[发明专利]非集中式旋转致动器

说明书

公开了一种用于致动人、动物或机器人的关节的装置和方法。提供了细长的、纵向柔性且扭转弹性的主体，该主体用于传递扭矩。至少部分地基于主体的扭转变形信息，经由主体传递扭矩。在实施方式中，提供了柔性驱动轴，其中，该柔性驱动轴包括所示主体。此外，公开了将柔性驱动轴用作旋转致动器中的顺应元件和扭矩传递元件两者，以致动机械关节。另外，还公开了柔性驱动轴用于确定人或动物的关节的阻抗的用途。

技术领域

本发明在一方面可以涉及不能植入体内的假体的技术领域(IPCA61F 2/50)，尤其是针对其的操作或控制装置(IPCA61F2/68)。本发明在一方面可以涉及柔性驱动轴的变形测量和扭转控制。

背景技术

发明名称为“Exoskeletons for running and walking”的US2011/0040216A1描述了髋部扭矩串联弹性致动器。串联弹性致动器包括与马达/齿轮箱的输出串联的弹簧。弹簧充当传感器、滤波器和阻抗限制器。

该串联弹性执行器要求马达/齿轮箱靠近并与关节旋转轴线共线。致动的至少一个点是在纵向上移位的，从而使致动固有地较复杂。对于四肢上的远端关节，例如膝、脚踝、肘部和手腕，关节附近存在马达给四肢带来很大的惯性负载，并需要额外的动力。此外，对于此类关节，与关节旋转轴线共线的马达/齿轮箱会导致笨重的外骨骼，即在人或动物体外的骨骼，从而进一步阻碍了平滑运动。

D.Sahebjavaher“Validation of the UBC Powered Upper Limb OrthosisSimulator”，博士学位论文，不列颠哥伦比亚大学的(2012年)，http://dx.doi.org/10.14288/1.0103452描述了一种外骨骼，包括柔性驱动轴，用于将马达动力传递到关节齿轮箱。Sahebjavaher的第2.3.2.1段指出，出于人体工程学的原因，最小化外骨骼的重量以最小化功率要求、惯性负载并保持装置的重量分布集中在用户的腰上非常重要，因此，使用了柔性驱动轴。

Sahebjavaher的第3.2.1.3段讨论了柔性驱动轴，由于其像弹簧阻尼器那样的特性，在预测驱动系统的实际性能时带来了复杂性。此外，第3.2.1.3段进一步提到柔性驱动轴中的弯曲产生不可预测的结果。第3.2.1.3段还公开如果不对柔性驱动轴进行引导，则阶跃响应显著变化并且是不可重复的。为了在矫形器操作期间中产生一致的阶跃响应，第3.2.1.3段提出需要对柔性驱动轴进行引导，并且强烈建议使用管壳来抑制轴的整个长度上的非轴向旋转运动和振动。

M.R.Tucker等人，“Design of a wearable perturbator for human kneeimpedance estimation during gait”，2013IEEE International Conference onRehabilitation Robotics(ICORR)(2013),http://dx.doi.org/10.1109/ICORR.2013.6650372公开了一种膝关节扰动器，该膝关节扰动器通过应用角速度扰动来实验性地估计步态中人的膝关节阻抗。膝关节扰动器包括专为在透明模式与速度控制模式之间切换而设计的便携式下肢外骨骼，以及用于远程致动的双向柔性驱动轴。

Tucker进一步在第III.D段中公开使用安装在外骨骼的曲柄的相反侧上的平行双栅格应变仪来感测在扰动器和腿的胫骨之间的互动扭矩。Tucker在第IV段中还提出了在不同弯曲和负载条件下柔性轴的动态特性的实验表征。

Sahebjavaher和Tucker的教导要求在关节处的扭矩传感器，以了解所施加的扭矩并准确地驱动远程马达。扭矩传感器是昂贵且精密的装置，当设置在关节处时会导致附加的惯性负载。