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专利号: 2020113995672
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 手动工具;轻便机动工具;手动器械的手柄;车间设备;机械手
更新日期:2024-10-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.下肢外骨骼机器人,由连接架和两个下肢外骨骼组成,其特征在于:所述的下肢外骨骼主要由髋关节、膝关节和踝关节组成;所述的髋关节包括髋关节连接杆、圆锥滚子轴承、髋关节谐波减速器、髋关节伺服电机、髋关节轴、髋关节转动架和弹性体;所述的髋关节轴通过圆锥滚子轴承支承在髋关节连接杆上,一端与髋关节谐波减速器的输出端固定,另一端与髋关节转动架固定;所述髋关节谐波减速器的输入端与髋关节伺服电机的输出轴固定;髋关节谐波减速器的座体与圆锥滚子轴承的外圈固定;髋关节伺服电机的座体与髋关节谐波减速器的座体固定;所述的弹性体与髋关节转动架固定;所述的髋关节连接杆上设有髋关节弯曲行程开关和髋关节伸展行程开关,髋关节伺服电机的输出轴上还连接有编码器;两个下肢外骨骼中髋关节的髋关节连接杆与连接架两端分别固定;

所述的膝关节包括大腿支撑件、膝关节谐波减速器、膝关节伺服电机、主动轴、主动带轮、同步带、从动轴和从动带轮;所述大腿支撑件的顶部与弹性体固定;所述的主动轴与大腿支撑件构成转动副,并与膝关节谐波减速器的输出端固定;所述膝关节谐波减速器的输入端与膝关节伺服电机的输出轴固定;膝关节谐波减速器的座体与大腿支撑件固定;膝关节伺服电机的座体与膝关节谐波减速器的座体固定;主动带轮固定在主动轴上,并与固定在从动轴上的从动带轮通过同步带连接;从动轴与大腿支撑件底部构成转动副;大腿支撑件上设有膝关节弯曲行程开关和膝关节伸展行程开关,膝关节伺服电机的输出轴上还连接有编码器;

所述的踝关节包括小腿支撑件、踝关节轴、弹簧组件和脚底板;所述的小腿支撑件顶部与从动轴固定;所述的踝关节轴与小腿支撑件底部构成转动副;所述脚底板的后端与踝关节轴固定,中部与小腿支撑件通过平行设置的两个弹簧组件连接;所述的弹簧组件由滑杆、弹簧和滑套组成;滑杆一端与小腿支撑件铰接,另一端与滑套一端构成滑动副;滑套另一端与脚底板铰接;

所述的膝关节伺服电机和髋关节伺服电机均由控制器控制,髋关节弯曲行程开关、髋关节伸展行程开关、膝关节弯曲行程开关、膝关节伸展行程开关和两个编码器的信号输出端均与控制器连接;

其中,弹性体的尺寸设计过程具体如下:

将弹性体的弯曲角度设计为-45°~45°,扭转角度设计为-30°~30°,设定a为弹性体的宽度,b为弹性体的厚度,c为弹性体的高度,q为侧方作用在弹性体上的均布载荷,根据材料力学公式建立弹性体的最大线位移Ymax表达式:式中,E为弹性体材料的弹性模量,截面惯性矩I表达式如下:

又由于弹性体弯曲角度为45°时,弹性体两端的直线距离小于或等于c,则有:Ymax≤csin45°                (3)

由外部作用力M1建立如下等式:

其中,m为膝关节、踝关节、人体腿部和人体足部的质量和,g为重力加速度,L1为膝关节和踝关节的质心到弹性体顶端的距离;

联立式(1)、(2)、(3)和(4),得

3mgL1c≤Eab3sin45°            (5)

由于扭转角度最大值设计为π/6,则根据材料力学扭转角度 公式建立下列不等式:其中,G为弹性体材料的剪切模量,T为弹性体扭转时受到的扭矩,设计最大可承受扭矩为700N·cm;

选定弹性体宽度a和厚度b的具体值,分别代入式(5)和式(6),得弹性体的高度c的取值范围;

其中,踝关节中两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度之比设计如下:

地面对后部下肢外骨骼中脚底板前端的扭矩TH表达式如下:

TH=FJLJcosδ             (7)

其中,FJ为地面对后部下肢外骨骼中脚底板前端的反作用力,FJ=1.2m0g,m0为人体体重,δ为经过后部下肢外骨骼的脚底板前端以及髋关节轴中心轴线的面与经过髋关节轴中心轴线的竖直面之间的夹角,LJ为脚底板的长度;

为使力矩保持平衡,后部下肢外骨骼中两个弹簧组件也提供扭矩ksα,且有如下关系式:TH=ksα           (8)其中,ks为两个弹簧的等效弹性系数,ks=2k,k为一个弹簧的弹性系数;α为经过后部下肢外骨骼的脚底板后端以及髋关节轴中心轴线的面与经过髋关节轴中心轴线的竖直面之间的夹角,α在13~15°中取值;

又根据FJ做功的力系平衡,得:

则得:

其中,v为行走速度,v在1.1~1.25m/s中取值,LT为髋关节轴与从动轴的中心距和从动轴与踝关节轴的中心距之和;

联立式(7)、式(8)和式(10),得:

当人的行走速度v不变时,视为δ=0,脚底板离地角度β=α,则得

则两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度LJ之比为

其中

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人,其特征在于:所述的踝关节轴通过圆锥滚子轴承支承在小腿支撑件底部,踝关节轴两端均设有轴承闷盖;所述的轴承闷盖与小腿支撑件固定,并对支承踝关节轴的圆锥滚子轴承轴向定位。

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