一种外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构及外骨骼机器人

摘要

本发明公开一种外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构及外骨骼机器人，涉及机器人技术领域，以解决目前外骨骼电动关节存在集成性差、结构不可靠、承载载荷小的问题，所述外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构包括桶形结构且用外部动力输出的钢轮，钢轮的内部设置有可转动的电机，电机内部设置有电机主轴；电机主轴的动力输出端上由外端到内侧依次设置有谐波传动减速器和双行星齿轮减速器，电机主轴通过双行星齿轮减速器、谐波传动减速器的传动驱动所述钢轮的转动。本发明提供了一种集成化程度高、柔顺性好、噪音小、旋转力矩大的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构。

背景技术

外骨骼机器人是用于辅助人体完成一些人体正常情况较难或无法完成的任务(比如大负重情况下的长距离快速运动)，以大幅增强人体的运动能力，可用于军事、科考、医疗、建筑、维修等领域。

现有的外骨骼机器人的电动关节主要包括两种。一种是电机丝杠机构，其可实现直线运动，然后在关节处设计相应的旋转铰接机构，将电机丝杠机构的直线运动转化为关节的旋转运动，这种驱动机构体积较大，结构臃肿。

另一种是采用了带外壳的直流电机与组合式的谐波减速器，这种驱动机构承载载荷小、平顺性差。

综上，目前外骨骼电动关节存在集成性差、结构不可靠、承载载荷小等问题，这些问题的存在导致了外骨骼的助力效果、灵活性和穿戴舒适性都遭到了很大程度的降低，限制了外骨骼的使用范围和功能性。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种集成化程度高、结构可靠、柔顺性好、噪音小的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明还提供了一种外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构，包括桶形结构且用外部动力输出的钢轮，所述钢轮的内部设置有可转动的电机，所述电机内部设置有电机主轴；

所述电机主轴的动力输出端上由外端到内侧依次设置有谐波传动减速器和双行星齿轮减速器，所述电机主轴通过所述双行星齿轮减速器、谐波传动减速器的传动驱动所述钢轮的转动。

进一步的，所述双行星齿轮减速器包括内侧向轴端依次布置的太阳轮、第一行星架和第二行星架；

所述太阳轮、第一行星架的外侧套设有内齿轮，所述内齿轮固定在所述电机的壳体上，所述太阳轮固定在所述电机主轴上，所述第一行星架和第二行星架均转动连接在所述电机主轴上；

所述第一行星架的侧壁上设置有多个第一行星齿轮，各所述第一行星齿轮均与所述太阳轮、内齿轮啮合；

所述第二行星架的侧壁上设置有多个第二行星齿轮，各所述第二行星齿轮均与所述内齿轮、第一行星架啮合；

所述谐波传动减速器与所述第二行星架固定连接。

进一步的，所述内齿轮通过多根螺栓固定在所述电机的壳体上；

所述太阳轮与第一行星架之间设置有太阳轮垫片。

进一步的，所述谐波传动减速器包括由内到外依次套设在一起的波发生器、柔性轴承、柔轮，所述波发生器与所述第二行星架固定连接；

当所述第二行星架作为动力输出轴时，通过所述波发生器使所述柔性轴承产生形变，从而使得所述柔轮在长轴方向上与钢轮啮合，带动所述钢轮转动。

进一步的，包括柔轮盖，所述柔轮盖通过柔轮环与所述柔性轴承的内圈连接。

进一步的，所述电机通过第一轴承、第二轴承与所述钢轮转动连接；

所述第一轴承的外圈抵在所述钢轮内壁的环形凸起上，内圈通过第一电机环抵在所述电机外壳的轴肩上；

所述第二轴承的内圈抵在所述电机外壳的轴肩上，外圈抵在螺纹环上，所述螺纹环通过螺纹连接在所述钢轮内壁上，

进一步的，所述电机的后部设置有第二电机环，所述第二电机环位于所述螺纹环的内圈中。

进一步的，所述电机的后端设置有螺纹盖，所述螺纹盖通过螺纹连接在所述电机的壳体上，并且所述电机主轴与所述螺纹盖转动连接。

进一步的，所述钢轮的一端设置与钢轮盖，所述电机主轴的动力输出端通过第三轴承转动连接在所述钢轮盖上。

进一步的，所述钢轮盖通过螺栓与所述钢轮连接。

本发明还公开了一种应用外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构的外骨骼机器人，还包括机器人躯干和外骨骼关节，所述外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构安装在所述外骨骼关节上。

进一步的，所述外骨骼髋关节包括肩关节、肘关节、髋关节和膝关节。

与现有技术相比，本发明提供的有益效果：

本发明整个结构以电机轴为中心，谐波传动减速器和双行星齿轮减速器采用串联布置，整体结构紧凑、集成性好；双行星齿轮减速器具有体积小、重量轻，承载能力高，噪声低、效率高等优点，在同等载荷下，本发明的集成性和可靠性更好；通过两级行星减速器的设计，使电动运行平稳无冲击，助力效果、灵活性和穿戴舒适均得到提升；谐波齿轮减速器提供大传动比的减速效果，同时，与一般减速机比较，输出力矩相同时，谐波齿轮减速机的体积可减小2/3，重量可减轻1/2；本发明可以实现外骨骼机器人内收/外展、内旋/外旋的功能，是一种集成化程度高、柔顺性好、噪音小、旋转力矩大的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构具体安装示意图；

图3为本发明实施例提供的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构在肩关节出的俯视图；

图4为本发明实施例提供的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构在肩关节出的侧视图。

附图标记：

1、第三轴承；2、钢轮盖；3、柔轮盖；4、柔性轴承；5、柔轮；6、内齿轮；7、垫片；8、钢轮；9、螺栓；10、第一轴承；10-1、第二轴承；11、第一电机环；12、螺纹环；13、螺纹盖；14、电机主轴；15、电机、16、第二电机环；17.太阳轮；18、太阳轮垫片；19、第一行星齿轮；20、第一行星架；21、柔轮环；22、波发生器；23、第二行星架；24、隔圈；25、第二行星齿轮；20、背部支架；27、机器人手臂；28、肩部连接架。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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发明和简化描述，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发明的限制。

电动关节是外骨骼的关键部件，主要应用于实现外骨骼机器人内收/外展、内旋/外旋的功能。随着设计技术的不断发展，外骨骼技术逐渐能够减轻甚至解放人体负担，所以对外骨骼各部件的要求越来越高。这就给一体化电动关节的柔顺性、质量以及体积等重要指标提出更高的要求。因此，急需研制一种集成化程度高、柔顺性好、噪音小、旋转力矩大的外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构，解决现存技术的缺点和不足之处，为外骨骼发展提供新的设计方案。

为了达到某种目的，如图1所示，本发明实施例具体公开了一种外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构，包括桶形结构且用外部动力输出的钢轮8，钢轮8的内部设置有可转动的电机15，电机15内部设置有电机主轴14；电机主轴14的动力输出端上由外端到内侧依次设置有谐波传动减速器和双行星齿轮减速器，电机主轴14通过双行星齿轮减速器、谐波传动减速器的传动驱动钢轮8的转动。

本发明通过两级行星减速器的设计，使电动关节运行平稳无冲击，减小一体化电动关节噪音，谐波齿轮减速器提供大传动比的减速效果，使关节旋转力矩增大，该电动关节结构紧凑，结构更加可靠，电动关节的承载载荷达到30kg。

作为一种可能的实现方式，双行星齿轮减速器包括内侧向轴端依次布置的太阳轮17、第一行星架20和第二行星架23。太阳轮17、第一行星架20的外侧套设有内齿轮6，内齿轮6固定在电机15的壳体上，太阳轮17固定在电机主轴14上，第一行星架20和第二行星架23均通过轴承转动连接在电机主轴14上。第一行星架20的侧壁上设置有多个第一行星齿轮19，各第一行星齿轮19均与太阳轮17、内齿轮6啮合。第二行星架23的侧壁上设置有多个第二行星齿轮25，各第二行星齿轮25均与内齿轮6、第一行星架20啮合；第二行星架23与谐波传动减速器固定连接。在本实施例中，第一行星齿轮19的数量为3个，第二行星齿轮25的数量为3个。

本领域技术人员可理解的是：太阳轮17、第一行星架20、第一行星齿轮19和内齿轮6构成了第一行星齿轮减速器。第一行星架20、第二行星架23、第二行星齿轮25和内齿轮6构成了第二行星齿轮减速器，其中第一行星架20作为第二级行星齿轮减速器的太阳轮。

在本实施例中，内齿轮6通过多根螺栓9固定在电机15的壳体上，螺栓9的头部设置有垫片7。太阳轮17与第一行星架20之间设置有太阳轮垫片18。太阳轮垫片18套设在电机15的主轴上并且嵌在太阳轮17里，太阳轮垫片18用来间隔太阳轮17与第一行星架20。

作为一种可能的实现方式，谐波传动减速器包括由内到外依次套设在一起的波发生器22、柔性轴承4、柔轮5，波发生器22与第二行星架23固定连接。当第二行星架23作为动力输出轴时，通过波发生器22使柔性轴承4产生形变，从而使得柔轮5在长轴方向上与钢轮8啮合，带动钢轮8转动。

在本实施例中，谐波传动减速器还包括柔轮盖3，柔轮盖3通过柔轮环21与柔性轴承4的内圈连接。

电机15通过第一轴承10、第二轴承10-1与钢轮8转动连接；第一轴承10的外圈抵在钢轮8内壁的环形凸起上，内圈通过第一电机环11抵在电机15外壳的轴肩上，第一电机环11套设在电机15外壳上；第二轴承10-1的内圈抵在电机15外壳的轴肩上，外圈抵在螺纹环12上，螺纹环12通过螺纹连接在钢轮8内壁上。

电机15的后部设置有第二电机环16，第二电机环16位于螺纹环12的内圈中，第二电机环16的外圆壁上设置有固定孔，固定孔通过螺栓固定在电机15的外壳上。电机15的后端设置有螺纹盖13，螺纹盖13通过螺纹连接在电机15的壳体上，并且电机主轴14与螺纹盖13通过轴承转动连接。

为避免外界灰尘进入到谐波传动减速器、双行星齿轮减速器中，在钢轮8的一端设置与钢轮盖2，电机主轴14的动力输出端通过第三轴承1转动连接在钢轮盖2上。钢轮盖2通过螺栓与钢轮8连接。

需要说明的是，第一行星架20和第二行星架23均通过双轴承转动连接在电机主轴14上，相邻两个轴承之间设置有隔圈24作为分隔，第三轴承1与第二行星架23的安装轴承之间也设置有隔圈24。

本发明的工作过程：

电机15的电机主轴14驱动第一级行星齿轮减速器，第一级行星齿轮减速器中的太阳轮17作为输入，第一行星架20作为输出轴，内齿轮6固定，同时第一行星架20作为第二级行星齿轮减速器的太阳轮，第二行星架23作为输出轴并与波发生器22固连，波发生器22使柔性轴承4产生形变，使柔轮5在长轴方向上与刚轮8啮合驱动刚轮8转动。用不同的接口与电机连接，能实现骨骼机器人内收/外展或内旋/外旋的功能。

本发明还公开了一种应用外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构的外骨骼机器人，该外骨骼机器人包括机器人躯干和外骨骼关节。外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构安装在外骨骼关节上，外骨骼髋关节包括肩关节、肘关节、髋关节和膝关节。

在本实施例中，具体实施时，以外骨骼机器人的肩关节为例，如图2至4所示，机器人躯干包括背部支架26，背部支架26的肩部通过肩关节结构与机器人手臂27，具体来说，外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构的钢轮8通过钉轴与机器人手臂27连接，外骨骼机器人骨骼关节驱动执行机构的电机15外壳通过钉轴与肩部连接架28连接，肩部连接架28则固定在背部支架26的顶部一侧。

肩部关节的动作过程为：电机主轴14通过双行星齿轮减速器、谐波传动减速器的传动驱动钢轮8的转动，钢轮8的进一步带动机器人手臂27围绕电机主轴14转动。

上述外骨骼髋关节所包括的肩关节、肘关节、髋关节和膝关节可以采用液压驱动系统进行驱动，下面将以液压驱动系统驱动髋关节和膝关节为例进行详细说明：

上述液压驱动系统可以包括供液单元、第一液压缸、第一控制阀单元、第二液压缸和第二控制阀单元。其中，供液单元用于输出液压油，以驱动第一液压缸和第二液压缸。第一控制阀单元用于控制由供液单元供给至第一液压缸的液压油的流量。当穿戴者站立时，第一控制阀单元控制第一液压缸处于伸出状态。当穿戴者行走时，第一控制阀单元控制第一液压缸处于伸/曲循环状态。第二控制阀单元用于控制由供液单元供给至第二液压缸的液压油的流量。当穿戴者站立时，第二控制阀单元控制第二液压缸处于伸出状态。当穿戴者行走时，第二控制阀单元控制第二液压缸处于伸/曲循环状态。

与现有技术相比，将本发明提供的液压驱动系统应用于外骨骼，且外骨骼至少包括髋关节、膝关节和踝关节时，可以将第一液压缸与膝关节动力连接，利用第一液压缸的伸/缩驱动膝关节的伸/曲。将第二液压缸与髋关节动力连接，利用第二液压缸的伸/缩驱动髋关节的伸/曲。

由于在人体正常行走时，髋、膝、踝关节主要在矢状面内运动，其中，踝关节所需力矩小，能量消耗主要产生于髋、膝关节。因此，本发明提供的液压驱动系统针对所需力矩小的踝关节不设计驱动。也就是说，外骨骼下肢设计为单腿双自由度(应理解，此处的双自由度包括膝关节自由度和髋关节自由度)的驱动方式，在符合人体骨骼运动特征的同时，最大限度降低液压驱动系统的能量消耗，以达到外骨骼与人体运动的巧妙融合。

当穿戴者站立时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆伸出，进而使膝关节处于直立状态，以为穿戴者的膝关节提供助力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，供液单元还可以向第二液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第二液压缸所具有的活塞杆伸出，进而使髋关节处于伸直状态，以为穿戴者的髋关节提供助力。

从以上应用过程可知，利用供液单元、第一控制阀单元和第一液压缸可以为膝关节提供满足其需求的驱动力，同时，利用供液单元、第二控制阀单元和第二液压缸可以为髋关节提供满足其需求的驱动力。基于此，可以实现对外骨骼的助力。另外，第一液压缸和第二液压缸共用一个供液单元，从整体上简化液压驱动系统的情况下，可以减小液压驱动系统的体积，以及减轻液压驱动系统的重量。

当穿戴者行走且处于伸腿状态时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆伸出，同时在第一液压缸所具有的活塞杆的推动下，第一液压缸的有杆腔内的液压油回流至供液单元。基于此，膝关节外骨骼随穿戴者膝关节的伸直而逐渐伸直，为穿戴者膝关节的伸直提供驱动力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，供液单元向第二液压缸的无杆腔供应液压油，以驱动第二液压缸所具有的活塞杆伸出。基于此，髋关节外骨骼随穿戴者髋关节的伸直而逐渐伸直，为穿戴者髋关节的伸直提供驱动力。

当穿戴者行走且处于曲腿状态时，在第一控制阀单元的控制下，供液单元向第一液压缸的有杆腔供应液压油，以驱动第一液压缸所具有的活塞杆缩回，同时在第一液压缸所具有的活塞杆的推动下，第一液压缸的无杆腔内的液压油回流至供液单元。基于此，膝关节外骨骼随穿戴者膝关节的收回而逐渐缩回，为穿戴者膝关节的缩回提供驱动力。与此同时，在第二控制阀单元的控制下，第二液压缸所具有的活塞杆缩回。基于此，髋关节外骨骼随穿戴者髋关节的收回而逐渐缩回，为穿戴者髋关节的缩回提供驱动力。

从以上应用过程可知，本发明提供的液压驱动系统在穿戴者行走时，可以驱动膝关节外骨骼和髋关节外骨骼随穿戴者的行走状态呈伸/曲循环状态，以提高外骨骼运动的灵活度。

作为一种可能的实现方式，第一液压缸和第二液压缸均具有压力阈值。液压驱动系统还包括安全阀，设置在供液单元的出口处。当第一液压缸和第二液压缸的实测压力大于或等于压力阈值时，利用所述安全阀溢流。

作为一种可能的实现方式，液压驱动系统还包括压力信号测量单元，压力信号测量单元用于测量第一液压缸和第二液压缸所具有的无杆腔和有杆腔之间的压差信号。通信单元，通信单元用于接收第一液压缸的压差信号以及第二液压缸的压差信号。处理单元，在接收由通信单元发送的第一液压缸的压差信号以及第二液压缸的压差信号的情况下，生成第一控制信号和第二控制信号。通信单元还用于向第一控制阀单元发送第一控制信号，第一控制阀单元用于根据第一控制信号控制进入第一液压缸内的液压油的流量。通信单元还用于向第二控制阀单元发送第二控制信号，第二控制阀单元用于根据第二控制信号控制进入第二液压缸内的液压油的流量。

作为一种可能的实现方式，第一控制阀单元包括第一电磁阀和第二电磁阀；第一电磁阀和第二电磁阀均设置在供液单元和第一液压缸之间。第一电磁阀和第二电磁阀并联。第二控制阀单元包括第三电磁阀和第四电磁阀。第三电磁阀和第四电磁阀均设置在供液单元和第二液压缸之间。第三电磁阀和第四电磁阀并联。当穿戴者站立时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于伸出状态。第三电磁阀打开以驱动第二液压缸处于伸出状态。第二电磁阀和第四电磁阀关闭。当穿戴者行走且曲腿时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于曲回状态。第三电磁阀打开以使第二液压缸处于曲回状态。第二电磁阀和第四电磁阀打开。

当穿戴者行走且伸腿时，第一电磁阀打开以驱动第一液压缸处于伸出状态；第三电磁阀打开以驱动第二液压缸处于伸出状态；第二电磁阀和第四电磁阀打开。

作为一种可能的实现方式，供液单元包括油箱，与油箱连通的电机泵，电机泵将液压油从油箱吸出以供给至第一液压缸和第二液压缸。油箱还用于回收第一液压缸和第二液压缸溢出的液压油。

作为一种可能的实现方式，供液单元还包括过滤器，过滤器设置在油箱和电机泵之间，和/或，过滤器设置在电机泵与第一控制阀单元和第二控制阀单元之间。

作为一种可能的实现方式，液压驱动系统还包括一体式壳体，一体式壳体上至少集成有第一液压缸、第一控制阀单元、第二液压缸和第二控制阀单元。

以上所述，仅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，可轻易想到变化或替换，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所述权利要求的保护范围为准。