CN217097847U - 一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，所述关节结构包括依次连接动力机构、及固定臂机构，在所述固定臂机构内部设置有与所述动力机构连接、且在所述动力机构驱动下相对于所述固定臂机构旋转的旋转臂机构，在所述旋转臂机构内设置有将所述旋转臂机构以额定比例减速输出的摆线针轮减速机构。该关节结构具有保证同轴输入输出的同时，最大限度利用单元的内部空间，以紧凑的结构提供外骨骼关节必要的承载强度；固定臂、电机和旋转臂紧密连接且之间设有连接件，减小了结构的轴向尺寸，加强结构之间的稳定又做到了高集成化，同时采用摆线针轮机构进行传动，传动效率高，传动比范围大，使得整个关节结构简单，运转平稳。

Description

一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构

技术领域

本实用新型涉及可穿戴式外骨骼机器人关节技术领域，尤其涉及一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。其设备穿戴后可为人体提供额外助力或者动力。外骨骼机器人广泛应用于军事及医疗领域，国内各科研院所及高校对其做了大量的研究，各相关外骨骼产品及样机层出不穷，在相关技术取得不断进步的同时，外骨骼先进机械结构设计技术仍是制约外骨骼样机各项性能的关键技术，而其中外骨骼关节的结构设计是整机结构设计的重要组成部分。

目前一般的外骨骼机器人关节都采用伺服电机、减速机、齿轮、同步带等结构形式。其中减速器部分大多采用谐波减速器，虽然其具有传动范围大，承载能力强等特点，但是在运行过程中，谐波发生器会产生很严重的轴向力，轴向力过大可能会对电机造成损害，从而影响电机寿命。而且这种关节结构体积重量都较大，严重影响使用性能。

发明内容

针对上述存在的问题，本实用新型旨在提供一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，解决了一般用谐波减速器作为传动结构的效率低，性能差的问题。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，所述关节结构包括依次连接动力机构、及固定臂机构，在所述固定臂机构内部设置有与所述动力机构连接、且在所述动力机构驱动下相对于所述固定臂机构旋转的旋转臂机构，在所述旋转臂机构内设置有将所述旋转臂机构以额定比例减速输出的摆线针轮减速机构。

优选的，所述动力机构包括电机座、电机端盖及在所述电机端盖靠近固定臂机构一侧设置的电机，并且所述电机的驱动轴依次穿设所述固定臂机构一侧、及旋转臂机构，并与所述摆线针轮减速机构连接。

优选的，所述固定臂机构包括对称设置的左侧固定臂及右侧固定臂，并在两者相近的内侧均设有具有中心穿孔的圆台；所述旋转臂机构包括依次旋转套设在所述左侧固定臂及右侧固定臂各自的所述圆台上的左侧旋转臂及右侧旋转臂。

优选的，所述摆线针轮减速机构包括摆线轮及多个相配的针齿，在所述左侧旋转臂及右侧旋转臂上对称开设有沿圆周方向均布且配合所述针齿的针齿孔，在所述摆线轮中心开设有中心孔，在该中心孔种转动穿设有偏心轴，并且所述驱动轴与所述偏心轴连接。

优选的，在所述左侧固定臂及右侧固定臂的圆台上沿圆周方向对称开设有多个针齿销孔，并在每个水平对应的针齿销孔内均紧固穿设有针齿销，在所述摆线轮上沿圆周间距开设有多个配合所述针齿销活动穿设的输出柱销孔，所述摆线轮在绕所述偏心轴偏心公转一周的状态下、其所述输出柱销孔内周面与所述针齿销外周面旋转接触。

优选的，在每个所述圆台表面与所述左侧旋转臂及右侧旋转臂之间均装配有固定臂球轴承，在所述中心孔嵌入有穿设所述偏心轴的中心孔球轴承，并在每个所述输出柱销孔内嵌入有与所述针齿销外周面接触的柱销孔球轴承。

优选的，在所述电机座、左侧固定臂及右侧固定臂上均水平对应开设有第一紧固穿孔，在所述电机座与左侧固定臂之间设有电机臂连接器、在左侧固定臂及右侧固定臂之间设有固定臂连接器，依次在所述电机座的第一紧固穿孔、电机臂连接器、左侧固定臂的第一紧固穿孔、固定臂连接器、及右侧固定臂的第一紧固穿孔内贯穿穿设有第一紧固螺栓。

优选的，在所述左侧旋转臂及右侧旋转臂上水平对应开设有第二紧固穿孔，所述左侧旋转臂及右侧旋转臂之间设有旋转臂连接器，并且在左侧旋转臂的第二紧固穿孔、旋转臂连接器、及右侧旋转臂的第二紧固穿孔内贯穿穿设有第二紧固螺栓。

优选的，所述左侧固定臂及右侧固定臂的侧边上水平对应且沿圆周间距各设有两个旋转锁，并在每个水平对应的所述旋转锁上穿设有第三紧固螺栓。

本实用新型的有益效果是：最大限度利用单元的内部空间，以紧凑的结构提供外骨骼关节必要的承载强度；在不影响功能性能的前提下减少一切不必要的结构，做到了高集成化。采用摆线针轮机构进行传动，传动效率高，稳定性好。固定臂与电机和旋转臂之间都设有连接件，能保证各结构之间良好的固定，使得整个关节结构简单，体积小，重量轻。

附图说明

图1为本实用新型外骨骼机器人关节结构整体结构示意图。

图2为本实用新型外骨骼机器人关节结构左视图。

图3为本实用新型外骨骼机器人关节结构的整体装配爆炸图。

图4为本实用新型外骨骼机器人关节结构的摆线针轮减速机构示意图。

图5为本实用新型外骨骼机器人关节结构的旋转臂结构爆炸示意图。

图6为本实用新型外骨骼机器人关节结构的固定臂结构爆炸示意图。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

参照附图1～6所示的一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，所述关节结构包括依次连接动力机构、及固定臂机构，在所述固定臂机构内部设置有与所述动力机构连接、且在所述动力机构驱动下相对于所述固定臂机构旋转的旋转臂机构，在所述旋转臂机构内设置有将所述旋转臂机构以额定比例减速输出的摆线针轮减速机构。其中，动力机构通过固定臂机构与摆线针轮减速机构为旋转臂机构提供输出动力，并通过摆线针轮减速机构实现额定的减速比，且旋转臂机构设置在固定臂机构内部，可以让旋转臂机构能够进行稳定的旋转运动，并且使得整个关节结构更加紧密，大大减小了结构的轴向长度，进而减小了整个关节结构的轴向力，从而延长整个动力机构的寿命，并具有传动效率高、稳定性好的优点。

具体的，所述动力机构包括电机座6、电机端盖52及在所述电机端盖52靠近固定臂机构一侧设置的电机51，并且所述电机51的驱动轴依次穿设所述固定臂机构一侧、及旋转臂机构，并与所述摆线针轮减速机构连接。该动力机构依次紧密安装有电机座6、电机端盖52、电机51(优选的，电机为无刷直流电机)，该电机51的驱动轴(图中未示出)与摆线针轮减速机构相连接，为其传送动力。固定臂机构为整个关节机构提供稳定支撑，旋转臂机构在固定臂机构的支撑作用下，由摆线轮减速机构提供输出动力，从而通过旋转臂机构将电机51的输入动力减速输出。

具体的，所述固定臂机构包括对称设置的左侧固定臂1a及右侧固定臂1b，并在两者相近的内侧均设有具有中心穿孔的圆台100；所述旋转臂机构包括依次旋转套设在所述左侧固定臂1a及右侧固定臂1b各自的所述圆台100上的左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b。电机51的驱动轴穿设在所述中心穿孔中，并延伸至左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b内与摆线轮减速机构连接，为其提供输入动力，该左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b依次旋转套设在左侧固定臂1a和右侧固定臂1b的圆台100上，能保持左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b的同轴度，使得旋转臂机构整体的旋转精度更高。

具体的，所述摆线针轮减速机构包括摆线轮3及多个相配的针齿4，在所述左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b上对称开设有沿圆周方向均布且配合所述针齿4的针齿孔21，该针齿4穿设在左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b圆周排列的针齿孔21内，在所述摆线轮3中心开设有中心孔31，在该中心孔31中转动穿设有偏心轴9，并且所述驱动轴与所述偏心轴9连接。优选的针齿4比摆线轮3齿数多一个，并按其分布圆等齿距排列，与摆线轮3进行啮合，通过电机51的驱动轴带动偏心轴9旋转，进而带动摆线轮3与针齿4啮合，同时在针齿4间进行自转和公转运动，传递动力，当偏心轴9在中心孔31中转动一周时，摆线轮3于相反方向转过一个针齿4从而得到减速。电机5与摆线针轮减速机构的摆线轮3与针齿4优选采用集成化设计，电机5直接与摆线针轮减速机构集成在一起，而且固定臂结构与旋转臂结构紧密连接，这样设计使整个传动结构更加紧凑，并减小了外骨骼装置的体积和重量。

具体的，在所述左侧固定臂1a及右侧固定臂1b的圆台100上沿圆周方向对称开设有多个针齿销孔101，并在每个水平对应的针齿销孔101内均紧固穿设有针齿销7，在所述摆线轮3上沿圆周间距开设有多个配合所述针齿销7活动穿设的输出柱销孔32，所述摆线轮3在绕所述偏心轴9偏心公转一周的状态下、其所述输出柱销孔32内周面与所述针齿销7外周面旋转接触。针齿销7穿设在左侧固定臂1a和右侧固定臂1b圆台100的针齿销孔101内，使得左侧固定臂1a和右侧固定臂1b形成一体结构，增加了对旋转臂结构和摆线轮减速机构提供支撑强度。该针齿销7由于摆线轮3的自转偏心运动，始终保持输出柱销孔32内周面与所述针齿销7外周面旋转接触，为摆线轮3的公转提供稳定的支撑。

具体的，在每个所述圆台100表面与所述左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b之间均装配有固定臂球轴承12，在所述中心孔31嵌入有穿设所述偏心轴9的中心孔球轴承10，并在每个所述输出柱销孔32内嵌入有与所述针齿销7外周面接触的柱销孔球轴承11。该固定臂球轴承12与圆台100的外圆周面紧密配合、中心孔球轴承10与偏心孔31内圆周面紧密配合、柱销孔球轴承11与输出柱销孔32内圆周面紧密配合，减少了左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b与圆台100之间、偏心轴9与偏心孔31之间、针齿销7与输出柱销孔32之间转动摩擦力及磨损，传动性能得到整体提高。

具体的，在所述电机座6、左侧固定臂1a及右侧固定臂1b上均水平对应开设有第一紧固穿孔108，在所述电机座6与左侧固定臂1a之间设有电机臂连接器14、在左侧固定臂1a及右侧固定臂1b之间设有固定臂连接器13，依次在所述电机座6的第一紧固穿孔108、电机臂连接器14、左侧固定臂1a的第一紧固穿孔108、固定臂连接器13、及右侧固定臂1b的第一紧固穿孔108内贯穿穿设有第一紧固螺栓18。该电机臂连接器14、固定臂连接器13将电机座6、左侧固定臂1a及右侧固定臂1b连接在同一水平线并且由第一紧固螺栓18穿过三者的第一紧固穿孔108进行连接紧固，固定臂连接器13进一步对左侧固定臂1a和右侧固定臂1b进行支撑固定、电机臂连接器14对左侧固定臂1a和电机座6进行支撑，保持电机座6、左侧固定臂1a及右侧固定臂1b的平行度，而且左侧固定臂1a和右侧固定臂1b紧密连接使整个关节传动结构更加紧凑，并减小了整个关节结构的体积和重量。

具体的，在所述左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b上水平对应开设有第二紧固穿孔201，所述左侧旋转臂2a及右侧旋转臂2b之间设有旋转臂连接器16，并且在左侧旋转臂2a的第二紧固穿孔201、旋转臂连接器16、及右侧旋转臂2b的第二紧固穿孔201内贯穿穿设有第二紧固螺栓20。该旋转臂连接器16紧固连接左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b并且第二紧固螺栓20穿过第二紧固穿孔201将两者进行紧固，使得左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b保持较高的平行度，以及两者连接更加紧固及提高了支撑强度，让左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b稳定的进行同步旋转。

为了避免左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b的旋转角度过大而超出所需旋转角度的问题，较佳的，所述左侧固定臂1a及右侧固定臂1b的侧边上水平对应且沿圆周间距各设有两个旋转锁15，并在每个水平对应的所述旋转锁15上穿设有第三紧固螺栓19。该旋转锁15对左侧旋转臂2a和右侧旋转臂2b的旋转角度进行限制，并且通过第三紧固螺栓19穿设旋转锁15将其固定，既增加了两侧固定臂1的紧固稳定又保证了两侧旋转臂2的旋转角度。

本实用新型的原理是：电机驱动轴穿过左侧固定臂与摆线针轮减速机构中的偏心轴相连接，电机提供输入动力，带动偏心轴旋转，摆线轮与针齿相啮合，同时在针齿间进行自转和公转运动，传递动力，当偏心轴在中心孔球轴承中转动一周时，摆线轮于相反方向转过一个针齿从而得到减速从而获得较低的输出转速。通过这种动力传递，使得右侧旋转臂和左侧旋转臂一起转动，并且由于固定臂中旋转锁的设置，使得旋转臂关节在一定位置内进行旋转运动，以此满足外骨骼机器人不同关节的使用要求。由于旋转臂与固定臂之间存在固定臂球轴承的设置，使得两者之间间隙连接紧密，减少了整个关节结构的整体摩擦性，传动性能得到整体提高。旋转臂、固定臂与电机的紧密连接也大大减小了整个装置的轴向尺寸，结构合理。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，其特征在于：所述关节结构包括依次连接动力机构、及固定臂机构，在所述固定臂机构内部设置有与所述动力机构连接、且在所述动力机构驱动下相对于所述固定臂机构旋转的旋转臂机构，在所述旋转臂机构内设置有将所述旋转臂机构以额定比例减速输出的摆线针轮减速机构；

所述动力机构包括电机座(6)、电机端盖(52)及在所述电机端盖(52)靠近固定臂机构一侧设置的电机(51)，并且所述电机(51)的驱动轴依次穿设所述固定臂机构一侧、及旋转臂机构，并与所述摆线针轮减速机构连接；

所述固定臂机构包括对称设置的左侧固定臂(1a)及右侧固定臂(1b)，并在两者相近的内侧均设有具有中心穿孔的圆台(100)；所述旋转臂机构包括依次旋转套设在所述左侧固定臂(1a)及右侧固定臂(1b)各自的所述圆台(100)上的左侧旋转臂(2a)及右侧旋转臂(2b)；

所述摆线针轮减速机构包括摆线轮(3)及多个相配的针齿(4)，在所述左侧旋转臂(2a)及右侧旋转臂(2b)上对称开设有沿圆周方向均布且配合所述针齿(4)的针齿孔(21)，在所述摆线轮(3)中心开设有中心孔(31)，在该中心孔(31)种转动穿设有偏心轴(9)，并且所述驱动轴与所述偏心轴(9)连接；

在所述左侧固定臂(1a)及右侧固定臂(1b)的圆台(100)上沿圆周方向对称开设有多个针齿销孔(101)，并在每个水平对应的针齿销孔(101)内均紧固穿设有针齿销(7)，在所述摆线轮(3)上沿圆周间距开设有多个配合所述针齿销(7)活动穿设的输出柱销孔(32)，所述摆线轮(3)在绕所述偏心轴(9)偏心公转一周的状态下、其所述输出柱销孔(32)内周面与所述针齿销(7)外周面旋转接触。

2.根据权利要求1所述的一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，其特征在于：在每个所述圆台(100)表面与所述左侧旋转臂(2a)及右侧旋转臂(2b)之间均装配有固定臂球轴承(12)，在所述中心孔(31)嵌入有穿设所述偏心轴(9)的中心孔球轴承(10)，并在每个所述输出柱销孔(32)内嵌入有与所述针齿销(7)外周面接触的柱销孔球轴承(11)。

3.根据权利要求2所述的一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，其特征在于：在所述电机座(6)、左侧固定臂(1a)及右侧固定臂(1b)上均水平对应开设有第一紧固穿孔(108)，在所述电机座(6)与左侧固定臂(1a)之间设有电机臂连接器(14)、在左侧固定臂(1a)及右侧固定臂(1b)之间设有固定臂连接器(13)，依次在所述电机座(6)的第一紧固穿孔(108)、电机臂连接器(14)、左侧固定臂(1a)的第一紧固穿孔(108)、固定臂连接器(13)、及右侧固定臂(1b)的第一紧固穿孔(108)内贯穿穿设有第一紧固螺栓(18)。

4.根据权利要求3所述的一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，其特征在于：在所述左侧旋转臂(2a)及右侧旋转臂(2b)上水平对应开设有第二紧固穿孔(201)，所述左侧旋转臂(2a)及右侧旋转臂(2b)之间设有旋转臂连接器(16)，并且在左侧旋转臂(2a)的第二紧固穿孔(201)、旋转臂连接器(16)、及右侧旋转臂(2b)的第二紧固穿孔(201)内贯穿穿设有第二紧固螺栓(20)。

5.根据权利要求4所述的一种利用摆线针轮传动的外骨骼机器人关节结构，其特征在于：所述左侧固定臂(1a)及右侧固定臂(1b)的侧边上水平对应且沿圆周间距各设有两个旋转锁(15)，并在每个水平对应的所述旋转锁(15)上穿设有第三紧固螺栓(19)。

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