CN111249117B - 动力关节及动力外骨骼康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动力关节和动力外骨骼康复机器人，用于动力外骨骼康复机器人，动力外骨骼康复机器人包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件和小腿部件，动力关节包括固定基板、动力输入装置、动力输出件和谐波减速机，固定基板用以连接大腿部件，固定基板上设有安装孔，动力输入装置安装于固定基板的一侧，动力输入装置的输出轴与安装孔同轴设置，动力输出件位于固定基板的另一侧，用以与小腿部件连接，谐波减速机包括谐波发生器、柔轮和刚轮，谐波发生器安装在动力输入装置的输出轴上，柔轮和刚轮中的一者与动力输入装置的壳体固定，另一者活动穿设于安装孔，以与动力输出件连接。本发明技术方案能够降低穿戴动力外骨骼康复机器人对人体的负担。

Description

动力关节及动力外骨骼康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复设备技术领域，特别涉及一种动力关节及动力外骨骼康复机器人。

背景技术

动力外骨骼康复机器人是一种帮助脑卒中患者纠正异常步态，练习正常行走，强化并重塑大脑神经中枢系统的康复医疗设备，利用动力关节为用户的行动提供辅助动力，由于肌肉损伤人士身体本就虚弱，若动力关节尺寸太大，穿戴上动力外骨骼康复机器人会进一步增加人体负担，故需要减小动力关节的尺寸，以降低穿戴动力外骨骼康复机器人对人体的负担。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种动力关节，旨在降低穿戴动力外骨骼康复机器人对人体的负担。

为实现上述目的，本发明提出的动力关节，用于动力外骨骼康复机器人，所述动力外骨骼康复机器人包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件、和小腿部件，所述动力关节包括：固定基板，用以与所述大腿部件连接，所述固定基板上设有安装孔；动力输入装置，安装于所述固定基板的一侧，所述动力输入装置的输出轴与所述安装孔同轴设置；动力输出件，位于所述固定基板的另一侧，用以与所述小腿部件连接；谐波减速机，包括谐波发生器、刚轮和柔轮，所述谐波发生器安装在所述动力输入装置的输出轴上，所述柔轮和所述刚轮中的一者与所述动力输入装置的壳体连接，另一者活动穿设于所述安装孔，以与所述动力输出件连接。

在一实施例中，所述柔轮至少部分嵌设于所述动力输入装置的壳体内。

在一实施例中，所述刚轮设有端盖，所述端盖活动穿设所述安装孔并与所述刚轮连接。

在一实施例中，所述固定基板靠近所述动力输入装置的一侧在安装孔的周缘设有安装沉槽，所述谐波减速机部分嵌入所述安装沉槽中。

在一实施例中，所述动力输入装置的输出轴穿过所述谐波发生器，所述谐波发生器远离所述动力输入装置的一侧设有挡圈，所述挡圈套设于所述动力输入装置的输出轴上。

在一实施例中，所述动力关节还包括双端磁电式编码器，所述双端磁电式编码器的一端安装于所述动力输入装置的末端，所述双端磁电式编码器的另一端安装于所述动力关节的末端。

在一实施例中，所述动力关节还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器安装于所述动力输出件与所述端盖之间。

在一实施例中，所述扭矩传感器为中间出线结构或者侧面出线结构。

在一实施例中，所述动力输入装置为伺服电机。

本发明还提出一种动力外骨骼康复机器人，包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件、小腿部件以及如上述所有方案中任一项所述的动力关节，所述动力关节连接所述大腿部件和所述小腿部件，所述髋腰部件连接所述大腿部件和所述腰部部件，所述腰部部件用以穿戴在用户腰部，所述小腿部件用以穿戴在用户小腿；

所述动力关节包括：固定基板，用以与所述大腿部件连接，所述固定基板上设有安装孔；动力输入装置，安装于所述固定基板的一侧，所述动力输入装置的输出轴与所述安装孔同轴设置；动力输出件，位于所述固定基板的另一侧，用以与所述小腿部件连接；谐波减速机，包括谐波发生器、刚轮和柔轮，所述谐波发生器安装在所述动力输入装置的输出轴上，所述柔轮和所述刚轮中的一者与所述动力输入装置的壳体连接，另一者活动穿设于所述安装孔，以与所述动力输出件连接。

本发明技术方案通过采用设置固定基板，将动力输入装置和动力输出件分别设置在固定基板的两侧，在固定基板上设置安装孔，将动力输入装置的输出轴与安装孔同轴设置，在动力输入装置和动力输出件之间安装谐波减速机，利用谐波减速机进行减速并增大动力输入装置的输出力矩；并通过将谐波减速机的刚轮或者柔轮中的一者与动力输入装置的壳体连接，另一者穿设于安装孔中后与动力输出件连接，使得动力输入装置、谐波减速机和固定基板更充分地利用轴向的空间，从而减小动力关节的轴向尺寸，降低穿戴动力外骨骼康复机器人对人体的负担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明动力关节一实施例的结构示意图；

图2为本发明动力关节一实施例另一视角的结构示意图；

图3为本发明动力关节一实施例的分体结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	固定基板	400	谐波减速机
110	安装孔	410	谐波发生器
				120	安装沉槽	420	端盖
200	动力输入装置	500	扭矩传感器
				210	挡圈	600	关节末端编码器
300	动力输出件

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种动力关节，用于动力外骨骼康复机器人，动力外骨骼康复机器人包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件和小腿部件，动力关节连接大腿部件和小腿部件，髋腰部件连接大腿部件和腰部部件，腰部部件用于穿戴在用户腰部，小腿部件用于穿戴在用户小腿。

在本发明实施例中，参照图1、图2和图3，该动力关节包括固定基板100、动力输入装置200、动力输出件300以及谐波减速机400。固定基板100用于与大腿部件连接，固定基板100上设有安装孔110；动力输入装置200安装在固定基板100的一侧，动力输入装置200的输出轴与安装孔110同轴设置；动力输出件300位于固定基板100的另一侧，用于与小腿部件连接；谐波减速机400包括谐波发生器410、刚轮和柔轮，谐波发生器410安装在动力输入装置200的输出轴上，柔轮和刚轮中的一者与动力输入装置200的壳体连接，另一者活动穿设于安装孔110，以与动力输出件300连接，即谐波减速机400有一部分设置在壳体内，一部分穿设于安装孔110中，减小了动力输入装置200谐波减速机400以及固定基板100在轴向占用的总空间，减小了动力关节的轴向尺寸。可以理解的是，在本方案中，谐波减速机400有两种安装方式，一是柔轮与壳体固定，刚轮输出，二是刚轮与壳体固定，柔轮输出。

本发明技术方案通过采用设置固定基板100，将动力输入装置200和动力输出件300分别设置在固定基板100的两侧，在固定基板100上设置安装孔110，将动力输入装置200的输出轴与安装孔110同轴设置，在动力输入装置200和动力输出件300之间安装谐波减速机400，利用谐波减速机400进行减速并增大动力输入装置200的输出力矩；并通过将谐波减速机400的刚轮或者柔轮中的一者与动力输入装置200的壳体连接，另一者穿设于安装孔110中后与动力输出件300连接，使得动力输入装置200、谐波减速机400和固定基板100更充分地利用轴向的空间，从而减小动力关节的轴向尺寸，降低穿戴动力外骨骼康复机器人对人体的负担。

在一些实施例中，柔轮部分嵌设在动力输入装置200的壳体内，即柔轮与动力输入装置200的壳体连接，刚轮活动穿设于安装孔110并与动力输出件300连接，减小了动力输入装置200谐波减速机400以及固定基板100在轴向占用的总空间，从而减小动力关节的轴向尺寸。在其他实施例中，也可以根据实际应用情况控制柔轮全部嵌设入动力输入装置200的壳体内，以进一步减小动力关节的轴向尺寸。

在一实施例中，刚轮设有端盖420，端盖420活动穿设安装孔110并与刚轮连接，通过设置端盖420，可以方便刚轮与动力输出件300之间的连接，并将端盖420活动穿设安装孔110，使得端盖420和固定基板100两者占用的轴向空间减小，进一步减小动力关节的轴向尺寸。

在一实施例中，固定基板100靠近动力输入装置200的一侧在安装孔110的周缘设有安装沉槽120，谐波减速机400部分嵌入安装沉槽120中，一方面，将谐波减速机400部分嵌入安装沉槽120中，能够减小谐波减速机400与固定基板100两者占用的轴向空间，从而减小动力关节的轴向尺寸；另一方面，将谐波减速机400部分嵌入安装沉槽120中，保证谐波减速机400和动力输入装置200的同轴度，使得谐波减速机400更稳定地工作。

在一实施例中，动力输入装置200的输出轴穿过谐波发生器410，谐波发生器410远离动力输入装置200的一侧设有挡圈210，挡圈210套设在动力输入装置200的输出轴上，利用挡圈210压紧谐波发生器410，从而起到端部约束的作用。

在一实施例中，动力关节还包括双端磁电式编码器，双端磁电式编码器的一端安装于动力输入装置200的末端，另一端安装于动力关节的末端，即双端磁电式编码器包括电机末端编码器和关节末端编码器600，动力输入装置200的末端设置电机末端编码器，动力关节的末端设置关节末端编码器600，从而有助于动力关节的输出位置的控制。

在一实施例中，动力关节还包括扭矩传感器500，扭矩传感器500安装于动力输出件300和端盖420之间，从而利用扭矩传感器500对动力关节的输出扭矩进行实时检测，从而更灵活地对动力外骨骼康复机器人的输出特性进行调整。并且，扭矩传感器500的精度高，频响快，可靠性好，寿命长，从而使动力关节更稳定的发挥作用。

在一实施例中，扭矩传感器500采用中间出线的结构，在另一实施例中，扭矩传感器500采用侧面出线的结构，扭矩传感器500的出线结构可根据实际应用状况进行调整(图中未示出)。

在上述实施例中，以柔轮固定在动力输入装置200的壳体内刚轮输出为例，动力关节的装配步骤可具体为，先在谐波减速机400的柔轮的腔体内注入润滑脂，以使动力关节的内部顺畅地运转，将动力输入装置200与谐波减速机400的柔轮端装，并使谐波发生器410安装在动力输入装置200的输出轴上，安装时将谐波发生器410的长轴与柔轮的长轴对齐，将谐波发生器410与动力输入装置200的输出轴键连接；然后利用十字头螺钉将挡圈210固定在动力输入装置200的电机轴末端，利用挡圈210压紧谐波发生器410的端面，以进行约束，并利用内六角螺钉将上述装配在一起的动力输入装置200、谐波发生器410以及柔轮安装在固定基板100上；用十字螺钉将用于角度检测的半齿轮安装在刚轮端盖420边缘，再利用十字头螺钉将刚轮的端盖420固定在刚轮远离动力输入装置200一端的端面上，并将扭矩传感器500固定在刚轮的端盖420上；最后利用内六角螺钉将动力输出件300与扭矩传感器对接固定。

在上述实施例中，根据实际装配需求选择了不同型号的螺钉，从而在保障动力关节的动力输入装置200、谐波减速机400、固定基板100、扭矩传感器500以及动力输出件300各部位之间均装配稳定的前提下，更大程度低减小螺钉占用的总空间，从而更大程度低减小动力关节的尺寸，进而降低穿戴动力外骨骼康复机器人对人体的负担。

通过本方案的改进，动力关节总重减轻，动力关节的轴线尺寸可以控制在65mm以内，动力关节的径向尺寸可以控制在80mm以内；采用精密的谐波减速机400，减速比提高至50比1；动力关节反驱动力矩小，反驱力矩减小至1.5Nm，用户使用动力外骨骼康复机器人时，动力关节在被动运动模式小，功耗小；输出转矩大，功率密度高，在相同体积下的输出转矩相较于相关技术中其它的动力关节提高。

在上述实施例中，动力输入装置200为伺服电机，伺服电机的起动转矩大，运行范围较广，并且无自转现象，从而有利于动力关节更灵活地为用户提供动力辅助。

本发明还提出一种动力外骨骼康复机器人，该动力外骨骼康复机器人包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件、小腿部件和动力关节，该动力关节的具体结构参照上述实施例，由于本动力外骨骼康复机器人采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，动力关节连接大腿部件和小腿部件，髋腰部件连接大腿部件和腰部部件，腰部部件用于穿戴在用户的腰部，小腿部件用于穿戴在用户的小腿。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种动力关节，用于动力外骨骼康复机器人，所述动力外骨骼康复机器人包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件、和小腿部件，其特征在于，所述动力关节包括：

固定基板，用以与所述大腿部件连接，所述固定基板上设有安装孔；

动力输入装置，安装于所述固定基板的一侧，所述动力输入装置的输出轴与所述安装孔同轴设置；

动力输出件，位于所述固定基板的另一侧，用以与所述小腿部件连接；

谐波减速机，包括谐波发生器、刚轮和柔轮，所述谐波发生器安装在所述动力输入装置的输出轴上，所述柔轮至少部分嵌设于所述动力输入装置的壳体内，所述刚轮活动穿设于所述安装孔并与所述动力输出件连接。

2.如权利要求1所述的动力关节，其特征在于，所述柔轮全部嵌设于所述动力输入装置的壳体内。

3.如权利要求1所述的动力关节，其特征在于，所述刚轮设有端盖，所述端盖活动穿设所述安装孔并与所述刚轮连接。

4.如权利要求1所述的动力关节，其特征在于，所述固定基板靠近所述动力输入装置的一侧在安装孔的周缘设有安装沉槽，所述谐波减速机部分嵌入所述安装沉槽中。

5.如权利要求1所述的动力关节，其特征在于，所述动力输入装置的输出轴穿过所述谐波发生器，所述谐波发生器远离所述动力输入装置的一侧设有挡圈，所述挡圈套设于所述动力输入装置的输出轴上。

6.如权利要求1所述的动力关节，其特征在于，所述动力关节还包括双端磁电式编码器，所述双端磁电式编码器的一端安装于所述动力输入装置的末端，所述双端磁电式编码器的另一端安装于所述动力关节的末端。

7.如权利要求3所述的动力关节，其特征在于，所述动力关节还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器安装于所述动力输出件与所述端盖之间。

8.如权利要求7所述的动力关节，其特征在于，所述扭矩传感器为中间出线结构或者侧面出线结构。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的动力关节，其特征在于，所述动力输入装置为伺服电机。

10.一种动力外骨骼康复机器人，其特征在于，包括腰部部件、髋腰部件、大腿部件、小腿部件以及如权利要求1至9中任一项所述的动力关节，所述动力关节连接所述大腿部件和所述小腿部件，所述髋腰部件连接所大腿部件和所述腰部部件，所述腰部部件用以穿戴在用户腰部，所述小腿部件用以穿戴在用户小腿。

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