CN205928714U - 一种机器人旋转关节驱动模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人旋转关节驱动模块，主要由丝杆机构、三连杆机构组成，具体包括直流电机、联轴器、滚珠丝杆固定座、滑块、丝杆、滚珠丝杆支撑座、连接件、连杆、支撑杆组件a、支撑杆组件b、支撑杆组件c、定位连接板a、定位连接板b。本实用新型所述机器人旋转关节驱动模块基于滚珠丝杆原理，结合三连杆机构特性，由丝杆机构带动三连杆机构，实现变速驱动和力矩高效传递，提高了旋转关节的驱动效率，降低了关节转动对驱动电机的功率要求。本实用新型所述机器人旋转关节驱动模块的上、下端管件分别加工为内、外螺纹结构，便于实现模块之间的相互连接。本实用新型所述机器人旋转关节驱动模块结构简单紧凑，便于实现，应用于人形机器人，有助于简化机械结构，降低姿态变化能耗和控制难度。

Description

一种机器人旋转关节驱动模块

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，涉及滚珠丝杆原理、三连杆机构特性和直流电机驱动，是一种具有可通用性的旋转关节驱动模块。

背景技术

在某一运动平面，人的下肢体各关节均表现为正/反方向的旋转运动。目前机器人旋转关节驱动方式主要有(1)液压驱动方式；(2)伺服电机加谐波减速齿轮的驱动方式；(3)气动人工肌肉驱动方式；(4)直流电机加滚珠丝杆的驱动方式。

液压驱动方式应用比较广泛，但是由于液压驱动方式占用空间较大，重量较大，难以实现机器人的小型化。伺服电机加谐波减速齿轮的驱动方式，由于电机的功率重量比小，输出力矩小，要使关节能够输出较大力矩，必然导致电机重量、体积的增大，导致关节尺寸相对较大；而且电机急速的启停容易造成较大冲击，动作平滑性差；机器人在行走时不仅需要较大的转矩，而且转矩的变化也很复杂，所以这种驱动方式对电机要求比较高。气动人工肌肉驱动，是一种接近人体肌肉运动的驱动方式，但是气动人工肌肉是一种典型的单向柔性驱动器件，其缩放运动受外载荷变化的影响大。滚珠丝杆式的驱动方式更接近于人的肌肉收缩来拉动关节的运动方式，能够提供较大的转矩。而且，这种驱动方式具有很高的减速比和力矩变向传递特点而使其本身具备一定的瞬时保持功能，所以在有限负荷条件下可以省去制动装置，降低能耗，节省制造成本，减轻本体重量。

中国专利CN101870111A，机器人的关节驱动装置，包括气动人工肌肉驱动部，直流伺服电机驱动部，机器人关节部，机器人关节转角测量部。该发明利用电机驱动与气动人工驱动相结合，实现关节驱动装置的柔顺性。但是由于气动人工肌肉的非线性较大，给控制带来不便；并且由于气动人工肌肉工作需要 使用气泵，增加了机器人的负载。

中国专利CN102189556A，带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，主要由前连杆、后连杆、关节转轴、关节轴承、柔顺轴套、气动肌肉、缓冲机构、偏置弹簧组成。该发明利用气动肌肉作为主要的驱动部件，实现关节的柔顺性，同时在关节中加入缓冲弹簧和柔顺轴套，能有效缓冲并可扩展转动关节的运动自由度，提高了关节的抗冲击能力和工作性能。但同样由于气动肌肉本身的一些局限性，导致其不能满足对机器人日益提高的要求。

实用新型内容

本实用新型针对现有旋转关节驱动装置的不足，基于滚珠丝杆原理，结合三连杆机构特性提出一种可通用的新型旋转关节驱动模块。采用本实用新型关节模块简化了组合式机械模型结构，降低了关节转动对驱动电机的功率要求，降低了姿态变化能耗和控制难度。

本实用新型技术方案如下：一种机器人旋转关节驱动模块，主要包括丝杆机构和三连杆机构，其特征在于，由丝杆机构带动三连杆机构；所述丝杆机构包括直流电机、联轴器、滚珠丝杆固定座、滑块、丝杆、滚珠丝杆支撑座、定位连接板a、支撑杆组件b、定位连接板b、支撑杆组件c；所述丝杆通过联轴器与直流电机联接；所述丝杆由滚珠丝杆固定座和滚珠丝杆支撑座固定安装；所述三连杆机构包括滑块、连接件、连杆、支撑杆组件a；所述丝杆机构和三连杆机构通过滑块相互耦合在一起；所述支撑杆组件c的上端加工为螺纹孔结构，连接件的下端加工为螺栓式外螺纹杆结构，两种结构配合联接。

所述丝杆的转动带动滑块以丝杆和支撑杆组件a为导轨作往复直线运动。

所述三连杆机构，其各部件之间采用柔性连接，其中连接件和连杆的长度不变，支撑杆组件a为三连杆机构中的一边，其有效边长随着滑块的移动发生变化，带动连接件以顶点为中心作旋转运动。

所述支撑杆组件a、支撑杆组件b和支撑杆组件c之间采用螺纹连接，且与所述丝杆平行放置。

所述支撑杆组件a的外伸板、定位连接板a和定位连接板b分别用于滚珠丝杆支撑座、滚珠丝杆固定座、直流电机的定位和安装固定。

本实用新型的有益效果主要表现为：本实用新型将滚珠丝杆机构和三连杆机构有机结合，实现了变速驱动和力矩高效传递，提高了旋转关节的驱动效率，降低了关节转动对驱动电机的功率要求。

本实用新型采用滚珠丝杆驱动方式具有很高的减速比和力矩变向传递特点而使其本身具备一定的瞬时保持功能，在有限负荷条件下可以省去制动装置，降低启动和调控能耗，节省制造成本，减轻本体重量。

本实用新型所述机器人旋转关节驱动模块的上端管件和下端管件分别加工为内、外螺纹结构，则不需要设置其它连接件便可实现模块之间的相互连接。

本实用新型所述支撑杆组件采用铝合金管体，不仅价格便宜、容易获取，而且给传感、控制布线提供了空间。

附图说明

图1为本实用新型所述关节模块的主视图；

图2为本实用新型所述支撑杆装配体的爆炸图；

图3为本实用新型所述支撑杆组件a的实体图；

图4为本实用新型所述支撑杆组件b的实体图；

图5为本实用新型所述支撑杆组件c的实体图；

图6为本实用新型所述滑块的实体图；

图7为本实用新型所述关节模块的逆时针运动示意图；

图8为本实用新型所述关节模块的顺时针运动示意图；

图9为本实用新型所述关节模块的运动原理图；

图中：1-直流电机，2-联轴器，3-滚珠丝杆固定座，4-滑块(4-a-滚珠螺母、4-b-法兰直线轴承、4-c-滑块连接件、4-d-固定连接板)，5-丝杆，6-滚珠丝杆支撑座，7-连接件，8-连杆，9-支撑杆组件a，10-定位连接板a，11-支 撑杆组件b，12-定位连接板b，13-支撑杆组件c，O-顶点，P-运动杆件。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型所述关节模块的主视图。本实用新型主要由丝杆机构、三连杆机构组成，具体包括直流电机(1)、联轴器(2)、滚珠丝杆固定座(3)、滑块(4)、丝杆(5)、滚珠丝杆支撑座(6)、连接件(7)、连杆(8)、支撑杆组件a(9)、定位连接板a(10)、支撑杆组件b(11)、定位连接板b(12)、支撑杆组件c(13)。直流电机(1)通过联轴器(2)与丝杆(5)联接，滑块(4)以丝杆(5)、支撑杆组件a(9)为导轨作往复直线运动，作直线运动的滑块(4)通过连杆(8)带动连接件(7)以顶点为中心作旋转运动。

如图2所示，本实用新型所述支撑杆装配体的爆炸图。支撑杆由支撑杆组件a(9)、支撑杆组件b(11)、支撑杆组件c(13)组装而成，组装时固定定位连接板a(10)、定位板连接b(12)以实现对直流电机(1)、滚珠丝杆固定座(3)的定位安装，滚珠丝杆支撑座(6)的定位安装是通过支撑杆组件a(9)的外伸板实现的。

如图2所示，本实用新型所述支撑杆装配体的爆炸图。支撑杆组件a(9)、支撑杆组件b(11)、支撑杆组件c(13)之间采用螺纹联接，此联接方式既紧固又方便。

如图3所示，本实用新型所述支撑杆组件a的实体图。如图4所示，本实用新型所述支撑杆组件b的实体图。如图5所示，本实用新型所述支撑杆组件c的实体图。支撑杆组件a、b、c的内部结构均采用中空设计，利用模块本有的部件解决了控制、传感布线问题。

如图5所示，支撑杆组件c的两端加工为螺纹孔结构。如图1所示，连接件(7)的下端加工为螺栓式外螺纹杆结构。两种结构配合联接实现模块之间的相互连接，此设计简化了模块结构，不需要设置其它连接件便可实现模块之间 的相互连接。

如图6所示，本实用新型所述滑块的实体图。滑块由四部分构成，包括滚珠螺母(4-a)、法兰直线轴承(4-b)、滑块连接件(4-c)、固定连接板(4-d)。滚珠螺母和法兰直线轴承之间的固定联接通过固定连接板实现，采用螺栓、螺母安装固定；滑块连接件安装在法兰直线轴承上，采用螺钉固定。

如图7所示，本实用新型所述关节模块的逆时针运动示意图。如图8所示，本实用新型所述关节模块的顺时针运动示意图。直流电机(1)驱动丝杆(5)作旋转运动。丝杆(5)的旋转运动带动滑块(4)作上下直线运动，假定电机正转，滑块(4)向上作直线运动，则电机反转，则滑块(4)向下作直线运动。如图7所示，滑块(4)向上作直线运动时，带动连杆(8)，连杆(8)带动连接件(7)作逆时针运动；如图8所示，滑块4向下作直线运动时，带动连杆(8)，连杆(8)带动连接件(7)作顺时针运动。最后，如图9所示，本实用新型所述关节模块的运动原理图。运动杆件(P)以顶点(O)为中心作旋转运动，实现角度变化。

Claims (5)

1.一种机器人旋转关节驱动模块，主要包括丝杆机构和三连杆机构，其特征在于，由丝杆机构带动三连杆机构；

所述丝杆机构包括直流电机(1)、联轴器(2)、滚珠丝杆固定座(3)、滑块(4)、丝杆(5)、滚珠丝杆支撑座(6)、定位连接板a(10)、支撑杆组件b(11)、定位连接板b(12)、支撑杆组件c(13)；所述丝杆(5)通过联轴器(2)与直流电机(1)联接；所述丝杆(5)由滚珠丝杆固定座(3)和滚珠丝杆支撑座(6)固定安装；

所述三连杆机构包括滑块(4)、连接件(7)、连杆(8)、支撑杆组件a(9)；

所述丝杆机构和三连杆机构通过滑块(4)相互耦合在一起；

所述支撑杆组件c(13)的上端加工为螺纹孔结构，连接件(7)的下端加工为螺栓式外螺纹杆结构，两种结构配合联接。

2.根据权利要求1所述的机器人旋转关节驱动模块，其特征在于，所述丝杆(5)的转动带动滑块(4)以丝杆(5)和支撑杆组件a(9)为导轨作往复直线运动。

3.根据权利要求1所述的机器人旋转关节驱动模块，其特征在于，所述三连杆机构，其中各部件之间采用柔性连接，其中连接件(7)和连杆(8)的长度不变，支撑杆组件a(9)为三连杆机构中的一边，其有效边长随着滑块(4)的移动发生变化，带动连接件(7)以顶点为中心作旋转运动。

4.根据权利要求1所述的机器人旋转关节驱动模块，其特征在于，所述支撑杆组件a(9)、支撑杆组件b(11)和支撑杆组件c(13)之间采用螺纹连接，且与所述丝杆(5)平行放置。

5.根据权利要求1所述的机器人旋转关节驱动模块，其特征在于，所述支撑杆组件a(9)的外伸板、定位连接板a(10)和定位连接板b(12)分别用于滚珠丝杆支撑座(6)、滚珠丝杆固定座(3)、直流电机(1)的定位和安装固定。