申请/专利权人：长春国科希莱科技有限公司

申请日：2018-01-05

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN108098832B

主分类号：B25J17/02

分类号：B25J17/02;A61H1/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2022.10.21#著录事项变更;2018.06.26#实质审查的生效;2018.06.01#公开

摘要：本发明提供一种模块化直接扭矩控制康复机器人关节，包括左端盖、谐波减速器、直流三相无刷电机、关节机械限位器、绝对编码器、电路板、壳体、右端盖和电磁抱闸制动器，左端盖安装在壳体的固定支座上，关节机械限位器安装在左端盖上，谐波减速器安装在壳体的固定支座上，直流三相无刷电机的左输出轴安装在谐波减速器的输入端，直流三相无刷电机的定子与谐波减速器的外壳固定连接，电磁抱闸制动器与绝对编码器分别安装在直流三相无刷电机的右输出轴上，电磁抱闸制动器的固定支座与壳体固定连接，电路板安装在壳体的固定支座上，右端盖安装在壳体上。本发明体积小，重量轻，人机交互性好，便于各类康复训练机器人安装使用，通用性和实用性强。

主权项：1.一种模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于，包括左端盖（1）、谐波减速器（2）、直流三相无刷电机（3）、关节机械限位器（4）、绝对编码器（5）、电路板（6）、壳体（7）、右端盖（8）和电磁抱闸制动器（9），所述左端盖（1）安装在所述壳体（7）的固定支座上，所述关节机械限位器（4）安装在所述左端盖（1）上，所述谐波减速器（2）安装在所述壳体（7）的固定支座上，所述直流三相无刷电机（3）的左输出轴安装在所述谐波减速器（2）的输入端，所述直流三相无刷电机（3）的定子与所述谐波减速器（2）的外壳固定连接，所述电磁抱闸制动器（9）与所述绝对编码器（5）分别安装在所述直流三相无刷电机（3）的右输出轴上，所述电磁抱闸制动器（9）的固定支座与所述壳体（7）的固定支座固定连接，所述电路板（6）安装在所述壳体（7）固定支座上，所述右端盖（8）与所述壳体（7）固定连接；所述关节机械限位器（4）包括极限位置子挡块（401）、极限位置母挡块（402）、关节机械限位器安装底座（403）、关节角度传感器轴承（404）和母挡块安装垫片（405）；其中，所述极限位置子挡块（401）固定安装在所述极限位置母挡块（402）上，所述极限位置母挡块（402）通过所述母挡块安装垫片（405）固定安装在所述关节机械限位器安装底座（403）上，所述关节机械限位器安装底座（403）与所述左端盖（1）固定连接，所述关节角度传感器轴承（404）固定安装在所述关节机械限位器安装底座（403）上；所述电路板（6）包括电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板和关节传感器电路板；其中，所述电机驱动器电路板、所述关节控制器电路板、所述电源电路板与所述关节传感器电路板均固定在所述壳体（7）的固定支座上；以及，所述关节控制器电路板的控制芯片单元的第一信号输入端通过CAN通信模块与所述电源电路板的电源转换模块连接；所述控制芯片单元的第二信号输入端通过模拟信号模块与所述电机驱动电路板的驱动场模块的输出端相连接；所述控制芯片单元的第三信号输入端通过所述绝对编码器（5）的接口模块与所述直流三相无刷电机（3）的接口模块相连接；所述控制芯片单元的第四信号输入端通过所述关节传感器电路板的接口模块与所述关节控制器电路板的接口模块相连接；所述控制芯片单元的信号输出端与所述电磁抱闸制动器（9）的控制模块的接口相连接；所述电源转换模块的输入端和所述控制模块的输入端与直流电源接口模块的输出端相连接，所述直流电源接口模块的输出端通过电阻模块与所述驱动场模块相连接；所述驱动场模块分别与模拟信号模块的输入端和所述直流三相无刷电机（3）的接口模块的输入端相连接。

全文数据：模块化直接扭矩控制康复机器人关节技术领域[0001]本发明涉及康复医疗器械技术领域，更为具体地，涉及一种模块化直接扭矩控制康复机器人关节。背景技术[0002]康复机器人关节是康复机器人设备的核心部分，康复机器人关节性能的好坏直接影响到患者的康复训练效果。在患者进行康复训练的过程中，康复训练机器人控制系统通过控制康复机器人关节为患者提供其所需要的关节运动扭矩，进而帮助患者完成康复训练项目。[0003]现有技术中，针对康复机器人类康复关节模组的研宄涉及很少，机器人关节产品主要为工业机器人关节，研宄人员主要是依据工业机器人关节技术进行康复机器人关节的研究。所研制的康复机器人关节均存在传递精度低、电气走线暴露，易发生缠绕现象、缺少机械定位设计，安装不方便等问题;甚至没有机械限位机构，使用过程存在很大安全隐患；没有考虑关节反馈信息的重要性，缺少关节感知功能。[0004]因此，十分有必要提出一种高度集成、结构紧凑、低重量、高通用性的模块化康复训练机器人关节。发明内容[0005]鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种模块化直接扭矩控制康复机器人关节，以解决上述背景技术中所指出的问题，采用机电一体化和中心孔走线设计，将机械结构器件和电气系统高度集成在合理紧凑的结构里，实现关节外部零走线;在关节驱动方面，通过电机驱动算法解算关节扭矩大小，将扭矩信息命令利用分布式网络总线传递给机器人关节控制器，机器人关节控制器发出扭矩控制命令，从而对电机实现精准的扭矩控制，同时也将关节位置、速度与扭矩等关节信息实时反馈到机器人关节控制器，使模块化机器人关节与肢体运动相协调，获得最佳训练效果。[0006]本发明上述目的通过以下技术方案实现：本发明提供的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，包括左端盖、谐波减速器、直流三相无刷电机、关节机械限位器、绝对编码器、电路板、壳体、右端盖和电磁抱闸制动器，左端盖安装在壳体的固定支座上，关节机械限位器安装在左端盖上，谐波减速器安装在壳体的固定支座上，直流三相无刷电机的左输出轴安装在谐波减速器的输入端，直流三相无刷电机的定子与谐波减速器的外壳固定连接，电磁抱闸制动器与绝对编码器分别安装在直流三相无刷电机的右输出轴上，电磁抱闸制动器的固定支座与壳体的固定支座固定连接，电路板与壳体固定连接，右端盖安装在壳体的固定支座上。[0007]此外，优选的结构是，关节机械限位器包括极限位置子挡块、极限位置母挡块、关节机械限位器安装底座、关节角度传感器轴承和母挡块安装垫片;其中，极限位置子挡块固定安装在极限位置母挡块上，极限位置母挡块通过母挡块安装垫片固定安装在关节机械限位器安装底座上，关节机械限位器安装底座与左端盖固定连接，关节角度传感器轴承固定安装在关节机械限位器安装底座上。[0008]另外，优选的结构是，在关节机械限位器安装底座上开设有四个模块关节螺栓连接安装孔和两个CAN连接器安装孔。[0009]再者，优选的结构是，电路板包括电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板和关节传感器电路板;其中，电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板与关节传感器电路板均固定在壳体的固定支座上；以及，关节控制器电路板的控制芯片单元的第一信号输入端通过CAN通信模块与电源电路板的电源转换模块连接;控制芯片单元的第二信号输入端通过模拟信号模块与电机驱动电路板的驱动场模块的输出端相连接;控制芯片单元的第三信号输入端通过绝对编码器的接口模块与直流三相无刷电机的接口模块相连接;控制芯片单元的第四信号输入端通过关节传感器电路板的接口模块与关节控制器电路板的接口模块相连接;控制芯片单元的信号输出端与电磁抱闸制动器的控制模块的接口相连接；电源转换模块的输入端和控制模块的输入端与直流电源接口模块的输出端相连接，直流电源接口模块的输出端通过电阻模块与驱动场模块相连接;驱动场模块分别与模拟信号模块的输入端和直流三相无刷电机的接口模块的输入端相连接。[0010]此外，优选的结构是，绝对编码器、电磁抱闸制动器、直流三相无刷电机、谐波减速器、电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板和关节传感器电路板分别在各自结构的中心处设有中心孔。[0011]另外，优选的结构是，在壳体的内部设置有定位止孔。[0012]与现有的康复机器人关节相比，本发明能够取得以下技术效果：1、模块化直接扭矩控制康复机器人关节高度集成了电机、谐波减速器、绝对编码器、电磁抱闸制动器和关节机械限位器五大功能模块，具有质量轻、输出扭矩大、精度高等特点，且谐波减速器采用脂润滑。[0013]2、所有线路从中心孔走线，避免线路暴露在关节结构外，有效防止使用过程中线路缠绕现象的发生。[0014]3、在壳体内部设有定位止孔，方便关节各部分器件准确组装，同时在关节机械限位器安装底座上设有模块关节螺栓连接安装孔，螺栓连接孔式通用设计方便各类康复机器人安装使用，有效提高关节安装的准确性和通用性。[0015]4、采用子母挡块式的机械限位装置，有效限定关节运动范围，提高模块化关节的安全性。[0016]5、在系统掉电情况时电磁抱闸器能够立即起到制动保护的作用，防止患者二次受伤，从而提高模块化关节使用过程中的安全性。i[0017]6、采用绝对编码器实时检测电机转动信息，并在发生掉电时准确记录电机位置信息，当再次通电后能继续工作。[0018]7、采用实时串行通讯总线结构，提高通讯信息的传输能力。附图说明[0019]通过参考以下附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为根据本发明实施例的模块化直接扭矩控制康复机器人关节的爆炸结构示意图；图2为根据本发明实施例的关节机械限位器的爆炸结构示意图；图3为根据本发明实施例的极限位置子挡块的结构示意图；图4为根据本发明实施例的极限位置母挡块的结构示意图；图5为根据本发明实施例的关节机械限位器安装底座的结构示意图。[0020]其中的附图标记包括：1〜左端盖;2〜谐波减速器;3〜直流三相无刷电机;4〜关节机械限位器;5〜绝对编码器;6〜电路板;7〜壳体;8〜右端盖;9〜电磁抱闸制动器；401〜极限位置子挡块;4011〜豁口；4012〜螺栓连接安装孔;402〜极限位置母挡块;4021〜凸缘;4022〜螺栓连接安装孔;403〜关节机械限位器安装底座;4031〜弧形槽;4032〜模块关节螺栓连接安装孔；4033〜CAN连接器安装孔;404〜关节角度传感器轴承;405〜母挡块安装垫片。具体实施方式[0021]在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。[0022]图1示出了根据本发明实施例的模块化直接扭矩控制康复机器人关节的爆炸结构。[0023]如图1所示，本发明实施例提供的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，包括左端盖1、谐波减速器2、直流三相无刷电机3、关节机械限位器4、绝对编码器5、电路板6、壳体7、右端盖8和电磁抱闸制动器9，左端盖1安装在壳体7的固定支座上，关节机械限位器4安装在左端盖1上，谐波减速器2安装在壳体7的固定支座上，直流三相无刷电机3的左输出轴安装在谐波减速器2的输入端，直流三相无刷电机3的定子与谐波减速器2的外壳固定连接，电磁抱闸制动器9与绝对编码器5分别安装在直流三相无刷电机3的右输出轴上，电磁抱闸制动器9的固定支座与壳体7的固定支座固定连接，电路板6与壳体7固定连接，右端盖8安装在壳体7的固定支座上。本发明主体结构通过以上结构组装而成，通过各种运控传动组件集成到康复机器人关节这个尺寸极为有限的狭小空间中，关节系统直接扭矩的控制方式，有效确保模块化关节的快速、灵活和可靠的运动性能。[0024]图2示出了根据本发明实施例的关节机械限位器的爆炸结构。[0025]如图2所示，关节机械限位器包括极限位置子挡块401、极限位置母挡块402、关节机械限位器安装底座403、关节角度传感器轴承404和母挡块安装垫片405;其中，极限位置子挡块401固定安装在极限位置母挡块402上，极限位置母挡块402通过母挡块安装垫片405固定安装在关节机械限位器安装底座403上，关节机械限位器安装底座403与左端盖1结合图1固定连接，关节角度传感器轴承404固定安装在关节机械限位器安装底座403上。通过极限位置子挡块401与极限位置母挡块402的机械结构设计，可以有效避免关节运动过位情况的发生，防止患者康复训练过程中受到二次伤害。[0026]图3-图5分别示出了根据本发明实施例的极限位置子挡块、极限位置母挡块和关节机械限位器安装底座的结构。[0027]如图3-图5共同所示，极限位置子挡块401具有一个豁口4011、两个螺栓连接安装孔4012,在极限位置母挡块402上设置凸缘4021，在极限位置子挡块401安装到极限位置母挡块402上时，凸缘4021与豁口4011相配合，在极限位置母挡块402上还设有两个螺栓连接安装孔4022,在关节机械限位器安装底座403上开设有安装极限位置母挡块402的弧形槽4031，在关节机械限位器安装底座403上还开设有四个模块关节螺栓连接安装孔4032,目的是为实现模块化直接扭矩控制康复机器人关节与各类康复训练机器人机械系统连接，同时为实现电气系统连接的方便性，在关节机械限位器安装底座403上还开设有用于安装CAN连接器的两个CAN连接器安装孔4033。[0028]再回到图1，电路板6包括电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板和关节传感器电路板;其中，电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板与关节传感器电路板均固定在壳体7的固定支座上。[0029]为了实现精准控制，本发明采用实时串行通讯总线结构，关节控制器电路板的控制芯片单元的第一信号输入端通过CAN通信模块与电源电路板的电源转换模块连接;控制芯片单元的第二信号输入端通过模拟信号模块与电机驱动电路板的驱动场模块的输出端相连接;控制芯片单元的第三信号输入端通过绝对编码器的接口模块与直流三相无刷电机的接口模块相连接;控制芯片单元的第四信号输入端通过关节传感器电路板的接口模块与关节控制器电路板的接口模块相连接;控制芯片单元的信号输出端与电磁抱闸制动器的控制模块的接口相连接;电源转换模块的输入端和控制模块的输入端与直流电源接口模块的输出端相连接，直流电源接口模块的输出端通过电阻模块与驱动场模块相连接;驱动场模块分别与模拟信号模块的输入端和直流三相无刷电机的接口模块的输入端相连接。[0030]为了避免关节各部分器件组装定位困难的问题，在壳体7的内部开设有定位止孔。[0031]为了避免模块化直接扭矩控制康复机器人关节在使用过程中发生线路缠绕的现象，在绝对编码器5、电磁抱闸制动器9、直流三相无刷电机3、谐波减速器2、电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板和关节传感器电路板各自结构的中心处设有中心孔，保证关节的导线从关节的中心孔中穿过。[0032]本发明的原理是：关节控制器电路板是直接扭矩控制康复机器人关节的控制中心，主要用于驱动算法程序的存储、数据信息实时解算、输入信号实时处理、电机伺服控制和传输通信；电机驱动器电路板接收关节控制器电路板发来的扭矩控制命令，对直流三相无刷电机进行相应命令的驱动控制;直流三相无刷电机经电机输出轴将运动传递到谐波减速器，减速后将运动形式传送给康复患者，带动患者进行康复训练;安装在关节机械限位器安装底座上的子母限位挡块，用于限定关节运动范围，起到限位保护作用;安装直流三相无刷电机右输出轴上的电磁抱闸制动器起到随时制动和意外掉电及时制动作用；同样安装在直流三相无刷电机右输出轴上的绝对编码器实时检测电机转动信息，并实时将信息反馈到关节控制器电路板;而电源电路板用于对模块化直接扭矩关节内各部分供电。[0033]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所述以权利要求的保护范围为准。

权利要求：1.一种模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于，包括左端盖（1、谐波减速器2、直流三相无刷电机3、关节机械限位器4、绝对编码器5、电路板6、壳体7、右端盖8和电磁抱闸制动器9，所述左端盖（1安装在所述壳体7的固定支座上，所述关节机械限位器4安装在所述左端盖（1上，所述谐波减速器2安装在所述壳体7的固定支座上，所述直流三相无刷电机3的左输出轴安装在所述谐波减速器2的输入端，所述直流三相无刷电机3的定子与所述谐波减速器2的外壳固定连接，所述电磁抱闸制动器9与所述绝对编码器5分别安装在所述直流三相无刷电机3的右输出轴上，所述电磁抱闸制动器9的固定支座与所述壳体7的固定支座固定连接，所述电路板6安装在所述壳体7固定支座上，所述右端盖8与所述壳体7固定连接。2.如权利要求书1所述的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于:所述关节机械限位器4包括极限位置子挡块4〇1、极限位置母挡块402、关节机械限位器安装底座403、关节角度传感器轴承404和母挡块安装垫片40Q;其中，所述极限位置子挡块401固定安装在所述极限位置母挡块4〇2上，所述极限位置母挡块4〇2通过所述母挡块安装垫片405固定安装在所述关节机械限位器安装底座403上，所述关节机械限位器安装底座403与所述左端盖（1固定连接，所述关节角度传感器轴承404固定安装在所述关节机械限位器安装底座4〇3上。3.如权利要求书2所述的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于:在所述关节机械限位器安装底座403上开设有四个模块关节螺栓连接安装孔和两个CAN连接器安装孔。4.如权利要求书1所述的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于:所述电路板6包括电机驱动器电路板、关节控制器电路板、电源电路板和关节传感器电路板;其中，所述电机驱动器电路板、所述关节控制器电路板、所述电源电路板与所述关节传感器电路板均固定在所述壳体7的固定支座上；以及，所述关节控制器电路板的控制芯片单元的第一信号输入端通过CAN通信模块与所述电源电路板的电源转换模块连接;所述控制芯片单元的第二信号输入端通过模拟信号模块与所述电机驱动电路板的驱动场模块的输出端相连接;所述控制芯片单元的第三信号输入端通过所述绝对编码器5的接口模块与所述直流三相无刷电机3的接口模块相连接;所述控制芯片单兀的第四"[目号输入端通过所述关节传感器电路板的接口模块与所述关节控制器电路板的接口模块相连接;所述控制芯片单元的信号输出端与所述电磁抱闸制动器9的控制模块的接口相连接;所述电源转换模块的输入端和所述控制模块的输入端与直流电源接口模块的输出端相连接，所述直流电源接口模块的输出端通过电阻模块与所述驱动场模块相连接;所述驱动场模块分别与模拟信号模块的输入端和所述直流三相无刷电机3的接口模块的输入端相连接。5.如权利要求书4所述的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于:所述绝对编码器5、所述电磁抱闸制动器9、所述直流三相无刷电机3、所述谐波减速器2、所述电机驱动器电路板、所述关节控制器电路板、所述电源电路板和所述关节传感器电路板分别在各自结构的中心处设有中心孔。6.如权利要求书1所述的模块化直接扭矩控制康复机器人关节，其特征在于:在所述壳体7的内部设置有定位止孔。

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