一种可穿戴式变刚度绳驱动系统

1.本发明涉及骨骼系统的动力驱动技术领域，具体涉及一种可穿戴式变刚度绳驱动系统。


背景技术：

2.传统的高减速比高刚度的驱动关节在外骨骼领域中应用非常受限，不能满足和人体柔顺交互的需求；且大重量的关节会增加人体腿部惯性，使得运动控制变得复杂。
3.现阶段存在的绳驱动方案通常为单向驱动方式，只能完成屈或伸单向的运动驱动，且驱动绳存在易脱落的情况。另一方面，目前存在一些串联弹性驱动器可以降低驱动关节的刚度，但是恒定刚度的弹性驱动器不能根据人体不同的运动模式调节到最适合的刚度参数。


技术实现要素：

4.为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种可穿戴式变刚度绳驱动系统，通过穿戴的方式背负在人体的背部或腰部，动力由机构中的钢丝绳输出，具有便于穿戴且交互舒适的特点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种可穿戴式变刚度绳驱动系统，包括在驱动机构基板1设置的变刚度绳驱动系统和变刚度弹性机构，所述变刚度绳驱动系统中包括驱动电机2，所述驱动电机2为绳驱动系统提供动力，所述绳驱动系统中单个驱动关节包含且屈钢丝绳8、伸钢丝绳11和驱动轮9，驱动轮9表面包括屈钢丝绳固定孔29和伸钢丝绳固定孔30，驱动轮9侧面设置有屈钢丝绳线槽32和伸钢丝绳线槽31，屈钢丝绳8上的屈钢丝绳固定块27设置在屈钢丝绳固定孔29中，屈钢丝绳8依次缠绕在屈钢丝绳线槽32中和引导滑轮14中，穿过屈套索引导块6被套在屈套索管7中，作为关节屈曲动力输出，伸钢丝绳11上的伸钢丝绳固定块28设置在伸钢丝绳固定孔30中，伸钢丝绳11依次缠绕在驱动轮9的伸钢丝绳线槽31中和另一个引导滑轮14中，穿过伸套索引导块13被套在伸套索管12中，作为关节伸展动力输出。
7.所述变刚度绳驱动系统包括安装在驱动机构基板1上的驱动轮9和驱动主轴21，所述驱动轮9和驱动主轴21同轴固定，驱动轮9和大锥齿轮10同轴固定，驱动主轴21的下端通过底座轴承22安装在驱动机构基板1上，驱动主轴21的上端通过压板轴承23安装轴承压盖5，轴承压盖5的两端分别通过屈套索引导块6和伸套索引导块13固定在驱动机构基板1上，大锥齿轮10和小锥齿轮4啮合，小锥齿轮4连接驱动电机2的输出轴，在驱动电机2轴向的左右两侧，分别排布着一个变刚度弹性机构。
8.所述变刚度弹性机构包括刚度调节电机19，刚度调节电机19的输出轴同轴固定调节丝杆24的一端，调节丝杆24的另一端安装在限位支座33上，限位支座33固定在驱动机构基板1上，调节丝杆24与两条调节导轨20平行，调节导轨20分布在调节丝杆24两侧，调节丝杆24上设置螺母滑动块16，螺母滑动块16通过滑块直线轴承26安装在调节导轨20上，螺母
滑动块16的另一侧，两个平行的弹簧滑动轴25通过两个滑块直线轴承26安装在螺母滑动块16上。
9.所述弹簧滑动轴25的一端分别与滑轮固定块15和引导滑轮14分别连接；弹簧滑动轴25的另一端穿过调节弹簧17并与光轴固定块18连接在一起。
10.所述刚度调节电机19通过刚度调节电机支座34固定在驱动机构基板1上，所述两条调节导轨20的两端分别与刚度调节电机支座34和限位支座33固定在一起。
11.所述屈钢丝绳8和伸钢丝绳11通过驱动电机2控制运动输出。
12.本发明的有益效果：
13.本发明中单个驱动电机可以同时驱动目标关节的两个运动方向。
14.本发明中中加入了可变刚度的弹性机构，一方面可以防止绳索从驱动轮上脱落；另一方面，可以实时调节刚度参数，增强助力效率和人体舒适感。
附图说明
15.图1变刚度绳驱动系统穿戴方案示意图。
16.图2变刚度绳驱动系统整体方案示意图。
17.图3变刚度绳驱动系统底部结构示意图。
18.图4变刚度绳驱动系统核心机构示意图。
19.图5绳驱动绕线轮示意图。
20.图6变刚度弹性机构示意图。
21.图7驱动绳缠绕方式示意图。
22.本发明整体包含：
23.001变刚度绳驱动系统，002人体关节锚点(这里以踝关节为例)。
24.001变刚度绳驱动系统，包含：
25.1驱动机构基板，2驱动电机，3驱动电机座，4小锥齿轮，5轴承压盖，6屈套索引导块，7屈套索管，8屈钢丝绳，9驱动轮，10大锥齿轮，11伸钢丝绳，12伸套索管，13伸套索引导块，14引导滑轮，15滑轮固定块，16螺母滑动块，17调节弹簧，18光轴固定块，19刚度调节电机，20调节导轨，21驱动主轴，22底座轴承，23压板轴承，24调节丝杆，25弹簧滑动轴，26滑块直线轴承，27屈钢丝绳固定块，28伸钢丝绳固定块，29屈钢丝绳固定孔，30伸钢丝绳固定孔，31伸钢丝绳线槽，32屈钢丝绳线槽，33限位支座，34刚度调节电机支座。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
27.本发明旨在提出一种新型的外骨骼套索驱动机构，可以穿戴在人体的腰背部，动力通过柔软的套索传递至作用关节。人体的穿戴方案如图1所示，001是变刚度绳驱动系统，通过绑带和腰带固定在人体的腰背部；动力机构通过套索(包含钢丝绳和钢丝软管)传递动力至人体关节锚点002，这里的锚点设置以踝关节为例。拉动两个锚点分别对应踝关节的屈伸两个自由度。
28.如图2、图3所示，变刚度绳驱动系统001包含两个驱动单元，每个驱动单元可以驱动一个关节的屈伸运动，这里以单个驱动单元(左侧)为例详细介绍。
29.在变刚度绳驱动系统中，所有的驱动机构依托在驱动机构基板1上，驱动轮9和驱动主轴21同轴固定，大锥齿轮10和驱动轮9同轴固定，驱动主轴21的下端通过底座轴承22安装在驱动机构基板1上。轴承压盖5通过压板轴承23安装在驱动主轴21的上端，且轴承压盖5的两端分别通过屈套索引导块6和伸套索引导块13固定在驱动机构基板1上。驱动电机2通过驱动电机座3固定在驱动机构基板1上。小锥齿轮4和驱动电机2的输出轴连接并且与大锥齿轮10配合传动。在驱动电机2轴向的左右两侧，分别排布着一个变刚度弹性机构，如图6所示。刚度调节电机19通过刚度调节电机支座34固定在驱动机构基板1上。调节丝杆24的一端与刚度调节电机19的输出轴同轴固定，调节丝杆24的另一端安装在限位支座33上，限位支座33固定在驱动机构基板1上。两条调节导轨20与调节丝杆24平行，且分布在调节丝杆24的两侧，两条调节导轨20的两端分别与刚度调节电机支座34和限位支座33固定在一起。螺母滑动块16装配在调节丝杆24上，且通过滑块直线轴承26安装在调节导轨20上。在螺母滑动块16的另一侧，存在两个平行的弹簧滑动轴25通过两个滑块直线轴承26安装在螺母滑动块16上。弹簧滑动轴25的一端分别与滑轮固定块15和引导滑轮14分别连接；弹簧滑动轴25的另一端穿过调节弹簧17并与光轴固定块18连接在一起。当拉动滑轮固定块15时，弹簧滑动轴25可在螺母滑动块16中滑动，则调节弹簧17会被压缩。通过控制刚度调节电机19的运动，可以调节螺母滑动块16的位置(即，调节弹簧17的压缩起点)，即可改变调节弹簧17的压缩程度。
30.在绳驱动系统中，单个驱动关节包含两条动力输出绳，如图7所示。如图5所示，驱动轮9包含两个绳索固定孔：屈钢丝绳固定孔29和伸钢丝绳固定孔30，且分别对应屈钢丝绳线槽32和伸钢丝绳线槽31。
31.屈钢丝绳8上的屈钢丝绳固定块27在驱动轮9上的屈钢丝绳固定孔29中，且屈钢丝绳8依次缠绕在驱动轮9上的屈钢丝绳线槽32中和引导滑轮14中，穿过屈套索引导块6，并被套在屈套索管7中，作为关节屈曲动力输出。伸钢丝绳11上的伸钢丝绳固定块28固定在驱动轮9上的伸钢丝绳固定孔30中。且伸钢丝绳11依次缠绕在驱动轮9的伸钢丝绳线槽31中和另一个引导滑轮14中，穿过伸套索引导块13，并被套在伸套索管12中，作为关节伸展动力输出。
32.通过控制驱动电机2的正反转运动，即可控制屈钢丝绳8和伸钢丝绳11的运动输出。在整个传动链路中，调节弹簧17的存在使得系统的刚性降低。通过控制刚度调节电机19，一方面，可调节绳索的张紧程度，防止屈钢丝绳8和伸钢丝绳11从屈钢丝绳线槽32和伸钢丝绳线槽31中脱落；另一方面，可以调节屈钢丝绳8和伸钢丝绳11的输出刚度，可根据不同的运动场景和运动相位实时调节驱动刚度，能够增强外骨骼驱动的柔顺性和穿戴者的舒适性。
33.本发明单个驱动电机可以同时驱动目标关节的两个运动方向。传统链路中加入了可变刚度的弹性机构，一方面可以防止绳索从驱动轮上脱落；另一方面，可以实时调节刚度参数，增强助力效率和人体舒适感。
34.该机构体积紧凑，可以通过穿戴的方式背负在人体的背部或腰部。动力由机构中的钢丝绳输出，可以直接在人体需要驱动的关节处安装锚点。本发明具有便于穿戴且交互舒适的特点。
35.单电机 双向驱动轮，即可完成单个关节的两个驱动方向；传动链路中串联了可以
改变弹簧初始状态的直线调节机构，用于改变外骨骼和人体之间交互的刚度参数，增强人体舒适性；并且能够实时调节驱动绳的预紧程度，防止驱动绳从滑轮中脱落，增加驱动方案的稳定性。
36.在紧凑的空间内，单个驱动轮可以同时输出两个方向的套索拉力。
37.在绳驱动的路径中，串联了可变刚度的弹性体，可以实时调节弹性体的预紧力：一方面，可以实现刚度参数调节，精准输出和外界的交互力；另一方面，保证在驱动过程套索绳处于张进状态，避免从驱动轮中脱落下来。
38.本发明包含了左右两个驱动单元，每个驱动单元能够一个关节的屈伸双向运动。电机横置经过锥齿轮组将运动传递至驱动轮，减小了驱动机构的尺寸。在钢丝绳经过的一个滑轮上，添加了直线弹簧组，当驱动系统的绳索与外界存在力的交互时，弹簧组的形变量即代表着人机交互力的大小和方向。这种在链路中引入弹性体的方案能够大大降低驱动机构的刚度，起到增强人体舒适性的目的。同时，弹簧组的初始位置能够通过直线电机调节，这样即可调节钢丝绳的预紧力和动力系统的输出刚度，一方面可以防止绳索从驱动轮上脱落，增强系统驱动的稳定性。另一方面，可以实时调节刚度参数，增强助力效率和人体舒适感。
39.整套驱动系统体积小巧，穿戴者将此系统通过绑带绑在腰背部，并将绳索驱动端通过套索传动方式直接引至目标关节，在人体关节处增加可穿戴的锚点固定绳索输出端，即可形成一套轻便的外骨骼系统。特别涉及外骨骼系统的动力驱动部分，结合绳驱动和变刚度驱动为一体，可用于轻便方案中、精准输出交互力。