CN113547540A - 正交关节结构及人形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人形机器人领域，提供一种正交关节结构及人形机器人。正交关节结构包括十字轴、轴座和转动件。十字轴包括正交设置的第一轴和第二轴；轴座包括基座以及固定于基座上的两个支座，两支座分设于第一轴的相对两端，支座设有可供第一轴的端部穿设于其中的转动孔；转动件包括分别套接至第二轴的相对两端的两个转动脚，转动件能够绕第二轴转动。该正交关节结构具有两个正交的转动自由度，从而便于人形机器人的踝关节等关节部位采用该正交关节结构，灵活实现俯仰运动和翻滚运动。且该正交关节结构的结构简单，便于加工，加工精度可较高、装配件数量较少，从而提高了传动精度。

Description

正交关节结构及人形机器人

技术领域

本发明属于人形机器人技术领域，尤其涉及一种正交关节结构及人形机器人。

背景技术

现有人形机器人的踝关节等关节部位通常采用正交关节结构，以便于进行Pitch俯仰运动和Roll翻滚运动。然而，现有正交关节结构通常由众多零件拼装形成，普遍存在结构复杂、安装较复杂、传动精度较低等问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种正交关节结构，以解决现有正交关节结构存在的结构复杂、安装较复杂、传动精度较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种正交关节结构，包括：

十字轴，包括正交设置的第一轴和第二轴；

轴座，包括基座以及固定于所述基座上的两个支座，两所述支座分设于所述第一轴的相对两端，所述支座设有可供所述第一轴的端部穿设于其中的转动孔；

转动件，包括分别套接至所述第二轴的相对两端的两个转动脚，所述转动件能够绕所述第二轴转动。

在一个实施例中，所述正交关节结构还包括：

第一被检件，设于所述第一轴的其中一端，且相对于所述第一轴固定；

第一线路板，固定于靠近所述第一被检件的所述支座上，所述第一线路板朝向所述第一被检件的一侧设有第一检测器件，所述第一检测器件与所述第一被检件相对设置，所述第一检测器件用于与所述第一被检件配合，以检测出所述第一轴相对于所述轴座的相对转动角度。

在一个实施例中，所述第一被检件为磁石，所述第一检测器件为磁编码器。

在一个实施例中，所述第一被检件为块状结构，所述正交关节结构还包括：

第一固定座，可拆地连接于所述第一轴的其中一端，所述第一固定座设有可供所述第一被检件嵌设于其中的第一嵌槽。

在一个实施例中，所述正交关节结构还包括第一垫片和两个第一轴承，两所述第一轴承分别套接于所述第一轴的相对两端和对应的所述支座之间，所述第一垫片可拆地连接于所述第一轴远离所述第一固定座的一端；

其中一所述第一轴承被限位于所述第一轴的轴肩和所述第一固定座之间；

另外一所述第一轴承被限位于所述第一轴的另一轴肩和所述第一垫片之间。

在一个实施例中，所述正交关节结构还包括：

第二被检件，设于所述第二轴的其中一端，且相对于所述第二轴固定；

第二线路板，固定于靠近所述第二被检件的所述转动脚上，所述第二线路板朝向所述第二被检件的一侧设有第二检测器件，所述第二检测器件与所述第二被检件相对设置，所述第二检测器件用于与所述第二被检件配合，以检测出所述转动件相对于所述第二轴的相对转动角度。

在一个实施例中，所述第二被检件为磁石，所述第二检测器件为磁编码器。

在一个实施例中，所述第二被检件为块状结构，所述正交关节结构还包括：

第二固定座，可拆地连接于所述第二轴的其中一端，所述第二固定座设有可供所述第二被检件嵌设于其中的第二嵌槽。

在一个实施例中，所述正交关节结构还包括第二垫片和两个第二轴承，两所述第二轴承分别套接于所述第二轴的相对两端和对应的所述转动脚之间，所述第二垫片可拆地连接于所述第二轴远离所述第二固定座的一端；

其中一所述第二轴承被限位于所述第二轴的轴肩和所述第二固定座之间；

另外一所述第二轴承被限位于所述第二轴的另一轴肩和所述第二垫片之间。

本发明实施例的目的还在于提供一种人形机器人，包括所述正交关节结构。

本发明提供的有益效果在于：

本发明实施例提供的正交关节结构，通过将十字轴的第一轴的相对两端分别穿设于轴座的两支座的转动孔，而使十字轴和轴座可相对转动；且还通过将转动件的两个转动脚分别套接于十字轴的第二轴的相对两端，而使十字轴和转动件可相对转动；基于此，正交关节结构可具有两个正交的转动自由度，从而便于人形机器人的踝关节等关节部位采用该正交关节结构，实现Pitch俯仰运动和Roll翻滚运动。该正交关节结构设计灵巧，便于装配，加工精度较高、装配件数量较少，从而提高了传动精度。

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正交关节结构的立体示意图；

图2为图1提供的沿A-A的剖视图；

图3为图1提供的沿B-B的剖视图；

图4为本发明实施例提供的正交关节结构的爆炸示意图。

其中，图中各附图标记：

100-十字轴，110-第一轴，120-第二轴；200-轴座，210-基座，220-支座，221-转动孔；300-转动件，310-转动脚；400-第一被检件；500-第一线路板，510-第一检测器件；600-第一固定座，601-第一嵌槽；700-第一垫片；800-第一轴承；900-第二被检件；1000-第二线路板，1010-第二检测器件；1100-第二固定座，1101-第二嵌槽；1200-第二垫片，1300-第二轴承。

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。

在本发明的描述中，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：

请参阅图1、图2、图4，本发明实施例提供了一种正交关节结构，包括十字轴100、轴座200和转动件300。十字轴100包括正交设置的第一轴110和第二轴120；轴座200包括基座210以及固定于基座210上的两个支座220，两支座220分设于第一轴110的相对两端，支座220设有可供第一轴110的端部穿设于其中的转动孔221；转动件300包括分别套接至第二轴120的相对两端的两个转动脚310，转动件300能够绕第二轴120转动。

在此需要说明的是，十字轴100的第一轴110的相对两端分别穿设于轴座200的两支座220的转动孔221，基于此，轴座200将具有绕第一轴110转动的自由度，十字轴100也具有绕第一轴110的中轴线转动的自由度，即十字轴100和轴座200可相对转动。

转动件300的两个转动脚310分别套接于十字轴100的第二轴120的相对两端，基于此，转动件300将具有绕第二轴120转动的自由度，十字轴100也具有绕第二轴120的中轴线转动的自由度，即十字轴100和转动件300可相对转动。

而基于第一轴110和第二轴120正交的设置，正交关节结构所具有的两个转动自由度也呈正交关系。

即，本发明实施例提供的正交关节结构，通过将十字轴100的第一轴110的相对两端分别穿设于轴座200的两支座220的转动孔221，而使十字轴100和轴座200可相对转动；且还通过将转动件300的两个转动脚310分别套接于十字轴100的第二轴120的相对两端，而使十字轴100和转动件300可相对转动；基于此，正交关节结构可具有两个正交的转动自由度，从而便于人形机器人的踝关节等关节部位采用该正交关节结构，实现Pitch俯仰运动和Roll翻滚运动。该正交关节结构设计灵巧，便于装配，加工精度较高、装配件数量较少，从而提高了传动精度。

其中，十字轴100一体成型设置。如此设置，可进一步提高加工便利性和加工精度，且利于保障十字轴100的强度和刚度，而保障十字轴100可承受较大弯矩。

优选地，第一轴110的中心和第二轴120的中心重合。如此设置，可均衡第一轴110在第二轴120的相对两侧的相对两部分的长度、重量等，并均衡第二轴120在第一轴110的相对两侧的相对两部分的长度、重量等，从而可均衡十字轴100于各侧的强度和刚度，而均衡十字轴100的各侧可承受的弯矩范围。

请参阅图1、图2、图4，在本实施例中，正交关节结构还包括第一被检件400和第一线路板500，第一被检件400设于第一轴110的其中一端，且相对于第一轴110固定；第一线路板500固定于靠近第一被检件400的支座220上，第一线路板500朝向第一被检件400的一侧设有第一检测器件510，第一检测器件510与第一被检件400相对设置，第一检测器件510用于与第一被检件400配合，以检测出第一轴110相对于轴座200的相对转动角度。

在此需要说明的是，第一被检件400和第一线路板500设置在第一轴110的其中一个端侧处。其中，第一被检件400相对于第一轴110固定，第一线路板500及设于其上的第一检测器件510则相对于支座220固定；于是，在十字轴100(的第一轴110)与轴座200(的支座220)之间发生相对转动时，第一检测器件510会与第一被检件400保持相对设置、间隔设置，并发生相对偏转，如此，第一检测器件510即可与第一被检件400配合，而检测出十字轴100的第一轴110与轴座200之间的相对转动角度。从而可便于基于检测数据，而精准、可靠地控制正交关节结构进行动作，从而可保障并提高正交关节结构的使用性能和使用可靠性。

且第一被检件400和第一线路板500均靠近十字轴100设置，从而使得正交关节结构的结构紧凑，利于压缩正交关节结构整体的占用空间，这样的正交关节结构不仅可适应人形机器人狭小的设计空间，且还可保障甚至扩大采用其的关节部位的运动范围。

请参阅图1、图2、图4，在本实施例中，第一被检件400为磁石，第一检测器件510为磁编码器。

通过采用上述方案，在十字轴100(的第一轴110)与轴座200(的支座220)之间发生相对转动时，第一检测器件510可通过检测与其发生相对偏转的第一被检件400的磁场变化，而检测出十字轴100的第一轴110与轴座200之间的相对转动角度。检测便利，且检测精度较高。

当然，在其他可能的实施方式中，第一检测器件510也可为光栅编码器、电感编码器等等，第一被检件400则可为能够与第一检测器件510配合使用的器件。

请参阅图1、图2、图4，在本实施例中，第一被检件400为呈圆柱状的块状结构，正交关节结构还包括第一固定座600，第一固定座600可拆地连接于第一轴110的其中一端，第一固定座600设有可供第一被检件400嵌设于其中的第一嵌槽601。

通过采用上述方案，可通过将呈块状的第一被检件400嵌设于第一固定座600的第一嵌槽601中，再基于第一固定座600与第一轴110的端部的连接关系，而使第一被检件400相对于第一轴110固定，并使第一被检件400尽可能地靠近第一轴110设置，从而利于更紧凑化正交关节结构的结构，利于进一步压缩正交关节结构整体的占用空间，使得该正交关节结构可更适应人形机器人狭小的设计空间，且还利于进一步保障甚至扩大采用该正交关节结构的关节部位的运动范围。

请参阅图1、图2、图4，在本实施例中，正交关节结构还包括第一垫片700和两个第一轴承800，两第一轴承800分别套接于第一轴110的相对两端和对应的支座220之间，第一垫片700可拆地连接于第一轴110远离第一固定座600的一端；其中一第一轴承800被限位于第一轴110的轴肩和第一固定座600之间；另外一第一轴承800被限位于第一轴110的另一轴肩和第一垫片700之间。

在此需要说明的是，在第一轴110的相对两端均设有第一轴承800，第一轴承800可支撑于第一轴110和对应的支座220之间，以降低第一轴110和支座220之间发生相对转动时的摩擦系数，并保障其间的回转精度。

基于第一轴承800的设置，还利于扩大化第一轴110和第一轴承800所共同承受的弯矩范围，即扩大化十字轴100所能够承受的弯矩范围；且还利于缓解、降低第一轴110和支座220之间发生相对转动过程中的虚位感及响应滞后性，利于提高第一轴110和支座220之间发生相对转动时的灵敏度。

其中，第一轴承800可选为深沟球轴承、薄壁轴承、交叉滚子轴承或四点接触轴承等等。

在此还需要说明的是，在第一轴110的其中一端，第一垫片700可通过螺钉可拆地连接于第一轴110的端部，而将位于其内侧的第一轴承800限制在其和第一轴110的轴肩之间。基于此，可通过第一垫片700有效限制第一轴承800脱出第一轴110，甚至结合第一轴110的轴肩限制第一轴承800在第一轴110上的移动，从而便于保障靠近第一垫片700的第一轴承800在第一轴110和对应的支座220之间稳定地发挥效用。

而在第一轴110的另外一端，省略了垫片和螺钉的设置，而是通过第一固定座600内嵌第一被检件400以使第一被检件400相对于第一轴110固定，通过第一固定座600限制位于其内侧的第一轴承800脱出第一轴110，甚至通过第一固定座600综合第一轴110的轴肩共同限制第一轴承800在第一轴110上的移动。从而可稳定靠近第一固定座600的第一轴承800的位置，以保障靠近第一固定座600的第一轴承800能够在第一轴110和对应的支座220之间稳定地发挥效用。且基于上述设置，还可相应简化正交关节结构的结构，减少零件数量，提高传动精度；并可进一步压缩正交关节结构整体的占用空间，以使得该正交关节结构可更适应人形机器人狭小的设计空间，进而利于进一步保障甚至扩大采用该正交关节结构的关节部位的运动范围。

请参阅图1、图3、图4，在本实施例中，正交关节结构还包括第二被检件900和第二线路板1000，第二被检件900设于第二轴120的其中一端，且相对于第二轴120固定；第二线路板1000固定于靠近第二被检件900的转动脚310上，第二线路板1000朝向第二被检件900的一侧设有第二检测器件1010，第二检测器件1010与第二被检件900相对设置，第二检测器件1010用于与第二被检件900配合，以检测出转动件300相对于第二轴120的相对转动角度。

在此需要说明的是，第二被检件900和第二线路板1000设置在第二轴120的其中一个端侧处。其中，第二被检件900相对于第二轴120固定，第二线路板1000及设于其上的第二检测器件1010则相对于转动脚310固定；于是，在十字轴100(的第二轴120)与转动件300(的转动脚310)之间发生相对转动时，第二检测器件1010会与第二被检件900保持相对设置、间隔设置，并发生相对偏转，如此，第二检测器件1010即可与第二被检件900配合，而检测出十字轴100的第二轴120与转动件300之间的相对转动角度。从而可便于基于检测数据，而精准、可靠地控制正交关节结构进行动作，从而可保障并提高正交关节结构的使用性能和使用可靠性。

且第二被检件900和第二线路板1000均靠近十字轴100设置，从而使得正交关节结构的结构紧凑，利于压缩正交关节结构整体的占用空间，这样的正交关节结构不仅可适应人形机器人狭小的设计空间，且还可保障甚至扩大采用其的关节部位的运动范围。

请参阅图1、图3、图4，在本实施例中，第二被检件900为磁石，第二检测器件1010为磁编码器。

通过采用上述方案，在十字轴100(的第二轴120)与转动件300(的转动脚310)之间发生相对转动时，第二检测器件1010可通过检测与其发生相对偏转的第二被检件900的磁场变化，而检测出十字轴100的第二轴120与转动件300之间的相对转动角度。检测便利，且检测精度较高。

当然，在其他可能的实施方式中，第二检测器件1010也可为光栅编码器、电感编码器等等，第二被检件900则可为能够与第二检测器件1010配合使用的器件。

请参阅图1、图3、图4，在本实施例中，第二被检件900为呈圆柱状的块状结构，正交关节结构还包括第二固定座1100，第二固定座1100可拆地连接于第二轴120的其中一端，第二固定座1100设有可供第二被检件900嵌设于其中的第二嵌槽1101。

通过采用上述方案，可通过将呈块状的第二被检件900嵌设于第二固定座1100的第二嵌槽1101中，再基于第二固定座1100与第二轴120的端部的连接关系，而使第二被检件900相对于第二轴120固定，并使第二被检件900尽可能地靠近第二轴120设置，从而利于更紧凑化正交关节结构的结构，利于进一步压缩正交关节结构整体的占用空间，使得该正交关节结构可更适应人形机器人狭小的设计空间，且还利于进一步保障甚至扩大采用该正交关节结构的关节部位的运动范围。

请参阅图1、图3、图4，在本实施例中，正交关节结构还包括第二垫片1200和两个第二轴承1300，两第二轴承1300分别套接于第二轴120的相对两端和对应的转动脚310之间，第二垫片1200可拆地连接于第二轴120远离第二固定座1100的一端；其中一第二轴承1300被限位于第二轴120的轴肩和第二固定座1100之间；另外一第二轴承1300被限位于第二轴120的另一轴肩和第二垫片1200之间。

在此需要说明的是，在第二轴120的相对两端均设有第二轴承1300，第二轴承1300可支撑于第二轴120和对应的转动脚310之间，以降低第二轴120和转动脚310之间发生相对转动时的摩擦系数，并保障其间的回转精度。

基于第二轴承1300的设置，还利于扩大化第二轴120和第二轴承1300所共同承受的弯矩范围，即扩大化十字轴100所能够承受的弯矩范围；且还利于缓解、降低第二轴120和转动脚310之间发生相对转动过程中的虚位感及响应滞后性，利于提高第二轴120和转动脚310之间发生相对转动时的灵敏度。

其中，第二轴承1300可选为深沟球轴承、薄壁轴承、交叉滚子轴承或四点接触轴承等等。

在此还需要说明的是，在第二轴120的其中一端，第二垫片1200可通过螺钉可拆地连接于第二轴120的端部，而将位于其内侧的第二轴承1300限制在其和第二轴120的轴肩之间。基于此，可通过第二垫片1200有效限制第二轴承1300脱出第二轴120，甚至结合第二轴120的轴肩限制第二轴承1300在第二轴120上的移动，从而便于保障靠近第二垫片1200的第二轴承1300在第二轴120和对应的转动脚310之间稳定地发挥效用。

而在第二轴120的另外一端，省略了垫片和螺钉的设置，而是通过第二固定座1100内嵌第二被检件900以使第二被检件900相对于第二轴120固定，通过第二固定座1100限制位于其内侧的第二轴承1300脱出第二轴120，甚至通过第二固定座1100综合第二轴120的轴肩共同限制第二轴承1300在第二轴120上的移动。从而可稳定靠近第二固定座1100的第二轴承1300的位置，以保障靠近第二固定座1100的第二轴承1300能够在第二轴120和对应的转动脚310之间稳定地发挥效用。且基于上述设置，还可相应简化正交关节结构的结构，减少零件数量，提高传动精度；并可进一步压缩正交关节结构整体的占用空间，以使得该正交关节结构可更适应人形机器人狭小的设计空间，进而利于进一步保障甚至扩大采用该正交关节结构的关节部位的运动范围。

请参阅图1、图4，本发明实施例还提供了一种人形机器人，包括正交关节结构。正交关节结构可用于人形机器人的如踝关节等关节部位。

示例地，当人形机器人的踝关节采用上述正交关节结构时，可将人形机器人的骨架作为转动件300，并将轴座200的基座210与脚板连接。如此，骨架与脚板之间，可经过经由两个正交的相对转动，而调整相对状态。从而使得脚板可相对于骨架，进行翻滚运动(Roll，即左右摆动)和俯仰运动(Pitch，即上下摆动)，活动灵活，且活动范围较大。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正交关节结构，其特征在于，包括：

十字轴，包括正交设置的第一轴和第二轴；

轴座，包括基座以及固定于所述基座上的两个支座，两所述支座分设于所述第一轴的相对两端，所述支座设有可供所述第一轴的端部穿设于其中的转动孔；

转动件，包括分别套接至所述第二轴的相对两端的两个转动脚，所述转动件能够绕所述第二轴转动。

2.如权利要求1所述的正交关节结构，其特征在于，所述正交关节结构还包括：

第一被检件，设于所述第一轴的其中一端，且相对于所述第一轴固定；

第一线路板，固定于靠近所述第一被检件的所述支座上，所述第一线路板朝向所述第一被检件的一侧设有第一检测器件，所述第一检测器件与所述第一被检件相对设置，所述第一检测器件用于与所述第一被检件配合，以检测出所述第一轴相对于所述轴座的相对转动角度。

3.如权利要求2所述的正交关节结构，其特征在于，所述第一被检件为磁石，所述第一检测器件为磁编码器。

4.如权利要求2所述的正交关节结构，其特征在于，所述第一被检件为块状结构，所述正交关节结构还包括：

第一固定座，可拆地连接于所述第一轴的其中一端，所述第一固定座设有可供所述第一被检件嵌设于其中的第一嵌槽。

5.如权利要求4所述的正交关节结构，其特征在于，所述正交关节结构还包括第一垫片和两个第一轴承，两所述第一轴承分别套接于所述第一轴的相对两端和对应的所述支座之间，所述第一垫片可拆地连接于所述第一轴远离所述第一固定座的一端；

其中一所述第一轴承被限位于所述第一轴的轴肩和所述第一固定座之间；

另外一所述第一轴承被限位于所述第一轴的另一轴肩和所述第一垫片之间。

6.如权利要求1-5中任一项所述的正交关节结构，其特征在于，所述正交关节结构还包括：

第二被检件，设于所述第二轴的其中一端，且相对于所述第二轴固定；

第二线路板，固定于靠近所述第二被检件的所述转动脚上，所述第二线路板朝向所述第二被检件的一侧设有第二检测器件，所述第二检测器件与所述第二被检件相对设置，所述第二检测器件用于与所述第二被检件配合，以检测出所述转动件相对于所述第二轴的相对转动角度。

7.如权利要求6所述的正交关节结构，其特征在于，所述第二被检件为磁石，所述第二检测器件为磁编码器。

8.如权利要求6所述的正交关节结构，其特征在于，所述第二被检件为块状结构，所述正交关节结构还包括：

第二固定座，可拆地连接于所述第二轴的其中一端，所述第二固定座设有可供所述第二被检件嵌设于其中的第二嵌槽。

9.如权利要求8所述的正交关节结构，其特征在于，所述正交关节结构还包括第二垫片和两个第二轴承，两所述第二轴承分别套接于所述第二轴的相对两端和对应的所述转动脚之间，所述第二垫片可拆地连接于所述第二轴远离所述第二固定座的一端；

其中一所述第二轴承被限位于所述第二轴的轴肩和所述第二固定座之间；

另外一所述第二轴承被限位于所述第二轴的另一轴肩和所述第二垫片之间。

10.一种人形机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的正交关节结构。

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