CN113944737B - 一种扁平动力装置及助力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扁平动力装置及助力装置，包括第一框架、第二框架、电机、平行轴齿系、行星齿系和输出组件；第二框架尾端带有开孔；所述电机包括定子和转子，所述转子上带有一转子轴；所述平行轴齿系包括若干级平行排布的减速齿轮；所述行星齿系包括太阳齿轮、若干行星齿轮和齿圈，所述太阳齿轮和若干行星齿轮啮合联接、所述齿圈和若干行星齿轮啮合联接；所述输出组件包括行星架、输出轴承和输出臂。本发明的扁平动力装置设计紧凑贴身，不妨碍人体正常活动，模块化、集成化程度高，让使用该装置的外骨骼设备整体结构更加简单。

Description

一种扁平动力装置及助力装置

技术领域

本发明涉及人体外骨骼动力装置领域，尤其涉及一种扁平动力装置及助力装置。

背景技术

人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体上肢或下肢力量和耐力的需求，可穿戴外骨骼动力装置是满足这一类需求的装置，包括髋关节助力外骨骼装置、膝关节助力外骨骼装置以及上肢助力外骨骼装置等，现有文献披露了这类装置的实现机构。

可穿戴外骨骼动力装置对于重量体积要求较高，尤其是要求轻薄贴身。传统动力装置大多采用圆柱状的电机及减速机一体化的结构，用于外骨骼上会比较突兀、体积过大且笨重；近些年采用谐波减速机结构的动力装置相对较为轻便，但厚度较大，同样比较突兀。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种扁平动力装置及助力装置，旨在解决现有动力装置厚度较大、妨碍人体正常活动的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提出一种扁平动力装置。该扁平动力装置，包括第一框架、第二框架、电机、平行轴齿系、行星齿系和输出组件；

所述第一框架、第二框架均为带有若干凹腔的板状结构，第二框架尾端带有用于容纳所述行星齿系的开孔，所述第一框架、第二框架扣合联接后形成用于容纳所述平行轴齿系的框架腔体；

所述电机包括定子和转子，所述定子位于第一框架下侧且和第一框架固联，或者位于第二框架上侧且和第二框架固联，所述转子上带有一转子轴，所述转子轴穿过第一框架和第二框架，并分别与所述第一框架、第二框架旋转联接；

所述平行轴齿系包括若干级平行排布的减速齿轮，各级减速齿轮顺次啮合联接；

所述行星齿系包括太阳齿轮、若干行星齿轮和齿圈，所述太阳齿轮和若干行星齿轮啮合联接、所述齿圈和若干行星齿轮啮合联接；

所述输出组件包括行星架、输出轴承和输出臂，所述行星架带有若干行星凸轴，所述若干行星齿轮均通过对应的行星凸轴和行星架旋转联接，所述输出臂和行星架紧密固定；

所述转子和平行轴齿系的首级齿轮通过转子轴同轴传动联接；所述太阳齿轮设置于所述平行轴齿系的末级齿轮之上，与其同轴传动联接；所述齿圈设置于所述开孔上；所述行星架设置于所述齿圈之上，所述行星架与所述输出轴承内圈固联，所述第二框架与所述输出轴承外圈固联，使所述行星架与所述第二框架通过所述输出轴承形成旋转联接；所述输出臂和所述行星架紧密固定。

本发明实施例第二方面提出了一种助力装置。该助力装置包括：背板、腰部连杆、大腿杆、腰部绑带、大腿绑带及传感系统，其特征在于，还包括如上所述的扁平动力装置，所述背板设置于穿戴者后背处，其两侧传动联接所述腰部连杆，所述腰部连杆从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述扁平动力装置中的第一框架或第二框架固联；所述大腿杆设置于穿戴者大腿两侧，与所述扁平动力装置的输出臂传动联接；所述腰部绑带将所述背板与穿戴者腰部固定在一起，所述大腿绑带将大腿杆和穿戴者大腿固定在一起；

所述助力装置的主控电路与所述扁平动力装置的驱动电路电连接；所述主控电路根据传感系统感应到的人体运动数据控制所述驱动电路驱动电机转动或输出力矩，从而驱动所述大腿杆相对于所述背板及腰部连杆转动或产生力矩。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的扁平动力装置设计紧凑贴身，不妨碍人体正常活动，模块化、集成化程度高，让使用该装置的外骨骼设备整体结构更加简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1为本发明扁平动力装置实施例1的剖面示意图；

图2为本发明扁平动力装置实施例1的第一框架立体视图；

图3为本发明扁平动力装置实施例1的第二框架立体视图；

图4为本发明扁平动力装置实施例1中A-A面的行星齿系剖面示意图；

图5为本发明扁平动力装置实施例2的剖面示意图；

图6为采用本发明助力装置实施例的正视示意图；

图7为采用本发明助力装置实施例的穿戴使用侧视示意图。

附图标记如下：

1—第一框架；11—传感孔；12—三相线孔；

2—第二框架；21—主框架；211—开孔；2111—弧形尾孔缺口；22—齿圈压环；23—输出轴承压环；

3—电机；31—定子；311—三相线；32—转子；321—转子轴；33—转子轴承；

4—平行轴齿系；41—首级齿轮；42—二级齿轮；43—三级齿轮；44—末级齿轮；441—末级齿轮中心孔；

5—行星齿系；51—太阳齿轮；511—太阳齿轮中心孔；52—行星齿轮；521—行星齿轮中心孔；522—行星轴承；53—齿圈；531—齿圈轴销；532—弧形齿圈缺口；54—太阳轴线；

6—输出组件；61—行星架；611—行星凸轴；612—传感柱；62—输出轴承；63—输出臂；

7—传感装置；71—编码器；711—编码传感电路；712—编码磁钢；72—角度传感器；721—角度传感电路；722—角度磁钢；

8—罩壳；81—电路空间；82—驱动电路；

9—助力装置；91—扁平动力装置；92—大腿杆；93—大腿绑带；94—腰部连杆；95—背板；96—腰部绑带；97—主控电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但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。

还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

图1为本发明扁平动力装置实施例1的剖面示意图。如图所示，扁平动力装置包括第一框架1、第二框架2、电机3、平行轴齿系4、行星齿系5和输出组件6。

如图2所示，所述第一框架1为板状结构，带有若干凹腔和传感孔11；所述第二框架2包括主框架21、齿圈压环22以及输出轴承压环23。

如图3所示，所述主框架21同样为带有若干凹腔的板状结构，其尾端带有一个用于容纳所述行星齿系4的开孔211，所述齿圈压环22和输出轴承压环23均通过螺丝与所述主框架21紧固。所述齿圈压环22也可与所述输出轴承压环23固定，在此情况下，所述齿圈压环22和输出轴承压环23之一通过螺丝与所述主框架21紧固亦可。所述开孔211优选为圆形结构，所述齿圈压环22和输出轴承压环23均优选为圆环结构，所述齿圈压环22和输出轴承压环23的圆环中心均与所述开孔211圆心重合。所述第一框架1、第二框架2通过螺丝紧固联接在一起，形成一个带有腔体的框架组合(该腔体可称为框架腔体)，用于容纳所述平行轴齿系4。

所述电机3包括定子31和转子32，所述定子31位于第一框架1下侧且和第一框架1固联；所述转子32带有一个长的转子轴321，其穿过所述第一框架1、第二框架2向上延伸至所述第二框架2外侧，所述转子32通过转子轴承33与所述第一框架1、第二框架2旋转联接。

所述平行轴齿系4包括4级平行排布的减速齿轮：首级齿轮41、二级齿轮42、三级齿轮43和末级齿轮44，各级减速齿轮顺次啮合联接。其中首级齿轮41和二级齿轮42啮合传递扭矩，三级齿轮43和末级齿轮44啮合传递扭矩，二级齿轮42设置于三级齿轮43上，所述二级齿轮42和三级齿轮43同轴紧配联接实现力矩传递。所述平行轴齿系4的首级齿轮41紧密固定在所述转子轴321上端，所述转子32的转动会带动所述首级齿轮41转动。

如图4所示，所述行星齿系5包括太阳齿轮51、若干个行星齿轮52(图中示例为3个)和齿圈53，所述太阳齿轮51和若干个行星齿轮52啮合联接，所述若干个行星齿轮52再和所述齿圈53啮合联接。

所述太阳齿轮51和末级齿轮44为一体结构，同轴传递扭矩。所述齿圈53设置在所述主框架21的开孔211上，所述齿圈压环22盖于所述齿圈53上端，所述齿圈压环22和所述主框架21紧密固定，从而所述齿圈53紧密固定在所述主框架21上以传递扭矩。

如图1、图4所示，所述输出组件6包括行星架61、输出轴承62和输出臂63，所述行星架61带有若干个行星凸轴611(图中示例为3个)，所述若干个行星齿轮52均通过对应的行星凸轴611和行星架61形成旋转联接，所述行星齿轮52的中心轴和对应的行星凸轴611共轴。

所述输出轴承62外圈设置于所述齿圈压环22之上，所述输出轴承压环23盖于所述输出轴承62上端，所述齿圈压环22和输出轴承压环23紧密固定，从而使得所述输出轴承压环23将所述输出轴承62外圈紧密固定在所述第二框架2上；所述输出轴承62内圈和所述行星架61紧密配合(固联)；这样所述行星架61与所述第二框架2通过所述输出轴承62形成旋转联接；所述输出臂63盖于所述输出轴承62上，所述输出臂63和行星架61紧密固定。

所述扁平动力装置工作原理如下：当转子32转动时，与其固联的转子轴321带动其上的首级齿轮41转动，进而带动二级齿轮42、三级齿轮43及末级齿轮44转动，进而带动太阳齿轮51、行星齿轮52转动，由于齿圈53与所述第二框架2固定无法转动，所以所述行星齿轮52围绕太阳齿轮51公转，与所述行星齿轮52旋转联接的行星架61绕太阳齿轮51的太阳轴线54转动，从而带动所述输出臂63相对第二框架2转动。

此外，所述输出轴承62可隔离所述第二框架2和输出臂63之间转动，且承受输出臂63和第二框架2之间外部力矩，保护所述扁平动力装置在输出力矩时其内部齿系少受影响。

为进一步隔离输出臂63所受外部力对内部影响，所述输出轴承62可以采用滚子轴承。

图1所示的本发明扁平动力装置还包括传感装置7，所述传感装置7包括编码器71和角度传感器72；所述编码器71包括编码磁钢712和编码传感电路711，所述编码传感电路711设置在所述第二框架2的主框架21上侧(也可设置于第一框架1上)，所述编码磁钢712固定于所述转子轴321的顶端，靠近所述编码传感电路711，所述编码传感电路711与所述编码磁钢712位置相对；所述转子32相对于所述主框架21转动，从而带动所述编码磁钢712相对于所述所述编码传感电路711转动，所述编码传感电路711从而可以感知所述编码磁钢712的位置，因所述定子31与所述主框架21固定，所述编码传感电路711进而感知所述转子32相对于定子31的相对位置。

所述角度传感器72包括角度磁钢722和角度传感电路721，所述角度传感电路721固定于所述第一框架1的传感孔11内，所述角度磁钢722固定于所述行星架61延伸的传感柱612上，靠近所述角度传感电路721，所述角度传感电路721与所述角度磁钢722位置相对。所述传感柱612位于所述末级齿轮44的末级齿轮中心孔441内(所述太阳齿轮51也带有太阳齿轮中心孔511，所述太阳齿轮51与所述末级齿轮44为一体结构，二者中心孔共用同一孔)，所述行星架61和输出臂63固联，所述输出臂63相对于所述第一框架1和第二框架2转动会带动所述角度磁钢722相对于第一框架1转动，从而为所述角度传感电路721所感知。

图1所示本发明扁平动力装置中，还带有驱动电路82和罩壳8，所述罩壳8和第一框架1、第二框架2围合成一电路空间81；所述驱动电路82和/或编码传感电路711容纳于电路空间81内。所述定子31带有三相线311，所述第一框架1靠近电机端带有三相线孔12，所述三相线311穿过所述三相线孔12延伸至所述第二框架2的上侧，与所述驱动电路82电连接，其在三相线孔12处进行密封，从而可以将所述电机3和所述电路空间81分割开来单独密封处理，互不干扰。

图4为本发明扁平动力装置实施例1行星齿系传动剖面示意图，所述太阳齿轮51居于齿圈53中心，所述3个行星齿轮52分别和太阳齿轮51及齿圈53啮合，且所述3个行星齿轮52均绕着所述太阳齿轮51公转；所述3个行星齿轮52均带有行星轮中心孔521，所述行星轮中心孔521用于容纳行星轴承522。所述行星轴承522内圈和行星架61的行星凸轴611配合，使得所述行星齿轮52和所述行星架61形成旋转连接。

所述扁平动力装置还包括齿圈轴销531，所述齿圈53的外圈和所述开孔211的内圈通过齿圈轴销531传动联接。所述齿圈53外圈带有若干弧形齿圈缺口532，所述开孔211内壁(即内圈)带有若干弧形尾孔缺口2111，其位置与弧形齿圈缺口532对应，所述齿圈轴销531容纳于所述弧形尾孔缺口2111和对应的弧形齿圈缺口532内，使得所述齿圈53和所述主框架21形成带有弹性的传动联接。

图5为本发明扁平动力装置实施例2剖面示意图，与实施例1不同之处在于，实施例2中的电机3设置于所述第二框架2之上，所述编码器71设置于所述第一框架1之下。

图6、图7为采用本发明扁平动力装置91的助力装置9示意图。如图所示，助力装置9采用了本发明扁平动力装置91，此外还包括背板95、腰部连杆94、大腿杆92、腰部绑带96、大腿绑带93及传感系统。所述背板95设置于穿戴者后背处，其两侧传动联接所述腰部连杆94，所述腰部连杆94从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述扁平动力装置91的第一框架1或第二框架2固联；所述大腿杆92设置于穿戴者大腿两侧，与所述扁平动力装置91输出臂63传动联接；所述腰部绑带96和大腿绑带93分别将所述背板95与穿戴者腰部以及大腿杆92和穿戴者大腿固定在一起。

所述助力装置9的主控电路97设置于所述背板95上，所述驱动电路82设置于所述扁平动力装置91内，其与所述主控电路97电连接；所述主控电路97根据传感系统感应到的人体运动数据控制所述驱动电路97驱动电机3转动或输出力矩，从而驱动所述大腿杆92相对于所述背板95及腰部连杆94相对转动或产生力矩，进而适时地带动与其固定的穿戴者腰背相对于大腿转动或输出力矩，减轻穿戴者行走负荷，或者弯腰负荷。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种扁平动力装置，包括第一框架、第二框架、电机、平行轴齿系、行星齿系和输出组件；

其特征在于，所述第一框架、第二框架均为带有若干凹腔的板状结构，第二框架尾端带有用于容纳所述行星齿系的开孔，所述第一框架、第二框架扣合联接后形成用于容纳所述平行轴齿系的框架腔体；

所述电机包括定子和转子，所述定子位于第一框架下侧且和第一框架固联，或者位于第二框架上侧且和第二框架固联，所述转子上带有一转子轴，所述转子轴穿过第一框架和第二框架，并分别与所述第一框架、第二框架旋转联接；

所述平行轴齿系包括若干级平行排布的减速齿轮，各级减速齿轮顺次啮合联接；

所述行星齿系包括太阳齿轮、若干行星齿轮和齿圈，所述太阳齿轮和若干行星齿轮啮合联接、所述齿圈和若干行星齿轮啮合联接；

所述输出组件包括行星架、输出轴承和输出臂，所述行星架带有若干行星凸轴，所述若干行星齿轮均通过对应的行星凸轴和行星架旋转联接，所述行星齿轮的中心轴和对应的行星凸轴共轴，所述输出臂和行星架紧密固定；

所述转子和平行轴齿系的首级齿轮通过转子轴同轴传动联接；所述太阳齿轮设置于所述平行轴齿系的末级齿轮之上，与其同轴传动联接；所述齿圈设置于所述开孔上；所述行星架设置于所述齿圈之上，所述行星架与所述输出轴承内圈固联，所述第二框架与所述输出轴承外圈固联，使所述行星架与所述第二框架通过所述输出轴承形成旋转联接；所述输出臂和所述行星架紧密固定；

所述第二框架包括主框架、齿圈压环以及输出轴承压环，所述齿圈压环固定于所述开孔上，将所述齿圈容纳于所述开孔上；所述齿圈压环和输出轴承压环均与所述主框架紧固，所述输出轴承压环在所述齿圈压环之上并与其固定，所述输出轴承压环将所述输出轴承外圈固定在所述第二框架上；所述开孔为圆形结构，所述齿圈压环和输出轴承压环均为圆环结构，所述齿圈压环和输出轴承压环的圆环中心均与所述开孔圆心重合；

所述扁平动力装置还包括齿圈轴销，所述齿圈的外圈和所述开孔的内圈通过齿圈轴销传动联接；

所述齿圈的外圈带有若干弧形齿圈缺口，所述开孔的内圈带有若干弧形尾孔缺口，所述齿圈轴销容纳于所述弧形尾孔缺口和对应的弧形齿圈缺口内；

所述太阳齿轮与末级齿轮为同轴一体结构；

还包括编码器，所述编码器包括编码磁钢和编码传感电路，所述编码磁钢设置于所述转子轴的端部，所述编码传感电路设置于所述第一框架或第二框架上，且与所述编码磁钢位置相对；

还包括角度传感器，所述角度传感器包括角度磁钢和角度传感电路，所述角度磁钢设置于所述行星架延伸的传感柱上，所述角度传感电路设置于所述第一框架的传感孔内，且与所述角度磁钢位置相对；所述传感柱位于所述末级齿轮的末级齿轮中心孔内；

还包括罩壳和驱动电路，所述罩壳和第一框架、第二框架围合成电路空间，容纳所述编码传感电路和/或驱动电路；所述第一框架靠近电机端带有三相线孔，所述定子带有三相线，所述三相线穿过所述三相线孔延伸至所述电路空间，并与所述驱动电路电连接。

2.根据权利要求1所述的扁平动力装置，其特征在于，所述平行轴齿系包括平行排布的4级齿轮：首级齿轮、二级齿轮、三级齿轮和末级齿轮，所述首级齿轮和二级齿轮啮合联接，所述三级齿轮和末级齿轮啮合联接，二级齿轮和三级齿轮同轴传动联接。

3.一种助力装置，包括背板、腰部连杆、大腿杆、腰部绑带、大腿绑带及传感系统，其特征在于，还包括如权利要求1-2任一项所述的扁平动力装置，所述背板设置于穿戴者后背处，其两侧传动联接所述腰部连杆，所述腰部连杆从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述扁平动力装置中的第一框架或第二框架固联；所述大腿杆设置于穿戴者大腿两侧，与所述扁平动力装置的输出臂传动联接；所述腰部绑带将所述背板与穿戴者腰部固定在一起，所述大腿绑带将大腿杆和穿戴者大腿固定在一起；

所述助力装置的主控电路与所述扁平动力装置的驱动电路电连接；所述主控电路根据传感系统感应到的人体运动数据控制所述驱动电路驱动电机转动或输出力矩，从而驱动所述大腿杆相对于所述背板及腰部连杆转动或产生力矩。