膝关节弹性驱动装置及外骨骼机器人的制作方法

1.本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种膝关节弹性驱动装置及具有其的外骨骼机器人。


背景技术：

2.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。
3.现有技术的外骨骼机器人很多膝关节通过绳索结构驱动，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，并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，同时绳索驱动仅能单向助力，双向助力结构较为复杂，使用成本高难以在实际使用中运用；而使用连杆结构的膝关节仅能实现步行这一简单功能，膝关节无法做其他动作。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种膝关节弹性驱动装置及具有其的外骨骼机器人，以克服现有技术中存在的不足。
5.为实现上述发明目的，本发明提供一种膝关节弹性驱动装置，其包括：驱动模块、大腿部、膝关节、小腿部以及弹性杆；所述大腿部下端通过所述膝关节与所述小腿部相连接，所述驱动模块安装于所述大腿部上，所述弹性杆一端与所述驱动模块传动连接，另一端与所述小腿部传动连接，所述驱动模块通过所述弹性杆带动所述小腿部相对大腿部枢转时，所述弹性杆发生形变。
6.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述驱动模块包括：驱动单元和传动机构；所述驱动单元为驱动电机，其通过电机架固定于所述大腿部的托架上，且通过所述传动机构与所述弹性杆的一端传动连接。
7.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述传动机构包括：凸轮和连接组件；所述驱动模块与所述凸轮相连接，并能够带动所述凸轮进行同步枢转运动，所述凸轮通过所述连接组件与所述弹性杆的一端传动连接。
8.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述连接组件包括：连接块、连接头以及连杆；所述连接块通过t形销及顶丝与所述凸轮相连接，所述连接块由上盖和下盖组成，所述连接块通过所述连接头与所述连杆的一端相连接，所述连杆的另一端与所述弹性杆的
一端相连接。
9.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述大腿部上还设置有直线轴承，所述连杆穿过所述直线轴承，并在所述驱动单元的带动下沿所述直线轴承进行运动。
10.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述驱动模块能够带动所述凸轮进行顺时针枢转运动或者逆时针枢转运动。
11.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述弹性杆上还设置有变形槽，所述弹性杆通过其上的变形槽发生形变。
12.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述变形槽为沿所述弹性杆长度方向蛇形延伸设置的槽结构。
13.作为本发明膝关节弹性驱动装置的改进，所述变形槽中还设置有运动状态感测传感器。
14.为实现上述发明目的，本发明提供一种外骨骼机器人，其包括如上所述的膝关节弹性驱动装置。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种膝关节弹性驱动装置，其采用弹性杆，使得膝关节在屈伸屈曲两个方向均能得到有效助力，进而驱动模块可滞后于人体行动，有利于降低对驱动电机的要求。同时，弹性杆上还可集成传感器，其使得对人体运动意图识别更为准确。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明膝关节弹性驱动装置一实施例的主视图；图2为图1所示膝关节弹性驱动装置的侧视图；图3为图1所示膝关节弹性驱动装置的后视图；图4为图1所示膝关节弹性驱动装置处于初始状态的示意图；图5为图1所示膝关节弹性驱动装置处于弯曲状态的示意图。
具体实施方式
18.下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
19.本发明一实施例提供一种膝关节弹性驱动装置，其能够降低膝关节驱动系统对于电机的要求，并使系统与人体步态不一致时不影响人体膝关节正常活动，并能够在膝关节屈伸和屈曲是均能给与响应的助力。
20.如图1至3所示，本实施例的膝关节弹性驱动装置包括：驱动模块1、大腿部11、膝关节12、小腿部13以及弹性杆10。
21.大腿部11下端通过膝关节12与小腿部13相连接，驱动模块1提供小腿部13相对于
大腿部11运动的动力。相应的，驱动模块1安装于大腿部11上，弹性杆10一端与驱动模块1传动连接，另一端与小腿部13传动连接。驱动模块1通过弹性杆10带动小腿部13相对大腿部11枢转时，弹性杆10发生形变。如此，由于弹性杆10具备一定的形变能力，使驱动模块1反应速度略低于人体关节速度，进而降低对驱动模块1的要求。且不一致时人体腿部可以通过弹性杆10的弹性形变使外骨骼膝关节继续活动，进而使系统与人体步态不一致时不影响人体膝关节正常活动。
22.为了使得弹性杆10具备一定的形变能力，弹性杆10上还设置有变形槽16，进而弹性杆10通过其上的变形槽16发生形变。其中，变形槽16为沿弹性杆10长度方向蛇形延伸设置的槽结构。在其它实施方式中，也可设计具有类似功能和效果的其它形式的槽结构，替代上述结构形式的变形槽16。在其它实施方式中，还可以采用具有弹性材料制作上述弹性杆10，以使其具备一定的形变能力。
23.此外，变形槽16中还设置有运动状态感测传感器。用于判别腿部所处运动状态。
24.驱动模块1包括：驱动单元和传动机构。驱动单元通过传动机构与弹性杆10传动连接，进而提供小腿部13相对于大腿部11运动的动力。
25.具体地，驱动单元可以为驱动电机，其通过电机架2固定于大腿部11的托架6上，且通过传动机构与弹性杆10的一端传动连接。电机架2通过螺丝15固定于大腿部11的托架6上。传动机构包括：凸轮3和连接组件。
26.其中，驱动模块1与凸轮3通过螺纹相连接，并能够带动凸轮3进行顺时针或者逆时针的同步枢转运动，凸轮3通过连接组件与弹性杆10的一端传动连接。从而，使得膝关节12在屈伸屈曲两个方向均能得到有效助力。
27.连接组件包括：连接块4、连接头5以及连杆8。连接块4通过t形销及顶丝与凸轮3相连接，连接块4由上盖4.1和下盖4.2组成，连接块4通过连接头5与连杆8的一端相连接，连杆8的另一端通过一弯头9与弹性杆10的一端相连接。且连接块4与连接头5通过t形销及顶丝固定，弯头9与弹性杆10通过对锁销连接、弹性杆10与小腿部13通过快拆销14连接。
28.同时，为了保证连杆8的直线运动，大腿部11上还设置有直线轴承7，直线轴与托架6螺丝固定。此时，连杆8穿过直线轴承7，并在驱动单元的带动下沿直线轴承7进行运动。
29.如图4、5所示，本实施例的膝关节弹性驱动装置工作时：驱动模块1带动凸轮3顺时针旋转，凸轮3通过连接块4提升连杆8，连杆8通过弯头9提升弹性杆10，弹性杆10提升小腿部13，小腿部13绕膝关节12逆时针旋转，实现屈曲方向助力；驱动模块1带动凸轮3逆时针旋转，凸轮3通过连接块4下压连杆8，连杆8通过弯头9下压弹性杆10，弹性杆10下压小腿部13，小腿部13绕膝关节12顺时针旋转，实现屈伸方向助力。同时，驱动模块1顺时针运动使膝关节到达限位时，膝关节12弯曲140
°
，驱动模块1逆时针运动抵达限位时，膝关节12为0
°
直立状态。其中，膝关节的限位依靠膝关节本身具有的限位结构（如限位块等）实现，如此可使得膝关节活动范围0
‑
140
°
，膝关节到达活动范围的极限后电机无法继续使机构移动。
30.基于相同的技术构思，本发明还提供一种外骨骼机器人，其包括如上所述的膝关节弹性驱动装置。
31.综上所述，本发明提供一种膝关节弹性驱动装置，其采用弹性杆，使得膝关节在屈伸屈曲两个方向均能得到有效助力，进而驱动模块可滞后于人体行动，有利于降低对驱动
电机的要求。同时，弹性杆上还可集成传感器，其使得对人体运动意图识别更为准确。
32.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
33.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。