[发明专利]一种下肢助力外骨骼装置及其动力关节装置

说明书

本发明涉及一种动力关节装置，包括关节主体、动力装置和测量装置，测量装置包括第一角度测量装置，第一角度测量装置包括第一磁体和第一磁场感应电路，第一磁体连接电机输出轴的一端，并靠近第一电机盖板；第一磁场感应电路设置于第一电机盖板的内侧，并靠近第一磁体；电机旋转带动电机输出轴旋转，进而带动第一磁体旋转，第一磁场感应电路通过感应第一磁体的转动角度从而可以测量电机的旋转角度。本发明通过非接触耦合方式的第一磁体和第一磁场感应电路实现了电机转动角度的测量，不会造成机械摩损、简单、轻薄、成本低，比现有集成式编码器方案，大大简化了机械结构设计复杂度，且磁体产生的磁场是静态磁场，不易受环境干扰影响，可靠性高。

技术领域

本发明涉及动力关节装置，特别是涉及一种用于外骨骼机器人领域的动力关节装置。

背景技术

机器人领域广泛地需要应用动力关节，用于人体可穿戴的外骨骼机器人一般带有多个动力关节，这些动力关节一方面需要承载人体穿戴使用时施加的多个方向的压力及扭力，另一方面还需要集成力传感器、角度传感器以及电机旋转编码器；与此同时，还需要动力关节体积小、重量轻，成本低。

现有技术中，一般电机选用扁平的盘式电机，减速机采用谐波减速机，这样可以使得动力关节轴向尺寸较小。上臂和下臂的连接结构方面，一些方案为了简化设计，把上臂及下臂分别与谐波减速机的柔轮及钢轮固定在一起，如哈尔滨工业大学2011年硕士论文《外骨骼下肢助力机器人技术研究》中披露这种方案，该方法会导致上下臂不在一个平面上，关节承力时会产生很大的侧向扭矩，容易损坏关节；论文《Mechanical Design of theHanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014中也披露类似方案；为减少上述方案中侧向扭矩的影响，可以采用交叉滚子轴承，但成本代价较高，且不能从根本上解决问题。

现有技术中，控制电机需要采用旋转编码器，现有方案均采用光电式旋转编码器，体积大、成本高，造成动力关节设计复杂；论文《Mechanical Design of the HanyangExoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014、论文《Design of an electricallyactuated lower extremity exoskeleton》（Advanced Robotics, Vol. 20, No. 9, pp.967–988 (2006)）以及中国专利201620267410.7中均披露相同的方案。

现有技术中，测量电机的输出扭矩有些采用扭矩传感器，如论文《MechanicalDesign of the Hanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014披露了此类方案，此方案的成本代价、体积大且重量大；有些采用压力传感器来测量电机输出扭矩，论文《Design of an electrically actuated lower extremity exoskeleton》（AdvancedRobotics, Vol. 20, No. 9, pp. 967–988 (2006)）中披露了此类方案，此方案结构较为复杂、对于安装精度要求很严格，且成本比较高。

现有技术中，动力关节中不包含专门测量上臂和下臂相对角度的方案，一般用电机编码器来估算上下臂的相对角度，此方案的问题是每次上电需要校准，精度难以保证；论文《Mechanical Design of the Hanyang Exoskeleton Assistive Robot(HEXAR)》ICCAS2014以及论文《Design of an electrically actuated lower extremityexoskeleton》（Advanced Robotics, Vol. 20, No. 9, pp. 967–988 (2006)）均未披露专门测量上下臂相对角度的方案。

发明内容