CN105196306B - 应用在机器人上的一体化换向关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用在机器人上的一体化换向关节装置，包括外壳、外接头、轴承、刷片基模块、曲柄负载托盘、第一减速电机和驱动装置；所述第一减速电机通过传动轴与曲柄负载托盘连接，用于控制曲柄负载托盘在X方向上转动；所述轴承与外壳滑动连接，且其一端连接有位于外壳内的放置槽，第一减速电机和驱动装置均卡接在放置槽中；并且驱动装置与外壳连接，用于通过轴承控制外接头和曲柄负载托盘同时在Y方向上转动；所述刷片基模块同时与第一减速电机和驱动装置连接，用于将外部电流传入并驱动第一减速电机和驱动装置工作。本发明有效解决了机器人存在的机械臂控制不便、组装成本高、线路缠绕的问题，实现了机器人关节部位的一体化换向控制。

Description

应用在机器人上的一体化换向关节装置

技术领域

本发明涉及一种机器人关节控制装置，具体涉及的是一种应用在机器人上的一体化换向关节装置。

背景技术

目前，在绝大多数机器人的组成部件中，最为重要的当属其关节部分的设计，它是控制机器人灵活移动的关键部分。所谓机器人关节，就是实现曲杆或机械臂自由方向弯曲的部分，例如，其需要实现双向的旋转动力才能使机器人完全模拟人类的手臂运动。

而现有的机器人，其关节部分一般采用关节舵机设计，这种关节舵机实质上与减速单体电动机一样，只有一个方向的动力，在进行关节换向时，需组装多个舵机才行。可见，对于现有的机器人机械臂的控制来说，其不仅程序较为繁杂，而且组装成本较高，力量也不大，实用性不强。并且采用多个关节舵机进行组装，还存在着线路外露和缠绕等诸多问题，因而也影响了机器人的外观设计和生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用在机器人上的一体化换向关节装置，主要解决现有的机器人存在机械臂控制不便、组装成本和设计成本高的问题。

为实现上述目的，本发明解决问题的技术方案如下：

应用在机器人上的一体化换向关节装置，包括外壳，位于该外壳外部的外接头，一端与该外接头连接的轴承，以及刷片基模块、曲柄负载托盘、第一减速电机和驱动装置；所述第一减速电机通过传动轴与曲柄负载托盘连接，用于控制曲柄负载托盘在X方向上转动，该传动轴贯穿外接头；所述轴承与外壳滑动连接，并且该轴承另一端连接有位于外壳内的放置槽，所述第一减速电机和驱动装置均卡接在该放置槽中；并且驱动装置还与外壳连接，用于通过轴承控制外接头和曲柄负载托盘同时在Y方向上转动；所述刷片基模块用于将外部电流传入并驱动第一减速电机和驱动装置工作，该刷片基模块包括固定在外壳外的刷片塑料固定块，设置在该刷片塑料固定块上、用于接通外部电源的烙铁节点，等距分布在刷片塑料固定块中、且均与烙铁节点连接的多个刷片，以及同时与所有的刷片接触的金属导环；所述金属导环同时与第一减速电机和驱动装置连接。

进一步地，所述轴承与外壳的连接处设置有滑槽，该滑槽内装载有滚珠。

作为优选，所述刷片为弹簧铜质刷片。

具体地说，所述驱动装置包括卡接在放置槽中、且与金属导环连接的第二减速电机，以及与该第二减速电机转轴连接、并固定在外壳外的用于电机转轴转动时提供反作用力、以迫使轴承带动外接头和曲柄负载托盘同时在Y方向上转动的固定圆盘。

作为优选，所述第一减速电机和第二减速电机均为齿轮减速直流电机或齿轮减速步进电机。

再进一步地，所述传动轴上还设有用于实现曲柄负载托盘在X方向上减速转动的螺旋杆。

为实现对外接头的保护，所述外接头外部还设有保护罩。

本发明的设计原理在于，将曲柄负载托盘连接机器人机械臂，然后利用刷片基模块外接电源，并将电流分别传至第一减速电机和驱动装置，使二者工作，当需要带动机器人机械臂在X方向上转动时，只需第一减速电机通过传动轴带动曲柄负载托盘转动，即可带动机器人机械臂在X方向上转动；而当需要带动机器人机械臂在Y方向上转动时，只需驱动装置通过轴承带动外接头和曲柄负载托盘转动，即可带动机器人机械臂在Y方向上转动。如此即可模拟出人类手臂的运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计巧妙，其通过设计刷片基模块、轴承、放置槽、第一减速电机、驱动装置、外接头、传动轴及曲柄负载托盘，利用各个部件的配合，很好地实现了机器人机械臂在X方向和Y方向上的运动，使得机器人在组装时，无需再组装多个关节舵机，因而不仅结构简单、组装方便、成本低廉，而且实现了机器人关节的一体化控制，机器人机械臂摆动相当灵活，不受任何限制，同时可采用数字化步进电机，有效实现机械臂的数字化精确摆动。

(2)本发明所设计的刷片基模块，其由烙铁节点接通外部电源，并利用刷片和金属导环接触、金属导环与减速电机连接的方式，从而实现了向减速电机中导通电流、使其工作的目的。如此设计，可以避免过多的线路缠绕，从而提高了机器人的外观美观性。

(3)由于驱动装置中的固定圆盘与第二减速电机的转轴连接，而固定圆盘固定在外壳上，因此，当第二减速电机转动时，电机转轴的力会传至固定圆盘，导致固定圆盘产生一个反作用力，该反作用力依靠第二减速电机和放置槽的传递，最终带动了轴承转动。如此设计，优点在于延长了轴承的受力点，使得轴承在Y方向上转动的稳定性得到了很好的增强，更好的符合了力学原理。

(4)本发明还在轴承与外壳的连接处设置了滑槽和滚珠，轴承转动时，滚珠同时在滑槽中滚动，如此可降低整个关节装置在旋转时所受到的摩擦，并增强了轴承的承受力，有效延长了整个装置的使用寿命。

(5)本发明在传动轴一端设置了螺旋杆，一方面，该螺旋杆可以进一步为曲柄负载托盘提供X方向上的减速；另一方面，由于曲柄负载托盘需要连接机器人机械臂，需要较大的承重力，因此螺旋杆的设置还可以增强曲柄负载托盘的承重力，可谓一举两得。

(6)本发明还设置了保护罩，可防止灰尘进入外接头内，其与外壳配合，有效保护了外接头及其他部件。

(7)传统的机器人设计，需要先设计好关节，然后再组装成机械臂，过程繁杂，而本发明的突破点在于直接实现了组装，它是一个符合多种机器人关节要求的标准配件，设计者在使用过程中只需要把标准配件与设计好的芯片连接，即可顺利完成机械臂多个方向的转动任务，方便、快捷，有助于各类型号的机器人量产，很大程度地提高了生产、装配、维修的效率。因此，本发明对于中国机器人产业的迅速发展具有良好的推动作用。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为图1中A-A截面的示意图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明其中一部分零部件的结构示意图。

图5为本发明其中一部分零部件的结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-外壳，2-轴承，3-滑槽，4-滚珠，5-外接头，6-保护罩，7-曲柄负载托盘，8-传动轴，9-螺旋杆，10-第一减速电机，11-第二减速电机，12-放置槽，13-固定圆盘，14-刷片塑料固定块，15-烙铁节点，16-刷片，17-金属导环。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1～5所示，本发明提供了一种新型的机器人关节换向控制装置，其包括外壳1、轴承2、外接头5、刷片基模块、曲柄负载托盘7、第一减速电机10和驱动装置。

所述第一减速电机10通过传动轴8与曲柄负载托盘7连接，用于控制曲柄负载托盘7在X方向上转动。所述外接头5位于外壳1外部，该外接头内部具有传输换向动力的齿轮，并且其外部还设置有保护罩6。同时，该外接头5上设有一个Y方向上的传动轴孔，所述传动轴8贯穿该传动轴孔，然后连接曲柄负载托盘7。

所述驱动装置用于控制外接头和曲柄负载托盘7同时在Y方向上转动，具体地说，所述轴承2一端与外接头5连接，另一端设置有一放置槽12，并且该轴承2还与外壳1滑动连接，而所述的驱动装置则包括第二减速电机11，以及与该第二减速电机11转轴连接、并固定在外壳1外的固定圆盘13。所述的放置槽12位于外壳1内，所述第一减速电机10和第二减速电机11则均卡接在该放置槽12中。而所述的固定圆盘13为铜钱结构，用于为内部Y方向的旋转提供反作用力。

并且，作为优选，所述的第一减速电机10和第二减速电机11均为齿轮减速直流电机或齿轮减速步进电机，本实施例中，两台电机背对安装，型号根据需要选定。齿轮减速直流电机或齿轮减速步进电机可实现关节装置的减速作用，特别是外接头5和曲柄负载托盘7在Y方向上的转动减速，而所述的传动轴8上还设有用于实现曲柄负载托盘在X方向上减速转动的螺旋杆9(亦可采用垂直换向齿轮)。

如图2所示，所述刷片基模块用于将外部电流传入并驱动第一减速电机和驱动装置工作，其包括固定在外壳1外部的刷片塑料固定块14，设置在该刷片塑料固定块14上、用于接通外部电源的烙铁节点15，等距分布在刷片塑料固定块14中、且均与烙铁节点15连接的多个刷片16，以及同时与所有的刷片接触的金属导环17；所述金属导环17同时与第一减速电机10和第二减速电机11连接。本实施例中，金属导环为节状结构，每节均有个内环和外环，如图4所示，节之间用外环隔离绝缘，内环为用一定宽度且扁状的铜片弯曲而成的铜环。本发明通过刷片16与金属导环17滑行的方式传输电流，并且可以根据需要增加刷片的设置数量。

基于上述关节装置的结构，下面对本发明的工作过程进行详细介绍。

将本发明关节装置安装于机器人的骨架部位(例如控制机器人手臂摆动的部位)上，并连接好控制芯片及其他相关线路，然后将机器人手臂固定到曲柄负载托盘7上，组装完成。

接着，将烙铁节点15(可设计成接线插槽)与外部电源接通。外部电流经由烙铁节点15、刷片16、金属导环17传至第一减速电机10和第二减速电机11，此时，通过芯片控制，即可控制机器人手臂在X或Y方向上摆动，例如，当需要控制机器人机械臂在X方向上转动时，只需第一减速电机10通过传动轴8、并经螺旋杆9减速后，带动曲柄负载托盘7转动，即可完成机器人机械臂在X方向上的转动。再例如，当需要控制机器人机械臂在Y方向上转动时，只需第二减速电机11减速后，给固定圆盘13提供了一个作用力，此时，由于外壳1对固定圆盘13的限制，该固定圆盘13会产生一个反作用力，并带动第二减速电机11转动。再由于第二减速电机11卡接在放置槽12中，而放置槽12与轴承2连接，因此，固定圆盘13的反作用力实质上是作用在了轴承2上，从而通过轴承2带动了外接头5和曲柄负载托盘7同时转动，完成机器人机械臂在Y方向上的转动。通过上述两种控制过程，即可很好地模拟出人类手臂的运动。

在上述机器人机械臂活动的过程中，由于轴承2的转动，因而驱动装置和金属导环17均同时随着转动，为了保证刷片16与金属导环17之间正常接触导通电流，所述的刷片16采用弹簧铜质刷片。另外，所述的轴承2与外壳1的连接处设置有一滑槽3，该滑槽3内装载有滚珠4。滚珠4可放置多个，其随着轴承2的转动而在滑槽3中滚动，如此可起到降低转动摩擦力、提高轴承2承受力的作用，有效增强轴承2的力学强度。

本发明设计了一种能够实现机器人关节一体化换向的装置，其既能满足机器人机械臂的正常转动，又降低了组装的难度，节约了成本。并且在此基础上，机器人设计者还可以方便设计出包括人形及其他外观造型在内的机器人，因而使用极其方便，有助于多种机器人的量产安装，以及后续的维修、拆解和更换。因此，本发明很好地突破了现有技术的束缚，将机器人的设计提升到了一个新的高度，其与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，包括外壳(1)，位于该外壳(1)外部的外接头(5)，一端与该外接头(5)连接的轴承(2)，以及刷片基模块、曲柄负载托盘(7)、第一减速电机(10)和驱动装置；所述第一减速电机(10)通过传动轴(8)与曲柄负载托盘(7)连接，用于控制曲柄负载托盘在X方向上转动，该传动轴(8)贯穿外接头(5)；所述轴承(2)与外壳(1)滑动连接，并且该轴承(2)另一端连接有位于外壳(1)内的放置槽(12)，所述第一减速电机(10)和驱动装置均卡接在该放置槽(12)中；并且驱动装置还与外壳(1)连接，用于通过轴承控制外接头和曲柄负载托盘同时在Y方向上转动；所述刷片基模块用于将外部电流传入并驱动第一减速电机和驱动装置工作，该刷片基模块包括固定在外壳(1)外的刷片塑料固定块(14)，设置在该刷片塑料固定块(14)上、用于接通外部电源的烙铁节点(15)，等距分布在刷片塑料固定块(14)中、且均与烙铁节点(15)连接的多个刷片(16)，以及同时与所有的刷片接触的金属导环(17)；所述金属导环(17)同时与第一减速电机(10)和驱动装置连接。

2.根据权利要求1所述的应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，所述轴承(2)与外壳(1)的连接处设置有滑槽(3)，该滑槽(3)内装载有滚珠(4)。

3.根据权利要求1所述的应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，所述刷片(16)为弹簧铜质刷片。

4.根据权利要求3所述的应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，所述驱动装置包括卡接在放置槽(12)中、且与金属导环(17)连接的第二减速电机(11)，以及与该第二减速电机(11)转轴连接、并固定在外壳(1)外的用于电机转轴转动时提供反作用力、以迫使轴承带动外接头和曲柄负载托盘同时在Y方向上转动的固定圆盘(13)。

5.根据权利要求4所述的应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，所述第一减速电机(10)和第二减速电机(11)均为齿轮减速直流电机或齿轮减速步进电机。

6.根据权利要求5所述的应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，所述传动轴(8)上还设有用于实现曲柄负载托盘在X方向上减速转动的螺旋杆(9)。

7.根据权利要求1所述的应用在机器人上的一体化换向关节装置，其特征在于，所述外接头(5)外部还设有保护罩(6)。