CN108161982B - 一种机器人关节驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人关节驱动器，壳体(1)、活塞(2)、连杆(5)、转轴(6)和曲柄(7)；所述活塞(2)密闭于所述壳体(1)的活塞安装孔(101)内；所述转轴(6)安装于所述壳体(1)的转轴安装孔(105)内；所述连杆(5)和曲柄(7)位于所述壳体(1)内部，通过液压油驱动所述活塞(2)往复运动；所述活塞(2)通过连杆(5)和曲柄(7)驱动转轴(6)旋转。本驱动器采用液压驱动，油缸外壳和油路通道体与关节承载机构集成在一起，体积小且输出扭矩大，结构简单紧凑，安装使用方便；关节转动角度由编码器反馈，便于精确控制；关节转动角度范围可由调节螺钉调整，适用范围广、安全可靠。

Description

一种机器人关节驱动器

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种机器人关节驱动器。

背景技术

仿生机器人关节驱动方式基本上有电机驱动、气压驱动和液压驱动三种，相比电机驱动方式的整机功率密度低、体积大及气压驱动的驱动力小、刚度低、不易实现精确驱动控制等缺陷，液压驱动整机功率密度大、易于实现精确化自动控制，更适于大扭矩关节的驱动。液压关节驱动器形式主要由两种，一种是利用三角结构将液压缸的伸缩运动转化成关节的旋转输出，一种是利用摆动缸直接进行关节旋转输出，这两种形式均存在一定缺陷，三角结构式关节驱动器占用空间大，摆动缸式关节驱动器结构复杂、体积大，不易实现摆动角度的精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人关节驱动器，解决了现有液压关节驱动器的占用空间大、结构复杂、不易实现精确控制的问题。

具体的，本发明提供了一种机器人关节驱动器，包括壳体、活塞、连杆、转轴和曲柄；

活塞密闭于壳体的活塞安装孔内；转轴安装于壳体的转轴安装孔内；连杆和曲柄位于壳体内部，通过液压油驱动活塞往复运动；活塞通过连杆和曲柄驱动转轴旋转，转轴与机器人相应的驱动部件相连。

液压驱动活塞，由活塞驱动连杆、曲柄和转轴运动，中间传递动力的部件少，减少能量损失的同时，保证传递的精度高。

进一步地，还包括三位四通阀；

三位四通阀安装于壳体的阀孔内；控制液压油驱动活塞往复运动。

所有部件安装于壳体内，壳体对部件进行保护，同时防止灰尘等进入，另一方面，所有部件之间紧凑连接，省去了油缸外壳及油路通道体，使得驱动器结构紧凑，体积小，节省空间。

进一步地，还包括螺堵；

螺堵与壳体的活塞安装孔螺纹连接，将活塞密闭于壳体的活塞安装孔内；

螺堵与活塞之间形成左腔，在活塞另一侧形成右腔。

使用螺堵将活塞密封，防止液压油外泄，同时，对活塞运动进行限位。

进一步地，三位四通阀与壳体的阀孔之间形成四个腔：A腔、P腔、B腔和T腔；

P腔与壳体上的P口相通；T腔与壳体上的T口相连通；A腔与活塞安装孔的左腔相连通；B腔与活塞安装孔的右腔相连通。

P口内安装管接头A，用于与系统压力油相连；T口内安装管接头B，用于与回油口相连。

三位四通阀的P腔与压力油相连，三位四通阀控制A腔或者B腔与P腔相连通，进而控制压力油进入左腔还是右腔，从而驱动活塞往复运动。

进一步地，还包括编码器；

编码器的输入端与转轴固定连接，用于实时检测和反馈转轴的转动角度。

编码器用于精确测定转轴的转动角度，同时予以反馈，使得三位四通阀的控制更为精确。

进一步地，还包括调节螺钉A和调节螺钉B；

调节螺钉A和调节螺钉B分别安装于壳体的调节螺钉孔内，位于转轴的两边，用于调整曲柄的旋转角度范围。

调节螺钉用于调节曲柄的旋转角度范围，防止曲柄旋转角度过大造成驱动器内部部件或所驱动机构的损坏，可适用于不同运动范围关节的驱动。

进一步地，还包括盖板；

盖板与壳体通过法兰连接，用于将壳体上的圆形孔密封；编码器的外壳与盖板通过法兰连接。

盖板用于将曲柄等存在的右腔进行密封，防止液压油泄漏。

进一步地，活塞的表面开设有耐磨环槽和格来圈槽，用于安装耐磨环和格莱圈；螺堵上开设有用于安装O型圈的O型圈槽，对活塞安装孔内的左腔进行密封。耐磨环、格莱圈和O型圈相互配合，将液压油进行密封，防止液压油泄漏。

进一步地，壳体的转轴安装孔、右腔和圆形孔相互连通，转轴一端安装于壳体的转轴安装孔内，另一端从圆形孔穿过，安装于盖板上；连杆和曲柄均设置在圆形孔内，调节螺钉A和调节螺钉B旋进圆形孔内部。

连杆、转轴和曲柄安装于壳体内，壳体对部件进行防护，同时壳体内油液可对运动部件进行润滑。

本发明的有益效果为：

(1)该机器人关节驱动器采用液压驱动，油缸外壳和油路通道体与关节承载机构集成在一起，体积小且输出扭矩大，结构简单紧凑，安装使用方便；

(2)关节转动角度由编码器反馈，便于精确控制；

(3)关节转动角度范围可由调节螺钉调整，适用范围广、安全可靠；

(4)运动部件均安装于壳体内，并侵入油液中，油液可对运动部件进行润滑、降温，减小摩擦阻力；

(5)所有部件均位于壳体内，集成一体，有益于保护油液清洁度，防止油液被污染；

(6)活塞的左腔或右腔与系统压力油或回油口通过壳体内部的孔道可直接连通，省去了外界管路，完全由该驱动器内部的结构即可实现，这样使得整个驱动器的结构紧凑，体积小，占用空间小。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的机器人关节驱动器整体结构示意图；

图2是本发明的机器人关节驱动器内部结构示意图；

图3是本发明的机器人关节驱动器的壳体结构示意图。

图中：1-壳体、2-活塞、3-螺堵、4-三位四通阀、5-连杆、6-转轴、7-曲柄、8-盖板、9-编码器、10-管接头A、11-管接头B、12-调节螺钉A、13-调节螺钉B、14-耐磨环、15-格来圈、16-O型圈；

101-活塞安装孔、102-阀孔、103-P口、104-T口、105-转轴安装孔、106-调节螺钉孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种机器人关节驱动器，如图1和2所示，包括壳体1、活塞2、螺堵3、三位四通阀4、连杆5、转轴6、曲柄7、盖板8、编码器9、管接头A10、管接头B11、调节螺钉A12、调节螺钉B13、耐磨环14、格来圈15、O型圈16。

三位四通阀4控制液压油驱动活塞2往复运动，活塞2通过连杆5和曲柄7驱动转轴6旋转，转轴6与机器人相应的驱动部件相连。

如图3所示，壳体1包括开设有活塞安装孔101、阀孔102、P口103、T口104、转轴安装孔105、调节螺钉孔106和圆形孔的第一段和与第一段固定连接的第二段。

本申请的一个实施例中，壳体1的第二段用于将整个驱动器固定在机器人的指定位置上，这就要求第二段的结构与安装位置的形状与结构相匹配，可选的，第二段为含有空腔的长方体盒，长方体盒上开有多个用于连接的通孔或者螺纹孔，用于将整个壳体1固定在指定的安装位置。

具体的，活塞2安装于壳体1的活塞安装孔101内，且为间隙配合，螺堵3与壳体1的活塞安装孔101螺纹连接，将活塞2密闭于壳体1的活塞安装孔101内，在活塞安装孔101内，螺堵3与活塞2之间形成左腔，在活塞2另一侧形成右腔；圆形孔位于转轴安装孔105的相对侧，并且圆形孔的直径大于转轴安装孔105的直径，盖板8安装于圆形孔外侧，将圆形孔密封；转轴6一端安装于壳体1的转轴安装孔105内，另一端从圆形孔穿过，安装于盖板8上，转轴6与转轴安装孔105和盖板8之间均有密封件，用于密封。转轴安装孔105、圆形孔与活塞安装孔101相连通，通过盖板8和密封件进行密封；连杆5、转轴6和曲柄7位于壳体1的圆形孔内，且曲柄7与转轴6通过花键连接，转轴6由曲柄7带动旋转；曲柄7与连杆5通过销轴连接，曲柄7由连杆5带动进行往复运动；连杆5与活塞2铰接，连杆5由活塞2带动进行往复运动；盖板8与壳体1通过法兰连接，用于将圆形孔密封，最终右腔、转轴安装孔105和圆形孔形成密封的腔体。

编码器9用于实时检测和反馈转轴6的转动角度，可选的，编码器9的输入端与转轴6固定连接，编码器9的外壳与盖板8通过法兰连接。

三位四通阀4安装于壳体1的阀孔102内，通过螺纹连接，并且三位四通阀4与壳体1的阀孔102之间形成四个腔：A腔、P腔、B腔和T腔。P腔与壳体1上的P口103相通，P口103内安装管接头A10，用于与系统压力油相连；T腔与T口104相连通，T口104内安装管接头B，用于与回油口相连；A腔与活塞安装孔101的左腔相连通；B腔与活塞安装孔101的右腔相连通。

由上述结构可知，活塞2直接安装于壳体1内，没有油缸外壳，同时，活塞2的左腔或右腔与系统压力油或回油口通过壳体1内部的孔道可直接连通，省去了外界管路，完全由该驱动器内部的结构即可实现，这样使得整个驱动器的结构紧凑，体积小，占用空间小。右腔、转轴安装孔105和圆形孔相连通，内部充满液压油，连杆5、转轴6和曲柄7均浸入在液压油中，液压油可对连杆5、转轴7和转轴6进行润滑。

调节螺钉A12和调节螺钉B13分别安装于壳体1的调节螺钉孔106内，并且与壳体1为螺纹连接，用于调整曲柄7旋转的角度范围。具体的，调节螺钉A12和调节螺钉B13的安装位置在曲柄7上端部分的两侧，曲柄7上端为半圆形，当调节螺钉A12和调节螺钉B13伸入壳体1的长度越长时，调节螺钉A12和调节螺钉B13对曲柄7的上端进行限位，限制曲柄7的旋转范围，进而使得曲柄7的旋转角度越小；当调节螺钉A12和调节螺钉B13伸入壳体1的长度越短时，调节螺钉A12和调节螺钉B13对曲柄7的限位越少，进而使得曲柄7的旋转角度越大。

为了保证用于驱动活塞2的液压油不会发生内泄，较为优选的，活塞2的表面开设有格来圈槽，用于安装格莱圈15，格来圈15安装于活塞2的格来圈槽内，将壳体1活塞安装孔101的左腔和右腔密封隔离。螺堵3圆柱面开设有O型圈槽，O型圈16安装于螺堵3的O型圈槽内，对活塞安装孔101内的左腔进行密封，防止活塞安装孔中的液压油泄漏。

为了防止活塞与壳体之间因直接接触而产生金属摩擦，较为优选的，活塞2的表面开设有耐磨环槽，用于安装耐磨环14，耐磨环14安装于活塞2的耐磨环槽内。

本申请的一个优选实施例中，使用时，壳体1固定在机器人的大腿上，转轴6连接至机器人的小腿上。该驱动器的P口103通过管接头A10连接至系统压力油口，驱动器的T口104通过管接头B11连接至回油口。转轴6需逆时针转动时，系统压力油经P口103、三位四通阀4的P腔和三位四通阀A腔进入活塞安装孔101的左腔，在系统压力油压力的作用下，活塞2右移并经连杆5推动曲柄7逆时针旋转，实现对转轴6的逆时针驱动；转轴6需顺时针转动时，系统压力油经P口103、三位四通阀4的P腔和三位四通阀4的B腔进入活塞安装孔101的右腔，在系统压力油压力的作用下，活塞5左移并经连杆5拉动使曲柄7顺时针旋转，实现对转轴6的顺时针驱动。利用三位四通阀4来控制转轴6的旋转方向及旋转速度。利用编码器9实时检测、反馈转轴6的转动角度，根据反馈角度来调整三位四通阀4的方向及开度，以此来提高关节驱动器的控制精度。利用调整螺钉A10和调整螺钉B11调整曲柄7旋转的角度范围，使关节驱动器适用于不同转动角度范围的关节的驱动，工作安全。

综上所述，本发明提供了一种机器人关节驱动器，采用液压驱动，油缸外壳及油路通道体与关节承载机构集成在一起，体积小且输出扭矩大，结构简单紧凑，安装使用方便；关节转动角度由编码器反馈，便于精确控制；关节转动角度范围可由调节螺钉调整，适用范围广、安全可靠；所有部件均位于壳体内，集成一体，有益于保护油液清洁度，防止油液被污染；活塞的左腔或右腔与系统压力油或回油口通过壳体内部的孔道可直接连通，省去了外界管路，完全由该驱动器内部的结构即可实现，这样使得整个驱动器的结构紧凑，体积小，占用空间小。

尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种机器人关节驱动器，其特征在于，包括壳体(1)、活塞(2)、螺堵(3)、三位四通阀(4)、连杆(5)、转轴(6)、曲柄(7)、盖板(8)、调节螺钉A(12)和调节螺钉B(13)；

所述壳体(1)包括开设有活塞安装孔(101)、阀孔(102)、P口(103)、T口(104)、转轴安装孔(105)和圆形孔的第一段、以及与第一段固定连接的第二段，通过第二段将驱动器固定在机器人上；

所述活塞(2)安装在壳体(1)的活塞安装孔(101)内，所述螺堵(3)与壳体(1)的活塞安装孔(101)螺纹连接，将活塞(2)密闭于壳体(1)的活塞安装孔(101)内，在活塞安装孔(101)内，螺堵(3)与活塞(2)之间形成左腔，在活塞(2)另一侧形成右腔；

所述圆形孔位于所述转轴安装孔(105)的相对侧，所述盖板(8)安装于圆形孔外侧，将圆形孔密封，所述转轴(6)的一端安装于壳体(1)的转轴安装孔(105)内，转轴(6)的另一端从圆形孔穿过安装于盖板(8)上，转轴(6)与转轴安装孔(105)和盖板(8)之间具有密封件，转轴安装孔(105)、圆形孔与活塞安装孔(101)相通，通过盖板(8)、密封件进行密封；

所述连杆(5)、转轴(6)和曲柄(7)位于壳体(1)的圆形孔内，转轴(6)由曲柄(7)带动旋转，曲柄(7)由连杆(5)带动进行往复运动，连杆(5)由活塞(2)带动进行往复运动；

所述三位四通阀(4)安装于所述阀孔(102)内，且三位四通阀(4)与阀孔(102)之间形成四个腔：A腔、P腔、B腔和T腔，P腔与所述P口(103)相通，P口(103)与系统压力油相连，T腔与所述T口(104)相通，T口(104)与回油口相连，A腔与所述活塞安装孔(101)的左腔相连通，B腔与所述活塞安装孔(101)的右腔相连通；

所述调节螺钉A(12)和调节螺钉B(13)分别安装于壳体(1)的调节螺钉孔(106)内，位于所述转轴(6)的两边，用于调整曲柄(7)的旋转角度范围；

所述三位四通阀(4)控制液压油驱动所述活塞(2)往复运动，活塞(2)通过所述连杆(5)和曲柄(7)驱动所述转轴(6)旋转，所述转轴(6)与机器人相应的驱动部件相连。

2.根据权利要求1所述的机器人关节驱动器，其特征在于，所述P口(103)内安装管接头A(10)，用于与所述系统压力油相连；所述T口(104)内安装管接头B(11)，用于与所述回油口相连。

3.根据权利要求1或2所述的机器人关节驱动器，其特征在于，还包括编码器(9)；

所述编码器(9)的输入端与转轴(6)固定连接，用于实时检测和反馈转轴(6)的转动角度。

4.根据权利要求3所述的机器人关节驱动器，其特征在于，所述盖板(8)与壳体(1)通过法兰连接，用于将壳体(1)上的圆形孔密封；所述编码器(9)的外壳与盖板(8)通过法兰连接。

5.根据权利要求1、2或4任一所述的机器人关节驱动器，其特征在于，所述活塞(2)的表面开设有耐磨环槽和格来圈槽，用于安装耐磨环(14)和格莱圈(15)；所述螺堵(3)上开设有用于安装O型圈(16)的O型圈槽。

6.根据权利要求1所述的机器人关节驱动器，其特征在于，所述调节螺钉A(12)和调节螺钉B(13)旋进所述圆形孔内部。

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