CN110539329A - 一种外骨骼机器人关节模组 - Google Patents

Abstract

本申请的目的在于提供一种多功能高度集成模块化外骨骼机器人关节模组，其相对于现有技术更安全(具备三层安全防护结构)、运行更稳定(对减速机组件进行了改进)、更方便维修(重新设计位置编码器的安装结构)，其包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器；以满足人们需要更为轻便、更为集成、更为智能、更为安全的机器人的需求。

Description

一种外骨骼机器人关节模组

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体是一种外骨骼机器人关节模组。

背景技术

机器人诞生至今，已经在民用、医疗、工业等方面广泛应用在各个领域，如车辆装配、机械零部件加工、表面打磨、服务医疗和军工装备等行业都是机器人热点行业。尤其在医疗方面，鉴于我国人口老年化趋势明显，同时也有相当数量的伤残人士。他们的行动能力受到了极大限制，外骨骼系统无疑可以解决这个问题，其能发挥机械能量动力的优势，辅助人类完成自身无法完成的任务，为人类提供了身体支撑、保护、助力，但是时代的发展使得人们的生产、生活、医疗等需求日益新颖，传统机器人无论在结构、控制和智能化方面都无法满足这些要求，人们需要更为轻便、更为集成、更为智能的机器人，并要求机器人能够安全的与人协作。

另外，一般的电机装的编码器，一旦编码器损坏，维修需要拆电机的整个壳，不仅维修困难，而且会对电机造成二次伤害。

发明内容

基于上述目的，本申请的目的在于提供一种多功能高度集成模块化外骨骼机器人关节模组，其相对于现有技术更安全(具备三层安全防护结构)、运行更稳定(对减速机组件进行了改进)、更方便维修(重新设计位置编码器的安装结构)。

本申请采用的技术方案如下：一种外骨骼机器人关节模组，包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器；

所述外部结构连接模块包括关节连接件一固定座和关节连接件二固定座；

所述减速机组件包括主轴、一级太阳轮、一级行星轮、一级行星架、二级太阳轮、二级行星轮、二级行星架、双级内齿圈、交叉滚子轴承、深沟球轴承、法兰端盖、轴承端盖、滚针轴承，所述一级太阳轮与所述主轴一体式设置，所述一级太阳轮与所述一级行星轮传动连接，所述一级行星轮与双级内齿圈的第一内齿轮传动连接，所述一级行星轮通过一级定位销定位在所述一级行星架上，所述一级行星架中间设有容纳二级太阳轮并通过内齿与二级太阳轮传动连接的圆孔，所述二级太阳轮容有间隙的套设在主轴上，且所述二级太阳轮伸出一级行星架圆孔的部分与所述二级行星轮传动连接，所述二级行星轮与双级内齿圈的第二内齿轮传动连接，且二级行星轮通过二级定位销固定在二级行星架上，所述二级行星架外周侧形成台阶面并套设交叉滚子轴承，所述二级行星架的侧面螺栓连接轴承端盖，所述轴承端盖将所述交叉滚子轴承限位在二级行星架外周侧，所述主轴的一端通过滚针轴承插接在二级行星架内部，所述主轴的另一端插设于法兰端盖内部，所述法兰端盖外周侧形成台阶面并套设深沟球轴承，所述法兰端盖和所述轴承端盖将行星轮结构限定在双级内齿圈内部空间中；

所述一级行星轮优选设置为三个，所述二级行星轮优选设置为五个；

所述交叉滚子轴承与双级内齿圈之间设有第一密封圈，所述深沟球轴承与双级内齿圈之间设有第二密封圈，如此可使电机及减速机结构防水，降低故障率；

所述电机组件包括转子、磁钢、铁芯，铁芯位于磁钢内且磁钢位于转子内部，三者同轴设置，所述减速机组件设置于铁芯内部，所述减速机组件的双级内齿圈与铁芯之间设有限位销，用以防止双级内齿圈与铁芯之间相对转动，所述法兰端盖外侧设有第二轴承端盖，所述第二轴承端盖将所述深沟球轴承限位在法兰端盖外周侧，且所述第二轴承端盖将所述限位销限位在双级内齿圈外周侧，所述转子与所述法兰端盖螺栓连接；

所述减速机组件位于转子外的一侧面连接关节连接件一固定座，具体的所述关节连接件一固定座通过螺栓连接在双级内齿圈上，同时所述关节连接件一固定座与交叉滚子轴承接触部位形成台阶面以将交叉滚子轴承限位在二级行星架外周侧；

所述减速机组件位于转子外的一侧面还插接有力矩传感器，具体的，所述二级行星架限位二级行星轮的相对侧设置中间轴，所述中间轴键连接地插装在力矩传感器中间孔内，所述力矩传感器通过螺栓与所述二级行星架固定连接在一起；

所述关节连接件二固定座通过螺栓与所述力矩传感器固定连接在一起，所述位置编码器位于所述力矩传感器与所述关节连接件二固定座中心孔构成的空间内。

所述限位端盖位于位置编码器外侧，用于将所述位置编码器限定在所述力矩传感器与所述关节连接件二固定座中心孔构成的空间内，所述限位端盖螺栓连接于关节连接件二固定座上，所述位置编码器的外侧还通过磁铁固定支架设置有磁铁。如此设置，位置编码器的线路可以从力矩传感器和关节连接件二固定座之间穿出与驱动直接连接，由于力矩传感器与关节连接件二固定座之间不发生相对转动，因此线路不会发生缠绕问题，而且避免了设置中空轴走线而带来的生产工艺复杂化的问题。

在所述关节连接件一固定座上设置有二级防护软限位读头，所述关节连接件二固定座靠近外缘处设置两处反光板，以减速机组件的主轴所在线与关节连接件二固定座平面的交点为圆心，两处反光板分别与圆心的连线组成的扇形角即为关节模组的二级转动角度限制范围，其可以根据关节模组作为髋关节或膝关节而将两处反光板设置在构成不同角度的位置，所述二级防护软限位读头采用单片机和光传感器的组合。

在所述关节连接件一固定座上还设置有第三级硬限位防护，其具体形式可采用在关节连接件一固定座上设置凸起的限位档杆的形式。

关节模组作为髋关节时，所述关节连接件一固定座为髋关节固定座，所述关节连接件二固定座为大腿固定座。

关节模组作为膝关节时，所述关节连接件一固定座为大腿固定座，所述关节连接件二固定座为小腿固定座。

本发明的优点在于：

1、实现了外骨骼机器人关节的模块化、小型化、低成本化，智能化，

模块化：以前的关节模组直接连接大小腿，体积大，损坏后不易快速更换，本申请的关节模组可以模块化更换；内部模块化：虽然减速机与电机结合在一起了，但是电机与减速机还是能独立拆装，当其中一个损坏，能够单独送回厂家维修而不是整个关节模组；

小型化：厚度小，一般的关节模组都采用现成部件串联式，厚度占用比较大，现方案利用电机中空结构做减速机，厚度下降1/3；

低成本化：一般关节模组减速机采用谐波减速机，电机中含有编码器，价格昂贵，现在减速结构选用行星轮减速，电机自主设计，外加价格便宜的绝对值编码器，成本总体下降很多；

智能化：关节模组结合了位置编码器、力矩传感器、软限位读头作为限位传感器等，对使用过程中的各种数据实时记录分析并反馈，大大提高安全性、准确性；

2、安全性能更优越，一般的外骨骼关节模组限位只做了一层限位，本申请中关节模组采用三级限位保护，位置编码器时刻位置保护、光敏限位传感器保护、最后还有硬限位保护，大大降低用户使用过程中出现危险的概率；

3、设计使用双级内齿圈，不仅满足大扭矩传递的要求，而且本申请方案中第一级要求扭矩比第二级小，一级行星轮数量少于二级行星轮数量，如此设置使结构整体机械精密性更强，力矩传递更稳定，从而抗震性能更优越；

4、方便维修，位置编码器与主轴分离式设计，只需要拆开关机模组的最外侧磁铁固定架和限位端盖即可维修位置编码器，不会对电机内部造成损害，而且电机做了防水处理，故障率更低；

5、位置编码器设置于外侧，不需要考虑轴内布线还是轴外布线，其通过很短的线即可与控制装置相连，不会发生线路缠绕问题；

6、本申请产品方便实现商品化和定制化，因为模块化后，关节模组可以直接用到任意合适的外骨骼机器人上，只需定制连接位即可，甚至我们关节模组内部自己设计的行星减速机也是独立的模块，还具有IP66的防护等级，可以当产品独立卖出去，用到其他的产品上；一般关节模组装配部件大都为外购件，需要依赖供应商设计，定制化困难，现方案中的减速机、电机、位置编码器、限位传感器都为自己设计，可以根据客户要求灵活定制不同的减速比，不同的电机性能，不同的限位环境，不同连接方式的关节模组，甚至可以模块化的取消某些功能，例如取消力矩传感器，取消编码器等，从而达到更低价的效果。

附图说明

图1是本发明关节模组结构爆炸图；

图2是本发明减速机组件结构爆炸图；

图3是本发明关节模组剖面图；

图4是本发明外骨骼关节模组装配图；

图5是本发明二级防护软限位示意图；

图6是本发明三级防护硬限位示意图；

图中：1、主轴，2、一级太阳轮，3、一级行星轮，4、一级行星架，5、二级太阳轮，6、二级行星架，7、双级内齿圈，8、交叉滚子轴承，9、深沟球轴承，10、法兰端盖，11、轴承端盖，12、滚针轴承，13、关节连接件一固定座，14、关节连接件二固定座，15、位置编码器，16、力矩传感器，17、限位传感器，18、限位端盖，19、磁铁，20、磁体固定支架，21、限位档杆，22、转子，23、磁钢，24、铁芯，25、第二轴承端盖，26、限位销，27、第一密封圈，28、第二密封圈，29、光传感器，30、反光板，31、键，32、二级定位销，33、一级定位销，34、二级行星轮。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，是本发明关节模组结构爆炸图，包括关节连接件一、关节连接件二和关节模组，其中所述关节模组包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器；所述外部结构连接模块包括关节连接件一固定座13和关节连接件二固定座14；所述电机组件包括转子22、磁钢23、铁芯24，铁芯24位于磁钢23内且磁钢23位于转子22内部，三者同轴设置，所述减速机组件设置于铁芯24内部，所述减速机组件的双级内齿圈7与铁芯24之间设有限位销26，用以防止双级内齿圈与铁芯之间相对转动，所述法兰端盖外侧设有第二轴承端盖，所述第二轴承端盖将所述深沟球轴承限位在法兰端盖外周侧，且所述第二轴承端盖将所述限位销限位在双级内齿圈外周侧，所述转子与所述法兰端盖螺栓连接；所述减速机组件位于转子22外的一侧面连接关节连接件一固定座13，具体的所述关节连接件一固定座13通过螺栓连接在双级内齿圈8上，同时所述关节连接件一固定座13与交叉滚子轴承8接触部位形成台阶面以将交叉滚子轴承限位在二级行星架6外周侧；所述二级行星架6限位二级行星轮34的相对侧设置中间轴，所述中间轴装有键31并插装在力矩传感器16中间孔内，所述力矩传感器16通过螺栓与所述二级行星架6固定连接在一起；所述关节连接件二固定座14通过螺栓与所述力矩传感器16固定连接在一起，所述位置编码器15位于所述力矩传感器16与所述关节连接件二固定座14中心孔构成的空间内；所述限位端盖18位于位置编码器15外侧，用于将所述位置编码器15限定在所述力矩传感器16与所述关节连接件二固定座14中心孔构成的空间内，所述限位端盖18螺栓连接于关节连接件二固定座14，所述位置编码器15的外侧还通过磁铁固定支架20设置有磁铁19。在所述关节连接件一固定座上设置有二级防护软限位读头，所述关节连接件二固定座靠近外缘处设置两处反光板30，所述二级防护软限位读头和两处反光板30组成限位传感器17，以减速机组件的主轴所在线与关节连接件二固定座平面的交点为圆心，两处反光板分别与圆心的连线组成的扇形角即为关节模组的二级转动角度限制范围，其可以根据关节模组作为髋关节或膝关节而将两处反光板设置在构成不同角度的位置，所述二级防护软限位读头采用单片机和光传感器29的组合。

在所述关节连接件一固定座上还设置有第三级硬限位防护，其具体形式可采用在关节连接件一固定座上设置凸起的限位档杆的形式。

图2是本发明减速机组件结构爆炸图，图3是本发明关节模组剖面图，如图所示，所述减速机组件包括主轴1、一级太阳轮2、一级行星轮3、一级行星架4、二级太阳轮5、二级行星轮34、二级行星架6、双级内齿圈7、交叉滚子轴承8、深沟球轴承9、法兰端盖10、轴承端盖11、滚针轴承12，所述一级太阳轮2与所述主轴1一体式设置，所述一级太阳轮2与所述一级行星轮3传动连接，所述一级行星轮3与双级内齿圈7的第一内齿轮传动连接，所述一级行星轮3通过一级定位销33定位在所述一级行星架4上，所述一级行星架4中间设有容纳二级太阳轮5并通过内齿与二级太阳轮5传动连接的圆孔，所述二级太阳轮5容有间隙的套设在主轴1上，且所述二级太阳轮5伸出一级行星架4圆孔的部分与所述二级行星轮34传动连接，所述二级行星轮34与双级内齿圈7的第二内齿轮传动连接，且二级行星轮34通过二级定位销32固定在二级行星架6上，所述二级行星架6外周侧形成台阶面并套设交叉滚子轴承8，所述二级行星架6的侧面螺栓连接轴承端盖11，所述轴承端盖11将所述交叉滚子轴承8限位在二级行星架6外周侧，所述主轴1的一端通过滚针轴承12插接在二级行星架6内部，所述主轴1的另一端插设于法兰端盖10内部，所述法兰端盖10外周侧形成台阶面并套设深沟球轴承9，所述法兰端盖10和所述轴承端盖11将行星轮结构限定在双级内齿圈7内部空间中；图中所述一级行星轮3设置为三个，所述二级行星轮34设置为五个。

所述交叉滚子轴承8与双级内齿圈7之间设有第一密封圈27，所述深沟球轴承9与双级内齿圈7之间设有第二密封圈28，如此可使电机及减速机结构防水，降低故障率。

图4是本发明外骨骼关节模组装配图，其可以在髋关节部位和膝关节部位分别设置本发明中关节模组。

图5是本发明二级防护软限位示意图，当位置编码器暂时对电机运转角度失控时，如图所示，当关节连接件一固定座13和关节连接件二固定座14相对角度转动到一定位置时，反光板30与光传感器29重合，光传感器29接收到反光板30的光信号后，由单片机输出指令到控制系统控制电机停止运转，以达到限位保护的目的。

图6是本发明三级防护硬限位示意图，当二级防护软限位保护暂时失控时，关节连接件一固定座13和关节连接件二固定座14相对角度继续发生转动，当关节连接件二固定座14的侧边碰触到关节连接件一固定座13上的限位档杆21后，关节模组的旋转被限位档杆21卡死，防止旋转角度过大，使用户受伤。

Claims (8)

1.一种外骨骼机器人关节模组，包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器，其特征在于：所述电机组件包括转子(22)、磁钢(23)、铁芯(24)，铁芯(24)位于磁钢(23)内且磁钢(23)位于转子(22)内部，三者同轴设置，所述减速机组件设置于铁芯(24)内部，所述外部结构连接模块包括关节连接件一固定座(13)和关节连接件二固定座(14)；所述减速机组件位于转子(22)外的一侧面连接关节连接件一固定座(13)，所述减速机组件位于转子(22)外的一侧面还插接有力矩传感器(16)，所述力矩传感器(16)还与减速机组件螺栓连接在一起；

所述关节连接件二固定座(14)通过螺栓与所述力矩传感器(16)固定连接在一起，所述位置编码器(15)位于所述力矩传感器(16)与所述关节连接件二固定座(14)中心孔构成的空间内。

所述限位端盖(18)位于位置编码器(15)外侧，用于将所述位置编码器(15)限定在所述力矩传感器(16)与所述关节连接件二固定座(14)中心孔构成的空间内，所述限位端盖螺栓连接于关节连接件二固定座(14)上，所述位置编码器(15)的外侧还通过磁铁固定支架(20)设置有磁铁(19)；在所述关节连接件一固定座(13)上设置有二级防护软限位读头，所述关节连接件二固定座(14)靠近外缘处设置两处反光板(30)，所述二级防护软限位读头和两处反光板组成限位传感器(17)，在所述关节连接件一固定座(14)上还设置有凸起的限位档杆(21)。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述二级防护软限位读头采用单片机和光传感器(29)的组合。

3.根据权利要求1所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述减速机组件包括主轴(1)、一级太阳轮(2)、一级行星轮(3)、一级行星架(4)、二级太阳轮(5)、二级行星轮(34)、二级行星架(6)、双级内齿圈(7)、交叉滚子轴承(8)、深沟球轴承(9)、法兰端盖(10)、轴承端盖(11)、滚针轴承(12)，所述一级太阳轮(2)与所述主轴(1)一体式设置，所述一级太阳轮(2)与所述一级行星轮(3)传动连接，所述一级行星轮(3)与双级内齿圈(7)的第一内齿轮传动连接，所述一级行星轮(3)通过一级定位销(33)定位在所述一级行星架(4)上，所述一级行星架(4)中间设有容纳二级太阳轮(5)并通过内齿与二级太阳轮(5)传动连接的圆孔，所述二级太阳轮(5)容有间隙的套设在主轴(1)上，且所述二级太阳轮(5)伸出一级行星架(4)圆孔的部分与所述二级行星轮(34)传动连接，所述二级行星轮(34)与双级内齿圈(7)的第二内齿轮传动连接，且二级行星轮(34)通过二级定位销(32)固定在二级行星架(6)上，所述二级行星架(6)外周侧形成台阶面并套设交叉滚子轴承(8)，所述二级行星架(6)的侧面螺栓连接轴承端盖(11)，所述轴承端盖(11)将所述交叉滚子轴承(8)限位在二级行星架(6)外周侧，所述主轴(1)的一端通过滚针轴承(12)插接在二级行星架(6)内部，所述主轴(1)的另一端插设于法兰端盖(10)内部，所述法兰端盖(10)外周侧形成台阶面并套设深沟球轴承(9)，所述法兰端盖(10)和所述轴承端盖(11)将行星轮结构限定在双级内齿圈(7)内部空间中。

4.根据权利要求3所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述减速机组件的双级内齿圈(7)与铁芯(24)之间设有限位销(26)，所述法兰端盖(10)外侧设有第二轴承端盖(25)，所述第二轴承端盖(25)将所述深沟球轴承(9)限位在法兰端盖(10)外周侧，且所述第二轴承端盖(25)将所述限位销(26)限位在双级内齿圈(7)外周侧，所述转子(22)与所述法兰端盖(10)螺栓连接；所述关节连接件一固定座(13)通过螺栓连接在双级内齿圈(7)上，同时所述关节连接件一固定座(7)与交叉滚子轴承(8)接触部位形成台阶面以将交叉滚子轴承(8)限位在二级行星架(6)外周侧；所述二级行星架(6)限位二级行星轮(34)的相对侧设置中间轴，所述中间轴通过键(31)插装在力矩传感器(16)中间孔内，所述力矩传感器(16)通过螺栓与所述二级行星架(6)固定连接在一起。

5.根据权利要求4所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述交叉滚子轴承(8)与双级内齿圈(7)之间设有第一密封圈(27)，所述深沟球轴承(9)与双级内齿圈(7)之间设有第二密封圈(28)。

6.根据权利要求4所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，一级行星轮(3)数量为三个，二级行星轮(34)数量为五个。

7.根据权利要求4所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述关节连接件一固定座为髋关节固定座，所述关节连接件二固定座为大腿固定座。

8.根据权利要求4所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述关节连接件一固定座为大腿固定座，所述关节连接件二固定座为小腿固定座。