本发明涉及一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置。
背景技术：
随着残疾患者和关节扭伤患者运动康复需求的不断增加，康复机器人、外骨骼机器人、关节训练器、步态矫正器等机器人装置不断被研发，取得了一定的康复训练效果。
机器人本体通常模仿人体下肢、关节的生理学结构，机器人关节一般被设计成单轴驱动关节，并将机器人关节与人体关节进行绑定，但是人体关节具有复杂的几何结构，并非简单的单自由度铰链机构；以膝关节为例，其矢状面运动存在滚动、滑动并存的变轴心平面，关节耦合曲面具有非恒定的旋转轴线；如果以传统的单轴电机驱动人体膝关节，会造成两者转动中心的不匹配，反而对人体膝关节造成不匹配伤害；同时，人体关节的运动是柔顺的，不同人体关节的刚度又有差异，直接将刚性机器人关节和人体关节直接绑定容易对人体关节造成刚性驱动伤害。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，包括输入部件和输出部件；
所述输入部件包括主动轴支架、盘形结构的输入轴以及球笼万向节，所述主动轴支架的一端设有用于安装输入轴的槽孔，所述输入轴通过一个轴端盖和两个平面润滑轴承安装在槽孔内、且其可相对平面润滑轴承在径向上移动，所述球笼万向节的一端通过第一联轴器与输入轴的一端传动连接，所述球笼万向节的另一端与输出部件传动连接；
所述输出部件包括呈e字形的从动轴支架、第一输出轴、第一滑动缓冲套、斜面凸轮、第二滑动缓冲套和第二输出轴，所述从动轴支架的两个侧边连接端和中部连接端均固定在主动轴支架的另一端上，所述第一输出轴的一端转动连接在从动轴支架靠近输入轴的侧边连接端上、且其通过第二联轴器与球笼万向节的另一端传动连接，所述第一滑动缓冲套花键连接在第一输出轴的另一端上并可相对第一输出轴滑动，所述斜面凸轮转动连接在从动轴支架的中部连接端上，优选地，斜面凸模通过两个平面轴承转动连接在从动轴支架上，所述第二输出轴的一端转动连接在从动轴支架远离输入轴的侧边连接端上，所述第二滑动缓冲套花键连接在第二输出轴的另一端上并可相对第二输出轴滑动，所述斜面凸轮的两端、第一滑动缓冲套靠近斜面凸轮的一端、第二滑动缓冲套靠近斜面凸轮的一端分别开设有推力斜面以及与推力斜面相对应的且平行于第一输出轴或第二输出轴的轴线方向的刚性传动面，所述斜面凸轮的两端分别与第一滑动缓冲套、第二滑动缓冲套啮合，所述斜面凸轮两端的推力斜面之间的相位夹角为180度，且方向相反，所述第一输出轴和第二输出轴均套设有力矩缓冲弹簧，所述第一输出轴上的力矩缓冲弹簧的一端抵接在第一滑动缓冲套远离斜面凸轮的一端，所述第二输出轴上的力矩缓冲弹簧的一端抵接在第二滑动缓冲套远离斜面凸轮的一端。
其中，所述输入轴的盘面上开设有润滑剂储存孔。
其中，所述第一输出轴的花键部的长度小于第一滑动缓冲套的位移长度，所述第二输出轴的花键部的长度小于第二滑动缓冲套的位移长度。
其中，所述球笼万向节包括第一节点和第二节点，所述第一节点与第二节点之间通过花键连接轴传动连接，所述第一节点和第二节点均包括内部为球面的球笼、保持器、星型套和若干传动钢球，所述星型套的一端为球面结构，所述球笼的球面、星型套的球面结构的表面均开设有钢球滚道，所述星型套的球面结构伸入球笼内，并与球笼的球面同心，若干所述传动钢球通过保持器设于球笼的球面与星型套的球面结构之间，且卡接在两者的钢球滚道内，所述花键连接轴的两端分别与第一节点的星型套的另一端、第二节点的星型套的另一端连接。
本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明设置输入部件利用两个平面润滑轴承在轴向上固定输入轴，且使得输入轴能够在径向上相对平面润滑轴承移动，从而提高输入轴传动的自适应特性，然后通过球笼万向节实现输入轴与输出部件的变轴线连接，如此使得人体关节与机器人关节的转动中心匹配；
而本发明的输出部件利用斜面凸轮与两个滑动缓冲套通过力矩缓冲弹簧实现扭矩的自适应柔性输出，且斜面凸轮两端的推力斜面之间的相位夹角为180度，使得斜面凸轮两端的刚性传动面方向也相反，从而实现正反转两个方向的扭矩柔性传递，避免对人体关节造成刚性驱动伤害。
附图说明
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的输入部件的分解示意图；
图3是本发明的输出部件的分解示意图；
附图标记说明：1-输入部件；11-主动轴支架；111-槽孔；12-输入轴；121-润滑剂储存孔；13-球笼万向节；131-第一节点；132-第二节点；133-花键连接轴；14-轴端盖；15-平面润滑轴承；
2-输出部件；21-从动轴支架；22-第一输出轴；23-第一滑动缓冲套；24-斜面凸轮；25-第二滑动缓冲套；26-第二输出轴；27-力矩缓冲弹簧；
m-推力斜面；n-刚性传动面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明，并不是把本发明的实施范围局限于此。
如图1至图3所示，本实施例所述的一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，包括输入部件1和输出部件2；
所述输入部件1包括主动轴支架11、盘形结构的输入轴12以及球笼万向节13，所述主动轴支架11的一端设有用于安装输入轴12的槽孔111，所述输入轴12通过一个轴端盖14和两个平面润滑轴承15安装在槽孔111内、且其可相对平面润滑轴承15在径向上移动，所述球笼万向节13的一端通过第一联轴器与输入轴12的一端传动连接，所述球笼万向节13的另一端与输出部件2传动连接；
所述输出部件2包括呈e字形的从动轴支架21、第一输出轴22、第一滑动缓冲套23、斜面凸轮24、第二滑动缓冲套25和第二输出轴26，所述从动轴支架21的两个侧边连接端和中部连接端均固定在主动轴支架11的另一端上，所述第一输出轴22的一端转动连接在从动轴支架21靠近输入轴12的侧边连接端上、且其通过第二联轴器与球笼万向节13的另一端传动连接，所述第一滑动缓冲套23花键连接在第一输出轴22的另一端上并可相对第一输出轴22滑动，所述斜面凸轮24转动连接在从动轴支架21的中部连接端上，所述第二输出轴26的一端转动连接在从动轴支架21远离输入轴12的侧边连接端上，所述第二滑动缓冲套25花键连接在第二输出轴26的另一端上并可相对第二输出轴26滑动，所述斜面凸轮24的两端、第一滑动缓冲套23靠近斜面凸轮24的一端、第二滑动缓冲套25靠近斜面凸轮24的一端分别开设有推力斜面m以及与推力斜面m相对应的且平行于第一输出轴22或第二输出轴26的轴线方向的刚性传动面n，所述斜面凸轮24的两端分别与第一滑动缓冲套23、第二滑动缓冲套25啮合，所述斜面凸轮24两端的推力斜面m之间的相位夹角为180度，且方向相反，所述第一输出轴22和第二输出轴26均套设有力矩缓冲弹簧27，所述第一输出轴22上的力矩缓冲弹簧27的一端抵接在第一滑动缓冲套23远离斜面凸轮24的一端，所述第二输出轴26上的力矩缓冲弹簧27的一端抵接在第二滑动缓冲套25远离斜面凸轮24的一端，以保证正反力矩输入均能实现柔性输出。
工作时，输出部件2的第二输出轴26连接外界负载（如：人体关节），输入部件1的输入轴12连接外界扭力输出机构，扭矩由输入部件1的输入轴12传入，经过球笼万向节13传递至输出部件2上，输出部件2的第一输出轴22将扭矩经由第一滑动缓冲套23传递至斜面凸轮24上，带动斜面凸轮24转动，此时斜面凸轮24的推力斜面m与第二滑动缓冲套25相互挤压，由于轴向分力的存在，当输入力矩小于输出负载时，第二滑动缓冲套25压缩力矩缓冲弹簧27，力矩被力矩缓冲弹簧27吸收，当输入力矩大于输出负载时，第二滑动缓冲套25通过第二输出轴26将力矩输出，从而带动外界负载转动；当输入轴12偏离中轴线时，通过球笼万向节13来补偿输入轴12偏移产生的位移差值。
本实施例的输入部件1利用两个平面润滑轴承15在轴向上固定输入轴12，且使得输入轴12能够在径向上相对平面润滑轴承15移动，从而提高输入轴12传动的自适应特性，然后通过球笼万向节13实现输入轴12与输出部件2的变轴线连接，如此使得人体关节与机器人关节的转动中心匹配；
而本实施例的输出部件2利用斜面凸轮24与两个滑动缓冲套通过力矩缓冲弹簧27实现扭矩的自适应柔性输出，且斜面凸轮24两端的推力斜面m之间的相位夹角为180度，使得斜面凸轮24两端的刚性传动面n方向也相反，从而实现正反转两个方向的扭矩柔性传递，避免对人体关节造成刚性驱动伤害。
本实施例的斜面凸轮24与力矩缓冲弹簧27均为轴向结构，可大大减小径向空间占用，使整体结构在径向上更为紧凑。另外，本实施例扭矩释放阀值大小，可通过调整力矩缓冲弹簧27的刚度以及斜面凸轮24的推力斜面m的倾角进行整体标定，使得整体结构更灵活，适应性更强。
如图2所示，基于上述实施例的基础上，进一步地，所述输入轴12的盘面上开设有润滑剂储存孔121，如此设置，可有效减小输入轴12的盘面在偏移滑动过程中的摩擦力。
基于上述实施例的基础上，进一步地，所述第一输出轴22的花键部的长度小于第一滑动缓冲套23的位移长度，所述第二输出轴26的花键部的长度小于第二滑动缓冲套25的位移长度。如此设置，使扭矩传递过程中可自适应在刚性与柔性状态之间切换，当外界负载较大时，滑动缓冲套的滑动超程，整个结构转化为刚性扭矩传递，保证扭矩充足，同时对弹簧进行过载保护。
基于上述实施例的基础上，进一步地，所述球笼万向节13包括第一节点131和第二节点132，所述第一节点131与第二节点132之间通过花键连接轴133传动连接，所述第一节点131和第二节点132均包括内部为球面的球笼、保持器、星型套和若干传动钢球，所述星型套的一端为球面结构，所述球笼的球面、星型套的球面结构的表面均开设有钢球滚道，所述星型套的球面结构伸入球笼内，并与球笼的球面同心，若干所述传动钢球通过保持器设于球笼的球面与星型套的球面结构之间，且卡接在两者的钢球滚道内，所述花键连接轴133的两端分别与第一节点131的星型套的另一端、第二节点132的星型套的另一端连接。如此设置，通过传动钢球嵌入在球笼和星型套的钢球滚道内，实现星型套与球笼的活动连接，通过传动钢球的卡接传递扭矩，第一节点131与第二节点132通过花键连接轴133滑动连接，在输入轴12偏离中轴线时，通过花键连接轴133的滑动来补偿第一节点131与第二节点132之间因输入轴12径向移动产生的位移差值，实现输入轴12与第一输出轴22、第二输出轴26之间的变轴线连接，保证输入轴12在任意位置均能等速、可靠传递扭矩，最大限度减小扭矩损失与传递过程中的冲击波动，更好地保护人体关节。
以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。
1.一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，其特征在于，包括输入部件（1）和输出部件（2）。
2.根据权利要求1所述的一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，其特征在于其特征在于，，包括输入部件（1）和输出部件（2）；其特征在于，
所述输入部件（1）包括主动轴支架（11）、盘形结构的输入轴（12）以及球笼万向节（13），所述主动轴支架（11）的一端设有用于安装输入轴（12）的槽孔（111），所述输入轴（12）通过一个轴端盖（14）和两个平面润滑轴承（15）安装在槽孔（111）内、且其可相对平面润滑轴承（15）在径向上移动，所述球笼万向节（13）的一端通过第一联轴器与输入轴（12）的一端传动连接，所述球笼万向节（13）的另一端与输出部件（2）传动连接；
所述输出部件（2）包括呈e字形的从动轴支架（21）、第一输出轴（22）、第一滑动缓冲套（23）、斜面凸轮（24）、第二滑动缓冲套（25）和第二输出轴（26），所述从动轴支架（21）的两个侧边连接端和中部连接端均固定在主动轴支架（11）的另一端上，所述第一输出轴（22）的一端转动连接在从动轴支架（21）靠近输入轴（12）的侧边连接端上、且其通过第二联轴器与球笼万向节（13）的另一端传动连接，所述第一滑动缓冲套（23）花键连接在第一输出轴（22）的另一端上并可相对第一输出轴（22）滑动，所述斜面凸轮（24）转动连接在从动轴支架（21）的中部连接端上，所述第二输出轴（26）的一端转动连接在从动轴支架（21）远离输入轴（12）的侧边连接端上，所述第二滑动缓冲套（25）花键连接在第二输出轴（26）的另一端上并可相对第二输出轴（26）滑动，所述斜面凸轮（24）的两端、第一滑动缓冲套（23）靠近斜面凸轮（24）的一端、第二滑动缓冲套（25）靠近斜面凸轮（24）的一端分别开设有推力斜面（m）以及与推力斜面（m）相对应的且平行于第一输出轴（22）或第二输出轴（26）的轴线方向的刚性传动面（n），所述斜面凸轮（24）的两端分别与第一滑动缓冲套（23）、第二滑动缓冲套（25）啮合，所述斜面凸轮（24）两端的推力斜面（m）之间的相位夹角为180度，且方向相反，所述第一输出轴（22）和第二输出轴（26）均套设有力矩缓冲弹簧（27），所述第一输出轴（22）上的力矩缓冲弹簧（27）的一端抵接在第一滑动缓冲套（23）远离斜面凸轮（24）的一端，所述第二输出轴（26）上的力矩缓冲弹簧（27）的一端抵接在第二滑动缓冲套（25）远离斜面凸轮（24）的一端。
3.根据权利要求1所述的一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，其特征在于，所述输入轴（12）的盘面上开设有润滑剂储存孔（121）。
4.根据权利要求1所述的一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，其特征在于，所述第一输出轴（22）的花键部的长度小于第一滑动缓冲套（23）的位移长度，所述第二输出轴（26）的花键部的长度小于第二滑动缓冲套（25）的位移长度。
5.根据权利要求1所述的一种直线式柔性变刚度自适应人工关节传动装置，其特征在于，所述球笼万向节（13）包括第一节点（131）和第二节点（132），所述第一节点（131）与第二节点（132）之间通过花键连接轴（133）传动连接，所述第一节点（131）和第二节点（132）均包括内部为球面的球笼、保持器、星型套和若干传动钢球，所述星型套的一端为球面结构，所述球笼的球面、星型套的球面结构的表面均开设有钢球滚道，所述星型套的球面结构伸入球笼内，并与球笼的球面同心，若干所述传动钢球通过保持器设于球笼的球面与星型套的球面结构之间，且卡接在两者的钢球滚道内，所述花键连接轴（133）的两端分别与第一节点（131）的星型套的另一端、第二节点（132）的星型套的另一端连接。
技术总结