CN210650738U - 一种机器人肩关节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人肩关节装置，安装于机器人躯体内的背板上，用于连接机器人手臂，包括固定铰支座和关节座；固定铰支座固定连接于背板上，固定铰支座上设置有关节座铰接孔，关节座铰接孔的中轴线垂直于背板，关节座的底部设置有与关节座铰接孔匹配的关节座铰接轴，关节座与固定铰支座铰接；关节座上设置有手臂连接法兰；固定铰支座上设置有啮合的蜗轮和蜗杆，蜗轮的输出中心轴与关节座的铰接轴固定连接，蜗杆的输入轴上连接有手臂侧摆减速电机；本实用新型技术方案的机器人肩关节装置利用蜗轮蜗杆副实现机器人手臂的侧向摆动，该装置中利用电机内置式减速电机，使机器人肩关节具有体积小、重量轻、输出力矩大的优点。

Description

一种机器人肩关节装置

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，具体涉及一种机器人肩关节装置。

背景技术

随着科学的不断进步，人工智能科技的发展，智能服务机器人的发展已经到来，随着服务机器人的不断发展，它们慢慢的进入到人类的生活中来，并给人来带来了更方便、更舒适的服务。

对于服务机器人来说，机器人的肩关节是至关重要的，肩关节装置不但承载着整个手臂的重量，还需要实现相对于机器人身体的侧向或者前后向的运动。现有的服务机器人的如果需要输出较大力矩，通常需要体积较大的驱动装置，而仿人形机器人通常受限于体积，驱动装置都做的较小，导致机器人只能作为演示，无法进行负载的抓取。

实用新型内容

为解决以上技术问题，本实用新型的主要目的是提供一种机器人肩关节装置，在背板上固定连接固定铰支座，固定铰支座上铰接关节座，利用蜗轮蜗杆副实现关节座的旋转，进而实现机器人手臂的侧向摆动。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以解决。

一种机器人肩关节装置，安装于机器人躯体内的背板上，用于连接机器人手臂，包括固定铰支座和关节座；所述固定铰支座固定连接于所述背板上，所述固定铰支座上设置有关节座铰接孔，所述关节座铰接孔的中轴线垂直于所述背板，所述关节座的底部设置有与所述关节座铰接孔匹配的关节座铰接轴，所述关节座与所述固定铰支座铰接；所述关节座上设置有手臂连接法兰；所述固定铰支座上设置有啮合的蜗轮和蜗杆，所述蜗轮的输出中心轴与所述关节座的铰接轴固定连接，所述蜗杆的输入轴上连接有手臂侧摆减速电机；启动手臂侧摆减速电机，所述关节座绕关节座铰接孔的中轴线旋转。

进一步地，所述关节座上固定连接有手臂前后摆减速电机，所述手臂前后摆减速电机的输出轴连接所述手臂连接法兰，所述手臂前后摆减速电机的输出轴的中轴线垂直于所述关节座铰接孔的中轴线；启动所述手臂前后摆减速电机，所述手臂连接法兰绕所述手臂前后摆减速电机的输出轴的中轴线旋转。

进一步地，所述背板上左右对称设置有两个固定铰支座，每个固定铰支座上铰接一个关节座，每个关节座上固定连接一个手臂前后摆减速电机；左右对称的两个手臂前后摆减速电机水平且相向设置，每个手臂前后摆减速电机的输出轴上连接一个手臂连接法兰。

进一步地，左右对称的两个固定铰支座上分别连接有啮合的蜗轮和蜗杆，每侧的蜗轮的中心轴与相应的关节座铰接轴固定连接；左右两侧的蜗杆呈上下错位布置，两根蜗杆相向的一端分别连接手臂侧摆减速电机。

进一步地，所述手臂侧摆减速电机为电机内置式减速电机，所述手臂前后摆减速电机为直流步进电机。

进一步地，所述电机内置式减速电机包含谐波减速机、永磁转子、绕线定子和电机壳；所述谐波减速机具有减速机输入轴、减速机机壳和减速机端盖，所述减速机机壳与所述减速机端盖固定连接，所述减速机输入轴设置于所述减速机机壳内且伸出所述减速机端盖；所述永磁转子固定连接于所述减速机输入轴上；所述绕线定子固定连接于所述电机壳内，所述电机壳与所述减速机机壳固定连接；所述手臂连接法兰固定连接所述谐波减速机的输出端。

进一步地，所述永磁转子的高度和直径的比值小于等于1，所述绕线定子的高度和直径的比值小于等于1。

进一步地，所述减速机输入轴靠近永磁转子的端面上设置有螺孔；所述转子铁芯为空心圆筒，所述空心圆筒靠近所述减速机输入轴的一端设置有内翻的内凸缘，所述内凸缘上设置有安装孔，所述永磁转子通过螺栓安装到输入轴上。

本实用新型技术方案相对于现有技术肩关节装置，利用蜗轮蜗杆副实现机器人手臂的侧向摆动，该装置中利用电机内置式减速电机，使机器人肩关节具有体积小、重量轻、输出力矩大的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型的机器人肩关节装置一种实施例的立体示意图；

图2为本实用新型的固定铰支座一种实施例的立体示意图；

图3为本实用新型的关节座一种实施例的立体示意图；

图4为本实用新型电机内置式减速电机一种实施例的纵剖示意图；

图5为本实用新型电机内置式减速电机一种实施例的分解示意图。

在以上图中：

1背板；

2固定铰支座；201关节座铰接孔

3关节座；301关节座铰接轴；

4手臂连接法兰；

5蜗轮；

6蜗杆；

7手臂侧摆减速电机；

8手臂前后摆减速电机；

9谐波减速机；901减速机输入轴；902减速机机壳；903螺孔；904柔轮；905波发生器；906钢轮；907输出法兰；908第一轴承；909第二轴承；9010减速机端盖；

10永磁转子；1001转子铁芯、1002瓦状磁铁；1003安装孔；1004转子凸圈；

11绕线定子；

12电机壳；1201电机壳凸圈；

13螺栓。

具体实施方式

为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

参考图1、图2和图3，一种机器人肩关节装置，安装于机器人躯体内的背板1上，用于连接机器人手臂，包括固定铰支座2和关节座3；所述固定铰支座2固定连接于所述背板1上，所述固定铰支座2上设置有关节座铰接孔201，所述关节座铰接孔201的中轴线垂直于所述背板1，所述关节座3的底部设置有与所述关节座铰接孔201匹配的关节座铰接轴301，所述关节座3与所述固定铰支座2铰接；所述关节座3上设置有手臂连接法兰4；所述固定铰支座2上设置有啮合的蜗轮5和蜗杆6，所述蜗轮5的输出中心轴与所述关节座铰接轴301固定连接，所述蜗杆6的输入轴上连接有手臂侧摆减速电机7；启动手臂侧摆减速电机7，所述关节座3绕关节座铰接孔201的中轴线旋转。

以上实施例中，固定铰支座2垂直连接在背板1上，关节座3铰接在固定铰支座2上，在固定铰支座2上安装有蜗轮5和蜗杆6，且蜗轮5的输出中心轴与关节座铰接轴301固定连接，蜗杆6的一端连接手臂侧摆减速电机7的输出轴。

启动手臂侧摆减速电机7，可以实现关节座3旋转摆动，由于关节座3上连接有用于连接机器人手臂的手臂连接法兰4，因而可以实现机器人手臂的侧向摆动。

由于蜗轮蜗杆具有反向自锁性，失电时可以自锁刹车。本实用新型实施例中使用蜗轮蜗杆机构，可以使手臂侧摆机构具有体积小，输出力矩高的优点，而且在失电时具有自锁性，可以最大限度地节约能源。

进一步地，所述关节座3上固定连接有手臂前后摆减速电机8，所述手臂前后摆减速电机8的输出轴连接所述手臂连接法兰4，所述手臂前后摆减速电机8的输出轴的中轴线垂直于所述关节座铰接孔201的中轴线；启动所述手臂前后摆减速电机8，所述手臂连接法兰4绕所述手臂前后摆减速电机8的输出轴的中轴线旋转。

以上实施例中，在关节座3上安装手臂前后摆减速电机8，由于手臂前后摆减速电机8的输出轴中轴线垂直于关节座铰接孔201的中轴线。因此，机器人手臂具有两个方向的自由度。手臂侧摆减速电机7可以实现机器人手臂的侧向摆动，手臂前后摆减速电机8可以实现机器人手臂的前后摆动，使机器人手臂的功能更全面、完善、灵活。

进一步地，参考图1，所述背板1上左右对称设置有两个固定铰支座2，每个固定铰支座2上铰接一个关节座3，每个关节座3上固定连接一个手臂前后摆减速电机8；左右对称的两个手臂前后摆减速电机8水平且相向设置，每个手臂前后摆减速电机8的输出轴上连接一个手臂连接法兰4。

以上实施例中，左右对称设置的固定铰支座2、关节座3和手臂前后摆减速电机8，实现了双臂机器人的手臂前后摆。

更进一步地，参考图1，左右对称的两个固定铰支座2上分别设置有啮合的蜗轮5和蜗杆6，每侧的蜗轮5的中心轴与相应的关节座铰接轴301固定连接；左右两侧的蜗杆6呈上下错位布置，两根蜗杆6相向的一端分别连接手臂侧摆减速电机7。

为了避免连接在每根蜗杆6上的手臂侧摆减速电机7互相干涉，两个手臂侧摆减速电机7在空间上呈上下错位布置。

进一步地，所述手臂侧摆减速电机7为电机内置式减速电机，所述手臂前后摆减速电机8为直流步进电机。

以上实施例中，为了减小机器人自重，节省空间，手臂侧摆减速电机7采用减速机和电机一体的电机内置式减速电机。

进一步地，参考图4和图5，所述电机内置式减速电机包含谐波减速机9、永磁转子10、绕线定子11和电机壳12；所述谐波减速机9具有减速机输入轴901、减速机机壳902和减速机端盖9010，所述减速机机壳902与所述减速机端盖9010固定连接，所述减速机输入轴901设置于所述减速机机壳902内且伸出所述减速机端盖9010；所述永磁转子10固定连接于所述减速机输入轴901上；所述绕线定子11固定连接于所述电机壳12内，所述电机壳12与所述减速机机壳902固定连接；所述手臂连接法兰4固定连接所述谐波减速机9的输出端。

以上实施例中，将直流永磁电机和谐波减速机9结合为一体，在谐波减速机9的减速机输入轴901上直接连接直流永磁电机的永磁转子10，减速机机壳902连接电机壳12，电机壳12内固定连接绕线定子11。电机没有使用轴承，绕线定子11与永磁转子10的同轴度依靠减速机机壳902及减速机输入轴901保证，在结构上简化了电机结构，使内置电机的减速装置的整体尺寸减小及重量减轻。

永磁转子10包含转子铁芯1001和嵌固在转子铁芯1001上的多个瓦状磁铁1002。通过螺栓13将转子铁芯1001固定连接到减速机输入轴901上。

谐波减速机的传动原理：谐波减速机主要由三个基本构件组成：带有内齿圈的刚轮、带有外齿圈的柔轮、波发生器。波发生器是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，与柔轮的内壁相互压紧。柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长。波发生器是使柔轮产生可控弹性变形的构件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器相反方向的缓慢旋转。

通常情况下，固定刚轮，波发生器转动，柔轮作为从动轮，输出转动，带动负载运动。也可以反过来，即柔轮固定，钢轮输出。

本实施例中，谐波减速机9包含减速机机壳902、减速机输入轴901、柔轮904、波发生器905、钢轮906、输出法兰907。波发生器905的两端分别与减速机机壳902之间安装有第一轴承908和第二轴承909。

本实施例的谐波减速机9采用柔轮904固定，钢轮906相对于柔轮904转动的安装方式。柔轮为谐波减速机9的输出端，因此手臂连接法兰4固定连接钢轮906。

进一步地，所述永磁转子10的高度和直径的比值小于等于1，所述绕线定子11的高度和直径的比值小于等于1。

由于永磁转子10与绕线定子11的同轴度需要依靠减速机输入轴901和减速机机壳902来保证，减速机输入轴901上连接的永磁转子10需要尽可能的短，高度与直径比较大的电机不适合此种组合。本上实施例中，优选的，永磁转子10的高度和直径的比值小于等于1，相应的，绕线定子11的高度和直径的比值小于等于1，即高度与直径比越小的电机越适合和减速机集成组合。

进一步地，所述减速机输入轴901靠近永磁转子10的端面上设置螺孔903；所述转子铁芯1001为空心圆筒，所述空心圆筒靠近所述减速机输入轴901的一端设置有内翻的内凸缘，所述内凸缘上设置有安装孔1003，所述永磁转子10通过螺栓13安装到减速机输入轴901上。

以上实施例中，在减速机输入轴901靠近永磁转子10的端面上设置螺孔903，转子铁芯1001为具有内翻的内凸缘的空心圆筒，转子铁芯1001通过设置在内凸缘上的安装孔1003安装到减速机输入轴901上。空心结构可以使内置电机的减速装置的整体重量减轻。

参考图4和图5，为了进一步提高永磁转子10与绕线定子11的同轴度，转子铁芯1001靠近减速机输入轴901的一端设置了转子凸圈1004，且转子凸圈1004的内径与减速机输入轴901的外径间隙配合，配合间隙满足精度要求。同理，电机壳12靠近减速机机壳902的一端设置了电机壳凸圈1201，且电机壳凸圈1201的内径与减速机端盖9010的外径间隙配合，配合间隙满足精度要求。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种机器人肩关节装置，安装于机器人躯体内的背板(1)上，用于连接机器人手臂，其特征在于，包括固定铰支座(2)和关节座(3)；

所述固定铰支座(2)固定连接于所述背板(1)上，所述固定铰支座(2)上设置有关节座铰接孔(201)，所述关节座铰接孔(201)的中轴线垂直于所述背板(1)，所述关节座(3)的底部设置有与所述关节座铰接孔(201)匹配的关节座铰接轴(301)，所述关节座(3)与所述固定铰支座(2)铰接；

所述关节座(3)上设置有手臂连接法兰(4)；

所述固定铰支座(2)上设置有啮合的蜗轮(5)和蜗杆(6)，所述蜗轮(5)的输出中心轴与所述关节座铰接轴(301)固定连接，所述蜗杆(6)的输入轴上连接有手臂侧摆减速电机(7)；

启动手臂侧摆减速电机(7)，所述关节座(3)绕关节座铰接孔(201)的中轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的机器人肩关节装置，其特征在于，所述关节座(3)上固定连接有手臂前后摆减速电机(8)，所述手臂前后摆减速电机(8)的输出轴连接所述手臂连接法兰(4)，所述手臂前后摆减速电机(8)的输出轴的中轴线垂直于所述关节座铰接孔(201)的中轴线；

启动所述手臂前后摆减速电机(8)，所述手臂连接法兰(4)绕所述手臂前后摆减速电机(8)的输出轴的中轴线旋转。

3.根据权利要求2所述的机器人肩关节装置，其特征在于，所述背板(1)上左右对称设置有两个固定铰支座(2)，每个固定铰支座(2)上铰接一个关节座(3)，每个关节座(3)上固定连接一个手臂前后摆减速电机(8)；

左右对称的两个手臂前后摆减速电机(8)水平且相向设置，每个手臂前后摆减速电机(8)的输出轴上连接一个手臂连接法兰(4)。

4.根据权利要求3所述的机器人肩关节装置，其特征在于，左右对称的两个固定铰支座(2)上分别连接有啮合的蜗轮(5)和蜗杆(6)，每侧的蜗轮(5)的中心轴与相应的关节座铰接轴(301)固定连接；

左右两侧的蜗杆(6)呈上下错位布置，两根蜗杆(6)相向的一端分别连接手臂侧摆减速电机(7)。

5.根据权利要求2所述的机器人肩关节装置，其特征在于，所述手臂侧摆减速电机(7)为电机内置式减速电机，所述手臂前后摆减速电机(8)为直流步进电机。

6.根据权利要求5所述的机器人肩关节装置，其特征在于，所述电机内置式减速电机包含谐波减速机(9)、永磁转子(10)、绕线定子(11)和电机壳(12)；

所述谐波减速机(9)具有减速机输入轴(901)、减速机机壳(902)和减速机端盖(9010)，所述减速机机壳(902)与所述减速机端盖(9010)固定连接，所述减速机输入轴(901)设置于所述减速机机壳(902)内且伸出所述减速机端盖(9010)；所述永磁转子(10)固定连接于所述减速机输入轴(901)上；永磁转子(10)包含转子铁芯(1001)和嵌固在转子铁芯(1001)上的多个瓦状磁铁(1002)；通过螺栓(13)将转子铁芯(1001)固定连接到减速机输入轴(901)上；

所述绕线定子(11)固定连接于所述电机壳(12)内，所述电机壳(12)与所述减速机机壳(902)固定连接；

所述手臂连接法兰(4)固定连接所述谐波减速机(9)的输出端。

7.根据权利要求6所述的机器人肩关节装置，其特征在于，所述永磁转子(10)的高度和直径的比值小于等于1，所述绕线定子(11)的高度和直径的比值小于等于1。

8.根据权利要求6所述的机器人肩关节装置，其特征在于，所述减速机输入轴(901)靠近永磁转子(10)的端面上设置有螺孔(903)；所述转子铁芯(1001)为空心圆筒，所述空心圆筒靠近所述减速机输入轴(901)的一端设置有内翻的内凸缘，所述内凸缘上设置有安装孔(1003)，所述永磁转子(10)通过螺栓(13)安装到减速机输入轴(901)上。

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