[发明专利]一种变刚度变传动比的双绞线驱动仿生关节

说明书

本发明涉及一种变刚度变传动比的双绞线驱动仿生关节，包括第一关节段和第二关节段，通过采用驱动组件驱动第一绞线、第二绞线分别进行绞旋收缩和解旋舒张来牵引转盘转动以带动第二关节段摆动，同时通过在第一绞线、第二绞线上分别设置具有分线功能的第一分线器、第二分线器，通过调整第一分线器、第二分线器的位置来调整第一绞线、第二绞线的绞线段长度，通过设置调节齿轮与第一分线器、第二分线器啮合联动来调整第一绞线和第二绞线之间的传动比，从而实现调节第一绞线、第二绞线的刚度。

技术领域

本发明涉及仿生关节制造技术领域，具体而言，涉及一种变刚度变传动比的双绞线驱动仿生关节。

背景技术

传统的关节驱动上普遍采用液压驱动、电机直驱等驱动方式，液压驱动一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，具有较长的使用寿命，且能够提供较大的功率动力输出，被广泛地应用于负重增强型外骨骼中，但其需要额外的液压源件，导致系统重量大、便携性差、穿戴舒适性差，难以实现高精度的力控制，驱动柔顺性不足。

随着高性能自适应力位控制算法的良好设计，电机控制技术日趋成熟，在关节处能提供较大的助力力矩并实现人体运动步态的良好跟随，但电机直驱的驱动系统具有结构刚度大、需要减速齿轮、尺寸和惯量大的缺点；为了提高电机驱动系统的驱动柔顺性及穿戴舒适性，目前常采用电机结合绞盘、绳索等构成的绳驱动系统，其具有远距离动力传输、重量轻、安装简单、高柔顺性的特点，但其易受到自身结构特性的限制，仅能提供与身体平行的直线驱动力，受力易变形、仿生柔顺性不足、穿戴舒适性有待提高。

而随着柔性驱动设计理念的日趋成熟，气动肌肉驱动、变形材料驱动等、串联弹性驱动等柔性驱动技术被广泛地应用于外骨骼驱动系统设计中；气动人工肌肉将气动动力转换成拉力，与传统的气动气缸相比，其具有高力重量比、无机械部件、低压缩空气消耗和低成本、柔顺性好等特点，但电源系统庞大、驱动非线性性强，难以精确控制；受热变形、通电变形等变形材料驱动系统具有高柔顺性、驱动方式新颖等优点，但材料出力小、存在回程迟滞、控制系统复杂；串联弹性驱动系统通过弹性体的变形增加了驱动系统的柔顺性，改善了人机交互、能源效率、耐冲击性以及可逆驱动等驱动性能，但具有尺寸较大、重量较高、结构设计复杂和安装复杂等缺陷。近年绞线驱动器由于器轻量化、高能效、高柔顺性、高传动比等特性引起广泛的关注，然而传动比由绞线长度确定，不具有可调性，严重影响其驱动性能。如中国专利申请公开号为“CN112370314B”，专利名称为“一种基于双绞线驱动的张拉柔性踝关节穿戴助力设备”，包括脚部支撑板、柔性关节、脚踝穿戴组件，所述柔性关节下端与脚踝穿戴组件相连，所述柔性关节上端与绞线驱动部分相连，其中，所述绞线驱动部分包括电机固定板，所述电机固定板上安装电机，所述电机下端连接联轴器，所述联轴器与主动轴相连，所述主动轴上固定连接有齿轮II，所述主动轴固连有绞线环II，所述齿轮II与齿轮I啮合连接，所述齿轮I通过小轴承座与从动轴连接，所述齿轮I下端固定有大轴承座一端，所述大轴承座另一端连接绞线环I，上述驱动方式无法与生物关节驱动方式相媲美，生物关节驱动具有很好的关节柔顺性，关节力矩和速度、刚度都具有很好的自适应性，如何与生物肌肉运动机理相结合，开发一种轻量化、高柔顺、高能效的变刚度变传动比类肌肉仿生驱动关节显得尤为重要。

发明内容

本发明解决的问题是如何开发轻量化、高柔顺、高能效的类肌肉仿生关节。