一种外骨骼机器人的腿部机构的制作方法

1.本技术涉及用于下肢的器械技术领域，特别涉及一种外骨骼机器人的腿部机构。


背景技术：

2.穿戴式下肢外骨骼可以为人们的下肢提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，其融合了机械、电子、控制、传感等多种技术，是一种能在操作者的无意识控制下完成助力行走等功能的人机一体化系统，在医疗、军事等诸多领域有着广泛的应用前景。目前的穿戴式下肢外骨骼仍面临着诸多问题，例如，腿部的驱动方式：液压驱动力大，但是系统结构复杂，重量大，响应速度慢，比较适合运动速度缓慢的外骨骼系统。电机驱动效率高，控制简单可靠，响应速度快，体积小、重量轻，被广泛应用于工业机器人和外骨骼机器人行业。
3.基于电机驱动的机器人通常采用直接驱动形式，即将减速电机组件直接置于所要驱动的关节处，直接带动下游结构件摆动，如深圳市迈步机器人科技有限公司的叶晶等人撰写的专利“一种单腿外骨骼机器人及其控制方法”(申请号202110506138.9)，虽然这种方式结构简单、传动效率也高，但是由于电机具备一定的质量，且随着对输出功率要求越大，电机的质量也越大，当电机质量占腿部机构的质量比重较大时，将会极大增加整个机器人腿部机构的转动惯量，使其动力学性能下降，不利于机器人关节的快速响应和响应动作的执行，从而会降低人机之间的协调性。并且，在机器人行走时，位于髋关节的电机还需要克服膝关节的电机的重力做功，不仅降低了髋关节电机的效率，并且在髋关节电机的选型上，需要增加其输出扭矩和输出功率，也增加了系统功耗和电机采购成本。
4.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种外骨骼机器人的腿部机构，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.本技术提供了一种外骨骼机器人的腿部机构，包括：
8.第一减速电机组件、第二减速电机组件、第一驱动轮、第一从动轮、第二驱动轮、第二从动轮、大腿和小腿；
9.所述第一减速电机组件的壳体固定在外骨骼机器人的机身，所述第二减速电机组件的壳体固定在外骨骼机器人的机身；
10.所述第一驱动轮与所述第二驱动轮并列设置，并分别与髋关节转轴转动连接，其中，所述髋关节转轴转动安装于所述腿部机构的髋关节处，所述第一驱动轮与所述第二驱动轮分别安装在所述第一减速电机组件输出端和所述第二减速电机组件输出端；
11.所述第一从动轮与所述第二从动轮并列设置，且均通过膝关节转轴转动安装于所述腿部的膝关节处，所述膝关节转轴转动安装在所述腿部机构的膝关节处，所述第一从动轮和所述第二从动轮均与所述小腿固定连接；
12.所述第一减速电机组件驱动所述第一驱动轮转动，所述第一驱动轮通过第一传动绳组件驱动所述第一从动轮转动，所述第一驱动轮和所述第一从动轮的转动方向相同；
13.所述第二减速电机组件驱动所述第二驱动轮转动，所述第二驱动轮通过第二传动绳组件驱动所述第二从动轮转动，所述第二驱动轮和所述第二从动轮的转动方向相反；
14.所述第一减速电机组件与所述第二减速电机组件的输出方向同向且扭矩相同时，所述大腿绕所述髋关节转轴摆动，所述第一减速电机组件与所述第二减速电机组件的输出方向反向且扭矩相同时，所述小腿绕所述膝关节转轴摆动，所述第一减速电机组件与所述第二减速电机组件的输出方向反向/同向，且扭矩不相同时，所述大腿和所述小腿同时摆动。
15.进一步的，所述腿部机构还包括第一上辅助轮和第二上辅助轮，所述第一上辅助轮设置在所述第一驱动轮与所述第一从动轮之间，所述第二上辅助轮设置在所述第二驱动轮与所述第二从动轮之间；
16.所述第一传动绳组件以
∝
形绕于所述第一驱动轮和所述第一上辅助轮之间；
17.所述第二传动绳组件以
∝
形绕于所述第二驱动轮和所述第二上辅助轮之间。
18.进一步的，所述腿部机构还包括第一下辅助轮和第二下辅助轮；所述第一下辅助轮设置在所述第一上辅助轮与所述第一从动轮之间，所述第二下辅助轮设置在所述第二上辅助轮与所述第二从动轮之间；
19.所述第一传动绳组件以
∝
形绕于所述第一从动轮和所述第一下辅助轮之间；
20.所述第二传动绳组件以
∝
形绕于所述第二从动轮和所述第二下辅助轮之间。
21.进一步的，所述第一上辅助轮的径向尺寸小于所述第一驱动轮，所述第一下辅助轮的径向尺寸小于所述第一从动轮；
22.所述第二上辅助轮的径向尺寸小于所述第二驱动轮，所述第二下辅助轮的径向尺寸小于所述第二从动轮。
23.进一步的，所述第二传动绳组件以x形绕于所述第二上辅助轮与所述第二下辅助轮之间。
24.进一步的，所述第一传动绳组件包括两根第一传动绳，所述第一传动绳的一端设有球头，所述第一驱动轮上设有第一球头固定器，所述第一球头固定器上设有两个球头卡槽，两根所述第一传动绳的所述球头分别卡入所述第一球头固定器上的两个球头卡槽中，以在所述第一驱动轮转动时带动所述第一传动绳组件动作，所述第一传动绳的另一端均固定在所述第一从动轮上；
25.所述第二传动绳组件包括两根第二传动绳，所述第二传动绳的一端设有球头，所述第二驱动轮上设有第二球头固定器，所述第二球头固定器上设有两个球头卡槽，两根所述第二传动绳的所述球头分别卡入所述第二球头固定器上的两个球头卡槽中，以在所述第二驱动轮转动时带动所述第二传动绳组件动作，所述第二传动绳的另一端均固定在所述第二从动轮上。
26.进一步的，腿部机构还包括绳索固定组件，绳索固定组件包括绳索固定基体、绳索张紧调节螺钉和绳索头固定器，所述绳索固定基体固定在所述第一从动轮和/或所述第二从动轮上，所述绳索固定基体上设有四个螺纹孔；
27.所述绳索张紧调节螺钉的数量为四，分别螺纹连接在四个所述螺纹孔中，所述绳
索张紧调节螺钉设有轴向过绳孔，两根所述第二传动绳和两根所述第一传动绳不设置球头的一端，分别穿过对应的所述轴向过线孔，通过调整所述绳索张紧调节螺钉在所述螺纹孔中的位置，实现对应的所述第一传动绳或所述第二传动绳的张紧或放松；
28.所述第二传动绳和所述第一传动绳不设置球头的端部，与对应的所述绳索头固定器固定连接，避免对应的所述第二传动绳或所述第一传动绳从所述轴向过绳孔中脱出。
29.进一步的，所述绳索头固定器的数量为四，所述绳索头固定器包括过绳筒，所述过绳筒具有过绳孔，所述过绳筒配设有紧定螺钉，以固定所述过绳孔中对应的所述第二传动绳或所述第一传动绳。
30.进一步的，所述第一减速电机组件和/或第二减速电机组件的壳体上设有大腿摆动限位件，所述大腿摆动限位件在所述大腿摆动至极限位置时，对所述大腿进行挡止。
31.进一步的，所述第一从动轮和/或第二从动轮上设有小腿摆动限位件，所述小腿摆动限位件在所述小腿摆动至极限位置时，对所述小腿进行挡止。
32.与最接近的现有技术相比，本技术实施例的技术方案具有如下有益效果：
33.1)本发明的一种外骨骼机器人的腿部机构的差动驱动方式具有力矩分配优点，即通过动力学特性可以得到绕髋关节和膝关节的最大摆动力矩均为第一减速电机组件与第二减速电机组件的力矩之和。而直接驱动的方式，单个关节上的最大摆动力矩仅为对应电机的输出力矩，没有力矩叠加功能。对于行走来说，髋关节和膝关节所需扭矩并非时刻处于最大值，其处于周期性变化之中。若使用直驱方式，则每个电机均需要满足各关节上的最大扭矩需求，所需电机扭矩和功率较大，重量也较重。本发明具有力矩分配功能，通过简单的控制各电机的输出扭矩即可达到对髋关节和膝关节的力矩分配。使第一减速电机组件、第二减速电机组件的输出动力相互补偿，共同驱动大腿与小腿的运动，即以能够以较小的输出力矩驱动较大的负载。对比直驱技术，选取较小扭矩的电机就可以实现驱动大负载的功能，无需选用扭矩和功率较大的电机，有利于减轻机器人重量，降低系统功耗和提升机器人动力学性能。在相同负载情况下，可以选用较小的输出扭矩和输出功率的电机就可实现负载的驱动，不仅可以充分发挥电机性能，使系统具有较好的过载能力。
34.2)髋关节处的第一减速电机组件、第二减速电机组件互相独立运行，扭矩通过传动绳组传递至大腿或小腿上，该传动方式可以在较长距离内传递大扭矩，其传动效率较多级齿轮传动效率高，并且结构简单，重量轻，可以提高动力系统效率，降低系统功耗。
35.3)第一减速电机组件、第二减速电机组件位于髋关节处，在膝关节处无电机，由于其膝关节处无电机，有效的降低腿部的机构冗余可使髋关节以下的肢体结构转动惯量最小，所以膝关节处质量将降低，对髋关节屈曲/伸展旋转运动来说，可以较大程度减小了髋关节以下转动惯量，可以最大限度的提高机器人动力学性能，使机器人的运动更加平稳，提高机器人的控制精度，对快速行走时的动力学特性有较好的提升作用，使其在快速运动时具有更好的响应性和人机协调性。
36.由于膝关节处无电机，避免了第一减速电机组件为了克服膝关节处电机重力而做的无用功，增加了电机效率，降低了系统功耗。还可以降低第一减速电机组件的输出力矩，使第一减速电机组件可以采用更小的尺寸，或者，相同尺寸的第一减速电机组件更有利于机器人的腿部运动。
附图说明
37.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：
38.图1为根据本技术的具体实施例提供的一种外骨骼机器人的腿部机构的结构示意图；
39.图2为图1中绳传动系统中各部件的配合示意图；
40.图3为图1中髋关节处的结构示意图；
41.图4为图1中膝关节处的结构示意图；
42.图5为图1中第一驱动轮、第一传动绳组件和第一球头固定器的爆炸图；
43.图6为图1中膝关节处的爆炸图。
44.附图标记说明：1、第一减速电机组件，2、第二减速电机组件，3、双减速器组件，4、大腿，5、小腿，6、髋关节转轴，7、膝关节转轴，8、第一驱动轮，9、第二驱动轮，10、第一从动轮，11、第二从动轮，12、第一上辅助轮，13、第二上辅助轮，14、第一下辅助轮，15、第二下辅助轮，16、第一传动绳组件，17、第二传动绳组件，18、第一球头固定器，19、绳索固定基体，20、绳索张紧调节螺钉，21、绳索头固定器，22、大腿摆动限位件，23、小腿摆动限位件；24、大腿连接件。
具体实施方式
45.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
46.在本技术的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术而不是要求本技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。本技术中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
47.如图1-图6所示，一种外骨骼机器人的腿部机构，包括第一减速电机组件1、第二减速电机组件2、第一驱动轮8、第一从动轮10、第二驱动轮9、第二从动轮11、大腿4、小腿5、第一传动绳组件16、第二传动绳组件17、绳索固定组件、第一上辅助轮12、第二上辅助轮13、第一下辅助轮14和第二下辅助轮15。大腿连接件24通过轴承安装于髋关节转轴6上，大腿连接件24通过螺纹紧固件与大腿4上部固定连接。第一从动轮10、第二从动轮11分别与小腿5的上端通过紧固件连接固定。
48.第一减速电机组件1的壳体、第二减速电机组件2的壳体均固定在外骨骼机器人的机身，第一减速电机组件1、第二减速电机组件2采用对顶安装的方式。具体的，双减速器组件3的两侧分别集成了两个相同的减速器装置，两个电机通过螺纹销钉固定于双减速器组
件3两侧，第一减速电机组件1由一个电机和同侧的减速器装置形成，第二减速电机组件2由另一个的电机和另一个减速器装置形成。
49.第一驱动轮8与第二驱动轮9并列设置，并分别与髋关节转轴6转动连接，其中，髋关节转轴6转动安装于腿部机构的髋关节处。第一上辅助轮12的径向尺寸小于第一驱动轮8，第二上辅助轮13的径向尺寸小于第二驱动轮9。第一上辅助轮12设置在第一驱动轮8与第一从动轮10之间，第二上辅助轮13设置在第二驱动轮9与第二从动轮11之间。第一传动绳组件16以
∝
形绕于第一驱动轮8和第一上辅助轮12之间，第二传动绳组件17以
∝
形绕于第二驱动轮9和第二上辅助轮13之间。
50.第一从动轮10与第二从动轮11并列设置，且均通过膝关节转轴7转动安装于腿部机构的膝关节处，膝关节转轴7转动安装在腿部机构的膝关节处，第一从动轮10和第二从动轮11均与小腿5固定连接。第一下辅助轮14的径向尺寸小于第一从动轮10；第二下辅助轮15的径向尺寸小于第二从动轮11。第一下辅助轮14设置在第一上辅助轮12与第一从动轮10之间，第二下辅助轮15设置在第二上辅助轮13与第二从动轮11之间。第一传动绳组件16以
∝
形绕于第一从动轮10和第一下辅助轮14之间；第二传动绳组件17以
∝
形绕于第二从动轮11和第二下辅助轮15之间。
51.第一传动绳组件16以两根绳平行的形式，绕于第一上辅助轮12与第一下辅助轮14之间，使第一驱动轮8和第一从动轮10的转动方向相反。第二传动绳组件17以x形绕于第二上辅助轮13与第二下辅助轮15之间，使第二驱动轮9和第二从动轮11转动方向相反。其他实施例中，可以使第一驱动轮8与第一从动轮10的转动方向相反；而第二驱动轮9和第二从动轮11的传动方向相同。
52.第一上辅助轮12、第一下辅助轮14、第二上辅助轮13、第二下辅助轮15分别通过配设的轴与轴承转动安装在大腿4上。第一上辅助轮12、第二上辅助轮13、第一下辅助轮14和第二下辅助轮15的主要作用是减小第一传动绳组件16和第二传动绳组件17在传动时的尺寸，减小第一传动绳组件16和第二传动绳组件17被外界杂物干涉的概率。
53.第一传动绳组件16包括两根第一传动绳，第一传动绳的一端设有球头，第一驱动轮8上设有第一球头固定器18，第一球头固定器18上设有两个球头卡槽，两根第一传动绳的球头分别卡入第一球头固定器18上的两个球头卡槽中，以在第一驱动轮8转动时带动第一传动绳组件16动作，第一传动绳的另一端均固定在第一从动轮10上。
54.第二传动绳组件17包括两根第二传动绳，第二传动绳的一端设有球头，第二驱动轮9上设有第二球头固定器，第二球头固定器与第一球头固定器18的结构和功能类似：第二球头固定器上设有两个球头卡槽，两根第二传动绳的球头分别卡入第二球头固定器上的两个球头卡槽中，以在第二驱动轮9转动时带动第二传动绳组件17动作，第二传动绳的另一端均固定在第二从动轮11上。
55.第一球头固定器18上的两处球头卡槽共同由一个通孔形成，通孔的孔壁上设有出绳槽，供对应的第一传动绳穿出。第二球头固定器的结构与第一球头固定器18的结构相同，不再赘述。
56.第一传动绳与第一从动轮10的固定、第二传动绳与第二从动轮11的固定，均依靠绳索固定组件。绳索固定组件包括绳索固定基体19、绳索张紧调节螺钉20和绳索头固定器21，绳索固定基体19固定在第一从动轮10和/或第二从动轮11上(本实施例中，绳索固定基
体19的两端分别固定在第一从动轮10和第二从动轮11上)，绳索固定基体19上设有四个螺纹孔。绳索张紧调节螺钉20的数量为四，分别螺纹连接在四个螺纹孔中，绳索张紧调节螺钉20设有轴向过绳孔，两根第二传动绳和两根第一传动绳不设置球头的一端，分别穿过对应的轴向过线孔。第二传动绳和第一传动绳不设置球头的端部，与对应的绳索头固定器21固定连接，避免对应的第二传动绳或第一传动绳从轴向过绳孔中脱出，具体的：绳索头固定器21的数量为四，绳索头固定器21包括过绳筒，过绳筒具有过绳孔，过绳筒配设有紧定螺钉，以固定过绳孔中对应的第二传动绳或第一传动绳。
57.第一减速电机组件1驱动第一驱动轮8转动，第一驱动轮8通过第一传动绳组件16驱动第一从动轮10转动，第一驱动轮8和第一从动轮10的转动方向相同。第二减速电机组件2驱动第二驱动轮9转动，第二驱动轮9通过第二传动绳组件17驱动第二从动轮11转动，第二驱动轮9和第二从动轮11的转动方向相反。
58.第一减速电机组件1与第二减速电机组件2的输出方向同向且扭矩相同时，大腿4绕髋关节转轴6摆动，第一减速电机组件1与第二减速电机组件2的输出方向反向且扭矩相同时，小腿5绕膝关节转轴7摆动，第一减速电机组件1与第二减速电机组件2的输出方向反向/同向，且扭矩不相同时，大腿4和小腿5同时摆动。通过对第一减速电机组件1、第二减速电机组件2的输出扭矩和转向的控制，控制大腿4与小腿5的摆动方向和摆动速度。大腿4与小腿5的不同的摆动组合成腿部运动后，能够实现腿部运动时的动力补偿，有效降低第一减速电机组件1、第二减速电机组件2的输出力矩。
59.第一减速电机组件1的壳体和/或第二减速电机组件2的壳体上设有大腿摆动限位件22，大腿摆动限位件22在大腿4摆动至极限位置时，对大腿4进行挡止。大腿摆动限位件22由弹性体和金属部分构成，金属用于可靠地固定在对应的第一减速电机组件1或第二减速电机组件2的壳体上，弹性体用于在与大腿4接触时起缓冲作用。
60.第一从动轮10和/或第二从动轮11上设有小腿摆动限位件23，小腿摆动限位件23在小腿5摆动至极限位置时，对小腿5进行挡止。小腿摆动限位件23由弹性体和金属部分构成，金属用于可靠地固定在对应的第一从动轮10或第二从动轮11上，弹性体用于在与小腿5接触时起缓冲作用。
61.第一驱动轮8和第二驱动轮9的外周面均有两条引导槽，并且其引导槽在轴向间距相同，用于在对应的第一传动绳组件16和第二传动绳组件17传动时限制其在对应的第一驱动轮8或第二驱动轮9上轴向的位置。第一从动轮10、第二从动轮11的外周面均有两条引导槽，在对应的第一驱动轮8或第二驱动轮9传动时限制其在对应的第一从动轮10或第二从动轮11轴向的位置，第一从动轮10的引导槽和第二从动轮11引导槽之间的间距，与第一驱动轮8上的引导槽和第二驱动轮9上的引导槽之间的间距相同。
62.以上仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。