一种球形关节磁悬浮永磁电机双足行走机器人

本发明公开一种下肢康复设备领域，以及节能交通运输设备领域，尤其涉及 一种球形关节磁悬浮永磁电机双足行走机器人。

在节能交通运输领域，辅助行走机器人能够减少人们由于远距离行走产生的疲 劳，提高人们采用更加环保方式出行的几率。在医疗领域，患有下肢疾病的病患存在无法主 动行走的问题，导致康复时间长，随着我国社会的发展和人民生活水平的提高，人们越来越 注重辅助型，随着机器人技术的发展，采用双足行走装置辅助患有下肢疾病病患行走， 用以缩短康复时间是必然的趋势。现有的辅助步行装置第一种是齿式或链式步行装置，第 二种是涡轮蜗杆式步行装置。这两种步行装置机械结构笨重，工作效率低，故障率高，并且 现有行走装置的运动关节自由度少，不易让病患佩戴。另外现有的电动步行辅助设备没有 考虑适应不同身高人的需求，无法调节腿部长短，适应性低。

本发明的目的，采用一种球形关节磁悬浮永磁电机驱动机构，驱动机器人球形关 节，提高了各个关节的自由度，消除了机器人关节间的摩擦阻力，提高了双足机器人工作效 率，采用腿部长度可调节装置实现腿部长度的调节，便于不同人穿戴。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

本发明的球形关节磁悬浮永磁电机双足行走机器人，它包含髋部结构1、左大腿2、右大 腿3、左小腿4、右小腿5、左脚6、右脚7七个部分；本发明的球形关节磁悬浮永磁电机双足行 走机器人为左右对称结构，因此在下面的结构描述中，仅描述左半部分，其中髋部结构的左 半部分包括电源、驱动控制器、左大腿前外框、左大腿后外框、髋部支座、左大腿球状电机前 定子、左大腿球状电机后定子、左大腿电机N极永磁体、左大腿电机S极永磁体、左大腿电磁 铁a、左大腿电磁铁b、左大腿电磁铁c、左大腿电磁铁d、左大腿电磁铁e、左大腿电磁铁f、左 大腿磁电式角位移传感器a、左大腿磁电式角位移传感器b、左大腿磁电式角位移传感器c、 左大腿球形转子；其特征在于：所述的髋部结构的一侧，髋部关节与左大腿通过螺栓连接， 左小腿通过螺栓安装在左大腿上，左脚通过螺栓安装在左小腿上；在髋部结构的另一侧，髋 部关节与右大腿通过螺栓连接，右小腿通过螺栓安装在右大腿上，右脚通过螺栓安装在右 小腿上；髋部支座与左大腿前外框、左大腿后外框螺栓连接，左大腿球状电机前定子、左大 腿球状电机后定子与左大腿前外框、左大腿后外框螺栓连接，左大腿电磁铁a、左大腿电磁 铁b、左大腿电磁铁c、左大腿电磁铁d、左大腿电磁铁e、左大腿电磁铁f与左大腿球状电机前 定子、左大腿球状电机后定子螺纹连接，左大腿磁电式角位移传感器a、左大腿磁电式角位 移传感器b、左大腿磁电式角位移传感器c与左大腿球状电机前定子、左大腿球状电机后定 子胶接，左大腿电机S极永磁体、左大腿电机N极永磁体与左大腿球形转子胶接。

作为优选，所述的左大腿结构由左大腿支架、左大腿捆绑夹、左大腿下支架、左小 腿前外框、左小腿后外框、左小腿球状电机前定子、左小腿球状电机后定子、左小腿前外框、 左小腿后外框、左小腿电磁铁a、左小腿电磁铁b、左小腿电磁铁c、左小腿电磁铁d、左小腿电 磁铁e、左小腿电磁铁f、左小腿磁电式角位移传感器a、左小腿磁电式角位移传感器b、左小 腿磁电式角位移传感器c、左小腿电机N极永磁体、左小腿电机S极永磁体、左小腿球形转子 组成，其中左小腿球状电机前定子、左小腿球状电机后定子与左小腿前外框、左小腿后外框 螺栓连接，左小腿电磁铁与左小腿球状电机前定子、左小腿球状电机后定子螺纹连接，左小 腿磁电编码器与左小腿球状电机前定子、左小腿球状电机后定子胶接，左小腿电机永磁体 与左小腿球形转子胶接，左小腿球形转子与左小腿上支架螺栓连接。

作为优选，所述的左小腿结构由左小腿支架、左小腿捆绑夹、左小腿下支架、左脚 前外框、左脚后外框、左脚球状电机前定子、左脚球状电机后定子、左脚前外框、左脚后外 框、左脚电磁铁a、左脚电磁铁b、左脚电磁铁c、左脚电磁铁d、左脚电磁铁e、左脚电磁铁f、左 脚磁电式角位移传感器a、左脚磁电式角位移传感器b、左脚磁电式角位移传感器c、左脚电 机N极永磁体、左脚电机S极永磁体、左脚球形转子组成，其中左脚球状电机前定子、左脚球 状电机后定子与左脚前外框、左脚后外框螺栓连接，左脚电磁铁与左脚球状电机前定子、左 脚球状电机后定子螺纹连接，左脚磁电式角位移传感器与左脚球状电机前定子、左脚球状 电机后定子胶接，左脚电机永磁体与左脚球形转子胶接，左脚球形转子与左脚结构螺栓连 接。

本发明的有益效果是：

1.采用球形永磁同步电机作为动力输出方式，提高了机器人双足的自由度，简化了双 足行走装置的结构，使其轻便，高效。

2.机器人关节中的电磁铁在电流的激励下产生磁场，令球形转子悬浮，减小了摩 擦阻力，提高了机器人的工作效率。

3.通过调节大腿、小腿的紧定螺栓可以调节腿部长度，便于人们穿戴，提高了本发 明的适用性。

4.分别采用三个磁电式角位移传感器作为大腿、小腿及脚部的位置反馈，测量大 腿、小腿及脚部的空间X、Y、Z坐标，体积小，重量轻，能够精确的反馈当前末端位置。

附图1：本发明的整体结构示意图；

附图2：本发明的髋部局部结构示意图；

附图3：本发明的髋部局部结构示意图；

附图4：本发明的髋部局部结构示意图；

附图5：本发明的左大腿结构示意图；

附图6：本发明的左大腿局部结构示意图；

附图7：本发明的左大腿局部结构示意图；

附图8：本发明的左小腿结构示意图；

附图9：本发明的左小腿局部结构示意图；

附图10：本发明的左小腿局部结构示意图；

图中，1-1、电源，1-2、驱动控制器，1-3、左大腿前外框，1-4、左大腿后外框，1-5、髋部支 座，1-6、左大腿球状电机前定子，1-7、左大腿球状电机后定子，1-8、左大腿电磁铁a，1-9、左 大腿电磁铁b，1-10、左大腿磁电式角位移传感器a，1-11、左大腿电磁铁c，1-12、左大腿电磁 铁d，1-13、左大腿磁电式角位移传感器b，1-14、左大腿磁电式角位移传感器c，1-15、左大腿 电磁铁e，1-16、左大腿电磁铁f，1-17、左大腿电机N极永磁体，1-18、左大腿电机S极永磁体， 1-19、左大腿球形转子，2-1、左大腿支架，2-2、左大腿捆绑夹，2-3、左大腿下支架，2-4、左小 腿前外框，2-5、左小腿后外框，2-6、左小腿球状电机前定子，2-7、左小腿球状电机后定子， 2-8、左小腿电磁铁a，2-9、左小腿电磁铁b，2-10、左小腿磁电式角位移传感器a，2-11、左小 腿电磁铁c，2-12、左小腿电磁铁d，2-13、左小腿磁电式角位移传感器b，2-14、左小腿磁电式 角位移传感器c，2-15、左小腿电磁铁e，2-16、左小腿电磁铁f，2-17、左小腿电机N极永磁体， 2-18、左小腿电机S极永磁体，2-19、左小腿球形转子，4-1、左小腿支架，4-2、左小腿捆绑夹， 4-3、左小腿下支架，4-4、左脚前外框，4-5、左脚后外框，4-6、左脚球状电机前定子，4-7、左 脚球状电机后定子，4-8、左脚电磁铁a，4-9、左脚电磁铁b，4-10、左脚磁电式角位移传感器 a，4-11、左脚电磁铁c，4-12、左脚电磁铁d，4-13、左脚磁电式角位移传感器b，4-14、左脚磁 电式角位移传感器c，4-15、左脚电磁铁e，4-16、左脚电磁铁f，4-17、左脚电机N极永磁体，4- 18、左脚电机S极永磁体，4-19、左脚球形转子。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体 实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范 围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的 概念。

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10。

本发明的球形关节磁悬浮永磁电机双足行走机器人，它包含髋部结构1、左大腿2、 右大腿3、左小腿4、右小腿5、左脚6、右脚7七个部分；本发明的球形关节磁悬浮永磁电机双 足行走机器人为左右对称结构，因此在下面的结构描述中，仅描述左半部分，其中髋部结构 1的左半部分包括电源1-1、驱动控制器1-2、左大腿前外框1-3、左大腿后外框1-4、髋部支座 1-5、左大腿球状电机前定子1-6、左大腿球状电机后定子1-7、左大腿电机N极永磁体1-17、 左大腿电机S极永磁体1-18、左大腿电磁铁a1-8、左大腿电磁铁b1-9、左大腿电磁铁c1-11、 左大腿电磁铁d1-12、左大腿电磁铁e1-15、左大腿电磁铁f1-16、左大腿磁电式角位移传感 器a1-10、左大腿磁电式角位移传感器b1-13、左大腿磁电式角位移传感器c1-15、左大腿球 形转子1-19；其特征在于：所述的髋部结构的一侧，髋部关节1与左大腿2通过螺栓连接，左 小腿4通过螺栓安装在左大腿2上，左脚6通过螺栓安装在左小腿4上；在髋部结构的另一侧， 髋部关节1与右大腿3通过螺栓连接，右小腿5通过螺栓安装在右大腿3上，右脚7通过螺栓安 装在右小腿5上；髋部支座1-5与左大腿前外框1-3、左大腿后外框1-4螺栓连接，左大腿球状 电机前定子1-6、左大腿球状电机后定子1-7与左大腿前外框1-6、左大腿后外框1-4螺栓连 接，左大腿电磁铁a1-8、左大腿电磁铁b1-9、左大腿电磁铁c1-11、左大腿电磁铁d1-12、左大 腿电磁铁e1-15、左大腿电磁铁f1-16与左大腿球状电机前定子1-6、左大腿球状电机后定子 1-7螺纹连接，左大腿磁电式角位移传感器a1-10、左大腿磁电式角位移传感器b1-13、左大 腿磁电式角位移传感器c1-14与左大腿球状电机前定子1-6、左大腿球状电机后定子1-7胶 接，左大腿电机S极永磁体1-18、左大腿电机N极永磁体1-17与左大腿球形转子1-19胶接。

进一步的，所述的左大腿2结构由左大腿支架2-1、左大腿捆绑夹2-2、左大腿下支 架2-3、左小腿前外框2-4、左小腿后外框2-5、左小腿球状电机前定子2-6、左小腿球状电机 后定子2-7、左小腿电磁铁a2-8、左小腿电磁铁b2-9、左小腿电磁铁c2-11、左小腿电磁铁d2- 12、左小腿电磁铁e2-15、左小腿电磁铁f2-16、左小腿磁电式角位移传感器a2-10、左小腿磁 电式角位移传感器b2-13、左小腿磁电式角位移传感器c2-14、左小腿电机N极永磁体2-17、 左小腿电机S极永磁体2-18、左小腿球形转子2-19组成，其中左小腿球状电机前定子2-6、左 小腿球状电机后定子2-7与左小腿前外框2-4、左小腿后外框2-5螺栓连接，左小腿电磁铁 a2-8、左小腿电磁铁b2-9、左小腿电磁铁c2-11、左小腿电磁铁d2-12、左小腿电磁铁e2-15与 左小腿球状电机前定子2-6、左小腿球状电机后定子2-7螺纹连接，左小腿磁电式角位移传 感器a2-10、左小腿磁电式角位移传感器b2-13、左小腿磁电式角位移传感器c2-14与左小腿 球状电机前定子2-6、左小腿球状电机后定子2-7胶接，左小腿电机N极永磁体2-17、左小腿 电机S极永磁体2-18与左小腿球形转子2-19胶接，左小腿球形转子2-19与左小腿支架4-1螺 栓连接。

进一步的，所述的左小腿结构4由左小腿支架4-1、左小腿捆绑夹4-2、左小腿下支 架4-3、左脚前外框4-4、左脚后外框4-5、左脚球状电机前定子4-6、左脚球状电机后定子4- 7、左脚前外框4-4、左脚后外框4-5、左脚电磁铁a4-8、左脚电磁铁b4-9、左脚电磁铁c4-11、 左脚电磁铁d4-12、左脚电磁铁e 4-15、左脚电磁铁f 4-16、左脚磁电式角位移传感器a 4- 10、左脚磁电式角位移传感器b 4-13、左脚磁电式角位移传感器c 4-14、左脚电机N极永磁 体 4-17、左脚电机S极永磁体 4-18、左脚球形转子 4-19组成，其中左脚球状电机前定子4- 6、左脚球状电机后定子4-7与左脚前外框4-4、左脚后外框 4-5螺栓连接，左脚电磁铁a 4- 8、左脚电磁铁b 4-9、左脚电磁铁c 4-11、左脚电磁铁d 4-12、左脚电磁铁e 4-15、左脚电磁 铁f 4-16与左脚球状电机前定子4-6、左脚球状电机后定子4-7螺纹连接，左脚磁电式角位 移传感器a 4-10、左脚磁电式角位移传感器b 4-13 、左脚磁电式角位移传感器c4-14与左 脚球状电机前定子4-6、左脚球状电机后定子4-7胶接，左脚电机N极永磁体4-17、左脚电机S 极永磁体4-18与左脚球形转子4-19胶接，左脚球形转子4-19与左脚6结构螺栓连接。

其工作原理：本发明为左右对称结构，以左大腿2、左小腿4、左脚6为例说明本发明 的工作原理，左大腿电磁铁a 1-8、左大腿电磁铁b 1-9、左大腿电磁铁c 1-11、左大腿电磁 铁d 1-12、左大腿电磁铁e 1-15、左大腿电磁铁f 1-16在电流的激励下产生磁场，令左大腿 球形转子1-19悬浮，采用左大腿磁电式角位移传感器a 1-10、左大腿磁电式角位移传感器b 1-13、左大腿磁电式角位移传感器c 1-14分别采集左大腿球形转子1-19在空间X、Y、Z的位 置，在左大腿球状电机前定子1-6、左大腿球状电机后定子1-7的驱动下令左大腿球形转子 1-19旋转，带动左小腿4运动，采用相同的工作原理，在左小腿球状电机前定子2-6、左小腿 球状电机后定子2-7的驱动下令左小腿球形转子2-19旋转，带动左脚6运动。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。