CN207534842U - 积木式关节与机器人手臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种积木式关节，包括：摆动机构，包括彼此铰接的驱动器与摆动件，所述驱动器用于驱动所述摆动件摆动；回转机构，包括设置于所述摆动件上的输出端，所述输出端能够实现圆周运动，所述驱动器、所述摆动件与所述输出端呈积木式依次堆叠分布，所述输出端的轴向沿所述积木式依次堆叠分布的方向布置。本实用新型还提供了一种机器人手臂，包括依次连接的肩关节、大臂、肘关节、小臂与腕关节，所述肩关节、所述肘关节与所述腕关节中至少一者为所述积木式关节。本实用新型提供的积木式关节与机器人手臂，具有积木式分布结构，与运动传递具有高度的一致性，具有结构精巧、运动可靠、性能稳定的优点。

Description

积木式关节与机器人手臂

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体地来说，是一种积木式关节与机器人手臂。

背景技术

关节是机器人的关键部件，直接决定机器人的运动自由度与灵活性。关节具有旋转轴，如人类手臂般相对旋转运动。一般地，关节需要较佳的运动灵活性与灵敏度。

随着仿人机器人的出现与发展，关节的作用更形重要。特别是机器人手臂，需要高度模拟人类的手臂结构，需要引入肩关节、肘关节、腕关节等多种关节结构，并使各个关节协同地一体工作。显然，机器人手臂的全新发展趋势，给关节的结构灵活性与稳定性提出了全新的技术要求。

目前，机器人手臂多采用电动推杆、舵机转动牵引等关节运动方式，或运动抖动严重而影响精度，或结构臃肿而影响结构灵活性，甚至造成严重的运动冲突与干涉。在具有多关节协同关系的机器人手臂上，现有关节的结构问题更为突出，严重制约机器人手臂的发展。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种积木式关节与机器人手臂，具有积木式分布结构，与运动传递具有高度的一致性，具有结构精巧、运动可靠、性能稳定的优点。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种积木式关节，包括：

摆动机构，包括彼此铰接的驱动器与摆动件，所述驱动器用于驱动所述摆动件摆动；

回转机构，包括设置于所述摆动件上的输出端，所述输出端能够实现圆周运动，所述驱动器、所述摆动件与所述输出端呈积木式依次堆叠分布，所述输出端的轴向沿所述积木式依次堆叠分布的方向布置。

作为上述技术方案的改进，所述驱动器与所述摆动件之间的铰接端具有嵌入式结构。

作为上述技术方案的进一步改进，所述摆动件的铰接端具有C型结构，所述驱动器的铰接端嵌入安装于所述C型结构的开口。

作为上述技术方案的进一步改进，所述摆动件的摆动为平面摆动，并以所述摆动件与所述驱动器的铰接轴为轴。

作为上述技术方案的进一步改进，所述回转机构包括回转支架与嵌入安装于所述回转支架上的回转驱动部，所述回转支架与所述摆动件远离所述驱动器的一端固定连接，所述回转驱动部远离所述摆动件的一端具有所述输出端。

一种机器人手臂，包括依次连接的肩关节、大臂、肘关节、小臂与腕关节，所述肩关节、所述肘关节与所述腕关节中至少一者为以上任一项所述的积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿所述机器人手臂远离机器人肩部的方向呈积木式依次堆叠分布。

作为上述技术方案的改进，所述肩关节为所述积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿所述大臂的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，所述积木式关节的驱动器用于与所述机器人肩部固定连接，所述积木式关节的输出端与所述大臂固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述肘关节为所述积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿所述小臂的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，所述积木式关节的驱动器与所述大臂固定连接，所述积木式关节的输出端与所述小臂固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腕关节为所述积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿机器人手掌的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，所述积木式关节的驱动器与所述小臂固定连接，所述积木式关节的输出端用于与所述机器人手掌固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述腕关节包括所述驱动器与所述摆动件，所述驱动器与所述小臂固定连接，所述摆动件与机器人手掌固定连接。

本实用新型的有益效果是：

设置具有驱动器与摆动件的摆动机构及具有输出端的回转机构，使输出端可同步输出摆动运动与圆周自转运动，而驱动器、摆动件与输出端具有积木式依次堆叠分布关系，分布结构与运动传递具有高度的一致性，避免了局部结构臃肿而引起的运动冲突与结构突变，提供了一种结构精巧、运动可靠、性能稳定的积木式关节与机器人手臂。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本实用新型实施例1提供的积木式关节的轴测结构示意图；

图2是本实用新型实施例1提供的积木式关节的主视结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的机器人手臂的轴测结构示意图；

图4是本实用新型实施例6提供的机器人手臂的腕关节的轴测结构示意图。

主要元件符号说明：

100-积木式关节，110-摆动机构，111-驱动器，112-摆动件，120-回转机构，121-回转支架，122-回转驱动部，122a-输出端，1000-机器人手臂，1100-肩关节，1110-肩摆动机构，1111-肩驱动器，1112-肩摆动件，1120-肩回转机构，1121-肩回转支架，1122-肩回转驱动部，1122a-肩输出端，1200-大臂，1300-肘关节，1310-肘摆动机构，1311-肘驱动器，1312-肘摆动件，1320-肘回转机构，1321-肘回转支架，1322-肘回转驱动部，1322a-肘输出端，1400-小臂，1500-腕关节，1510-腕摆动机构，1511-腕驱动器，1512-腕摆动件，1520-腕回转机构，1521-腕回转支架，1522-腕回转驱动部，1522a-腕输出端。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对积木式关节与机器人手臂进行更全面的描述。附图中给出了积木式关节与机器人手臂的优选实施例。但是，积木式关节与机器人手臂可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对积木式关节与机器人手臂的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在积木式关节与机器人手臂的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请结合参阅图1～2，本实施例提供一种积木式关节100，该积木式关节100包括摆动机构110与回转机构120，从而获得摆动与转动输出，实现两种运动的同步驱动。以下对积木式关节100的主要构造进行详细介绍。

摆动机构110用于实现积木式关节100的摆动输出，从而实现从动件(如手臂臂件)的摆动。其中，摆动机构110包括彼此铰接的驱动器111与摆动件112，驱动器111用于驱动摆动件112摆动，由摆动件112实现摆动输出。

驱动器111属于主动件，向摆动件112输出其摆动所需的动力。驱动器111的类型众多，包括各类旋转电机、液压马达等可输出圆周运动的结构件。在此，驱动器111的输出轴与摆动件112固定连接，而驱动器111的输出轴则可旋转地保持于驱动器111的本体上，从而实现摆动输出。

在一个示范性的实施例中，驱动器111采用舵机的实现方式。舵机是一种带有位置反馈控制的伺服驱动器111，其实质属于闭环控制的伺服控制系统。在闭环控制下，摆动机构110的摆动输出平稳精确。

摆动件112的摆动规律因应实际应用而设，优选地，摆动件112的摆动为平面摆动，并以摆动件112与驱动器111的铰接轴为轴。在该摆动规律下，摆动件112足以实现可靠而稳定的摆动。进一步优选，摆动件112的摆动为平面圆周运动，使摆动规律更为标准而易于实现运动控制。

优选地，驱动器111与摆动件112之间的铰接端具有嵌入式结构。换言之，在驱动器111与摆动件112二者之中，一者的铰接端包覆于另一者的铰接端之外部，形成类似套合方式的嵌入式安装结构。在该结构下，驱动器111与摆动件112之间的连接结构小巧，避免结构臃肿。

嵌入式安装结构的实现方式很多，在一个示范性的实施例中，摆动件112的铰接端具有C型结构。其中，驱动器111的铰接端嵌入安装于C型结构的开口。在该结构下，驱动器111与摆动件112的连接部空间占用很小，同时保证摆动件112的摆动免受阻碍，具有宽广的摆动角度范围。

回转机构120用于实现积木式关节100的回转输出，从而实现从动件(如手臂臂件)的自体转动。其中，回转机构120包括设置于摆动件112上的输出端122a，输出端122a能够实现圆周运动。

特别注意的是，驱动器111、摆动件112与输出端122a呈积木式依次堆叠分布。换言之，三者沿相同的堆叠方向，以积木方式依次堆叠式连接。例如，摆动件112的两端分别连接驱动器111与输出端122a。更具体而言，三者的堆叠方向与积木式关节100的传动方向一致。

在该结构下，三者之间呈线性分布，避免发生集中式堆叠，从而简化连接关系与运动配合，不会发生因多重堆叠引起的运动干涉与局部体积突变，使积木式关节100具有突出的运动灵活性，并具有平滑的外观而更好地实现仿生。

其中，输出端122a的轴向沿积木式依次堆叠分布的方向布置。换言之，输出端122a的轴向与积木式关节100的传动方向一致。在此，运动传递精确地输出，同时避免侧向偏移引起的偏摆力，保证传动效率与运动平稳度。

优选地，回转机构120包括回转支架121与嵌入安装于回转支架121上的回转驱动部122。回转支架121与摆动件112远离驱动器111的一端固定连接，回转驱动部122远离摆动件112的一端具有输出端122a。

在一个示范性的实施例中，回转支架121内部具有容纳空间，回转驱动部122嵌入于该容纳空间内。输出端122a沿远离摆动件112的方向伸出于容纳空间之外，实现对外的运动输出。

其中，回转驱动部122的类型众多，包括各类旋转电机、液压马达等可输出圆周运动的结构件。在此，回转驱动部122的输出轴与摆动件112固定连接，而回转驱动部122的输出轴则可旋转地保持于回转驱动部122的本体上，从而实现摆动输出。应当理解，回转驱动部122的输出轴形成积木式关节100的输出端122a。

实施例2

请结合参阅图1～3，在实施例1的基础上，本实施例提供一种机器人手臂1000，该机器人手臂1000包括依次连接的肩关节1100、大臂1200、肘关节1300、小臂1400与腕关节1500。其中，肩关节1100、肘关节1300与腕关节1500中至少一者为实施例1所介绍的积木式关节100。

其中，在采用该积木式关节100的关节结构中，驱动器111、摆动件112与输出端122a沿机器人手臂1000远离机器人肩部的方向呈积木式依次堆叠分布。换言之，驱动器111、摆动件112与输出端122a自机器人肩部向机器人手掌线性地一一连接。

在此关节结构下，机器人手臂1000的关节部件呈逐一排布的关系，避免出现集中堆叠。同时，该结构保证传动路线与运动部件分布路线一致，避免出现侧向的偏摆或倾覆影响，使机器人手臂1000的运动平稳可靠。

实施例3

请结合参阅图1～3，在实施例1或2的基础上，本实施例具体介绍一种肩关节1100采用积木式关节100的结构的机器人手臂1000。

如前所述，肩关节1100为积木式关节100，积木式关节100的驱动器111(即肩驱动器1111)、摆动件112(即肩摆动件1112)与输出端122a(即肩输出端1122a)沿大臂1200的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，从而适应于肩部的关节连接要求。

其中，肩驱动器1111与肩摆动件1112组成肩摆动机构1110，对应于积木式关节100的摆动机构110；肩输出端1122a属于肩回转机构1120的一部分，对应于积木式关节100的回转机构120。在一个示范性的实施例中，肩回转机构1120亦应包括肩回转支架1121与肩回转驱动部1122，对应于积木式关节100的回转支架121与回转驱动部122。肩摆动机构1110与肩回转机构1120的其余具体实现结构详如实施例1所述，此处不再赘述。

其中，肩驱动器1111用于与机器人肩部固定连接，肩输出端1122a与大臂1200固定连接。补充说明，肩输出端1122a的轴向与大臂1200的延伸方向一致，从而使运动传递沿轴向实现，避免出现偏摆倾覆。应用时，通过肩驱动器1111的驱动，大臂1200可随肩摆动件1112一体摆动；通过肩回转驱动部1122的驱动，肩输出端1122a带动大臂1200旋转，实现大臂1200的转臂功能。

实施例4

请结合参阅图1～3，在实施例1～3中任一者的基础上，本实施例具体介绍一种肘关节1300采用积木式关节100的结构的机器人手臂1000。

如前所述，肘关节1300为积木式关节100，积木式关节100的驱动器111(即肘驱动器1311)、摆动件112(即肘摆动件1312)与输出端122a(即肘输出端1322a)沿小臂1400的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，从而适应于肘部的关节连接要求。

其中，肘驱动器1311与肘摆动件1312组成肘摆动机构1310，对应于积木式关节100的摆动机构110；肘输出端1322a属于肘回转机构1320的一部分，对应于积木式关节100的回转机构120。在一个示范性的实施例中，肘回转机构1320亦应包括肘回转支架1321与肘回转驱动部1322，对应于积木式关节100的回转支架121与回转驱动部122。肘摆动机构1310与肘回转机构1320的其余具体实现结构详如实施例1所述，此处不再赘述。

其中，肘驱动器1311用于与大臂1200固定连接，肘输出端1322a与小臂1400固定连接。补充说明，肘输出端1322a的轴向与小臂1400的延伸方向一致，从而使运动传递沿轴向实现，避免出现偏摆倾覆。

应用时，通过肘驱动器1311的驱动，小臂1400可随肘摆动件1312一体摆动；通过肘回转驱动部1322的驱动，肘输出端1322a带动大臂1200旋转，实现小臂1400的转臂功能。同时，肘驱动器1311随大臂1200一体运动，并与小臂1400的运动匹配，实现大臂1200与小臂1400的复合式运动。

实施例5

请结合参阅图1～3，在实施例1～4中任一者的基础上，本实施例具体介绍一种腕关节1500具有简化结构的机器人手臂1000。

在本实施例中，腕关节1500采用简化结构而摒弃积木式关节100的结构形式。具体地，腕关节1500包括腕驱动器1511与腕摆动件1512，腕驱动器1511与小臂1400固定连接，腕摆动件1512与机器人手掌固定连接。其中，腕驱动器1511与实施例1所介绍的驱动器111结构相同，腕摆动件1512与实施例1所介绍的摆动件112结构相同，此处不再赘述。在该结构下，腕关节1500仅驱动机器人手掌发生侧向摆动，从而简化机器人手掌的运动形态，在一些简单应用中提高响应速度。

实施例6

请参阅图4，在实施例1～4中任一者的基础上，本实施例具体介绍一种腕关节1500采用积木式关节100的结构的机器人手臂1000。

如前所述，腕关节1500为积木式关节100，积木式关节100的驱动器111(即腕驱动器1511)、摆动件112(即腕摆动件1512)与输出端122a(即腕输出端1522a)沿小臂1400的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，从而适应于腕部的关节连接要求。

其中，腕驱动器1511与腕摆动件1512组成腕摆动机构1510，对应于积木式关节100的摆动机构110；腕输出端1522a属于腕回转机构1520的一部分，对应于积木式关节100的回转机构120。在一个示范性的实施例中，腕回转机构1520亦应包括腕回转支架1521与腕回转驱动部1522，对应于积木式关节100的回转支架121与回转驱动部122。腕摆动机构1510与腕回转机构1520的其余具体实现结构详如实施例1所述，此处不再赘述。

其中，腕驱动器1511用于与小臂1400固定连接，腕输出端1522a与机器人手掌固定连接。补充说明，腕输出端1522a的轴向与机器人手掌的延伸方向一致，从而使运动传递沿轴向实现，避免出现偏摆倾覆。

应用时，通过腕驱动器1511的驱动，机器人手掌可随腕摆动件1512一体摆动；通过腕回转驱动部1522的驱动，腕输出端1522a带动大臂1200旋转，实现机器人手掌的转动功能。同时，腕驱动器1511随小臂1400一体运动，小臂1400兼具大臂1200的运动，实现大臂1200、小臂1400与机器人手掌的复合式运动。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种积木式关节，其特征在于，包括：

摆动机构，包括彼此铰接的驱动器与摆动件，所述驱动器用于驱动所述摆动件摆动；

回转机构，包括设置于所述摆动件上的输出端，所述输出端能够实现圆周运动，所述驱动器、所述摆动件与所述输出端呈积木式依次堆叠分布，所述输出端的轴向沿所述积木式依次堆叠分布的方向布置。

2.根据权利要求1所述的积木式关节，其特征在于，所述驱动器与所述摆动件之间的铰接端具有嵌入式结构。

3.根据权利要求2所述的积木式关节，其特征在于，所述摆动件的铰接端具有C型结构，所述驱动器的铰接端嵌入安装于所述C型结构的开口。

4.根据权利要求1所述的积木式关节，其特征在于，所述摆动件的摆动为平面摆动，并以所述摆动件与所述驱动器的铰接轴为轴。

5.根据权利要求1所述的积木式关节，其特征在于，所述回转机构包括回转支架与嵌入安装于所述回转支架上的回转驱动部，所述回转支架与所述摆动件远离所述驱动器的一端固定连接，所述回转驱动部远离所述摆动件的一端具有所述输出端。

6.一种机器人手臂，其特征在于，包括依次连接的肩关节、大臂、肘关节、小臂与腕关节，所述肩关节、所述肘关节与所述腕关节中至少一者为权利要求1-5任一项所述的积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿所述机器人手臂远离机器人肩部的方向呈积木式依次堆叠分布。

7.根据权利要求6所述的机器人手臂，其特征在于，所述肩关节为所述积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿所述大臂的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，所述积木式关节的驱动器用于与所述机器人肩部固定连接，所述积木式关节的输出端与所述大臂固定连接。

8.根据权利要求6所述的机器人手臂，其特征在于，所述肘关节为所述积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿所述小臂的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，所述积木式关节的驱动器与所述大臂固定连接，所述积木式关节的输出端与所述小臂固定连接。

9.根据权利要求6所述的机器人手臂，其特征在于，所述腕关节为所述积木式关节，所述积木式关节的驱动器、摆动件与输出端沿机器人手掌的延伸方向呈积木式依次堆叠分布，所述积木式关节的驱动器与所述小臂固定连接，所述积木式关节的输出端用于与所述机器人手掌固定连接。

10.根据权利要求6所述的机器人手臂，其特征在于，所述腕关节包括所述驱动器与所述摆动件，所述驱动器与所述小臂固定连接，所述摆动件与机器人手掌固定连接。