CN110871431A - 一种可快速分离的外骨骼机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可快速分离的外骨骼机器人关节，由驱动电机、主架板、转接轴、谐波减速机、离合装置、输出架板、减速机输出法兰组成；所述的驱动电机和谐波减速机的柔轮安装在所述的主架板上，所述的驱动电机动力通过转接轴和谐波减速机的波发生器相连，驱动电机的动力通过转接轴和谐波减速机内的波发生器连接后进行动力输入；驱动电机的动力通过减速后由谐波减速机的钢轮输出；所述的减速机输出法兰和谐波减速机钢轮相连；所述的减速机输出法兰与输出架板之间通过离合装置实现两者之间的衔接和分离。

Description

一种可快速分离的外骨骼机器人关节

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人关节模块，具体的涉及一种可快速分离的外骨骼机器人关节。

背景技术

目前，国内助力型可穿戴外骨骼机器人，当驱动电机断电后，由于减速机减速比较大，减速机增大扭矩的效果使得穿脱时各个关节不能灵活转动，此时人体在穿脱时需要保持固定姿势，过程繁琐复杂不能自己独立完成，需要多人协作辅助来实现完成穿脱任务，其穿脱过程舒适度差，体验不佳。在驱动电机断电情况下若想实现关节自由转动达到灵活穿脱的目的，只能通过拆卸分离驱动的方式使输出关节达到自由状态，但此方式效率极低，且拆卸分离后再次装配时对安装的精度要求较高，虽能相对灵活穿脱，但是容易损坏驱动及减速机构，对外骨骼机器人关节造成伤害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可快速分离的外骨骼机器人关节，该装置可以完成外骨骼机器人在穿戴及脱卸时关节模块快速脱离及闭合，实现关节模块由固定位置到自由状态的快速切换，从而快速灵活实现外骨骼机器人的穿戴及脱卸作业任务。

本发明通过如下技术方案实现的：

一种可快速分离的外骨骼机器人关节，由驱动电机、减速机、离合装置、输出架板、减速机输出法兰组成；所述的驱动电机的动力经过减速机减速后，与减速机输出法兰相连，所述的输出架板的内圈套装在减速机输出法兰的中心轴上，输出架板的外圈与离合装置配合，通过离合装置实现输出架板与减速机输出法兰之间的衔接和分离。

进一步的，所述的减速机采用谐波加速机，所述的驱动电机和谐波减速机的柔轮安装在所述的主架板上，所述的驱动电机动力通过转接轴和谐波减速机的波发生器相连，驱动电机的动力通过转接轴和谐波减速机内的波发生器连接后进行动力输入；驱动电机的动力通过减速后由谐波减速机的钢轮输出；所述的减速机输出法兰和谐波减速机钢轮相连。

进一步的，所述的离合装置由离合器、端盖、锁定钢珠、按钮弹簧及分离按钮组成；

所述的离合器的顶部与端盖固定连接，且离合器与端盖同轴安装，所述的分离按钮插装在所述端盖的中心孔内，在所述的分离按钮外圈设计有曲面，锁定钢珠设置在该曲面内；且在端盖与分离按钮之间套装有一个所述的按钮弹簧；按钮弹簧的顶部顶在分离按钮上，底部顶在端盖的一个凸台上，且按钮弹簧位于锁定钢珠的上方。

进一步的，所述的离合器与减速机输出法兰、输出架板均为锥面配合，衔接时能够保证配合面无机械间隙，保证关节模块工作时的精度。

进一步的，在所述的离合器上设有凸台A和凸台B，在输出架板上设有与凸台A配合的凹槽A,凸台A和凹槽A锥面配合；在减速机输出法兰上设有与凸台B配合的凹槽B，凸台B和凹槽B锥面配合,衔接时能够保证配合面无机械间隙，保证关节模块工作时的精度。

进一步的，在所述的减速机输出法兰的圆心位置有一个内部开孔的中心轴，中心轴的内圈设有凹槽I，用于卡接所述的锁定钢珠；所述中心轴的外圈与所述的输出架板的内圈配合，输出架板的外圈与离合器配合。

进一步的，在所述的轴心轴的外圈设有一圈凹槽II，该凹槽II内安装卡簧，卡簧对输出架板进行固定及限位，防止其脱出；离合器可以衔接减速机输出法兰和输出架板，实现快速分离。

进一步的，在所述的输出架板的上设有安装孔，在所述的安装孔内设置离合脱离弹簧，所述的离合脱离弹簧的顶部与端盖底部接触，在离合器闭合时，离合脱离弹簧处于被压缩状态；在离合器脱离时，离合脱离弹簧将离合器顶起。

进一步的，在所述的转接轴上下两端分别有转接轴上轴承和转接轴下轴承固定支撑。

具体的离合装置的工作方式如下：

离合装置闭合：

离合装置闭合时，离合器衔接减速机输出法兰和输出架板，此时减速机输出法兰和输出架板即可同步运动。

减速机输出法兰和输出架板两个零件均有定向凹槽，而离合器上有对应的凸台；离合装置未闭合时输出架板可围绕减速机输出法兰的中心轴自由转动，当减速机输出法兰的凹槽旋转至与输出架板的凹槽相吻合时，此时按下整个离合器的凸台可以衔接减速机输出法兰和输出架板，实现减速机输出法兰与输出架板同步。此时按钮弹簧顶升分离按钮，分离按钮设计有曲面，锁定钢珠沿分离按钮的曲面被向外挤压运动至减速机输出法兰对应的凹槽卡住，然后将整个离合装置与减速机输出法兰锁定，阻止离合装置脱离。另外离合器的凸台与减速机输出法兰、输出架板对应的凹槽均为锥面配合，衔接时能够保证配合面无机械间隙，保证关节模块工作时的精度。

离合装置脱离：

离合装置脱离时，离合器在离合脱离弹簧的顶升下脱离减速机输出法兰和输出架板，此时输出架板可绕减速机输出法兰中心轴自由转动。

脱离时，首先按压分离按钮，此时按钮弹簧被压缩，锁定钢珠沿分离按钮沿设计的曲面回落，整个离合装置解除锁定。在离合脱离弹簧的作用下，离合装置沿减速机输出法兰中心轴向上被顶升，离合器脱离出减速机输出法兰、输出架板。另外离合器、输出架板上互相有凸台进行限位，可以防止整个离合装置在脱离减速机输出法兰、输出架板后脱出。整个离合机构完成脱离后可以将其旋转一定角度，将离合器的底面搭在输出架板的顶面。

本发明的有益效果如下：

此关节能够实现外骨骼机器人关节快速分离与闭合，当驱动电机断电后关节模块能够一键实现由固定状态切换至自由状态，此时人体能够独立且灵活的完成外骨骼机器人穿、脱任务，大大提高对外骨骼机器人穿脱的效率、提升穿脱的舒适度、解决了需人工辅助穿脱的问题，同时也避免了用拆卸驱动的方式进行穿脱对机器人关节造成的伤害。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1本发明整体结构剖面示意图；

图2本发明的离合装置剖面图；

图3为图2的局部放大图；

图4本发明的离合装置外观；

图5为减速机输出法兰外观；

图6输出架板示意图；

图7离合装置闭合时外观图；

图8离合装置脱离时外观图；

图中：1驱动电机、2主架板、3转接轴、4谐波减速机、4-1谐波减速机波发生器、5转接轴下轴承、6转接轴上轴承、7减速机输出法兰、7-1、钢珠定位凹槽、7-2凹槽B、7-3中心轴、7-4凹槽、8离合器、8-1离合器限位凸台、8-2离合器凸台A、8-3离合器凸台B、15-1钢珠滑动曲面；9输出架板、9-1防止脱离凸台、9-2凹槽A、9-3中心孔、9-4安装孔、10、端盖、11、离合脱离弹簧、12、卡簧、13锁定钢珠、14按钮弹簧、15分离按钮。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

正如背景技术所介绍的，目前，国内助力型可穿戴外骨骼机器人，当驱动电机断电后，由于减速机减速比较大，减速机增大扭矩的效果使得穿脱时各个关节不能灵活转动，此时人体在穿脱时需要保持固定姿势，过程繁琐复杂不能自己独立完成，需要多人协作辅助来实现完成穿脱任务，其穿脱过程舒适度差，体验不佳。在驱动电机断电情况下若想实现关节自由转动达到灵活穿脱的目的，只能通过拆卸分离驱动的方式使输出关节达到自由状态，但此方式效率极低，且拆卸分离后再次装配时对安装的精度要求较高，虽能相对灵活穿脱，但是容易损坏驱动及减速机构，对外骨骼机器人关节造成伤害。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可快速分离的外骨骼机器人关节。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，可快速分离的外骨骼机器人关节由驱动电机1、主架板2、转接轴3、谐波减速机4、离合装置、输出架板9、减速机输出法兰7组成；

其中驱动电机可选择采用直流电机。

在主架板2上安装驱动电机1，驱动电机1动力通过转接轴3和谐波减速机波发生器4-1相连，3转接轴上下两端分别有转接轴上轴承6和转接轴下轴承5固定支撑，另外谐波减速机4的柔轮固定在主架板2上，驱动电机1的动力就通过转接轴3和谐波减速机波发生器4-1连接后进行动力输入，经过谐波减速机4减速后由谐波减速机4的钢轮输出，同时减速机输出法兰7和谐波减速机4的钢轮相连；所述的减速机输出法兰与输出架板之间通过离合装置实现两者之间的衔接和分离。

各部分的具体结构解释如下：

如图3和图3所示，所述的离合装置由离合器8、端盖10、锁定钢珠13、按钮弹簧14及分离按钮15组成；

离合器8的顶部与端盖10之间通过螺栓固定连接，且离合器8与端盖10同轴安装，在端盖10的中心位置开有通孔，所述的分离按钮15插装在所述的端盖10的通孔内，在所述的分离按钮15外圈设计有钢珠滑动曲面15-1，锁定钢珠设置在该曲面内；且在端盖与分离按钮之间套装有一个所述的按钮弹簧14；按钮弹簧14的顶部顶在分离按钮15上，底部顶在端盖的一个小凸台上，且按钮弹簧位于锁定钢珠13的上方。

离合器上设有离合器限位凸台8-1、离合器凸台A8-2、离合器凸台B8-3；

如图5所示，为减速机输出法兰7的结构，在减速机输出法兰7的圆心位置有中心轴7-3，中心轴7-3内部开孔，在中心轴7-3的内圈设有一圈凹槽7-1，用于卡接锁定钢珠；中心轴7-3的外圈也设有一圈凹槽7-4；凹槽7-4与端盖上凹槽形成一个空间，用于安装卡簧12；

在减速机输出法兰7的外圈设有用于与离合器凸台B 8-3配合的凹槽B 7-2；

中心轴的外圈与输出架板的内圈配合，输出架板的外圈与离合器配合。

如图6所示，为输出架板9的结构，在离合器的中心设置有中心孔9-3，用于套装在减速机输出法兰7的中心轴上，在输出架板9的外圈设有防止脱离凸台9-1、离合凹槽A9-2以及安装孔9-4；安装孔9-4用于安装离合脱离弹簧11；所述的离合脱离弹簧11的顶部与端盖底部接触，在离合器闭合时，离合脱离弹簧处于被压缩状态；在离合器脱离时，离合脱离弹簧将离合器顶起。凹槽A9-2与离合器凸台A8-2配合。

中心轴7-3的外圈与中心孔9-3相套合，输出架板9可以沿7-3中心轴自由转动，卡簧12对输出架板9进行固定及限位，防止其脱出。离合器8可以衔接减速机输出法兰7和输出架板9，实现快速分离。

具体的离合装置的工作过程如下：

离合装置闭合：

离合装置闭合时，离合器8衔接减速机输出法兰7和输出架板9(离合器凸台A8-2、离合器凸台B 8-3衔接离合凹槽A 9-2、离合凹槽B 7-2)，此时减速机输出法兰7和输出架板9即可同步运动。

减速机输出法兰7和输出架板9两个零件均有定向凹槽B 7-2、凹槽A9-2，而离合器8上有对应的离合器凸台A 8-2、离合器凸台B 8-3。

离合装置未闭合时输出架板9可围绕中心轴7-3自由转动，当凹槽B7-2旋转至与凹槽A 9-2相吻合时，此时按下整个离合装置，离合器凸台A 8-2、离合器凸台B 8-3可以衔接离合凹槽A 9-2、离合凹槽B 7-2，实现减速机输出法兰7和输出架板9同步。此时按钮弹簧14顶升分离按钮15，分离按钮15设计有曲面钢珠滑动曲面15-1，锁定钢珠13沿钢珠滑动曲面15-1被向外挤压运动至钢珠定位凹槽7-1卡住，然后将整个离合装置与减速机输出法兰7锁定，阻止离合装置脱离。另外离合器凸台A 8-2、离合器凸台B 8-3与凹槽B 7-2、凹槽A9-2均为锥面配合，衔接时能够保证配合面无机械间隙，保证关节模块工作时的精度。

离合装置脱离：

离合装置脱离时，离合器8在离合脱离弹簧11的顶升下脱离减速机输出法兰7和输出架板9，此时输出架板9可绕减速机输出法兰7中心轴自由转动。

脱离时，首先按压分离按钮15，此时按钮弹簧14被压缩，锁定钢珠13沿分离按钮15设计的钢珠滑动曲面15-1回落，整个离合装置解除锁定。在离合脱离弹簧11的作用下，离合装置沿轴向上被顶升，离合器8脱离出减速机输出法兰7、输出架板9；即离合器凸台A 8-2、离合器凸台B 8-3脱离出凹槽B 7-2、凹槽A9-2；

另外离合器8、输出架板9上互相有离合器限位凸台8-1、防止脱离凸台9-1进行限位，可以防止整个离合装置在脱离减速机输出法兰7、输出架板9后脱出。整个离合机构完成脱离后可以将其旋转一定角度，将离合器8的底面搭在输出架板9的顶面，见图8，阻止其回落、晃动。

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

Claims (10)

1.一种可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，由驱动电机、转接轴、减速机、离合装置、输出架板和减速机输出法兰组成；

所述的驱动电机的动力经过减速机减速后，与减速机输出法兰相连，所述的输出架板的内圈套装在减速机输出法兰的中心轴上，输出架板的外圈与离合装置配合，通过离合装置实现输出架板与减速机输出法兰之间的衔接和分离。

2.如权利要求1所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，所述的离合装置由离合器、端盖、锁定钢珠、按钮弹簧及分离按钮组成；通过按下或者所述的离合器的顶部与端盖固定连接，且离合器与端盖同轴安装，所述的分离按钮插装在所述端盖的中心孔内，在所述的分离按钮外圈设计有曲面，锁定钢珠设置在该曲面内；且在端盖与分离按钮之间套装有一个所述的按钮弹簧。

3.如权利要求2所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，所述按钮弹簧的顶部顶在分离按钮上，底部顶在端盖的一个凸台上，且按钮弹簧位于锁定钢珠的上方。

4.如权利要求2所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，所述的离合器与减速机输出法兰、输出架板均为锥面配合。

5.如权利要求4所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，在所述的离合器上设有凸台A和凸台B；在减速机输出法兰上设有与凸台B锥面配合的凹槽B；在输出架板上还设有与凸台A锥面配合的凹槽A。

6.如权利要求1所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，在所述的减速机输出法兰的圆心位置有一个内部开孔的中心轴，中心轴的内圈设有凹槽I；所述中心轴的外圈与所述的输出架板的内圈配合，输出架板的外圈与离合装置配合。

7.如权利要求4所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，在所述的中心轴的外圈设有一圈凹槽II，用于安装卡簧，对输出架板进行固定及限位，防止其脱出。

8.如权利要求1所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，在所述的输出架板的上设有安装孔，在所述的安装孔内设置离合脱离弹簧，所述的离合脱离弹簧的顶部与端盖底部接触，在离合器闭合时，离合脱离弹簧处于被压缩状态；在离合器脱离时，离合脱离弹簧将离合器顶起。

9.如权利要求1所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，在所述的转接轴上下两端分别有转接轴上轴承和转接轴下轴承固定支撑。

10.如权利要求1所述的可快速分离的外骨骼机器人关节，其特征在于，所述的减速机采用谐波加速机，所述的驱动电机和谐波减速机的柔轮安装在所述的主架板上，所述的驱动电机动力通过转接轴和谐波减速机的波发生器相连，驱动电机的动力通过转接轴和谐波减速机内的波发生器连接后进行动力输入；驱动电机的动力通过减速后由谐波减速机的钢轮输出；所述的减速机输出法兰和谐波减速机钢轮相连。

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