CN110385693A - 一种紧凑型动力关节机构及其轻便型下肢助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型动力关节机构及其轻便型下肢助力设备。一种紧凑型动力关节机构，包括关节主体及设于关节主体的动力装置。关节主体包括上臂结构，与上臂结构垂直联接的中心梁，及与中心梁旋转联接的下臂结构；动力装置包括动力件，及与动力件的动力输出端传动联接的减速机构；动力件固定联接于上臂结构，且减速机构的动力输出端与下臂结构传动联接，以使动力件驱动下臂结构相对于上臂结构转动。本发明有助于提升外骨骼动力性能，且成本低、可靠性高本机构结构紧凑，重量轻，体积小。

Description

一种紧凑型动力关节机构及其轻便型下肢助力设备

技术领域

本发明涉及穿戴设备，更具体地说是指一种紧凑型动力关节机构及其轻便型下肢助力设备。

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向穿戴者输出扭矩，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，重量相对较轻。通常情况下，动力关节选用集成式的谐波减速机，即采用柔轮钢轮集成在一起的标准整体化的谐波产品，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；论文《Mechanical Design ofthe Hanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014中也披露类似方案；这些方案导致动力关节重量大、体积大。专利US9532894《HIGH DENSITY ACTUATOR WITHMINIMAL LATERAL TORSION》披露利用谐波减速分离组件采用紧凑设计出重量轻体积小的动力关节，但该设计采用超薄谐波款减速器，该类谐波减速器扭矩相对较小，成本高且成熟度不高，此外该专利中没有带有电机编码器，不利于电机高性能控制。

现有技术中，电机高性能驱动需要采用旋转编码器，现有方案多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 theHanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014、论文《Design of anelectrically actuated 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，此方案对于安装精度有严格要求，实际环境中难以保证，上述论文没有披露如何解决安装精度的问题；有些采用压力传感器来测量电机输出扭矩，论文《Design of anelectrically actuated lower extremity exoskeleton》(Advanced Robotics,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，该方案同样未能披露如何确保安装精度。

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。

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，该方案扭矩传感器相关结构存在间隙、体积较大，不美观，上下臂与谐波减速机连接部分采用单板结构，同等体积和重量情况下刚性难以做到很合理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种紧凑型动力关节机构及其轻便型下肢助力设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种紧凑型动力关节机构，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结构，与上臂结构垂直联接的中心梁，及与中心梁旋转联接的下臂结构；所述动力装置包括动力件，及与动力件的动力输出端传动联接的减速机构；所述动力件固定联接于上臂结构，且所述减速机构的动力输出端与下臂结构传动联接，以使动力件驱动下臂结构相对于上臂结构转动。

其进一步技术方案为：所述上臂结构包括上臂杆，及与上臂杆固定联接的基座；所述基座设有通孔，且所述中心梁一端固定联接于通孔内；所述基座设有用于安装动力件的凹腔。

其进一步技术方案为：所述动力件为电机，且所述电机包括定子线圈、转子和电机轴承；所述定子线圈固定在所述基座的凹腔内；所述转子通过电机轴承与中心梁旋转联接；所述转子为动力件的动力输出端，旋转于定子线圈外侧或内侧，并与所述减速机构的动力输入端传动联接。

其进一步技术方案为：所述减速机构为谐波减速机；所述谐波减速机包括与上臂结构固定联接的固定轮，与固定轮旋转联接的旋转轮，及与旋转轮传动联接的减速发生器；所述减速发生器设于动力件与旋转轮之间；所述减速发生器的动力输入端与动力件的动力输出端固定联接，且其动力输出端与旋转轮固定联接；所述旋转轮的动力输出端与下臂结构传动联接。

其进一步技术方案为：所述旋转轮设有容纳腔，且中心梁延伸至容纳腔内侧；所述容纳腔近于动力件的一端与减速发生器的动力输出端传动联接，另一端与下臂结构旋转联接；所述旋转外侧与下臂结构传动联接；所述固定轮设有内孔，所述旋转轮与内孔旋转联接。

其进一步技术方案为：所述下臂结构包括动力输出轮、环状抱闸以及下臂；所述动力输出轮与所述减速机构动力输出端传动联接；所述环状抱闸套合于动力输出轮外侧，并通过二者之间的摩擦力传动联接，且与下臂结构固定联接。

其进一步技术方案为：所述动力输出轮与环状抱闸之间设有环状摩擦带；当所述动力输出轮输出扭矩超过设定扭矩时，所述环状抱闸与动力输出轮产生滑动，以避免过大扭矩伤害穿戴者。

其进一步技术方案为：还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；所述第一磁体固定于减速机构的动力输出端；所述第一磁场感应电路固定于中心梁，且靠近于第一磁体。

其进一步技术方案为：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；所述第二磁场感应电路固定于中心梁远于动力件一端；所述第二磁体设置于下臂结构，且靠近于第二磁场感应电路。

其进一步技术方案为：还包括力矩测量装置；所述力矩测量装置包括感应梁、第三磁体及第三磁场感应电路；所述感应梁设置于上臂与基座之间，且感应梁近于上臂的一端与近于基座的一端具有弹性形变；所述第三磁体固定于感应梁近于上臂一端，所述第三磁场感应电路固定于基座，且近于第三磁体设置，以使感应梁形变时，第三磁体与第三磁场感应电路具有相对位移。

其进一步技术方案为：还包括密封圈；所述密封圈位于所述动力输出轮与所述上臂结构之间，用于防止防止异物进入动力关节腔体。

其进一步技术方案为：所述动力输出轮和下臂为一体式结构，且一体式结构形成有凹腔；所述凹腔套合固定于述减速机构的外侧。

一种轻便型下肢助力设备，包括动力系统、能源系统、控制系统以及人机连接，所述动力系统包括上述任意一种动力关节机构，还包括大腿杆、小腿杆及腰部连杆；所述控制系统电连接所述动力系统内动力件、第一角度测量装置、第二角度测量装置及力矩测量装置，以使根据所述动力系统的测量信息驱动所述动力关节工作

其进一步技术方案为：还包括运动传感系统；所述运动传感系统包括大腿惯性传感器及小腿惯性传感器；所述控制系统包括处理器、存储器及通信接口；所述控制系统与大腿惯性传感器、小腿惯性传感器电性连接。

其进一步技术方案为：所述小腿杆包括小腿转接杆及小腿护壳；所述小腿转接杆联接于动力关节机构与小腿护壳之间；所述小腿护壳包裹于人体小腿的前侧。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的紧凑型动力关节机构，通过采用谐波减速器，并设计与谐波减速器相适配的动力件及传动机构来最大限度达到减轻动力关节重量、提高能量密度的目的；同时，还在在动力关节机构中同时集成第一角度测量装置、第二角度测量装置和力矩测量装置，能够同时对电机转动角度、上下臂相对转动角度和上下臂相对扭矩情况进行测量，有助于提升外骨骼动力性能，且成本低、可靠性高本机构结构紧凑，重量轻，体积小。

轻便型下肢助力设备结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用本发明的动力关节装置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、关节角度，大小腿杆角速度、加速度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明一种紧凑型动力关节机构的实施例1剖视图；

图2为本发明一种紧凑型动力关节机构的实施例1正视图；

图3为本发明一种紧凑型动力关节机构的实施例2剖面示意图；

图4为本发明一种紧凑型动力关节机构的实施例2正视示意图；

图5为本发明一种轻便型下肢助力设备的实施例1穿戴于人体的示意图；

图6为本发明一种轻便型下肢助力设备的实施例2穿戴于人体的示意图。

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2、图5和图6为本发明实施例1的图纸。

如图1所示，一种紧凑型动力关节机构1000A，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31、第二角度测量装置32及力矩测量装置33。

关节主体包括上臂结构1A，与上臂结构1A垂直联接的中心梁1B，及与中心梁1B旋转联接的下臂结构1D。动力装置包括动力件21，及与动力件21的动力输出端传动联接的减速机构22。动力件21固定联接于上臂结构1A，且所述减速机构22的动力输出端与下臂结构1D传动联接，以使动力件21驱动下臂结构1D相对于上臂结构1A转动。其中，动力件21设于上臂结构1A的一侧，所述下臂结构1D设于上臂结构1A的另一侧，并通过中心梁1B、减速机构22等部件传动联接。

具体的，关节主体1还包括用于使下臂结构1D与中心梁1B旋转联接的轴承机构1C。

减速机构22容纳于所述上臂结构1A和下臂结构1D之间，且下臂结构1D与中心梁1B旋转联接，以使中心梁1B承受大部分的支撑力。这样使本机构承载负重时受力均衡，稳定性好。承力轴承141和电机轴承213分别位于减速机构22两侧，跨度尺寸大，可以承载的倾覆扭矩大，结构强度高、刚性好。

上臂结构1A包括上臂11和与其固定联接的基座12。基座12为中心带有环状凸起121和凹腔122的腔体结构，即环状凸起121与基座12外壳形成凹腔122。环状凸起121的中心带有通孔123。中心梁1B为带有通孔131和轴肩132、135的承重轴，所述承重轴一端与所述通孔123配合，且固定于所述基座12上，另一端与轴承机构1C旋转联接。在转动过程，中心梁1B一端固定在上臂结构1A上，下臂结构1D绕着中心梁1B转动，所以中心梁1B起着承重、支撑的作用。

轴承机构1C由承力轴承141及配套固定零件组成，其内圈143与中心梁1B固定联接，其外圈142与下臂结构1D固定联接，这样使得下臂结构1D与中心梁1B旋转联接。

具体的，承力轴承141的外圈142套合有套环145，且套环145通过外挡圈144与承力轴承141固定联接。套环145与下臂结构1D固定联接，以使下臂结构1D与中心梁1B旋转联接。

下臂结构1D包括动力输出轮151、环状抱闸152、环状摩擦带153以及下臂154。环状抱闸152与下臂154固定联接。动力输出轮151通过套环145、外挡圈144与承力轴承141的外圈142固定联接，以使下臂结构1D与中心梁1B旋转联接。同时，动力输出轮151通过旋转轮222与减速发生器223的输出端传动联接。

具体的，动力输出轮151套合于旋转轮222外侧，并通过螺栓将二者固定。环状抱闸152套合于动力输出轮151外侧，且二者之间设有增大摩擦力的环状摩擦带153。环状摩擦带153在环状抱闸152与动力输出轮151摩擦力传动的过程中，起到增大摩擦力的作用，以使环状抱闸152与动力输出轮151的传动顺畅。

动力装置包括动力件21，及联接于动力件21动力输出端的减速机构22。所述动力件21为电机，所述电机包括定子线圈211、转子212和电机轴承213。定子线圈211固定在所述基座凹腔122内。电机轴承213的内圈与所述基座12环状凸起121外缘固定联接(或与中心梁1B固定联接)，外圈142与转子212固定联接，以使转子212相对于上臂结构1A运动。转子212为动力件21的动力输出端，旋转于定子线圈211外侧，并与所述减速机构22的动力输入端传动联接。

减速机构22为谐波减速机。谐波减速机包括与上臂机构1A固定联接的固定轮221，与固定轮旋转联接的旋转轮222，及与旋转轮222传动联接的减速发生器223。减速发生器223为减速机构22动力输入端，与动力件21的转子212传动联接。旋转轮222为减速机构22动力输出端，其为凹腔结构，其开口朝向动力件21一侧，容纳所述减速发生器223及轴承机构1C。旋转轮222的凹腔结构底端轴承机构1C与所述下臂结构1D传动联接。中心梁1B延伸至旋转轮222的凹腔内。凹腔近于动力件21一端与减速发生器223传动联接，且另一端通过轴承机构1C与下臂结构1D旋转联接。旋转轮222外侧与动力输出轮151固定联接，以将动力输出至下臂结构1D。

紧凑型动力关节机构1000A工作过程如下：动力件21与上臂结构1A固定联接，其转子212在电力驱动下相对基座12转动，从而带动减速发生器223转动，将动力减速输出，然后带动旋转轮222转动，进而带动下臂结构1D转动，即动力件21的转动带动所述上臂结构1A和下臂结构1D相对转动。

下臂结构1D具备扭矩限幅保护功能，当所述下臂结构1D负载过大，所述动力输出轮151输出的扭矩超过设定额定扭矩，所述环状摩擦带153和所述动力输出轮151之间的摩擦力不足以推动下臂结构1D的负载，其会出现相对滑动，从而所述下臂154与所述动力输出轮151之间会出现相对滑动，因此避免过大的扭矩对穿戴者造成伤害。环状抱闸152下端与下臂154之间设有锁紧螺钉156，且通过调节锁紧螺钉156可以调节所述额定扭矩的大小。调节锁紧螺钉156的松紧度，进而调节动力输出轮151与环状抱闸152之间的摩擦力，以达到调节扭矩的目的。

如图1所示，减速机构22中的旋转轮222和下臂结构1D均固定联接于承力轴承141的外圈142，以使旋转轮222和下臂结构1D均与中心梁1B旋转联接。动力关节1000工作过程中，上臂结构1A和下臂结构1D不断相对转动，其扭转力矩由动力件21通过旋转轮222提供，其余方向的支撑力及力矩由承力轴承141提供。为提供多方向支撑力及力矩，承力轴承141采用交叉滚子轴承，其周围分别用套环145、外挡圈144及内挡圈146固定及延伸。

其中，本机构还包括第一角度测量装置31、第二角度测量装置32及扭矩测量装置33。

如图1所示，第一角度测量装置31包括第一磁体312和第一磁场感应电路311。第一磁体312固定于减速发生器223动力输出端且近于轴承机构1C的一侧。第一磁场感应电路311固定于中心梁1B上，且靠近于第一磁体312。转子212相对基座12转动并带动减速发生器223相对中心梁1B转动，进而带动第一磁体312相对第一磁场感应电路311转动，所述第一磁场感应电路311通过感应第一磁体312的相对转动角度从而测量转子212相对定子线圈211的旋转角度。第一磁场感应电路311在转动的第一磁体312作用下，产生电流信号，并发送至控制中心。所述第一磁体312为环状结构，所述中心梁1B穿过所述第一磁体312中心孔连接本发明动力关节左右两侧。

第一磁体312和第一磁场感应电路311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。第一磁体312和第一磁场感应电路311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。第一磁体312和第一磁场感应电路311均设置于谐波减速器的腔内，结构紧凑，空间利用率高。

如图1所示，所述第二角度测量装置32包括第二磁体322和第二磁场感应电路321。第二磁场感应电路321固定于中心梁1B近于下臂154的一端；下臂结构1D的外端设有挡板155。挡板155与中心梁1B之间形成有安装空间，且第二角度测量装置32固定于此安装空间内。所述第二磁体322设置于与下臂154固连的挡板155上，且靠近于第二磁场感应电路321。上臂11与下臂154相对转动而带动所述第二磁体322和所述第二磁场感应电路321相对转动，从而可以测量上臂11相对下臂154的转动角度。所述第二磁体322可以采用圆形磁体或环状磁体。

第二角度测量装置32采用第二磁体322和第二磁场感应电路321非接触耦合方式实现了上臂结构1A和下臂结构1B之间相对角度的测量，简单、轻薄、低成本、无磨损、可靠性高。第一磁场感应电路311和第二磁场感应电路321安装距离较远而不互相影响，结构紧凑、集成度高、设计简单。

如图2所示，所述扭矩测量装置33包括感应梁333、第三磁体332和第三磁场感应电路331。感应梁333设置于上臂11与基座12之间，且感应梁333近于上臂11的一端与近于基座的一端具有弹性形变。感应梁333受到上下臂11、154之间的扭矩时，感应梁333发生形变，进而第三磁体332和第三磁场感应电路331发生相对位移，实现测量扭矩的目的。

具体的，所述感应梁333为所述上臂11向外侧延伸的一部分，且延伸部分与基座12之间设有形变槽334。感应梁333受到扭矩的作用下时，感应梁333发生形变，形变槽334的宽度变大或变小。感应梁333受到顺时针(参照图2的方向)的扭矩时，感应梁333靠向基座12运动，形变槽334宽度变小；感应梁333受到逆时针(参照图2的方向)的扭矩时，感应梁333背向基座12运动，形变槽334宽度变大。所以，安装在感应梁333上端的第三磁体332相对于第三磁场感应电路331就会发生较大幅度的位移，进而就可以计算出扭矩的大小。

第三磁体332固定在感应梁333，第三磁场感应电路331固定在基座12上，且靠近第三磁体332。所述感应梁333为悬臂结构，容易在力矩测量方向发生形变，其一端与上臂11联接，另一端与基座12联接，受到扭矩时，感应梁333发生形变，以使感应梁333靠向或背向位移。

扭矩测量装置33工作原理如下：

当上臂11和下臂154之间有相对扭矩存在时，感应梁333则相应产生形变，从而感应梁333的上端与基座12之间会产生相对位移，所述位移会被第三磁场感应电路331和第三磁体332感应，从而测量出上臂与下臂的相对扭矩。

如图1所示，所述紧凑型动力关节机构1000A还包括密封圈16以及密封圈挡圈161。动力输出轮151与上臂11之间形成有间隙，密封圈16将其间隙封堵。密封圈挡圈161与所述上臂11联接，所述密封圈16位于动力输出轮151以及密封圈挡圈161之间，防止外部灰尘或水进入动力关节1000A腔体内。

本发明的紧凑型动力关节机构，通过采用谐波减速器，并设计与谐波减速器相适配的动力件及传动机构来最大限度达到减轻动力关节重量、提高能量密度的目的；同时，还在在动力关节机构中同时集成第一角度测量装置、第二角度测量装置和力矩测量装置，能够同时对电机转动角度、上下臂相对转动角度和上下臂相对扭矩情况进行测量，有助于提升外骨骼动力性能，且成本低、可靠性高本机构结构紧凑，重量轻，体积小。

紧凑型动力关节机构的实施例2

图3、图4所示为本发明紧凑型动力关节机构的实施例2示意，与实施例1不同之处在于所述下结构1D的动力输出轮151和下臂154直接联接成为一个整体(即一体式结构)，命名为下臂154A。其中，下臂154A为设有凹腔结构，以使下臂154A套合于旋转轮222的外侧。所述第三磁体332设置于下臂154A的凹腔结构的内侧，近于所述第三磁场感应电路331；所述减速机构22的旋转轮222直接通过动力输出轮151输出动力。

为防止动力件21输出过大的扭矩伤害穿戴者，所述上臂11上带有凸起的限位113，当所述下臂154旋转到设定的角度时，会碰触所述限位113，所述限位113阻止所述下臂154继续旋转从而保护穿戴者受到损伤。采用本发明紧凑型动力关节机构的下肢助力外骨骼实施例1。

一种轻便助力装置，如图5所示，包括动力系统、能源系统1001、控制系统1002以及人机连接1003，所述动力系统包括采用动力关节1000A、大腿杆1000B、小腿杆1000C、腰部连杆1000D。动力关节1000A的上臂11与大腿杆1000B的下端固定联接，所述动力关节1000A的下臂154与小腿杆1000C的上端固定联接，所述大腿杆1000B的上端与腰部连杆1000D下端旋转联接。

人机连接包括腰部绑带1003A、大腿绑带1003B以及小腿绑带1003C。腰部绑带1003A与腰部连杆1000D上端固定联接，所述大腿绑带1003D与大腿杆1000B联接，所述小腿绑带1003C与小腿杆1000C固连。

在穿戴使用时，腰部绑带1003A、大腿绑带1003B及小腿绑带1003C分别与人体腰部、大腿及小腿固定。能源系统1001为电池组，为控制系统1002以及动力关节1000A供电。控制系统1002包括处理器、存储器及通信接口。控制系统1002与动力关节1000A内的传感器、感应电路以及运动传感系统1004等电性连接，对采集到的传感器数据进行采集处理，以控制所述动力关节1000A内电机转动。运动传感系统1004包括大腿惯性传感器1004A和小腿惯性传感器1004B。

所述轻便助力装置工作原理如下：所述控制系统1002不断采集所述运动传感系统1004传感器的数据，感应电路的信号(第一角度测量装置31，第二角度测量装置32及扭矩测量装置33)，并据此判断穿戴者下肢当前所处的状态，所述状态包括触地、支撑、弯曲摆动以及伸展摆动等，所述控制系统1002根据这些状态驱动所述动力关节1000A工作在不同的助力状态，所述助力状态包括高阻尼态、弹簧助力态、低阻尼助力态以及低阻尼态，从而帮助穿戴者缓冲关节冲击力、支撑身体重量、收腿以及摆动，达到助力效果。

为提高人体穿戴的舒适度，本实施例的大腿杆1000B、小腿杆1000C均均向内弯曲或者采用贴合穿戴者腿部的壳体结构以更好贴合穿戴者腿部。

采用本发明紧凑型动力关节机构的下肢助力外骨骼实施例2

图6所示为采用本发明高密度动力关节的下肢助力外骨骼实施例2，和实施例1相比，其小腿杆1000C由小腿转接杆1000C1和小腿护壳1000C2组成。小腿转接杆1000C1和小腿护壳1000C2固连，且所述小腿护壳1000C2上下端均通过小腿绑带1003C贴紧穿戴者小腿的前侧。其它的部件与实施例1相同，和实施例1相比，本实施例更加贴身、牢固、美观。

本实施例的下肢助力外骨骼装置结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用本发明的动力关节装置1000A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、关节角度，大小腿杆角速度、加速度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制。

本发明轻便助力装置的腿部主体部分由两个动力关节装置上下臂延伸组成，结构简单、集成度高；所述膝关节上臂延长部分、小腿杆的下端均向人体弯曲以贴近人体使得穿戴舒适性更好。采用本发明动力关节装置的下肢助力外骨骼，可以测量的信息较多，包括关节扭力、髋关节上下臂角度、髋关节电机转动角度、膝关节上下臂角度、膝关节电机转动角度，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)

1.一种紧凑型动力关节机构，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结构，与上臂结构垂直联接的中心梁，及与中心梁旋转联接的下臂结构；所述动力装置包括动力件，及与动力件的动力输出端传动联接的减速机构；所述动力件固定联接于上臂结构，且所述减速机构的动力输出端与下臂结构传动联接，以使动力件驱动下臂结构相对于上臂结构转动。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述上臂结构包括上臂杆，及与上臂杆固定联接的基座；所述基座设有通孔，且所述中心梁一端固定联接于通孔内；所述基座设有用于安装动力件的凹腔。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述动力件为电机，且所述电机包括定子线圈、转子和电机轴承；所述定子线圈固定在所述基座的凹腔内；所述转子通过电机轴承与中心梁旋转联接；所述转子为动力件的动力输出端，旋转于定子线圈外侧或内侧，并与所述减速机构的动力输入端传动联接。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述减速机构为谐波减速机；所述谐波减速机包括与上臂结构固定联接的固定轮，与固定轮旋转联接的旋转轮，及与旋转轮传动联接的减速发生器；所述减速发生器设于动力件与旋转轮之间；所述减速发生器的动力输入端与动力件的动力输出端固定联接，且其动力输出端与旋转轮固定联接；所述旋转轮的动力输出端与下臂结构传动联接。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述旋转轮设有容纳腔，且中心梁延伸至容纳腔内侧；所述容纳腔近于动力件的一端与减速发生器的动力输出端传动联接，另一端与下臂结构旋转联接；所述旋转外侧与下臂结构传动联接；所述固定轮设有内孔，所述旋转轮与内孔旋转联接。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述下臂结构包括动力输出轮、环状抱闸以及下臂；所述动力输出轮与所述减速机构动力输出端传动联接；所述环状抱闸套合于动力输出轮外侧，并通过二者之间的摩擦力传动联接，且与下臂结构固定联接。

7.根据权利要求6所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述动力输出轮与环状抱闸之间设有环状摩擦带；当所述动力输出轮输出扭矩超过设定扭矩时，所述环状抱闸与动力输出轮产生滑动，以避免过大扭矩伤害穿戴者。

8.根据权利要求1所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，还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；所述第一磁体固定于减速机构的动力输出端；所述第一磁场感应电路固定于中心梁，且靠近于第一磁体。

9.根据权利要求1所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，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；所述第二磁场感应电路固定于中心梁远于动力件一端；所述第二磁体设置于下臂结构，且靠近于第二磁场感应电路。

10.根据权利要求2所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，还包括力矩测量装置；所述力矩测量装置包括感应梁、第三磁体及第三磁场感应电路；所述感应梁设置于上臂与基座之间，且感应梁近于上臂的一端与近于基座的一端具有弹性形变；所述第三磁体固定于感应梁近于上臂一端，所述第三磁场感应电路固定于基座，且近于第三磁体设置，以使感应梁形变时，第三磁体与第三磁场感应电路具有相对位移。

11.根据权利要求6所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，还包括密封圈；所述密封圈位于所述动力输出轮与所述上臂结构之间，用于防止防止异物进入动力关节腔体。

12.根据权利要求6所述的一种紧凑型动力关节机构，其特征在于，所述动力输出轮和下臂为一体式结构，且一体式结构形成有凹腔；所述凹腔套合固定于述减速机构的外侧。

13.一种轻便型下肢助力设备，包括动力系统、能源系统、控制系统以及人机连接，其特征在于，所述动力系统包括如权利要求1-12所述任意一种动力关节机构，还包括大腿杆、小腿杆及腰部连杆；所述控制系统电连接所述动力系统内动力件、第一角度测量装置、第二角度测量装置及力矩测量装置，以使根据所述动力系统的测量信息驱动所述动力关节工作。

14.根据权利要求13所述的一种轻便型下肢助力设备，其特征在于，还包括运动传感系统；所述运动传感系统包括大腿惯性传感器及小腿惯性传感器；所述控制系统包括处理器、存储器及通信接口；所述控制系统与大腿惯性传感器、小腿惯性传感器电性连接。

15.根据权利要求13所述的一种轻便型下肢助力设备，其特征在于，所述小腿杆包括小腿转接杆及小腿护壳；所述小腿转接杆联接于动力关节机构与小腿护壳之间；所述小腿护壳包裹于人体小腿的前侧。