旋转关节装置及外骨骼设备的制作方法

本实用新型涉及机械外骨骼技术领域，特别是涉及一种旋转关节装置及外骨骼设备。

背景技术：

vr技术(vr为virtualreality的缩写，中文名称为虚拟现实技术)的出现改变了人类与计算机的交互方式，在虚拟现实的场景中，为了增强用户对虚拟世界的感知，常常会应用到外骨骼设备来对用户的动作进行捕捉。

其中，外骨骼设备通常设有与人体匹配的旋转关节装置，以便使用户在穿戴外骨骼设备后动作更流畅。为了完成对用户动作的捕捉，通常需要在旋转关节装置处设置相接的角度传感器来检测旋转关节装置的旋转角度。目前的角度传感器大多是采用电位器式的接触设计，使用过程中容易磨损，不仅影响动作捕捉的精度，还会降低外骨骼设备的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型提供一种旋转关节装置及外骨骼设备，旨在提高对用户动作的捕捉精度，并提高外骨骼设备的使用寿命。

一种旋转关节装置，包括：第一骨骼结构；第二骨骼结构，与所述第一骨骼结构转动连接；磁性单元，设置在所述第一骨骼结构上，并与所述第一骨骼结构同步运动；编码单元，设置在所述第二骨骼结构上，并与所述第二骨骼结构同步运动；其中，所述编码单元与所述磁性单元间隔设置，并能够在所述第一骨骼结构和所述第二骨骼结构相对转动时，根据所述磁性单元产生的磁场的变化来检测所述第一骨骼结构和所述第二骨骼结构相对转动的角度。

进一步的，所述第一骨骼结构和所述第二骨骼结构的其中一者设置转动轴，另一者设有安装孔；所述转动轴安装在所述安装孔内，并能够在所述安装孔内转动，以实现所述第一骨骼结构和所述第二骨骼结构之间的相对转动。

进一步的，所述磁性单元和所述编码单元的其中一者设置在所述转动轴上，另一者设置在所述安装孔内。

进一步的，所述转动轴伸入所述安装孔的一端的端面设有容纳孔，所述磁性单元设置在所述容纳孔内，所述编码单元设置在所述安装孔的底面。

进一步的，所述旋转关节装置还包括轴承，所述轴承套设在所述转动轴用于置入所述安装孔的一端；所述安装孔内设有支撑结构，用于支撑所述轴承，以便使所述磁性单元与所述编码单元隔开。

进一步的，安装孔为贯穿所述第二骨骼结构的通孔；所述旋转关节装置还包括电路板，设置在所述第二骨骼结构远离所述第一骨骼结构的一侧，并与所述安装孔相对，所述编码单元设置在所述电路板上，并位于所述安装孔内。

进一步的，所述旋转关节装置还包括隔磁结构，设置在所述安装孔内壁，所述隔磁结构能够屏蔽所述安装孔外部的磁场，以免外部磁场对所述编码单元产生干扰。

进一步的，所述安装孔内壁设弧形槽，所述弧形槽的与所述安装孔同轴；所述转动轴侧壁设有凸起，所述转动轴与所述安装孔配合时，所述凸起位于所述弧形槽内，以限制所述第一骨骼结构在所述转动轴的轴向上相对所述第二骨骼结构运动。

进一步的，所述磁性单元与所述编码单元之间的间距为0.1mm至5mm。

一种外骨骼设备，包括如上任意一项所述的旋转关节装置。

本实用新型提供的旋转关节装置通过编码单元和磁性单元的配合来检查旋转关节装置的两个骨骼结构相对的旋转角度，由于编码单元和磁性单元间隔设置，所以二者之间不会出现因摩擦而损坏的问题，为对旋转关节装置旋转角度检测的精准度提供了保证。

附图说明

图1为本实用新型提供的手部外骨骼设备的结构示意图；

图2为本实用新型提供的力反馈元件的装配示意图；

图3为本实用新型提供的力反馈杆的结构示意图；

图4为本实用新型提供的安装孔处的放大视图；

图5为本实用新型提供的力反馈杆的侧视图；

图6为本实用新型提供的手指机构与手掌机构配合处的爆炸视图；

图7为本实用新型提供的手套结构与手指连杆配合处的剖面视图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于、安装于，或者设于”另一个元件等类似语言时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接或相接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为本实施例提供的一种用于人手穿戴的手部外骨骼设备，该手部外骨骼设备包括用于与人手手掌绑定在一起的手掌机构10、用于与人手指绑定在一起的手指机构20，为了使手部外骨骼设备更灵活，手指机构20与手掌机构10之间转动连接，即此时手指机构20与手掌机构10之间组成一个旋转关节装置。

当然，为了使手部外骨骼设备更加灵活，手部外骨骼设备的其他具有转动连接的部位也可以组成相应的旋转关节装置设置，比如，如图1所示，手指机构20包括与人手指一起运动的手指连杆201，以及用于与将人手指固定在手指连杆201上的指套结构202，指套结构202与手指连杆201转动连接，此时指套结构202与手指连杆201之间也组成一个旋转关节装置。

再比如，如图1所示，手部外骨骼设备还具有与手指连杆201连接，用于为人手指提供力反馈以便用户获取触觉体验的力反馈元件30。其中，在本实施例中，力反馈元件30设置的手指机构20与手掌机构10之间。该力反馈元件30具有壳体1以及可转动地设置在壳体1内的力反馈杆2，其中壳体1与手掌机构10转动连接，力反馈杆2与手指连杆201固定连接。

如图2所述，在本实施例中，壳体1包括上壳11、下壳12以及位于上壳11和下壳12之间的中壳13，三者围绕形成一个可用于放置相应元器件的腔体。力反馈杆2的一端伸入该腔体内，并于中壳13转动连接，即此时中壳13与力反馈杆2之间也组成了一个旋转关节装置。

为了捕捉用户的手部动作信息，通常是通过获取手部外骨骼设备的各旋转关节装置处的转动角度的方式来获取用户的手部动作信息。为了避免出现现有角度传感器易磨损而降低对用户手部动作信息不准确的问题，本实施例提到的手部外骨骼设备中对其各处的旋转关节装置做了改进。以下以中壳13与力反馈杆2所组成的旋转关节装置为例对本实用新型的旋转关节装置的设置进行描述。

如图2所示，在本实施例中，该旋转关节装置除了具有力反馈杆2(可以看作为旋转关节装置的第一骨骼结构)与中壳13(可以看作为第二骨骼结构)之外还包括磁性单元3以及编码单元4。

其中，磁性单元3固定在力反馈杆2上，以便与力反馈杆2同步运动；编码单元4固定在中壳13上，以便与中壳13同步运动。这样力反馈杆2与中壳13相对转动时，磁性单元3与编码单元4之间也会相对转动，编码单元4能够根据磁性单元3磁场的变化来检测二者之间相对转动的角度，进而得到力反馈杆2和中壳13之间相对转动的角度。此外，在本实施例中，编码单元4与磁性单元3之间间隔设置，这样相对转动时，二者之间不存在摩擦，可以避免二者之间出现因摩擦而损坏的问题，为力反馈杆2和中壳13相对旋转角度的检测精准度提供了保证。

在本实施例中，磁性单元3可以采用磁铁，编码单元4可以是电磁式编码器。当然，在其他实施例中，磁性单元3也可以采用通电生磁的电磁体，比如电磁线圈等。另外，为了使编码单元4能够更准确地检测磁性单元3的旋转角度，并避免编码单元4与磁性单元3在转动时发生晃动而碰撞，在本实施例中，磁性单元3与编码单元4之间的间距为0.1mm至5mm。

如图2所示，在本实施例中，力反馈杆2包括第一杆体21以及设置在第一杆体21上的转动轴22；中壳13包括本体131，以及设置在本体131上的安装孔132。转动轴22安装在安装孔132内，并能够在安装孔132内转动，从而使力反馈杆2能够相对中壳13转动。可以理解的，在其他实施例中，也可以是转动轴22设置在中壳13上，安装孔132设置在力反馈杆2上。

在本实施例中，转动轴22与第一杆体21可以是一体成型设置。在其他实施例中，转动轴22与第一杆体21也可以是可是由两个独立的元件，二者通过粘接、卡接等方式连接在一起，比如，第一杆体21上设有孔位，转动轴嵌设在该孔位内，以实现二者的连接。另外，在本实施例中，安装孔132直接开设在本体131上，当然，在其他实施例中，安装孔132也可以是开设在其他元件上，该元件通过粘接、卡接等方式设置在本体131上。

如图2所示，在本实施例中，磁性单元3设置在转动轴22上，编码单元4设在安装孔132内，二者间隔相对，这样不仅可以避免编码单元4受到碰撞，还可以减少中壳13的体积。另外，应当理解的，磁性单元3与编码单元4相对的部分具有n极和s极，以便编码单元4根据磁性单元3所产生的磁场的变化来检查磁性单元3的转动角度。比如，磁性单元3为柱状磁铁，其两端分别为n极和s极，其侧壁与转动轴22相接。可以理解的，在其他实施例中，也可以是磁性单元3设置在安装孔132内，编码单元4设置在转动轴22上。

如图3所示，在本实施例中，转动轴22伸入安装孔132的一端的端面设有容纳孔221，磁性单元3安装在容纳孔221内，这样可以减小转动轴22的体积，并降低磁性单元3对力反馈杆2设计的影响，使得具有角度检测功能的旋转关节装置的生产设计更加简单。另外，在本实施例中，编码单元4直接安装在安装孔132的底面，以便使旋转关节装置的生产设计更加简单。此外，在本实施例中，磁性单元3可以通过胶粘方式固定在容纳孔221内。当然，磁性单元3也可以是通过卡等方式固定在容纳孔221内，此时容纳孔221的形状以及尺寸可以是与磁性单元3的形状尺寸匹配，这样磁性单元3可以直接嵌设在容纳孔221内。

如图2所示，在本实施例中，旋转关节装置还包括轴承5，轴承5套设在转动轴22用于置入安装孔132的一端。安装孔132为阶梯孔，转动轴22置入安装孔132后，轴承5抵接在安装孔132的台阶面1321上，从而使磁性单元3与编码单元4隔开。同时，通过轴承5的设置还可以使力反馈杆2与中壳13之间的相对转动更加灵活，进而使外骨骼设备穿戴起来更加灵活舒适。

可以理解的，在其他实施例中，也可是在安装孔132的内壁设置相应的凸起等支撑结构，以便支撑轴承5。当然，在其他实施例中，也可以没有轴承5，即转动轴22直接与安装孔132滑动配合，此时转动轴22上和安装孔132的内壁上可以分别设置能够配合抵接的限位结构，以便使磁性单元3和编码单元4隔开。比如转动轴22为阶梯轴，安装孔132为阶梯孔，转动轴22置入安装孔132后，转动轴22的台阶面与安装孔132的台阶面相互抵接。

如图2所示，在本实施例中，旋转关节装置还包括电路板6，编码单元4与电路板6电性连接。电路板6上设有主控芯片等，编码单元4获取的角度信号会传送至主控芯片，以便进行下一步处理。同时电路板6与电源相接，进而使得电路板6可以对编码单元4供电。

在本实施例中，为了使生产装配更方便，安装孔132直接采用通孔设计。电路板6安装在中壳13远离第一骨骼结构的一侧，并与安装孔132相对，编码单元4位于安装孔132内，并直接焊接在电路板6与安装孔132相对的区域。

在本实施例中，安装孔132的内壁还设有隔磁层，隔磁层可以是镀设在安装孔132内部的镍层等镀层。隔磁层能够屏蔽所述安装孔132外部的磁场，即通过隔磁层可以将安装孔132内外的磁场隔开，避免外部磁场对编码单元4的工作产生干涉，提高编码单元4角度检测的精准度。

如图4和图5所示，在本实施例中，安装孔132内壁设弧形槽1322，弧形槽1322的与安装孔132同轴，且弧形槽1322水平设置。转动轴22的侧壁设有凸起222，转动轴22与安装孔132配合时，凸起122位于弧形槽1322内，转动轴22在安装孔132内转动时，凸起222也在弧形槽1322内转动。另外，凸起222的设置与弧形槽1322匹配，以避免转动轴22安装孔132配合后在轴向上跳动，从而可以避免力反馈杆2在转动轴22的轴向上相对中壳13运动。具体的，在本实施例中，凸起222为圆柱体，其轴线与转动轴22的轴线垂直，弧形槽1322的横街面为矩形，凸起222的直径与弧形槽1322的宽度相等，从而可以避免转动轴22安装孔132配合后在轴向上跳动。可以理解的，在其他实施例中，凸起222与弧形槽1322也可以是采用其他结构设置，比如凸起22为半球状结构，弧形槽1322的横街面为弧形。

另外，如图4所示，在本实施例中，安装孔132的内壁还设有引导槽1323，引导槽1323由安装孔132侧壁的端部开设，并与弧形槽1322连通。转动轴22置入安装孔132时，凸起222从引导槽内进入弧形槽1322。另外，在本实施例中引导槽1323竖直设置，以方便凸起222进入弧形槽1322。

可以理解的，手部外骨骼设备其他部位的旋转关节装置也可以采用类似的设置，比如，如图6所示，在手指机构20与手掌机构10配合处，此时，手指机构20(实际上是力反馈元件30)相当于第一骨骼结构，手掌机构10相当于第二骨骼结构。此外，在此处，安装孔132便是设置在另一元件7上，该元件7固定在手掌机构10上。再比如，如图7所示，在手套机构202与手指连杆201配合处，此时手套机构202相当于第一骨骼结构，手指连杆201相当于第二骨骼结构。此时，在其他用于人体穿戴的外骨骼设备中，只要这些外骨骼设备存在旋转关节装置，那么，该旋转关节装置处的结构都可以采用上述任一实施例所述的设置方式。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。