CN212445220U - 一种齿轮减速电动关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种齿轮减速电动关节，包括：壳体，壳体包括相连的底壁和侧壁，底壁上设有轴孔；无刷电机，无刷电机的定子与壳体的底壁固定连接；转子端盖，与无刷电机外转子固定连接；齿轮减速组件，齿轮减速组件的动力输入端与转子端盖固定连接，齿轮减速组件的动力输出端设有动力输出轴，动力输出轴的一端穿出轴孔；其中，动力输出轴的轴线与无刷电机外转子的转动轴线平行，且轴孔与无刷电机分别设于靠近壳体的长度方向两端的底壁上。本实用新型提出的齿轮减速电动关节，有效降低了模组高度，提升了热设计性能，增加整机关节动力模组的散热面积，减小系统热阻，结构简单，可靠性高，降低了成本。

Description

一种齿轮减速电动关节

技术领域

本实用新型属于可穿戴式智能机器人设备技术领域，特别涉及一种齿轮减速电动关节。

背景技术

以医疗康复及工业负重等为应用领域的外骨骼机器人当下多采用电驱动执行器作为其关节动力源输出装置，外骨骼机器人处于不同的运行工况时，其关节扭矩输出需求可达几十乃至上百牛米，结合电动机的运行特性，上述关节动力源模组大多均采用了“电动机+减速器+驱动器”这一基本的组合，降低关节输出角速度的同时有效提升了输出扭矩，满足整机运动控制的性能需求。

目前，上述“电动机+减速器”动力模组中的减速器装置多采用谐波减速器、行星齿轮减速器、定齿轮减速器、皮带/绳索传动等主流传动机构，将这些减速装置与电动机、驱动器及其它辅助电气系统组合装配的方式在当前主流应用中存在着一些不足：

(1)设计模组厚度较大，影响穿戴式外骨骼机器人的外观美学与性能发挥，以“电动机+谐波减速器/行星减速器+驱动器”为主流模组设计结构为例，多数采用的是将驱动器、电动机、谐波减速器及其它电气辅助系统堆叠排列，组合厚度显著增大，加之外骨骼机器人自身结构框架，最后装配安装凸出明显，很大程度影响了外骨骼机器人穿着舒适性。同理，采用行星齿轮减速器的主流动力模组结构设计也存在上述不足。

(2)热设计受限，持续/可靠性动力输出受明显影响，为了缓解(1)中所述堆叠尺寸厚度太大不足之处，设计中通常将驱动器、电动机、减速器及电气辅助系统紧凑排列，这种设计一定程度上影响了电动关节模组的热特性，电动关节模组热设计受明显影响，直接影响了关节模组可靠持续高扭矩输出。同时，针对工业应用领域，其环境和可靠性应用也会受到影响。

(3)动力集中式布置受限，以下肢外骨骼机器人为例，共需要4组动力模组提供2个髋关节和2个膝关节力矩输出，当前技术方案种，各个关节模组多直接安装在髋关节和膝关节处放置，这种动力分散式布置增加了动力系统(动力电源)和信号系统的路由回路距离，降低了效率，影响了可靠性。另一方面，对于工业外骨骼等对整机机动灵敏性有要求的应用场合，这种布置方式，造成了腿部质心下移，从髋关节角度看，系统运行惯量明显增加，较大的摆动惯量通过减速器反映到电机轴端，对电动机/负载惯量匹配及髋关节电动模组动力输出都增加了负担，增加了整机运动控制的难度。

除上述不足之处，传统的电动关节模组还存在造价高，装配繁琐等应用过程中实际存在的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本实用新型的一个目的在于提供一种齿轮减速电动关节。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案提供了一种齿轮减速电动关节，包括：壳体，壳体包括相连的底壁和侧壁，底壁上设有轴孔；无刷电机，无刷电机的定子与壳体的底壁固定连接；转子端盖，与无刷电机外转子固定连接；齿轮减速组件，齿轮减速组件的动力输入端与转子端盖固定连接，齿轮减速组件的动力输出端设有动力输出轴，动力输出轴的一端穿出轴孔；其中，动力输出轴的轴线与无刷电机外转子的转动轴线平行，且轴孔与无刷电机分别设于靠近壳体的长度方向两端的底壁上。

根据本实用新型提出的齿轮减速电动关节，齿轮减速电动关节包括：壳体、无刷电机、转子端盖、齿轮减速组件，具体地，壳体包括相连的底壁和侧壁，底壁上设有轴孔，无刷电机的定子与壳体的底壁固定连接，即无刷电机的外转子可以相对于壳体转动，且无刷电机的外转子与转子端盖通过过盈配合实现固定连接，无刷电机的外转子转动时带动转子端盖一同转动，齿轮减速组件的动力输入端与转子端盖固定连接，从而使无刷电机运行时通过转子端盖向齿轮减速组件的动力输入端输出动力，齿轮减速组件的动力输出端设有动力输出轴，无刷电机输出的动力通过齿轮减速组件改变无刷电机输出角速度的同时改变输出扭矩，并通过动力输出轴向外输出动力，具体地，齿轮减速组件为至少一组相互啮合的直齿轮，若动力输入端的主动齿轮的齿数大于动力输出端的从动齿轮的齿数，则无刷电机输出的动力通过齿轮减速组件降低无刷电机输出角速度并提升输出扭矩，若动力输入端的主动齿轮的齿数小于动力输出端的彻从动齿轮的齿数，则无刷电机输出的动力通过齿轮减速组件提高无刷电机输出角速度并降低输出扭矩，因此，根据在外骨骼机器人的需求可以通过设置多组相互啮合的主动齿轮、从动齿轮，获取具有高输出扭矩的齿轮减速电动关节；进一步地，动力输出轴的一端穿出轴孔，以使得动力输出轴伸出壳体的一端可以与外部的传动结构相连接，以实现齿轮减速电动关节向外部的传动结构输出动力。其中，需要说明的是，动力输出轴的轴线与无刷电机外转子的转动轴线平行，且轴孔与无刷电机分别设于靠近壳体的长度方向两端的底壁上，从而使齿轮减速组件与无刷电机等组件沿壳体的长度方向平铺在壳体的底壁上，使齿轮减速电动关节扁平化，以降低齿轮减速电动关节的厚度，降低了结构安装的难度，可以实现膝关节模组装置的“上移”布置，改善惯量匹配与运动控制问题，有效降低了髋关节摆动过程中的运动惯量。相对于传动的堆叠式结构设计，可以有效降低堆叠高度，应用在外骨骼机器人结构上没有明显的结构凸出，更加符合结构美学。同时，将无刷电机、齿轮减速组件等热源热点分散开来，有效增加齿轮减速电动关节散热面积，减小系统热阻。

进一步地，底壁上设有呈柱状的电机支撑座，电机支撑座的端面上设有沉孔，无刷电机的定子套设于电机支撑座上；转子端盖朝向无刷电机一侧的中心位置设有凸出转子端盖的第一连接轴；沉孔内嵌有支撑轴承，第一连接轴内嵌于支撑轴承的内圈。

进一步地，转子端盖背离无刷电机一侧的中心位置设有凸出转子端盖的第二连接轴；齿轮减速组件具体包括：第一齿轮，第二连接轴内嵌于第一齿轮的安装孔内；第二齿轮，与第一齿轮啮合；动力传递轴，内嵌于第二齿轮的安装孔内，且动力传递轴的一端可转动与壳体的底壁相连；第三齿轮，套设于动力传递轴上；第四齿轮，与第三齿轮啮合；动力输出轴，内嵌于第四齿轮的安装孔内；其中，第一齿轮为动力输入端，动力输出轴穿出底壁且可转动地与底壁相连。

进一步地，齿轮减速电动关节还包括：顶盖，与壳体的侧壁相连；在底壁上设有朝向动力传递轴凸出的呈环状的第一轴承座，第一轴承座内嵌有第一轴承，动力传递轴的第一端内嵌于第一轴承的内圈内；在顶盖上设有朝向动力传递轴凸出的呈环状的第二轴承座，第二轴承座内嵌有第二轴承，动力传递轴的第二端内嵌于第二轴承的内圈内。

进一步地，无刷电机外转子的转动轴线、动力传递轴的轴线、动力输出轴的轴线相互平行且沿壳体的长度方向依次排列。

进一步地，底壁的两个侧面对应动力输出轴还设有呈管状的第三轴承座，第三轴承座的管壁包围轴孔，在第三轴承座内嵌有两个第三轴承，两个第三轴承分别位于第三轴承座的两端，动力输出轴与第三轴承的内圈过盈配合。

进一步地，第四齿轮的安装孔与动力输出轴通过销键配合实现固定连接。

进一步地，第二齿轮的齿数大于第一齿轮，第二齿轮的齿数大于第三齿轮的齿数，第四齿轮的齿数大于第三齿轮；第三齿轮设于第二齿轮与底壁之间。

进一步地，齿轮减速电动关节还包括：伺服驱动控制器，与无刷电机电连接，伺服驱动控制器根据接收的上位机发送的控制指令控制无刷电机的运行，且伺服驱动控制器贴近安装在底壁上；导热垫，设于伺服驱动控制器与底壁之间。

进一步地，齿轮减速电动关节还包括：航空插头，设于壳体的侧面，壳体侧面开设通孔；伺服驱动控制器的电源线、信号线穿过通孔与航空插头电连接。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)有效降低了模组高度，实现了持续可靠动力输出，由于采用创新的部件“平铺式”而非传统的各部件“堆叠”式设计结构，可以有效降低堆叠高度，应用在外骨骼机器人结构上没有明显的结构凸出，更加符合结构美学。

(2)提升了热设计性能，有效增加了模组设计运行的可靠性。在热载荷容量不变的情况下，“平铺式”设计结构使得伺服电机驱动器、电动机、齿轮减速器这三种热源热点分散开来，消除了热点集中。平铺式结构可以有效增加整机关节动力模组的散热面积，减小系统热阻。此外“扁平式”结构也有利于伺服驱动控制器散热性能提升，保证了模组结构持续可靠的动力输出。

(3)有益于动力集中式布置，扁平式结构有效降低了模组厚度，形象来说，即将传统的“短粗”式结构改进为“扁平”式结构，降低了结构安装的难度，可以实现膝关节模组装置的“上移”布置，改善上面提到的惯量匹配与运动控制问题，有效降低了髋关节摆动过程中的运动惯量。同时，动力集中式布置也有利于缩短动力电源路由长度，信号完整性可靠性也得到了相应提升。

(4)结构简单，可靠性高，动力传递采用定齿轮传递，增加了动力传递的刚性，简单的动力传递链路增加了模组运行的可靠性，便于安装和维修拆装，减少了工作量。

(5)有效降低了成本，定齿轮的采用替换了昂贵的谐波减速器，齿轮组件成本较低，便于批量化生产，有效降低了模组成本，对机器人整机成本的削减有重要的作用。

附图说明

图1示出了本实用新型的一个实施例的齿轮减速电动关节的爆炸示意图；

图2示出了本实用新型的一个实施例的转子端盖的结构示意图；

图3示出了本实用新型的一个实施例的顶盖的结构示意图。

图中符号说明如下：

1顶盖，2第二轴承、3第二齿轮、4第三齿轮、5第四齿轮、6动力传递轴、102第二轴承座、7动力输出轴、8第一轴承、9第三轴承、11第一齿轮、12转子端盖、13支撑轴承、14外转子、15PCB电路板、16壳体、121第一连接轴、122第二连接轴、140无刷电机、142定子、161底壁、162电机支撑座、1622沉孔、163第一轴承座、164第三轴承座、165轴孔、166侧壁。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式及其有益效果作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型的一个实施例提供了一种齿轮减速电动关节，用于可穿戴式外骨骼机器人，限定了：

齿轮减速电动关节包括：壳体16、无刷电机140、转子端盖12、齿轮减速组件，具体地，壳体16包括相连的底壁161和侧壁166，底壁161上设有轴孔165，无刷电机140的定子142与壳体16的底壁161固定连接，即无刷电机140的外转子14可以相对于壳体16转动，且无刷电机140的外转子14与转子端盖12通过过盈配合实现固定连接，无刷电机140的外转子14转动时带动转子端盖12一同转动，齿轮减速组件的动力输入端与转子端盖12固定连接，从而使无刷电机140运行时通过转子端盖12向齿轮减速组件的动力输入端输出动力，齿轮减速组件的动力输出端设有动力输出轴7，无刷电机140输出的动力通过齿轮减速组件改变无刷电机140输出角速度的同时改变输出扭矩，并通过动力输出轴7向外输出动力，具体地，齿轮减速组件为至少一组相互啮合的直齿轮，若动力输入端的主动齿轮的齿数大于动力输出端的从动齿轮的齿数，则无刷电机140输出的动力通过齿轮减速组件降低无刷电机140输出角速度并提升输出扭矩，若动力输入端的主动齿轮的齿数小于动力输出端的彻从动齿轮的齿数，则无刷电机140输出的动力通过齿轮减速组件提高无刷电机140输出角速度并降低输出扭矩，因此，根据在外骨骼机器人的需求可以通过设置多组相互啮合的主动齿轮、从动齿轮，获取具有高输出扭矩的齿轮减速电动关节；进一步地，动力输出轴7的一端穿出轴孔165，以使得动力输出轴7伸出壳体16的一端可以与外部的传动结构相连接，以实现齿轮减速电动关节向外部的传动结构输出动力。其中，需要说明的是，动力输出轴7的轴线与无刷电机140外转子14的转动轴线平行，且轴孔165与无刷电机140分别设于靠近壳体16的长度方向两端的底壁161上，从而使齿轮减速组件与无刷电机140等组件沿壳体16的长度方向平铺在壳体16的底壁161上，使齿轮减速电动关节扁平化，以降低齿轮减速电动关节的厚度，降低了结构安装的难度，可以实现膝关节模组装置的“上移”布置，改善惯量匹配与运动控制问题，有效降低了髋关节摆动过程中的运动惯量。相对于传动的堆叠式结构设计，可以有效降低堆叠高度，应用在外骨骼机器人结构上没有明显的结构凸出，更加符合结构美学。同时，将无刷电机140、齿轮减速组件等热源热点分散开来，有效增加齿轮减速电动关节散热面积，减小系统热阻。

可选地，无刷电机140的外转子14与转子端盖12之间通过工业胶粘接，以实现固定连接。

具体地，无刷电机140具体为分装式永磁无刷直流电动机。

进一步地，如图1和图2所示，壳体16的底壁161上设有呈柱状的电机支撑座162，电机支撑座162的端面上设有沉孔1622，无刷电机140的定子142套设于电机支撑座162上，从而实现无刷电机140与壳体16的固定连接，具体地，无刷电机140的定子142与电机支撑座162通过过盈配合实现固定连接，或者无刷电机140的定子142的与电机支撑座162间隙配合，定子142的内壁与电机支撑座162之间设置0.2mm～0.4mm左右的间隙，并在间隙内填充工业紧固胶，实现无刷电机140的定子142的内壁与电机支撑座162之间的固定连接，在转子端盖12两个侧面的中心位置分别设有凸出转子端盖12的第一连接轴121和第二连接轴122，沉孔1622内嵌有支撑轴承13，第一连接轴121内嵌于支撑轴承13的内圈，使得转子端盖12通过支承轴承实现转子端盖12与电机支撑座162之间的可转动连接，无刷电机140的外转子14通过过盈配合与转子端盖12固定相连，通过转子端盖12可转动地与电机支撑座162相连，从而使无刷电机140的外转子14可以随转子端盖12一同相对于壳体16转动，且无刷电机140的定子142与电机支撑固定连接，使无刷电机140的外转子14可以相对于无刷电机140的定子142转动，以实现无刷电机140运行时通过外转子14、转子端盖12向外输出动力，可理解地，支撑轴承13一方面实现外转子14、转子端盖12可转动的与电机支撑座162相连，为外转子14、转子端盖12转动时提供支撑力，另一方面，支撑轴承13可以使外转子14、转子端盖12相对于支撑轴座转动时具有很小的滚动摩擦力，使转动更加顺畅，减小机械能的损耗。

其中，无刷电机140通过转子端盖12的第二连接轴122向外输出动力。

进一步地，如图1所示，齿轮减速组件具体包括：第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、动力传递轴和动力输出轴，其中，第一齿轮、第二齿轮、动力传递轴组成一级齿轮减速组件，第三齿轮、第四齿轮、动力输出轴组成二级齿轮减速组件，具体地，的第一齿轮11、第二齿轮3相互啮合，动力传递轴6内嵌于第二齿轮3的安装孔内，第二连接轴122内嵌于第一齿轮11的安装孔内，使得无刷电机140运行时通过转子端盖12上的第二连接轴122将动力传递到第一齿轮11上，因此，第一齿轮11即为齿轮减速组件的动力输入端；第三齿轮4、第四齿轮5相互啮合，动力输出轴7内嵌于第四齿轮5的安装孔内；动力传递轴6内嵌于第三齿轮4的安装孔内，即第二齿轮3的安装孔、第三齿轮4的安装孔均与动力传递轴6固定连接，使第一齿轮11在带动第二齿轮3转动时，由于第二齿轮3与第三齿轮4同轴，因此第二齿轮3通过动力传递轴6带动第三齿轮4转动，且第二齿轮3第三齿轮4的角速度相同，进一步地，通过第三齿轮4与第四齿轮5相互啮合，第三齿轮4将动力传递到第四齿轮5上，第四齿轮5将动力通过动力输出轴7将动力传递到外部的传动机构，实现动力的最终输出。

其中动力传递轴6的一端可转动与壳体16的底壁161相连，以实现动力传递轴6的定位，保障齿轮减速组件运行时的稳定性，动力输出轴7穿出底壁161且可转动地与底壁161相连，使动力输出轴7向外输出动力时，通过与底壁161可转动的相连，限制动力输出轴7沿动力输出轴7的径向摆动，使动力输出轴7转动时更加稳定。

如图1和图3所示，进一步地，齿轮减速电动关节还包括：顶盖1，顶盖1与壳体16的侧壁166相连，以将壳体16盖合，避免齿轮减速电动关节中的无刷电机140、齿轮减速组件等部件向外界暴露，避免异物进入齿轮减速电动关节中，阻碍各部件的正常运行。在底壁161上设有朝向动力传递轴6凸出的呈环状的第一轴承座163，第一轴承座163内嵌有第一轴承8，动力传递轴6的第一端内嵌于第一轴承8的内圈内，在顶盖1上设有朝向动力传递轴6凸出的呈环状的第二轴承座102，第二轴承座102内嵌有第二轴承2，动力传递轴6的第二端内嵌于第二轴承2的内圈内，使得动力传递轴6的第一端和第二端分别通过第一轴承8和第二轴承2实现与壳体16的底壁161和顶盖1的可转动连接，一方面实现动力传递轴6的定位，提高动力传递轴6在转动时的稳定性，另一方面，通过第一轴承8、第二轴承2减小动力传递轴6相对于底壁161和顶盖1转动时的摩擦力，以减少机械能的损耗，并使齿轮减速组件的运行更加顺畅。

进一步地，如图1所示，无刷电机140外转子14的转动轴线、动力传递轴6的轴线、动力输出轴7的轴线相互平行且沿壳体16的长度方向依次排列，使得无刷电机140、动力传递轴6、动力输出轴7沿壳体16的长度方向分布在壳体16内，一方面，结构简单，可靠性高，动力传递采用定齿轮传递，增加了动力传递的刚性，简单的动力传递链路增加了模组运行的可靠性，便于安装和维修拆装，减少了工作量，且有效降低了成本，定齿轮的采用替换了昂贵的谐波减速器，齿轮组件成本较低，便于批量化生产，有效降低了模组成本，对机器人整机成本的削减有重要的作用；另一方面，相对于堆叠式结构，本方案将无刷电机140、一级齿轮减速组件、二级齿轮减速组件平铺在壳体16的底壁161上，使齿轮减速电动关节更加扁平化，有效降低了齿轮减速电动关节的厚度，应用在外骨骼机器人结构上没有明显的结构凸出，更加符合结构美学，并且使得电动机、齿轮减速器热源热点分散开来，消除了热点集中。

进一步地，如图1所示，底壁161的两个侧面对应动力输出轴7还设有呈管状的第三轴承座164，第三轴承座164的管壁包围轴孔165，在第三轴承座164内嵌有两个第三轴承9，两个第三轴承9分别位于第三轴承座164的两端，动力输出轴7与第三轴承9的内圈过盈配合，使得动力输出轴7通过两个第三轴承9实现与壳体16的可传动连接，一方面通过两个第三轴承9对动力输出轴7进行限位，限制动力输出轴7沿动力输出轴7的径向的摆动，提高动力输出轴7转动时的稳定性，另一方面，减小动力输出轴7与壳体16相对转动时的摩擦力，使动力输出轴7的转动更加顺畅。

进一步地，如图1所示，第四齿轮5的安装孔与动力输出轴7通过销键配合实现固定连接，提高动力输出轴7与第四齿轮5连接的稳固性，以实现较大扭矩的传递。

进一步地，如图1所示，第二齿轮3的齿数大于第一齿轮11，第二齿轮3的齿数大于第三齿轮4，第四齿轮5的齿数大于第三齿轮4，以使得动力从第一齿轮11传递到第四齿轮5时，通过两级变送，减小动力输出轴7转动的角速度，且提高动力输出轴7的输出扭矩。第三齿轮4设于第二齿轮3与底壁161之间，以利用第二齿轮3与底壁161之间的空间，使齿轮减速电动关节更加扁平化。

进一步地，如图1所示，齿轮减速电动关节还包括：PCB电路板15，设于壳体16的底壁161上；伺服驱动控制器装载于PCB电路板15上，伺服驱动控制器通过PCB电路板15与无刷电机140电连接，伺服驱动控制器根据接收的上位机发送的控制指令控制无刷电机140的运行，PCB电路板15与底壁161之间还设置导热垫，使PCB电路板15与壳体16通过导热垫紧密贴合，导热垫采用易导热材料，使得PCB电路板15更容易地将热量传递到壳体16上，并通过壳体16散发，以实现最佳散热性能。

其中，导热垫可以是但不限于导热硅胶、导热硅脂、高分子垫片。

伺服驱动控制器上集成了侧轴定位功能，可以实现对永磁伺服电动机(即无刷电机140)转子位置的测定，从而为电机驱动控制提供了反馈位置信号。

进一步地，齿轮减速电动关节还包括：航空插头，设于壳体16的侧面，壳体16侧面开设通孔，伺服驱动控制器的电源线、信号线穿过通孔与航空插头电连接，以最大限度提升齿轮减速电动关节防护等级，提高关节执行模组机器人整机的环境适应性。

具体地，伺服驱动控制器装载在PCB电路板15上，在PCB电路板15与无刷电机140之间通过信号线和电源线电连接，使得伺服驱动控制器通过PCB电路板15、信号线、电源线实现与无刷电机140之间的电连接，一方面，伺服驱动控制器通过电源线为无刷电机140供电，另一方面，伺服驱动控制器通过信号线接收来自无刷电机140的各个反馈参量，控制无刷电机140的运行，详细地，伺服驱动控制器是驱动控制无刷电机140运行的一种电力电子变换器，通过数字协议总线接收来自中央控制器的运动指令，完成对齿轮减速电动关节输出位置、速度、扭矩的控制。

如图1所示，在一个具体的实施例中，提供了一种适用于穿戴式外骨骼机器人的低成本扁平化电动执行关节模组，具体动力传递及各部件组合说明如下：

外转子无刷电机(即无刷电机140)是本文设计模组的动力源，选用分装式永磁无刷直流电动机提供连续输出的动力，永磁无刷电机的伺服驱动控制采用伺服驱动控制电路(即伺服驱动控制器与PCB电路板15)，伺服驱动控制电路接收上位机发送的控制指令，通过底层的电机控制算法完成对永磁无刷直流电动机的驱动控制，伺服驱动控制电路是模组的核心部件，其设计性能和技术水平直接决定了模组整机的性能，伺服驱动控制的设计关键之一就是热性能，提高热设计水平减少驱动控制电路自身发热是控制源头。同时，良好的系统散热设计也是整机模组性能提升的关键所在，采用“扁平式”设计结构之后，伺服驱动控制电路可以直接贴装在执行关节壳体(即壳体16)上面，相较于传统的“堆叠”式设计装配方式，显著增大了散热面积，这使得驱动控制电路可以提供更大更长时间的电流驱动永磁电动机提供动力输出，“扁平式”结构的大面积壳体及端盖(即顶盖1)也有助于永磁电机(即无刷电机140)和齿轮机构的散热，实现了上文所述“热源分散”的优点。永磁无刷电机外转子14与转子端盖12通过过盈配合固定，通过支撑轴承13固定，转子同步齿轮(即第一齿轮11)与转子端盖12固定，作为一级齿轮，与永磁伺服电机外转子14同步旋转，转子同步齿轮与第二齿轮3啮合，实现第一级减速。第三齿轮4与第二齿轮3同轴固定。同时，第二轴承2与动力传递轴6、第一轴承8共同实现对第三齿轮4和第二齿轮3的固定。第三齿轮4与输出轴齿轮(即第四齿轮5)啮合，实现第二级减速，经过二级减速，输出轴齿轮输出转矩明显增加，输出轴齿轮与动力输出轴7通过销键配合以实现较大扭矩的传递，最后通过第三轴承9、第三轴承9固定，实现与外部动力输出接口配合。伺服驱动控制器关键元器件与关节执行机壳通过导热垫紧密贴合，以实现最佳散热性能。同时，伺服驱动控制器上集成了侧轴定位功能，可以实现对永磁伺服电动机转子位置的测定，从而为电机驱动控制提供了反馈位置信号，上述是本设计关节运行原理，即由4个定齿轮实现二级减速，提供机器人整机需要的输出扭矩，需要说明的是，该模组电源和信号走线通过在机壳侧面开孔安装的航空插头连接，这种连接方式可以最大限度提升关节模组的防护等级，提高关节执行模组机器人整机的环境适应性。

本实用新型的有益效果如下：

(1)有效降低了模组高度，实现了持续可靠动力输出，由于采用创新的部件“平铺式”而非传统的各部件“堆叠”式设计结构，可以有效降低堆叠高度，应用在外骨骼机器人结构上没有明显的结构凸出，更加符合结构美学。

(2)提升了热设计性能，有效增加了模组设计运行的可靠性。在热载荷容量不变的情况下，“平铺式”设计结构使得伺服电机驱动器、电动机、齿轮减速器这三种热源热点分散开来，消除了热点集中。平铺式结构可以有效增加整机关节动力模组的散热面积，减小系统热阻。此外“扁平式”结构也有利于伺服驱动控制器散热性能提升，保证了模组结构持续可靠的动力输出。

(3)有益于动力集中式布置，扁平式结构有效降低了模组厚度，形象来说，即将传统的“短粗”式结构改进为“扁平”式结构，降低了结构安装的难度，可以实现膝关节模组装置的“上移”布置，改善上面提到的惯量匹配与运动控制问题，有效降低了髋关节摆动过程中的运动惯量。同时，动力集中式布置也有利于缩短动力电源路由长度，信号完整性可靠性也得到了相应提升。

(4)结构简单，可靠性高，动力传递采用定齿轮传递，增加了动力传递的刚性，简单的动力传递链路增加了模组运行的可靠性，便于安装和维修拆装，减少了工作量。

(5)有效降低了成本，定齿轮的采用替换了昂贵的谐波减速器，齿轮组件成本较低，便于批量化生产，有效降低了模组成本，对机器人整机成本的削减有重要的作用。

在本实用新型中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮减速电动关节，用于可穿戴式外骨骼机器人，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体包括相连的底壁和侧壁，所述底壁上设有轴孔；

无刷电机，所述无刷电机的定子与所述壳体的底壁固定连接；

转子端盖，与所述无刷电机外转子固定连接；

齿轮减速组件，所述齿轮减速组件的动力输入端与所述转子端盖固定连接，所述齿轮减速组件的动力输出端设有动力输出轴，所述动力输出轴的一端穿出所述轴孔；

其中，所述动力输出轴的轴线与所述无刷电机外转子的转动轴线平行，且所述轴孔与所述无刷电机分别设于靠近所述壳体的长度方向两端的所述底壁上。

2.根据权利要求1所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，

所述底壁上设有呈柱状的电机支撑座，所述电机支撑座的端面上设有沉孔，所述无刷电机的定子套设于所述电机支撑座上；

所述转子端盖朝向所述无刷电机一侧的中心位置设有凸出所述转子端盖的第一连接轴；

所述沉孔内嵌有支撑轴承，所述第一连接轴内嵌于所述支撑轴承的内圈。

3.根据权利要求2所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，

所述转子端盖背离所述无刷电机一侧的中心位置设有凸出所述转子端盖的第二连接轴；

所述齿轮减速组件具体包括：

第一齿轮，所述第二连接轴内嵌于所述第一齿轮的安装孔内；

第二齿轮，与所述第一齿轮啮合；

动力传递轴，内嵌于所述第二齿轮的安装孔内，且所述动力传递轴的一端可转动与所述壳体的底壁相连；

第三齿轮，套设于所述动力传递轴上；

第四齿轮，与所述第三齿轮啮合；

动力输出轴，内嵌于所述第四齿轮的安装孔内；

其中，所述第一齿轮为所述动力输入端，所述动力输出轴穿出所述底壁且可转动地与所述底壁相连。

4.根据权利要求3所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，还包括：

顶盖，与所述壳体的侧壁相连；

在所述底壁上设有朝向所述动力传递轴凸出的呈环状的第一轴承座，所述第一轴承座内嵌有第一轴承，所述动力传递轴的第一端内嵌于所述第一轴承的内圈内；

在所述顶盖上设有朝向所述动力传递轴凸出的呈环状的第二轴承座，所述第二轴承座内嵌有第二轴承，所述动力传递轴的第二端内嵌于所述第二轴承的内圈内。

5.根据权利要求3所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，

所述无刷电机外转子的转动轴线、所述动力传递轴的轴线、所述动力输出轴的轴线相互平行且沿所述壳体的长度方向依次排列。

6.根据权利要求3所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，

所述底壁的两个侧面对应所述动力输出轴还设有呈管状的第三轴承座，所述第三轴承座的管壁包围所述轴孔，在所述第三轴承座内嵌有两个第三轴承，两个所述第三轴承分别位于所述第三轴承座的两端，所述动力输出轴与所述第三轴承的内圈过盈配合。

7.根据权利要求3所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，

所述第四齿轮的安装孔与所述动力输出轴通过销键配合实现固定连接。

8.根据权利要求3所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，

所述第二齿轮的齿数大于所述第一齿轮，所述第二齿轮的齿数大于所述第三齿轮的齿数，所述第四齿轮的齿数大于所述第三齿轮；

所述第三齿轮设于所述第二齿轮与所述底壁之间。

9.根据权利要求1所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，还包括：

PCB电路板，设于所述壳体的底壁上；

伺服驱动控制器，装载于所述PCB电路板上，所述伺服驱动控制器通过所述PCB电路板与所述无刷电机电连接，所述伺服驱动控制器根据接收的上位机发送的控制指令控制所述无刷电机的运行；

导热垫，设于所述PCB电路板与所述底壁之间。

10.根据权利要求9所述的齿轮减速电动关节，其特征在于，还包括：

航空插头，设于所述壳体的侧面，所述壳体侧面开设通孔；

所述伺服驱动控制器的电源线、信号线穿过所述通孔与所述航空插头电连接。

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