一种外骨骼用关节电机部件的制作方法

1.本发明涉及一种电机部件，具体涉及一种外骨骼用关节电机部件，属于医疗器械技术领 域。


背景技术：

2.近年来，因其在肢体残障患者康复训练中的作用，外骨骼机器人在医学领域得到了较大 的发展。位于外骨骼机器人关节部位的电机部件是重要关键部件，是外骨骼机器人重要的动 力来源。
3.现有的外骨骼机器人使用的关节电机部件，普遍采用电机带动常规减速机构的方式。其 中，减速结构通常选择标准的谐波减速机构或行星减速机构。因为外骨骼机器人是高度智能 化产品，故其使用的关节电机部件具有许多传感器技术要求，至少需要力矩传感器、运行角 度传感器、运行角速度传感器等。而在现有技术中，上述传感器需要单独安装并整合在关节 电机部件中，最终造成关节电机部件的尺寸较大且结构复杂，同时具有较高的制造成本。此 外，由于现有技术中的关节电机部件采用常规结构组合，其应用于外骨骼机器人还需要根据 整体的运动支撑要求再设计互相配合的安装连接机构，这进一步的带来结构和成本的增加。
4.随着外骨骼机器人信息及控制技术的发展，降低关节电机部件的制造成本，简化安装结 构，对解决目前外骨骼机器人的发展瓶颈具有重要意义。


技术实现要素：

5.基于以上背景，本发明的目的在于提供一种外骨骼用关节电机部件，解决背景技术中所 述的问题。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种外骨骼用关节电机部件，包括：
8.机壳，所述机壳设有沿机壳表面延伸且凸出于机壳表面的第一安装基座；
9.动力电机，设于机壳内，所述动力电机输出端的中轴线垂直于第一安装基座在机壳表面 的延伸方向；
10.减速器，设于机壳内，所述减速器包括输入轴、输出轴、若干主动齿轮和若干匹配于主 动齿轮的被动齿轮，所述输入轴连接动力电机且与动力电机输出端同轴设置，所述输出轴端 部设有垂直于输出轴中轴线的第二安装基座，所述若干主动齿轮和所述若干被动齿轮间隔交 错设置，所述若干主动齿轮中的至少其中之一设于输入轴和输出轴的其中之一，所述若干被 动齿轮中的至少其中之一设于输入轴和输出轴的另外之一，每个主动齿轮均与一个相匹配的 被动齿轮啮合；
11.其中，设置在输入轴上的被动齿轮中的至少其中之一设有光电传感器，设置在输出轴上 的被动齿轮中的至少其中之一设有第一电磁传感器，输出轴邻近于第二安装基座的端部设有 测试齿轮，所述测试齿轮的齿数与设有第一电磁传感器的被动齿轮的齿数相
同，所述测试齿 轮设有第二电磁传感器，所述第一电磁传感器和所述第二电磁传感器被配置为分别测量所在 输出轴部位的感应电动势信号以获得输出轴的扭矩。
12.通过光电传感器测量该外骨骼用关节电机部件的运行速度和运行角速度，通过第一电磁 传感器和第二电磁传感器测量该外骨骼用关节电机部件的输出扭矩，该外骨骼用关节电机部 件结构紧凑，尺寸较小，降低制造成本，适于外骨骼机器人的应用推广。
13.作为优选，所述动力电机包括无刷直流电机、步进电机、伺服电机中的一种或多种。
14.作为优选，所述若干主动齿轮包括一级主动齿轮、二级主动齿轮和三级主动齿轮，所述 若干被动齿轮包括一级被动齿轮、二级被动齿轮和三级被动齿轮，所述三级主动齿轮、二级 被动齿轮和一级主动齿轮沿动力电机输出端所朝方向依次设于输入轴上，所述三级被动齿轮、 二级主动齿轮和一级被动齿轮沿动力电机输出端所朝方向依次设于输出轴上。
15.作为优选，所述输入轴设有套设于输入轴表面的第一轴套，第一轴套与输入轴间隙配合， 三级主动齿轮和二级被动齿轮均与第一轴套表面固定连接，所述输出轴设有套设于输出轴表 面的第二轴套，第二轴套与输出轴间隙配合，二级主动齿轮和一级被动齿轮均与第二轴套表 面固定连接。
16.作为优选，所述光电传感器包括发光元件和光敏元件，所述发光元件和所述光敏元件分 别与机壳固定连接，发光元件和光敏元件相对设置从而在两者之间形成光路，所述二级被动 齿轮设有若干沿二级被动齿轮周向等距分布的条状透孔，所述条状透孔的运动路径与所述光 路相交。
17.作为优选，所述第一电磁传感器和所述第二电磁传感器通过以下公式计算获得输出轴的 扭矩，
[0018][0019]
式中，t为扭矩，θ为输出轴的扭转角，通过两个输出轴不同部位的感应电动势信号之间 的相位差获得，g为输出轴材料的剪切模量，i
p
为输出轴截面的极惯性矩。
[0020]
作为优选，所述光电传感器设于二级被动齿轮背离于二级主动齿轮一侧的外缘端部，所 述第一电磁传感器设于三级被动齿轮背离于三级主动齿轮一侧的外缘端部，所述第二电磁传 感器设于测试齿轮邻近于三级被动齿轮一侧的外缘端部。
[0021]
作为优选，所述输入轴与所述机壳之间、所述输出轴与所述机壳之间以及所述第二轴套 与所述机壳之间均设有轴承。
[0022]
作为优选，所述第一安装基座的中心线、所述输入轴在第一安装基座投影的中心以及所 述输出轴在第二安装基座投影的中心处于同一直线上。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0024]
本发明的一种外骨骼用关节电机部件，通过光电传感器测量该外骨骼用关节电机部件的 运行速度和运行角速度，通过第一电磁传感器和第二电磁传感器测量该外骨骼用关节电机部 件的输出扭矩，该外骨骼用关节电机部件结构紧凑，尺寸较小，降低制造成本，适于外骨骼 机器人的应用推广。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实 施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附 图获得其他的附图。
[0026]
图1是本发明外骨骼用关节电机部件的侧视结构示意图；
[0027]
图2是本发明外骨骼用关节电机部件的主视结构示意图；
[0028]
图3是本发明外骨骼用关节电机部件的内部结构示意图；图4是本发明中透孔的结构示意图。
[0029]
图中：1、机壳；2、动力电机；3、减速器；4、肢体固定板；5、肢体固定绑带；6、光 电传感器；7、第一电磁传感器；8、第二电磁传感器；101、后机壳；102、前端盖；103、第 一安装基座；301、输入轴；302、输出轴；303、一级主动齿轮；304、二级主动齿轮；305、 三级主动齿轮；306、一级被动齿轮；307、二级被动齿轮；308、三级被动齿轮；309、第一 轴套；310、第二轴套；311、轴承；312、测试齿轮；313、第二安装基座；601、发光元件； 602、光敏元件；603、透孔。
具体实施方式
[0030]
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理 解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都 将落入本发明保护范围。
[0031]
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可 从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方 法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部 件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
[0032]
本发明的实施例公开了一种外骨骼用关节电机部件，包括机壳1、动力电机2和减速器3。 机壳1设有沿机壳1表面延伸且凸出于机壳1表面的第一安装基座103。动力电机2设于机 壳1内，动力电机2输出端的中轴线垂直于第一安装基座103在机壳1表面的延伸方向。减 速器3设于机壳1内，减速器3包括输入轴301、输出轴302、若干主动齿轮和若干匹配于主 动齿轮的被动齿轮，输入轴301连接动力电机2且与动力电机2输出端同轴设置，输出轴302 端部设有垂直于输出轴302中轴线的第二安装基座313，若干主动齿轮和若干被动齿轮间隔 交错设置，若干主动齿轮中的至少其中之一设于输入轴301和输出轴302的其中之一，若干 被动齿轮中的至少其中之一设于输入轴301和输出轴302的另外之一，每个主动齿轮均与一 个相匹配的被动齿轮啮合。其中，设置在输入轴301上的被动齿轮中的至少其中之一设有光 电传感器6，设置在输出轴302上的被动齿轮中的至少其中之一设有第一电磁传感器7，输出 轴302邻近于第二安装基座313的端部设有测试齿轮312，测试齿轮312的齿数与设有第一 电磁传感器7的被动齿轮的齿数相同，测试齿轮312设有第二电磁传感器8，第一电磁传感 器7和第二电磁传感器8被配置为分别测量所在输出轴302部位的感应电动势信号以获得输 出轴302的扭矩。以下结合附图对本发明的实施例做出详细说明。
[0033]
如图1-3所示的一种外骨骼用关节电机部件，可被安置于人体上肢或下肢的关节部位， 该外骨骼用关节电机部件包括机壳1、动力电机2和减速器3，动力电机2和减速器3均设于 机壳1内，减速器3包括输入轴301、输出轴302、三个主动齿轮和三个匹配于主动齿轮的被 动齿轮。当然，也可以采用另外的多级减速方式，对主动齿轮和被动齿轮的数量进行增减。
[0034]
机壳1包括后机壳101和前端盖102，后机壳101采用铝合金材料制作，当然也可以采 用不锈钢材料。后机壳101具有安装腔，后机壳101前部开口，用于安装减速器3。后机壳 101后部开设有两个安装孔，一个用于安装动力电机2，另一用于安装输出轴302。前端盖102 设置在后机壳101前部，用于封盖后机壳101的前部开口，前端盖102表面开设有两个安装 孔，一个用于安装输入轴301，另一个用于安装输出轴302。机壳1设有沿机壳1表面延伸且 凸出于机壳1表面的第一安装基座103，具体地，第一安装基座103设于前端盖102上并沿 前端盖102边缘方向延伸。第一安装基座103用于安装肢体固定板4，配合肢体固定绑带5 可将该外骨骼用关节电机部件的上半部分安置于人体肢体上。
[0035]
动力电机2包括无刷直流电机，该种电机来源广泛，成本较低，当然，也可以根据精度 和控制要求而选择步进电机或伺服电机。动力电机2输出端的中轴线垂直于第一安装基座103 在机壳1表面的延伸方向，输入轴301连接动力电机2且与动力电机2输出端同轴设置。
[0036]
输出轴302端部设有垂直于输出轴302中轴线的第二安装基座313。第二安装基座313 用于安装肢体固定板4，配合肢体固定绑带5可将该外骨骼用关节电机部件的下半部分安置 于人体肢体上。
[0037]
第一安装基座103的中心线、输入轴301在第一安装基座103投影的中心以及输出轴302 在第二安装基座313投影的中心处于同一直线上。
[0038]
三个主动齿轮和三个被动齿轮间隔交错设置，三个主动齿轮中的至少其中之一设于输入 轴301和输出轴302的其中之一，三个被动齿轮中的至少其中之一设于输入轴301和输出轴 302的另外之一，每个主动齿轮均与一个相匹配的被动齿轮啮合。具体地，三个主动齿轮分 别为一级主动齿轮303、二级主动齿轮304和三级主动齿轮305，三个被动齿轮分别为一级被 动齿轮306、二级被动齿轮307和三级被动齿轮308，三级主动齿轮305、二级被动齿轮307 和一级主动齿轮303沿动力电机2输出端所朝方向依次设于输入轴301上，三级被动齿轮308、 二级主动齿轮304和一级被动齿轮306沿动力电机2输出端所朝方向依次设于输出轴302上。
[0039]
输入轴301设有套设于输入轴301表面的第一轴套309，第一轴套309与输入轴301间 隙配合，三级主动齿轮305和二级被动齿轮307均与第一轴套309表面固定连接，输出轴302 设有套设于输出轴302表面的第二轴套310，第二轴套310与输出轴302间隙配合，二级主 动齿轮304和一级被动齿轮306均与第二轴套310表面固定连接。
[0040]
输入轴301与机壳1之间、输出轴302与机壳1之间以及第二轴套310与机壳1之间均 设有轴承311。
[0041]
设置在输入轴301上的被动齿轮中的至少其中之一设有光电传感器6，具体地，光电传 感器6设于二级被动齿轮307背离于二级主动齿轮304一侧的外缘端部。设置在输出轴302 上的被动齿轮中的至少其中之一设有第一电磁传感器7，输出轴302邻近于第二安装基
座313 的端部设有测试齿轮312，测试齿轮312的齿数与设有第一电磁传感器7的被动齿轮的齿数 相同，测试齿轮312设有第二电磁传感器8，第一电磁传感器7和第二电磁传感器8被配置 为分别测量所在输出轴302部位的感应电动势信号以获得输出轴302的扭矩。具体地，第一 电磁传感器7设于三级被动齿轮308背离于三级主动齿轮305一侧的外缘端部，第二电磁传 感器8设于测试齿轮312邻近于三级被动齿轮308一侧的外缘端部。上述光电传感器6、第 一电磁传感器7和第二电磁传感器8的设置位置的益处在于，该外骨骼用关节电机部件为了 优化尺寸，机壳1的安装腔体积较小，减速器3结构设置紧凑，在此条件下，以光电传感器 6测量该外骨骼用关节电机部件的运行速度和运行角速度，以第一电磁传感器7和第二电磁 传感器8测量该外骨骼用关节电机部件的输出扭矩，两者分属光电感应式的传感器和磁电感 应式的传感器，并将光电传感器6和两个电磁传感器分别设于机壳1上距离较远的位置，可 以最大限度的降低电磁干扰对各传感器的测量精度影响。
[0042]
光电传感器6包括发光元件601和光敏元件602，发光元件601和光敏元件602分别与 机壳1固定连接，发光元件601和光敏元件602相对设置从而在两者之间形成光路，如图4 所示，二级被动齿轮307设有多个沿二级被动齿轮307周向等距分布的条状透孔603，条状 透孔603的运动路径与光路相交。具体地，基于加工工艺和测量精度的考量，本实例中将二 级被动齿轮307设置为80齿，节圆直径60mm，条状透孔603通过激光刻琢工艺加工于二级 被动齿轮307表面，数量为180条，理论上可以达到0.5
°
分度的精度，可以满足外骨骼用关 节电机部件的精度需要。当然，在另外的实施例中，条状透孔603也可以是加工与一个单独 的盘状光栅板上，再将盘状光栅板同轴心的安装于二级被动齿轮307上。
[0043]
第一电磁传感器7和第二电磁传感器8通过以下公式计算获得输出轴302的扭矩，
[0044][0045]
式中，t为扭矩，θ为输出轴302的扭转角，通过两个输出轴302不同部位的感应电动势 信号之间的相位差获得，g为输出轴302材料的剪切模量，i
p
为输出轴302截面的极惯性矩。
[0046]
将动力电机2、光电传感器6、第一电磁传感器7和第二电磁传感器8与外部控制装置电 性连接，即可以通过外部控制装置对该外骨骼用关节电机部件进行信号读取和动作控制。
[0047]
需要指出的是，以上实施例虽然是以三级减速方式为例对本发明的外骨骼用关节电机部 件进行的详细说明，但本领域技术人员可以在不脱离本发明原理的前提下，根据实际应用场 景的需要，以二级减速方式实施本发明的外骨骼用关节电机部件并对其内部结构做出相应调 整。
[0048]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是 用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落 入本发明权利要求的保护范围内。