CN217097848U - 一种扁平化关节模组、机械关节及外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种扁平化关节模组、机械关节及外骨骼系统，涉及机械关节的技术领域，通过在定子限定有中通的内腔，将转子配置于内腔之中，并在转子上内沿其轴向贯穿限定出连接腔，在连接腔中设置转接传动件，与转子同轴转动的转接部至少部分位于内腔中，以使内腔形成有用于安装关节输出部件的安装空间。采用转接传动件取替传统关节模组的输出轴，缩短电机力臂，有利于关节模组承受更大的负载，提高关节模组的性能参数，并且，转接部预留出安装空间，能够缩小关节模组的轴向体积，使其结构更为紧凑。

Description

一种扁平化关节模组、机械关节及外骨骼系统

技术领域

本公开涉及机械关节的技术领域，尤其涉及一种扁平化关节模组、机械关节及外骨骼系统。

背景技术

机械关节，是一种通过关节构件之间枢转连接，并通过关节模组驱动，从而让关节构件之间实现可多个自由度往复运动的机械组件。关节模组一般具有力矩检测与驱动能力，使机器人具有与人、与环境进行柔顺交互的能力，增强了机器人的功能和适应性。

而当前的机械关节模组与力矩传感器配合的结构方式中，关节模组的输出轴与力矩传感器相连，力矩传感器作为关节模组的输出端，与下一关节构件的基座或负载相连。这种连接方式的关节模组，由于其输出轴较长，在电机的一端或相对两端形成有力臂，导致其运动过程中承受较大的外部径向力，导致关节模组运动过程稳定性较低，造成力矩传感器的检测值与关节模组输出力矩值有较大偏差，甚至对力矩传感器造成破坏。

并且，由于电机输出轴与减速机轴向对接后再与力矩传感器连接，这种安装形式造成关节模组轴向尺寸比较大，形成有较长的力臂，其需要在力矩传感器、输出轴等部件上分别设置用于稳定其转动的轴承，进而容易导致关节模组内部结构紧凑性较低，体积过大，增加了关节组件的装配难度，影响了设备的整体紧凑性及一体性。

实用新型内容

本公开实施例的目的之一在于：提供一种扁平化关节模组，为关节输出部件预留更大的安装空间，解决关节模组轴向体积较大、力臂过长导致的运动过程稳定性较差等技术问题。

本公开实施例的目的之二在于：提供一种机械关节，简化关节整体结构，减少关节构件之间的间距，减少关节模组力臂，解决机械关节体积较大，稳定性差的技术问题。

本公开实施例的目的之三在于：提供一种外骨骼系统，通过扁平化关节模组，减小骨骼系统的关节组件体积，解决穿戴者穿戴状态下整体过于臃肿，行动不便的技术问题。

为达上述目的之一，本公开采用以下技术方案：

第一方面，提供一种扁平化关节模组，包括关节外壳，至少一端开设有与其内部连通的开口；定子，固设于所述关节外壳内，所述定子限定有中通的内腔；转子，配置于所述内腔，所述转子内沿其轴向贯穿限定出连接腔；转接传动件，配置于所述连接腔，所述转接传动件与所述转子固定连接，所述转接传动件形成有与所述转子同轴转动的转接部；所述转接部至少部分位于所述内腔，所述转接部用于安装关节输出部件，以使在所述转接部装有关节输出部件时，关节输出部件的至少部分位于所述内腔中。

作为一种可选的实施方式，所述内腔相对的两端分别形成第一腔部及第二腔部，所述转子位于所述第一腔部及所述第二腔部之间；所述转接部远离所述第一腔部设置且至少部分位于所述第二腔部，以使所述第一腔部形成用于容置部分关节输出部件的安装空间。

作为一种可选的实施方式，所述转接传动件呈盘状结构，所述转接传动件的周部与所述转子固定连接，所述转接传动件的中部朝所述第二腔部方向凸出设置，所述转接部位于所述转接传动件的凸起部，且朝向所述第一腔部设置。

作为一种可选的实施方式，所述转接部与所述关节外壳之间设置有第一轴承；所述第一轴承的内圈与所述转接部固定连接，所述第一轴承的外圈通过轴承支撑座与所述关节外壳固定连接。

作为一种可选的实施方式，还包括输出构件，其一端与所述转接部同轴连接，另一端配置为用于与所述关节输出部件相连的输出部。

作为一种可选的实施方式，所述转接传动件环绕所述转接部周向间隔设置有若干安装孔，所述安装孔沿所述转接部的轴向贯穿所述转接部的相对两侧；所述输出构件设置有相匹配的螺纹孔，所述转接传动件通过螺栓固定安装于所述输出构件上。

作为一种可选的实施方式，所述转接部与所述输出构件之间配置有第一轴承；所述第一轴承的内圈被约束在所述转接部与所述输出构件之间，所述第一轴承的内圈与所述转接部及所述输出构件同步运动，所述第一轴承的外圈通过轴承支撑座与所述关节外壳相对固定。

作为一种可选的实施方式，所述转接部和/或所述输出构件之间凹设有第一限位槽；所述第一限位槽的宽度小于所述第一轴承的厚度，以使所述输出构件在安装于所述转接部时，将所述第一轴承内圈的相对两侧抵紧于所述第一限位槽内，所述转接部与所述输出构件之间具有预设间隙。

作为一种可选的实施方式，所述关节输出部件包括谐波减速机，配置于所述关节外壳内，所述谐波减速机配置有输入端及输出端，所述谐波减速机通过其输入端与所述输出部相连接；力矩传感器，活动配置于所述关节外壳内并靠近所述开口设置，所述力矩传感器与所述谐波减速机的输出端固定连接。

作为一种可选的实施方式，所述转接部与所述关节外壳之间设置有第一轴承；所述第一轴承与所述关节外壳之间设置有轴承支撑座，所述轴承支撑座设置于所述谐波减速机的钢轮。

作为一种可选的实施方式，所述力矩传感器与所述关节外壳之间设置有第二轴承，所述第二轴承的内圈与外圈分别配置为与所述力矩传感器及所述关节外壳固定连接。

作为一种可选的实施方式，所述关节外壳上还设置有轴承端盖，所述轴承端盖上开设有与所述关节外壳内连通的所述开口，所述力矩传感器至少部分配置于所述开口内；所述关节外壳和/或所述轴承端盖之间凹设有第二限位槽，所述第二轴承配置在所述第二限位槽，所述第二限位槽的宽度小于所述第二轴承的厚度，以使所述轴承端盖在安装于所述关节外壳时，将所述第二轴承外圈的相对两侧抵紧于所述第二限位槽内。

作为一种可选的实施方式，所述关节外壳包括外壳本体以及设置在所述外壳本体一侧的减速机支撑座，所述轴承端盖盖扣于所述减速机支撑座上；所述减速机支撑座形成有第一抵顶部和第二抵顶部，所述第一抵顶部与所述谐波减速机的钢轮侧部抵接，所述第二抵顶部与所述第二轴承的外圈抵接；所述减速机支撑座和/或所述轴承端盖之间凹设有所述第二限位槽。

作为一种可选的实施方式，所述第二轴承为交叉滚子轴承。

作为一种可选的实施方式，所述转接部上贯穿形成有通孔，所述输出构件与所述转接部连接的一端伸入所述通孔并设置有与所述输出构件同步转动的磁体；所述关节外壳与所述磁体相对的一侧还设置有编码器线路板，用于获取所述磁体的转动数据。

作为一种可选的实施方式，由所述定子与所述转子配合所组成的电机为盘式无轴电机。

为达上述目的之二，本公开采用以下技术方案：

第二方面，提供一种机械关节，包括第一关节构件；第二关节构件，活动设置在所述第一关节构件上，配置为可相对于所述第一关节构件作往复摆转运动；如上所述的扁平化关节模组，配置为与所述第一关节构件及所述第二关节构件相连接；所述关节外壳固定设置于所述第一关节构件，所述转接部与所述第二关节构件驱动连接；或所述关节外壳固定设置与所述第二关节构件，所述转接部与所述第一关节构件驱动连接。

为达上述目的之三，本公开采用以下技术方案：

第三方面，提供一种外骨骼系统，包括如上所述的机械关节，配置于人体的手部、髋部、腿部中的任一部位。

本公开的有益效果为：本公开的扁平化关节模组，通过转接传动件设置在转子的连接腔中，取代传统关节模组的输出轴，让定子的内腔以及转接传动件预留出可供关节输出部件设置的安装空间，缩短了由电机以及关节输出部件组成的关节模组的轴向尺寸，让关节模组内部结构更为紧凑。在将其应用于机械关节与外骨骼系统中时，能够减少机械关节及外骨骼系统的空间体积，提高机器人的负载及稳定性，也能够避免穿戴者过于臃肿，活动不便的问题。

附图说明

下面根据附图和实施例对本公开作进一步详细说明。

图1为本公开实施例所述扁平化关节模组剖视图；

图2为本公开实施例所述扁平化关节模组爆炸图；

图3为本公开实施例所述扁平化关节模组整体结构示意图。

图中：10、关节外壳；11、开口；12、容置腔；13、编码器线路板； 131、电路板；132、电池；14、外壳本体；15、减速机支撑座；151、第一抵顶部；152、第二抵顶部；16、关节尾盖；20、定子；21、内腔；211、第一腔部；212、第二腔部；30、转子；31、连接腔；32、转接传动件；321、转接部；33、输出构件；331、输出部；332、磁体；34、第一限位槽；40、第一轴承；41、轴承支撑座；50、谐波减速机；60、力矩传感器；70、第二轴承； 71、轴承端盖；711、第二限位槽。

具体实施方式

为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-图2所示，本实施例提供一种扁平化关节模组，旨意在于减小关节模组轴向尺寸体积，提高其运动过程稳定性等相关性能。

本实施例中所述的轴向，指的是电机的旋转轴线所在的方向。

该扁平化关节模组包括作为模组整体支撑结构的关节外壳10，关节外壳10 至少一端开设有与其内部连通的开口11，本实施方式中，为了后续配合机械构件的安装以及其他零部件、电器元件的安装，关节外壳10大致呈圆筒状结构，其内部形成有中空的容置腔12，关节外壳10沿其长度方向的相对两端分别开设有与该容置腔12连通的开口11，开口11可便于容置腔12中的零部件的拆装，也能够让关节输出部件通过开口11与另一关节模组或关节构件等负载相连。

本实施方式中，所述的关节外壳10等部件可由镁铝合金、铝合金等金属材料通过压铸、铣削、冲压等工艺成型，以镁铝合金为例，镁铝合金材料能够提高关节模组质量强度的同时，还能减轻模组重量，由于该材料具有较高的刚性，因此，即使采用相对较少材料成型的零部件，其结构强度也能够保持在符合关节模组所要求的范围内，进而，关节模组的外型尺寸也能够相对缩小，如关节外壳10做薄，使关节外壳10外形尺寸不变的情况下，其容置腔12尺寸增大，为其他零部件预留出更多的容置空间，并且，镁铝合金材料具有较强的导热性能，也能够为关节模组起到散热的作用。

而需要说明的是，不同的金属材料的抗拉强度、抗疲劳强度、金属氧化性、比重密度不同等参数各有不同，在采用不同材料作为扁平化关节模组的成型材料时，可根据不同材料的性能参数设定不同零部件的各项尺寸数值，从而确保各零部件的结构强度均符合该扁平化关节模组的参数要求。

在容置腔12内设置有电机，该电机优选为内转子电机，因此，本实施方式中采用内转子电机作为示例性说明，当然，电机的结构也可以为外转子电机。

电机包括定子20以及转子30，定子20固设于关节外壳10内，定子20包括铁芯以及绕设于铁芯的绕组，在环形结构的定子20铁芯的中部限定有中通的内腔21，内腔21相对的两端相连通，内腔21能够为关节模组的部件提供一定的安装空间，使关节模组的部件至少部分设置在该内腔21中，从而有利于缩小扁平化关节模组的轴向尺寸。

内腔21分别形成第一腔部211及第二腔部212；电机的转子30配置于内腔 21中，本实施方式的转子30厚度小于定子20厚度，因此，本实施例中的转子 30可以完全置于内腔21当中，而上述的转子30在配置于内腔21时，位于第一腔部211及第二腔部212之间，转子30的旋转轴线大致与容置腔12的中心线重合，转子30的两端分别正对相对的两开口11，尽可能确保关节模组的一体性，进一步的，转子30沿其轴向贯穿开设有连接腔31，使转子30与定子20在其轴向方向上均呈环状结构，同样，连接腔31用于与关节模组的部件连接，也使得关节模组的部件可部分置于连接腔31之中，进一步契合关节模组的扁平化设计理念。

具体的，由定子20与转子30配合所组成的电机为盘式无轴电机，该电机整体结构呈扁平的盘状结构，能够减少电机在关节外壳10内部所占用的轴向空间体积，并且，转子30上贯通有连接腔31，这样，与转子30连接的输出部件也能够安装在连接腔31内，减少输出部331件从电机转子30所延伸而出的长度，在电机这一环节上最大限度的节省零部件的安装体积，并且，节省了传统关节模组中的连接法兰、支撑法兰等构件，也能进一步减少关节模组的轴向体积。具体的，电机采用大直径的直流无刷电机，直流无刷电机的输出力矩与其直径相关，电机直径越大，其外圆的定子20铁芯直径越大，输出力矩越大，这样，除了能够增加连接腔31的空间以外，还能够提高扁平化关节模组的输出力矩，直流无刷电机作为同步电机的一种，其具有效率高、寿命长、噪音小等特点，它的转子30的转速受到其定子20旋转磁场的速度及转子30极数的影响。直流无刷电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列的优点，又具有直流电动机运行效率高、调速性能好等诸多的优点。并且，直流无刷电机的驱动器可以控制转子30维持在一定的转速，性能更加的稳定。

进一步，本实施方式通过盘状结构的转接传动件32替代传统机械关节的电机输出轴，转接传动件32配置于连接腔31中，本例中的转接传动件32外径与转子30的连接腔31内径相匹配，即，转接传动件32的外周可采用过盈配合压装于转子30的连接腔31，也可通过胶粘的方式固定连接，在此不对两者的连接方式作限定，转接传动件32在转子30的转动中心位置上限定出转接部321，转接部321替代电机的输出轴，用于与关节输出部件连接。

本实施方式中，定子20的第一腔部211朝向扁平关节模组的输出端，即，在关节输出部件安装于容置腔12时，关节输出部件会置于靠近第一腔部211的一侧，而为了进一步节省各部件的装配空间，进一步减小关节模组的轴向尺寸，转接部321远离第一腔部211设置且至少部分位于第二腔部212，以使第一腔部211内，或第一腔部211及连接腔31内形成有用于安装关节输出部件的安装空间，本实施方式中，转接传动件32的外周与连接腔31的腔壁连接后，其中部沿靠近转子30转动中心的方向朝第二腔部212凸出设置，使转接传动件32的截面大致呈碗状结构，转接部321位于转接传动件32的中心凸起部并朝向第一腔部211设置，在上述结构的基础上，转接部321会随其结构置于第二腔部 212的一侧，这样，转接传动件32的中部就可给关节输出部件预留出更多的安装空间，从而让关节输出部件在安装于容置腔12并与转接部321连接时，至少部分置于该安装空间中，大大的减少了关节输出部件从电机一侧向外延伸的长度更加有利于轴向尺寸的紧凑设置，从而达到上述减少关节模组轴向体积的目的。

本实施方式中，为了让扁平化关节模组更加轻量化，转接传动件32上绕转接部321的周部环绕设置有多个镂空孔，在确保转接传动件32的结构强度的前提下，尽可能让转接传动件32的成型耗材更少，节省成本的同时，降低关节模组重量，进而降低机械关节以及外骨骼系统穿戴者的负担。

通过实现上述技术方案能够缩短电机向外延伸的力臂，力臂主要是由与电机转子30连接的传动部件所施加的，而扁平化的设计，能够缩短传动部件相对于电机所形成的力臂，在负载相同的情况下，力臂越短，力矩越小，因此，这样的设施方式更加有利于关节模组承受更大的负载，提高关节模组的性能参数，关节输出部件通过转接传动件32对定子20及转子30所施加的力矩也相对减少，提高了关节模组在运行过程中的稳定性，轻量化的设计以及缩小了轴向体积的设计，能够减轻扁平化关节模组对机械关节及外骨骼系统所施加的力矩，降低机械关节及外骨骼系统负担，也能够避免外骨骼系统的穿戴者过于臃肿，活动不便的问题。

作为上述结构的进一步方案，本实施方式所述的转接部321朝第一腔体方向凸出于转接传动件32表面，并且为了便于与关节输出部件的安装，转动部呈柱状结构。转接部321与关节外壳10之间设置有第一轴承40，第一轴承40配置在安装空间，第一轴承40的内圈与转接部321固定连接，第一轴承40的外圈通过轴承支撑座41与关节外壳10固定连接。

上述的电机结构采用第一轴承40对转接传动件32进行支撑，单轴承的设置方式结构简单可靠，能够降低其生产成本，并可免去多轴承带来的同心度偏差、间隙配合装配困难等问题，让转子30运转更顺畅。并且，相对传统的关节模组中输出轴至少采用两个轴承对其两端进行支撑的结构，减少了轴承的数量，能够进一步节省容置腔12内的轴向空间，更有利于关节模组轻量化以及减少体积的目的。

进一步的，该扁平化关节模组还包括输出构件33，输出构件33用于与关节输出部件连接，并且可以为角度检测装置提供转动数据获取的参考位置。本实施方式的输出构件33大致呈圆柱体结构，其设置于安装空间并且安装在转接部 321上，与转接部321形成同轴连接结构，输出构件33的另一端朝第一腔部211 设置，其被配置为用于与关节输出部件相连的输出部331。该实施例中，输出构件33绕其转动中心的外周与转接部321通过螺栓连接，具体的，转接传动件 32环绕转接部321周向间隔设置有若干安装孔，安装孔沿转接部321的轴向贯穿转接部321的相对两侧，而输出构件与转接传动件32相对的一侧设置有相匹配的螺纹孔，输出构件33通过螺栓固定安装在所述环形安装部上。

通过将紧固件环绕在转接部321的周部布设，紧固件贯穿转接传动件32后与输出构件33紧固连接，充分利用安装空间，一方面节约了横向尺寸，便于内腔21中空间的最大化利用，另一方面，也节约了轴向尺寸，但这不可作为对本实施例的限制，输出构件33与输出部331之间还可通过过盈配合、胶粘、焊接等方式实施连接。

接上述，为第一轴承40的具体连接方式，第一轴承40的内圈被限定在转接部321与输出构件33之间，并可与转接部321及输出构件33同步运动，第一轴承40的外圈通过轴承支撑座41与关节外壳10相对固定，本实施方式中，轴承支撑座41的结构可以为支撑法兰结构，轴承支撑座41的中部开设有与转接部321正对设置的通孔，而输出构件33则可穿过该通孔与关节输出部件进行连接。

本实施例对第一轴承40的轴承类型不作限定，但由于关节输出部件中包含了与输出构件33相连的谐波减速机50，谐波减速机50在运行时会对其波发生器产生轴向力，第一轴承40在工程应用中应该具有一定的轴向力承受能力，如交叉滚子轴承。

为了提高第一轴承40的安装稳定性，转接部321与输出构件33连接的一侧，或输出构件33与转接部321连接的一侧，或转接部321与输出构件33之间凹设有第一限位槽34，第一轴承40被限制在该第一限位槽34中，具体的，第一限位槽34的宽度小于第一轴承40的厚度，以使输出构件33在安装于转接部321时，将第一轴承40内圈的相对两侧抵紧于第一限位槽34内，在第一轴承40装配后，转接部321与输出构件33之间具有预设间隙，确保转接部321与输出构件33相对的一侧没有直接接触，而是分别抵紧第一轴承40的两侧。

需要说明的是，当转接部321与输出构件33连接的一侧设有第一限位槽 34，转接部321的外周凹设有台阶结构，该台阶结构与输出构件33朝向转接部 321的一侧面共同形成凹槽结构，以用于压紧第一轴承40；

当输出构件33与转接部321连接的一侧设有第一限位槽34，输出构件33 的外周凹设有台阶结构，该台阶结构与转接部321朝向输出构件33的一侧面共同形成凹槽结构，以用于压紧第一轴承40；

当转接部321与输出构件33之间凹设有第一限位槽34，输出构件33与转接部321相对的一侧外周分别凹设有台阶结构，两台阶结构在输出构件33与转接部321相互靠近装配时形成凹槽结构，以用于压紧第一轴承40。

本实施例所述的关节输出部件包括谐波减速机50，谐波减速机50配置于关节外壳10内，其包括输入端及输出端，由于第一腔部211与连接腔31预留有安装空间，因此，谐波减速机50在通过其输入端与输出部331相连接时，谐波减速机50至少部分置于安装空间内，节省了关节模组的轴向空间。谐波减速机 50具有传动速比大、承载能力高、传动精度高以及传动效率高、运动平稳等特点，其除了用于降低电机输出转速的同时，还可提高关节模组整体的输出稳定性，让后续机械关节及外骨骼系统的运动更加平稳。

谐波减速机50主要由波发生器、柔性齿轮(柔轮)、刚性齿轮(刚轮)四个基本构件组成，谐波减速机50的刚轮固定安装于关节外壳10，波发生器作为谐波减速机50的输入端与输出部331连接，输出部331与波发生器之间可通过卡接、螺接、粘接等方式进行固定，而柔轮则作为谐波减速机50的输出端套设于所述刚轮与所述波发生器之间。

为了便于谐波减速机50的装配，本实施方式的关节外壳10包括外壳本体 14以及设置在外壳本体14一侧的减速机支撑座15，设置在第一腔部211一侧的开口11设置在减速机支撑座15上，而外壳本体14则为两侧连通的筒体结构，减速机支撑座15盖设于外壳本体14的一侧，其内部形成有用于支撑钢轮的座体结构，减速机支撑座15与钢轮之间通过螺钉紧固连接，而轴承支撑座41 则设置在钢轮上，以通过钢轮以减速机支撑座15相对固定，减速机支撑座15 既作为关节外壳10的一部分，起到支撑谐波减速机50与轴承支撑座41的作用，也起到了支撑第二轴承70的作用。

具体的，减速机支撑座15相对两侧分别形成有第一抵顶部151和第二抵顶部152，第一抵顶部151与谐波减速机50的钢轮侧部抵接，第二抵顶部152与第二轴承70的外圈抵接，减速机支撑座15和/或轴承端盖71之间凹设有上述的第二限位槽711。加上减速机支撑座15的第一抵顶部151用作对谐波减速机 50的轴向限位，第二抵顶部152用作轴承安装，多种用途，结构紧凑，有利于缩小尺寸。

上述技术方案中，通过形成有安装空间的电机，并且将谐波减速机50的至少部分设置于安装空间内，这样，可以使谐波减速机50的至少部分位于电机内，从而减小了电机和谐波减速机50连接后的总体结构的轴向长度，进而使整个关节模组轴向长度减小，轴向结构紧凑，更为趋于扁平化。

本上述实施方式中，第一轴承40的外圈通过轴承支撑座41与刚轮相对固定，具体可以通过减速机支撑座15与钢轮之间的螺钉一同将轴承支撑座41固定在刚轮上，使刚轮、轴承支撑座41均相对于减速机支撑座15固定。

进一步的，为了获取与谐波减速机50输出端连接的负载的力矩数据，该扁平化关节模组还包括力矩传感器60，本实施方式的力矩传感器60作为整个扁平化关节模组的输出结构，其活动配置于关节外壳10内并靠近开口11设置，在上述设置有减速机支撑座15的基础上，力矩传感器60设置在减速机支撑座15 所开设的开口11处，力矩传感器60与谐波减速机50的输出端固定连接，可与另一关节模组或机械关节中的构件进行连接，免于传统关节模组在谐波减速机 50的柔轮上设置其他输出结构后，再与力矩传感器60连接的情况，进一步缩减了关节模组的轴向长度，提高其内部装配紧凑性。

由于采用力矩传感器60作为其与负载连接的构件，力矩传感器60在关节模组运行过程中需要承受一定的径向及轴向力矩，因此，力矩传感器60与关节外壳10之间设置有第二轴承70，鉴于上述问题，第二轴承70优选采用为交叉滚子轴承，第二轴承70的内圈与外圈分别配置为与力矩传感器60及关节外壳 10固定连接。

交叉滚子轴承的内圈与力矩传感器60外圈通过胶粘接、过盈配合压装等方式进行连接，而由于力矩传感器60设置在减速机支撑座15的开口11处，为了确保交叉滚子轴承的轴向稳定性，减速机支撑座15上还设置有轴承端盖71，在轴承端盖71设置在减速机支撑座15上时，用于与外部负载连接的开口11设置于轴承端盖71上。进一步，减速机支撑座15与轴承端盖71连接的一侧，或轴承端盖71与减速机支撑座15连接的一侧，或轴承端盖71与减速机支撑座15 之间凹设有第二限位槽711，第二轴承70被限制在该第二限位槽711中，具体的，第二限位槽711的宽度小于第二轴承70的厚度，以使轴承端盖71在安装于减速机支撑座15时，将第二轴承70内圈的相对两侧抵紧于第二限位槽711 内。

需要说明的是，当轴承端盖71与减速机支撑座15连接的一侧设有第二限位槽711，轴承端盖71的外周凹设有台阶结构，该台阶结构与减速机支撑座15 朝向轴承端盖71的一侧面共同形成凹槽结构，以用于压紧第二轴承70；

当减速机支撑座15与轴承端盖71连接的一侧设有第二限位槽711，减速机支撑座15的外周凹设有台阶结构，该台阶结构与轴承端盖71朝向减速机支撑座15的一侧面共同形成凹槽结构，以用于压紧第二轴承70；

当轴承端盖71与减速机支撑座15之间凹设有第二限位槽711，减速机支撑座15与轴承端盖71相对的一侧外周分别凹设有台阶结构，两台阶结构在减速机支撑座15与轴承端盖71相互靠近装配时形成凹槽结构，以用于压紧第二轴承70。

上述设置中，第二轴承70可以对力矩传感器60及谐波减速机50起支撑作用，当柔轮转动时，力矩传感器60也随之转动，从而带动第二轴承70的内圈相对于第二轴承70的外圈转动，以使柔轮和波发生器相对于外壳转动的更加顺畅。

上述设置中，通过将交叉滚子轴承的内圈与力矩传感器60连接，交叉滚子轴承的外圈与减速机支撑座15及轴承端盖71连接，一方面，电机的输出力矩可通过力矩传感器60和交叉滚子轴承的共同作用传递给外部负载，另一方面，交叉滚子轴承可以消除外部载荷(即外部负载的径向力、轴向力或者弯矩)对力矩传感器60的影响，即可以抵抗外部负载干扰，进而确保力矩传感器60能够更准确地反馈负载所传递的力矩值，使检测结果更准确。

为了在确保结构紧凑、节省关节模组轴向长度尺寸基础上，反馈扁平化模组关节的转动数据，对力矩传感器60的转动数据进行捕获，转接部321上贯穿形成有通孔，使转接部321的相对两侧通过该通孔连通，输出构件33与转接部 321连接的一端伸入该通孔内并设置有与输出构件33同步转动的磁体332，磁体332至少配置在转接部321上贯穿形成的通孔内，充分利用各部件间的轴向装配空间。关节外壳10与磁体332相对的一侧还设置有编码器线路板13，具体的，编码器线路板13设置在关节外壳10的外表面，其用于获取磁体332转动数据的磁编码芯片正对磁体332设置。

本例所述编码器线路板13可以为单磁极编码器或多磁极编码器，其根据扁平化关节模组的用途需要，用于检测的转动数据包括但不限于转动角度、角速度、角加速度、速度等。

上述编码器线路板13及磁体332所配合形成的磁电编码器，在输出构件33 随转接传动件32及转子30转动时，带动磁体332转动，并且磁体332可以与编码器线路板13上的磁编码芯片配合，从而对输出构件33的转动数据进行检测。

进一步，在关节外壳10设有编码器线路板13的一侧盖设有关节尾盖16，关节尾盖16与关节外壳10之间形成有用于容置编码器线路板13的腔体，这样，可以避免外部环境中的灰尘和湿空气进入到腔体的内部，延长腔体内电子器件的使用寿命。本公开的实施例中，扁平化关节模组还包括驱动板及控制板，驱动板用于驱动关节模组电机，以保证电机的正常运转。

如图3所示，为了进一步缩减扁平化关节模组在轴向上的长度尺寸，用于获取转动数据的电路板131外置于关节外壳10，在外骨骼系统的应用中，电路板131用于获取外骨骼系统整机的传感信息，该电路板131实质与关节模组本身没有相关联系，电路板131上设置有为编码器线路板13供电的电池132，电路板131作为电池的载体，实质上电池132也无需一定设置在电路板131上，电池132可以为编码器线路板13单独供电，即使机械关节或外骨骼系统在断电状态下，电池132仍然可对编码器线路板13上的磁编码芯片供电，记录扁平化关节模组的电机位置。由于设置有电池132的缘故，电路板131整体高度较大，而将其外置则可达到进一步缩减关节模组轴向长度的效果。

优选地，本实施例的扁平化关节模组在具有力矩检测功能、转动数据检测功能的基础上，大大缩减了模组的轴向长度，并且，由于谐波减速机50位于电机内，从而还具有结构紧凑的特点。

本实施方式还提供一种机械关节，机械关节可应用于工业机器人，如机械臂，还可应用于仿生机器人当中。

该机械关节包括第一关节构件以及第二关节构件，第二关节构件活动设置在第一关节构件上，配置为可相对于第一关节构件作往复摆转运动，第一结构关节与第二结构关节可采用预铰接的结构形成一个活动组件。

上述的扁平化关节模组配置为与第一关节构件及第二关节构件相连接。

作为扁平化关节模组的装配方式，关节外壳10固定设置于第一关节构件，转接部321与第二关节构件驱动连接；

或关节外壳10固定设置与第二关节构件，转接部321与第一关节构件驱动连接。

具体的，机械关节中还可设置与扁平化关节模组电性连接的电源，电源可以设置在第一关节构件或第二关节构件上，也可以是外置于机械关节的外部电源，为扁平化关节模组以及控制器提供驱动电能。

而上述的外置电路板131也可设置在第一关节构件或第二关节构件上。

通过实施上述的实施方式，能够大大减少关节模组对第一关节构件及第二关节构件所施加的力矩，让机械关节轻量化，提高第一关节构件及第二关节构件在运动过程中的稳定性，同时也节省了机械关节的空间占用体积。

进一步，本实施方式还提供一种外骨骼系统，外骨骼系统多用于复健领域当中，其为康复训练中较为常见的一种，在穿戴训练过程中，其在患者肢体运动过程中为其提供一定的动力协助或阻力，以提高康复效果。

该外骨骼系统包括上述的机械关节，机械关节可应用在外骨骼系统的手部组件、髋部组件、腿部组件中的任一组件部位上，通过对患者的运动习惯进行记录，以设定扁平化关节模组在辅助患者复健运动过程中的转动角度，协助患者进行运动康复。

而由于其采用了上述的扁平化关节模组，其大大减少了关节模组对用户关节部位所施加的力矩，让管结构件运动过程中更加稳定，有效保护患者关节的同时，还降低了外骨骼系统的整体重量，减少患者负重负担，进一步提升患者的穿戴时间，为其提高康复效率有极大的帮助。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开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示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本公开的技术原理。这些描述只是为了解释本公开的原理，而不能以任何方式解释为对本公开保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本公开的其它具体实施方式，这些方式都将落入本公开的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种扁平化关节模组，其特征在于，包括：

关节外壳(10)，至少一端开设有与其内部连通的开口(11)；

定子(20)，固设于所述关节外壳(10)内，所述定子(20)限定有中通的内腔(21)；

转子(30)，配置于所述内腔(21)，所述转子(30)内沿其轴向贯穿限定出连接腔(31)；

转接传动件(32)，配置于所述连接腔(31)，所述转接传动件(32)与所述转子(30)固定连接，所述转接传动件(32)形成有与所述转子(30)同轴转动的转接部(321)；

所述转接部(321)至少部分位于所述内腔(21)，所述转接部(321)用于安装关节输出部件，以使在所述转接部(321)装有关节输出部件时，关节输出部件的至少部分位于所述内腔(21)中。

2.根据权利要求1所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述内腔(21)相对的两端分别形成第一腔部(211)及第二腔部(212)，所述转子(30)位于所述第一腔部(211)及所述第二腔部(212)之间；

所述转接部(321)远离所述第一腔部(211)设置且至少部分位于所述第二腔部(212)，以使所述第一腔部(211)形成用于容置部分关节输出部件的安装空间。

3.根据权利要求2所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接传动件(32)呈盘状结构，所述转接传动件(32)的周部与所述转子(30)固定连接，所述转接传动件(32)的中部朝所述第二腔部(212)方向凸出设置，所述转接部(321)位于所述转接传动件(32)的凸起部，且朝向所述第一腔部(211)设置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接部(321)与所述关节外壳(10)之间设置有第一轴承(40)；

所述第一轴承(40)的内圈与所述转接部(321)固定连接，所述第一轴承(40)的外圈通过轴承支撑座(41)与所述关节外壳(10)固定连接。

5.根据权利要求1所述的扁平化关节模组，其特征在于，还包括：

输出构件(33)，其一端与所述转接部(321)同轴连接，另一端配置为用于与所述关节输出部件相连的输出部(331)。

6.根据权利要求5所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接传动件(32)环绕所述转接部(321)周向间隔设置有若干安装孔，所述安装孔沿所述转接部(321)的轴向贯穿所述转接部(321)的相对两侧；

所述输出构件(33)设置有相匹配的螺纹孔，所述转接传动件(32)通过螺栓固定安装于所述输出构件(33)上。

7.根据权利要求5所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接部(321)与所述输出构件(33)之间配置有第一轴承(40)；

所述第一轴承(40)的内圈被约束在所述转接部(321)与所述输出构件(33)之间，所述第一轴承(40)的内圈与所述转接部(321)及所述输出构件(33)同步运动，所述第一轴承(40)的外圈通过轴承支撑座(41)与所述关节外壳(10)相对固定。

8.根据权利要求7所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接部(321)和/或所述输出构件(33)之间凹设有第一限位槽(34)；

所述第一限位槽(34)的宽度小于所述第一轴承(40)的厚度，以使所述输出构件(33)在安装于所述转接部(321)时，将所述第一轴承(40)内圈的相对两侧抵紧于所述第一限位槽(34)内，所述转接部(321)与所述输出构件(33)之间具有预设间隙。

9.根据权利要求5所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述关节输出部件包括：

谐波减速机(50)，配置于所述关节外壳(10)内，所述谐波减速机(50)配置有输入端及输出端，所述谐波减速机(50)通过其输入端与所述输出部(331)相连接；

力矩传感器(60)，活动配置于所述关节外壳(10)内并靠近所述开口(11)设置，所述力矩传感器(60)与所述谐波减速机(50)的输出端固定连接。

10.根据权利要求9所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接部(321)与所述关节外壳(10)之间设置有第一轴承(40)；

所述第一轴承(40)与所述关节外壳(10)之间设置有轴承支撑座(41)，所述轴承支撑座设置于所述谐波减速机(50)的钢轮。

11.根据权利要求9所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述力矩传感器(60)与所述关节外壳(10)之间设置有第二轴承(70)，所述第二轴承(70)的内圈与外圈分别配置为与所述力矩传感器(60)及所述关节外壳(10)固定连接。

12.根据权利要求11所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述关节外壳(10)上还设置有轴承端盖(71)，所述轴承端盖(71)上开设有与所述关节外壳(10)内连通的所述开口(11)，所述力矩传感器(60)至少部分配置于所述开口(11)内；

所述关节外壳(10)和/或所述轴承端盖(71)之间凹设有第二限位槽(711)，所述第二轴承(70)配置在所述第二限位槽(711)，所述第二限位槽(711)的宽度小于所述第二轴承(70)的厚度，以使所述轴承端盖(71)在安装于所述关节外壳(10)时，将所述第二轴承(70)外圈的相对两侧抵紧于所述第二限位槽(711)内。

13.根据权利要求12所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述关节外壳(10)包括外壳本体(14)以及设置在所述外壳本体(14)一侧的减速机支撑座(15)，所述轴承端盖(71)盖扣于所述减速机支撑座(15)上；

所述减速机支撑座(15)形成有第一抵顶部(151)和第二抵顶部(152)，所述第一抵顶部(151)与所述谐波减速机(50)的钢轮侧部抵接，所述第二抵顶部(152)与所述第二轴承(70)的外圈抵接；

所述减速机支撑座(15)和/或所述轴承端盖(71)之间凹设有所述第二限位槽(711)。

14.根据权利要求11-13中任一项所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述第二轴承(70)为交叉滚子轴承。

15.根据权利要求5所述的扁平化关节模组，其特征在于，所述转接部(321)上贯穿形成有通孔，所述输出构件(33)与所述转接部(321)连接的一端伸入所述通孔并设置有与所述输出构件(33)同步转动的磁体(332)；

所述关节外壳(10)与所述磁体(332)相对的一侧还设置有编码器线路板(13)，用于获取所述磁体(332)的转动数据。

16.根据权利要求1所述的扁平化关节模组，其特征在于，由所述定子(20)与所述转子(30)配合所组成的电机为盘式无轴电机。

17.一种机械关节，其特征在于，包括：

第一关节构件；

第二关节构件，活动设置在所述第一关节构件上，配置为可相对于所述第一关节构件作往复摆转运动；

如权利要求1-16中任一项所述的扁平化关节模组，配置为与所述第一关节构件及所述第二关节构件相连接；

所述关节外壳(10)固定设置于所述第一关节构件，所述转接部(321)与所述第二关节构件驱动连接；或

所述关节外壳(10)固定设置与所述第二关节构件，所述转接部(321)与所述第一关节构件驱动连接。

18.一种外骨骼系统，其特征在于，包括：

如权利要求17所述的机械关节，配置于外骨骼系统的手部、髋部、腿部中的任一关节部位。

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