CN108214452B - 一种下肢助力外骨骼装置及其动力关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力关节装置，包括关节主体、动力装置和测量装置，测量装置包括第一角度测量装置，第一角度测量装置包括第一磁体和第一磁场感应电路，第一磁体连接电机输出轴的一端，并靠近第一电机盖板；第一磁场感应电路设置于第一电机盖板的内侧，并靠近第一磁体；电机旋转带动电机输出轴旋转，进而带动第一磁体旋转，第一磁场感应电路通过感应第一磁体的转动角度从而可以测量电机的旋转角度。本发明通过非接触耦合方式的第一磁体和第一磁场感应电路实现了电机转动角度的测量，不会造成机械摩损、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，且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。

Description

一种下肢助力外骨骼装置及其动力关节装置

技术领域

本发明涉及动力关节装置，特别是涉及一种用于外骨骼机器人领域的动力关节装置。

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 of theHanyang 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 of the HanyangExoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014、论文《Design of an electricallyactuated lower extremity exoskeleton》（Advanced Robotics, 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 of the 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 of the 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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种动力关节装置，通过在动力关节装置中同时集成第一角度测量装置、力传感器和第二角度测量装置，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。

本发明一方面提供了一种动力关节装置，包括关节主体和动力装置，所述关节主体包括上臂和下臂，所述下臂的上部为两侧开口的空腔，所述空腔的两侧外壁上分别套接有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承外分别套接有第一轴承套和第二轴承套，所述第一轴承套和第二轴承套具有柄部，且均通过各自的柄部与上臂连接；所述动力装置包括电机、减速机以及驱动输出臂，所述电机连接于位于下臂空腔一侧的电机连接板上，下臂空腔的另一侧连接第一电机盖板，所述第一电机盖板和电机连接板将所述空腔的两侧开口封闭形成封闭腔，所述电机位于封闭腔内，电机的输出轴的一端靠近第一电机盖板，另一端穿过所述电机连接板并与减速机的动力输入端相连；所述驱动输出臂的中下部与减速机的动力输出端相连，所述驱动输出臂的上部与上臂或第二轴承套相连，其特征在于，

所述动力关节装置还包括测量装置，所述测量装置包括第一角度测量装置，所述第一角度测量装置包括第一磁体和第一磁场感应电路，所述第一磁体连接电机输出轴的一端，并靠近第一电机盖板；所述第一磁场感应电路设置于第一电机盖板的内侧，并靠近所述第一磁体；所述电机旋转带动电机输出轴旋转，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可以测量电机相对下臂的旋转角度。

本发明的有益效果是：所述第一轴承和第二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；所述减速机位于所述下臂的封闭腔外，选型适应性范围宽；在所述第一电机盖板和电机输出轴之间设置第一磁体和第一磁场感应电路，所述第一磁体和第一磁场感应电路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。

进一步的，所述测量装置还包括力传感器，所述力传感器的一端与驱动输出臂连接，另一端与上臂或第二轴承套连接；所述电机转动带动减速机的动力输出端转动，进而带动驱动输出臂转动，驱动输出臂转动使得力传感器推动与其连接的上臂转动；通过所述力传感器测量上臂和驱动输出臂之间的相互作用力从而可以计算出电机的输出扭矩。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在所述驱动输出臂和所述上臂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；本发明所述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力传感器，采用普通轻便的应变梁传感器即可，成本重量代价均低；所述力传感器还可以安装在驱动输出臂和第二轴承套之间，安装方式更加灵活、方便。

进一步的，所述力传感器与上臂通过触碰方式连接，所述上臂具有能够容纳力传感器一端的容纳腔，所述驱动输出臂的转动带动力传感器碰触上臂容纳腔的内壁，从而带动所述上臂摆动。

采用上述进一步方案的有益效果是：力传感器和所述上臂之间留有缝隙，避免了安装公差产生安装应力，进而影响测量精度，所述进一步方案使得安装容易，测量精度高。

进一步的，所述力传感器与驱动输出臂之间、所述力传感器与上臂或第二轴承套之间设置有绝缘垫。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用绝缘垫可以较好地屏蔽电机工作时对于力传感器的电磁干扰，提高力传感器的测量精度和可靠性。

进一步的，所述测量装置还包括第二角度测量装置，所述第二角度测量装置包括第二磁体和第二磁场感应电路，所述第一电机盖板的外侧设置有固定于第一轴承套上的第二电机盖板，所述第二磁体设置于第二电机盖板的内侧；所述第二磁场感应电路设置于第一电机盖板的外侧，即靠近第二电机盖板的一侧；所述上臂和下臂的相对转动带动第二磁体与第二磁场感应电路相对转动，所述第二磁场感应电路通过感应其与第二磁体的相对磁场角度，进而可以测量上臂和下臂之间的相对转动角度。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用第二磁体和第二磁场感应电路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。

进一步的，所述上臂和下臂在一个平面内相对转动，分别在伸展和收缩方向接触形成限位，所述上臂和下臂在接触限位处设置有由缓冲耐磨材料形成的耐磨压块。

采用上述进一步方案的有益效果是：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。

进一步的，所述缓冲耐磨材料为尼龙、聚四氟乙烯、铁基聚四氟乙烯、聚四氟乙烯覆铜或橡胶中的任一种。

采用上述进一步方案的有益效果是：选用上述材料可以增强缓冲作用，耐磨性更好，可靠性更高。

进一步的，所述第一电机盖板采用导磁性材料制成。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述第一电机盖板选用导磁性材料可以隔离所述第一磁体和第二磁体的磁场，避免其磁场相互干扰，影响所述第一磁场感应电路和第二磁场感应电路的测量精度，提高装置可靠性。

进一步地，所述电机输出轴采用非导磁材料制成。

采用上述进一步方案的有益效果是：电机输出轴采用非导磁材料避免对所述第一磁体的磁场产生干扰，从而影响第一磁场感应电路的测量精度，提高测量可靠性。

本发明另一方面提供了一种下肢助力外骨骼装置，包括助力支架、能源系统和控制系统，所述助力支架包括上述的动力关节装置，所述能源系统与电机和控制系统电连接，为两者提供能源；所述控制系统与电机电连接，直接控制电机的转动。

进一步的，所述动力关节装置还包括力传感器，所述力传感器的一端与驱动输出臂连接，另一端与上臂或第二轴承套连接；所述电机转动带动减速机的动力输出端转动，进而带动驱动输出臂转动，驱动输出臂转动使得力传感器推动与其连接的上臂转动，所述上臂和驱动输出臂之间的相互作用力通过力传感器测得，所述控制系统与力传感器电连接，通过力传感器的测量结果来控制电机的转动。

进一步的，所述助力支架还包括腰部结构、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；所述小腿杆的下端与足部结构通过踝关节轴连接；所述腰部结构与大腿杆、所述大腿杆与小腿杆之间的伸展或弯曲由控制系统控制；

所述腰部结构设有与人体腰部紧密固定的腰部绑带，所述大腿杆设有与人体大腿紧密固定的大腿绑带，所述足部结构设有与人体足部紧密固定的足部绑带。

进一步的，所述腰部结构的下端和大腿杆的上端分别连接关节主体的上臂和下臂，所述大腿杆的下端和小腿杆的上端分别连接关节主体的上臂和下臂。

采用上述方案的有益效果是：所述下肢助力外骨骼装置结构简单、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为本发明动力关节装置的剖面图；

图2为本发明动力关节装置的主视图；

图3为本发明第一轴承套或第二轴承套的结构示意图；

图4为应用本发明动力关节装置的下肢助力外骨骼结构示意图。

附图标记如下：1—关节主体；11—上臂；12—下臂；13—第一轴承；14—第二轴承；15—第一轴承套；16—第二轴承套；17—伸展限位耐磨压块；18—弯曲限位耐磨压块；19—柄部；2—动力装置；21—电机；211—电机定子；212—电机转子；213—电机输出轴；22—减速机；221—减速机的动力输入端；222—减速机的动力输出端；223—减速机外壳；23—驱动输出臂；24—电机连接板；25—第一电机盖板；26—第二电机盖板；3—第一角度测量装置；31—第一磁体；32—第一磁场感应电路；4—力传感器，5—第二角度测量装置；51—第二磁体；52—第二磁场感应电路；6—腰部结构；61—腰部绑带；7—大腿杆；71—大腿绑带；8—小腿杆；9—足部结构；91—足部绑带；10—踝关节轴；100—动力关节装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种动力关节装置100，包括关节主体1和动力装置2，所述关节主体包括上臂11和下臂12，所述下臂12的上部为两侧开口的空腔，所述空腔的两侧外壁上分别套接有第一轴承13和第二轴承14，所述第一轴承13和第二轴承14外分别套接有第一轴承套15和第二轴承套16，所述第一轴承套15和第二轴承套16将上臂11夹在中间，所述第一轴承套15和第二轴承套16具有柄部19，且均通过各自的柄部19与上臂11通过螺丝紧密固定连接在一起，这样所述上臂11和下臂12可以相对自由转动，且均具备较强承载负荷能力；所述上臂11和所述下臂12分布在一个平面上，使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；

所述动力装置2包括电机21、减速机22以及驱动输出臂23，所述电机21连接于位于下臂12空腔一侧的电机连接板24上，下臂12空腔的另一侧连接第一电机盖板25，所述第一电机盖板25和电机连接板24将所述空腔的两侧开口封闭形成封闭腔，所述电机21位于封闭腔内，电机21的输出轴213的一端靠近第一电机盖板25，另一端穿过所述电机连接板24并与减速机的动力输入端相连；所述驱动输出臂23的中下部与减速机22的动力输出端相连，所述驱动输出臂23的上部与上臂11或第二轴承套16相连；

所述电机21选用盘式外转子电机，电机转子212与电机输出轴213紧密固定在一起，电机转子212的旋转带动所述电机输出轴213一起旋转；电机定子211固定于下臂12空腔一侧的电机连接板24上，也与减速机外壳223固定在一起；所述电机输出轴213与减速机的动力输入端221固定在一起；所述减速机22选用谐波减速机，所述减速机的动力输入端221成为波发生器，与所述电机输出轴213的一端相连，所述电机21转动带动减速机的动力输入端221一起转动，此时减速机的动力输出端222会以较低速度旋转并输出动力，带动所述驱动输出臂23转动；

所述动力关节装置100还包括测量装置，所述测量装置包括第一角度测量装置3，所述第一角度测量装置包括第一磁体31和第一磁场感应电路32，所述第一磁体31连接电机输出轴213的一端，并靠近第一电机盖板25；所述第一磁场感应电路32设置于第一电机盖板25的内侧，并靠近所述第一磁体31；所述电机21旋转带动电机输出轴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的转动角度从而可以测量所述电机21的旋转角度。

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接触形成限位，所述上臂11和下臂12在接触限位处设置有由缓冲耐磨材料形成的伸展限位耐磨压块和弯曲限位耐磨压块，用以在所述上臂11和下臂12撞击时保护其不受损伤，所述伸展限位耐磨压块17和弯曲限位耐磨压块18均采用尼龙材料。

本实施例通过在所述第一电机盖板25和电机输出轴213之间设置第一磁体31和第一磁场感应电路32，所述第一磁体31和第一磁场感应电路32采用非接触耦合方式实现了电机21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；第一磁体31和第一磁场感应电路32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。

实施例2

一种动力关节装置100，包括关节主体1和动力装置2，所述关节主体包括上臂11和下臂12，所述下臂12的上部为两侧开口的空腔，所述空腔的两侧外壁上分别套接有第一轴承13和第二轴承14，所述第一轴承13和第二轴承14外分别套接有第一轴承套15和第二轴承套16，所述第一轴承套15和第二轴承套16将上臂11夹在中间，所述第一轴承套15和第二轴承套16具有柄部19，且均通过各自的柄部19与上臂11通过螺丝紧密固定连接在一起，这样所述上臂11和下臂12可以相对自由转动，且均具备较强承载负荷能力；所述上臂11和所述下臂12分布在一个平面上，使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；

所述动力装置2包括电机21、减速机22以及驱动输出臂23，所述电机21连接于位于下臂12空腔一侧的电机连接板24上，下臂12空腔的另一侧连接第一电机盖板25，所述第一电机盖板25和电机连接板24将所述空腔的两侧开口封闭形成封闭腔，所述电机21位于封闭腔内，电机21的输出轴213的一端靠近第一电机盖板25，另一端穿过所述电机连接板24并与减速机的动力输入端221相连；所述驱动输出臂23的中下部与减速机22的动力输出端相连，所述驱动输出臂23的上部与上臂11或第二轴承套16相连；

所述电机21选用盘式外转子电机，电机转子212与电机输出轴213紧密固定在一起，电机转子212的旋转带动所述电机输出轴213一起旋转；电机定子211固定于下臂12空腔一侧的电机连接板24上，也与减速机外壳223固定在一起；所述电机输出轴213与减速机的动力输入端221固定在一起；所述减速机22选用谐波减速机，所述减速机的动力输入端221成为波发生器，与所述电机输出轴213的一端相连，所述电机21转动带动减速机的动力输入端221一起转动，此时减速机的动力输出端222会以较低速度旋转并输出动力，带动所述驱动输出臂23转动；

所述动力关节装置100还包括测量装置，所述测量装置包括第一角度测量装置3和力传感器4，

所述第一角度测量装置包括第一磁体31和第一磁场感应电路32，所述第一磁体31连接电机输出轴213的一端，并靠近第一电机盖板25；所述第一磁场感应电路32设置于第一电机盖板25的内侧，并靠近所述第一磁体31；所述电机21旋转带动电机输出轴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的转动角度从而可以测量所述电机21的旋转角度；

所述力传感器4为方柱结构，所述驱动输出臂23为带有柄部的圆盘结构，力传感器4的一端紧密固定在驱动输出臂23的柄部，所述上臂11具有容纳腔，力传感器4的另一端深入上臂11的容纳腔内，所述力传感器4在所述驱动输出臂23的带动下摆动，碰触上臂11的容纳腔的内壁，进而带动上臂11跟随所述驱动输出臂23转动；与此同时，所述力传感器4会产生形变，其上的应变片可感应形变并测量出受力大小。

所述力传感器4与驱动输出臂23和上臂11之间设置有绝缘垫，可以较好地屏蔽电机21工作时对于力传感器4的电磁干扰，提高力传感器4的测量精度和可靠性。

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接触形成限位，所述上臂11和下臂12在接触限位处设置有由缓冲耐磨材料形成的伸展限位耐磨压块17和弯曲限位耐磨压块18，用以在所述上臂11和下臂12撞击时保护其不受损伤，所述伸展限位耐磨压块17和弯曲限位耐磨压块18均采用尼龙材料。

本实施例与实施例一相比，在所述驱动输出臂23和所述上臂11之间又安装了力传感器4，通过力传感器4测量驱动输出臂23和上臂11之间的相互作用力，进而可以计算出相互作用扭矩。本发明对于力传感器4要求不高，不需采用昂贵而大质量的扭力传感器，采用普通轻便的应变梁传感器即可，成本重量代价均低。

实施例3

一种动力关节装置100，如图1-3所示，包括关节主体1和动力装置2，所述关节主体包括上臂11和下臂12，所述下臂12的上部为两侧开口的空腔，所述空腔的两侧外壁上分别套接有第一轴承13和第二轴承14，所述第一轴承13和第二轴承14外分别套接有第一轴承套15和第二轴承套16，所述第一轴承套15和第二轴承套16将上臂11夹在中间，所述第一轴承套15和第二轴承套16具有柄部19，且均通过各自的柄部19与上臂11通过螺丝紧密固定连接在一起，这样所述上臂11和下臂12可以相对自由转动，且均具备较强承载负荷能力；所述上臂11和所述下臂12分布在一个平面上，使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；

所述动力装置2包括电机21、减速机22以及驱动输出臂23，所述电机21连接于位于下臂12空腔一侧的电机连接板24上，下臂12空腔的另一侧连接第一电机盖板25，所述第一电机盖板25和电机连接板24将所述空腔的两侧开口封闭形成封闭腔，所述电机21位于封闭腔内，所述电机输出轴213的一端靠近第一电机盖板25，另一端穿过所述电机连接板24并与减速机的动力输入端221相连；所述驱动输出臂23的中下部与减速机22的动力输出端相连，所述驱动输出臂23的上部与上臂11或第二轴承套16相连；

所述电机21选用盘式外转子电机，电机转子212与电机输出轴213紧密固定在一起，电机转子212的旋转带动所述电机输出轴213一起旋转；电机定子211固定于下臂12空腔一侧的电机连接板24上，也与减速机外壳223固定在一起；所述电机输出轴213与减速机的动力输入端221固定在一起；所述减速机22选用谐波减速机，所述减速机的动力输入端221成为波发生器，与所述电机输出轴213的一端相连，所述电机21转动带动减速机的动力输入端221一起转动，此时减速机的动力输出端222会以较低速度旋转并输出动力，带动所述驱动输出臂23转动；

所述动力关节装置100还包括测量装置，所述测量装置包括第一角度测量装置3、力传感器4和第二角度测量装置5，

所述第一角度测量装置包括第一磁体31和第一磁场感应电路32，所述第一磁体31连接电机输出轴213的一端，并靠近第一电机盖板25；所述第一磁场感应电路32设置于第一电机盖板25的内侧，并靠近所述第一磁体31；所述电机21旋转带动电机输出轴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的转动角度从而可以测量所述电机21的旋转角度；

所述力传感器4为方柱结构，所述驱动输出臂23为带有柄部的圆盘结构，力传感器4的一端紧密固定在驱动输出臂23的柄部，所述上臂11具有容纳腔，力传感器4的另一端深入上臂11的容纳腔内，所述力传感器4在所述驱动输出臂23的带动下摆动，碰触上臂11的容纳腔的内壁，进而带动上臂11跟随所述驱动输出臂23转动；与此同时，所述力传感器4会产生形变，其上的应变片可感应形变并测量出受力大小；所述力传感器4与驱动输出臂23和上臂11之间设置有绝缘垫，可以较好地屏蔽电机21工作时对于力传感器4的电磁干扰，提高力传感器4的测量精度和可靠性；

所述第二角度测量装置5包括第二磁体51和第二磁场感应电路52，所述第二磁体51设置于第二电机盖板26的内侧，所述第二电机盖板26位于第一电机盖板25的外侧并固定在第一轴承套15上；所述第二磁场感应电路52设置于第一电机盖板25的外侧，即靠近第二电机盖板26的一侧；所述上臂11和下臂12的相对转动带动第二磁体51与第二磁场感应电路52相对转动，所述第二磁场感应电路52通过感应其与第二磁体51的相对磁场角度，进而可以测量上臂11和下臂12之间的相对转动角度。

所述第一电机盖板25采用导磁材料，以防止所述第一磁体31和第二磁体51磁场相互干扰；所述电机输出轴213采用不锈钢材料制成，以防止干扰所述第一磁体31的磁场分布。

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接触形成限位，所述上臂11和下臂12在接触限位处设置有由缓冲耐磨材料形成的伸展限位耐磨压块17和弯曲限位耐磨压块18，用以在所述上臂11和下臂12撞击时保护其不受损伤，所述伸展限位耐磨压块17和弯曲限位耐磨压块18均采用尼龙材料制成。

本实施例与实施例2相比，增加了第二磁体51和第二磁场感应电路52，所述第二磁体51和第二磁场感应电路52采用非接触耦合方式实现了上臂11和下臂12之间相对角度的测量，简单、轻薄、低成本、无磨损、可靠性高；本实施例可在第一电机盖板25的两侧同时安装第一磁场感应电路32和第二磁场感应电路52而不互相影响，集成度高、结构设计简单。

实施例4

一种下肢助力外骨骼装置，如图4所示，包括助力支架、能源系统和控制系统，所述助力支架包括上述的动力关节装置100、腰部结构6、大腿杆7、小腿杆8以及足部结构9，所述动力关节装置100设置于腰部结构6和大腿杆7之间以及大腿杆7和小腿杆8之间，具体的，所述腰部结构6的下端和大腿杆7的上端分别连接关节主体1的上臂11和下臂12，所述大腿杆7的下端和小腿杆8的上端分别连接关节主体1的上臂11和下臂12；所述小腿杆8的下端与足部结构9通过踝关节轴10连接；所述腰部结构6设有与人体腰部紧密固定的腰部绑带61，所述大腿杆7设有与人体大腿紧密固定的大腿绑带71，所述足部结构9设有与人体足部紧密固定的足部绑带91；所述控制系统与动力关节装置100中的力传感器4和电机21电连接，所述控制系统直接控制电机21转动或通过力传感器4的测量结果来控制电机21的转动，以驱动所述腰部结构6与大腿杆7、大腿杆7与小腿杆8之间伸展或弯曲；所述能源系统为电池组，与电机21和控制系统电连接，为两者提供电能。

本实施例的下肢助力外骨骼装置结构简单、集成度高，采用本发明的动力关节装置100作为下肢助力外骨骼的关节装置，可以测量的信息多，包括关节扭力、腰部结构6与大腿之间的角度、大腿与小腿之间的角度以及电机21的转动角度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种动力关节装置，包括关节主体和动力装置，所述关节主体包括上臂和下臂，所述下臂的上部为两侧开口的空腔，其特征在于，所述空腔的两侧外壁上分别套接有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承外分别套接有第一轴承套和第二轴承套，所述第一轴承套和第二轴承套具有柄部，且均通过各自的柄部与上臂连接；所述动力装置包括电机、减速机以及驱动输出臂，所述电机连接于位于下臂空腔一侧的电机连接板上，下臂空腔的另一侧连接第一电机盖板，所述第一电机盖板和电机连接板将所述空腔的两侧开口封闭形成封闭腔，所述电机位于封闭腔内，电机的输出轴的一端靠近第一电机盖板，另一端穿过所述电机连接板并与减速机的动力输入端相连；所述驱动输出臂的中下部与减速机的动力输出端相连，所述驱动输出臂的上部与上臂或第二轴承套相连，

所述上臂和下臂在一个平面内相对转动，所述动力关节装置还包括测量装置，所述测量装置包括第一角度测量装置，所述第一角度测量装置包括第一磁体和第一磁场感应电路，所述第一磁体连接电机输出轴的一端，并靠近第一电机盖板；所述第一磁场感应电路设置于第一电机盖板的内侧，并靠近所述第一磁体；所述电机旋转带动电机输出轴旋转，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可以测量电机相对下臂的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的动力关节装置，其特征在于，所述测量装置还包括力传感器，所述力传感器的一端与驱动输出臂连接，另一端与上臂或第二轴承套连接；所述电机转动带动减速机的动力输出端转动，进而带动驱动输出臂转动，驱动输出臂转动使得力传感器推动与其连接的上臂转动；通过所述力传感器测量上臂和驱动输出臂之间的相互作用力从而可以计算出电机的输出扭矩。

3.根据权利要求2所述的动力关节装置，其特征在于，所述力传感器与上臂通过触碰方式连接，所述上臂具有能够容纳力传感器一端的容纳腔，所述驱动输出臂的转动带动力传感器碰触上臂容纳腔的内壁，从而带动所述上臂摆动。

4.根据权利要求3所述的动力关节装置，其特征在于：所述力传感器与驱动输出臂之间、所述力传感器与上臂或第二轴承套之间设置有绝缘垫。

5.根据权利要求1所述的动力关节装置，其特征在于，所述测量装置还包括第二角度测量装置，所述第二角度测量装置包括第二磁体和第二磁场感应电路，所述第一电机盖板的外侧设置有固定于第一轴承套上的第二电机盖板，所述第二磁体设置于第二电机盖板的内侧；所述第二磁场感应电路设置于第一电机盖板的外侧，即靠近第二电机盖板的一侧；所述上臂和下臂的相对转动带动第二磁体与第二磁场感应电路相对转动，所述第二磁场感应电路通过感应其与第二磁体的相对磁场角度，进而可以测量上臂和下臂之间的相对转动角度。

6.根据权利要求1-5任一项所述的动力关节装置，其特征在于，所述上臂和下臂分别在伸展和收缩方向接触形成限位，所述上臂和下臂接触限位处设置有由缓冲耐磨材料形成的伸展限位耐磨压块和弯曲限位耐磨压块。

7.根据权利要求6所述的动力关节装置，其特征在于：所述缓冲耐磨材料为尼龙、聚四氟乙烯、铁基聚四氟乙烯、聚四氟乙烯覆铜或橡胶中的任一种。

8.根据权利要求1所述的动力关节装置，其特征在于：所述第一电机盖板采用导磁性材料制成。

9.根据权利要求1所述的动力关节装置，其特征在于：所述电机输出轴采用非导磁材料制成。

10.一种下肢助力外骨骼装置，其特征在于，包括助力支架、能源系统和控制系统，所述助力支架包括由权利要求1-9任一项所述的动力关节装置，所述能源系统与电机和控制系统电连接，为两者提供能源；所述控制系统与电机电连接，直接控制电机的转动。

11.根据权利要求10所述的下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述动力关节装置还包括力传感器，所述力传感器的一端与驱动输出臂连接，另一端与上臂或第二轴承套连接；所述电机转动带动减速机的动力输出端转动，进而带动驱动输出臂转动，驱动输出臂转动使得力传感器推动与其连接的上臂转动，所述上臂和驱动输出臂之间的相互作用力通过力传感器测得，所述控制系统与力传感器电连接，通过力传感器的测量结果来控制电机的转动。

12.根据权利要求10或11所述的下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述助力支架还包括腰部结构、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；所述小腿杆的下端与足部结构通过踝关节轴连接；所述腰部结构与大腿杆、所述大腿杆与小腿杆之间的伸展或弯曲由控制系统控制；

所述腰部结构设有与人体腰部紧密固定的腰部绑带，所述大腿杆设有与人体大腿紧密固定的大腿绑带，所述足部结构设有与人体足部紧密固定的足部绑带。

13.根据权利要求12所述的下肢助力外骨骼装置，其特征在于，所述腰部结构的下端和大腿杆的上端分别连接关节主体的上臂和下臂，所述大腿杆的下端和小腿杆的上端分别连接关节主体的上臂和下臂。

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