CN112736606B - 一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环 - Google Patents

Abstract

本发明提供的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，涉及可穿戴设备技术领域，包括盒体和设置在盒体内驱动模组、转子杆、转子模块和定子模块，转子杆在驱动模组的驱动下具有相对于盒体转动的自由度；转子模块包括连接于转子杆的转子PCB板和设置在转子PCB板上的弹簧针和霍尔传感器，定子模块包括定子PCB板、连接于定子PCB板的定子模块出线端子和连接于盒体的磁柱，其中，定子PCB板与转子PCB板相对且平行，定子PCB板靠近转子PCB板的板面上嵌设有铜片滑环，铜片滑环与弹簧针适配并构成若干导电滑环，磁柱与霍尔传感器适配构成角度检测绝对编码器；导电滑环实现本发明结构内部导电，角度检测绝对编码器集成在本发明结构上实现关节角度检测的简易化。

Description

一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体涉及一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环。

背景技术

外骨骼原来指生物学中保护生物内部柔软器官的一种坚硬外部结构，而现在外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学与人机工效学的机械装置，穿戴于人体肢体外侧，可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的能力。其应用领域十分广泛，在军事领域上，可以提高士兵的运动灵活性、机动性、负重能力等；在医疗领域，可以帮助下肢肌无力或其他残疾患者进行康复训练；在民用领域，可以帮助穿戴者提高搬运重物能力，提高行走耐久性等。

目前现有外骨骼中，主要应用存在经过转动关节处的线材进行通讯，因为若采用无线通信，会有数据延时、数据中断的情况出现。由于关节存在转动角度，经过关节处的线材需要留有转动余量，这也常常导致线材外露影响外骨骼整体外观。同时，现有外骨骼的膝、髋关节屈伸转动方向，大部分都会布置角度检测元件，如增量式编码器、绝对编码器等，以实时测量关节转动角度，这也导致关节处的结构复杂度会提升。因此，对外骨骼的膝、髋关节等位置进行结构改进以适应走线的难度较大，工序也十分复杂。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，解决外骨骼关节处电气线材难以走线的问题；同时，本发明的角度检测导电滑环集成角度检测绝对编码器，解决外骨骼关节角度检测导致的结构复杂性问题。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，包括盒体、驱动模组、转子杆、转子模块和定子模块；

所述驱动模组固设在盒体内侧壁上，所述转子杆连接于驱动模组的输出端，所述转子杆在驱动模组的驱动下具有相对于盒体转动的自由度；

所述转子模块连接于转子杆，包括转子PCB板、若干弹簧针和霍尔传感器，所述转子PCB板固连于转子杆，所述若干弹簧针和霍尔传感器分别安装在转子PCB板远离转子杆侧板面上，所述若干弹簧针布置在转子PCB板板面的同一直线上，并且依次靠近霍尔传感器；

所述定子模块固设在盒体内，位于转子模块远离驱动模组侧，包括定子模块出线端子、定子PCB板和磁柱；所述定子PCB板与转子PCB板板面相对且相互平行，所述定子PCB板远离转子PCB板的板面连接于盒体，所述定子PCB板靠近转子PCB板的板面上嵌设有若干同心的铜片滑环，所述铜片滑环的数量与弹簧针数量相等，并且位于同一直线的若干弹簧针对应抵触于同一径向上的若干铜片滑环，构成若干导电滑环；所述磁柱设置在铜片滑环的圆心位置，磁柱连接于盒体板面，并且磁柱位置对应于霍尔传感器，构成角度检测绝对编码器；所述定子模块出线端子设置在定子PCB板侧边上，电连接于定子PCB板；

所述盒体上还设置有转子线材出口和定子线材出口，所述转子线材出口用于通过电连接于转子模块的线材，所述定子线材出口用于通过电连接于定子模块的线材。

进一步的，所述盒体由动力仓和定子盖构成；所述驱动模组设置在动力仓内，驱动模组的输出端贯穿于动力仓侧壁，所述转子杆安装在动力仓外侧；所述定子盖盖设于动力仓靠近转子杆的侧壁，定子盖的凸缘连接于动力仓侧壁，并与动力仓侧壁构成安装仓；所述转子模块和定子模块分别设置在安装仓内；

所述定子盖靠近动力仓侧的盖面上设置有限位台阶，所述定子PCB板板面设置有限位孔，所述限位孔适配套设在限位台阶上；所述限位台阶上设置有一开口朝向转子模块的沉孔，所述磁柱适配设置在沉孔内；

所述转子杆与转子模块的同心度、定子模块与定子盖的同心度使得所述角度检测导电滑环正常工作时，弹簧针触接于铜片滑环。

进一步的，所述转子杆上设置有定位孔一，所述转子PCB板上设置有定位孔二，所述定位孔一与定位孔二位置对应，并且位置对应的定位孔一与定位孔二经定位销固连。

进一步的，所述定子盖的凸缘上设置有一缺口，所述转子杆部分自缺口处延伸至安装仓外侧；所述缺口的大小至少使得转子杆经驱动模组驱动时发生相对于动力仓的旋转角度。

进一步的，定义转子杆伸出方向为下方；则所述转子线材出口设置在转子杆下方，所述转子线材出口用于通过电连接于转子模块的线材后自缺口处向下延伸；所述定子线材出口设置在动力仓靠近定子盖的侧壁上方，且位置对应于定子模块出线端子，定子线材出口用于通过电连接于定子模块的线材后向上延伸。

进一步的，当所述角度检测导电滑环为髋关节处的助力模块时，所述角度检测导电滑环的动力仓上远离定子盖的侧壁固连于髋关节处腰部绑缚板。

进一步的，所述驱动模组的驱动单元为电机。

进一步的，所述弹簧针包括四根，同心的铜片滑环包括四个，所述转子杆转动，带动转子模块中弹簧针在定子PCB板上与其位置对应的铜片滑环上滑动。

进一步的，所述转子PCB板和定子PCB板均设置为圆盘状，所述转子PCB板和定子PCB板的轴心位于同一直线上。

进一步的，所述定子盖与动力仓之间、转子PCB板与转子杆之间、定子PCB板与定子盖之间均采用螺栓紧固。

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，获得了如下有益效果：

本发明公开的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，包括盒体，设置在盒体内驱动模组、转子杆、转子模块和定子模块，转子杆在驱动模组的驱动下具有相对于盒体转动的自由度；其中，转子模块包括连接于转子杆的转子PCB板和设置在转子PCB板上的弹簧针和霍尔传感器，定子模块包括定子PCB板、连接于定子PCB板的定子模块出线端子和连接于盒体的磁柱；定子PCB板与转子PCB板相对且平行，且定子PCB板靠近转子PCB板的板面上嵌设有铜片滑环，铜片滑环与弹簧针适配并构成若干导电滑环，磁柱与霍尔传感器适配构成角度检测绝对编码器；本发明通过结构设置构成能在外骨骼关节处使用的导电滑环实现本发明结构内部导电，避免了线材从转子杆下方到外骨骼关节处绑缚板上方难以布局的问题，避免了线材在关节的外部走线，降低了线材外露而导致的破损可能性。

其次，本发明将角度检测绝对编码器集成在本发明结构上，实现关节角度检测的简易化，解决关节角度检测导致的结构复杂性问题。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明为本发明角度检测导电滑环某一实施例穿戴场景示意图；

图2为本发明角度检测导电滑环所在关节模块结构示意图；

图3为本发明角度检测导电滑环转子模块布局示意图；

图4为本发明角度检测导电滑环定子模块布局示意图。

图中，各标记的具体意义为：

1-人体；2-关节模块；3-腰部绑缚板；4-动力仓；5-驱动模组；6-定子盖；7-转子杆；8-转子模块；9-定子模块；10-转子PCB板；11-弹簧针；12-定位孔二；13-霍尔传感器；14a-转子线材出口；14b-定子线材出口；15-定子模块出线端子；16-定子PCB板；17-铜片滑环；18-磁柱；19-限位台阶。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一”、“二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样, 除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件, 并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、 操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。

基于现有技术中为避免外骨骼转动关节出现数据延时或中断的情况，一般采用线材进行通讯，并且由于关节存在转动角度，线材需要留有转动余量，进而导致线材外露影响外骨骼整体外观；同时，现有外骨骼转动关节会布置角度检测元件实时测量关节转动角度，导致关节处的结构复杂度会提升；本发明旨在提出一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，该导电滑环通过内部接触导电避免关节外部走线，并将角度检测绝对编码器集成在滑环内，实现关节角度检测的简易化。

下面结合附图所示的实施例，对本发明用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环作进一步的具体介绍。

结合图1至图4所示，本发明用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环作为一关节模块2用于外骨骼关节处，例如膝关节、髋关节。

关节模块2包括盒体、驱动模组5、转子杆7、转子模块8和定子模块9；其中，驱动模组5固设在盒体内侧壁上，转子杆7连接于驱动模组5的输出端，并且转子杆7在驱动模组5的驱动下具有相对于盒体转动的自由度；转子模块8连接于转子杆7，包括转子PCB板10、若干弹簧针11和霍尔传感器13，转子PCB板10固连于转子杆7，若干弹簧针11和霍尔传感器12分别安装在转子PCB板10远离转子杆7侧板面上，其中若干弹簧针11布置在转子PCB板10板面的同一直线上，并且依次靠近霍尔传感器12；定子模块9固设在盒体内，位于转子模块8远离驱动模组5侧，包括定子模块出线端子15、定子PCB板16和磁柱18，其中，定子PCB板16与转子PCB板10板面相对且相互平行，定子PCB板16远离转子PCB板10的板面连接于盒体，定子PCB板16靠近转子PCB板10的板面上嵌设有若干同心的铜片滑环17；铜片滑环17的数量与弹簧针11数量相等，并且位于同一直线的若干弹簧针11对应抵触于同一径向上的若干铜片滑环17，构成若干导电滑环；所述磁柱18设置在铜片滑环17的圆心位置，磁柱18连接于盒体板面，并且磁柱18位置对应于霍尔传感器13，构成角度检测绝对编码器；定子模块出线端子15设置在定子PCB板16侧边上，电连接于定子PCB板16。

为便于走线，盒体上还设置有转子线材出口14a和定子线材出口14b，转子线材出口14a用于通过电连接于转子模块8的线材，定子线材出口14b用于通过电连接于定子模块9的线材。

为便于转子模块8、定子模块9在盒体内的安装使用，如图2至图4所示的实施例，盒体设置为拼合组装结构，由动力仓4和定子盖6构成；其中，驱动模组5设置在动力仓4内，驱动模组5的输出端贯穿于动力仓4侧壁；转子杆7安装在动力仓4外侧，并连接于驱动模组5伸出动力仓4的端部；在具体实施例中，驱动模组5可选用电机。定子盖6盖设于动力仓4靠近转子杆7的侧壁，定子盖6的凸缘连接于动力仓4侧壁，并与动力仓4侧壁构成安装仓；转子模块8和定子模块9分别设置在安装仓内。实施例选用简易快速的固定方式实现定子盖6与动力仓4之间、转子PCB板10与转子杆7之间、定子模块9与定子盖6之间的固定，即均采用螺栓紧固。

如图4所示，定子盖6靠近动力仓4侧的盖面上设置有限位台阶19，定子PCB板16板面设置有限位孔，限位孔适配套设在限位台阶19上，限位台阶19用于保证定子模块9与定子盖6的同心度；图4中，限位台阶19为圆柱状限位台阶，限位孔为圆形通孔。限位台阶19上设置有一开口朝向转子模块8的沉孔，磁柱18适配设置在沉孔内，图2中，用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环组装完成并正常使用时，磁柱18和霍尔传感器13之间预留有安装间隙，如1mm。实施例中，转子杆7与转子模块8的同心度、定子模块9与定子盖6的同心度使得所述角度检测导电滑环正常工作时，弹簧针11触接于铜片滑环17，实现转子模块8和定子模块9之间的电连接。图3的实施例中，弹簧针11包括四根、同心的铜片滑环17包括四个，转子杆7转动，带动转子模块8中弹簧针11在定子PCB板16上与其位置对应的铜片滑环17上滑动。

附图2和图3所示的实施例中，提供一种确保转子杆7和转子模块8之间的同心度的加固方式：在转子杆7上设置定位孔一，转子PCB板10上设置与定位孔一位置对应的定位孔二12，然后采用定位销将位置对应的定位孔一与定位孔二12固连。另外，附图3和图4中，将转子PCB板10和定子PCB板16均设置为圆盘状，并且转子PCB板10和定子PCB板16的轴心位于同一直线上，通过轴心位于同一直线的方式确保转子模块8和定子模块9的同心度。一些实施例中，发现当转子PCB板10和定子PCB板16偏离一些微小角度时，也能实现导电，属于误差范围内。

图1示出了本发明角度检测导电滑环在外骨骼关节处的一种使用方案，该方案即将角度检测导电滑环应用在髋关节处，作为髋关节的助力模块，此时采用角度检测导电滑环的动力仓4上远离定子盖6的侧壁固连于髋关节处腰部绑缚板3。

本发明还可通过在转子杆7下方可连接其他零件，实现与大腿进行绑缚，实现转子杆7对人体膝关节屈伸运动方向进行助力。具体结构为，定子盖6的凸缘上设置有一缺口，转子杆7部分自缺口处延伸至安装仓外侧，缺口的大小至少使得转子杆7经驱动模组5驱动时发生相对于动力仓4的旋转角度，该旋转角度大于零。与大腿进行绑缚的连接件可安装在转子杆7伸出安装仓的部分上。

为便于线材在可穿戴外骨骼整体的走线使用，实施例提出了一种走线结构；即定义转子杆7伸出方向为下方，则转子线材出口14a设置在转子杆7下方，转子线材出口14a用于通过电连接于转子模块8的线材后自缺口处向下延伸；定子线材出口14b设置在动力仓4靠近定子盖6的侧壁上方，且位置对应于定子模块出线端子15，定子线材出口14b用于通过电连接于定子模块9的线材后向上延伸；避免线材在关节处预留转动余量，进而实现可穿戴外骨骼整体电导通。

如图2所示，本发明公开的角度检测导电滑环包含转子模块8、定子模块9以及磁柱18，其实现如下两个主要功能：

一为导电：弹簧针11与铜片滑环17组成的导电滑环，避免了线材从转子杆7下方到腰部绑缚板3上方难以布局的问题，避免了线材在关节外部走线，降低了线材外露而导致的破损可能性；二为角度检测：转子模块8上的霍尔传感器13与定子盖6上的磁柱18组成了角度检测绝对编码器，其集成于导电滑环上，解决了关节角度检测导致的结构复杂性问题，实现实时角度检测的简易化。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，包括盒体、驱动模组、转子杆、转子模块和定子模块；

所述驱动模组固设在盒体内侧壁上，所述转子杆连接于驱动模组的输出端，所述转子杆在驱动模组的驱动下具有相对于盒体转动的自由度；

所述转子模块连接于转子杆，包括转子PCB板、若干弹簧针和霍尔传感器，所述转子PCB板固连于转子杆，所述若干弹簧针和霍尔传感器分别安装在转子PCB板远离转子杆侧板面上，所述若干弹簧针布置在转子PCB板板面的同一直线上，并且依次靠近霍尔传感器；

所述定子模块固设在盒体内，位于转子模块远离驱动模组侧，包括定子模块出线端子、定子PCB板和磁柱；所述定子PCB板与转子PCB板板面相对且相互平行，所述定子PCB板远离转子PCB板的板面连接于盒体，所述定子PCB板靠近转子PCB板的板面上嵌设有若干同心的铜片滑环，所述铜片滑环的数量与弹簧针数量相等，并且位于同一直线的若干弹簧针对应抵触于同一径向上的若干铜片滑环，构成若干导电滑环；所述磁柱设置在铜片滑环的圆心位置，磁柱连接于盒体板面，并且磁柱位置对应于霍尔传感器，构成角度检测绝对编码器；所述定子模块出线端子设置在定子PCB板侧边上，电连接于定子PCB板；

所述盒体上还设置有转子线材出口和定子线材出口，所述转子线材出口用于通过电连接于转子模块的线材，所述定子线材出口用于通过电连接于定子模块的线材。

2.根据权利要求1所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述盒体由动力仓和定子盖构成；

所述驱动模组设置在动力仓内，驱动模组的输出端贯穿于动力仓侧壁，所述转子杆安装在动力仓外侧；所述定子盖盖设于动力仓靠近转子杆的侧壁，定子盖的凸缘连接于动力仓侧壁，并与动力仓侧壁构成安装仓；所述转子模块和定子模块分别设置在安装仓内；

所述定子盖靠近动力仓侧的盖面上设置有限位台阶，所述定子PCB板板面设置有限位孔，所述限位孔适配套设在限位台阶上；所述限位台阶上设置有一开口朝向转子模块的沉孔，所述磁柱适配设置在沉孔内；

所述转子杆与转子模块的同心度、定子模块与定子盖的同心度使得所述角度检测导电滑环正常工作时，弹簧针触接于铜片滑环。

3.根据权利要求1所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述转子杆上设置有定位孔一，所述转子PCB板上设置有定位孔二，所述定位孔一与定位孔二位置对应，并且位置对应的定位孔一与定位孔二经定位销固连。

4.根据权利要求2所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述定子盖的凸缘上设置有一缺口，所述转子杆部分自缺口处延伸至安装仓外侧；所述缺口的大小至少使得转子杆经驱动模组驱动时发生相对于动力仓的旋转角度。

5.根据权利要求4所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，定义转子杆伸出方向为下方；则所述转子线材出口设置在转子杆下方，所述转子线材出口用于通过电连接于转子模块的线材后自缺口处向下延伸；所述定子线材出口设置在动力仓靠近定子盖的侧壁上方，且位置对应于定子模块出线端子，定子线材出口用于通过电连接于定子模块的线材后向上延伸。

6.根据权利要求2所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，当所述角度检测导电滑环为髋关节处的助力模块时，所述角度检测导电滑环的动力仓上远离定子盖的侧壁固连于髋关节处腰部绑缚板。

7.根据权利要求1所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述驱动模组的驱动单元为电机。

8.根据权利要求1所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述弹簧针包括四根，同心的铜片滑环包括四个，所述转子杆转动，带动转子模块中弹簧针在定子PCB板上与其位置对应的铜片滑环上滑动。

9.根据权利要求2所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述转子PCB板和定子PCB板均设置为圆盘状，所述转子PCB板和定子PCB板的轴心位于同一直线上。

10.根据权利要求2所述的用于可穿戴外骨骼关节处的角度检测导电滑环，其特征在于，所述定子盖与动力仓之间、转子PCB板与转子杆之间、定子PCB板与定子盖之间均采用螺栓紧固。

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