外骨骼机器人及其电动关节的制作方法

本发明涉及机器人，尤其涉及外骨骼机器人的电动关节。

背景技术：

机器人是由一系列骨架结构通过旋转或移动关节相互连接组成的多自由度机构。关节属于机器人的基础部件，是整个机器人系统中的一个重要环节，尤其是关节的结构、重量、尺寸对机器人性能起着决定性的作用。

现有的外骨骼机器人的电动关节主要包括两种。一种是电机丝杠机构，其可实现直线运动，然后在关节处设计相应的旋转铰接机构，将电机丝杠机构的直线运动转化为关节的旋转运动，这种驱动机构体积较大，结构臃肿，例如专利cn203060231u中的下肢外骨骼机器人采用这种方案。另一种是直接利用电机和减速器实现旋转运动，这种旋转关节类似于工业机器臂的关节，可直接安装在关节位置，例如专利cn104434470a中的下肢外骨骼机器人采用了这种方案。

前述另一种关节采用了带外壳的直流电机与组合式的谐波减速器，其体积较大，重量较重，直接应用于外骨骼机器人会影响外骨骼机器人的美观和增加外骨骼机器人的重量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动关节，其具有紧凑的结构。

本发明的另一目的在于提供一种外骨骼机器人，其具有紧凑的关节结构。

一种电动关节包括电机和谐波减速器，所述谐波减速器包括柔轮、刚轮、波形发生器以及柔轮连接件，所述电机包括电机定子、电机轴和电机转子，所述电动关节还包括关节壳体，所述关节壳体包括依次对接的电机侧端盖、电机壳体、所述刚轮和柔轮侧端盖，所述电机定子、电机转子设置于所述电机侧端盖、所述电机壳体围成的空间中，所述柔轮、波形发生器容纳在所述刚轮、柔轮侧端盖围成的空间中； 所述柔轮连接件设置在所述柔轮侧端盖内；所述电机轴穿过所述波形发生器，其第一端设置在所述电机侧端盖内，第二端设置在所述柔轮连接件内；所述电机转子、所述波形发生器分别设置在所述电机轴上。

在一实施例中，所述柔轮侧端盖具有连接孔，所述柔轮连接件设置在所述连接孔中，所述柔轮连接件、所述电机侧端盖分别具有轴孔；所述电机轴延伸穿过所述波形发生器，其第一端设置在所述电机侧端盖的轴孔中，第二端设置在所述柔轮连接件的轴孔中；所述电机转子、所述波形发生器分别固定设置在所述电机轴上。

在一实施例中，所述电机侧端盖、电机壳体、所述刚轮和柔轮侧端盖由螺栓分别穿入其周向边缘而连接在一起。

在一实施例中，所述电机轴具有径向突出的法兰盘，所述波形发生器固定连接在所述法兰盘上。

在一实施例中，所述电机壳体具有径向向内突出且接近于所述电机轴的隔离盘。

在一实施例中，所述电机转子通过套设在所述电机轴外侧的轴套固定在所述电机轴上，所述隔离盘沿径向向内方向超过所述轴套的外侧表面。

在一实施例中，所述轴套分为两段并分别键连接于所述电机轴上。

在一实施例中，所述电机定子固定在所述电机壳体的内侧表面上。

在一实施例中，所述柔轮连接件连接有内嵌于关节壳体内的光电编码器，所述电机轴的第二端轴向延伸形成被检测轴，所述被检测轴插入在所述光电编码器的感应区。

一种外骨骼机器人，包括有电动关节，所述电动关节为任一上述的电动关节。

由依次对接的电机侧端盖、电机壳体、所述刚轮和柔轮侧端盖组成关节壳体，刚轮一方面作为谐波减速器的一部分，另一方面作为关节壳体的一部分，无需额外的减速器壳体，因此这样的设计可以获得一种紧凑的关节结构，这有利于外骨骼机器人的紧凑设计，改善外骨骼机器人的外观和减轻外骨骼机器人的重量。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为根据本发明的实施例中的外骨骼机器人的示意图；

图2为图1中电动关节的分解视图；

图3为图1中电动关节的半剖视图；

图4为图2中电动关节组装后的的立体图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

图1所示的外骨骼机器人可以是一个完整的外骨骼机器人的全部或者部分，其根据需要可以增加上肢部件，以辅助人体实现上肢动作。在图1中仅仅示出了机器人的执行机构，其中的网络系统、电池组、电机及减速器、传感器等可以根据已有的设计来布置，图1所示的外骨骼机器人可以帮助人行走、起立、坐下等。其作为动力辅助机器可以有广泛的应用，例如军事领域或者生活领域，例如可以设置成装置的助力大小由控制系统设定，针对下肢瘫痪的顾客进行产品开发。

如图1所示，根据本发明的实施例中的外骨骼机器人包括腰部构件1、大腿构件3、小腿构件4以及脚部构件5，在图1中的结构左右两侧对称设置。腰部构件1与大腿构件3之间通过髋关节2、电动关节8连接，大腿构件3与小腿构件4、小腿构件4与脚部构件5分别通过电动关节8连接。

电动关节8包括电机和谐波减速器。如图3所示，谐波减速器包括波形发生器843、柔轮842和刚轮841三个基本构件，柔轮842带外齿，刚轮841带内齿，其通过波形发生器843的转动使柔轮842产生可控弹性变形，并与刚轮841相啮合来传递运动和动力，柔轮842的动力输出侧连接有柔轮连接件844，其用于将图中未示出的执行机构与柔轮842连接。如图2至图4所示，电动关节8的关节壳体由依次对接的电机侧端盖87、电机壳体85、刚轮841和柔轮侧端盖83构成，刚轮841作为谐波减速器的一部分同时也作为关节壳体的一部分。电动关节8的 内部构件设置在关节壳体围成的空间内。电机包括电机定子861、电机轴82以及电机转子862。电机定子861、电机转子862设置于电机侧端盖87、电机壳体85围成的空间中，而柔轮842、波形发生器843容纳在刚轮841、柔轮侧端盖83围成的空间中。柔轮侧端盖83具有连接孔831，柔轮连接件844通过轴承834设置在连接孔831中，柔轮连接件844、电机侧端盖87分别具有轴孔840、870，电机轴82自电机侧延伸穿过波形发生器843，其第一端即图3中的左端通过轴承825设置在电机侧端盖87的轴孔870中，第二端即图3中的右端通过轴承824设置在柔轮连接件844的轴孔840中，电机转子862、波形发生器843分别固定在电机轴82上。电机一旦接通电源后，电机转子862带动电机轴82，电机轴82带动波形发生器843驱动谐波减速器输出动力和运动至柔轮连接件844，柔轮连接件844可进一步将运动和动力输出到执行机构。刚轮841直接作为关节壳体一部分来设置，并且刚轮841同时与电机侧端盖87、电机壳体85、柔轮侧端盖83连接成一体，将电机和减速器装在一起，装起来组成的关节相比同体积大小的关节力矩更大，因此其结构更紧凑、体积小，相应地重量更轻，尤其适合于外骨骼机器人中使用，例如包括但不限于用于外骨骼助力机器人，外骨骼康复机器人,双足机器人,工业机械臂。

如图2所示，电机侧端盖87在其周向边缘提供有螺栓孔，电机壳体85在其右侧的周向边缘提供有螺栓孔858，在其左侧的周向边缘提供有螺栓孔，另外，刚轮84、柔轮侧端盖83在其周缘也分别提供有螺栓孔，可借助于螺栓分别连接电机侧端盖87、电机壳体85，电机壳体85、刚轮84、柔轮侧端盖83。即关节壳体的各个部分只需由螺栓分别穿入其周向边缘而连接在一起，无需通过其内部的连接结构来实现，因此安装简单。

如图3所示，电机轴82具有径向突出的法兰盘822，波形发生器843固定连接在法兰盘822上。电机轴82同时兼作电机的转轴以及谐波减速器的输入轴，这有利于结构进一步紧凑。

继续参照图3，电机壳体85具有径向向内突出的隔离盘850，隔离盘850接近于电机轴82，以防止电机定子861、电机转子862之间的磁力线泄漏。

此外，电机转子862通过套在电机轴82外侧的轴套863固定在电机轴82上，隔离盘850在径向向内要超过轴套863的外侧表面，这样能更佳地防止磁力线泄 漏。

轴套863可以分为两段轴套8631、8632分体设置，两段轴套8631、8632均键连接于电机轴82上，通过轴向螺栓穿过两段轴套8631、8632而将它们连接在一起，从而将电机转子862夹紧。

电机定子861可以通过紧固件或者粘结的方式直接固定在电机壳体85的内侧表面上。

如图3和图4所示，柔轮连接件844的外侧还通过固定板810连接有光电编码器81，相应地电机轴82的第二端轴向延伸出被检测轴829，被检测轴829插入在光电编码器82的感应区，通过光电编码器82可检测谐波减速器输出的圈数，进而控制执行机构的运动量。光电编码器82内嵌于关节壳体内，进一步使得电动关节结构紧凑。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。