CN112809730B - 关节运动机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种关节运动机构及机器人，关节运动机构包括执行件、转动连接于执行件上的固定架以及两个传动机构，在第一方向上，两个传动机构分别设于固定架的相对两侧，在第二方向上，两个传动机构设于固定架的同一侧，传动机构包括驱动组件、丝杆组件以及连杆结构，连杆结构的一端转动连接于丝杆组件的运动端，另一端转动连接于执行件。本发明提供的关节运动机构及机器人，通过丝杆组件和连杆结构驱动执行件俯仰和翻滚，驱动组件的位置相对执行件较远，应用于机器人中时，驱动组件的位置较高，能够提高机器人的质心。在丝杆组件的长度方向上，丝杆结构与连杆结构部分重合，不会占用过大的长度空间，使其结构更加紧凑。

Description

关节运动机构及机器人

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，更具体地说，是涉及一种关节运动机构及机器人。

背景技术

腿式机器人的大多数关节都是双自由度的，即可以同时进行俯仰运动和翻滚运动，因此需要两个电机驱动来控制其俯仰角和翻滚角。目前的舵机布置形式部分为正交设置，特别是针对中小型机器人。这往往造成机器人关节处尺寸较大，整体惯量大，质心比较低，对于关节舵机的力矩需求也比较大，因而造成机器人运动性能下降。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种关节运动机构及机器人，以解决现有技术中存在的机器人质心过低、对关节舵机力矩需求较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种关节运动机构，包括执行件、转动连接于所述执行件上的固定架以及两个传动机构，在第一方向上，两个所述传动机构分别设于所述固定架的相对两侧，在第二方向上，两个所述传动机构设于所述固定架的同一侧，所述第一方向和所述第二方向呈夹角设置，所述传动机构包括驱动组件、由所述驱动组件驱动的丝杆组件以及连杆结构，所述连杆结构的一端转动连接于所述丝杆组件的运动端，所述连杆结构的另一端转动连接于所述执行件。

在一个实施例中，所述连杆结构的其中一端通过关节轴承连接于所述丝杆组件的运动端，所述连杆结构的另一端通过关节轴承或者第一万向节转动连接于所述执行件。

在一个实施例中，所述第一万向节包括第一U形架、套筒和第一滚动轴承，所述第一U形架固定于所述连杆结构的一端，所述套筒设置于所述第一U形架内，所述套筒的两侧分别固定有所述第一滚动轴承，使所述套筒的两侧分别与所述第一U形架的两侧通过所述第一滚动轴承转动连接，所述套筒内至少设有一个用于与所述执行件转动连接的所述第一滚动轴承。

在一个实施例中，所述执行件上固定有支撑轴，所述支撑轴的两端分别支撑于两个所述传动机构的所述套筒内的所述第一滚动轴承中。

在一个实施例中，所述丝杆组件包括丝杆结构、螺纹连接于所述丝杆结构上的螺母块以及用于导向所述螺母块的导向结构，所述丝杆结构的一端固定连接于所述驱动组件，所述丝杆结构的另一端支撑于所述固定架，所述连杆结构的一端转动连接于所述螺母块。

在一个实施例中，所述导向结构包括固定于所述固定架上的滑轨、与所述滑轨滑动连接的滑块以及固定于所述滑块上的感应杆，所述螺母块与所述滑块固定连接，所述固定架上还固定有用于检测所述感应杆位置的位置传感器。

在一个实施例中，所述固定架上具有定位台阶，所述滑轨的一端抵接于所述定位台阶的表面。

在一个实施例中，所述固定架上设置有用于支撑所述丝杆结构的丝杆架，所述丝杆架和所述固定架通过调节螺钉连接，所述丝杆架上至少设置有两个第一连接孔，所述固定架上开设有与所述第一连接孔正对的第二连接孔，其中两个所述第一连接孔分别设置于所述丝杆结构的两侧，所述调节螺钉穿过所述第一连接孔并连接于所述第二连接孔内。

在一个实施例中，所述驱动组件包括电机、传动组件以及安装板，所述传动组件的输入端连接于所述驱动组件，所述传动组件的输出端连接于所述丝杆组件，所述电机和所述丝杆组件设于所述安装板的同一侧。

本发明还提供一种机器人，包括上述的关节运动机构。

本发明提供的关节运动机构及机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明关节运动机构包括执行件、固定架以及两个传动机构，固定架与执行件转动连接，传动机构包括驱动组件、丝杆组件和连杆结构，驱动组件驱动丝杆组件运动，连杆结构的两端分别转动连接于丝杆组件的运动端和执行件，因此丝杆组件输出端的运动能够通过连杆结构推动执行件摆动。在两个传动机构运动方向相同时，可以实现执行件的俯仰运动，在两个传动机构运动方向相反时，可以实现执行件的翻滚运动。本发明提供的关节运动机构通过丝杆组件和连杆结构驱动执行件俯仰和翻滚，驱动组件的位置相对执行件较远，应用于机器人中时，驱动组件的位置较高，能够提高机器人的质心，减小对驱动组件的力矩需求。而且，在丝杆组件的长度方向上，丝杆结构与连杆结构部分重合，不会占用过大的长度空间，可以使关节运动机构的结构更加紧凑，能够适用于中小型机器人中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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些实施例，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为本发明实施例提供的关节运动机构的立体结构图一；

图2为本发明实施例提供的关节运动机构的立体结构图二；

图3为本发明实施例提供的关节运动机构的侧视图；

图4为本发明实施例提供的第一万向节的爆炸结构图；

图5为本发明实施例提供的第二万向节的爆炸结构图。

其中，图中各附图标记：

1-传动机构；11-驱动组件；111-电机；112-传动组件；113-安装板；12-丝杆组件；121-丝杆结构；122-螺母块；123-导向结构；1231-滑轨；1232-滑块；1233-感应杆；124-位置传感器；1241-感应槽；13-连杆结构；2-固定架；21-定位台阶；22-丝杆架；221-丝杆孔；222-第一连接孔；3-执行件；31-支撑座；32-支撑轴；4-第一万向节；41-第一U形架；42-套筒；421-凸起柱；43-第一滚动轴承；5-第二万向节；51-第二U形架；52-第三U形架；53-十字节；54-第二滚动轴承；55-第一角度传感器；56-第二角度传感器；6-关节轴承。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明实施例提供的关节运动机构进行说明。本发明实施例提供的关节运动机构可应用于机器人的踝关节中，实现脚板的前后摇摆和左右摇摆，也可以应用于机器人的髋关节中，实现腿部结构的前后摇摆和左右摇摆，也可以应用于机器人的肩关节中，实现手臂结构的前后摇摆和左右摇摆。

在本发明的其中一个实施例中，请一并参阅图1至图3，关节运动机构包括执行件3、固定架2和两个传动机构1，固定架2转动连接于执行件3，两个传动机构1均设置在固定架2上，两个传动机构1的运动端均转动连接于执行件3，可以推动执行件3相对固定架2转动。其中，在第一方向上，两个传动机构1分别设置在固定架2的相对两侧，在第二方向上，两个传动机构1设置在固定架2的同一侧，第一方向为X方向，第二方向为Y方向，X方向和Y方向呈夹角设置。如此，在两个传动机构1的运动端方向相同时，实现执行件3的俯仰运动，在两个传动机构1的运动端的方向相反时，实现执行件3的翻滚运动。在该关节运动机构应用至机器人时，执行件3的俯仰运动对应前后摇摆运动，执行件3的翻滚运动对应左右摇摆运动。传动机构1包括驱动组件11、丝杆组件12和连杆结构13，驱动组件11提供动力，驱动丝杆组件12运动，连杆结构13的两端分别转动连接于丝杆组件12的运动端和执行件3，这样，在传动机构1运动时，驱动丝杆组件12运动，丝杆组件12输出直线运动，从而使连杆结构13摆动，进而推动执行件3摆动。在丝杆组件12的长度方向上，连杆结构13部分与丝杆组件12重叠，即连杆结构13与丝杆组件12共用一部分的长度空间，因此可以尽可能地缩小关节运动机构在丝杆组件12长度方向上的尺寸，使该关节运动机构结构更紧凑，能够适用于中小型机器人中。

上述实施例中的关节运动机构，包括执行件3、固定架2以及两个传动机构1，固定架2与执行件3转动连接，传动机构1包括驱动组件11、丝杆组件12和连杆结构13，驱动组件11驱动丝杆组件12运动，连杆结构13的两端分别转动连接于丝杆组件12的运动端和执行件3，因此丝杆组件12输出端的运动能够通过连杆结构13推动执行件3摆动。在两个传动机构1运动方向相同时，可以实现执行件3的俯仰运动，在两个传动机构1运动方向相反时，可以实现执行件3的翻滚运动。本发明提供的关节运动机构通过丝杆组件12和连杆结构13驱动执行件3俯仰和翻滚，驱动组件11的位置相对执行件3较远，应用于机器人中时，驱动组件11的位置较高，能够提高机器人的质心，减小对驱动组件11的力矩需求。而且，在丝杆组件12的长度方向上，丝杆结构121与连杆结构13部分重合，不会占用过大的长度空间，可以使关节运动机构的结构更加紧凑，能够适用于中小型机器人中。

可选地，X方向和Y方向相互垂直，当关节运动机构应用于机器人中时，X方向为左右方向，Y方向为前后方向。需要说明的是，左右前后是以机器人的前进方向为基准。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，连杆结构13的其中一端通过关节轴承6连接于运动端，连杆结构13的另一端通过第一万向节4转动连接于执行件3。关节轴承6是一种球面滑动轴承，使得连杆结构13可以相对丝杆组件12的运动端万向转动，避免连杆结构13与丝杆组件12卡死，关节轴承6的体积较小，用于连接丝杆组件12的运动端和连杆结构13，不会占用过多的空间，也能够满足连杆结构13相对丝杆组件12的运动端的转动角度需求。第一万向节4的设置使执行件3能够相对连杆结构13万向转动，万向节连接使执行件3能够转动较大的角度，使得执行件3的俯仰角度可达到±60°，翻转角度可达到±40°。在其他实施例中，连杆结构13的其中一端通过关节轴承6连接于运动端，连杆结构13的另一端也通过关节轴承6转动连接于执行件3，该实施例可适用于执行件3转动角度较小的情况，关节轴承6体积较小，有利于关节运动机构的小型化。

当连杆结构13通过第一万向节4转动连接于执行件3时，请参阅图4，第一万向节4包括第一U形架41、套筒42和第一滚动轴承43，第一U形架41固定于连杆结构13的端部，套筒42设置于第一U形架41的内部，套筒42的两侧均固定有第一滚动轴承43，使第一U形架41的一侧通过一个第一滚动轴承43与套筒42的其中一侧转动连接，第一U形架41的另一侧通过另一个第一滚动轴承43与套筒42的另一侧转动连接。如此，使得套筒42被支撑于第一U形架41内。可选地，第一U形架41的两侧均开设有轴承孔，套筒42的两侧均凸起形成有凸起柱421，对应的第一滚动轴承43的内圈固定于凸起柱421上，第一滚动轴承43的外圈固定于第一U形架41的轴承孔内，如此实现套筒42和第一U形架41的转动连接。套筒42的内部还设置有第一滚动轴承43，执行件3通过套筒42内部的第一滚动轴承43与套筒42转动连接。套筒42相对第一U形架41转动的转动轴、执行件3相对套筒42转动的转动轴相互垂直，形成与十字型万向节功能相同的万向节。本实施例中的第一万向节4将十字型万向节中的其中一个U形架简化呈套筒42，缩小了万向节的体积，使关节运动机构的结构更加紧凑。本实施例中的第一万向节4具有多个第一滚动轴承43，使第一万向节4内部的间隙和虚位小，运动精度高，而且能够保证比较大的运动范围和复合角度。

可选地，套筒42内部的第一滚动轴承43的数量为一个或者两个，其数量此处不作限定。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2及图4，执行件3上固定有支撑轴32，支撑轴32的端部支撑于套筒42内的第一滚动轴承43中，从而实现执行件3与套筒42的转动连接。可选地，执行件3上固定有支撑座31，支撑轴32固定于支撑座31中，通过支撑座31实现执行件3和支撑轴32的固定连接。

在本发明的其中一个实施例中，当连杆结构13通过第一万向节4转动连接于执行件3时，两个传动机构1中的第一万向节4共用一个支撑轴32，支撑轴32的两端分别伸入对应的两个套筒42内的第一滚动轴承43中，支撑轴32的两端分别与对应的两个第一滚动轴承43的内圈过盈配合。当连杆结构13通过关节轴承6转动连接于执行件3时，两个传动机构1中的关节轴承6共用一个支撑轴32，支撑轴32的两端分别支撑于对应的两个关节轴承6内。

可选地，支撑轴32的中间的直径大于其两端的直径，可由中间向两端逐渐变细，保证其末端的刚度，使其不易变形。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2及图3，丝杆组件12包括丝杆结构121、螺母块122和导向结构123，丝杆结构121的一端固定连接于驱动组件11，丝杆结构121的另一端支撑于固定架2，在驱动组件11工作时，丝杆结构121随之旋转，螺纹连接于丝杆结构121上的螺母块122在导向结构123的导向下直线运动，从而使得丝杆组件12输出直线运动。连杆结构13的一端转动连接于螺母块122，螺母块122直线运动时可以推动连杆结构13摆动，从而推动执行件3摆动。其中，丝杆结构121可选为滚珠丝杆、梯形丝杆、行星滚柱丝杆等。

可选地，导向结构123包括滑轨1231、滑块1232和感应杆1233，滑轨1231可固定在固定架2上，滑块1232滑动连接于滑轨1231，且螺母块122与滑块1232固定连接，因此，使得螺母块122只能沿滑轨1231的长度方向运动。滑轨1231不仅可以对螺母块122进行导向，还可以辅助丝杆结构121承担径向载荷(丝杆结构121的径向)，防止丝杆结构121弯曲。固定架2上设置有位置传感器124，感应杆1233的一端固定于滑块1232，感应杆1233的另一端与位置传感器124相正对，使位置传感器124能够检测感应杆1233的位置，从而可以检测出螺母块122的位置。可选地，位置传感器124开设有感应槽1241，感应杆1233一端固定于滑块1232，另一端伸入感应槽1241内，感应槽1241呈长条形，且感应槽1241的长度方向与滑轨1231的长度方向相同。

可选地，固定架2上具有定位台阶21，使得滑轨1231的一端可以抵接在定位台阶21的表面，便于对滑轨1231进行安装定位，在滑轨1231进行初步定位后，可采用滑轨专用安装工具对滑轨1231进行安装，保证其直线度，然后再安装丝杆结构121。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图5，固定架2上设置有丝杆架22，丝杆架22用于支撑丝杆结构121的其中一端，丝杆架22上开设有丝杆孔221，丝杆孔221内设置有轴承，丝杆结构121的一端插入丝杆孔221的轴承内，使丝杆结构121能够相对丝杆架22转动。丝杆架22和固定架2通过调节螺钉连接，丝杆架22上至少开设有两个第一连接孔222，固定架2上相应开设有第二连接孔，第一连接孔222和第二连接孔正对设置，且第一连接孔222和第二连接孔的数量相同，调节螺钉穿过第一连接孔222并连接于第二连接孔，实现丝杆架22和固定架2的连接。其中两个第一连接孔222分别设置在丝杆结构121的两侧，因此，当旋转调节螺钉时，可以调节固定架2和丝杆结构121之间的间隙，从而可以调节丝杆结构121靠近丝杆架22的一端与固定架2之间的距离，进而可以调节丝杆结构121和滑轨1231的平行度。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图5，固定架2和执行件3通过第二万向节5万向转动连接。第二万向节5包括第二U形架51、第三U形架52、十字节53和第二滚动轴承54，第二U形架51固定于执行件3，第三U形架52固定于固定架2，十字节53的其中两侧分别通过第二滚动轴承54转动连接于第二U形架51的两侧，十字节53的另外两侧分别通过第二滚动轴承54转动连接于第三U形架52的两侧，从而实现固定架2和执行件3的万向转动连接。第二万向节5上还设有第一角度传感器55和第二角度传感器56，第一角度传感器55用于检测和记录俯仰角度，第二角度传感器56用于检测和记录翻滚角度。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，驱动组件11包括电机111、传动组件112以及安装板113，安装板113可固定在固定架2上，电机111固定在安装板113上，传动组件112的输入端连接于电机111，传动组件112的输出端连接于丝杆组件12。在电机111工作时，通过传动组件112的传动，使丝杆组件12中的丝杆结构121转动。传动组件112的设置可以使电机111和丝杆组件12设置于安装板113的同一侧，从而可以缩短关节运动机构的长度尺寸，尽可能使其布局紧凑；传动组件112可设置于安装板113的另一侧。结合图1，传动组件112设于安装板113的上侧，电机111和丝杆组件12设于安装板113的下侧。两个驱动组件11可共用同一个安装板113，即两个电机111均固定在同一个安装板113上。其中，电机111可以是力矩电机、无刷直流电机、有刷直流电机等。传动组件112可以是多级齿轮传动组件、带轮组件等。

可选地，电机111的输出端也设置有角度传感器，可以为磁编码或者光编码传感器。

本发明还提供一种机器人，机器人包括上述任一实施例中的关节运动机构，该关节运动机构可应用于机器人的踝关节、髋关节或肩关节中。例如，当该关节运动机构应用于机器人的踝关节中时，执行件3则为脚板结构，固定架2则为小腿骨架，能够实现脚板结构的前后摆动和左右摆动。

本发明提供的机器人，采用了上述的关节运动机构，该关节运动机构包括执行件3、固定架2以及两个传动机构1，固定架2与执行件3转动连接，传动机构1包括驱动组件11、丝杆组件12和连杆结构13，驱动组件11驱动丝杆组件12运动，连杆结构13的两端分别转动连接于丝杆组件12的运动端和执行件3，因此丝杆组件12输出端的运动能够通过连杆结构13推动执行件3摆动。在两个传动机构1运动方向相同时，可以实现执行件3的俯仰运动，在两个传动机构1运动方向相反时，可以实现执行件3的翻滚运动。该关节运动机构通过丝杆组件12和连杆结构13驱动执行件3俯仰和翻滚，驱动组件11的位置相对执行件3较远，应用于机器人中时，驱动组件11的位置较高，能够提高机器人的质心，减小对驱动组件11的力矩需求。而且，在丝杆组件12的长度方向上，丝杆结构121与连杆结构13部分重合，不会占用过大的长度空间，可以使关节运动机构的结构更加紧凑，能够适用于中小型机器人中。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关节运动机构，其特征在于：包括执行件、转动连接于所述执行件上的固定架以及两个传动机构，在第一方向上，两个所述传动机构分别设于所述固定架的相对两侧，在第二方向上，两个所述传动机构设于所述固定架的同一侧，所述第一方向和所述第二方向呈夹角设置，所述传动机构包括驱动组件、由所述驱动组件驱动的丝杆组件以及连杆结构，所述连杆结构的一端转动连接于所述丝杆组件的运动端，所述连杆结构的另一端转动连接于所述执行件。

2.如权利要求1所述的关节运动机构，其特征在于：所述连杆结构的其中一端通过关节轴承连接于所述丝杆组件的运动端，所述连杆结构的另一端通过关节轴承或者第一万向节转动连接于所述执行件。

3.如权利要求2所述的关节运动机构，其特征在于：所述第一万向节包括第一U形架、套筒和第一滚动轴承，所述第一U形架固定于所述连杆结构的一端，所述套筒设置于所述第一U形架内，所述套筒的两侧分别固定有所述第一滚动轴承，使所述套筒的两侧分别与所述第一U形架的两侧通过所述第一滚动轴承转动连接，所述套筒内至少设有一个用于与所述执行件转动连接的所述第一滚动轴承。

4.如权利要求3所述的关节运动机构，其特征在于：所述执行件上固定有支撑轴，所述支撑轴的两端分别支撑于两个所述传动机构的所述套筒内的所述第一滚动轴承中。

5.如权利要求1所述的关节运动机构，其特征在于：所述丝杆组件包括丝杆结构、螺纹连接于所述丝杆结构上的螺母块以及用于导向所述螺母块的导向结构，所述丝杆结构的一端固定连接于所述驱动组件，所述丝杆结构的另一端支撑于所述固定架，所述连杆结构的一端转动连接于所述螺母块。

6.如权利要求5所述的关节运动机构，其特征在于：所述导向结构包括固定于所述固定架上的滑轨、与所述滑轨滑动连接的滑块以及固定于所述滑块上的感应杆，所述螺母块与所述滑块固定连接，所述固定架上还固定有用于检测所述感应杆位置的位置传感器。

7.如权利要求6所述的关节运动机构，其特征在于：所述固定架上具有定位台阶，所述滑轨的一端抵接于所述定位台阶的表面。

8.如权利要求5所述的关节运动机构，其特征在于：所述固定架上设置有用于支撑所述丝杆结构的丝杆架，所述丝杆架和所述固定架通过调节螺钉连接，所述丝杆架上至少设置有两个第一连接孔，所述固定架上开设有与所述第一连接孔正对的第二连接孔，其中两个所述第一连接孔分别设置于所述丝杆结构的两侧，所述调节螺钉穿过所述第一连接孔并连接于所述第二连接孔内。

9.如权利要求1-8任一项所述的关节运动机构，其特征在于：所述驱动组件包括电机、传动组件以及安装板，所述传动组件的输入端连接于所述驱动组件，所述传动组件的输出端连接于所述丝杆组件，所述电机和所述丝杆组件设于所述安装板的同一侧。

10.机器人，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的关节运动机构。

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