外骨骼系统及其机械关节的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及外骨骼系统及其机械关节，在该机械关节中，驱动单元安装在第一构件上，机械关节还包括丝杠、套装在丝杠上与该丝杠配合进行传动的螺母，丝杠设置成驱动单元的动力输出端，第二构件的转动中心设置有型面孔；螺母位于型面孔中在型面孔中随着丝杠的旋转通过型面孔带动第二构件转动，且随着丝杠的旋转沿丝杠的轴线方向移动以压紧或释放第二构件；在第二构件设定的止点位置螺母施加于第二构件上的摩擦力足以保持住承受设定载荷的第二构件。由于是通过机械结构实现限位，相对于电磁制动锁死具有耗能低的特点。
【专利说明】
外骨骼系统及其机械关节
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及外骨骼系统及其机械关节。
【背景技术】
[0002]外骨骼作为一种新型的可辅助人类运动的系统是目前研究的热门，因其在军事领域、工业领域、医疗领域都具有很强的潜在用途，如搬运、助行、负重。当前的外骨骼系统在搬运负载时只能依靠舵机或电机限位，其在搬运过程中暂停或停止时电机不能够断电，电机需要靠电磁制动锁死电机，这样必然消耗能量。在电池续航能力有限的情况下，节能变的尤为重要，并且电磁限位只能作为一种限位方法，并不能预防电磁失效的情况，其可靠性安全性不足。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种机械关节，其限位可通过机械结构实现，具有耗能低的特点。
[0004]本实用新型的另一目的在于提供一种采用该机械关节的外骨骼系统。
[0005]—种机械关节包括第一构件、第二构件以及驱动所述第二构件的驱动单元，所述驱动单元安装在所述第一构件上，所述机械关节还包括丝杠、套装在丝杠上与该丝杠配合进行传动的螺母，所述丝杠设置成所述驱动单元的动力输出端，所述第二构件的转动中心设置有型面孔;所述螺母位于所述型面孔中在所述型面孔中随着丝杠的旋转通过所述型面孔带动所述第二构件转动，且随着丝杠的旋转沿丝杠的轴线方向移动以压紧或释放所述第二构件;在所述第二构件设定的止点位置所述螺母施加于所述第二构件上的摩擦力保持承受设定载荷的所述第二构件。
[0006]在一实施例中，所述机械关节还包括固定于所述第一构件的限位元件，所述第二构件被所述限位元件限位的位置为所述第二构件设定的止点位置。
[0007]在一实施例中，所述限位元件为在所述第二构件转动方向上设置的限位块，所述限位块具有用于与所述第二构件相贴合的边。
[0008]在一实施例中，所述机械关节还包括弹性体，所述弹性体设置在所述螺母和所述第二构件之间，所述螺母通过所述弹性体来压紧或释放所述第二构件。
[0009]在一实施例中，所述弹性体为压缩弹簧。
[0010]在一实施例中，所述压缩弹簧为环形体，在所述螺母和所述第二构件之间设置有至少一个所述压缩弹簧。
[0011]在一实施例中，所述螺母上设置有凸台，所述凸台与所述第二构件之间形成有容置空间，所述弹性体设置在容置空间内。
[0012I在一实施例中，所述驱动单元为减速电机、液压动力单元或者气压动力单元。
[0013]—种外骨骼系统包括任一所述的机械关节。
[0014]所述外骨骼系统的实施例中，所述外骨骼系统上肢部分的肩关节和/或肘关节为所述的机械关节。
[0015]丝杠输出驱动单元的动力或运动，带动螺母进行转动，进而带动第二构件进行转动时，螺母转动的速度与丝杠转动的速度存在差别，这样的转速差导致螺母在丝杠的轴向上存在位移，因此可以直接或间接地施加压力于第二构件上，增加作用于第二构件上摩擦力，从而可以保持住或者锁死承受设定载荷的第二构件，即可以通过机械结构来实现限位，耗能低。在优选的实施例中同时通过限位元件来限位，为第二构件提供二次支撑保护，可靠性尚°
【附图说明】
[0016]本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中:
[0017]图1为本实用新型的实施例中外骨骼系统的上肢部分的手臂的一种角度的示意图。
[0018]图2为本实用新型的实施例中外骨骼系统的上肢部分的手臂的另一种角度的示意图。
[0019]图3为本实用新型的实施例中外骨骼系统的上肢部分的手臂中的关节的示意图。
[0020]图4为沿图1中线A-A的剖视图。
[0021]图5为沿图1中线B-B的剖视图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本实用新型的保护范围。
[0023]需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。
[0024]根据本实用新型的实施例，外骨骼系统包括机械结构，其机械结构包括上肢部分和/或下肢部分，例如其上肢部分包括肩关节和肘关节，图1示出了上肢部分的一个手臂，其包括一个肘关节。外骨骼系统还包括控制系统、能源模块以及动力系统，其控制系统可以设置成包括感知层、控制层以及决策层。能源模块可以是蓄电池，或者是新能源，例如太阳能、生物能等。驱动系统可以是液压驱动系统、气压驱动系统或者电机驱动系统，液压系统通过液体为工作介质进行能量传递和控制，气压系统以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制，电机驱动系统利用电力设备调节参数来传递动力和进行控制。在后述的实施例中，主要描述外骨骼系统的机械结构的一个关节，该关节以肘关节为例进行说明，其说明也适合于其他的有相似或相同应用场合的关节。
[0025]如图1至图4所示，大臂11和小臂12通过机械关节连接，该机械关节包括第一构件110、第二构件120以及驱动第二构件120的电机(图中没有显示)和减速器130，第一构件110为大臂11的端部，第二构件120为小臂12的端部。该机械关节还包括固定于第一构件110的限位元件13以及设置于第一构件110上的丝杠螺母机构。丝杠螺母机构包括固定于第一构件110上的丝杠21以及与丝杠21配合的螺母22，第二构件120的转动中心设置有型面孔122，螺母22位于型面孔122中能在型面孔122中移动，型面孔122具有适合于与螺母22之间传递力矩的形状，例如非圆形或者多边形。优选地，螺母22和第二构件120之间还设置有弹性体23，螺母22能通过型面孔122带动第二构件130转动，螺母22还能相应于与丝杠21的配合在型面孔122中移动，以压紧或释放弹性体23。螺母22上设置有凸台221，凸台221与第二构件130之间形成有容置空间222，弹性体23设置在容置空间222内。在没有弹性体23的实施例可以直接在第二构件130上加压或者卸压;在第二构件120被限位元件13限位的位置，即图1和图2所示的止点位置，相应于螺母22在型面孔122中的位移施加于第二构件120上的摩擦力足以保持住或者锁死承受设定载荷的第二构件120，设定载荷例如是小臂12的远端承受的重物重量。
[0026]如图5所示，弹性体23可以是两叠置的压缩弹簧，该压缩弹簧为环形体，其具有与第二构件120接触的端面以及沿整个外周侧具有在径向上向外扩张的开口，螺母22向第二构件120靠近的方向移动时，施加在弹性体23上的压力增加，弹性体23施加在第二构件120上的压力也相应地增加，因此弹性体23和第二构件120之间的摩擦力就增加，限制了第二构件120的转动，直至保持住第二构件120，使其不能转动，即便在电机失电的情况下，第二构件120在承受设定或者额定负载的情况下也能被保持住。这样使得其在搬运过程中暂停或停止时电机能够断电，无需电机通过电磁制动锁死，不会消耗能量。在电池续航能力有限的情况下，这尤为重要，并且并在机械结构不损坏的情况下不会发生失效的情况，其可靠性安全性较高。
[0027]在本实用新型的其他实施例中，大臂11和小臂12可以是其他连杆，连杆是机器人学意义上的运动构件，其可以是肩部，髋部或者其他外骨骼系统的构件。
[0028]在如图1至图4所示的实施例中，电机和减速器130固定设置于第一构件110上。丝杠21设置成减速器130的动力输出端，将转动输出到螺母22，螺母22进一步将转动输出到第二构件120，螺母22会将丝杠21传递的一部分转动转换成轴向移动，这样可以在第二构件120上加压或卸压。在配置弹性体23的实施例中，在第二构件120上的加压或卸压是渐变的。
[0029]如图1至图4所示，限位元件13为第二构件130的转动方向上设置的限位块，具有用于与第二构件120相贴合的边，可以进一步保证对第二构件120限位的可靠性。
[0030]在本实用新型的另一实施例中，驱动单元除了是配置减速器130的电机为，还可以是通过液压动力单元或者气压动力单元来驱动。
[0031]在本实用新型的另一实施例中，限位元件13可以省略。
[0032]在本实用新型的另一实施例中，前述机械关节不限于外骨骼系统的上肢部分肘关节，还可以是肩关节或者其他有相似应用场合的关节。
[0033]本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。
【主权项】
1.机械关节，包括第一构件、第二构件以及驱动所述第二构件的驱动单元，所述驱动单元安装在所述第一构件上，其特征在于，所述机械关节还包括丝杠、套装在丝杠上与该丝杠配合进行传动的螺母，所述丝杠设置成所述驱动单元的动力输出端，所述第二构件的转动中心设置有型面孔;所述螺母位于所述型面孔中在所述型面孔中随着丝杠的旋转通过所述型面孔带动所述第二构件转动，且随着丝杠的旋转沿丝杠的轴线方向移动以压紧或释放所述第二构件;在所述第二构件设定的止点位置所述螺母施加于所述第二构件上的摩擦力保持承受设定载荷的所述第二构件。2.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于，所述机械关节还包括固定于所述第一构件的限位元件，所述第二构件被所述限位元件限位的位置为所述第二构件设定的止点位置。3.如权利要求2所述的机械关节，其特征在于，所述限位元件为在所述第二构件转动方向上设置的限位块，所述限位块具有用于与所述第二构件相贴合的边。4.如权利要求1-3任一项所述的机械关节，其特征在于，所述机械关节还包括弹性体，所述弹性体设置在所述螺母和所述第二构件之间，所述螺母通过所述弹性体来压紧或释放所述第二构件。5.如权利要求4所述的机械关节，其特征在于，所述弹性体为压缩弹簧。6.如权利要求5所述的机械关节，其特征在于，所述压缩弹簧为环形体，在所述螺母和所述第二构件之间设置有至少一个所述压缩弹簧。7.如权利要求6所述的机械关节，其特征在于，所述螺母上设置有凸台，所述凸台与所述第二构件之间形成有容置空间，所述弹性体设置在容置空间内。8.如权利要求1所述的机械关节，其特征在于，所述驱动单元为减速电机、液压动力单元或者气压动力单元。9.一种外骨骼系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的机械关节。10.如权利要求9所述的外骨骼系统，其特征在于，所述外骨骼系统上肢部分的肩关节和/或肘关节为所述的机械关节。
【文档编号】B25J17/00GK205466303SQ201620237050
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】不公告发明人
【申请人】深圳光启合众科技有限公司