一种用于柔性外骨骼系统的驱动单元机构的制作方法

本发明涉及单兵协同作业外骨骼系统技术领域，尤其涉及一种用于柔性外骨骼系统的驱动单元机构。

背景技术：

随着现代科技的飞速发展，武器装备水平逐渐成为现代战争胜利的重要保证。作战部队规模小、作战消耗高成为现代战争的基本特征。由于单兵装备要求越来越高，单兵负荷也随之增大，过重的单兵负荷成为影响执行任务成败的重要因素。随着材料、能源动力、自动控制、环境感知、人工智能等方面的技术进步，能够提升单兵携行能力又不妨碍动作敏捷性的外骨骼系统受到广泛的关注。外骨骼系统是一种穿戴在单兵身体上的伴随式智能装备，通过人机协调同步运动，为单兵提供承重及运动助力，提升其搬移托举能力、承载携行能力及快速机动能力。

近年来，由于柔性外骨骼具有重量轻、响应速度快、穿脱方便、穿戴舒适、便于携带等优点而备受青睐。通过同步“跟随”人体运动，辅助单兵承重助力及负重机动，有效提升单兵的搬移托举能力、承载携行能力和快速机动能力，在后装物资装填搬移保障、物资伴随支援保障、边防巡逻保障等领域具有广泛的军事需求。

在外骨骼系统中驱动单元为实现跟随动力输出的关键结构，要求该结构具有结构简单、体积小、质量轻和驱动方便等方面的优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单紧凑、体积小巧、设计科学合理的用于柔性外骨骼系统的驱动单元机构。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种用于柔性外骨骼系统的驱动单元机构，其特征在于：包括基座，在基座的上端固定安装有保护壳，在保护壳内设置有驱动电机和卷轴，所述驱动电机安装在电机固定板上，电机固定板的下端与基座固定连接，所述卷轴两端分别通过轴承支撑在电机固定板上和卷轴支撑架上，卷轴支撑架的下端与基座固定连接，驱动电机的动力输出端和卷轴的动力输入端分别安装有一传动齿轮，两传动齿轮相啮合，在卷轴上缠绕安装有柔性驱动带，柔性驱动带的内端与卷轴固定连接，柔性驱动带的外端穿经保护壳正前方侧壁上设置的驱动带走线孔，并与穿戴者大腿前侧连接；

在保护壳的上端固定安装有电路板外罩，在电路板外罩内设置有控制电路板，所述控制电路板通过多个铜柱支撑于保护壳的顶部上方，并通过穿经铜柱的紧定螺钉与保护壳固定连接，所述电路板用于采集人体运动数据并处理，并发出控制指令，实现对驱动电机的启停控制；

在保护壳的右侧安装有开关，用于控制驱动单元的启停；

所述基座、电机固定板、卷轴支撑架由轻质合金材料制成；保护壳、电路板外罩由高强度工程塑料制成。

进一步的：在保护壳的正前方侧壁外对应于驱动带走线孔的位置设置有驱动带限位板，驱动带限位板通过位于两端的螺钉固定在保护壳的正前方侧壁上，在驱动带限位板上设置有驱动带限位导槽。

进一步的：所述基座为平板结构，材料选用7075铝合金，在基座上开有两个减重方孔。

进一步的：所述保护壳的顶壁上制有4个用于安装电路板的螺纹孔和4个用于安装电路板外罩的螺纹孔；保护壳的右侧壁上方位置制有开关安装孔，在开关安装孔的下方制有两个圆形走线孔，用于为驱动单元供电及传感器信号传输；保护壳正前方侧壁上制有方孔，为柔性驱动带的走线孔；在保护壳的顶壁上还制有多个椭圆形散热孔和驱动电机与电路板之间的走线孔。

进一步的：所述卷轴由驱动带安装缠绕段、位于驱动带安装缠绕段两侧的圆形挡板、分别位于两侧圆形挡板外侧的支撑轴段及位于一端支撑段外侧的传动齿轮安装段构成。

进一步的：所述电机固定板由立板和与立板的下端部连接的两个地脚构成，材料选用7075铝合金；在立板制有驱动电机安装孔和卷轴安装孔，在两个地脚上各设置有螺钉穿装孔，通过安装在两个螺钉穿装孔的螺钉，使电机与基座上端垂直固定连接。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明将驱动的执行部分驱动电机、转轴、驱动带等零部件集中安装在保护壳内，而将电路板安装在位于上方的电路板外罩内，整体结构布置紧凑、体积小，便于走线和连接，设计科学合理。

2、本发明中的壳罩及起到支撑作用的部件均采用轻质合金材料，使驱动单元具有质量轻的优点，便于携带，减轻负担。

3、本发明中的保护壳的顶壁上设置多个散热孔，并在基座上设置两个大面积的减重孔，一方面减轻了重量，另一方面达到了较好的散热效果，保证了驱动单元中的电器件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的立体分解图；

图4是本发明基座的结构示意图；

图5是本发明保护壳的立体结构示意图；

图6是本发明卷轴的结构示意图；

图7是本发明电机固定板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种用于柔性外骨骼系统的驱动单元机构，请参见图1-7，主要包括基座1、保护壳2、电路板外罩10、驱动电机18、卷轴4、电机固定板6、卷轴支撑架20、两个相啮合的传动齿轮3(可采用直齿轮)、控制电路板8和开关11。

其中，基座：用于固定保护壳、电机固定板及卷轴支撑架，并为驱动单元机构提供保护；保护壳：为驱动单元机构提供保护支撑，并在其上安装固定控制电路板；电路板外罩：用于保护电路板；驱动电机：为卷轴的转动提供动力；卷轴：安装于电机固定板与卷轴支撑架之间，其上可缠绕安装柔性驱动带，用于髋关节助力；两个传动齿轮：用于驱动电机与卷轴之间的动力传递；电机固定板：用于安装驱动电机及卷轴；卷轴支撑架：用于支撑卷轴；控制电路板：采集人体运动数据并处理，发出控制指令，在相应的时刻为人体助力；开关：用于控制驱动单元的启停。

所述保护壳通过螺钉紧固件12固定安装在基座上端，电路板外罩通过螺钉紧固件19固定安装在保护壳的上方。所述驱动电机和卷轴设置于保护壳内部，驱动电机通过螺钉紧固件17固定支撑在电机固定板上，卷轴的两端通过轴承5分别支撑在电机固定板上和卷轴支撑架上；电机固定板的下端通过螺栓紧固件与基座固定连接，卷轴支撑架的下端通过螺栓紧固件14与基座固定连接；两传动齿轮分别安装在驱动电机的动力输出端和卷轴的动力输入端，可通过平键或花键风方式连接，并设置径向螺钉紧固件16，实现固定。

所述控制电路板设置于电路板外罩内，所述控制电路板通过多个铜柱7支撑于保护壳的顶部上方，并通过穿经铜柱的紧定螺钉9与保护壳固定连接。

除上述主要特征外，还包括驱动带限位板15，通过位于两端的螺钉紧固件13固定在保护壳正前方外侧，并与保护壳上的驱动带走线孔对正，在驱动带限位板上制有驱动带限位导槽，用于限制驱动带的偏移，防止因人体的剧烈运动使驱动带卷入卷轴与电机固定板和卷轴支撑的缝隙之间。

上述基座、电机固定板、卷轴支撑架、均由轻质合金材料制成，保护壳、电路板外罩由高强度工程塑料制成。零部件之间的具体连接请参见图1-3。

基座、保护壳、卷轴及电机固定板的优选结构如下：

1、基座

基座主要用于安装固定保护壳、电机固定板、卷轴支撑，亦作为底板对驱动单元内部的运动模块进行保护。材料选用7075铝合金，其上开有长64mm，宽分别为36mm和48mm的减重方孔1.1。

2、保护壳

保护壳主要对驱动单元内部的直齿轮、卷轴、电机等零部件起保护作用。其顶壁上开有4个m2的螺纹孔2.1和4个m3的螺纹孔2.2，分别用于安装电路板和电路板外罩；右侧壁上方直径为20mm的圆孔为开关安装孔2.6，其下方直径为8mm的两个圆孔为走线孔2.7。正前方侧壁开有长51mm宽40mm的方孔，为柔性驱动带的走线孔2.3，在该孔的两侧有两个m2的螺纹孔，用于安装驱动带导向板，为驱动带限位。保护壳顶壁上的12个椭圆形开孔为散热孔2.4，长64mm宽20mm的孔为驱动电机与电路板之间的走线孔2.5。

3、卷轴

卷轴为柔性外骨骼系统驱动单元的动力输出装置，左侧传动齿轮安装段4.1用于安装传动齿轮，通过左右两侧直径8mm长4.5mm的支撑轴段4.2固定于电机固定板与卷轴支撑之间。卷轴两侧直径为36mm的圆形挡板4.3之间为驱动带安装缠绕段4.4，用于安装柔性驱动带并通过螺钉固定。卷轴的转动动力由驱动电机通过齿轮进行传递，在人体运动中，卷轴卷动柔性驱动带对大腿前摆进行助力。

4、电机固定板

电机固定板用于安装固定驱动电机与卷轴，其左侧直径为15mm的孔6.1安装驱动电机，右侧直径为16mm的孔6.2安装卷轴，下侧两地脚上设置有螺栓孔6.3，通过螺栓固定于基座，材料为7075铝合金。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

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