧与旋转板连接件(216)配合，当侧面锁紧旋钮(217)松开时，旋转轴件(203)绕横梁(202)旋转以调节髋关节自由度；所述旋转板连接件(216)一侧与上侧方孔旋转板(204)和下侧方孔旋转板(215)固连，与旋转轴件(203)配合；所述上侧方孔旋转板(204)上部与上侧方孔连接板(206)配合，上侧锁紧旋钮(205)通过轴安装在上侧方孔连接板(206)一侧，当上侧锁紧旋钮(205)松开时，上侧方孔旋转板(204)绕轴旋转以调节髋关节自由度；所述上侧方形板(207)一端连接上侧方孔连接板(206)，另一端与电机固定板(209)固连；所述电机驱动板(208)固连于电机固定板(209)一侧；所述髋关节电机(210)与电机固定板(209)垂直，端面连接端面输出板(211)，用于提供髋关节动力；所述端面输出板(211)下端连接髋关节距离调节板(212)，所述端面输出板(211)与所述髋关节距离调节板(212)保持平行关系，髋关节距离调节板(212)用于调节大腿长度；所述下侧方形板(213)一端连接电机固定板(209)，另一端连接下侧方孔连接板(214)；下侧方孔连接板(214)另一侧连接下侧方孔旋转板(215)，可以绕轴旋转；下侧方孔旋转板(215)另一端也固定在旋转板连接件(216)一侧；所述电机压块(218)固定在电机固定板(209)一侧，弹簧A(219)两端压紧电机压块(218)和弹簧压块(220)，当电机输出转矩传递给弹簧压块(220)时，通过弹簧A (219)提供缓冲保护；

所述膝关节(3)包括大腿支件(301)，小腿支件(306)，轴承座支撑座(310)，轴承座输出端片(309)，膝关节法兰座(304)，膝关节传动件(308)，膝关节电机(303)，电机辅助支撑板(302)，大腿腿部绑缚板(311)，小腿腿部绑缚板(307)，变刚度模块(305)；所述变刚度模块(305)底部固定在小腿支件(306)一侧，与小腿支件(306)保持平行，上部通过膝关节传动件(308)与膝关节法兰座(304)相连，用于传递膝关节电机(303)的力矩，利用弹簧压缩实现双向柔性输出，变刚度模块(305)内部记忆合金可实现刚度调节；所述膝关节电机(303)通过电机辅助支撑板(302)与大腿支件(301)固连，并保持与大腿支件(301)垂直关系，输出转矩通过膝关节法兰座(304)和膝关节传动件(308)传递给变刚度模块(305)，为外骨骼机器人提供动力；所述大腿支件(301)与小腿支件(306)保持平行关系；所述大腿腿部绑缚板(311)安装在大腿支件(301)中部，小腿腿部绑缚板(307)安装在小腿支件(306)中部，用于人体穿戴时的绑缚固定；所述轴承座支撑座(310)与轴承座输出端片(309)通过轴配合相连，上端与大腿支件(301)底部固连，利用内部轴承实现膝关节的回转功能；所述轴承座输出端片(309)下端与小腿支件(306)上端固连，用于带动小腿支件(306)运动；

所述踝关节(4)包括无油衬套固定板(401)，踝关节外壳体(402)，阻尼器(403)，扭簧(404)，扭簧挡块(405)，转板(407)，足底橡胶(408)，侧面横板(409)，足后横板(412)，脚底横板(410)；所述阻尼器(403)安装在踝关节外壳体(402)一侧面，与转板(407)保持平行，踝关节外壳体(402)另一侧固定在无油衬套固定板(401)上部；所述扭簧(404)套在轴上，利用扭簧挡块(405)固定，扭簧(404)可以使足部自动回弹至初始位置；所述扭簧挡块(405)固定在无油衬套固定板(401)一侧，无油衬套固定板(401)上部连接小腿支件(306)下部；所述足底橡胶(408)两侧上方连接侧面横板(409)，后侧上端连接足后横板(412)，中部利用三根脚底横板(410)加强足底强度，保持平行关系；

所述踝关节(4)通过无油衬套固定板(401)与膝关节小腿支件(306)下端相连，膝关节(3)通过大腿支件(301)与髋关节(2)相连，两个髋关节(2)通过背部横梁(1)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的变刚度下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述变刚度模块(305)包括导向装配件(3501)，拉伸弹簧保护导向件(3502)，导向板(3503)，导向套筒(3504)，无油衬套(3505)，保护外壳(3506)，连接扣(3507)，底板(3508)，安装板(3510)，直线位移传感器(3509)，直线位移传感器固定件，直线位移传感器连接件(3513)，记忆合金丝顶部固定件(3514)，弹簧B(3516)，记忆合金丝(3518)，记忆合金丝绑缚件(3517)，记忆合金丝底部固定件(3519)；所述变刚度模块(305)只具有单向压缩功能，通过对称结构实现变刚度主动单元双向柔性设计，安装于外骨骼的两侧；所述导向装配件(3501)底部与拉伸弹簧保护导向件(3502)固连，顶部与膝关节传动件(308)相连，用于将膝关节电机(303)输出的力矩传递给变刚度模块(305)；所述拉伸弹簧保护导向件(3502)通过导向连接轴(3515)与导向板(3503)相连，可以沿导向板(3503)中部槽上下移动，导向板(3503)底部与导向套筒(3504)相连；所述导向套筒(3504)通过无油衬套(3505)与保护外壳(3506)配合，用于弹簧的导向，连接扣(3507)连接保护外壳(3506)与底板(3508)；所述安装板(3510)一侧与小腿支件(306)固连，与其小腿支件(306)保持平行，上部连接底板(3508)，起到支承变刚度模块(305)的作用；所述直线位移传感器(3509)下端通过直线位移传感器固定件安装在保护外壳(3506)外侧，上端通过直线位移传感器连接件(3513)安装在导向套筒(3504)上侧；当穿戴者出现腿部骤停时，系统由单侧变刚度主动单元吸收膝关节电机(303)运动力矩；所述弹簧B(3516)安装在导向套筒(3504)和保护外壳(3506)内部，其拉伸与压缩变化可以调节变刚度模块(305)的刚度；所述记忆合金丝顶部固定件(3514)以及记忆合金丝底部固定件(3519)保持平行关系，用于预紧记忆合金丝(3518)；所述记忆合金丝(3518)利用记忆合金丝绑缚件(3517)构成多根并行结构，可以同时增大其收缩力与收缩位移，当温度升高时，记忆合金有效收缩，并且交叉绑缚形状记忆合金，提升变刚度主动单元的输出力与位移。