一种机械外骨骼的驱动结构以及控制系统

技术领域

本发明涉及机械外骨骼技术领域，具体为一种机械外骨骼的驱动结构以及控制系统。

背景技术

机械外骨骼使穿戴在人体关节位置的，辅助四肢运动的设备，一般分为有动力源和无动力源两个类型，一般无源的外骨骼多为支撑型，将外部负载直接传递到地面，减轻人体负担，其应用范围较为局限，有源型外骨骼通过动力源驱动，主动帮助关节运动，除负重搬运外，还可用于身体复健、残障人士辅助义肢，其应用更为广泛。

一般来说，外骨骼的动力源通常为电力驱动的，而外骨骼的助力触发一般是通过传感器感应肌肉状态，进而触发启动，此过程中并不区分载荷大小，在实际使用时，随着人体的动作，会频繁地触发启动，使电源快速的消耗，而为了平衡能源产生的负载，电池的电量上限有限，续航时间有限，制约了实际使用。

其次，除了运动意外，在许多时候，需要对维持动作进行辅助支撑，而在维持运动时，其驱动结构仅仅输出力矩而不输出转速，因此，通常采用扭力电机，而扭力电机的成本远高于普通电机，提高了整体成本。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种机械外骨骼的驱动结构以及控制系统的技术方案，具有耗能小、成本低等优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种机械外骨骼的驱动结构，包括壳体、驱动电机和输出轴，所述壳体内部设有行星轮变速器，所述行星轮变速器包括齿盘、行星齿架和太阳轮，所述行星轮变速器通过上离合盘与发条传动连接，所述行星轮变速器的另一端通过下离合盘和输出齿轮与输出轴传动连接，所述上离合盘和下离合盘均与控制器连接，且在控制器的作用下，上离合盘和下离合盘可选择地与齿盘、行星齿架和太阳轮中任一个传动连接，所述壳体的内壁设有可限制齿盘转动的齿轮固定件，所述太阳轮连接有穿越过输出齿轮和下离合盘的连接轴，所述壳体的底部设有可限制连接轴转动的太阳轮固定件，所述太阳轮固定件和齿轮固定件与控制器连接，且在控制器的控制下触发限定，所述太阳轮固定件和连接轴在控制器的作用下分别对齿盘和行星齿架进行限制，所述驱动电机与发条传动连接。

优选的，所述上离合盘包括三阶的第一移动盘，所述第一移动盘通过空心的第一连通轴与发条固定连接，所述第一连通轴连通有气压罐，所述第一移动盘的每一个阶梯面上设有可由气压驱动的第一摩擦盘，所述第一摩擦盘的气压腔通过第一电子阀连通第一连通轴或大气，所述齿盘、行星齿架和太阳轮上部设有与第一移动盘阶梯面匹配的第一传动盘，且第一传动盘呈与第一移动盘对应的阶梯分布，所述下离合盘包括二阶的第二移动盘，所述第二移动盘固定连接有第二连通管，所述第二连通管套设于连接轴的外壁，所述第二连通管内设有空腔，所述第二连通管通过气体滑环与气压罐连通，所述第二移动盘的每一个阶梯面上设有可由气压驱动的第二摩擦盘，所述第二摩擦盘的气压腔通过第二电子阀连通第二连通管或大气，所述齿盘、行星齿架和太阳轮下部设有与第二移动盘阶梯面匹配的第二传动盘，且第二动盘呈与第一移动盘对应的阶梯分布。

优选的，所述驱动电机与气压罐传动连接，所述壳体的侧面设有传动轴，所述传动轴穿过壳体的侧壁与齿盘传动连接，所述传动轴通过锥齿轮与驱动电机的输出轴传动连接。

优选的，所述驱动电机上的锥齿轮的齿条铰接设置，且铰接轴设有扭簧使其处于收缩状态，所述驱动电机设置有两种速度值，且在较高速度值下可将齿条甩出与传动轴啮合。

用于操作上述机械外骨骼的驱动结构的一种机械外骨骼的驱动结构的控制系统，包括负载传感器、控制器和检测输出轴角速度的传感器，其控制程序至少包括：所述控制器根据负载大小，选择适当的输入和输出的传动比；

优选的，其控制程序还包括包括：

所述发条到输出轴的传动比由低到高逐步升档；

检测所述输出轴的角速度，并根据角速度的变化率确定是升高或降低传动比。

本发明具备以下有益效果：

1、该机械外骨骼的驱动结构以及控制系统，一方面，更具人体动作的特征，当其顺着重力运动时，此时通过蓄能为动作提供支持，反之，则通过发条释放能量为动作提高支持，此过程中，减少了对能源的依赖，大幅降低耗能，提高持续使用时长，另一方面，根据负荷调整传动比，保证最佳的助力输出，增加助力的有效性，进一步减少耗能。

2、该机械外骨骼的驱动结构以及控制系统，通过发条为助力提供能力支持，保证其可以在不输出转速的前提下输出力矩，因此，电机可使用普通电机，减少使用成本，并且，由于传动比可调，蓄能时可选择扭力较小的电机，进一步降低对电机的选择要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中上离合盘的结构示意图；

图3为本发明中下离合盘的结构示意图；

图4为本发明结构驱动电机输出轴上锥形齿轮的示意图。

图中：1、壳体；2、驱动电机；3、输出轴；4、行星轮变速器；41、齿盘；42、行星轮架；43、太阳齿；5、上离合盘；51、第一移动盘；52、第一电子阀；53、第一摩擦盘；54、第一连通轴；6、发条；7、下离合盘；71、第二移动盘；72、第二连通管；73、第二电子阀；74、第二摩擦盘；8、输出齿轮；9、齿轮固定件；10、太阳轮固定件；11、连接轴；12、气压罐；13、传动轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种机械外骨骼的驱动结构，包括壳体1、驱动电机2和输出轴3，壳体1内部设有行星轮变速器4，行星轮变速器4包括齿盘41、行星齿架42和太阳轮43，行星轮变速器4通过上离合盘5与发条6传动连接，行星轮变速器4的另一端通过下离合盘7和输出齿轮8与输出轴3传动连接，上离合盘5和下离合盘7均与控制器连接，且在控制器的作用下，上离合盘5和下离合盘7可选择地与齿盘41、行星齿架42和太阳轮43中任一个传动连接，通过上离合盘5使发条6可与齿盘41、行星齿架42和太阳轮43中任一个传动连接，通过输出齿轮8，输出轴3可与行星齿架42或齿盘41传动连接，通过发条6、输出轴3与行星轮变速器4的传动组合，实现不同的减速比传动，进而控制实际的动力输出或反向蓄能，壳体1的内壁设有可限制齿盘41转动的齿轮固定件9，太阳轮43连接有穿越过输出齿轮8和下离合盘7的连接轴11，壳体1的底部设有可限制连接轴11转动的太阳轮固定件10，太阳轮固定件10和齿轮固定件9与控制器连接，且在控制器的控制下触发限定，太阳轮固定件10和连接轴11在控制器的作用下分别对齿盘41和行星齿架42进行限制，驱动电机2与发条6传动连接。

请参阅图2和图3，其中，上离合盘5包括三阶的第一移动盘51，第一移动盘51通过空心的第一连通轴54与发条6固定连接，第一连通轴54连通有气压罐12，第一移动盘51的每一个阶梯面上设有可由气压驱动的第一摩擦盘53，第一摩擦盘53连接有弹簧，在正常压力下处于缩回状态，第一摩擦盘53的气压腔通过第一电子阀52连通第一连通轴54或大气，通过对第一电子阀52的控制，使第一摩擦盘53处于伸出或缩回，齿盘41、行星齿架42和太阳轮43上部设有与第一移动盘51阶梯面匹配的第一传动盘，且第一传动盘呈与第一移动盘51对应的阶梯分布，通过第一传动盘进行传动，下离合盘7包括二阶的第二移动盘71，第二移动盘71固定连接有第二连通管72，第二连通管72套设于连接轴11的外壁，第二连通管72内设有空腔，第二连通管72通过气体滑环与气压罐12连通，第二移动盘71的每一个阶梯面上设有可由气压驱动的第二摩擦盘74，第二摩擦盘74连接有弹簧，在正常压力下处于缩回状态，第二摩擦盘74的气压腔通过第二电子阀73连通第二连通管72或大气，通过对第二电子阀73的控制，使第二摩擦盘74处于伸出或缩回，齿盘41、行星齿架42和太阳轮43下部设有与第二移动盘71阶梯面匹配的第二传动盘，且第二动盘呈与第一移动盘51对应的阶梯分布，通过第二传动盘进行传动。

其中，驱动电机2与气压罐12传动连接，壳体1的侧面设有传动轴13，传动轴13穿过壳体1的侧壁与齿盘41传动连接，壳体1的侧壁设有对应的弧形开口，传动轴13通过锥齿轮与驱动电机2的输出轴传动连接，驱动电机2通过传动轴13驱动齿盘41，进而带动发条6转动蓄能，使发条6始终处于较佳蓄能状态，发条6上设有扭力传感器，监控蓄能状态。

请参阅图4，其中，驱动电机2上的锥齿轮的齿条铰接设置，且铰接轴设有扭簧使其处于收缩状态，驱动电机2设置有两种速度值，且在较高速度值下可将齿条甩出与传动轴13啮合，使其控制较为简单。

用于操作上述机械外骨骼的驱动结构的一种机械外骨骼的驱动结构的控制系统，包括负载传感器、控制器和检测输出轴3角速度的传感器，为了提高传感器灵敏度，可通过检测预期啮合的小齿轮角速度，负载传感器可以为压力传感器或根据肌肉情况计算负载系统，均为现有技术；其控制程序至少包括：

控制器根据负载大小，选择适当的输入和输出的传动比，具体地通过限制齿盘41和太阳轮43地转动，并选择传动的齿轮实现，包括太阳轮43到行星齿架42、齿盘41到行星齿架42和行星齿架42到齿盘41三种传动；

发条6到输出轴3的传动比由低到高逐步升档；在无法获取负载信息时，通过负载逐步升档获得最佳的传动比；

检测输出轴3的角速度，并根据角速度的变化率确定是升高或降低传动比；若角速度变化率瞬间变小，则降档，反之则升档。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。