[发明专利]基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构及方法

说明书

本发明公开了一种基于柔性凸轮系统的外骨骼膝关节驱动结构及方法，驱动结构包括构成外骨骼膝关节结构的第一连接部和第二连接部；还包括驱动装置，驱动装置包括驱动器、偏心设于驱动器输出面的凸轮部、设于第二连接部上的第二导轮、绳索组件以及与绳索组件相连的弹性件，第二导轮的圆心到驱动器输出面的圆心的直线在驱动器输出面的圆周上存在两个点，驱动器带动凸轮部在两个点之间做单向圆周运动，弹性件产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。本发明在整个步态周期内驱动器单向旋转实现膝关节助力，无需驱动器频繁变换旋转方向，可有效降低系统对驱动器的要求，而且通过弹性件实现膝关节助力，当系统与人体步态不一致时，人体膝关节仍可正常活动。

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼技术领域，尤其涉及基于柔性凸轮系统的外骨骼 膝关节驱动结构及方法。

背景技术

外骨骼原来指生物学中保护生物内部柔软器官的一种坚硬外部结构，而现 在外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学 与人机工效学的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、 负重能力等特定方面的能力。由于外骨骼机器人涉及人机工效学，这就要求其 有较强适应性，不仅要适用不同体型穿戴者，同时也要对人体关节进行危险防 护，防止穿戴过程中造成人体损伤。

现有技术外骨骼机器人的柔性膝关节多是通过绳索结构驱动，例如膝关节 电机和缠绕在膝关节电机上的钢丝绳索，传统的膝关节电机为双向旋转，其中 涉及电机换向问题，因膝关节行走时角度变化较大，导致膝关节电机在快速行 走时需要较高的响应速度，对电机要求较高。而且一旦系统与人体步态不一致 便会影响人体膝关节正常活动，容易使人失去平衡造成危险。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的一个目的是提供一种基于柔性凸轮系 统的外骨骼膝关节驱动结构，包括构成外骨骼膝关节结构的第一连接部和第二 连接部；

还包括驱动装置，所述驱动装置包括驱动器、偏心设于所述驱动器输出面 上的凸轮部、设于第二连接部上的第二导轮、设于第二导轮上的绳索组件以及 与绳索组件相连的弹性件，所述绳索组件包括第一绳索和第二绳索，所述第一 绳索的一端连接第一连接部，第一绳索通过弹性件连接第二绳索，第二绳索连 接凸轮部，第二导轮的圆心到驱动器输出面的圆心的直线在驱动器输出面的圆 周上存在两个点，驱动器带动凸轮部在两个点之间做单向圆周运动，所述弹性 件产生拉力或压力助力外骨骼膝关节运动。

采用以上技术方案，还包括第一导轮，所述第二连接部在靠近第一连接部 的位置设置有第一导轮，所述第二连接部在远离第一连接部的位置设置有第二 导轮。

采用以上技术方案，还包括拉力传感器，所述拉力传感器设于所述第一连 接部上。

采用以上技术方案，所述弹性件为弹簧，所述弹簧的一端连接第一绳索， 所述第一绳索穿过第一导轮且第一绳索连接拉力传感器；所述弹簧的另一端连 接第二绳索，所述第二绳索穿过第二导轮且第二绳索连接凸轮部。

采用以上技术方案，所述凸轮部包括凸轮轴和出线轮，所述凸轮轴偏心设 置于所述驱动器的输出面上，所述凸轮轴上可旋转的设置有出线轮，所述出线 轮连接第二绳索。

采用以上技术方案，还包括大腿杆、固定块、支撑架和连接件，所述大腿 杆连接第二连接部，所述大腿杆上设置有固定块和支撑架，所述固定块上设置 有第二导轮，所述支撑架上设置有驱动器，所述连接件包括连接片和销轴，第 一连接部和第二连接部通过连接片和销轴连接。

采用以上技术方案，所述第一连接部包括第一齿面，所述第二连接部包括 第二齿面，所述第一齿面和第二齿面啮合，用于保持所述第一连接部和第二连 接部同步转动。

采用以上技术方案，所述驱动装置还包括绝对编码器、绝对编码器外壳、 磁珠和磁珠座，所述绝对编码器连接绝对编码器外壳，所述绝对编码器外壳连 接所述驱动器，所述绝对编码器外壳扣合连接磁珠座，所述磁珠座连接磁珠和 凸轮轴。