一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供了一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，包括：躯干壳体；直流电机；电磁离合器；主轴；第一同步带轮；输入端与主轴连接的髋关节驱动模块；大腿杆，与人体的大腿处相对应，与髋关节驱动模块的输出端连接，并与躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在髋关节驱动模块的驱动下绕外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助大腿进行运动；第二同步带轮，与第一同步带轮连接；转动轴；输入端与转动轴连接的膝关节驱动模块；以及小腿杆，与人体的小腿处相对应，与膝关节驱动模块的输出端连接，并与大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在膝关节驱动模块的驱动下绕外骨骼膝关节在矢状面内旋转来从而协助小腿进行运动。

【技术实现步骤摘要】
一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置
本技术属于机械领域，具体涉及一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置。
技术介绍
动力外骨骼可作为一种康复医疗和应对老龄化问题中迫切需要的助老助残智能辅具，其主要功能应为通过适时适量的助力辅助，协助穿戴者恢复基本的下肢运动；也可作为一款抗震救灾或战争用途等恶劣负载地形环境下的单兵作战与救援装备，其主要负责增强穿戴者的肢体承载能力与耐力。目前动力下肢外骨骼的驱动系统设计存在瓶颈问题，包括：(1)关节执行器多结构复杂自重大的问题，当前在机器人每个关节布置大质量关节执行器的常规设计方案，存在结构轻量化的瓶颈。一方面，外骨骼大质量与高末端惯量现状，影响了人机系统的质量分布，增加了穿戴者对于欠驱动自由度控制和人机整体平衡控制的负担，严重降低了外骨骼的助力功效。另一方面，机器人远端关节执行器质量提高了近端驱动关节负的功率需求，并影响近端关节的柔顺控制性能。(2)关节控制欠柔顺低能效问题，传统机械臂一般采用基于力反馈的阻抗控制算法控制高刚度执行器与环境的交互行为。但是由于外骨骼与穿戴者之间存在人机强耦合特点，这种高刚度执行器结合精确阻抗控制的方式在强干扰下的反应欠佳，存在稳定性与安全性的巨大隐患，并且控制能耗较大。近年生物力学和生物学研究发现，生物关节不仅具有被动柔顺特性，还在相邻关节之间还存在能量优化交互行为。上述结构与机制被认为是生物肢体获得柔顺高效运动行为的重要原因。然而现有的外骨骼设计中，各驱动关节之间相互独立，缺乏有效且自然的能量交互和联动机制，因而难以复现生物相邻关节间自然的能量优化行为。CN109528451A提出了一种基于离合器分时调控的双关节被动外骨骼装置，分别在外骨骼关节布置相互独立的基于棘轮-棘爪-棘轮-拉索的离合器控制的导线盘扭簧机构，并以关节的特定运动角度为触发，通过离合器控制扭簧对能量的捕捉与释放，以期提高能量利用效率，减少行走能耗。这种设计的缺点在于：(1)这种设计是被动装置，无法为上坡上楼梯和起立等克服重力的下肢运动提供主动的辅助力矩；(2)因关节以特定运动角度触发离合器控制，所以只有当穿戴者的下肢运动满足预设角度范围和触发顺序时，装置才能对其施加期望的能量控制行为，反之则可能干扰穿戴者的正常运动，因而对步态变化适应性较差；(3).关节相互独立，无法进行关节间能量优化CN110179636A、CN104800043B、CN106389073、US000204627，US20190282428等专利提出的可穿戴外骨骼辅助装置，均具有关节致动器，末端惯量较大；其关节控制依赖于各关节制动器的转角或扭矩控制曲线，步态不自然；各致动器间相互独立控制，不存在能量交互和联动，步行能耗缺少优化策略，因此难以复现人体自然的下肢关节运动和步态行为。
技术实现思路
本技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置。本技术提供了一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，具有这样的特征，包括：躯干壳体，与人体的腰部位置相对应；直流电机，固定设置在躯干壳体的一端；电磁离合器，与直流电机的转子连接；主轴，与电磁离合器连接；第一同步带轮，中心穿过有主轴并跟随主轴进行转动；髋关节驱动模块，包括与主轴连接的第一输入端、串联设置在第一输入端后的第一离合机构与第一弹性机构、与第一弹性机构连接的第一输出端以及用于安装第一离合机构与第一弹性机构的第一模块外壳；大腿杆，与人体的大腿处相对应，与第一输出端连接，并与躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在髋关节驱动模块的驱动下绕外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助大腿进行运动；第二同步带轮，通过同步带与第一同步带轮连接，用于跟随第一同步带轮进行转动；转动轴，设置在第二同步带轮中心处；膝关节驱动模块，包括与转动轴连接的第二输入端、串联设置在第二输入端后的第二离合机构与第二弹性机构、与第二弹性机构连接的第二输出端以及用于安装第二离合机构与第二弹性机构的第二模块外壳；以及小腿杆，与人体的小腿处相对应，与第二输出端连接，并与大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在膝关节驱动模块的驱动下绕外骨骼膝关节在矢状面内旋转来从而协助小腿进行运动，其中，电磁离合器还设有电磁控制端来控制通断状态，髋关节驱动模块中还设有第一刚度控制端，该第一刚度控制端与第一弹性机构连接，用于控制第一弹性机构的刚度，膝关节驱动模块中还设有第二刚度控制端，该第二刚度控制端与第二弹性机构连接，用于控制第二弹性机构的刚度。在本技术提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一模块外壳固定在躯干壳体上，第二模块外壳固定在大腿杆上。在本技术提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一离合机构包括第一固定件与第一离合件，第一固定件与第一输入端固定连接，第一离合件的一端与第一弹性机构连接，另一端与第一固定件连接或与第一模块外壳连接。在本技术提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第一离合件还连接有第一控制端，第一离合件的连接状态由第一控制端进行控制，默认状态下，第一离合件与第一模块外壳连接，使能状态下，第一控制端控制第一离合件与第一固定件连接。在本技术提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第二离合机构包括第二固定件与第二离合件，第二固定件与第二输入端固定连接，第二离合件的一端与第二弹性机构连接，另一端与第二固定件连接或与第二模块外壳连接。在本技术提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，第二离合件还连接有第二控制端，第二离合件的连接状态由第二控制端进行控制，默认状态下，第二离合件与第二模块外壳连接，使能状态下，第二控制端控制第二离合件与第二固定件连接。在本技术提供的电机驱动的外骨骼联动装置中，还可以具有这样的特征：其中，当电磁离合器连通，且第一离合机构与第二离合机构均处于使能状态时，大腿杆和小腿杆分别绕外骨骼髋关节和外骨骼膝关节旋转，当电磁离合器连通，且仅有第一离合机构处于使能状态时，大腿杆绕外骨骼髋关节旋转，当电磁离合器连通，且仅有第二离合机构处于使能状态时，小腿杆绕外骨骼膝关节旋转，当电磁离合器断开，且第一离合机构与第二离合机构均处于使能状态时，大腿杆旋转带动小腿杆旋转，或者小腿杆旋转带动大腿杆旋转。技术的作用与效果根据本技术所涉及的一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，因为仅在对应腰部的躯干壳体处布置一个直流电机作为动力源，通过主轴与传动轴来同时给髋关节驱动模块和膝关节驱动模块提供动力，所以避免了在膝关节等远端关节处额外布置的沉重的动力源，从而减少外骨骼的总重，降低外骨骼的末端惯量；因为髋关节驱动模块和膝关节驱动模块之间由第一同步带轮、同步带以及第二同步带轮进行连通，并且髋关节驱动模块和膝关节驱动模块中均设有离合机构与弹性机构，弹性机构为大腿杆以及小腿杆提供被动柔顺性和储能能力，离合机构则控制进出模块的机械能的流通路径和方向，所以，能够通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，其特征在于，包括：/n躯干壳体，与所述人体的腰部位置相对应；/n直流电机，固定设置在所述躯干壳体的一端；/n电磁离合器，与所述直流电机的转子连接；/n主轴，与所述电磁离合器连接；/n第一同步带轮，中心穿过有所述主轴并跟随所述主轴进行转动；/n髋关节驱动模块，包括与所述主轴连接的第一输入端、串联设置在所述第一输入端后的第一离合机构与第一弹性机构、与所述第一弹性机构连接的第一输出端以及用于安装所述第一离合机构与所述第一弹性机构的第一模块外壳；/n大腿杆，与所述人体的大腿处相对应，与所述第一输出端连接，并与所述躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在所述髋关节驱动模块的驱动下绕所述外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助所述大腿进行运动；/n第二同步带轮，通过同步带与所述第一同步带轮连接，用于跟随所述第一同步带轮进行转动；/n转动轴，设置在所述第二同步带轮中心处；/n膝关节驱动模块，包括与所述转动轴连接的第二输入端、串联设置在所述第二输入端后的第二离合机构与第二弹性机构、与所述第二弹性机构连接的第二输出端以及用于安装所述第二离合机构与所述第二弹性机构的第二模块外壳；以及/n小腿杆，与所述人体的小腿处相对应，与所述第二输出端连接，并与所述大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在所述膝关节驱动模块的驱动下绕所述外骨骼膝关节在矢状面内旋转从而协助所述小腿进行运动，/n其中，所述电磁离合器还设有电磁控制端来控制通断状态，/n所述髋关节驱动模块中还设有第一刚度控制端，该第一刚度控制端与所述第一弹性机构连接，用于控制所述第一弹性机构的刚度，/n所述膝关节驱动模块中还设有第二刚度控制端，该第二刚度控制端与所述第二弹性机构连接，用于控制所述第二弹性机构的刚度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，用于协助人体进行下肢运动，其特征在于，包括：
躯干壳体，与所述人体的腰部位置相对应；
直流电机，固定设置在所述躯干壳体的一端；
电磁离合器，与所述直流电机的转子连接；
主轴，与所述电磁离合器连接；
第一同步带轮，中心穿过有所述主轴并跟随所述主轴进行转动；
髋关节驱动模块，包括与所述主轴连接的第一输入端、串联设置在所述第一输入端后的第一离合机构与第一弹性机构、与所述第一弹性机构连接的第一输出端以及用于安装所述第一离合机构与所述第一弹性机构的第一模块外壳；
大腿杆，与所述人体的大腿处相对应，与所述第一输出端连接，并与所述躯干壳体的另一端通过外骨骼髋关节相铰接，在所述髋关节驱动模块的驱动下绕所述外骨骼髋关节在矢状面内旋转来从而协助所述大腿进行运动；
第二同步带轮，通过同步带与所述第一同步带轮连接，用于跟随所述第一同步带轮进行转动；
转动轴，设置在所述第二同步带轮中心处；
膝关节驱动模块，包括与所述转动轴连接的第二输入端、串联设置在所述第二输入端后的第二离合机构与第二弹性机构、与所述第二弹性机构连接的第二输出端以及用于安装所述第二离合机构与所述第二弹性机构的第二模块外壳；以及
小腿杆，与所述人体的小腿处相对应，与所述第二输出端连接，并与所述大腿杆通过外骨骼膝关节相铰接，在所述膝关节驱动模块的驱动下绕所述外骨骼膝关节在矢状面内旋转从而协助所述小腿进行运动，
其中，所述电磁离合器还设有电磁控制端来控制通断状态，
所述髋关节驱动模块中还设有第一刚度控制端，该第一刚度控制端与所述第一弹性机构连接，用于控制所述第一弹性机构的刚度，
所述膝关节驱动模块中还设有第二刚度控制端，该第二刚度控制端与所述第二弹性机构连接，用于控制所述第二弹性机构的刚度。


2.根据权利要求1所述的电机驱动的髋膝外骨骼联动装置，其特征在于：
其中，所述第一模块外壳固定在所述躯干壳体上，
所述第二模块外壳固定在所述大腿杆上。


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【专利技术属性】
技术研发人员：朱钧，蔡黎明，陆寅啸，王晨，耿翔，马昕，
申请(专利权)人：复旦大学，珠海复旦创新研究院，
类型：新型
国别省市：上海;31