外骨骼机器人关节的制作方法

本实用新型涉及康复机器人领域，尤其涉及一种外骨骼机器人关节。

背景技术：

目前针对下肢功能训练要求，外骨骼康复机器人得到了越来越多的重视。在外骨骼机器人的设计上，由于机器人的自由度多，同时又要求机器人结构紧凑，质量和惯性小，所以外骨骼机器人关节的设计就显得尤为重要。

现有的外骨骼机器人关节主要通过电机驱动，通过绳索传动、气压传动、液压传动等传动形式带动外骨骼机器人关节的运动，进而带动与该关节相连的外骨骼的运动。这种外骨骼机器人关节普遍存在体积大、通用性不高等问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种外骨骼机器人关节，用于解决现有外骨骼机器人关节体积大且通用性不强的问题。

本实用新型实施例提供了一种外骨骼机器人关节，所述外骨骼机器人关节包括：驱动电机、传动组件和可变限位组件；

所述传动组件封装于所述驱动电机与所述可变限位组件之间，所述驱动电机驱动所述传动组件运动，所述可变限位组件限制和调节所述传动组件的运动范围；

所述传动组件包括：旋转关节转动件，减速器和旋转关节固定件，所述旋转关节固定件和所述旋转关节转动件位于所述减速器的两侧；

所述旋转关节固定件上设置有第一通孔，所述驱动电机的输出轴穿过所述第一通孔与所述减速器的一侧的输入端连接；

所述减速器的另一侧的输出端与所述旋转关节转动件的一侧连接；

所述可变限位组件位于所述旋转关节转动件的另一侧；

所述可变限位组件与所述旋转关节固定件连接；

所述旋转关节转动件上具有第一连接部，所述旋转关节固定件上具有第二连接部，所述第一连接部和所述第二连接部提供对外机械接口。

本实用新型提供的外骨骼机器人关节，第一方面，由于该传动组件封装于该驱动电机和该可变限位组件之间，故该外骨骼机器人关节机构紧凑、体积小。第二方面，由于具有可变限位组件，限制和调整传动组件的运动范围，故该外骨骼机器人关节可根据不同关节对运动范围的要求调整传动组件的运动范围，通用性强。第三方面，由于设置有第一连接部和第二连接部，提供了对外机械接口，故该外骨骼机器人关节可灵活地与外骨骼机器人的其他零件连接，通用性得到进一步增强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型第一实施例提供的外骨骼机器人关节的整体结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例提供的外骨骼机器人关节的整体结构分解示意图；

图3为本实用新型实施例提供的外骨骼机器人关节中减速器的结构示意图；

图4为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节的整体结构分解示意图；

图5为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中数据流向图；

图6为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中旋转关节转动件的结构示意图；

图7为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中第一连接部的结构示意图；

图8为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中限位组件的结构分解示意图；

图9为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中旋转关节固定件的一个视角的结构示意图；

图10为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中旋转关节固定件的另一个视角的结构示意图；

图11为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中轴套的结构示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例提供的附图，对本实用新型实施例提供的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型提供的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，图1为本实用新型第一实施例提供的外骨骼机器人关节的整体结构示意图，本实施例提供的外骨骼机器人关节包括：驱动电机1000、传动组件2000和可变限位组件3000。

传动组件2000封装于驱动电机1000与可变限位组件3000之间，驱动电机1000电机驱动传动组件2000运动，可变限位组件3000限制和调节传动组件2000的运动范围。

如图2所示，图2为本实用新型第一实施例提供的外骨骼机器人关节的整体结构分解示意图，传动组件2000包括：旋转关节转动件2100，减速器2200和旋转关节固定件2300。

旋转关节固定件2300上设置有第一通孔2310，驱动电机1000的输出轴1100穿过第一通孔2310与减速器2200的一侧的输入端连接。

减速器2200的另一侧的输出端与旋转关节转动件2100的一侧连接。

可变限位组件3000位于旋转关节转动件2100的另一侧。

可变限位组件3000与旋转关节固定件2300连接。

旋转关节转动件2100上设置有第一连接部2110，旋转关节固定件2300上设置有第二连接部2320，以提供对外机械接口。

减速器2200通过减速增矩原理增大传递至旋转关节转动件2100的转矩。具体的，如图3所示，图3为本实用新型实施例提供的外骨骼机器人关节中减速器的结构示意图，减速器2200包括：主动件2210、从动件2220和外壳2230。主动件2210的中心处设置有中心孔2211，中心孔2211上设置有键槽2212，输出轴1100穿过中心孔2211，并通过键连接与主动件2210周向固定，故主动件2210为减速器2200的输入端。输出轴1100带动主动件2210转动，主动件2210带动从动件2220转动，由于主动件2210与从动件2220之间具有大于一的传动比，使从动件2220的转速小于主动件2210的转速，故主动件2210带动从动件2220转动实现了减速器2200的减速增矩过程。从动件2220上设置有输出端连接孔2221，以与旋转关节转动件2100连接，故从动件2220为减速器2200的输出端。外壳2230上设置有外壳连接孔2231，以将外壳2230固定于旋转关节固定件2300上，进而将减速器2200固定在旋转关节固定件2300上。

可选的，减速器2200为谐波减速器。

本实施例提供的外骨骼机器人关节，第一方面，由于该传动组件封装于该驱动电机和该可变限位组件之间，故该外骨骼机器人关节结构紧凑、体积小。第二方面，由于具有可变限位组件，限制和调整传动组件的运动范围，故该外骨骼机器人关节可根据不同关节对运动范围的要求调整传动组件的运动范围，通用性强。第三方面，由于设置有第一连接部和第二连接部，第一连接部和第二连接部提供了对外机械接口，故该外骨骼机器人关节可灵活地与外骨骼机器人的其他零件连接，通用性得到进一步增强。

请参阅图4，图4为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节的整体结构分解示意图，与图1和图2所示本实用新型第一实施例提供的外骨骼机器人关节不同的是，在本实施例中：

进一步地，如图4所示，该外骨骼机器人关节还包括：关节绝对位置感应板4000、磁铁5000、姿态检测电路板6000和电机驱动器7000。

磁铁5000固定于旋转关节转动件2100的旋转中心处。

关节绝对位置感应板4000固定于可变限位组件3000上，且关节绝对位置感应板4000的形心与可变限位组件3000的形心重合。

固定有关节绝对位置感应板4000的一侧为面向旋转关节转动件2100的一侧。

姿态检测电路板6000固定于第一连接部2110上，电机驱动器7000固定于姿态检测电路板6000上。

需要说明的是，关节绝对位置感应板4000上设置有感应芯片(图中未示出)，该感应芯片能感应磁场分割线的角度。

具体地，由于关节绝对位置感应板4000固定在可变限位组件3000上，磁铁5000固定在旋转关节转动件2100上，又由于可变限位组件3000与旋转关节固定件2300连接，且与旋转关节固定件2300保持相对静止，故旋转关节转动件2100带动磁铁5000做相对于关节绝对位置感应板4000的转动。此时磁铁5000的磁场分割线的角度发生变化，关节绝对位置感应板4000通过感应芯片感应磁场分割线的角度，实时获取旋转关节转动件2100的绝对位置。

相较于利用电磁感应效应或霍尔效应的传感器，利用感应芯片获取旋转关节转动件2100的位置的优点在于，获取的旋转关节转动件2100的位置为绝对位置，而利用电磁感应效应或霍尔效应的传感器，只有在磁场发生变化时才能产生电信号，故利用电磁感应效应或霍尔效应的传感器仅能获取旋转关节转动件2100的旋转变化量，即仅能获取旋转关节转动件2100的相对位置，需要通过获取的旋转关节转动件2100的旋转变化量和人工标定的初始位置的计算后才能得到旋转关节的绝对位置。直接获取旋转关节转动件2100的绝对位置，一方面，由于避免了人工标定初始位置时造成的误差，故得到的旋转关节转动件2100的位置更加精确；另一方面，由于省去了将相对位置转化为绝对位置的计算过程，故传感器的响应时间更短，应用于反馈控制系统时，能使反馈控制系统在时域上获得更大的分辨率，进而获得更佳的控制效果。

使用时，如图5所示，图5为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中数据流向图。姿态检测电路板6000中存储有人工标定的关节运动的目标位置的数据。关节绝对位置感应板4000获得旋转关节转动件2100的绝对位置的数据，并将该数据传输至姿态检测电路板6000中。然后姿态检测电路板6000比较该数据与目标位置的数据。之后，根据比较结果，姿态检测电路板6000向电机驱动器7000发送控制信号，使电机驱动器7000驱动驱动电机1000输出与比较结果相对应的转速与转矩，进而带动旋转关节转动件2100转动。此时，关节绝对位置感应板4000获得旋转关节转动件2100的新的绝对位置的数据，并将该新的数据传输至姿态检测电路板6000中，关节绝对位置感应板4000、姿态检测电路板6000和电机驱动器7000形成一个反馈控制系统，根据旋转关节转动件2100的绝对位置的数据和关节运动目标位置的数据的比较结果，不断控制驱动电机1000输出与比较结果相对应的转速与转矩，直至旋转关节转动件2100运动至目标位置。

可选的，该反馈控制系统控制驱动电机1000输出的转速与转矩与旋转关节转动件2100的绝对位置的数据和目标位置的数据的差值的绝对值呈正相关关系，则旋转关节转动件2100在距目标位置远的位置的运动速度快，缩短该反馈控制系统的控制时间，而在距目标位置近的位置的运动速度慢，增强该反馈控制系统的控制精度。

可选的，在一个反馈控制的循环后，若电机驱动器7000驱动驱动电机1000输出动力，但关节绝对位置感应板4000感应到旋转关节转动件2100的据对位置没有发生变化，说明目标位置在该外骨骼机器人关节的运动范围之外，此时电机驱动器7000向驱动电机1000发送制动命令，使驱动电机1000停止向外输出动力，以避免驱动电机1000的损坏。

可选的，磁铁5000可为码盘磁铁。

进一步地，如图6所示，图6为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中旋转关节转动件的结构示意图，旋转关节转动件2100包括：第一连接部2110和第一传动部2120。

第一传动部2120为圆盘形。

第一连接部2110位于第一传动部2120的圆弧形曲面上。

第一连接部2110上设置有至少两个第二通孔2111，以通过螺栓与外骨骼机器人的其他部件相连。

第一传动部2120的面向于可变限位组件3000的一侧的平面的圆心处设置有盲孔2121，以固定磁铁5000。

第一传动部2120的平面上还设置有轻量化凹槽2122，以减小旋转关节转动件2100的质量和转动惯量。

第一传动部2120的平面上还设置有第三通孔2123，以通过螺栓与减速器2200的输出端连接。

可选的，如图7所示，图7为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中第一连接部的结构示意图，第一连接部2110包括：第一连接板2112、第二连接板2113和第三连接板2114。第一连接板2112与第三连接板2114平行，第二连接板2113连接第一连接板2112和第三连接板2114。第一连接部2110上还设置有四组第二通孔2111，每组第二通孔2111包括两个同轴的第二通孔2111，且分别设置于第一连接板2112和第三连接板2114上。

可选的，第二通孔2111为沉头孔，降低了第一连接部2110的表面的加工要求。

可选的，第三通孔2123为沉头孔，降低了第一传动部2120的表面的加工要求。

进一步地，如图8所示，图8为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中可变限位组件的结构分解示意图，可变限位组件3000包括：限位盘3100、两个限位块3200和两个限位垫片3300。

限位盘3100上设置有圆弧形槽3110，圆弧形槽3110贯穿限位盘3100。

每个限位块3200上设置有至少两个第一螺纹孔3210，图中以每个限位块3200上设置有两个第一螺纹孔3210为例进行说明。

每个限位垫片3300上设置有与第一螺纹孔3210相匹配的第四通孔3310。

限位块3200与限位垫片3300分别固定于圆弧形槽3110的厚度方向上的两侧，且固定有限位块3200的一侧为面向旋转关节转动件2100的一侧。

圆弧形槽3110与第一传动部2120同轴。

圆弧形槽3110的直径大于第一传动部2120的直径，小于第一连接部2110的外缘尺寸，且限位块3200的厚度大于第一连接部2110与限位盘3100的距离，以将旋转关节转动件2100的运动范围限制在两块限位块3200之间。

限位块3200沿圆弧形槽3110滑动，以调整旋转关节转动件2100的转动范围。

可选的，限位盘3100为圆盘且圆弧形槽3110与限位盘3100同轴。

可选的，限位块3200和限位垫片3300为圆弧形，且限位块3200和限位垫片3300与圆弧形槽3110同轴且半径相同，以使可变限位组件3000的结构紧凑。

可选的，可变限位组件3000还包括第一螺栓(图中未示出)，第一螺栓与第一螺纹孔3210相匹配。

使用时，将限位块3200和限位垫片3300分别置于圆弧形槽3110的厚度方向上的两侧，并使第一螺纹孔3210和第四通孔3310的轴线重合。将第一螺栓同时穿过第四通孔3310和圆弧形槽3110，并拧入第一螺纹孔3210中。第一螺栓未拧紧时，在圆弧形槽3110的约束下，限位块3200、限位垫片3300和第一螺栓可沿圆弧形槽3110的圆周方向滑动。将限位块3200和限位垫片3300滑动至预设位置后，拧紧第一螺栓，则限位块3200和限位垫片3300压向限位盘3100，在限位块3200与限位盘3100间的摩擦力以及限位垫片3300与限位盘3100间的摩擦力的作用下，限位块3200和限位垫片3300被固定在预设位置。

需要说明的是，关节的运动范围是指旋转关节转动件2100相对于旋转关节固定件2300的运动范围，而旋转关节转动件2100的运动形式为转动，则关节的运动范围为旋转关节转动件2100的转动的角度范围。旋转关节转动件2100的转动范围被限制在两块限位块3200之间，故两块限位块3200之间的圆弧形槽3110所对应的圆心角即为关节的运动范围。通过将限位块3200固定在圆弧形槽3110的不同位置，即可得到不同的关节的运动范围，以使本实施例提供的外骨骼机器人关节能够满足实际中各不同关节对运动范围的要求，提高了该外骨骼机器人关节的通用性。

需要说明的是，由于设置了限位垫片3300，在拧紧第一螺栓时压紧力作用于限位垫片3300，而非直接作用于限位盘3100的表面，降低了限位盘3100的表面的加工要求，且延长了限位盘3100的使用寿命。

进一步地，如图8所示，圆弧形槽3110固定有限位块3200的一侧的表面上设置有预设分度值的限位盘限位齿3120，该分度值不大于一度。

限位盘限位齿3120均布于圆弧形槽3110的圆周方向上。

限位块3200的面向于圆弧形槽3110的一侧的表面上设置有与限位盘限位齿3120相匹配的限位块限位齿3220。

限位块限位齿3220与限位盘限位齿3120相啮合，以提高限位块3200在圆弧形槽3110上的固定的可靠性和位置精度。

需要说明的是，分度值是指限位盘限位齿3120中两个相邻的齿顶间的圆弧的圆心角的角度。一方面，限位盘限位齿3120和限位块限位齿3220的啮合，利用相互啮合的齿侧间的刚性接触代替了限位块3200与限位盘3100间的摩擦力，以固定限位块3200，使限位块3200在圆弧形槽3110上的位置固定更可靠，同时还降低了第一螺栓对限位垫片3300的压紧力的需求，延长了限位垫片3300的使用寿命。另一方面，分度值确定后，通过分度值和齿数即可在预设的位置精度内确定限位块3200在圆弧形槽3110中的位置。该位置精度与分度值呈负相关关系，分度值越小，位置精度越高。

可选的，在限位块3200和限位垫片3300之间还设置有弹性元件(图中未示出)，在松开第一螺栓后，该弹性元件将限位块3200和限位盘3100弹开，推动第一螺栓，使限位块3200和限位盘3100弹开，进而使限位盘限位齿3120和限位块限位齿3220脱离，以使限位块3200可沿圆弧形槽3110的圆周方向滑动。

进一步地，如图8所示，限位盘3100的面向于旋转关节转动件2100的一侧的表面上还设置有第一凸台3130。

第一凸台3130上还设置有第五通孔3131，以将限位盘3100固定于旋转关节固定件2300上，进而将可变限位组件3000固定于旋转关节固定件2300上。

第一凸台3130上还设置有第一穿线孔3132，为与关节绝对位置感应板4000相连的信号线和电力线的穿过提供空间。

第一凸台3130上还设置有第一让位孔3133，以避免安装时可变限位组件3000与减速器2200发生干涉。

可选的，第五通孔3131可为沉头孔，以降低第一凸台3130的表面的加工要求。

可选的，结合图4与图8，在限位盘3100的平面上还设置有关节绝对位置感应板固定孔3140，关节绝对位置感应板4000上还设置有限位盘连接孔4010，关节绝对位置感应板固定孔3140与限位盘连接孔4010相匹配，以通过螺栓将关节绝对位置感应板4000固定在限位盘3100上。

进一步地，结合图9与图10，图9为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中旋转关节固定件的一个视角的结构示意图，图10为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中旋转关节固定件的另一个视角的结构示意图，旋转关节固定件2300包括：第二连接部2320和第二传动部2330。

第二传动部2330为圆盘形。

第二连接部2320固定在第二传动部2330的圆弧形曲面上。

第二连接部2320上设置有第六通孔2321，以通过螺栓与外骨骼机器人的其他部件连接。

第二连接部2320上还设置有第二凸台2322，第二凸台2322内部设置有开放空间2323，为姿态检测电路板6000和电机驱动器7000提供安装空间。

开放空间2323的开口端面向驱动电机1000。

第二凸台2322的底部的形状与减速器2200的外缘尺寸相匹配，以避免安装时旋转关节固定件2300与减速器2200发生干涉。

第二凸台2322上还设置有第二穿线孔2324，为与姿态检测电路板6000和电机驱动器7000相连的信号线和电力线的穿过提供了空间。

第二凸台2322上还设置有第二螺纹孔2325，以通过螺钉固定姿态检测电路板6000和电机驱动器7000。

第二传动部2330的平面上还设置有第三螺纹孔2331，第三螺纹孔2331与第五通孔3131相匹配。

第二传动部2330的平面上还设置有第七通孔2332。

第二传动部2330的平面上还设置有第四螺纹孔2333。

旋转关节固定件2300上还设置有第二让位孔2340，以防止安装时旋转关节固定件2300和第二凸台2322与减速器2200发生干涉。

可选的，第二传动部2330的面向与驱动电机1000的平面上还设置有密封圈槽2334，以安装电机端密封圈(图中未示出)。

可选的，第六通孔2321可为沉头孔，以降低第二连接部2320的表面的加工要求。

可选的，第七通孔2332可为沉头孔，以降低第二传动部2330的表面的加工要求。

进一步地，如图4所示，本实施例提供的外骨骼机器人关节还包括轴套8000。轴套8000位于第一通孔2310内，并套在输出轴1100上。

如图11所示，图11为本实用新型第二实施例提供的外骨骼机器人关节中轴套的结构示意图，轴套8000上设置有第三凸台8100和法兰盘8200。

第三凸台8100、法兰盘8200同轴与轴套8000同轴。

第三凸台8100的圆弧形曲面上设置有至少三个第五螺纹孔8110，以调整输出轴1100在轴套8000中的位置。图中以四个第五螺纹孔8110为例，相邻的第五螺纹孔8110的轴线的夹角为90°。

法兰盘8200上设置有第八通孔8210，第八通孔8210与第七通孔2332相匹配。

可选的，第八通孔8210可为沉头孔，以降低法兰盘8200的表面的加工要求。

进一步地，如图4所示，驱动电机1000为盘式电机。

驱动电机1000的面向于旋转关节固定件2300的一侧的平面上设置有的第六螺纹孔1200，第六螺纹孔1200和第八通孔8210相匹配，以通过螺钉将驱动电机1000、旋转关节固定件2300和轴套8000连接在一起。

进一步地，如图4所示，本实施例提供的外骨骼机器人关节还包括电机外壳罩9000。

电机外壳罩9000的内缘尺寸与驱动电机1000的输出端尺寸相匹配。

电机外壳罩9000上设置有第三让位孔9100，以防止安装时电机外壳罩9000与驱动电机1000发生干涉。

电机外壳罩9000上还设置有第九通孔9200，第九通孔9200与第四螺纹孔2333相匹配，以通过螺钉将电机外壳罩9000固定于旋转关节固定件2300上。

可选的，第九通孔9200可为沉头孔，以降低电机外壳罩9000的表面的加工要求。

本实施例提供的外骨骼机器人关节，第一方面，传动组件封装于该驱动电机和该可变限位组件之间，故该外骨骼机器人关节机构紧凑、体积小。第二方面，由于具有可变限位组件，限制和调整传动组件的运动范围，故该外骨骼机器人关节可根据不同关节对运动范围的要求调整传动组件的运动范围，通用性强。第三方面，由于设置有第一连接部和第二连接部，第一连接部和第二连接部提供了对外机械接口，故该外骨骼机器人关节可灵活地与外骨骼机器人的其他零件连接，通用性得到进一步增强。第四方面由于具有反馈控制系统，故外骨骼机器人关节的运动更加精确。第五方面由于设置有第一穿线孔和第二穿线孔，为信号线和电力线的布置提供了空间，故进一步紧凑了该外骨骼机器人关节的结构，减小了该外骨骼机器人关节的体积，同时还对外提供了数据接口，故还进一步加强了该外骨骼机器人关节的通用性。第六方面，由于设置有让位孔，故在避免了安装时产生干涉的前提下，使该外骨骼机器人关节结构更加紧凑，进一步减小了该外骨骼机器人关节的体积。第七方面，由于各零件均通过螺纹连接，故该外骨骼机器人关节的拆装方便。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

需要说明的是，虽然单个该外骨骼机器人关节仅能使与其相连的外骨骼机器人的其他部件在一个二维平面内转动，但是通过多个该外骨骼机器人关节的组合连接，例如将两个该外骨骼机器人关节相互垂直的连接，即可形成万向转向节，使与其相连的外骨骼机器人的其他部件在三维空间内转动。

以上为对本实用新型所提供的外骨骼机器人关节的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。