CN110614652A - 一种机器人单自由度运动关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人单自由度运动关节，用于解决现有技术中使用舵机的机械关节输出力矩小、所需安装空间大、安装困难、关节运动精度差的技术问题；包括：第一大臂骨骼、第二大臂骨骼、传动螺旋丝杆、传动螺母、小臂和舵机组件；实施本发明的技术方案，传动螺旋丝杆和传动螺母使用多线螺纹、小臂设置第一连接端和第二连接端，利用杠杆原理提高输出扭矩；第一连接端和第二连接端距离较远，各部件较为分散，可以给舵机提供充足的安装空间、降低关节整体体积；第一连接端和第二连接端使用螺栓固定，安装便捷；设置电位器测量小臂旋转角度，采集小臂角度数据，提高小臂角度控制精度。

Description

一种机器人单自由度运动关节

技术领域

本发明涉及机械关节领域，特别涉及一种机器人单自由度运动关节。

背景技术

机器人是一种可自动执行工作的机器装置，通过预先编程的方式完成特定的动作，其主要主要是协助并替代人类完成相应的工作。服务型机器人属于一种特种机器人，根据其用途性能大致可以分为专业领域服务机器人和个人/家庭服务机器人两类，服务机器人的应用范围广泛，主要从事清理、运输、安防、监护等工作。

目前大多数使用舵机的机器人的运动关节，舵机的输出轴与关节的运动轴相互重合，实际使用中常常出现舵机输出扭矩无法满足设计要求的情况，并且舵机输出轴与关节运动轴重合的安装方式往往需要较大的安装空间，安装过程复杂，并且关节运动角度控制精度差。

因此需要一种装置体积小、安装便捷、可以输出高扭矩的高精度机器人运动关节。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种机器人单自由度运动关节，本发明的技术方案是这样实施的：

一种机器人单自由度运动关节，包括：第一大臂骨骼、第二大臂骨骼、传动螺旋丝杆、传动螺母、小臂和舵机组件；所述小臂包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端设置于所述小臂端部；所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼对称设置，连接所述第一连接端；所述传动螺旋丝杆、所述传动螺母和所述舵机组件设置于所述所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼之间；所述传动螺母啮合连接至所述传动螺旋丝杆，两侧分别固定至所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼；所述舵机组件包括舵机支架、电机和舵盘；所述舵盘固定至所述传动螺旋丝杆的一端；所述舵机支架背离所述舵盘的一端通过转动副固定至所述小臂；所述电机连接所述舵盘，驱动所述舵盘和所述传动螺旋丝杆绕所述传动螺旋丝杆的轴向转动，带动所述小臂绕所述第一连接端旋转。

优选地，所述第一螺栓与所述第二螺栓的距离不小于3cm。

优选地，所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼通过转动副、球销副或球面副固定至所述第一连接端。

优选地，所述机器人单自由度运动关节，还包括第一螺栓，所述第一连接端设置与所述第一螺栓配合的螺孔；所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼设置与所述第一螺栓配合的圆孔，所述第一连接端、所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼通过所述第一螺栓固定；所述电机驱动所述舵盘和所述传动螺旋丝杆绕所述传动螺旋丝杆的轴向转动，带动所述小臂绕所述第一螺栓旋转。

优选地，所述机器人单自由度运动关节，还包括角度测量机构，所述角度测量机构固定至所述小臂、所述第一大臂骨骼或所述第二大臂骨骼；所述角度测量机构测量所述第一螺栓旋转的角度。

优选地，所述机器人单自由度运动关节，还包括电位器和角度测量齿轮；所述第一螺栓的螺母上设置与所述第一螺栓同轴的螺母齿轮；所述电位器固定至第一大臂骨骼和/或第二大臂骨骼；所述角度测量齿轮固定至所述电位器，所述角度测量齿轮的中心轴与所述电位器旋转中心轴重叠；所述角度测量齿轮啮合所述螺母齿轮。

优选地，所述机器人单自由度运动关节，还包括第二螺栓，所述舵机支架背离所述传动螺旋丝杆的一端和所述第二连接端设置与所述第二螺栓配合的圆孔，所述舵机支架和所述第二连接端通过所述第二螺栓固定；所述第二螺栓与所述第一螺栓平行设置。

优选地，所述传动螺旋丝杆和所述传动螺母的螺纹为多线螺纹。

优选地，所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼包括多个异型孔。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中使用舵机的机械关节输出力矩小、所需安装空间大、安装困难、关节运动精度差的技术问题；实施本发明的技术方案，传动螺旋丝杆和传动螺母使用多线螺纹、小臂设置第一连接端和第二连接端，利用杠杆原理提高输出扭矩；第一连接端和第二连接端距离较远，各部件较为分散，可以给舵机提供充足的安装空间、降低关节整体体积；第一连接端和第二连接端使用螺栓固定，安装便捷；设置电位器测量小臂旋转角度，采集小臂角度数据，提高小臂角度控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种具体实施方式的关节结构示意图；

图2为本发明的一种具体实施方式的关节分解图一；

图3为本发明的一种具体实施方式的关节分解图二；

图4为本发明的一种具体实施方式的角度测量齿轮结构示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-第一大臂骨骼；2-第二大臂骨骼；3-传动螺旋丝杆；4-传动螺母；5-小臂；501-第一连接端；502-第二连接端；6-舵机组件；601-舵机支架；602-舵盘；7-第一螺栓；8-电位器；9-角度测量齿轮；10-第二螺栓；11-异型孔；12-螺母齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一种具体实施方式中，一种机器人单自由度运动关节，如图1、图2、图3和图4所示，包括：第一大臂骨骼1、第二大臂骨骼2、传动螺旋丝杆3、传动螺母4、小臂5和舵机组件6；小臂5包括第一连接端501和第二连接端502，第一连接端501设置于小臂5端部；第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2对称设置，连接第一连接端501；传动螺旋丝杆3、传动螺母4和舵机组件6设置于第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2之间；传动螺母4啮合连接至传动螺旋丝杆3，两侧分别固定至第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2；舵机组件6包括舵机支架601、电机和舵盘602；舵盘602固定至传动螺旋丝杆3的一端；舵机支架601背离舵盘602的一端通过转动副固定至小臂5；电机连接舵盘602，驱动舵盘602和传动螺旋丝杆3绕传动螺旋丝杆3的轴向转动，带动小臂5绕第一连接端501旋转。

在该具体实施方式中，主要结构可以使用不锈钢等材料制备，使装置适用于户外作业环境。舵机支架601可以设置为可打开的封闭结构，舵盘602通过密封轴承固定至舵机支架601，电机设置于舵机支架601的内部，可以减少户外作业时雨水灰尘对电机的影响，可以延长装置的使用寿命。传动螺母4两侧设置螺栓结构，与第一大臂骨骼1、第二大臂骨骼2固定，用户也可以采用其他可拆卸或不可拆卸方式固定传动螺母4。电机可以使用步进电机或伺服电机。

需要驱动关节运动时，电机工作，传动螺旋丝杆3顺时针或逆时针旋转转动，由于传动螺母4与第一大臂骨骼1、第二大臂骨骼2位置固定，传动螺旋丝杆3会带动第二连接端502靠近或远离第一大臂骨骼1、第二大臂骨骼2，由于第一连接端501与第一大臂骨骼1、第二大臂骨骼2位置固定，可以实现小臂5绕第一连接端501的旋转，使装置起到机器人关节的作用。

在一种优选的实施方式中，如图1、图2、图3和图4所示，第一螺栓7与第二螺栓10的距离不小于3cm。

用户可以根据小臂5的重量、关节外部装置称重、电机功率等参数选择合适的距离。第一螺栓7与第二螺栓10有一定距离，可以利用杠杆原理提高舵机输出力矩的放大，从而提高小臂5的负载。同时，第一连接端501和第二连接端502具有教员，

在一种优选的实施方式中，如图1、图2、图3和图4所示，第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2通过转动副、球销副或球面副固定至第一连接端501。

在一种优选的实施方式中，一种机器人单自由度运动关节，如图1、图2、图3和图4所示，还包括第一螺栓7，第一连接端501设置与第一螺栓7配合的螺孔；第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2设置与第一螺栓7配合的圆孔，第一连接端501、第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2通过第一螺栓7固定；电机驱动舵盘602和传动螺旋丝杆3绕传动螺旋丝杆3的轴向转动，带动小臂5绕第一螺栓7旋转。

使用螺栓固定第二连接端502，便于安装和拆卸，可以降低机器人组装和后续维护的时间成本和人力成本，便于实现大批量化生产。第一螺栓7与螺孔啮合，会随着小臂5转动。

在一种优选的实施方式中，一种机器人单自由度运动关节，如图1、图2、图3和图4所示，还包括电位器8和角度测量齿轮9；第一螺栓7的螺母上设置与第一螺栓7同轴的螺母齿轮12；电位器8固定至第一大臂骨骼1内侧，电位器8的旋转中心轴通过第一大臂骨骼1上的圆孔延伸至第一大臂骨骼1外侧，连接角度测量齿轮9。背离传动螺旋丝杆3的一侧；角度测量齿轮9固定至电位器8，角度测量齿轮9的中心轴与电位器8旋转中心轴重叠；角度测量齿轮9啮合螺母齿轮12。

在该具体实施方式中，螺母齿轮12设置为朝向电位器8方向的半齿轮，当小臂5转动时，螺母齿轮12、第一螺栓7随着第一连接端501转动，螺母齿轮12带动角度测量齿轮9转动，使角度信息转化为电位器8的电信号。电位器8可以通过有线和/或无线装置连接至电机控制器、外部控制装置，便于关节精准控制角度，利于用户监控关节工作状况。

在一种优选的实施方式中，一种机器人单自由度运动关节，如图1、图2、图3和图4所示，还包括第二螺栓10，舵机支架601背离传动螺旋丝杆3的一端和第二连接端502设置与第二螺栓10配合的圆孔，舵机支架601和第二连接端502通过第二螺栓10固定；第二螺栓10与第一螺栓7平行设置。使用螺栓固定第二连接端502，便于安装和拆卸，可以降低机器人组装和后续维护的时间成本和人力成本，便于实现大批量化生产。

在一种优选的实施方式中，如图1、图2和图3所示，传动螺旋丝杆3和传动螺母4的螺纹为多线螺纹，可以提高传动螺旋丝杆3的驱动能力。

在一种优选的实施方式中，如图1、图2、图3和图4所示，第一大臂骨骼1和第二大臂骨骼2包括多个异型孔11，可以降低装置整体的重量，利于装置的运输和安装。用户可以根据小臂5负载、主体材料等参数选择合适的异形孔规格、类型和数量。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，包括：第一大臂骨骼、第二大臂骨骼、传动螺旋丝杆、传动螺母、小臂和舵机组件；

所述小臂包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端设置于所述小臂端部；

所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼对称设置，连接所述第一连接端；所述传动螺旋丝杆、所述传动螺母和所述舵机组件设置于所述所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼之间；

所述传动螺母啮合连接至所述传动螺旋丝杆，两侧分别固定至所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼；

所述舵机组件包括舵机支架、电机和舵盘；

所述舵盘固定至所述传动螺旋丝杆的一端；

所述舵机支架背离所述舵盘的一端通过转动副固定至所述小臂；

所述电机连接所述舵盘，驱动所述舵盘和所述传动螺旋丝杆绕所述传动螺旋丝杆的轴向转动，带动所述小臂绕所述第一连接端旋转。

2.根据权利要求1所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，所述第一螺栓与所述第二螺栓的距离不小于3cm。

3.根据权利要求2所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼通过转动副、球销副或球面副固定至所述第一连接端。

4.根据权利要求3所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，还包括第一螺栓，所述第一连接端设置与所述第一螺栓配合的螺孔；所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼设置与所述第一螺栓配合的圆孔，所述第一连接端、所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼通过所述第一螺栓固定；

所述电机驱动所述舵盘和所述传动螺旋丝杆绕所述传动螺旋丝杆的轴向转动，带动所述小臂绕所述第一螺栓旋转。

5.根据权利要求4所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，还包括角度测量机构，所述角度测量机构固定至所述小臂、所述第一大臂骨骼或所述第二大臂骨骼；所述角度测量机构测量所述第一螺栓旋转的角度。

6.根据权利要求5所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，还包括电位器和角度测量齿轮；所述第一螺栓的螺母上设置与所述第一螺栓同轴的螺母齿轮；

所述电位器固定至第一大臂骨骼和/或第二大臂骨骼；所述角度测量齿轮固定至所述电位器，所述角度测量齿轮的中心轴与所述电位器旋转中心轴重叠；

所述角度测量齿轮啮合所述螺母齿轮。

7.根据权利要求6所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，还包括第二螺栓，所述舵机支架背离所述传动螺旋丝杆的一端和所述第二连接端设置与所述第二螺栓配合的圆孔，所述舵机支架和所述第二连接端通过所述第二螺栓固定；

所述第二螺栓与所述第一螺栓平行设置。

8.根据权利要求1所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，所述传动螺旋丝杆和所述传动螺母的螺纹为多线螺纹。

9.根据权利要求1所述的一种机器人单自由度运动关节，其特征在于，所述第一大臂骨骼和所述第二大臂骨骼包括多个异型孔。