CN104369185A - 一种机器人结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构简单和成本低的一种机器人结构，该机器人结构包含一个或一个以上分动结构，分动结构由一个动力装置、传动装置和两个或两个以上分动装置组成，分动装置包含电磁离合器和输出装置，分动装置使用单向或双向分动装置；分动装置的电磁离合器使用摩擦片或端齿或牙嵌结构电磁离合器，输出装置或电磁离合器包含自锁装置，电磁离合器包含的自锁装置使用摩擦片或端齿或牙嵌结构，输出装置包含自锁装置为蜗杆和蜗轮传动结构或丝杆和丝母传动结构的反向自锁装置；主体使用人或动物形状外观，动力装置安装在主体内，使用效率高且四肢更轻，驱动力矩大。

Description

一种机器人结构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机器人结构。

背景技术

现有的机器人每个活动关节均需要一个电机和电机配套的减速装置及驱动电路，结构和控制复杂、成本高和力矩受电机最大功率的限制。

发明内容

本发明提供一种结构简单和成本低的机器人结构，该机器人结构包含一个或一个以上分动结构，分动结构由一个动力装置、传动装置和两个或两个以上分动装置组成，分动装置包含电磁离合器和输出装置。

本发明的技术方案是：一种机器人结构，包括主体和一个或一个以上分动结构，每个分动结构包括一个动力装置、传动装置和两个或两个以上分动装置组成，每个分动装置包含电磁离合器和输出装置，分动装置使用单向或双向输出分动装置；分动装置的电磁离合器使用摩擦片或端齿或牙嵌结构电磁离合器，输出装置或电磁离合器包含自锁装置，电磁离合器包含的自锁装置使用摩擦片或端齿或牙嵌结构，输出装置包含自锁装置为蜗杆和蜗轮传动结构或丝杆和丝母传动结构的反向自锁装置；动力装置使用电机或气动马达或液压马达或内然机，电机包含调速电机或双向电机或伺服电机或步进电机，动力装置内的变速装置为减速装置；传动装置使用关节传动装置或传动轴或联轴器；主体使用人或动物形状外观，主体或头部内安装摄像头和测距仪；具有端齿或牙嵌结构电磁离合器的分动装置的操作方法为：在一个或多个分动装置同时工作后动力装置延时工作，无分动装置工作时动力装置停止工作，动力装置控制信号延时范围为0.1至2秒，在动力装置停止工作前，其它分动装置启动工作指令无效。

本发明的有益效果是：该机器人结构和控制更简单，能有效降低成本，动力装置安装在主体内，使用效率高且四肢更轻，驱动力矩更大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明第一个实施例结构示意图。

图2是本发明第一个实施例的内部构侧视示意图。

图3是本发明第二个实施例的内部构侧视示意图。 

图4是本发明一种回转和一种旋转关节单向输出分动装置侧视结构示意图。

图5是本发明图4的内部结构侧视示意图。

图6是本发明图4的横向剖面结构示意图。

图7是本发明一种回转和一种旋转关节双向输出分动装置侧视结构示意图。。

图8是本发明图7的横向剖面结构示意图。

附图标记说明：1. 主体，2. 头颈部，3. 左上肢，4. 右上肢，5. 左前轮，6. 右前轮，10. 双向电机，11. 联轴器，12. 传动轴，13. 伞形齿轮，14. 联轴器，15. 分动装置，16. 分动装置，17. 伞形齿轮，18. 传动轴，19. 联轴器，20. 分动装置，21. 分动装置，22. 伞形齿轮，23. 传动轴，24. 联轴器，25. 分动装置，26. 分动装置，27. 电磁离合器，28. 电磁离合器，29. 伞形齿轮，30. 伞形齿轮，31. 传动轴，32. 联轴器，33. 联轴器，34. 输出轴，35. 输出轴，40. 电机，41. 分动装置，42. 分动装置，43. 电机，44. 分动装置，45. 分动装置，46. 分动装置，47. 分动装置，48. 分动装置，49. 外壳，51. 左上肢，52. 右上肢，55. 电机，56. 分动装置，57. 分动装置，58. 分动装置，60. 分动装置，61. 分动装置，62. 外壳，63. 左下肢，64. 右下肢，70. 分动装置，71. 分动装置，72. 电磁离合器，73. 电磁离合器，74. 主轴，75. 外壳，76. 支架，77. 支架，78. 止动盘，80. 电磁线圈，81. 磁芯，82. 衔铁，83. 摩擦片，84. 滚珠，85. 卡环，86. 输出轴，87. 弹簧，88. 皮带轮，89. 皮带轮，90. 传动轴，91. 蜗杆，92. 蜗轮，95. 支架，96. 伞形齿轮，97. 伞形齿轮，98. 伞形齿轮，99. 活动轴，100. 主轴，106. 外壳，107. 外壳，108. 伞形齿轮，109. 伞形齿轮，110. 传动轴， 111. 皮带轮，112. 皮带轮，113. 传动轴，114. 蜗杆，115. 蜗轮，116. 支架，117. 轴承，118. 支架，125. 分动装置，126. 分动装置，127. 外壳，128. 外壳，129. 外壳，130. 电磁离合器，131. 电磁离合器，132. 电磁离合器，133. 电磁离合器，136. 主轴，137. 支架，138. 支架，139. 衔铁，140. 磁芯，141. 隔磁环，142. 导电环，143. 摩擦片，144. 电刷，145. 直齿轮，146. 直齿轮，147. 棘爪，148. 棘轮，149. 输出轴，150. 弹簧，155. 支架，156. 皮带轮，157. 棘爪，158. 棘轮，159. 皮带轮，160. 输出轴，161. 传动轴，162. 伞形齿轮，163. 伞形齿轮，164. 支架，165. 活动轴，166. 伞形齿轮，167. 伞形齿轮，168. 伞形齿轮，169. 主轴，170. 行星轮，171.行星齿圈，172. 轴承，173. 支架，174. 传动轴。

具体实施方式  

在图1中，结合图2所示，带旋转关节的分动装置15安装在主体1内，可旋转部分和分动装置16安装在头颈部2内，带旋转关节的分动装置20安装在主体1内，可旋转部分和分动装置21安装在左上肢3内，带旋转关节的分动装置25安装在主体1内，可旋转部分和分动装置26安装在右上肢4内，电磁离合器27的输出轴34通过减速齿轮组连接包含左前轮5的左侧轮子，电磁离合器28的输出轴35通过减速齿轮组连接包含右前轮6的右侧轮子，双向电机10、电磁离合器27和电磁离合器28均安装在主体1内；所有分动装置和双向电机在机器人的微处理器控制下工作或停止，可使上肢和头颈部做出各种拟人化动作，电磁离合器27、电磁离合器28和双向电机在机器人的微处理器控制下工作或停止，可前进、后退、停止和转向等动作，在所有的电磁离合器都不工作时，双向电机10不工作。

在图2中，双向电机10的主轴两端均伸出外壳，联轴器11连接双向电机10的主轴上端和传动轴12，伞形齿轮13固定在传动轴12上，联轴器14连接分动装置15的主轴和传动轴12，伞形齿轮17固定在传动轴18的右端，联轴器19连接传动轴18和分动装置20的主轴，伞形齿轮22固定在传动轴23左端，联轴器24连接传动轴23和分动装置25的主轴，分动装置15、分动装置20和分动装置25与图4所示的带旋转关节的分动装置71结构相同，分动装置16、分动装置21和分动装置26与图4所示的带回转关节的分动装置70结构相同，可根据需要连接多个旋转或回转分动装置；电磁离合器27和电磁离合器28与图6所示的电磁离合器72结构相同，伞形齿轮29固定在双向电机10的主轴下端，伞形齿轮30固定在传动轴31上，联轴器32连接电磁离合器27的主轴和传动轴31，联轴器33连接电磁离合器28的主轴和传动轴31。

在图3中，虚线框内的部分均安装在主体内，分动装置41、分动装置44、分动装置46、分动装置48、分动装置56、分动装置58和分动装置61与图7所示的带旋转关节的分动装置126结构相同，分动装置42、分动装置45、分动装置47、分动装置57和分动装置60与图7所示的带回转关节的分动装置125结构相同；电机40、分动装置41、分动装置42、连接电机40的主轴与分动装置41的主轴的联轴器分动装置41和分动装置42之间的关节传动装置组成第一个分动结构，分动装置41控制头部左右转动，分动装置42控制头部上下回转，分动装置41的可旋转部分、分动装置42安装在机器人的头颈内，该分动结构小型化后可全部安装在头颈内，还可增加分动装置控制嘴巴和面部表情；电机43、分动装置44、分动装置45、分动装置46、分动装置47、分动装置48和连接各主轴之间的联轴器以及关节传动装置组成第二个分动结构，分动装置45和分动装置46的外壳固定在一起并且主轴用联轴器连接，分动装置47和分动装置48的外壳固定在一起并且主轴用联轴器连接，分动装置48可旋转的外壳49可以连接输出装置具有抓手功能的分动装置，分动装置44控制左上肢51旋转运动，分动装置45控制左上肢51回转运动，分动装置46控制左上肢51前部旋转运动，分动装置47控制左上肢51前部回转运动，分动装置48控制左上肢51前端的外壳49及其连接的装置旋转运动，右上肢52的第三个分动结构及运动方式与左上肢51相同；电机55、分动装置56、分动装置57、分动装置58、分动装置60、分动装置61和连接各主轴之间的联轴器以及关节传动装置组成第四个分动结构，分动装置57和分动装置58的外壳固定在一起并且主轴用联轴器连接，分动装置60和分动装置61的外壳固定在一起并且主轴用联轴器连接，分动装置61可旋转的外壳62连接脚掌装置，分动装置56控制左下肢63旋转运动，分动装置57控制左下肢63回转运动，分动装置58控制左下肢63前部旋转运动，分动装置60控制左下肢63前部回转运动，分动装置61控制左下肢63前端的外壳62及其连接的脚掌装置旋转运动，右下肢64的第五个分动结构及运动方式与左下肢63相同；每个分动结构均可独立工作，也可在机器人的微处理器控制下协同工作，使四肢和头颈部做出各种拟人化动作。

上述的五个分动结构可以合并或增加，如第一、第二和第三个分动结构使用一个电机并用传动装置连接合并为一个分动结构，第四和第五个分动结构使用一个电机并用传动装置连接合并为一个分动结构；或者第二和第四个分动结构使用一个电机并用传动装置连接合并为一个分动结构，第三和第五个分动结构使用一个电机并用传动装置连接合并为一个分动结构；也可在手掌、脚掌、头部或主体的腰部增加分动结构使机器人的身体更灵活；图3所示的电机使用单向调速电机，可在电机与传动装置之间安装减速机构。

在图4、图5和图6中，具有回转输出的分动装置70包含电磁离合器72、输出装置、外壳和支架等，分动装置70的主轴74为电磁离合器72的输入轴并与固定在外壳75上的支架76和支架95通过轴承连接，磁芯81固定在主轴74上，电磁线圈80不与磁芯81接触并通过骨架固定在外壳75上，摩擦片83固定在衔铁82上，带内花键的衔铁82套在带外花键的输出轴86上并可上下移动，滚珠84安装在输出轴86和主轴74之间，卡环85固定在输出轴86内侧，皮带轮88和弹簧87的一端固定在输出轴86上，弹簧87的另一端固定在衔铁82上，输出轴86通过轴承安装在固定在外壳75上的支架77上，电磁离合器的自锁装置包含摩擦片83、衔铁82、弹簧87和止动盘78，止动盘78固定在支架77上，该自锁装置可更换为摩擦片83和止动盘78相对端面为端齿结构，须保证电磁离合器停止工作时主轴74停止转动；输出装置包含皮带轮88、皮带轮89、传动轴90、蜗杆91、蜗轮92和活动轴99，皮带轮89和蜗杆91固定在传动轴90上，传动轴90通过轴承安装在支架77和支架95上，皮带轮88和皮带轮89通过皮带连接，、蜗轮92固定在活动轴99上，活动轴99固定在外壳107上并通过轴承安装在外壳75上；工作过程如下：电磁离合器72的电磁线圈80通电工作后，衔铁82克服弹簧87的拉力向上运动至摩擦片83紧压在磁芯81上，动力从主轴74经磁芯81、摩擦片83、衔铁82、输出轴86、皮带轮88、皮带轮89、传动轴90、蜗杆91和蜗轮92至活动轴99上，使外壳75和外壳107产生相对回转运动，当电磁线圈80断电后，摩擦片83在弹簧87的拉力作用下压在止动盘78上实现自锁功能。

关节传动装置包含伞形齿轮96、伞形齿轮97、伞形齿轮98和活动轴99，伞形齿轮96固定在主轴74上，伞形齿轮97通过包含滚珠和卡环的轴承安装在活动轴99上并可自由转动，伞形齿轮98固定在主轴100上；动力从主轴74输入经伞形齿轮96、伞形齿轮97和伞形齿轮98传递至主轴100，反之从主轴100输入动力则传递至主轴74。

具有旋转输出的分动装置71包含电磁离合器73、输出装置、外壳和支架等，电磁离合器73与电磁离合器72结构相同，输出装置包含伞形齿轮108、伞形齿轮109、传动轴110、皮带轮111、皮带轮112、传动轴113、蜗杆114、蜗轮115、支架116和轴承117，伞形齿轮108固定在电磁离合器73的输出轴上，伞形齿轮109和皮带轮111固定在传动轴110上，传动轴110通过轴承安装在支架和外壳106上，皮带轮112和蜗杆114固定在传动轴113上，传动轴113两端通过轴承和支架安装在外壳106上，蜗轮115固定在支架116上，支架116固定在外壳107上，支架116和外壳106通过轴承117连接，皮带轮111和皮带轮112通过皮带连接，、蜗轮92固定在活动轴99上；工作过程如下：电磁离合器73工作后，动力从主轴100经电磁离合器73的输出轴、伞形齿轮108、伞形齿轮109、传动轴110、皮带轮111、皮带轮112、传动轴113和蜗杆114至蜗轮115上，使外壳106和外壳107产生相对旋转运动，电磁离合器73停止工作后的自锁过程与电磁离合器72相同，改变动力输入的主轴旋转方向和转速控制相对运动的方向和速度。

上述电磁离合器的摩擦片结构可更换为端齿或牙嵌结构，可减小体积或增大扭矩，蜗杆114与蜗轮115和蜗杆91和蜗轮92使用具有反向自锁功能的组合，也可用丝杆与丝母结构的反向自锁功能的组合。

在图7和图8中，具有回转输出的分动装置125包含电磁离合器130、电磁离合器131、输出装置、外壳和支架等，电磁离合器130、电磁离合器131、电磁离合器132和电磁离合器133结构相同均为端齿结构电磁离合器，可根据需要更换为摩擦片结构电磁离合器，分动装置125的主轴136为电磁离合器130和电磁离合器131的输入轴并与固定在外壳127上的支架137和支架164通过轴承连接；在电磁离合器130中，衔铁139固定在主轴136上，电磁线圈安装在磁芯140内，带内花键的磁芯140套在带外花键的输出轴149上并可上下移动，衔铁139与磁芯140相对端面为梯形端齿结构，也可使用伞形或三角形端齿结构或牙嵌结构，隔磁环141固定在磁芯140上，电磁线圈的正极连接导电环142，负极搭铁连接，导电环142通过绝缘层固定在磁芯140上，带弹簧的电刷144通过支架固定在外壳127上并压在导电环142上，弹簧150两端分别固定在磁芯140和输出轴149上，输出轴149与固定在外壳127上的支架138和支架155通过轴承连接，电磁离合器的自锁装置包含磁芯140、弹簧150、摩擦片143棘爪147和棘轮148，摩擦片143固定在支架138上，该自锁装置可更换为磁芯140和摩擦片143相对端面为端齿结构，须保证电磁离合器停止工作时主轴136停止转动；输出装置包含直齿轮145、直齿轮146、 棘爪147、棘轮148、皮带轮156、棘爪157、棘轮158、皮带轮159、传动轴161、伞形齿轮162、伞形齿轮163和活动轴165，直齿轮145固定在输出轴149上，直齿轮146和皮带轮156套在传动轴161上并可自由转动，传动轴161与固定在外壳127上的支架155和支架164通过轴承连接，棘轮148、棘轮158和伞形齿轮162固定在传动轴161上，棘爪147和棘爪157的轴分别安装在直齿轮146和皮带轮156上，棘爪147和棘轮148与棘爪157和棘轮158组成两个旋转方向相反的单向运动机构，皮带轮159电磁离合器131的输出轴160上，皮带轮159和皮带轮156通过皮带连接，伞形齿轮163固定在活动轴165上，活动轴165固定在外壳129上并通过轴承安装在外壳127上；工作过程如下：电磁离合器130的电磁线圈通电工作后，磁芯140克服弹簧150的拉力向上运动至与衔铁139相对面的端齿啮合，动力从主轴136经衔铁139、磁芯140、输出轴149、直齿轮145、直齿轮146、 棘爪147、棘轮148、传动轴161、伞形齿轮162和伞形齿轮163至活动轴165上，使外壳127和外壳129产生相对回转运动，当电磁离合器130停止工作后，磁芯140在弹簧150的拉力作用下压在摩擦片143上实现单向自锁功能；电磁离合器131通电工作后，动力从主轴136经电磁离合器131、输出轴160、皮带轮159、皮带轮156、棘爪157、棘轮158、传动轴161、伞形齿轮162和伞形齿轮163至活动轴165上，使外壳127和外壳129产生反向的相对回转运动，当电磁离合器131停止工作后，实现反方向单向自锁。

关节传动装置包含伞形齿轮166、伞形齿轮167、伞形齿轮168和活动轴165，结构与工作过程与图6所示的关节传动装置相同。

具有旋转输出的分动装置126包含电磁离合器132、电磁离合器133、输出装置、外壳和支架等，分动装置126的传动轴174与分动装置125的传动轴161之前的部分结构相同，仅把输出装置的回转输出改为旋转输出，行星轮170固定在传动轴174上，行星齿圈171固定在外壳129上，支架173固定在外壳128上，轴承172连接外壳129和支架173；工作过程如下：主轴169上的动力在电磁离合器132或电磁离合器133控制下经行星轮170传递至行星齿圈171，在反作用力下使外壳129相对外壳128正向或反向旋转运动，自锁结构和工作过程与分动装置125相同。

图7所示的分动装置内的两个电磁离合器不能同时工作，取消自锁装置和单向运动棘轮机构后，可在传动轴161上安装独立刹车的电磁离合器或输出装置上使用如图4、图5和图6中所示的蜗杆和蜗轮结构或丝杆和丝母结构实现断电自锁功能。

把上述实施例中的分动装置内的蜗轮和蜗杆、丝杆和丝母左旋螺纹改为右旋螺纹，则输出动力旋转方向相反；上述输出装置中的皮带轮及皮带可用直齿轮代替，也可使用正时皮带轮和正时皮带，防止打滑，提高传动效率；上述实施例中的电磁离合器可使用公知技术的电磁离合器代替，轴承可使用滚珠轴承和铜套轴承等，分动装置的外壳也可使用支架代替，可在主体和各分动装置内安装传感器和对应的控制装置，动力装置还可根据需要使用步进电机或气动马达或液压马达或内然机，可在分动装置的电磁离合器的输出轴连接丝杆和丝母结构把旋转运动转换为直线运动控制抓手等末端装置；回转输出的分动装置和旋转输出的分动装置均可作为模块化关节使用，可根据需要自由增减。

以上所述为本发明的较佳实施例，并非用于限定保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人结构，包括主体和分动结构，其特征是：包含一个或一个以上分动结构，分动结构由一个动力装置、传动装置和两个或两个以上分动装置组成，分动装置包含电磁离合器和输出装置，分动装置为单向或双向输出分动装置。

2.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述分动装置的电磁离合器为端齿或牙嵌结构电磁离合器。

3.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述分动装置的电磁离合器或输出装置包含自锁装置。

4.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述分动装置的输出装置包含的自锁装置为蜗杆与蜗轮传动结构或丝杆与丝母传动结构的反向自锁装置。

5.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述动力装置为电机或气动马达或液压马达或内然机，电机为调速电机或双向电机或伺服电机或步进电机。

6.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述动力装置包含变速装置。

7.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述传动装置包含关节传动装置或传动轴或联轴器。

8.根据权利要求1所述的机器人结构，其特征是：所述主体使用人或动物立体形状外观，主体或头部内具有摄像头和测距仪。

9. 根据权利要求2所述的具有端齿或牙嵌结构电磁离合器的分动装置，其操作方法的特征是：在一个或多个分动装置同时工作后动力装置延时工作，无分动装置工作时动力装置停止工作，动力装置控制信号延时范围为0.1至2秒，在动力装置停止工作前，其它分动装置启动工作指令无效。