CN107690375A - 轻便式动力关节装置和下肢助力外骨骼设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻便式动力关节装置和下肢助力外骨骼设备及其控制方法。一种轻便式动力关节装置，包括关节主体，及设于关节主体外侧的动力装置，所述关节主体包括上臂，与上臂旋转联接的下臂；所述上臂或下臂设有安装腔；所述动力装置设有传动机构，且设于安装腔内侧；所述动力装置固定于下臂或上臂，并通过传动机构驱动上臂或下臂旋转运动。本发明体积小，结构简单，生产成本低，可靠性高，集成程度高，控制精确。

Description

轻便式动力关节装置和下肢助力外骨骼设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及穿戴设备技术领域，更具体地说是指一种轻便式动力关节装置和下肢助力外骨骼设备及其控制方法。

背景技术

机器人领域广泛地需要应用动力关节，用于人体可穿戴的外骨骼机器人一般带有多个动力关节，这些动力关节一方面需要承载人体穿戴使用时施加的多个方向的压力及扭力，另一方面还需要集成力传感器、角度传感器以及电机旋转编码器；与此同时，还需要动力关节体积小、重量轻，成本低。

现有技术中，一般电机选用扁平的盘式电机，减速机采用谐波减速机，这样可以使得动力关节轴向尺寸较小。上臂和下臂的连接结构方面，一些方案为了简化设计，把上臂及下臂分别与谐波减速机的柔轮及钢轮固定在一起，如哈尔滨工业大学2011年硕士论文《外骨骼下肢助力机器人技术研究》中披露这种方案，该方法会导致上下臂不在一个平面上，关节承力时会产生很大的侧向扭矩，容易损坏关节；论文《Mechanical Design oftheHanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014中也披露类似方案；为减少上述方案中侧向扭矩的影响，可以采用交叉滚子轴承，但成本代价较高，且不能从根本上解决问题。

现有技术中，控制电机需要采用旋转编码器，现有方案均采用光电式旋转编码器，体积大、成本高，造成动力关节设计复杂；论文《Mechanical Design ofthe HanyangExoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014、论文《Design ofan electricallyactuatedlower extremity exoskeleton》(AdvancedRobotics,Vol.20,No.9,pp.967–988(2006))以及中国专利201620267410.7中均披露相同的方案。

现有技术中，测量电机的输出扭矩有些采用扭矩传感器，如论文《MechanicalDesign ofthe Hanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014披露了此类方案，此方案的成本代价、体积大且重量大；有些采用压力传感器来测量电机输出扭矩，论文《Design of an electrically actuated lower extremity exoskeleton》(AdvancedRobotics,Vol.20,No.9,pp.967–988(2006))中披露了此类方案，此方案结构较为复杂、对于安装精度要求很严格，且成本比较高。

现有技术中，动力关节中不包含专门测量上臂和下臂相对角度的方案，一般用电机编码器来估算上下臂的相对角度，此方案的问题是每次上电需要校准，精度难以保证；论文《Mechanical Design ofthe Hanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014以及论文《Design of an electrically actuated lower extremityexoskeleton》(Advanced Robotics,Vol.20,No.9,pp.967–988(2006))均未披露专门测量上下臂相对角度的方案。

现有技术中，专利201611189733.X提到一种用于外骨骼的动力关节装置，所述装置带有扭矩传感器、电机编码器以及角度传感器，但其采用谐波减速机实现减速，成本代价高，且扭矩传感器相关结构体积较大，不美观。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种轻便式动力关节装置和下肢助力外骨骼设备及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轻便式动力关节装置，包括关节主体，及设于关节主体的动力装置，所述关节主体包括上臂，与上臂旋转联接的下臂；所述上臂或下臂设有安装腔；所述动力装置设有传动机构，且设于安装腔内侧；所述动力装置固定于下臂或上臂，并通过传动机构驱动上臂或下臂旋转运动。

其进一步技术方案为：所述下臂包括第一下臂板及第二下臂板，且第一下臂板及第二下臂板之间形成所述的安装腔；所述下臂设有贯穿第一下臂板及第二下臂板的第一通孔；所述第一下臂板于第一通孔外侧设有有凸台，且凸台外壁与设有的第一承力轴承内壁连接；所述第二下臂板的第一通孔中嵌有第二承力轴承；所述上臂包括第一上臂板和第二上臂板，且第一上臂板近于第一下臂板设有套合于第一承力轴承外侧的第二通孔；所述第二上臂板与第二下臂板通过第二承力轴承旋转联接。

其进一步技术方案为：所述动力装置包括电机，与电机传动联接的传动机构；所述电机固定于下臂外侧，且近于第一通孔，并通过第一通孔与传动机构联接；所述传动机构包括与电机动力输出端传动联接的一级小带轮，与一级小带轮传动联接的一级大带轮，与一级大带轮同轴的二级小带轮，及与二级小带轮传动联接的二级大带轮；所述一级大带轮与一级小带轮、二级大带轮与二级小带轮均通过设有的同步带传动联接；所述二级大带轮固定于上臂设有的动力输出轴；所述二级大带轮通过所述的第二承力轴承与上臂旋转联接，且二级大带轮与第二承力轴承固定联接的轴端为中空结构；所述动力输出轴固定于设有的第三承力轴承，且所述第三承力轴承固定联接于二级大带轮轴端的中空结构内，以使动力输出轴与二级大带轮具有相对运动；所述电机通过传动机构驱动上臂相对于下臂旋转运动。

其进一步技术方案为：还包括力矩测量机构，所述力矩测量机构为扭矩传感器；所述二级大带轮为中空结构，以使扭矩传感器设置于二级大带轮的中空结构内；所述扭矩传感器包括力矩输入端和力矩输出端，所述力矩输入端与所述二级大带轮固定联接，所述力矩输出端与所述动力输出轴固定联接；其中，所述扭矩传感器包括外环、内环以及联接于外环与内环之间的若干个桥接梁；所述外环为力矩输入端，内环为力矩输出端；所述桥接梁均布有若干个应力片；所述力矩测量机构设于二级大带轮与动力输出轴之间，通过二级大带轮带动动力输出轴转动产生的微小变形，以测量出上臂与下臂的相互力矩。

其进一步技术方案为：包括第一角度测量机构；所述第一角度测量机构包括第一磁体和第一磁场感应电路；所述第一磁体固定联接于电机动力输出端或一级小带轮；所述第一磁场感应电路固定联接于安装腔设有的传感器板，且第一磁场感应电路近于第一磁体；所述电机旋转带动电机转轴旋转，进而带动第一磁体旋转，所述第一磁场感应电路通过感应第一磁体的转动角度从而测量电机相对下臂的旋转角度。

其进一步技术方案为：还包括第二角度测量机构，所述第二角度测量机构包括第二磁体和第二磁场感应电路；所述第二磁体固定联接在动力输出轴、二级大带轮；所述第二磁场感应电路设置于安装腔设有的传感器板，且靠近于所述第二磁体；所述动力输出轴、二级大带轮旋转，进而带动第二磁体旋转，第二磁场感应电路通过感应第二磁体的转动角度，从而测量上臂相对下臂的旋转角度。

其进一步技术方案为：还包括设于下臂外侧的同步带张紧机构；所述一级大带轮和二级小带轮的共用轴两端均与同步带张紧机构固定联接；所述同步带张紧机构包括与下臂滑动联接的张紧滑块，固定于下臂外侧的固定凸起，及活动联接于固定凸起的张紧拉杆；所述张紧拉杆一端与张紧滑块固定联接，且另一端于固定凸起外侧设有螺纹延伸部，所述螺纹延伸部与设有的张紧螺母螺纹连接；

通过旋转张紧螺母以使张紧拉杆相对于下臂的运动，从而带动一级大带轮和二级小带轮相对于下臂运动，实现同步带的张紧或松开。

其进一步技术方案为：所述动力输出轴设有若干条径向切缝，以吸收动力输出轴安装或工作中产生的微小形变。

其进一步技术方案为：所述二级大带轮两侧或一侧设有用于安装扭矩传感器的安装面；所述安装面径向均布有若干个舌片状悬臂结构；所述悬臂结构用于吸收所述扭矩传感器安装或工作中轴向方向产生的微小形变。

其进一步技术方案为：所述动力输出轴为中空结构，且与下臂侧面设有的出线孔相联通；所述动力输出轴的中空结构与出线孔均用于贯穿设有的电缆。

其进一步技术方案为：所述上臂或下臂于相对运动的两端设有限位块；所述二个限位块之间的夹角为70—150°；所述限位块近于运动一侧设有缓冲块。

一种下肢助力外骨骼设备，包括助力支架，所述助力支架包括上述的动力关节装置，还包括腰部结构、大腿杆、小腿杆以及足部结构；所述腰部结构和大腿杆之间、所述大腿杆和小腿杆之间均通过动力关节装置连接；所述腰部结构与大腿杆之间、大腿杆与小腿杆之间的相对伸展或弯曲均通过动力关节装置的电机控制。

其进一步技术方案为：所述动力关节装置的下臂与大腿杆之间、动力关节装置的下臂与小腿杆之间均设有用于适应不同人体的长度调节锁紧结构；所述小腿杆的下端与足部结构通过踝关节轴联接；所述动力关节装置上端通过髋关节外展轴与腰部结构联接；所述大腿杆、小腿杆的下端均向人体弯曲以贴近人体。

其进一步技术方案为：还包括助力支架、电源系统、控制系统以及人机连接结构，所述电源系统均与动力关节装置的电机、控制系统电性连接，为两者提供能源；所述控制系统与电机电性连接，以控制电机的转动；所述力矩测量机构、第一角度测量机构及第二角度测量机构均与控制系统电性连接；所述人机连接结构包括护腰、腰部绑带、大腿和/或小腿绑带以及足部绑带；所述人机连接结构与人体对应部位固定联接；所述人机连接与助力支架之间还包括力传感器，所述力传感器包括以下一种或多种：护腰与腰部结构之间的背部力传感器、腰部绑带与腰部结构之间的髋部力传感器、大腿绑带与大腿杆之间的大腿力传感器；所述力传感器均与控制系统电性连接。

一种下肢助力外骨骼设备的控制方法，动力装置的传动机构设置于关节主体的安装腔内，并在传动机构上设置的第一角度测量机构测量电机与关节主体的下臂旋转角度，第二角度测量机构测量关节主体的上臂与下臂之间的旋转角度，力矩测量机构计算传动机构与上臂的力矩，然后将测量的数据传输至控制系统，经过控制系统对数据对比运算后，输出相应的信号以控制电机的转速，从而控制上臂与下臂二者之间的相对旋转运动；并且，腰部的动力关节装置的上臂与腰部结构固定联接、下臂与大腿杆固定联接，膝部的动力关节装置的上臂与大腿杆固定联接、下臂与小腿杆固定联接，从而动力关节装置控制腰部结构与大腿杆、大腿杆与小腿杆之间的伸展与弯曲；再者，护腰与腰部结构之间的背部力传感器、设于腰部绑带与腰部结构之间的髋部力传感器、设于大腿绑带与大腿杆之间的大腿力传感器均与控制系统电性连接，各个力传感器检测到的数据通过控制系统的分析运算后，以控制腰部的动力关节装置与膝部的动力关节装置之间的转动，以控制腰部结构、大腿杆、小腿杆之间的协调运动。

本发明与现有技术相比的有益效果是：一种轻便式动力关节装置，动力装置通过设置在安装腔的传动机构驱动上臂或下臂运动，从而使上臂与下臂具有相对转动。并通过设有的力矩测量机构、第一角度测量机构、第一角度测量机构等数据与控制系统交换，以控制电机的转动，从而实现电机对上臂和下臂相互转动的控制。体积小，结构简单，生产成本低。

第一角度测量机构、力传感器和第二角度测量机构，能够同时对电机转动角度、上下臂相对转动角度和上臂受力情况进行测量，有助于外骨骼控制形态性能的提升，且成本低、可靠性高。

第一承力轴承和第二承力轴承分别位于所述下臂的空腔两侧，可以承载的侧向扭矩大，结构强度高。传动机构位于所述下臂的封闭腔外，选型适应性范围宽。第一磁体和第一磁场感应电路、第二磁体和第二磁场感应电路均采用非接触耦合方式实现了电机转动角度的测量，简单、轻薄、成本低，比现有集成式编码器方案，大大简化了机械结构设计复杂度；磁体和磁场感应电路之间没有接触，不会有磨擦，不会造成机械摩损，耐用性好；磁体产生的磁场是静态磁场，不易受环境干扰影响，可靠性高。

本发明还通过在动力输出轴和二级大带轮之间安装力传感器可以测量两者相互作用力，进而可以计算出相互作用扭矩；本发明的关节机构对于力传感器要求不高，且增加了误差补偿机构，不需采用昂贵而大质量的扭矩传感器，采用普通轻便的应变梁传感器即可，成本重量代价均低；安装方式更加灵活、方便。

上臂和所述下臂分布在一个平面上，所述关节装置在承受负载时不会产生侧向扭矩和剪切力，同等重量情况下承载强度更高；采用耐磨压块可以缓冲上臂和下臂触碰时的冲击力，防止触碰时磨损上臂和下臂，也可以保护力传感器免于因过量程冲击而损坏。

本发明一种下肢助力外骨骼设备，通过将动力关节装置设置于腰部结构和大腿杆之间以及大腿杆和小腿杆之间，以使腰部结构与大腿杆之间、大腿杆与小腿杆之间的相对伸展或弯曲均通过动力关节装置来实现。本发明结构简单、集成度高，采用本发明动力关节装置的下肢助力外骨骼，可以测量的信息增多，包括关节扭力、腰部结构与大腿杆之间的角度、大腿杆与小腿杆之间的角度以及动力装置中电机的转动角度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制。

附图说明

图1为本发明一种轻便式动力关节装置的实施例剖面图；

图2为图1的A处局部放大图；

图3为本发明一种轻便式动力关节装置的实施例主视图；

图4为本发明一种轻便式动力关节装置的扭矩传感器结构示意图；

图5为本发明一种轻便式动力关节装置的动力输出轴剖面示意图；

图6为本发明一种轻便式动力关节装置的二级大带轮扭矩传感器固定面示意图；

图7为本发明一种下肢助力外骨骼设备的结构示意图；

图8为本发明一种下肢助力外骨骼设备的电路方框图。

附图标记

1—关节主体；1A—髋关节主体；1B—膝关节主体；11—上臂；111—第一上臂板；112—第二上臂板；113—第二通孔；12—下臂；121—第一下臂板；122—第二下臂板；123—凸台；124—第一通孔；13—第一承力轴承；14—第二承力轴承；15—第三承力轴承；16—限位块；17—长度调节锁紧结构；18—安装腔；2—动力装置；20—传动机构；21—电机；211—电机定子；212—电机转子；213—电机转轴；214—电机转轴轴承；22—电机连接板；23—一级小带轮；24—一级大带轮；25—二级小带轮；26—二级大带轮；261—舌片状悬臂结构；27—动力输出轴；271—切缝；28—张紧机构；281—张紧拉杆；282—张紧螺母；283—张紧滑块；284—固定凸起；29—同步带；3A—第一角度测量机构；3B—第二角度测量机构；30—电源系统；31—第一磁体；32—第一磁场感应电路；33—第二磁体；34—第二磁场感应电路；35—传感器板；4—扭矩传感器；40—控制系统；41—外环；42—内环；43—桥接梁；5—陀螺仪/加速度计；6—线缆；100—助力支架；101—动力关节装置；103—腰部结构；104—大腿杆；105—小腿杆；106—足部结构；107—髋关节外展轴；108—踝关节轴；200—人机连接结构；201—护腰；202—腰部绑带；203—大腿绑带；204—足部绑带；301—背部力传感器；302—髋部力传感器；303—大腿力传感器。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1—图6所示，为本发明一种轻便式动力关节装置实施例的具体结构视图。

一种轻便式动力关节装置，如图1—图3所示，包括关节主体1，及设于关节主体1外侧的动力装置2。关节主体1包括上臂11，与上臂11旋转联接的下臂12。上臂11或下臂12设有安装腔18。动力装置2设有传动机构20，且设于安装腔18内侧。动力装置2固定于下臂11或上臂12，并通过传动机构20驱动上臂11或下臂12旋转运动。同时，传动机构20具有减速的作用。

下臂12由分别带有下臂11通孔和凹腔的第一下臂板121和第二下臂板122组成。所述第一下臂121通孔外侧带有凸台123，所述凸台123外壁与第一承力轴承13内壁连接。所述第二下臂122的第一通孔124内侧与第二承力轴承14外壁连接，所述第一下臂121和第二下臂122连接在一起形成盒状结构。所述上臂11由分别带有通孔和凹腔的第一上臂板111和第二上臂板112组成，所述第一上臂板111的第二通孔113套在第一承力轴承13外壁上，所述第二上臂板112套在所述第三承力轴承15的内壁上，所述第一上臂板111和第二上臂板112上端连接在一起形成叉状结构。所述第一下臂板121的第一通孔124和第二下臂板122的第一通孔124共轴，所述上臂11可以绕所述下臂12自由转动。采用所述关节主体1中承力中心偏向右侧，有利于与机械外骨骼其他结构连接，穿戴更贴身更舒适。安装腔可设置在下臂，也可以设置在上臂，增加设计的灵活性，有利于加工和安装。

所述动力装置2采用两级同步传动，第一级同步传动包括一级大带轮24、一级小带轮23和一级同步带29，第二级同步传动包括二级大带轮26、二级小带轮25和二级同步带29。所述一级小带轮23与电机转轴213共轴联接，所述二级大带轮26与动力输出轴27共轴联接，所述一级大带轮24与二级小带轮25共轴相连(其中，二级小带轮25为同轴轮，在转轴上直接车削出轮型)。所述一级小带轮23与一级大带轮24通过一级同步带29传动联接；所述二级小带轮25与二级大带轮26通过二级同步带29传动联接。所述第一下臂板121的第一通孔124内设有电机转轴轴承214，所述电机转轴213与所述电机转轴轴承214内壁连接，穿过所述第一下臂板121的的第一通孔124与一级小带轮23共轴相连。所述第二下臂板122上的第一通孔124内带有第二承力轴承14，所述二级大带轮26转轴与所述第二承力轴承14的内壁固定联接。所述二级大带轮26与第二承力轴承14固定的一端的转轴部为中空结构，且中空结构内设有第三承力轴承15。所述第二上臂板112设有朝内安装腔18方向的凸起轴(图中未做标注)，所述凸起轴与所述第三承力轴承15内壁连接。所述凸起轴并与动力输出轴27一端固定联接(即动力输出轴27与第二上臂板112固定联接)，以使动力输出轴27转动能够带动所述上臂11一起转动。具体的，动力输出轴27通过第三承力轴承15与二级大带轮26相对转动，二级大带轮26通过第二承力轴承14与上臂11相对转动，从而动力输出轴27驱动与之固定联接的上臂11运动。

所述动力装置2包括电机21、与电机21传动联接的传动机构20。传动机构20包括同步带轮、同步带29以及动力输出轴27。所述电机21带有电机转子212和电机定子211。所述电机转子212与电机转轴213连接，所述电机定子211与电机连接板22固定联接，所述电机连接板22与所述第一下臂板121固定联接。所述电机21选用盘式外转子电机，电机转子212与电机转轴213紧密固定在一起，电机转子212的旋转带动所述电机转轴213一起旋转，带动一级小带轮23旋转，再通过同步带29顺次带动一级大带轮24、二级小带轮25、二级大带轮26以及动力输出轴27旋转，进而带动所述上臂11一起转动。

本发明动力关节装置101中，还包括力矩测量机构。所述力矩测量机构为扭矩传感器4，所述二级大带轮26为中空结构，所述扭矩传感器4位于其内。所述扭矩传感器4包括力矩输入端和力矩输出端。所述扭矩传感器4的力矩输入端与所述二级大带轮26固定联接，所述扭矩传感器4的力矩输出端与所述动力输出轴27固定联接，即力矩测量机构设于二级大带轮26与动力输出轴27之间。所述动力输出轴27与所述第二上臂板112固定联接。所述电机21转动带动同步带轮23-26转动，进而带动扭矩传感器4转动；扭矩传感器4输出端带动动力输出轴27转动，最终带动与其固定联接的上臂11转动；从而可以测量出所述上臂11和二级大带轮26之间的相互作用力矩。

本发明动力关节装置101中，还包括第一角度测量机构3A。所述第一角度测量机构3A包括第一磁体31和第一磁场感应电路32。所述第一磁体31连接在电机转轴213或一级小带轮23上，并且安装在安装腔18内。所述第一磁场感应电路32设置于安装腔18内侧设有的传感器板35上，且靠近所述第一磁体31。所述传感器板35位于第一下臂板121腔体内并与第一下臂板121固定联接。所述电机21旋转带动电机转轴213旋转，进而带动第一磁体31旋转；所述第一磁场感应电路32通过感应第一磁体31的转动角度从而测量电机31相对下臂12的旋转角度。

本发明动力关节装置101中，还包括第二角度测量机构3B，所述第二角度测量机构3B包括第二磁体34和第二磁场感应电路33，所述第二磁体34连接在动力输出轴27或二级大带轮26上，并且安装在安装腔18内。所述第二磁场感应电路33设置于传感器板35上，并且靠近所述第二磁体34，所述传感器板35位于第一下臂板121腔体内并与第一下臂板121固定联接。所述二级大带轮26旋转带动动力输出轴27旋转，进而带动第二磁体34旋转，所述第二磁场感应电路33通过感应第二磁体34的转动角度从而测量上臂11相对下臂12的旋转角度。

采用第二磁体34和第二磁场感应电路33非接触耦合方式实现了上臂和下臂之间相对角度的测量，简单、轻薄、低成本、无磨损、可靠性高；采用所述进一步方案可在第一电机盖板的两侧同时安装第一磁场感应电路和第二磁场感应电路而不互相影响，集成度高、结构设计简单。

本发明动力关节装置101中，所述动力输出轴27为中空结构，所述第一下臂板121侧面带有出线孔，且与中空结构联通。所述动力关节装置101设有的线缆6穿过第二上臂板112出线孔、动力输出轴27的中空结构以及第一下臂板121的侧面出线孔，以使线缆6连接上臂11和下臂12。

本发明动力关节装置101中，还包括同步带张紧机构28，所述一级大带轮24和二级小带轮25的共用轴两端均与同步带张紧机构28固定联接。所述张紧机构28包括张紧拉杆281、张紧螺母282、张紧滑块283以及固定凸起284。所述一级大带轮24和二级小带轮25共用轴两侧固定在张紧滑块283上。所述张紧滑块283可以在所述下臂12上上下滑动，所述张紧拉杆281一端与一级大带轮24和二级小带轮25共用轴固定联接(也可以是张紧滑块283与一级大带轮24和二级小带轮25共用轴固定联接)，另一端带有螺纹与所述张紧螺母282配合，而且张紧拉杆281近于张紧螺母282活动联接在下臂12设有的固定凸起284上。所述张紧螺母282设置在所述下臂12上，通过旋转张紧螺母282以使所述张紧拉杆281相对于下臂12运动，从而带动一级大带轮24和二级小带轮25的共用轴相对下臂12运动，进而实现同步带29的张紧或松开。

如图4所示，本发明动力关节装置101所述的扭矩传感器4，所述扭矩传感器包括外环41、内环42以及桥接梁43。所述外环41为力矩输入端，内环42为力矩输出端，所述桥接梁43为测力梁，且桥接梁43上带有均布有若干个应力片。优选的，所述测力梁等间距分布。

如图5所示，本发明动力关节装置101所述的动力输出轴27上带有若干个径向切缝271。所述动力输出27轴能在切缝271处产生微小形变，以弥补安装和加工造成的误差，避免在所述误差给所述扭矩传感器4造成安装应力。

如图6所示，本发明动力关节装置101中，所述的二级大带轮26在两侧或一侧设有用于安装扭矩传感器4的安装面。所述安装面上径向均布有若干舌片状悬臂结构261，所述舌片悬臂结构261用于吸收在所述扭矩传感器4安装方向(即轴向方向)产生微小形变，以弥补安装和加工造成的误差，避免在所述误差给所述扭矩传感器4造成安装应力。

本发明动力关节装置101中，所述上臂11和下臂12在一个平面内相对转动，分别在伸展和收缩方向的两端的形成限位块16，所述上臂和下臂接触限位块16处设置有由缓冲耐磨材料形成的耐磨缓冲块。优选的，所述两个限位块16形成的夹角为70—150°，即是上臂11与下臂12的相互转动的角度为70—150°。

本发明动力关节装置101上还设有陀螺仪和/或加速度计5，用来测量所述动力关节运动角速度和/或加速度。陀螺仪和/或加速度计5设于下臂12的外侧。

一种下肢助力外骨骼设备，如图7—图8所示，包括助力支架100、电源系统30、控制系统40和人机连接结构200，所述助力支架100包括上述的动力关节装置101、腰部结构103、大腿杆104、小腿杆105以及足部结构106。所述动力关节装置101设置于腰部结构103和大腿杆104之间以及大腿杆104和小腿杆105之间。所述腰部结构103与大腿杆104之间、大腿杆104与小腿杆105之间的相对伸展或弯曲均通过动力关节装置101的电机21控制。

为了适用人体两条腿均能穿戴，此设备对称设置。

具体的，所述腰部结构103的下端通过髋关节外展轴107和髋关节主体1A的上臂11相连，所述大腿杆104的下端和膝关节主体1B的上臂11相连，大腿杆104和小腿杆105的上端分别连接关节主体1的下臂12。

所述关节主体1的下端带有滑槽，所述大腿杆104和小腿杆105的上端伸入所述滑槽且可以上下滑动，并且在所述关节主体1上设有锁紧螺栓，以形成长度调节锁紧结构17。所述关节主体1通过长度调节锁紧结构17与所述大腿杆104、所述小腿杆105调节长度后锁紧。所述小腿杆105的下端与足部结构106通过踝关节轴108连接。

所述控制系统40均与动力关节装置101中的第一角度测量机构3A、第二角度测量机构3B、力矩测量机构、陀螺仪/加速度计5以及电机21电性连接。所述控制系统40通过第一角度测量机构3A、第二角度测量机构3B、陀螺仪/加速度计5及力矩测量机构的测量结果来控制电机21的转动，进而电机21驱动所述腰部结构103与大腿杆104、大腿杆104与小腿杆105之间伸展或弯曲。所述电源系统30为电池组，与电机21和控制系统40电性连接，为两者提供电能。

所述人机连接结构200包括包括护腰201、腰部绑带202、大腿绑带203以及足部绑带204。人机连接结构200与人体对应部位固定联接，以使助力支架100与人体下肢联接牢固。

所述人机连接结构200与助力支架100之间还包括有力传感器，所述力传感器包括设于护腰201与腰部结构103之间的背部力传感器301、设于腰部绑带202与腰部结构103之间的髋部力传感器302、设于大腿绑带203与大腿杆104之间的大腿力传感器303；所述力传感器均与控制系统40电性连接。优选的，小腿杆105设有小腿绑带，小腿绑带小腿杆之105间的小腿力传感器。

为提高人体穿戴的舒适度，本实施例的下肢助力外骨骼装置结构中的大腿杆104、小腿杆105下端均向内弯曲以更好贴合穿戴者腿部，还有所述腰部结构103向内收缩以更好贴合穿戴者腰部。采用符合人体工学曲线的护背201连接穿戴者腰部与外骨骼装置的腰部结构103，使固定更加牢固，穿戴更加舒服。在腰部结构103和髋部动力关节101之间设置有髋关节外展轴107，方便穿戴者腿部外展和内收。

本实施例的下肢助力外骨骼装置结构紧凑贴身、集成度高，采用本发明的动力关节装置101作为下肢助力外骨骼的关节装置，可以测量的信息多，包括关节扭矩、腰部结构103与大腿之间的角度、角速度、加速度，大腿与小腿之间的角度、角速度、加速度以及电机21的转动角度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制。

一种下肢助力外骨骼设备的控制方法，其过程如下：动力装置2的传动机构20设置在关节主体1的安装腔18内，并在传动机构20上设置的第一角度测量机构3A测量电机21与关节主体1的下臂12旋转角度，第二角度测量机构3B测量关节主体1的上臂11与下臂12之间的旋转角度，力矩测量机构计算传动机构20与上臂的力矩，陀螺仪/加速度计5测量关节主体1的速度与加速度，然后将测量的数据传输至控制系统40，经过控制系统40对数据对比运算后，输出相应的信号以控制电机21的转速，从而控制上臂11与下臂12二者之间的相对旋转运动；并且，腰部的动力关节装置101的上臂11与腰部结构103固定联接、下臂12与大腿杆104固定联接，膝部的动力关节装置101的上臂11与大腿杆104固定联接、下臂12与小腿杆105固定联接，从而动力关节装置101控制腰部结构103与大腿杆104、大腿杆104与小腿杆105之间的伸展与弯曲；再者，护腰201与腰部结构103之间的背部力传感器301、设于腰部绑带202与腰部结构103之间的髋部力传感器302、设于大腿绑带203与大腿杆104之间的大腿力传感器303均与控制系统40电性连接，各个力传感器检测到的数据通过控制系统40的分析运算后，以控制腰部的动力关节装置101与膝部的动力关节装置101之间的转动，以控制腰部结构103、大腿杆104、小腿杆105之间的协调运动。

综上所述，本发明一种轻便式动力关节装置，动力装置通过设置在安装腔的传动机构驱动上臂或下臂运动，从而使上臂与下臂具有相对转动。并通过设有的力矩测量机构、第一角度测量机构、第一角度测量机构等数据与控制系统交换，以控制电机的转动，从而实现电机对上臂和下臂相互转动的控制。体积小，结构简单，生产成本低。

第一角度测量机构、力传感器和第二角度测量机构，能够同时对电机转动角度、上下臂相对转动角度和上臂受力情况进行测量，有助于外骨骼控制形态性能的提升，且成本低、可靠性高。

第一承力轴承和第二承力轴承分别位于所述下臂的空腔两侧，可以承载的侧向扭矩大，结构强度高。传动机构位于所述下臂的封闭腔外，选型适应性范围宽。第一磁体和第一磁场感应电路、第二磁体和第二磁场感应电路均采用非接触耦合方式实现了电机转动角度的测量，简单、轻薄、成本低，比现有集成式编码器方案，大大简化了机械结构设计复杂度；磁体和磁场感应电路之间没有接触，不会有磨擦，不会造成机械摩损，耐用性好；磁体产生的磁场是静态磁场，不易受环境干扰影响，可靠性高。

本发明还通过在动力输出轴和二级大带轮之间安装力传感器可以测量两者相互作用力，进而可以计算出相互作用扭矩；本发明的关节机构对于力传感器要求不高，不需采用昂贵而大质量的扭矩传感器，采用普通轻便的应变梁传感器即可，成本重量代价均低；安装方式更加灵活、方便。

所述上臂和所述下臂分布在一个平面上，所述关节装置在承受负载时不会产生侧向扭矩和剪切力，同等重量情况下承载强度更高；采用耐磨压块可以缓冲上臂和下臂触碰时的冲击力，防止触碰时磨损上臂和下臂，也可以保护力传感器免于因过量程冲击而损坏。

本发明一种下肢助力外骨骼设备，通过将动力关节装置设置于腰部结构和大腿杆之间以及大腿杆和小腿杆之间，以使腰部结构与大腿杆之间、大腿杆与小腿杆之间的相对伸展或弯曲均通过动力关节装置来实现。本发明结构简单、集成度高，采用本发明动力关节装置的下肢助力外骨骼，可以测量的信息增多，包括关节扭力、腰部结构与大腿杆之间的角度、大腿杆与小腿杆之间的角度以及动力装置中电机的转动角度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (15)

1.一种轻便式动力关节装置，包括关节主体，及设于关节主体的动力装置，其特征在于，所述关节主体包括上臂，与上臂旋转联接的下臂；所述上臂或下臂设有安装腔；所述动力装置设有传动机构，且设于安装腔内侧；所述动力装置固定于下臂或上臂，并通过传动机构驱动上臂或下臂旋转运动。

2.如权利要求1所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，所述下臂包括第一下臂板及第二下臂板，且第一下臂板及第二下臂板之间形成所述的安装腔；所述下臂设有贯穿第一下臂板及第二下臂板的第一通孔；所述第一下臂板于第一通孔外侧设有有凸台，且凸台外壁与设有的第一承力轴承内壁连接；所述第二下臂板的第一通孔中嵌有第二承力轴承；所述上臂包括第一上臂板和第二上臂板，且第一上臂板近于第一下臂板设有套合于第一承力轴承外侧的第二通孔；所述第二上臂板与第二下臂板通过第二承力轴承旋转联接。

3.如权利要求2所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，所述动力装置包括电机，与电机传动联接的传动机构；所述电机固定于下臂外侧，且近于第一通孔，并通过第一通孔与传动机构联接；所述传动机构包括与电机动力输出端传动联接的一级小带轮，与一级小带轮传动联接的一级大带轮，与一级大带轮同轴的二级小带轮，及与二级小带轮传动联接的二级大带轮；所述一级大带轮与一级小带轮、二级大带轮与二级小带轮均通过设有的同步带传动联接；所述二级大带轮固定于上臂设有的动力输出轴；所述二级大带轮通过所述的第二承力轴承与上臂旋转联接，且二级大带轮与第二承力轴承固定联接的轴端为中空结构；所述动力输出轴固定于设有的第三承力轴承，且所述第三承力轴承固定联接于二级大带轮轴端的中空结构内，以使动力输出轴与二级大带轮具有相对运动；所述电机通过传动机构驱动上臂相对于下臂旋转运动。

4.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，还包括力矩测量机构，所述力矩测量机构为扭矩传感器；所述二级大带轮为中空结构，以使扭矩传感器设置于二级大带轮的中空结构内；所述扭矩传感器包括力矩输入端和力矩输出端，所述力矩输入端与所述二级大带轮固定联接，所述力矩输出端与所述动力输出轴固定联接；其中，所述扭矩传感器包括外环、内环以及联接于外环与内环之间的若干个桥接梁；所述外环为力矩输入端，内环为力矩输出端；所述桥接梁均布有若干个应力片；所述力矩测量机构设于二级大带轮与动力输出轴之间，通过二级大带轮带动动力输出轴转动产生的微小变形，以测量出上臂与下臂的相互力矩。

5.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，包括第一角度测量机构；所述第一角度测量机构包括第一磁体和第一磁场感应电路；所述第一磁体固定联接于电机动力输出端或一级小带轮；所述第一磁场感应电路固定联接于安装腔设有的传感器板，且第一磁场感应电路近于第一磁体；所述电机旋转带动电机转轴旋转，进而带动第一磁体旋转，所述第一磁场感应电路通过感应第一磁体的转动角度从而测量电机相对下臂的旋转角度。

6.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，还包括第二角度测量机构，所述第二角度测量机构包括第二磁体和第二磁场感应电路；所述第二磁体固定联接在动力输出轴、二级大带轮；所述第二磁场感应电路设置于安装腔设有的传感器板，且靠近于所述第二磁体；所述动力输出轴、二级大带轮旋转，进而带动第二磁体旋转，第二磁场感应电路通过感应第二磁体的转动角度，从而测量上臂相对下臂的旋转角度。

7.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，还包括设于下臂外侧的同步带张紧机构；所述一级大带轮和二级小带轮的共用轴两端均与同步带张紧机构固定联接；所述同步带张紧机构包括与下臂滑动联接的张紧滑块，固定于下臂外侧的固定凸起，及活动联接于固定凸起的张紧拉杆；所述张紧拉杆一端与张紧滑块固定联接，且另一端于固定凸起外侧设有螺纹延伸部，所述螺纹延伸部与设有的张紧螺母螺纹连接；

通过旋转张紧螺母以使张紧拉杆相对于下臂的运动，从而带动一级大带轮和二级小带轮相对于下臂运动，实现同步带的张紧或松开。

8.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，所述动力输出轴设有若干条径向切缝，以吸收动力输出轴安装或工作中产生的微小形变。

9.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，所述二级大带轮两侧或一侧设有用于安装扭矩传感器的安装面；所述安装面径向均布有若干个舌片状悬臂结构；所述悬臂结构用于吸收所述扭矩传感器安装或工作中轴向方向产生的微小形变。

10.如权利要求3所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，所述动力输出轴为中空结构，且与下臂侧面设有的出线孔相联通；所述动力输出轴的中空结构与出线孔均用于贯穿设有的电缆。

11.如权利要求1所述一种轻便式动力关节装置，其特征在于，所述上臂或下臂于相对运动的两端设有限位块；所述限位块近于运动一侧设有缓冲块。

12.一种下肢助力外骨骼设备，包括助力支架，其特征在于，所述助力支架包括由权利要求1-11任一项所述的动力关节装置，还包括腰部结构、大腿杆、小腿杆以及足部结构；所述腰部结构和大腿杆之间、所述大腿杆和小腿杆之间均通过动力关节装置连接；所述腰部结构与大腿杆之间、大腿杆与小腿杆之间的相对伸展或弯曲均通过动力关节装置的电机控制。

13.如权利要求12所述一种下肢助力外骨骼设备，其特征在于，所述动力关节装置的下臂与大腿杆之间、动力关节装置的下臂与小腿杆之间均设有用于适应不同人体的长度调节锁紧结构；所述小腿杆的下端与足部结构通过踝关节轴联接；所述动力关节装置上端通过髋关节外展轴与腰部结构联接；所述大腿杆、小腿杆的下端均向人体弯曲以贴近人体。

14.如权利要求12所述一种下肢助力外骨骼设备，其特征在于，还包括助力支架、电源系统、控制系统以及人机连接结构，所述电源系统均与动力关节装置的电机、控制系统电性连接，为两者提供能源；所述控制系统与电机电性连接，以控制电机的转动；所述力矩测量机构、第一角度测量机构及第二角度测量机构均与控制系统电性连接；所述人机连接结构包括护腰、腰部绑带、大腿和/或小腿绑带以及足部绑带；所述人机连接结构与人体对应部位固定联接；所述人机连接与助力支架之间还包括力传感器，所述力传感器包括以下一种或多种：护腰与腰部结构之间的背部力传感器、腰部绑带与腰部结构之间的髋部力传感器、大腿绑带与大腿杆之间的大腿力传感器、小腿绑带与小腿杆之间的小腿力传感器；所述力传感器均与控制系统电性连接。

15.一种下肢助力外骨骼设备的控制方法，其特征在于，动力装置的传动机构设置于关节主体的安装腔内，并在传动机构上设置的第一角度测量机构测量电机与关节主体的下臂旋转角度，第二角度测量机构测量关节主体的上臂与下臂之间的旋转角度，力矩测量机构计算传动机构与上臂的力矩，然后将测量的数据传输至控制系统，经过控制系统对数据对比运算后，输出相应的信号以控制电机的转速，从而控制上臂与下臂二者之间的相对旋转运动；并且，腰部的动力关节装置的上臂与腰部结构固定联接、下臂与大腿杆固定联接，膝部的动力关节装置的上臂与大腿杆固定联接、下臂与小腿杆固定联接，从而动力关节装置控制腰部结构与大腿杆、大腿杆与小腿杆之间的伸展与弯曲；再者，护腰与腰部结构之间的背部力传感器、设于腰部绑带与腰部结构之间的髋部力传感器、设于大腿绑带与大腿杆之间的大腿力传感器均与控制系统电性连接，各个力传感器检测到的数据通过控制系统的分析运算后，以控制腰部的动力关节装置与膝部的动力关节装置之间的转动，以控制腰部结构、大腿杆、小腿杆之间的协调运动。