一种机器人关节结构

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机器人关节结构。


背景技术：

2.主动动力关节作为助力外骨骼重要的一部分，主要为外穿戴者的主动关节运动提供动力，传统的外骨骼动力关节主要考虑人腿部的蜷伸运动的自由度，采用电机和减速器串联后与执行部分直接连接的方案，普遍体积较大，安装费时费力，造价昂贵。同时，人形机器人关节驱动器多为刚性直驱，结构可调性差，柔顺性差。
3.膝关节是人体内最大、最复杂的关节，由股骨、胫骨、髌骨相互组合的股胫关节和股髌关节以及半月板、韧带、滑膜囊和滑膜裂构成。大部分人群都有不同程度的膝盖超伸，膝盖超伸是指腿伸直时膝盖的伸展角度超出了正常的屈伸范围，胫骨的顶端相对于股骨向后滑动使得膝关节向后过度打开。正常人群的膝关节伸直角度为0
°
，而膝关节超伸的人群膝盖伸直角度可能为-5
°
或-10
°
。因此，每个人站立时，膝盖的位置是不尽相同的，通俗来讲，就是胫骨与股骨之间的夹角角度不同。
4.对于上述问题，现有机器人关节无法适用于不同人群在站立时的膝关节伸直角度，即现有机器人关节的大、小腿骨骼的初始夹角角度都是恒定，在穿戴后，使用者的膝关节并不能根据自己膝关节的姿势进行有效调节，因此，存在适应性不高的问题，也就造成了机器人关节无法适用于不同需求，从而大大降低了机器人关节的适用范围。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机器人关节结构，以便于穿戴者能够根据自身膝关节伸直度进行调节，从而提高机器人关节的适用范围。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种机器人关节结构，包括安装架；弹性支架，其可移动地设置在所述安装架上；驱动机构，其用于驱动所述弹性支架做直线运动；第一支臂，其与所述弹性支架铰接，所述第一支臂与所述弹性支架铰接处的轴线记为第一轴线；调节臂，其与所述安装架铰接，所述调节臂与所述安装架铰接处的轴线记为第二轴线；第二支臂，其分别与所述第一支臂和所述调节臂铰接，所述第二支臂与所述第一支臂铰接处的轴线记为第三轴线，所述第三轴线可绕所述第一轴线旋转，所述第二支臂与所述调节臂铰接处的轴线记为第四轴线，所述第四轴线可绕所述第二轴线旋转，所述第三轴线与所述第二轴线之间的间距记为可调间距l，所述第二支臂与所述第一支臂具有初始夹角α；调节机构，其设置在所述安装架上，所述调节机构用于调节所述第四轴线的位置，以实现对所述可调间距l的长度，以及对所述初始夹角α的角度调节。
7.优选地，所述调节机构包括棘轮和锁止组件，所述棘轮转动设置在所述安装架上，所述调节臂设置在所述棘轮上，所述棘轮的转动轴线与所述第二轴线重合，所述锁止组件设置在所述安装架上并用于限制所述棘轮的转向。
8.优选地，所述安装架上设置有壳体，所述棘轮伸入所述壳体内；所述锁止组件包括
第一棘爪、第一弹性件、第二棘爪和第二弹性件，所述第一棘爪和所述第二棘爪均转动设置在所述壳体内，并分别与所述棘轮啮合，所述第一棘爪与所述第二棘爪的止转方向相反；所述第一弹性件用于对所述第一棘爪施加阻止其脱离所述棘轮的作用力，所述第二弹性件用于对所述第二棘爪施加阻止其脱离所述棘轮的作用力。
9.优选地，所述第一棘爪与所述第二棘爪对称布置在所述棘轮的两侧，所述第一棘爪上设置有第一间歇齿轮，所述第一间歇齿轮的转动轴线与所述第一棘爪的转动轴线重合；所述第二棘爪上设置有与所述第一间歇齿轮啮合的第二间歇齿轮，所述第二间歇齿轮的转动轴线与所述第二棘爪的转动轴线重合，所述第二棘爪上设置有拨块，所述拨块伸出所述壳体外。
10.优选地，所述第一支臂呈l型结构，所述第一支臂包括第一臂体和第二臂体，所述第一臂体与所述弹性支架铰接，所述第二支臂铰接于所述第一臂体与所述第二臂体连接的拐角处。
11.优选地，所述第二臂体上设置有小腿穿戴件，所述第二支臂远离所述第一支臂的一端延伸形成有延伸臂，所述延伸臂设置有大腿穿戴件。
12.优选地，所述安装架上设置有导向架，所述导向架的一端设置有支撑座；所述弹性支架包括第一滑板、第二滑板、第三滑板、第一弹簧、第二弹簧和多根连接杆，所述第一滑板、所述第二滑板和所述第三滑板均滑动配合在所述导向架上，所述第二滑板位于所述第一滑板和所述第三滑板之间，所述驱动机构用于驱动所述第二滑板做沿所述导向架滑动；所述第一弹簧的两端分别连接所述第一滑板和所述第二滑板，所述第二弹簧的两端分别连接所述第二滑板和所述第三滑板，每根所述连接杆分别连接所述第一滑板和所述第三滑板。
13.优选地，所述驱动机构包括驱动电机、联轴器、减速器、丝杠和螺母；所述驱动电机、所述联轴器、所述减速器和所述丝杠依次传动连接，所述驱动电机、所述联轴器、所述减速器均设置在所述安装架内，所述丝杠设置在所述导向架内并与所述支撑座转动连接，所述螺母设置在所述第二滑板上并穿设在所述丝杠上。
14.本发明的有益效果：
15.1、本发明公开了一种机器人关节结构，其通过驱动机构驱动弹性支架沿安装架移动时，弹性支架的运动会使第一轴线的位置发生改变，从而带动第一支臂与第二支臂发生相对转动，完成机器人的弯曲或伸直动作。通过驱动机构、弹性支架、第一支臂和第二支臂的相互配合，使刚性驱动转化为柔性驱动，从而减小了在使用该机器人关节结构过程中的风险，提高了人机交互的适应性。
16.2、本发明公开了一种机器人关节结构，在使用前，通过操作调节机构，使得调节臂绕第二轴线旋转，由于第四轴线的位置发生了改变，第三轴线也会适应性地绕第一轴线旋转，由于第二轴线的位置没有发生改变，而第三轴线的位置的发生了改变，因此，第三轴线与第二轴线的间距就发生了变化，即改变了可调间距l的长度，以及初始夹角α的角度，这样一来，穿戴者根据自身习惯的站姿，以及自身膝盖伸直角度，就可适应性地调整第一支臂与第二支臂的初始夹角α，如此，使得该机器人关节机构能够适应不同穿戴人群的膝关节伸直度，并使其具有更广泛的适用范围。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
18.图1为本发明一实施例提供的机器人关节结构的结构示意图；
19.图2为第一轴线、第二轴线、第三轴线和第四轴线的示意图；
20.图3为第二支臂与调节臂配合的结构示意图；
21.图4为调节臂与棘轮配合的结构示意图；
22.图5为调节机构的结构示意图；
23.图6为图2状态下的侧视图；
24.图7为第一支臂、第二支臂、调节臂铰接处的结构示意图；
25.图8为驱动机构、弹性支架与安装架配合的结构示意图。
26.附图标记：
27.10-安装架，11-壳体，12-导向架，13-支撑座；
28.20-弹性支架，21-第一滑板，22-第二滑板，23-第三滑板，24-第一弹簧，25-第二弹簧，26-连接杆；
29.30-驱动机构，31-驱动电机，32-丝杠，33-螺母；
30.40-第一支臂，41-第一臂体，42-第二臂体；
31.50-调节臂；
32.60-第二支臂，61-延伸臂；
33.70-调节机构，71-棘轮，72-第一棘爪，73-第一弹性件，74-第二棘爪，75-第二弹性件，76-第一间歇齿轮，77-第二间歇齿轮，78-拨块；
34.81-小腿穿戴件，82-大腿穿戴件；
35.91-第一轴线，92-第二轴线，93-第三轴线，94-第四轴线。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
37.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
38.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
39.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
40.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.如图1-8所示，在本发明的一实施例中，提供一种机器人关节结构，包括安装架10、弹性支架20、驱动机构30、第一支臂40、调节臂50、第二支臂60和调节机构70。
43.参阅图1和图2，弹性支架20可移动地设置在安装架10上，驱动机构30也设于安装架10上，并用于驱动弹性支架20做直线运动。第一支臂40与弹性支架20铰接，第一支臂40与弹性支架20铰接处的轴线记为第一轴线。调节臂50与安装架10铰接，在高度方向上，调节臂50与安装架10铰接处在第一支臂40与弹性支架20铰接处的上方，调节臂50与安装架10铰接处的轴线记为第二轴线。
44.第二支臂60分别与第一支臂40和调节臂50铰接，第二支臂60与第一支臂40铰接处的轴线记为第三轴线，第三轴线可绕第一轴线旋转，第二支臂60与调节臂50铰接处的轴线记为第四轴线，第一轴线、第二轴线、第三轴线和第四轴线相互平行，第四轴线可绕第二轴线旋转，第三轴线与第二轴线之间的间距记为可调间距l，第二支臂60与第一支臂40具有初始夹角α。调节机构70设置在安装架10上，调节机构70用于调节第四轴线的位置，以实现对可调间距l的长度，以及对初始夹角α的角度调节。
45.本实施例的机器人关节结构，由于第一轴线与第三轴线的间距，第二轴线与第四轴线的间距，以及第三轴线与第四轴线的间距是恒定的，当驱动机构30驱动弹性支架20沿安装架10移动时，弹性支架20的运动会使第一轴线的位置发生改变，从而带动第一支臂40与第二支臂60发生相对转动，即第一支臂40与第二支臂60的夹角角度在某个区间范围内发生变化，从而间接地使第三轴线和第四轴线的位置发生改变，完成该机器人关节结构的弯曲或伸直动作。
46.通过驱动机构30、弹性支架20、第一支臂40和第二支臂60的相互配合，使刚性驱动转化为柔性驱动，从而减小了在使用该机器人关节结构过程中的风险，提高了人机交互的适应性。
47.由于调节臂50与安装架10的铰接位置是固定的，因此，通过调节第四轴线与第二轴线的相对位置可适应更广泛的使用对象。具体地，当使用者穿戴好该机器人关节结构后，通过操作调节机构70，使得调节臂50绕第二轴线旋转，由于第四轴线的位置发生了改变，第三轴线也会适应性地绕第一轴线旋转。由于第二轴线的位置没有发生改变，而第三轴线的位置的发生了改变，因此，第三轴线与第二轴线的间距就发生了变化，并且，第二支臂60的位置调节也会相应地带动第一支臂40进行调节，即改变了可调间距l的长度，以及初始夹角α的角度。在确定好初始夹角α的角度后，在行走过程中，第一支臂40与第二支臂60的夹角角
度就只会在某个区间范围内发生变化，即第一支臂40与第二支臂60具有一个最大夹角角度和一个最小夹角角度。
48.这样一来，穿戴者根据自身习惯的站姿，以及自身膝盖伸直角度，来调整第一支臂40与第二支臂60的初始夹角α，并使第一支臂40与第二支臂60只能按照穿戴者的形态步调运动，如此，使得该机器人关节机构能够适应不同穿戴人群的膝关节伸直度，并使其具有更广泛的适用范围。
49.在一个实施例中，调节机构70包括棘轮71和锁止组件，棘轮71转动设置在安装架10上，调节臂50设置在棘轮71上，棘轮71的转动轴线与第二轴线重合，锁止组件设置在安装架10上并用于限制棘轮71的转向。
50.具体地，棘轮71通过轴线转动安装在安装架10上，而调节臂50则固定在棘轮71背离安装架10的一侧，由于棘轮71的转动轴线与第二轴线重合且调节臂50固定在棘轮71上，当解除锁止组件对棘轮71的限制后，操作人员便可操作调节臂50使其绕第二轴线，从而调节可调间距l的长度，以及第一支臂40与第二支臂60的初始夹角α，调节后，再操作锁止组件对棘轮71进行锁定，调节臂50的位置也被固定。
51.穿戴者的膝盖是处于第一支臂40与第二支臂60的铰接处，穿戴者可在穿戴好该机器人关节结构后，再操作锁止组件来对第一支臂40与第二支臂60的初始夹角α角度进行调节，操作简单便捷。
52.在一个实施例中，安装架10上设置有壳体11，棘轮71伸入壳体11内。锁止组件包括第一棘爪72、第一弹性件73、第二棘爪74和第二弹性件75，第一棘爪72和第二棘爪74均转动设置在壳体11内，并分别与棘轮71啮合，第一棘爪72与第二棘爪74的止转方向相反。第一弹性件73用于对第一棘爪72施加阻止其脱离棘轮71的作用力，第二弹性件75用于对第二棘爪74施加阻止其脱离棘轮71的作用力。
53.由于第一棘爪72与第二棘爪74对棘轮71的止转方向相反，因此，当需要正转或者反转棘轮71时，穿戴者只需对对应的第一棘爪72或第二棘爪74进行解锁便可旋转调节臂50，调整好调节臂50的位置后，在第一弹簧24件或第二弹性件75又会带动第一棘爪72或第二棘爪74复位，棘轮71就会被在此锁定。
54.在一个实施例中，第一棘爪72与第二棘爪74对称布置在棘轮71的两侧，第一棘爪72上设置有第一间歇齿轮76，第一间歇齿轮76的转动轴线与第一棘爪72的转动轴线重合。第二棘爪74上设置有与第一间歇齿轮76啮合的第二间歇齿轮77，第二间歇齿轮77的转动轴线与第二棘爪74的转动轴线重合，第二棘爪74上设置有拨块78，拨块78伸出壳体11外。
55.具体地，当需要调节初始夹角α时，操作人员只需要拨动拨块78，第二棘爪74转动的同时会通过第二间歇齿轮77将转动传递给第一棘爪72，第一棘爪72与第二棘爪74会同时压缩第一弹性件73和第二弹性件75，棘轮71的锁定状态被解除，此时，便可任意旋转、调节调节臂50的位置，以此来适应不同穿戴者的膝关节伸直度。调整好后，穿戴者只需要松开拨块78，第一棘爪72和第二棘爪74分别在第一弹性件73和第二弹性件75的作用下复位，棘轮71再次被锁定，相应的，调节臂50的位置也被锁定。
56.并且，采用棘轮71与第一棘爪72和第二棘爪74相互配合的结构能够对调节臂50的位置进行微调，从而提高了调节机构70的适用范围。
57.在一个实施例中，第一支臂40呈l型结构，第一支臂40包括第一臂体41和第二臂体
42，第一臂体41与弹性支架20铰接，第二支臂60铰接于第一臂体41与第二臂体42连接的拐角处。当驱动机构30驱动弹性支架20沿安装架10移动时，弹性支架20的运动会使第一轴线的位置发生改变，从而带动第一支臂40与第二支臂60运动，从而间接地使第三轴线和第四轴线的位置发生改变，完成该机器人关节结构的弯曲或伸直动作。
58.在一个实施例中，为了便于穿戴，第二臂体42上设置有小腿穿戴件81，第二支臂60远离第一支臂40的一端延伸形成有延伸臂61，延伸臂61设置有大腿穿戴件82。该机器人关节结构在第一支臂40与第二支臂60上设计了多个安装孔，以方便大腿穿戴件82和小腿穿戴件81的不同位置安装，以适应不同腿长的穿戴者。同时，该机器人关节结构采用碳板与钛合金为主要制作材料，整体的重量大大减小，以减小穿戴者在使用过程中的消耗能量，从而适应更多的使用者，具有更广泛的适用范围。
59.在一个实施例中，安装架10上设置有导向架12，导向架12的一端设置有支撑座13。弹性支架20包括第一滑板21、第二滑板22、第三滑板23、第一弹簧24、第二弹簧25和多根连接杆26，第一滑板21、第二滑板22和第三滑板23均滑动配合在导向架12上，第二滑板22位于第一滑板21和第三滑板23之间，驱动机构30用于驱动第二滑板22做沿导向架12滑动。第一弹簧24的两端分别连接第一滑板21和第二滑板22，第二弹簧25的两端分别连接第二滑板22和第三滑板23，每根连接杆26分别连接第一滑板21和第三滑板23。
60.第一臂体41与连接杆26，第一支臂40与第二支臂60，第二支臂60与调节臂50，棘轮71与安装架10均通过轴承实现铰接。
61.驱动机构30包括驱动电机31、联轴器、减速器、丝杠32和螺母33。驱动电机31、联轴器、减速器和丝杠32依次传动连接，驱动电机31、联轴器、减速器均设置在安装架10内，丝杠32设置在导向架12内并与支撑座13转动连接，螺母33设置在第二滑板22上并穿设在丝杠32上。
62.该设计通过将第一弹簧24和第二弹簧25串联在一起传递力，在人形机器人步态周期的大部分时间内能够保持较高的内在顺应性，同时保持提供峰值力的能力，具有重量轻、结构紧凑、输出力范围大等优点。
63.以机器人关节做伸直动作来具体说明工作原理如下：
64.驱动电机31通过联轴器的连接，经过减速器减速，将旋转运动传递给丝杠32，丝杠32转动带动螺母33沿着导向架12向下滑动，螺母33下移的过程中并通过第一弹簧24和第二弹簧25将运动传递给第一滑板21和第三滑板23，从而带动弹性支架20整体下移，由于第一支臂40与连接杆26铰接，从而使第一轴线的位置下移，并使得第一支臂40绕第一轴线做顺时针旋转，这样一来，第二支臂60也会适应性的调整位置，直至第二支臂60与第二臂体42接近平直，从而完成伸直动作。
65.以机器人关节做弯曲动作来具体说明工作原理如下：
66.驱动电机31通过联轴器的连接，经过减速器减速，将旋转运动传递给丝杠32，丝杠32转动带动螺母33沿着导向架12向上滑动，螺母33上移的过程中并通过第一弹簧24和第二弹簧25将运动传递给第一滑板21和第三滑板23，从而带动弹性支架20整体上移，由于第一支臂40与连接杆26铰接，从而使第一轴线的位置上移，并使得第一支臂40绕第一轴线做逆时针旋转，这样一来，第二支臂60也会适应性的调整位置，第二支臂60与第二臂体42的夹角发生变化，从而完成弯曲动作。
67.本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
68.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。