CN112405599A - 一种机械限位外骨骼机器人关节 - Google Patents

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杭祖权
王镇
徐高飞
吴泊成
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Abstract

一种机械限位外骨骼机器人关节，包括驱动机构、减速机构、执行机构和反馈机构，可以驱动外骨骼机器人关节的一个自由度转动。驱动机构由电机座、电机、转轴、后端盖、轴承、定子挡圈和转子挡圈组成。减速机构由减速器、输出法兰和前端盖组成。执行机构由上连接板和下连接板组成。反馈机构由绝对值编码器和相对值编码器组成。本发明前端盖中间开有‑6°～120°的扇形槽，输出法兰设计凸台，装配后输出法兰凸台位于前端盖扇形槽内部，可沿扇形槽内移动，因而将上连接板和下连接板之间的相对转动关系转换到了前端盖和输出法兰之间的相对转动，实现了机械限位，本发明通过机械结构实现关节转动角度的硬限位，提高机器人工作的安全性和可靠性。

Description

一种机械限位外骨骼机器人关节
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种具有转动机械限位的外骨骼机器人关节。
背景技术
下肢外骨骼机器人为穿戴式辅助机器人，对于偏瘫患者或单侧下肢肌肉无力者，它与患者实现人机结合，不仅实现对患者的支撑，更能以正确的助力方式辅助患者完成行走、起立、蹲下等行动，满足他们的基本动作需求，以协助患者迅速康复。下肢外骨骼机器人的运动关节是该机器人运动的动力来源，需要具备与人体腿部关节一致的运动范围，保证机器人的安全性，而对关节转动角度进行机械限位能提高其可靠性。机器人在运动过程中还要符合人体的运动规律，通过对多个关节的运动的组合控制达到所需的运动步态，使穿戴者能顺利的行进。在现有的穿戴机器人关节中，因为未对关节转动角度进行机械限位，完全依靠对电机设置软限位的操作实现关节转动角度的限位，所以穿戴机器人的安全性和可靠性不高。
公开号为CN201610346270.7，发明了一种可穿戴式外骨骼机器人的髋关节结构，主要是针对机器人髋关节的结构，采用丝杠的方式传动，具有体积小和轻便可靠的优点，但是采用该传动方式效率低下，并且关节角的运动范围小，关节转动未进行机械限位设计。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种机械限位外骨骼机器人关节。
本发明解决技术的方案是：
一种机械限位外骨骼机器人关节，包括驱动机构、减速机构、执行机构和反馈机构，所述驱动机构经过减速机构减速后，驱动执行机构运动，并通过反馈机构记录运动的绝对值与相对值。
驱动机构包括电机座、电机、转轴、后端盖、第一轴承、第二轴承、转子挡圈和定子挡圈；所述电机座为回转体结构，端面设计有减重孔，中心处开有电机安装孔；所述电机的定子穿入电机安装孔中，与电机安装孔通过过盈配合安装，定子挡圈通过螺钉固定在所述电机座上，对电机的定子进行轴向定位；转轴插入电机的转子安装孔，与转子安装孔通过过盈配合安装，转子挡圈通过螺钉固定在转轴上，对转轴进行轴向定位，保证转轴与电机转子的固定；后端盖通过螺钉固定电机座后端面上；所述转轴一端通过第二轴承安装在电机座上，另一端通过第一轴承安装在后端盖上。
减速机构包括减速器、输出法兰、前端盖、第三轴承和平键，所述减速器采用谐波减速器，转轴的输出端加工有键槽，平键安装在所述键槽中，转轴输出端插入减速器波发生器的孔中，通过平键保证工作中转轴和减速器的波发生器相对无转动，转轴输出端和减速器波发生器通过螺钉和垫片进行轴向固定；减速器的柔轮通过螺钉固定在输出法兰上；减速器的刚轮和前端盖依次安装在电机座前端面上；所述前端盖与输出法兰通过第三轴承连接保证之间可实现相对转动。
执行机构由上连接板和下连接板组成，所述上连接板通过螺钉固定在输出法兰上，所述下连接板通过螺钉固定在前端盖上。
前端盖上开有扇形槽，所述扇形槽的下边界与X轴正半轴的夹角为-6°，上边界与X轴正半轴的夹角为120°；输出法兰设计凸台，装配后输出法兰凸台位于前端盖扇形槽内部，并可沿扇形槽内移动；
在前端盖平面内，以前端盖的中心为原点，过原点与水平面平行的线为X轴，背离前端盖与下连接板之间螺钉孔的一侧作为X轴正半轴。
反馈机构包括绝对值编码器和相对值编码器，其中绝对值编码器实时记录上连接板和下连接板的相对转动角度，相对值编码器实时记录电机的转速。
绝对值编码器主体通过螺钉固定在前端盖上，绝对值编码器磁柱与输出法兰过盈配合安装，所述相对值编码器壳体与后端盖通过螺钉连接，相对值编码器转轴与转轴固定连接。
所述电机采用无框电机，电机定子与电机座固定后作为关节转动的基座，电机转子的转动通过转轴、减速器的运动传递，驱动上连接板相对下连接板转动。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明将上连接板和下连接板之间的相对转动关系转换到了前端盖和输出法兰之间的相对转动，前端盖中间开有-6°～120°的扇形槽，输出法兰设计凸台，装配后输出法兰凸台位于前端盖扇形槽内部，并可沿扇形槽内移动，实现了机械限位，限位结构简单。本发明通过机械限位的方式限制了关节的转动范围，提高了外骨骼机器人的安全性和可靠性。
(2)本发明的上连接板和下连接板处于同一平面上，符合外骨骼机器人的关节特点。
(3)本发明采用了无框电机，减小了机器人关节的外形尺寸。
(4)本发明采用了谐波减速器，在有限的空间里达到大的减速比，提高驱动力矩。
(5)本发明上连接板和下连接板提供外部连接，适用范围广。
(6)本发明采用两种编码器，记录转动的相对位置和电机的转速，能提供准确多样的反馈数据。
附图说明
图1为本发明的整体结构轴侧示意图；
图2为本发明的整体结构半剖示意图；
图3为本发明电机座的结构示意图；
图4为本发明输出法兰的结构示意图；
图5为本发明前端盖的结构示意图；
图6为本发明前端盖的二维结构示意图；
图7为本发明在-6°极限位置的整体结构示意图；
图8为本发明在120°极限位置的整体结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明是一种具有机械限位的外骨骼机器人关节，包括驱动机构1、减速机构2、执行机构3和反馈机构4，驱动机构1经过减速机构2减速后，驱动执行机构3运动，并通过反馈机构4记录运动的绝对值与相对值，如图1所示。
如图2所示，驱动机构1包括电机座101、电机102、转轴103、后端盖104、第一轴承105、第二轴承106、转子挡圈107和定子挡圈108。如图3所示，电机座101为回转体结构，端面设计减重孔1011，中心加工有电机安装孔1012。电机102的定子穿入电机座101的电机安装孔1012中，进行过盈配合安装，采用螺钉将定子挡圈108固定在电机座101上。定子挡圈108对电机的定子进行轴向定位。转轴103插入电机102的转子的安装孔进行过盈配合安装，转子挡圈107采用螺钉固定在转轴103上，对电机转子进行轴向定位，保证转轴103与电机的转子的固定。后端盖104通过螺钉与电机座101后端面固定。转轴103一端通过第二轴承106安装在电机座101上，另一端通过第一轴承105安装在后端盖104上。
如图2所示，减速机构2包括减速器201、输出法兰202、前端盖203、轴承204和平键205，减速器201采用谐波减速器，采用柔轮固定，刚轮输入的安装方式。转轴103的输出端加工有键槽，平键205安装在键槽中，转轴103输出端插入减速器201波发生器的孔中，通过平键205保证工作中转轴103和减速器201的波发生器相对无转动，转轴103输出端和减速器201波发生器通过螺钉和垫片进行轴向固定；减速器201的柔轮与输出法兰202通过螺钉固定。减速器201的刚轮和前端盖203依次安装在电机座101前端面上，安装时，前端盖203、减速器201的刚轮同时与所述电机座101采用定位销定位，然后再通过螺钉紧固。前端盖203与输出法兰202通过第三轴承204连接保证之间可实现相对转动。
如图2所示，执行机构3由上连接板301和下连接板302组成，上连接板301与输出法兰202通过螺钉固定，下连接板302通过螺钉与前端盖203固定。
如图2所示，反馈机构4由绝对值编码器401和相对值编码器402构成，绝对值编码器401主体与前端盖203通过螺钉固定，绝对值编码器磁柱4011与输出法兰202过盈配合安装，相对值编码器402壳体与后端盖104通过螺钉连接，相对值编码器402转轴与转轴103固定。
电机102采用无框电机。电机定子与电机座101固定作为关节转动的基座，电机转子的转动通过转轴103、减速器201的运动传递，驱动上连接板301相对下连接板302转动，如图2所示。
本发明对上连接板301与下连接板302之间的相对转动进行了机械限位，上连接板只能在-6°～120°的范围转动。当然，转动范围可以根据关节的应用场合进行调整。
上连接板301与下连接板302的转动机械限位是由前端盖203和输出法兰202之间的转动限位引起的，前端盖203中间开有扇形槽2031(如图5所示)，扇形槽的下边界与X轴正半轴的夹角为-6°，上边界与X轴正半轴的夹角为120°，如图6所示。
如图4所示，输出法兰202设计凸台2021，装配后输出法兰凸台2021位于前端盖扇形槽2031内部，并可沿扇形槽内移动，如图7和图8所示。在前端盖203平面内，以前端盖203的中心为原点，过原点与水平面平行的线为X轴，背离前端盖203与下连接板302之间螺钉孔的一侧作为X轴正半轴。
本发明采用了两种编码器，其中绝对值编码器401实时记录上连接板301和下连接板302的相对转动角度，相对值编码器402记录了电机的转速，如图2所示。
本发明机械限位外骨骼机器人关节，可以驱动外骨骼机器人关节的一个自由度转动。根据机械角度限位大小和转动方向的调整，本发明所述关节可作为外骨骼机器人的髋关节结构和膝关节结构。本发明通过机械结构实现关节转动角度的硬限位，提高了机器人工作的安全性和可靠性；本发明还具有外形尺寸小的优点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：包括驱动机构(1)、减速机构(2)、执行机构(3)和反馈机构(4)，所述驱动机构(1)经过减速机构(2)减速后，驱动执行机构(3)运动，并通过反馈机构(4)记录运动的绝对值与相对值。
2.根据权利要求1所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：驱动机构(1)包括电机座(101)、电机(102)、转轴(103)、后端盖(104)、第一轴承(105)、第二轴承(106)、转子挡圈(107)和定子挡圈(108)；所述电机座(101)为回转体结构，端面设计有减重孔(1011)，中心处开有电机安装孔(1012)；所述电机(102)的定子穿入电机安装孔(1012)中，与电机安装孔(1012)通过过盈配合安装，定子挡圈(108)通过螺钉固定在所述电机座(101)上，对电机的定子进行轴向定位；转轴(103)插入电机(102)的转子安装孔，与转子安装孔通过过盈配合安装，转子挡圈(107)通过螺钉固定在转轴(103)上，对转轴(103)进行轴向定位，保证转轴(103)与电机转子的固定；后端盖(104)通过螺钉固定电机座(101)后端面上；所述转轴(103)一端通过第二轴承(106)安装在电机座(101)上，另一端通过第一轴承(105)安装在后端盖(104)上。
3.根据权利要求2所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：减速机构(2)包括减速器(201)、输出法兰(202)、前端盖(203)、第三轴承(204)和平键(205)，所述减速器(201)采用谐波减速器，转轴(103)的输出端加工有键槽，平键(205)安装在所述键槽中，转轴(103)输出端插入减速器(201)波发生器的孔中，通过平键(205)保证工作中转轴(103)和减速器(201)的波发生器相对无转动，转轴(103)输出端和减速器(201)波发生器通过螺钉和垫片进行轴向固定；减速器(201)的柔轮通过螺钉固定在输出法兰(202)上；减速器(201)的刚轮和前端盖(203)依次安装在电机座(101)前端面上；所述前端盖(203)与输出法兰(202)通过第三轴承(204)连接保证之间可实现相对转动。
4.根据权利要求3所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：执行机构(3)由上连接板(301)和下连接板(302)组成，所述上连接板(301)通过螺钉固定在输出法兰(202)上，所述下连接板(302)通过螺钉固定在前端盖(203)上。
5.根据权利要求4所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：前端盖(203)上开有扇形槽(2031)，所述扇形槽的下边界与X轴正半轴的夹角为-6°，上边界与X轴正半轴的夹角为120°；输出法兰(202)设计凸台(2021)，装配后输出法兰凸台位于前端盖扇形槽内部，并可沿扇形槽内移动；
在前端盖(203)平面内，以前端盖(203)的中心为原点，过原点与水平面平行的线为X轴，背离前端盖(203)与下连接板(302)之间螺钉孔的一侧作为X轴正半轴。
6.根据权利要求5所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：反馈机构(4)包括绝对值编码器(401)和相对值编码器(402)，其中绝对值编码器(401)实时记录上连接板和下连接板的相对转动角度，相对值编码器(402)实时记录电机的转速。
7.根据权利要求6所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：绝对值编码器(401)主体通过螺钉固定在前端盖(203)上，绝对值编码器磁柱(4011)与输出法兰(202)过盈配合安装，所述相对值编码器(402)壳体与后端盖(104)通过螺钉连接，相对值编码器(402)转轴与转轴(103)固定连接。
8.根据权利要求2所述的一种机械限位外骨骼机器人关节，其特征在于：所述电机(102)采用无框电机，电机定子与电机座(101)固定后作为关节转动的基座，电机转子的转动通过转轴(103)、减速器(201)的运动传递，驱动上连接板(301)相对下连接板(302)转动。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113081696A (zh) * 2021-06-09 2021-07-09 电子科技大学中山学院 一种可适配左右臂的上肢外骨骼装置及其转换方法
WO2023093558A1 (zh) * 2021-11-29 2023-06-01 北京精准医械科技有限公司 空间平行四边形连杆结构及具有其的小型化机械臂和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4678952A (en) * 1985-08-13 1987-07-07 Intelledex Incorporated Sealed joint for a robot and the like
CN203471790U (zh) * 2013-09-03 2014-03-12 中国科学院沈阳自动化研究所 中空式智能模块化关节
CN104416579A (zh) * 2013-09-03 2015-03-18 中国科学院沈阳自动化研究所 一种中空式智能模块化关节
CN110434832A (zh) * 2019-07-04 2019-11-12 布法罗机器人科技（成都）有限公司 一种紧凑型外骨骼动力单元

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4678952A (en) * 1985-08-13 1987-07-07 Intelledex Incorporated Sealed joint for a robot and the like
CN203471790U (zh) * 2013-09-03 2014-03-12 中国科学院沈阳自动化研究所 中空式智能模块化关节
CN104416579A (zh) * 2013-09-03 2015-03-18 中国科学院沈阳自动化研究所 一种中空式智能模块化关节
CN110434832A (zh) * 2019-07-04 2019-11-12 布法罗机器人科技（成都）有限公司 一种紧凑型外骨骼动力单元

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113081696A (zh) * 2021-06-09 2021-07-09 电子科技大学中山学院 一种可适配左右臂的上肢外骨骼装置及其转换方法
CN113081696B (zh) * 2021-06-09 2021-08-20 电子科技大学中山学院 一种可适配左右臂的上肢外骨骼装置及其转换方法
WO2023093558A1 (zh) * 2021-11-29 2023-06-01 北京精准医械科技有限公司 空间平行四边形连杆结构及具有其的小型化机械臂和应用

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