[发明专利]一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器

说明书

本发明涉及一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，它包括机架，电机，弹性元件，轴承，输出轴以及编码器装置。机架用于实现串联弹性驱动器与上级机构的连接固定以及电机的安装。驱动器为直流伺服电机与谐波减速器相集成，实现紧凑结构。电机扭矩经过谐波减速器后到达弹性元件输入端，后经弹性元件输出端以及输出轴传递至下级机构。弹性元件在传递扭矩同时实现相应形变，从而可缓和冲击，实现柔顺驱动。编码器为绝对值编码器，可以测量记录角度信号，其安装于弹性元件上，用以测量其型变量，为控制提供反馈信号。本发明可以通过形变而吸收能量，有效的缓和冲击。同时结合编码器，可以根据形变而实现对外载荷的测量感知。

技术领域

本发明是设计一种串联弹性驱动器，具体是涉及一种适用于上肢康复外骨骼机器人的紧凑型串联弹性驱动器。

背景技术

随进入21世纪，我国老龄化问题日趋严重，据统计，2015年65岁及以上人口达到1.66亿，占总人口的11.93％，老龄抚养比达到16.8％，而且该比例还有逐年上升的趋势。此外，随着工业化的推进和建筑业的发展，因工伤使上肢受损的人群也有所增多，为此，设计一款适用于上肢康复训练的外骨骼机器人显得尤为必要。所谓上肢康复外骨骼机器人，就是一种可穿戴式的，能够提供辅助动力协助患者运动，或者能够根据康复训练的需求提供合适阻抗的一种机械装置。此处所谓的柔性，指的是将柔性驱动器结合至外骨骼各必要主动自由度中，以期提高人机交互的舒适性和安全性。

目前，大部分的外骨骼机器人的直驱关节都采用传统的电机，减速器，输出端的模式，这样做的好处是，机构简单，传动比准确，而且响应迅速。但是，这种结构形式传动缺乏必要的柔性。考虑到本设计是应用到康复用途上，穿戴者上肢运动功能有所损伤或欠缺，若采用上述直驱结构，电机的突然启动，加速或者制动势必会给穿戴者带来冲击，轻者造成穿戴不适，重者可能会给患者带来二次损伤。为此，应在驱动器传动链中串联弹性元件以提高机构柔顺性。

当前，相当一部分串联弹性驱动器的弹性元件采用类似于板簧的结构，而本设计则采用拉伸弹簧环绕布置结构。设计关键在于确定拉伸弹簧型号，数量，安装位置以及连接方法，确保在驱动器设计工作范围内，拉伸弹簧都处于正常拉伸工作状态，且弹性元件等效转动刚度特性符合设计要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种适用于上肢康复外骨骼机器人的紧凑型串联弹性驱动器，并对其中的关键部件，如弹性元件的具体结构外形与尺寸进行针对性的设计，同时对该串联弹性驱动器的各零件布局进行设计，以达到提高系统柔性，保证使用安全，实现紧凑设计，满足外骨骼机器人的使用需要的目的。

为达到设计目的，本发明提出一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，其特征在于：包括机架，安装在机架上的驱动器，固定在机架上的弹性元件通过轴承与输出轴配接后接外输出端，编码器装置分别与弹性元件和外输出端配接。

在上述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，所述机架包括电机安装架和外壳，所述电机安装架与所述外壳通过螺纹连接。所述驱动器包括内含谐波减速器的直流伺服电机，所述直流伺服电机通过螺纹与机架中的电机安装架的内法兰连接，所述谐波减速器通过螺纹与直流伺服电机连接集成为一体；

在上述的一种适用于柔性上肢康复外骨骼机器人的串联弹性驱动器，所述弹性元件包括弹簧安装架一，拉伸弹簧，深沟球轴承，螺栓，垫片以及弹簧安装架二。其中所述弹簧安装架一的轴承座孔与所述深沟球轴承外圆面及端面配合定位，所述弹簧安装架二内的轴面及轴肩与深沟球轴承内孔及端面配合定位。弹簧安装架一的三个枝状结构放置于弹簧安装架二的对应缺口处，使弹簧安装架一和弹簧安装架二可以实现有限的相对转动。拉伸弹簧两端拉环分别置于弹簧安装架一和弹簧安装架二的枝状结构的螺纹孔上，利用所述垫片调整拉环径向高度，并用螺栓穿过拉环，固定于枝状结构上，实现拉伸弹簧环绕弹簧安装架一和二布置，所述输出轴与弹簧安装架二通过螺栓连接。