一种变阻尼柔顺驱动的外骨骼关节的制作方法

1.本发明属于机械关节单元技术领域，具体涉及一种变阻尼柔顺驱动的外骨骼关节。


背景技术：

2.外骨骼的关节主要为穿戴者的关节运动提供动力，传统的外骨骼关节大多采用电机和减速器串联后与执行部分直接连接的方案，使得外骨骼关节刚性大，限制了穿戴者的灵活性和舒适度；也有采用串联弹性驱动器进行驱动的方案，此种方案可以较好地减少机器人碰撞时产生的冲击影响，但是串联弹性驱动器的刚度是固定的，无法适应不同的工况，并且加入的弹性元件将不可避免地带来振动，控制精度低的问题。现有的通过添加阻尼来减少串联弹性驱动器缺点的方案，无法快速改变阻尼大小，耗能大，无法实现连续调节，阻尼的控制精度低；另外，目前的外骨骼关节的平均功率过大，整体耗能较大。


技术实现要素：

3.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种变阻尼柔顺驱动的外骨骼关节，使得机构能够实现柔顺驱动，并可以抵抗外界的冲击，从而提高外骨骼的穿戴舒适性。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种变阻尼柔顺驱动的外骨骼关节，包括曲柄滑块串联弹性驱动器1、外骨骼关节外壳2和磁流变阻尼器3；
6.所述外骨骼关节外壳2内部放置两个关节滚动轴承8，用于支撑曲柄滑块串联弹性驱动器1中的关节中心转动体22，通过关节间连接件9连接其它杆件或者关节，将弹性元件10分别与外骨骼关节外壳2与关节中心转动体22相连，将磁流变阻尼器3中的磁流变阻尼器连接块一42与外骨骼关节外壳2相连，将磁流变阻尼器3中的磁流变阻尼器连接块二51与关节中心转动体22相连接，所述曲柄滑块串联弹性驱动器1、磁流变阻尼器3和弹性元件10三者之间的并联。
7.所述关节中心转动体22中心为中空结构，用于放置磁流变阻尼器3，并在端面有4个弧状凸台，在承载轴承的同时，为磁流变阻尼器连接块二51提供轴向周向限位和连接孔，另外，在端面开设了阵列的孔洞，连接关节间连接件9、曲柄23，圆周阵列的孔洞用于调节曲柄23和关节中心转动体22的相对位置，从而调整关节输出角度的范围。
8.所述磁流变阻尼器连接块一42与外骨骼关节外壳2连接，采用花型结构，为了减轻整体的重量，也可以采用其它的形状，另外，磁流变阻尼器连接块一42起到端盖的作用，对芯轴39进行了限位。
9.所述磁流变阻尼器连接块二51端面有4个凸台，用于与关节中心转动体22的4个弧状凸台相对应，从而实现周向和轴向限位，整体的花型结构只是为了减轻重量，也可以采用其它的形状，其中心开设的4个周向孔洞，用于与芯轴39进行连接，中心的孔洞是为了线圈更好的导出。
10.所述外骨骼关节外壳2分为上下两部分，通过铜柱4、壳体支撑板一5、壳体支撑板二6、壳体支撑板三7连接上下两个外骨骼关节外壳2。
11.所述曲柄滑块串联弹性驱动器1包括编码器11，编码器11与电机13连接，电机13放于电机座12上，并通过电机固定座14与导轨底座30相连接，电机13的电机轴与小同步带轮15连接，小同步带轮15与大同步带轮17通过同步带16进行传动，大同步带轮17与丝杠24相连接，丝杠24上连接有弹性滑块26，在丝杠24两端有丝杠端法兰挡边轴承25进行支撑，丝杠端法兰挡边轴承25嵌入丝杠两端挡块18中，丝杠两端挡块18又与外骨骼关节外壳2相连接，实现了丝杠24与外骨骼关节外壳2的固定连接。
12.所述弹性滑块26与弹性滑块底座27相连接，进一步与弹性滑块连接件28相连接，弹性滑块连接件28能够在导轨29上滑动，导轨 29又与导轨底座30相连接，导轨底座30与外骨骼关节外壳2相连接，所述导轨底座30顶部设置有电机座12和电机固定座14。
13.所述弹性滑块26包括滑块36，滑块36与丝杠24连接，四根滑块处光轴35穿过滑块36并接于滑块前后端连接块38上，在滑块处光轴35连接滑块处弹性元件34，滑块左右端连接块37与滑块前后端连接块38连接，滑块左右端连接块37上安装曲柄23，再在曲柄 23中安装滑块端法兰挡边轴承33，通过螺栓31和垫片32进行固定。
14.所述弹性滑块26与曲柄23相连接，通过螺栓31进行两者间的固定，滑块端法兰挡边轴承33对弹性滑块26进行支撑，曲柄23与关节中心转动体22相连接，关节中心转动体22又与编码器输出端齿轮20相啮合，编码器输出端齿轮20与编码器21相连接，并通过编码器连接件19与外骨骼关节外壳2相连接。
15.所述磁流变阻尼器3包括芯轴39，芯轴39与磁流变阻尼器连接块一42的中心孔同轴心，并通过输入端轴承61进行支撑，芯轴39 与磁流变阻尼器连接块一42之间有密封圈一41进行密封，磁流变阻尼器连接块一42与磁流变阻尼器外壳45之间有密封垫片60进行密封，芯轴39上缠有线圈57，通过隔套58将磁流变液48与线圈57分隔开，并通过密封圈二56进行密封，然后通过侧板43对隔套58进行轴向定位。磁流变阻尼器外壳45和隔套58上分别有4个槽，分别对输入端圆盘46，输出端圆盘47进行周向固定，然后再分别通过外端垫片44和内端垫片49进行轴向固定，最终实现输入端圆盘46和输出端圆盘47交替出现，形成蛇形回路。
16.所述外端垫片44和内端垫片49的长度都可以进行调整，以便适应不同的工作条件，芯轴39输出端与磁流变阻尼器外端法兰50同轴心，通过磁流变阻尼器输出端轴承53进行支撑，并通过密封垫片60 和密封圈一41进行密封，实现芯轴39与磁流变阻尼器连接块二51 连接，磁流变阻尼器连接块二51又与关节中心转动体22连接，输入端圆盘46与磁流变阻尼器连接块一42连接，进一步与外骨骼关节外壳2连接。
17.所述磁流变阻尼器外壳45内壁设置有4个导流槽和4个花键槽，四个花键槽等间距设置，相对设置的一组花键槽两侧设置导流槽，所述导流槽用于使磁流变液更好的注入，花键槽用于实现对输入端圆盘46的周向固定。
18.所述芯轴39采用中空的结构，使得线圈的导出更方便，线圈处采用圆弧结构使得磁场分布更均匀，进而使得蛇形回路处的磁场强度更高。
19.所述输入端圆盘46为环形结构，环形结构外侧设置有四个凸起，所述凸起等间距设置，凸起的外侧边大于与环形结构接触端，输出端圆盘47为环形结构，环形结构内侧设置有四个凸起，所述凸起等间距设置，凸起的内侧边大于与环形结构接触端。
20.本发明的有益效果：
21.本发明设计了一个紧凑精巧的变阻尼柔顺驱动外骨骼关节。所采用的曲柄滑块驱动的串联弹性驱动器在传动链中拥有弹性元件，使得机构能够实现柔顺驱动，并可以抵抗外界的冲击，从而提高外骨骼的穿戴舒适性。而且，通过在传动链中加入弹性元件，在受到冲击时，弹性元件压缩，存储能量，在冲击力消散后，释放存储的能量，从而减少系统的能耗。另外，在关节转动体处有齿形结构，与编码器啮合，从而实现对关节角度变化的测量，再通过电机处的编码器测得电机的转动角度，最终通过俩个编码器的差值，可以精确的计算出输出力的大小，便于实现外骨骼力控，为外骨骼的柔顺控制和人机随动控制打下基础。
22.采用并联的磁流变阻尼器提供阻尼，减少振动，与传统的阻尼产生方式相比，其产生的阻尼范围更大，阻尼的产生与中断速度更快，消耗的能量更少，这是与磁流变液本身的高响应性和低耗能性有关的。所设计的磁流变阻尼器采用蛇形回路，扩大了磁流变液的有效接触面积，能够产生更大的阻力矩。另外，在外壳处设计了导流槽，使得磁流变液的注入更为轻松。所设计的用垫片隔离输入板输出板的方式使得输入板与输出板之间的间隙可调，可以通过调整垫片的厚度进一步调整间隙的大小，从而可以根据需要改变阻力矩的最大值。所设计的独特的线圈引出方式，使得磁流变阻尼器整体的密封性能更好。
23.采用并联的磁流变阻尼器提供阻力矩，能够实现关节在任意角度的锁死，从而更好的实现负载的传递。
24.采用与传动链并联的扭簧实现重力补偿，降低平均功率，减少能量消耗，减振、使输出力更为平缓并抵抗外界冲击。以其作为髋关节为例，当大腿处于竖直状态时，扭簧给大腿提供向上抬升的力矩，当大腿已经抬起时，扭簧给大腿提供反向的扭矩。整个过程扭簧起到平衡大腿重力的功能，这样可以使外骨骼关节在运动时平均功率降低，从而在整个过程中降低能耗。另外，磁流变阻尼器与扭簧并联，相当于形成了动力吸振器，可以起到很好的减振效果，也可以使输出力更为平缓，提高穿戴的舒适性。
附图说明
25.图1是本发明变阻尼柔顺驱动关节的整体结构。
26.图2是变阻尼柔顺驱动关节的整体结构爆炸图。
27.图3是曲柄滑块串联弹性驱动部件结构图。
28.图4是磁流变阻尼器剖视图。
29.图5是磁流变阻尼器爆炸图。
30.图6是弹性滑块爆炸图。
31.图7是磁流变阻尼器外壳。
32.图8为芯轴结构示意图。
33.图9为输入端圆盘、输出端圆盘结构示意图。
34.附图标记：1曲柄滑块串联弹性驱动器，2外骨骼关节外壳，3磁流变阻尼器，4铜柱，5壳体支撑板一，6壳体支撑板二，7壳体支撑板三，8关节滚动轴承，9关节间连接件，10弹性元件，11编码器， 12电机座，13电机，14电机固定座，15小同步带轮，16同步带，17 大同步带轮，18丝杠两端挡块，19编码器连接件，20编码器输出端齿轮，21编码器，22关节中心转动体，23曲柄，24丝杠，25丝杆端法兰挡边轴承，26弹性滑块，27弹性滑块底座，28弹性滑块连
接件， 29导轨，30导轨底座，31螺栓，32垫片，33滑块端法兰挡边轴承， 34滑块处弹性元件，35滑块处光轴，36滑块，37滑块左右端连接块， 38滑块前后端连接块，39芯轴，40挡圈一，41密封圈一，42磁流变阻尼器连接块一，43侧板，44外端垫片，45磁流变阻尼器外壳，46 输入端圆盘，47输出端圆盘，48磁流变液，49内端垫片，50磁流变阻尼器外端法兰，51磁流变阻尼器连接块二，52挡圈二，53磁流变阻尼器输出端轴承，54挡圈三，55挡圈四，56密封圈二，57线圈， 58隔套，59挡圈五，60密封垫片，61输入端轴承。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
36.如图1所示：本发明专利针对变阻尼柔顺驱动外骨骼关节进行设计，外骨骼关节是外骨骼最为重要的一部分。变阻尼柔顺驱动关节单元的整体结构如图1所示。主要包含曲柄滑块串联弹性驱动器1、外骨骼关节外壳2和磁流变阻尼器3三个部分。在图2变阻尼柔顺驱动关节的整体结构爆炸图中，看到各个零件之间的相互关系：整个关节单元以外骨骼关节外壳2为固定基础，以铜柱4、壳体支撑板一5、壳体支撑板二6、壳体支撑板三7连接上下两个外骨骼关节外壳2，将两个关节滚动轴承8放入外骨骼关节外壳2中，用于支撑曲柄滑块串联弹性驱动器1中的关节中心转动体22，通过关节间连接件9连接其它杆件或者关节，将弹性元件10分别与外骨骼关节外壳2与关节中心转动体22相连，将磁流变阻尼器3中的磁流变阻尼器连接块一42与外骨骼关节外壳2相连，将磁流变阻尼器3中的磁流变阻尼器连接块二与关节中心转动体22相连接。最终，实现了曲柄滑块串联弹性驱动器1、磁流变阻尼器3和弹性元件10三者之间的并联。
37.在图3曲柄滑块串联弹性驱动器1结构图可以看到各个零件之间的连接关系：编码器11与电机13连接，电机13放于电机座12，并通过电机固定座14与导轨底座30相连接，电机13的电机轴与小同步带轮15连接，小同步带轮15与大同步带轮17通过同步带16进行传动，大同步带轮17与丝杠24相连接，丝杠24上连接有弹性滑块26，在丝杠24两端有丝杠端法兰挡边轴承25进行支撑，丝杠端法兰挡边轴承25嵌入丝杠两端挡块18中，丝杠两端挡块18又与外骨骼关节外壳2相连接，最终实现了丝杠与外骨骼关节外壳2的固定连接，弹性滑块26与弹性滑块底座27相连接，进一步与弹性滑块连接件28相连接，弹性滑块连接件28能够在导轨29上滑动，导轨29 又与导轨底座30相连接，导轨底座与外骨骼关节外壳2相连接。弹性滑块26与曲柄23相连接，通过螺栓31进行两者间的固定，滑块端法兰挡边轴承33对弹性滑块26进行支撑，曲柄23与关节中心转动体22相连接，关节中心转动体22又与编码器输出端齿轮20相啮合，编码器输出端齿轮20与编码器21相连接，并通过编码器连接件 19与外骨骼关节外壳2相连接。整个传动过程为电机13带动小同步带轮15旋转，通过同步带16进一步带动大同步带轮17旋转，从而带动与大同步带轮17相连接的丝杠24，丝杠24旋转时，会驱使弹性滑块26中的滑块36移动，滑块36通过套在滑块处光轴35上的滑块处弹性元件34推动滑块前后端连接块38，进一步带动滑块左右端连接块37运动，再进一步带动曲柄23移动，最终，使得关节中心转动体22转动。
38.如图4为磁流变阻尼器3剖视图，芯轴39与磁流变阻尼器连接块一42的中心孔同轴心，并通过输入端轴承61进行支撑，芯轴39 与磁流变阻尼器连接块一42之间有密封圈一41进行密封，磁流变阻尼器连接块一42与磁流变阻尼器外壳45之间有密封垫片60进行密封。
芯轴39上缠有线圈57，通过隔套58将磁流变液48与线圈57分隔开，并通过密封圈二56进行密封，然后通过侧板43对隔套58进行轴向定位。磁流变阻尼器外壳45和隔套58上分别有4个槽，可以分别对输入端圆盘46，输出端圆盘47进行周向固定，然后再分别通过外端垫片44和内端垫片49进行轴向固定，最终实现输入端圆盘46和输出端圆盘47交替出现，形成蛇形回路，增大作用面积的效果。外端垫片44和内端垫片49的长度都可以进行调整，以便适应不同的工作条件。之后，芯轴39输出端与磁流变阻尼器外端法兰50同轴心，通过磁流变阻尼器输出端轴承53进行支撑，并通过密封垫片60 和密封圈一41进行密封。最终，实现芯轴39与磁流变阻尼器连接块二51连接，磁流变阻尼器连接块二51又与关节中心转动体22连接，输入端圆盘46与磁流变阻尼器连接块一42连接，进一步与外骨骼关节外壳2连接，这样，当给线圈57通电时，形成磁场回路，在输入端圆盘46与输出端圆盘47之间的磁流变液48在磁场作用下由牛顿流体变为宾汉流体，最终在外骨骼关节产生阻尼。
39.如图6为弹性滑块26爆炸图，滑块36与丝杠24连接，四根滑块处光轴35穿过滑块36并接于滑块前后端连接块38上，在滑块处光轴35连接滑块处弹性元件34，滑块左右端连接块37与滑块前后端连接块38连接，滑块左右端连接块37上安装曲柄23，再在曲柄 23中安装滑块端法兰挡边轴承33，通过螺栓31和垫片32进行固定。
40.如图7为磁流变阻尼器外壳45，其内部有4个导流槽和4个花键槽，其中导流槽的设置是为了磁流变液更好的注入，花键槽是为了实现对输入端圆盘46的周向固定。
41.如图8为芯轴39，为了避免磁场在转角处集中，线圈处采用圆弧结构使得磁场分布更均匀，进而使得蛇形回路处的磁场强度更高，增大磁流变阻尼器所能产生的阻力矩。另外，芯轴采用中空的结构，使得线圈的导出更方便，密封性更好。
42.如图9分别为输入端圆盘46，输出端圆盘47。它们都采用了特殊的形状，输入端圆盘46、外端垫片44能够在磁流变阻尼器外壳45 中实现周向定位。外端垫片44、内端垫片49能够在隔套58中实现周向定位。
43.此发明设计了一款变阻尼柔顺驱动外骨骼关节，使得外骨骼能够柔顺性运动；能够提供可变阻尼，减少振动，增加穿戴者的舒适性；能够在任意角度锁死关节，从而使得关节能够更好的传导负载；通过在传动链中并联弹性元件，进行了重力补偿，降低了电机的平均功耗，使得续航能力增强。
44.本发明的工作原理：
45.串联弹性驱动器是一种柔顺驱动器，通过在传动链中加入弹性元件，可以缓和落地时地面接触对机体的冲击，并通过对能量的存储和释放降低系统的能量耗损。本发明在传动链中加入了滑块处弹性元件 34，在遭受外界冲击时，滑块处弹性元件34压缩，存储能量并缓冲外界的冲击，当冲击力消除后，滑块处弹性元件34通过弹性力恢复原状并释放能量，以此降低了系统的能量损耗。另外，本发明通过设置编码器21，可以检测关节中心转动体22的转动角度，再通过电机后的编码器11检测电机的转动角度变化，得到两者的差值，最终可以得到人机交互力的大小，将人机交互力反馈给电机，控制输出力矩的大小，减少人机交互力，最终实现柔顺驱动。
46.磁流变液是一种新型智能材料，在无磁场场作用时，磁流变液具有良好的流动性，而在强磁场作用下，磁流变液可在毫秒级时间内连续、可逆地转变为具有高黏度、低流动性的宾汉流体,从而使其表面黏度增加两个数量级以上,呈现类似固体的力学特性。磁流变阻
尼器是以磁流变液作为工作介质的阻尼器，本专利中，通过给线圈57通电，产生磁场，芯轴39、侧板43、输入端圆盘46、输出端圆盘47为导磁材料，形成磁场回路，使磁力线垂直穿过输入端圆盘46和输出端圆盘47，输入端圆盘46和输出端圆盘47之间的磁流变液48在磁场作用下延磁场方向分布，并从低黏度、高流动性的流体转换成高黏度、低流动性的宾汉流体，从而在输入端圆盘46和输出端圆盘47之间产生阻尼，输入端圆盘46和输出端圆盘47又分别与磁流变阻尼器外壳 45和芯轴39相连接，磁流变阻尼器外壳45和芯轴39分别与关节中心转动体22和外骨骼关节外壳2连接，最终在关节中心转动体22和外骨骼关节外壳2之间产生阻尼，通过控制输入到线圈57中的电流大小，可以改变线圈57产生的磁场大小，进一步改变关节阻尼的大小，从而形成变阻尼的关节，实现阻尼可变后，能够应对更复杂的环境，减少振动。另外，当关节需要传递负载时，可以使磁流变阻尼器的阻尼达到最大，从而达到锁死关节的目的，更好的传递负载。
47.重力补偿是通过弹性元件使系统的重力势能和弹性势能的总和保持不变。在本专利中，以髋关节为例，当大腿处于竖直状态时，扭簧给大腿提供向上抬升的力矩，当大腿已经抬起时，扭簧给大腿提供反向的扭矩，这符合人体在行走过程中的运动规律，即在摆动相的前期，需要给大腿提供向上抬升的力矩，在摆动相末期，需要给大腿提供向后的阻力矩，减缓大腿的运动速度，这样可以使外骨骼关节在运动时平均功率降低，从而在整个过程中降低能耗。
48.动力吸振器是指利用共振系统吸收物体的振动能量以减小物体振动的设备。其原理是在振动物体上附加质量弹簧共振系统，这种附加系统在共振时产生的反作用力可使振动物体的振动减小。在本技术中，串联弹性驱动器、磁流变阻尼器、扭簧三者并联，形成了动力吸振器，从而可以应对更为复杂的环境，减少振动，提高外骨骼的舒适性。