CN106078795A - 一种机器人舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人舵机，包括外壳，外壳内设有齿轮减速器组件，齿轮减速器组件的输入端连接电机的输出轴，外壳内还设有控制电机旋转的控制电路，外壳内还分别设有相互契合转动连接的齿轮蜗杆轴和蜗轮轴，齿轮蜗杆轴的齿轮部分与齿轮减速器组件的输出端契合连接，齿轮蜗杆轴的蜗杆部分和蜗轮轴的蜗轮部分契合连接，蜗轮轴的转轴穿设于外壳的侧壁，电机的输出轴与蜗轮轴垂直。本发明，通过在多级齿轮减速器的末端增加一级蜗轮蜗杆，由于蜗轮蜗杆具有自锁的特性，机器人不动的时候机器人自重的负载都只能作用在蜗轮蜗杆上，大大延长了零件的使用寿命，同时也使得机器人肢体更加紧凑，整个比例也变得更协调。

Description

一种机器人舵机

技术领域

本发明涉及机器人，具体涉及一种机器人舵机。

背景技术

机器人舵机是近几年发展起来的一种新型舵机，其工作原理以及结构特点与遥控模型飞机上使用的舵机较为类似，因此不少机器人舵机生产厂家直接采用了模型飞机使用的舵机结构。但是相比遥控模型飞机的舵机仅仅承受其驱动的气动舵面上受到的较为柔和连续的空气动力，机器人舵机的受力情形则要复杂恶劣的多。由于机器人舵机驱动的是各种机器人的肢体关节，经常要受到短促强烈的冲击载荷，因此传统的遥控模型飞机上的舵机结构并不是很适合直接用来做机器人舵机使用。

另外遥控飞机上使用的舵机由于经常需要安装在飞机的机翼或水平尾翼以及垂直尾翼这类比较薄的结构上，为了便于安装并尽量不产生额外的阻力，模型飞机的舵机基本都设计的厚度比较薄，宽度比较大。这种外形对于机器人产品很不适合，机器人舵机要求输出轴所在的宽度方向尺寸尽量小，以保证肢体不会过于宽大影响动作行程。现有的机器人舵机恰恰是宽度过大从而导致采用这种舵机设计出的机器人产品的肢体也较宽，整体外形不协调，也影响机器人肢体的动作角度行程。

再者现有的机器人舵机内部的直流电机在控制电路驱动控制下旋转，然后通过多级齿轮减速器减速并放大扭矩，最后由减速器末级的齿轮轴将扭矩输出。这种结构的舵机由于齿轮减速器不具有自锁功能，外部作用在末级齿轮轴输出端的扭矩可以逐级传回减速器初级齿轮直至电机，造成使用这种舵机的机器人在工作时电机始终承受一定负载，即使机器人只是站立不动，其自重导致的负载依然会作用在机器人舵机的减速器各级齿轮以及电机上，电机要克服该负载使机器人保持稳定站立的姿态必须输出一定功率，这样就导致了整个机器人能耗大，不仅很多的电能被白白浪费并没有发挥出有效的作用，而且增加了齿轮的磨损，也缩短了电机的使用寿命。

综上所述，目前需要设计出一种结构合理，耗能低的新型机器人舵机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的机器人舵机结构不合理，能耗较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种机器人舵机，包括外壳，所述外壳内设有齿轮减速器组件，所述齿轮减速器组件的输入端连接电机的输出轴，所述外壳内还设有控制所述电机旋转的控制电路，所述外壳内还分别设有相互契合转动连接的齿轮蜗杆轴和蜗轮轴，所述齿轮蜗杆轴的齿轮部分与所述齿轮减速器组件的输出端契合连接，所述齿轮蜗杆轴的蜗杆部分和所述蜗轮轴的蜗轮部分契合连接，所述蜗轮轴的转轴穿设于所述外壳的侧壁，所述电机的输出轴与所述蜗轮轴垂直。

在上述方案中，所述齿轮蜗杆轴由同轴设置并一体成型的所述齿轮部分和所述蜗杆部分组成，所述齿轮部分穿设在所述齿轮减速器组件的内部。

在上述方案中，所述蜗轮轴的转轴的两端分别为花键形的主输出轴和光轴形的辅助支撑轴，所述主输出轴和所述辅助支撑轴分别穿设在所述外壳的相对侧壁上，且所述主输出轴和所述辅助支撑轴上分别设有主输出摇臂和辅助摇臂。

在上述方案中，所述外壳内还设有监测所述齿轮蜗杆轴的位置的传感器，所述传感器与所述齿轮蜗杆轴的齿轮部分的轴端连接。

在上述方案中，所述齿轮减速器组件包括多级依次相互契合并转动连接的齿轮，各所述齿轮的齿轮轴之间平行设置。

在上述方案中，所述外壳的侧壁上分别设有容纳所述主输出轴和所述辅助支撑轴贯穿的轴承座，所述轴承座通过螺丝与所述外壳连接，各个所述轴承座分别设有容纳所述主输出轴或所述辅助支撑轴贯穿的轴承，所述轴承座的外侧设有将所述轴承固定在所述外壳上的安装板。

在上述方案中，所述外壳由下至上依次包括相互连接的底壳、中壳、上壳和顶壳，所述控制电路、所述电机、所述齿轮减速器组件和所述蜗轮轴分别对应安装在所述底壳、所述中壳、所述上壳和所述顶壳内。

在上述方案中，所述齿轮蜗杆轴分别通过下部轴承、中部轴承以及上部轴承定位安装设置于所述外壳内，所述下部轴承、所述中部轴承以及所述上部轴承分别对应安装在所述中壳、所述上壳和所述顶壳内相应设置的轴承座里。

本发明，通过在多级齿轮减速器的末端增加一级蜗轮蜗杆，将电机的扭矩放大并将扭矩方向旋转九十度后输出，由于蜗轮蜗杆具有自锁的特性，外部作用在蜗轮输出轴上的扭矩无法传递回前级的齿轮，这样电机以及前级齿轮减速器作用在蜗轮输出轴上的负载和外部作用在舵机输出轴上的负载就被结构隔离，只有在舵机需要驱动肢体动作的时候舵机内的电机才会消耗电流旋转做功，而机器人不动的时候机器人自重的负载都只能作用在蜗轮蜗杆上，无法传递至内部的齿轮和电机，电机无须消耗电流做功，同时，由于机器人舵机内部的减速器前级往往采用的都是模数较小的齿轮，后级采用模数相对大一些的齿轮，传统结构的机器人舵机由于末端的负载可以直接传递到前级齿轮和电机，导致其工作当中多数时间电机和前级小模数的齿轮都要承受一定载荷，因此这就大大的增加了齿轮的磨损，也缩短了电机的使用寿命。而本发明采用新式结构后机器人舵机前级电机和小模数的减速齿轮只有在舵机需要驱动肢体动作的时候才工作，不需要舵机驱动关节动作的时候外界作用在肢体上的载荷都会被蜗轮蜗杆隔离开，这样这种情形下电机和小模数的齿轮都不受载荷，这样就大大延长了零件的使用寿命，从而进一步降低了使用成本，同时也使得机器人肢体更加紧凑，整个比例也变得更协调。

附图说明

图1为现有机器人舵机的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为图2的内部结构示意图；

图4为图3的立体结构透视图；

图5为本发明中齿轮蜗杆轴的结构示意图；

图6为本发明中蜗轮轴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图2、图3和图4所示，本发明提供的一种机器人舵机，包括外壳，外壳上穿设有输入线15，外壳由下至上依次包括相互连接的底壳11、中壳12、上壳13和顶壳14，并组成一个中空的壳体，上壳13内设有齿轮减速器组件23，齿轮减速器组件23包括多个依次相互契合并转动连接的齿轮，各齿轮的齿轮轴之间平行设置。底壳11内安装有控制电路25，中壳12内安装有电机24，控制电路25控制电机24的旋转，齿轮减速器组件23的输入端连接电机24的输出轴。

如图5所示，顶壳14内分别安装有相互契合转动连接的齿轮蜗杆轴21和蜗轮轴22，齿轮蜗杆轴21由同轴设置并一体成型的齿轮部分42和蜗杆部分41组成，齿轮部分42穿设在齿轮减速器组件23的内部并与齿轮减速器组件23的输出端齿轮契合连接，齿轮蜗杆轴21的蜗杆部分41和蜗轮轴22的蜗轮部分契合转动连接。

进一步优选地，齿轮蜗杆轴21分别通过下部轴承36和中部轴承35以及上部轴承34转动设置外壳内，下部轴承36安装在中壳12内相应设置的轴承座里，中部轴承35安装在上壳13内相应设置的轴承座里，上部轴承34安装在顶壳14内相应设置的轴承座里，顶壳14通过螺丝37与外壳主体固定。

如图6所示，蜗轮轴22的转轴的两端分别为花键形的主输出轴51和光轴形的辅助支撑轴52，主输出轴51和辅助支撑轴52分别穿设在顶壳14的相对侧壁上，顶壳14的侧壁上分别设有容纳主输出轴51和辅助支撑轴52贯穿的轴承座16，轴承座16通过螺丝17与顶壳14连接，各个轴承座16分别设有容纳主输出轴51或辅助支撑轴52贯穿的轴承33，轴承座16的外侧设有将轴承33固定在轴承座16内的安装板38。

进一步优选地，主输出轴和辅助支撑轴上分别与机器人的主输出摇臂(图中未标示出)和辅助摇臂18联动连接，形成最终的动作输出控制结构，并且优选地将电机24的输出轴与蜗轮轴22垂直布置，中壳12内还设有检测齿轮蜗杆轴21的位置的传感器26，传感器26与齿轮蜗杆轴21的齿轮部分的轴端连接，主要起到保护和监控作用。

本发明的工作原理以及效果主要在于；当舵机接到外部发来的控制信号后，控制电路25将信号处理转换后通过电机4旋转做功，电机4的扭矩通过齿轮减速器组件3放大扭矩减小转速后，逐级向后传递，此时，齿轮减速器组件23传递过来的扭矩便被齿轮蜗杆轴21和蜗轮轴22进一步放大后转向九十度并由蜗轮轴22向外输出，由于蜗轮蜗杆具有自锁的特性，作用在蜗轮轴22上的扭矩无法传递回前级的齿轮，这样电机4以及前级齿轮减速器组件3与机器人肢体作用在末级蜗轮轴22上的负载就被蜗轮蜗杆结构隔离，机器人舵机只有在需要驱动肢体动作的时候电机4才会消耗电流旋转做功，而机器人不动的时候由于自重作用在肢体关节上的负载都只能作用在蜗轮蜗杆上，无法传递至内部的齿轮减速器组件3和电机4，这样电机4就无须消耗电流做功来克服机器人自身的负载，电机4和小模数的齿轮都不受载荷，这样就大大延长了容易受损的零件的使用寿命，从而进一步降低了使用成本。

如图1所示，与现有技术相比，由于蜗轮蜗杆将原有齿轮减速器组件3的输出端旋转了九十度，原来机器人舵机尺寸最大的宽度方向变成了长度方向，尺寸最小的厚度方向变成了宽度方向，原来的长度方向变成了厚度方向，这样新的机器人舵机的宽度尺寸便大为减小，用这种新机器人舵机设计的机器人肢体可以设计的比较细，尺寸更加紧凑，肢体动作角度行程更大而且与整个身体比例也变得更协调。

本发明，通过在多级齿轮减速器的末端增加一级蜗轮蜗杆，将电机的扭矩放大并将扭矩方向旋转九十度后输出，由于蜗轮蜗杆具有自锁的特性，扭矩无法传递回前级的齿轮，这样电机以及前级齿轮减速器作用在蜗轮输出轴上的负载就被隔离，只有舵机内的电机才会消耗电流旋转做功，而机器人不动的时候机器人自重的负载都只能作用在蜗轮蜗杆上，无须消耗电机做功，大大延长了零件的使用寿命，从而进一步降低了使用成本，同时也使得机器人肢体更加紧凑，整个比例也变得更协调。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人舵机，包括外壳，所述外壳内设有齿轮减速器组件，所述齿轮减速器组件的输入端连接电机的输出轴，所述外壳内还设有控制所述电机旋转的控制电路，其特征在于，所述外壳内还分别设有相互契合转动连接的齿轮蜗杆轴和蜗轮轴，所述齿轮蜗杆轴的齿轮部分与所述齿轮减速器组件的输出端契合连接，所述齿轮蜗杆轴的蜗杆部分和所述蜗轮轴的蜗轮部分契合连接，所述蜗轮轴的转轴穿设于所述外壳的侧壁，所述电机的输出轴与所述蜗轮轴垂直。

2.如权利要求1所述的机器人舵机，其特征在于，所述齿轮蜗杆轴由同轴设置并一体成型的所述齿轮部分和所述蜗杆部分组成，所述齿轮部分穿设在所述齿轮减速器组件的内部。

3.如权利要求1所述的机器人舵机，其特征在于，所述蜗轮轴的转轴的两端分别为花键形的主输出轴和光轴形的辅助支撑轴，所述主输出轴和所述辅助支撑轴分别穿设在所述外壳的相对侧壁上，且所述主输出轴和所述辅助支撑轴上分别设有主输出摇臂和辅助摇臂。

4.如权利要求1所述的机器人舵机，其特征在于，所述外壳内还设有监测所述齿轮蜗杆轴的位置的传感器，所述传感器与所述齿轮蜗杆轴的齿轮部分的轴端连接。

5.如权利要求1所述的机器人舵机，其特征在于，所述齿轮减速器组件包括多级依次相互契合并转动连接的齿轮，各所述齿轮的齿轮轴之间平行设置。

6.如权利要求3所述的机器人舵机，其特征在于，所述外壳的侧壁上分别设有容纳所述主输出轴和所述辅助支撑轴贯穿的轴承座，所述轴承座通过螺丝与所述外壳连接，各个所述轴承座分别设有容纳所述主输出轴或所述辅助支撑轴贯穿的轴承，所述轴承座的外侧设有将所述轴承固定在所述轴承座内的安装板。

7.如权利要求3所述的机器人舵机，其特征在于，所述外壳由下至上依次包括相互连接的底壳、中壳、上壳和顶壳，所述控制电路、所述电机、所述齿轮减速器组件和所述蜗轮轴分别对应安装在所述底壳、所述中壳、所述上壳和所述顶壳内。

8.如权利要求7所述的机器人舵机，其特征在于，所述齿轮蜗杆轴分别通过下部轴承、中部轴承以及上部轴承转动设置于所述外壳内，所述下部轴承、所述中部轴承以及所述上部轴承分别对应安装在所述中壳、所述上壳和所述顶壳内相应设置的轴承座里。