一种外骨骼机器人关节模组制造技术

本申请的目的在于提供一种多功能高度集成模块化外骨骼机器人关节模组，其相对于现有技术更安全(具备三层安全防护结构)、运行更稳定(对减速机组件进行了改进)、更方便维修(重新设计位置编码器的安装结构)，其包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器；以满足人们需要更为轻便、更为集成、更为智能、更为安全的机器人的需求。

An exoskeleton robot joint module

The purpose of the application is to provide a multifunctional and highly integrated modular exoskeleton robot joint module, which is safer (with three-layer safety protection structure), more stable in operation (with improvement on the reducer component) and more convenient for maintenance (redesigning the installation structure of the position encoder), compared with the prior art, and includes a motor component, a reducer component and an external structure connection module , position encoder, torque sensor, limit sensor; to meet the needs of people for a more portable, more integrated, more intelligent, more secure robot.

【技术实现步骤摘要】
一种外骨骼机器人关节模组
本专利技术属于医疗器械领域，具体是一种外骨骼机器人关节模组。
技术介绍
机器人诞生至今，已经在民用、医疗、工业等方面广泛应用在各个领域，如车辆装配、机械零部件加工、表面打磨、服务医疗和军工装备等行业都是机器人热点行业。尤其在医疗方面，鉴于我国人口老年化趋势明显，同时也有相当数量的伤残人士。他们的行动能力受到了极大限制，外骨骼系统无疑可以解决这个问题，其能发挥机械能量动力的优势，辅助人类完成自身无法完成的任务，为人类提供了身体支撑、保护、助力，但是时代的发展使得人们的生产、生活、医疗等需求日益新颖，传统机器人无论在结构、控制和智能化方面都无法满足这些要求，人们需要更为轻便、更为集成、更为智能的机器人，并要求机器人能够安全的与人协作。另外，一般的电机装的编码器，一旦编码器损坏，维修需要拆电机的整个壳，不仅维修困难，而且会对电机造成二次伤害。
技术实现思路
基于上述目的，本申请的目的在于提供一种多功能高度集成模块化外骨骼机器人关节模组，其相对于现有技术更安全(具备三层安全防护结构)、运行更稳定(对减速机组件进行了改进)、更方便维修(重新设计位置编码器的安装结构)。本申请采用的技术方案如下：一种外骨骼机器人关节模组，包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器；所述外部结构连接模块包括关节连接件一固定座和关节连接件二固定座；所述减速机组件包括主轴、一级太阳轮、一级行星轮、一级行星架、二级太阳轮、二级行星轮、二级行星架、双级内齿圈、交叉滚子轴承、深沟球轴承、法兰端盖、轴承端盖、滚针轴承，所述一级太阳轮与所述主轴一体式设置，所述一级太阳轮与所述一级行星轮传动连接，所述一级行星轮与双级内齿圈的第一内齿轮传动连接，所述一级行星轮通过一级定位销定位在所述一级行星架上，所述一级行星架中间设有容纳二级太阳轮并通过内齿与二级太阳轮传动连接的圆孔，所述二级太阳轮容有间隙的套设在主轴上，且所述二级太阳轮伸出一级行星架圆孔的部分与所述二级行星轮传动连接，所述二级行星轮与双级内齿圈的第二内齿轮传动连接，且二级行星轮通过二级定位销固定在二级行星架上，所述二级行星架外周侧形成台阶面并套设交叉滚子轴承，所述二级行星架的侧面螺栓连接轴承端盖，所述轴承端盖将所述交叉滚子轴承限位在二级行星架外周侧，所述主轴的一端通过滚针轴承插接在二级行星架内部，所述主轴的另一端插设于法兰端盖内部，所述法兰端盖外周侧形成台阶面并套设深沟球轴承，所述法兰端盖和所述轴承端盖将行星轮结构限定在双级内齿圈内部空间中；所述一级行星轮优选设置为三个，所述二级行星轮优选设置为五个；所述交叉滚子轴承与双级内齿圈之间设有第一密封圈，所述深沟球轴承与双级内齿圈之间设有第二密封圈，如此可使电机及减速机结构防水，降低故障率；所述电机组件包括转子、磁钢、铁芯，铁芯位于磁钢内且磁钢位于转子内部，三者同轴设置，所述减速机组件设置于铁芯内部，所述减速机组件的双级内齿圈与铁芯之间设有限位销，用以防止双级内齿圈与铁芯之间相对转动，所述法兰端盖外侧设有第二轴承端盖，所述第二轴承端盖将所述深沟球轴承限位在法兰端盖外周侧，且所述第二轴承端盖将所述限位销限位在双级内齿圈外周侧，所述转子与所述法兰端盖螺栓连接；所述减速机组件位于转子外的一侧面连接关节连接件一固定座，具体的所述关节连接件一固定座通过螺栓连接在双级内齿圈上，同时所述关节连接件一固定座与交叉滚子轴承接触部位形成台阶面以将交叉滚子轴承限位在二级行星架外周侧；所述减速机组件位于转子外的一侧面还插接有力矩传感器，具体的，所述二级行星架限位二级行星轮的相对侧设置中间轴，所述中间轴键连接地插装在力矩传感器中间孔内，所述力矩传感器通过螺栓与所述二级行星架固定连接在一起；所述关节连接件二固定座通过螺栓与所述力矩传感器固定连接在一起，所述位置编码器位于所述力矩传感器与所述关节连接件二固定座中心孔构成的空间内。所述限位端盖位于位置编码器外侧，用于将所述位置编码器限定在所述力矩传感器与所述关节连接件二固定座中心孔构成的空间内，所述限位端盖螺栓连接于关节连接件二固定座上，所述位置编码器的外侧还通过磁铁固定支架设置有磁铁。如此设置，位置编码器的线路可以从力矩传感器和关节连接件二固定座之间穿出与驱动直接连接，由于力矩传感器与关节连接件二固定座之间不发生相对转动，因此线路不会发生缠绕问题，而且避免了设置中空轴走线而带来的生产工艺复杂化的问题。在所述关节连接件一固定座上设置有二级防护软限位读头，所述关节连接件二固定座靠近外缘处设置两处反光板，以减速机组件的主轴所在线与关节连接件二固定座平面的交点为圆心，两处反光板分别与圆心的连线组成的扇形角即为关节模组的二级转动角度限制范围，其可以根据关节模组作为髋关节或膝关节而将两处反光板设置在构成不同角度的位置，所述二级防护软限位读头采用单片机和光传感器的组合。在所述关节连接件一固定座上还设置有第三级硬限位防护，其具体形式可采用在关节连接件一固定座上设置凸起的限位档杆的形式。关节模组作为髋关节时，所述关节连接件一固定座为髋关节固定座，所述关节连接件二固定座为大腿固定座。关节模组作为膝关节时，所述关节连接件一固定座为大腿固定座，所述关节连接件二固定座为小腿固定座。本专利技术的优点在于：1、实现了外骨骼机器人关节的模块化、小型化、低成本化，智能化，模块化：以前的关节模组直接连接大小腿，体积大，损坏后不易快速更换，本申请的关节模组可以模块化更换；内部模块化：虽然减速机与电机结合在一起了，但是电机与减速机还是能独立拆装，当其中一个损坏，能够单独送回厂家维修而不是整个关节模组；小型化：厚度小，一般的关节模组都采用现成部件串联式，厚度占用比较大，现方案利用电机中空结构做减速机，厚度下降1/3；低成本化：一般关节模组减速机采用谐波减速机，电机中含有编码器，价格昂贵，现在减速结构选用行星轮减速，电机自主设计，外加价格便宜的绝对值编码器，成本总体下降很多；智能化：关节模组结合了位置编码器、力矩传感器、软限位读头作为限位传感器等，对使用过程中的各种数据实时记录分析并反馈，大大提高安全性、准确性；2、安全性能更优越，一般的外骨骼关节模组限位只做了一层限位，本申请中关节模组采用三级限位保护，位置编码器时刻位置保护、光敏限位传感器保护、最后还有硬限位保护，大大降低用户使用过程中出现危险的概率；3、设计使用双级内齿圈，不仅满足大扭矩传递的要求，而且本申请方案中第一级要求扭矩比第二级小，一级行星轮数量少于二级行星轮数量，如此设置使结构整体机械精密性更强，力矩传递更稳定，从而抗震性能更优越；4、方便维修，位置编码器与主轴分离式设计，只需要拆开关机模组的最外侧磁铁固定架和限位端盖即可维修位置编码器，不会对电机内部造成损害，而且电机做了防水处理，故障率更低；5、位置编码器设置于外侧，不需要考虑轴内布线还是轴外布线，其通过很短的线即可与控制装置相连，不会发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外骨骼机器人关节模组，包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器，其特征在于：所述电机组件包括转子(22)、磁钢(23)、铁芯(24)，铁芯(24)位于磁钢(23)内且磁钢(23)位于转子(22)内部，三者同轴设置，所述减速机组件设置于铁芯(24)内部，所述外部结构连接模块包括关节连接件一固定座(13)和关节连接件二固定座(14)；所述减速机组件位于转子(22)外的一侧面连接关节连接件一固定座(13)，所述减速机组件位于转子(22)外的一侧面还插接有力矩传感器(16)，所述力矩传感器(16)还与减速机组件螺栓连接在一起；/n所述关节连接件二固定座(14)通过螺栓与所述力矩传感器(16)固定连接在一起，所述位置编码器(15)位于所述力矩传感器(16)与所述关节连接件二固定座(14)中心孔构成的空间内。/n所述限位端盖(18)位于位置编码器(15)外侧，用于将所述位置编码器(15)限定在所述力矩传感器(16)与所述关节连接件二固定座(14)中心孔构成的空间内，所述限位端盖螺栓连接于关节连接件二固定座(14)上，所述位置编码器(15)的外侧还通过磁铁固定支架(20)设置有磁铁(19)；在所述关节连接件一固定座(13)上设置有二级防护软限位读头，所述关节连接件二固定座(14)靠近外缘处设置两处反光板(30)，所述二级防护软限位读头和两处反光板组成限位传感器(17)，在所述关节连接件一固定座(14)上还设置有凸起的限位档杆(21)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种外骨骼机器人关节模组，包括电机组件、减速机组件、外部结构连接模块、位置编码器、力矩传感器、限位传感器，其特征在于：所述电机组件包括转子(22)、磁钢(23)、铁芯(24)，铁芯(24)位于磁钢(23)内且磁钢(23)位于转子(22)内部，三者同轴设置，所述减速机组件设置于铁芯(24)内部，所述外部结构连接模块包括关节连接件一固定座(13)和关节连接件二固定座(14)；所述减速机组件位于转子(22)外的一侧面连接关节连接件一固定座(13)，所述减速机组件位于转子(22)外的一侧面还插接有力矩传感器(16)，所述力矩传感器(16)还与减速机组件螺栓连接在一起；
所述关节连接件二固定座(14)通过螺栓与所述力矩传感器(16)固定连接在一起，所述位置编码器(15)位于所述力矩传感器(16)与所述关节连接件二固定座(14)中心孔构成的空间内。
所述限位端盖(18)位于位置编码器(15)外侧，用于将所述位置编码器(15)限定在所述力矩传感器(16)与所述关节连接件二固定座(14)中心孔构成的空间内，所述限位端盖螺栓连接于关节连接件二固定座(14)上，所述位置编码器(15)的外侧还通过磁铁固定支架(20)设置有磁铁(19)；在所述关节连接件一固定座(13)上设置有二级防护软限位读头，所述关节连接件二固定座(14)靠近外缘处设置两处反光板(30)，所述二级防护软限位读头和两处反光板组成限位传感器(17)，在所述关节连接件一固定座(14)上还设置有凸起的限位档杆(21)。


2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述二级防护软限位读头采用单片机和光传感器(29)的组合。


3.根据权利要求1所述的外骨骼机器人关节模组，其特征还在于，所述减速机组件包括主轴(1)、一级太阳轮(2)、一级行星轮(3)、一级行星架(4)、二级太阳轮(5)、二级行星轮(34)、二级行星架(6)、双级内齿圈(7)、交叉滚子轴承(8)、深沟球轴承(9)、法兰端盖(10)、轴承端盖(11)、滚针轴承(12)，所述一级太阳轮(2)与所述主轴(1)一体式设置，所述一级太阳轮(2)与所述一级行星轮(3)传动连接，所述一级行星轮(3)与双级内齿圈(7)的第一内齿轮传动连接，所述一级行星轮(3)通过一级定位销(33)定位在所述一级行星架(4)上，所述一级行星架(4)中间设有容纳二级太阳轮(5)并通过内齿与二级太阳轮(5)传动连接的圆孔，所述二级太阳轮(5)容有间隙的套设在主...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天，
申请(专利权)人：杭州程天科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33