[发明专利]基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人

说明书

本发明涉及一种基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人。本发明包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构；两组腿部外骨骼结构相同均包括两个超输入柔性驱动器，两个绷带结构和一个脚底板；每个超输入柔性驱动器均包括两个通过绳连接的柔性驱动器，输出一个转动自由度；两个超输入柔性驱动器再通过机械连接装置连接；其中一个绷带结构与一个超输入柔性驱动器连接，另一个绷带与机械连接装置连接；脚底板通过转接支架与另一个超输入柔性驱动器连接。本发明一方面可以应用到军事领域，为作战士兵提供助力，提高士兵行军运动能力；另一方面，可以为中风患者提供理疗帮助，改善患者在康复过程的恢复周期。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于冗余绳驱柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人。

背景技术

在人机交互过程中，当机器人需要与未知环境交互时，传统机器人的刚性传动存在很大的安全隐患，人与机器人之间也常常存在过约束力。机器人的柔顺性则是人-机协作完成任务的重要保障。机器人柔顺性的研究正向着刚柔混合一体化机构、准确快速的环境判断、良好的柔顺控制的方向发展。机械系统的柔顺性是通过机械设计和驱动控制系统来保证的。当人与机器人发生运动不协调或控制系统失灵时，设计柔顺的驱动结构，可通过降低动能和惯性来减小冲击力。本发明基于人体下肢运动特点，设计了一种可穿戴下肢外骨骼机器人，实现帮助穿戴者辅助运动。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于绳驱动冗余柔性驱动器的可穿戴下肢外骨骼机器人。

本发明包括左腿与右腿两组对称设置的腿部外骨骼结构；两组腿部外骨骼结构相同均包括四个柔性驱动器，两个绷带结构和一个脚底板；四个柔性驱动器，两两一组，通过绳连接，构成超输入超输入柔性驱动器，再将两组超输入柔性驱动器通过机械连接装置连接；一个绷带结构与一组柔性驱动器连接，另一个绷带结构与机械连接装置连接；脚底板通过转接支架与另一组柔性驱动器连接。本发明可以为穿戴者提供助力，因此，不仅可以应用到军事领域，辅助士兵负重行走，也可以应用到康复医疗领域，为患者提供理疗帮助，并充分保证患者在康复过程中的安全。

所述的超输入柔性驱动器，包括两个通过绳连接柔性驱动器，每个柔性驱动器均包括电机外壳、电机、齿轮箱、第一编码器、固定电机装置、第二编码器、联轴器、扭簧、滚筒、机械连接装置、两个伞齿轮、两根光轴、四个套筒、四个轴承、四个端盖；电机与电机固定装置安装于电机外壳上，电机外壳与齿轮箱固定连接；第一编码器与电机连接，通过在电机外壳上开孔外露；第一伞齿轮与电机输出轴相连，第一伞齿轮与第二伞齿轮啮合，实现输出90度转向；第一光轴从第一轴承中穿过与第二伞齿轮连接；第一轴承固定在电机外壳上，第一轴承内圈一端与第一套筒接触，另一端与第二套筒接触，第一轴承外圈与第一端盖接触；第二轴承套在第一光轴上，第二轴承外圈与第二端盖相连，第二端盖固定在电机外壳上，实现第一光轴的轴向约束；扭簧套在第一光轴输出端，通过扭簧将力矩传递给第二光轴；第二光轴通过与第一光轴类似结构，用第三轴承和第四轴承、第三套筒和第四套筒、第三端盖和第四端盖实现轴向约束；第四端盖通过固定在第二端盖上，第三端盖固定在第四端盖上；第二光轴通过联轴器与第二编码器相连接；联轴器外套上滚筒，滚筒连接绳，通过绳与另一个柔性驱动器相连，形成两电机输出一个自由度的超输入柔性驱动器；机械连接装置包括滑轨与连接板；

所述绷带结构由两个板与绷带两侧固接，绷带通过扣环实现宽度大小的调整；

所述脚底板包括转接支架、减震弹簧支柱、脚部支撑板、脚部前绷带；减震弹簧支柱与脚部支撑板连接，转接支架坐在减震弹簧支柱上，脚部前绷带固定在脚部支撑板前端。

所述的电机外壳通过三个凸起与齿轮箱相连，通过螺钉与电机上预留的螺纹孔连接固定电机。

所述的伞齿轮通过开孔用螺栓与轴连接。

所述超输入柔性驱动器通过在其中一个电机外壳上打孔与机械连接装置连接。

所述机械连接装置通过在连接板上打一系列螺纹孔，并设置滑轨可控制两柔性驱动器结构之间的安装距离。