本发明专利技术涉及一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器，属于下肢康复医疗机器人技术领域。包括电机减速机构、摆线机构、变刚度机构、动力输出机构和外壳体；所述摆线机构包括齿圈、小齿轮、小齿轮副盘和传力杆；变刚度机构包括变刚度电机、带传动机构、传动轴和变刚度体；变刚度体包括第一盘式弹簧、第二盘式弹簧、第一支架、第二支架和第三支架、调位轮和变刚度壳体；动力输出机构包括柔索轮、第一柔索和第二柔索。采用内摆线机构和曲柄滑块机构传输动力，变刚度机构变换刚度，输出端采用鲍登线驱动，将驱动器设置在远离腿部关节的腰部，可大大减轻腿部关节负载。本发明专利技术能够为下肢运动障碍患者提供辅助力/力矩，提供驱动、制动和刚度调节功能。调节功能。调节功能。
【技术实现步骤摘要】
一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器
[0001]本专利技术属于下肢康复医疗机器人
，具体涉及一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器。
技术介绍
[0002]临床实践表明，由脑卒中或者脊髓损伤等疾病而丧失肌体运动功能的病人经过治疗之后，为了防止肌肉废用性萎缩、下肢关节挛缩和患者因久坐而引起的痤疮等，还需要一段时间的站立、行走康复训练才能够逐步恢复到健康状态。然而传统的康复治疗康复效率低、治疗师劳动强度大、患者参与意识低、训练效果及评价结果容易受到医师主观意识影响。另外，由于传统假肢适应性比较差，与健康肢体协调不一致等特点，假肢使用者对新型假肢的需求更加智能化，并且要求舒适性和美观性。因此，伴随着科学技术的不断发展，机器人技术正逐渐应用于康复医疗领域。
[0003]下肢康复医疗机器人是一种新型机电一体化装置，通过仿人关节设计，能在患者关节提供可控的辅助力/力矩，从而实现对患者的康复训练和运动辅助等功能。另外，人在正常行走过程中，膝关节和踝关节通常被建立为弹簧模型，其刚度会随着人行走步态状态和环境等因素的变化而改变。驱动器是下肢康复医疗机器人的动力元件，其性能直接决定了机器人的功能。一种关节机器人串联弹性驱动器，其方案为在力矩输入和输出之间加入线性的盘式弹簧，使缓冲效果更加明显。但是，人体肌肉本身的刚度具有高度的非线性，所以从仿生学的角度来讲，对弹簧的线性驱动不是康复医疗领域中弹性驱动器的最佳选择。专利CN201610818945.3公开了一种给定非线性刚度的串联弹性驱动器设计方法，其采用内外筒结构，在内外筒之间加入弹性元件，可实现预定刚度且具有缓冲功能，但不具备转换刚度的功能，不能在人的行走步态和环境等因素的变化时变换驱动器刚度。不难发现，若将这种驱动器用于康复医疗机器人，那么驱动器将会直接安装在关节处，会大大加重关节负载。
技术实现思路
[0004]为了实现驱动器具有非线性驱动、快速变刚度、缓冲冲击、提高系统能量使用效率、减轻穿戴者负担等功能，本专利技术提供一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器。
[0005]一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器包括电机减速机构、摆线机构、变刚度机构、动力输出机构和外壳体1；
[0006]所述电机减速机构包括盘式电机31和谐波减速器32，盘式电机31的输出轴固定连接着谐波减速器32的输入轴；
[0007]所述摆线机构包括齿圈4、小齿轮5、小齿轮副盘51和传力杆6；所述小齿轮5的轮轴33的一端固定连接着谐波减速器32的输出轴；小齿轮5和小齿轮副盘51固定设于轮轴33上，传力杆6的一端活动连接小齿轮副盘51，传力杆6的另一端固定连接着变刚度壳体7的轴向封闭端；与小齿轮5啮合的齿圈4固定设于外壳体1内；
[0008]所述变刚度机构包括变刚度电机19、带传动机构、传动轴9、第一盘式弹簧10、第二
盘式弹簧11、第一支架12、第二支架13和第三支架14、调位轮16和变刚度壳体7；所述变刚度电机19的输出轴和传动轴9的输入端之间由所述带传动机构连接；所述第一支架12、第一盘式弹簧10、第二支架13、第二盘式弹簧11、第三支架14和调位轮16依次设于传动轴9上，其中第一盘式弹簧10、第二盘式弹簧11固定在传动轴9上，调位轮16转动设于传动轴9上，第一支架12、第二支架13和第三支架14空套在传动轴9上；所述第一支架12、第二支架13和第三支架14结构相同，第一支架12包括圆环和圆环的外圆周上均布的三只支杆，第一支架12的三只支杆、第二支架13的三只支杆、第三支架14的三只支杆和轴向对应的第一盘式弹簧10的圆周、第二盘式弹簧11的圆周上分别开设有轴向对应贯通的销孔，通过三根轴销30和对应销孔的配合连接将第一支架12、第一盘式弹簧10、第二支架13、第二盘式弹簧11和第三支架14沿轴向固定连接形成柱状的变刚度体；第一支架12的三只支杆上和第三支架14的三只支杆上分别对应开设有安装通孔；
[0009]所述第三支架14的三只支杆的安装通孔内分别固定设有光滑圆柱头143，与三个光滑圆柱头143对应的调位轮16轴向端面的圆周上分别设有三块定位块，每块定位块分别设有三个定位槽，三个定位槽分别是一挡定位槽163、二挡定位槽164和三挡定位槽165；第三支架14上的三个光滑圆柱头143分别对应位于相应的定位槽内；
[0010]所述第一支架12的三个支杆的安装通孔分别活动连接着导杆18的一端，每个导杆18上套设有线性弹簧17，导杆18的另一端固定连接着变刚度壳体7的内壁；
[0011]所述变刚度壳体7呈圆柱筒状，轴向一端为封闭端，轴向另一端为敞口端，敞口端的端部均布设有三块挡板74；变刚度壳体7内沿轴向均布设有三条滑道72，且三条滑道72与三块挡板74错开；所述变刚度体同轴位于变刚度壳体7内，变刚度壳体7的封闭端上设有端盖8，所述传动轴9的两端通过轴承分别固定设于变刚度壳体7和端盖8上，与带传动机构对应的传动轴9的一端伸至变刚度壳体7外部；所述第一支架12的三根支杆的杆端和第三支架14三根支杆的杆端分别位于对应的滑道72内；
[0012]动力输出机构包括柔索轮20、第一柔索22和第二柔索23；所述柔索轮20固定设于变刚度外壳7外侧的传动轴9上，第一柔索22和第二柔索23绕设在柔索轮20上，第一柔索22的一端和第二柔索23的一端一同进入鲍登线外套25形成鲍登线。
[0013]进一步限定的技术方案如下：
[0014]所述摆线机构中，小齿轮5和齿圈4的齿数比为1:2，小齿轮5与齿圈4内啮合，且小齿轮5在轮轴33的带动下在齿圈4中滚动，此时，小齿轮5分度圆上任意一点的运动轨迹均为直线。
[0015]所述小齿轮5和小齿轮副盘53为一体式结构，小齿轮副盘53的径向一侧有外凸块，外凸块上开有一安装孔，安装孔的中心与小齿轮中心之间的中心距等于小齿轮分度圆半径；且安装孔的运动轨迹为一直线；所述传力杆6连接着变刚度外壳7封闭端的转动连接点至变刚度外壳7封闭端的中心点之间形成相当于曲柄滑块机构的曲柄，小齿轮副盘53上的外凸块作用相当于曲柄滑块机构中的滑块，传力杆6的作用相当于曲柄滑块机构中的连杆。
[0016]所述变刚度外壳7的开口端圆周的三块挡板74上分别开设有两个螺纹孔；在变刚度外壳7的封闭端上开设有中心孔，通过中心孔和滚动轴承使传动轴9形成转动连接；在变刚度外壳7封闭端正对三个滑道的位置分别设置了三个导杆螺纹孔；变刚度外壳7和封闭盘8上分别开设有减重孔。
[0017]所述第一盘式弹簧10和第二盘式弹簧11结构相同，盘式弹簧由内圆环、外圆环和连接内圆环、外圆环的两个以上柔性单元构成；第一盘式弹簧10和第二盘式弹簧11的材料均为弹簧钢(60Si2CrVA)，淬火(850℃)和回火(410℃)处理后，其名义屈服应力为1.665GPa，极限抗拉强度为1.865GPa。第一盘式弹簧10的刚度为92NM.rad；第二盘式弹簧11的刚度为170NM.rad。
[0018]所述第一盘式弹簧10上均布设有三个第一柔性单元102，每个第一柔本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于非线性机构的可变刚度柔索驱动器，其特征在于：包括电机减速机构、摆线机构、变刚度机构、动力输出机构和外壳体(1)；所述电机减速机构包括盘式电机(31)和谐波减速器(32)，盘式电机(31)的输出轴固定连接着谐波减速器(32)的输入轴；所述摆线机构包括齿圈(4)、小齿轮(5)、小齿轮副盘(51)和传力杆(6)；所述小齿轮(5)的轮轴(33)的一端固定连接着谐波减速器(32)的输出轴；小齿轮(5)和小齿轮副盘(53)固定设于轮轴(33)上，传力杆(6)的一端活动连接小齿轮副盘(51)，传力杆(6)的另一端固定连接着变刚度壳体(7)的轴向封闭端；与小齿轮(5)啮合的齿圈(4)固定设于外壳体(1)内；所述变刚度机构包括变刚度电机(19)、带传动机构、传动轴(9)、第一盘式弹簧(10)、第二盘式弹簧(11)、第一支架(12)、第二支架(13)和第三支架(14)、调位轮(16)和变刚度壳体(7)；所述变刚度电机(19)的输出轴和传动轴(9)的输入端之间由所述带传动机构连接；所述第一支架(12)、第一盘式弹簧(10)、第二支架(13)、第二盘式弹簧(11)、第三支架(14)和调位轮(16)依次设于传动轴(9)上，其中第一盘式弹簧(10)、第二盘式弹簧(11)固定在传动轴(9)上，调位轮(16)转动设于传动轴(9)上，第一支架(12)、第二支架(13)和第三支架(14)空套在传动轴(9)上；所述第一支架(12)、第二支架(13)和第三支架(14)结构相同，第一支架(12)包括圆环和圆环的外圆周上均布的三只支杆，第一支架(12)的三只支杆、第二支架(13)的三只支杆、第三支架(14)的三只支杆和轴向对应的第一盘式弹簧(10)的圆周、第二盘式弹簧(11)的圆周上分别开设有轴向对应贯通的销孔，通过三根轴销(30)和对应销孔的配合连接将第一支架(12)、第一盘式弹簧(10)、第二支架(13)、第二盘式弹簧(11)和第三支架(14)沿轴向固定连接形成柱状的变刚度体；第一支架(12)的三只支杆上和第三支架(14)的三只支杆上分别对应开设有安装通孔；所述第三支架(14)的三只支杆的安装通孔内分别固定设有光滑圆柱头(143)，与三个光滑圆柱头(143)对应的调位轮(16)轴向端面的圆周上分别设有三块定位块，每块定位块分别设有三个定位槽，三个定位槽分别是一挡定位槽(163)、二挡定位槽(164)和三挡定位槽(165)；第三支架(14)上的三个光滑圆柱头(143)分别对应位于相应的定位槽内；所述第一支架(12)的三个支杆的安装通孔分别活动连接着导杆(18)的一端，每个导杆(18)上套设有线性弹簧(17)，导杆(18)的另一端固定连接着变刚度壳体(7)的内壁；所述变刚度壳体(7)呈圆柱筒状，轴向一端为封闭端，轴向另一端为敞口端，敞口端的端部均布设有三块挡板(74)；变刚度壳体(7)内沿轴向均布设有三条滑道(72)，且三条滑道(72)与三块挡板(74)错开；所述变刚度体同轴位于变刚度壳体(7)内，变刚度壳体(7)的封闭端上设有端盖(8)，所述传动轴(9)的两端通过轴承分别固定设于变刚度壳体(7)和端盖(8)上，与带传动机构对应的传动轴(9)的一端伸至变刚度壳体(7)外部；所述第一支架(12)的三根支杆的杆端和第三支架(14)三根支杆的杆端分别位于对应的滑道(72)内；动力输出机构包括柔索轮(20)、第一柔索(22)和第二柔索(23)；所述柔索轮(20)固定设于变刚度外壳(7)外侧的传动轴(9)上，第一柔索(22)和第二柔索(23)绕设在柔索轮(20)上，第一柔索(22)的一端和第二柔索(23)的一端一同进入鲍登线外套(25)形成鲍登线。2.根据权利要求1所述的一种基于非线...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，王兵，訾斌，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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