CN103536378A - 一种假肢臂差动关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种假肢臂差动关节机构，包括支架和固定于支架上的两电机、两减速机构、两传动机构和差动齿轮关节机构，两电机的输出轴分别依次连接两减速机构、两传动机构和差动齿轮关节；差动齿轮关节包括第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴和第三锥齿轮轴，第一锥齿轮轴和第二锥齿轮轴均与第三锥齿轮轴啮合，第一和第二锥齿轮轴的轴端分别作为第一和第二驱动端；当两电机同向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的前屈或后伸运动；当两电机反向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的外展或内收运动。本发明在保证功率和两自由度的情况下简化了结构，解决了现有关节体积和重量过大的问题。

Description

一种假肢臂差动关节机构

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种假肢臂差动关节机构。

背景技术

为了提高残疾人士的生活自理能力，研发小巧、轻质的假肢成为当务之急。在假肢臂的研发中，关节机构是其核心内容。如今，研究者急需解决假肢臂关节设计的以下困境：一方面，假肢臂需要具有相当的功率以便操作具有一定质量的物体；而另一方面，假肢臂需要具有较小的体积和较轻的重量以使使用者感觉舒适。目前，传统的假肢臂关节常常采用电机、齿轮减速器和驱动、传动方法和旋转、平移副的关节方法。在这些方法中，每个关节只能实现一个自由度，由一个电机提供功率，而且驱动和传动与关节直接连接，这些因素使得关节的体积大、重量大、不美观，同时也使得假肢臂上多个关节的布局十分困难。现有假肢为了避免上述关节问题，常常采用减少自由度数的方法，然而这样会极大地减小假肢臂的灵巧性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种假肢臂的关节机构，在保证功率和两自由度的情况下简化了结构，解决了现有关节体积、重量过大的问题。

一种假肢臂差动关节机构，包括支架和固定于支架上的第一电机、第一减速机构、第一传动机构、第二电机、第二减速机构、第二传动机构和差动齿轮关节机构，第一电机的输出轴依次连接第一减速机构、第一传动机构和差动齿轮关节的第一驱动端，第二电机的输出轴依次连接第二减速机构、第二传动机构和差动齿轮关节的第二驱动端；

所述差动齿轮关节包括第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴和第三锥齿轮轴，第一锥齿轮轴和第二锥齿轮轴均与第三锥齿轮轴啮合，第一和第二锥齿轮轴的轴端分别作为第一和第二驱动端；当两电机同向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的前屈或后伸运动；当两电机反向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的外展或内收运动。

进一步地，所述第一和第二传动机构采用同步带传动机构。

进一步地，所述同步带传动机构包括小带轮、同步带、张紧轮和大带轮，小带轮通过同步带连接大带轮，张紧轮用于调整同步带张力。

进一步地，所述第一和第二减速机构采用谐波减速机构。

进一步地，所述谐波减速机构包括谐波减速器、第一圆珠滚子轴承、第二圆珠滚子轴承、法兰和端盖，谐波减速器的输出轴侧壁通过第一圆珠滚子轴承和法兰连接支架，谐波减速器的输出轴端部通过第二圆珠滚子轴承连接端盖，端盖固定于支架。

本发明的技术效果体现在：

当电机旋转时，输出轴带动谐波减速器旋转，谐波减速器输出轴带动小带轮旋转，小带轮通过同步带将运动传递给大带轮，从而带动差动齿轮关节工作。本发明中的差动齿轮关节是假肢臂的肘关节，为了简化运动的合成，组成差动齿轮的三个齿轮轴设计成具有相同的锥齿轮，可实现两个自由度的运动。当两台电机同向等速旋转时，关节能够完成前屈和后伸动作；当两台电机反向等速旋转时，关节能够完成外展和内收动作。

为了尽量减小驱动系统与关节的体积和重量，本发明采用了差动锥齿轮机构，它能够以很小的体积实现两自由度的假肢关节。同时，差动关节的两个自由度的运动的力矩由两个电机提供，使得在输出力一定的条件下，驱动和传动系统的体积得到极大的减小。

现有的关节大多数采用电机和齿轮减速器组合方式驱动关节机构运动，电机和齿轮减速器一般整体安装在假肢关节处，体积庞大，非常笨重。本发明进行了改进，选用电机、谐波减速器和同步带传动机构的组合方式，电机和谐波减速器放置于远离关节的上臂，同步带传动机构将电机输出的动力传递到关节机构，并且谐波减速器体积小、减速比大，使得假肢臂关节处在外形和运动上更加美观、拟人和小巧。

附图说明

图1为本发明主视图。

图2为本发明侧视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为张紧轮主视图。

图5为图4的B-B剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合附图和实例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明实施例包括支架1、第一电机2、第一谐波减速机构3、第一同步带传动机构4、第二电机5、第二谐波减速机构6、第二同步带传动机构7、差动齿轮关节机构8。所述第一电机2、第二电机5、第一谐波减速器3、第二谐波减速机构6固定在支架1上。第一电机2和第一谐波减速机构3连接，第二电机5和第二谐波减速机构6连接。第一谐波减速机构3和第一同步带传动机构4连接，第二谐波减速机构6和第二同步带传动机构7连接。第一同步带传动机构4和第二同步带传动机构7分别和差动齿轮关节机构8连接。当电机旋转时，其输出轴带动谐波减速机构旋转，谐波减速机构输出轴通过同步带传动机构带动差动齿轮关节机构实现关节运动。

支架为其他部件提供机械支撑。如图1和2所示，所述支架1包括第一连接架1-1、电机支架1-2、第一谐波减速器输出轴支架1-3、第二谐波减速器输出轴支架1-4、第一连接板1-5、第二连接板1-6、第一锥齿轮支架1-7和第二锥齿轮支架1-8。第一连接架1-1通过螺钉与电机支架1-2、第一谐波减速器输出轴支架1-3和第二谐波减速器输出轴支架1-4固定。第一连接板1-5和第二连接板1-6通过螺钉固定电机支架1-2、第一谐波减速器输出轴支架1-3和第二谐波减速器输出轴支架1-4。差动齿轮关节机构的第一锥齿轮支架1-7通过螺钉固定在电机支架1-2、第一谐波减速器输出轴支架1-3和第二谐波减速器输出轴支架1-4上，并为差动齿轮关节机构8提供支撑。

如图3所示。第一电机2和第二电机5通过螺钉固定在电机支架1-2上。第一电机2和第二电机5作为动力源，可采用直流伺服电机、步进电机和交流电机等。在同一种电机内优选小型盘式电机，这使得本发明在外形和运动上更加小巧。

第一谐波减速机构包括：第一谐波减速器3-1、第一圆珠滚子轴承3-3、第二圆珠滚子轴承3-4、第一法兰3-5、第一端盖3-6。第二谐波减速机构包括：第二谐波减速器6-1、第六圆珠滚子轴承6-3、第七圆珠滚子轴承6-4、第三法兰6-5、第二端盖6-6。第一谐波减速器3-1通过螺钉固定在电机支架1-2上并与第一电机2相连。第一谐波减速器的输出轴3-2通过第一圆珠滚子轴承3-3、第二圆珠滚子轴承3-4、第一法兰3-5与谐波减速器输出轴支架1-3和第一端盖3-6相连。第二谐波减速器6-1通过螺钉固定在电机支架1-2上，并与第二电机5相连。第二谐波减速器的输出轴6-2通过第六圆珠滚子轴承6-3、第七圆珠滚子轴承6-4和第三法兰6-5与第二谐波减速器输出轴支架1-4和第二端盖6-6相连。谐波减速器输出轴支架为谐波减速器输出轴提供机械支撑，法兰用于圆柱滚子轴承的轴向定位，端盖主要起到防止谐波减速器输出轴摆动作用，除此之外还能够防止同步带传动机构的小带轮滑出。

如图2、图3所示，同步带传动机构包括：第一同步带传动机构4和第二同步带传动机构7。第一同步带传动机构4包括：第一小带轮4-1、第一同步带4-2、第一张紧轮4-3、第一大带轮4-4。第二同步带传动机构7包括：第二小带轮7-1、第二同步带7-2、第二张紧轮7-3、第二大带轮7-4。第一小带轮4-1通过平键周向固定在第一谐波减速器输出轴上，第一同步带4-2两端分别通过齿与第一小带轮4-1和第一大带轮4-4啮合，第一大带轮4-4通过平键与差动齿轮关节机构的第一齿轮轴固定。第二小带轮7-1通过平键周向固定在第二谐波减速器输出轴上，第二同步带7-2的两端分别通过齿与第二小带轮7-1和第二大带轮7-4啮合，第二大带轮通过平键与第二齿轮轴固定。第一张紧轮4-3和第二张紧轮7-3分别固定在第一和第二谐波减速器支架上，用于张紧同步带。

如图4、图5所示。第一张紧轮4-3包括：第一张紧轴4-3A、第一张紧轴套4-3B、第一张紧螺母4-3C、第一张紧圆珠滚子轴承4-3D、第二张紧圆珠滚子轴承4-3E、第一卡簧4-3F、第一张紧环4-3G。第二张紧轮与第一张紧轮结构相同。第一张紧轴套具有偏心结构，通过螺母4-3C固定在第一张紧轴4-3A上。第一张紧圆珠滚子轴承4-3D和第二张紧圆珠滚子轴承4-3E通过卡簧轴向固定。第一张紧环套在第一张紧圆珠滚子轴承4-3D和第二张紧圆珠滚子轴承4-3E上。通过旋转第一张紧轴套4-3B可以调整第一张紧轮和第一同步带的距离，从而调整张紧程度。

如图3所示，差动齿轮关节8包括：第一锥齿轮轴8-1、第三圆珠滚子轴承8-2、第四圆珠滚子轴承8-3、第五圆珠滚子轴承8-4、第二法兰8-5。第二锥齿轮轴8-6、第四圆珠滚子轴承8-7、第五圆珠滚子轴承8-8、第六圆珠滚子轴承8-9、第四法兰8-10。第三锥齿轮轴8-11，第十一圆珠滚子轴承8-12、第十二圆珠滚子轴承8-13、第十三圆珠滚子轴承8-14、第一套筒8-15、第二套筒8-16、第一螺母8-17、第二螺母8-18、挡圈8-19、第五法兰8-20、第二连接架8-21。

差动齿轮关节由第一锥齿轮轴8-1、第二锥齿轮轴8-6和第三锥齿轮轴8-11啮合而成。第一锥齿轮轴8-1的轴端通过第三圆珠滚子轴承8-2和第二法兰8-5连接在第一锥齿轮支架1-7上，通过第四圆珠滚子轴承8-3和第五圆珠滚子轴承8-4与第二锥齿轮支架1-8连接。第二锥齿轮轴8-6通过第四圆珠滚子轴承8-7和第四法兰8-10连接在第一锥齿轮支架1-7上，通过第五圆珠滚子轴承8-8和第六圆珠滚子轴承8-9与第二锥齿轮支架1-8连接。第三锥齿轮轴8-11通过第十一圆珠滚子轴承8-12、第十二圆珠滚子轴承8-13与第二锥齿轮支架1-8连接，通过第十三圆珠滚子轴承8-14、第五法兰8-20与第二连接架8-21相连接。第十三圆珠滚子轴承8-14通过第一套筒8-15和第二套筒轴8-16向固定。第二套筒8-16通过挡圈8-19、第一螺母8-17和第二螺母8-18轴向固定。第一锥齿轮支架1-7为第一锥齿轮轴8-1和第二锥齿轮轴8-6提供机械支撑，并进行轴向定位；第二锥齿轮支架1-8为第三锥齿轮轴8-11提供轴向定位。当两电机同向转动，则在同步带传动机构的带动下，两齿轮轴8-1，8-6协作带动与其啮合的第三锥齿轮轴8-11旋转，完成关节的前屈或后伸运动；当两电机反向转动，则在同步带传动机构的带动下，两齿轮轴8-1，8-6协作带动与其啮合的第三锥齿轮轴8-11旋转，完成关节的外展或内收运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种假肢臂差动关节机构，包括支架和固定于支架上的第一电机、第一减速机构、第一传动机构、第二电机、第二减速机构、第二传动机构和差动齿轮关节机构，第一电机的输出轴依次连接第一减速机构、第一传动机构和差动齿轮关节的第一驱动端，第二电机的输出轴依次连接第二减速机构、第二传动机构和差动齿轮关节的第二驱动端；

所述差动齿轮关节包括第一锥齿轮轴、第二锥齿轮轴和第三锥齿轮轴，第一锥齿轮轴和第二锥齿轮轴均与第三锥齿轮轴啮合，第一和第二锥齿轮轴的轴端分别作为第一和第二驱动端；当两电机同向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的前屈或后伸运动；当两电机反向转动，驱使第一和第二齿轮轴协作带动第三锥齿轮轴旋转，完成关节的外展或内收运动。

2.根据权利要求1所述的假肢臂差动关节机构，其特征在于，所述第一和第二传动机构采用同步带传动机构。

3.根据权利要求2所述的假肢臂差动关节机构，其特征在于，所述同步带传动机构包括小带轮、同步带、张紧轮和大带轮，小带轮通过同步带连接大带轮，张紧轮用于调整同步带张力。

4.根据权利要求1所述的假肢臂差动关节机构，其特征在于，所述第一和第二减速机构采用谐波减速机构。

5.根据权利要求4所述的假肢臂差动关节机构，其特征在于，所述谐波减速机构包括谐波减速器、第一圆珠滚子轴承、第二圆珠滚子轴承、法兰和端盖，谐波减速器的输出轴侧壁通过第一圆珠滚子轴承和法兰连接支架，谐波减速器的输出轴端部通过第二圆珠滚子轴承连接端盖，端盖固定于支架。

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