CN214265635U - 一种机器人腕关节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人腕关节装置，属于机器人技术领域。该装置包括：电机，设置于电机安装底座上；丝杠，包括丝杆和丝杠螺母，丝杆的一端与电机的输出轴连接，丝杆的另一端连接丝杠输出轴轴承，丝杠输出轴轴承设置于输出轴安装底座上；连杆，连杆的一端与丝杠螺母铰接，连杆的另一端与腕关节输出轴铰接；腕关节输出轴，与输出轴支撑轴承连接，输出轴支撑轴承设置于输出轴轴承安装座上；启动电机，丝杠推动连杆做直线运动以带动腕关节输出轴绕输出轴支撑轴承转动。本实用新型的机器人腕关节装置在保证机械臂末端可以抓取重物的情况下，减小了关节尺寸，避免关节的臃肿，并且节省了生产成本，实现关节人形尺寸且转动控制精度高。

Description

一种机器人腕关节装置

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人腕关节装置。

背景技术

随着科学的不断进步，人工智能科技的发展，智能化服务机器人时代已经到来，服务机器人正逐步进入到人类的生活中，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，一个合适的仿人型机械臂是至关重要的，尤其在腕部位置，在人形尺寸下的空间内既要设置旋转关节又要有足够的扭矩。现有的服务机器人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

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种机器人腕关节装置，通过电机驱动丝杠以推动连杆做直线运动进而带动腕关节输出轴绕输出轴支撑轴承转动，实现腕关节人形尺寸且转动控制精度高。

为了达到上述目的，本实用新型实施例提供了一种机器人腕关节装置，用于连接机器人手和机器人臂，包括：

电机，设置于电机安装底座上；

丝杠，包括丝杆和丝杠螺母，所述丝杆的一端与所述电机的输出轴连接，所述丝杆的另一端连接丝杠输出轴轴承，所述丝杠输出轴轴承设置于输出轴安装底座上；

连杆，所述连杆的一端与所述丝杠螺母铰接，所述连杆的另一端与腕关节输出轴铰接；

腕关节输出轴，与输出轴支撑轴承连接，所述输出轴支撑轴承设置于所述输出轴轴承安装座上；

启动所述电机，所述丝杠推动所述连杆做直线运动以带动所述腕关节输出轴绕所述输出轴支撑轴承转动。

在一些实施例中，所述连杆的一端通过第一销轴与所述丝杠螺母连接，所述连杆的另一端通过第二销轴与输出轴轴承安装座连接。

在一些实施例中，所述连杆的数量为两个，两个所述连杆通过第一固定螺栓连接。

在一些实施例中，所述连杆包括第一连杆部和第二连杆部，所述第一连杆部的中轴线和所述第二连杆部的中轴线之间的夹角为钝角。

在一些实施例中，所述丝杠设置于丝杠安装底座上，所述丝杠安装底座固定安装于所述电机安装底座上。

在一些实施例中，所述丝杠为梯形丝杠；

或者，所述丝杠为滚珠丝杠；

或者，所述丝杠包括滚珠丝杠和抱闸，所述电机的输出轴经所述抱闸连接所述滚珠丝杠。

在一些实施例中，所述电机为直流无刷电机、直流有刷电机或者直流步进电机。

在一些实施例中，所述机器人腕关节装置还包括与所述电机连接的减速机，所述减速机为谐波减速机、行星减速机或者摆针减速机。

在一些实施例中，所述电机为电机内置式减速电机；

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。

在一些实施例中，所述输出轴支撑轴承上设有输出轴编码器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型实施例的机器人腕关节装置包括电机、丝杠、连杆以及腕关节输出轴，当启动电机后，电机转动(正转或者反转)，电机的输出轴带动丝杆进行直线运动(即上下移动)，进而丝杆上的丝杠螺母推动连杆进行线性运动，使得与连杆铰接的腕关节输出轴绕输出轴支撑轴承进行转动，从而实现手腕的转动，整个机器人腕关节装置在保证机械臂末端可以抓取重物的情况下，减小了关节尺寸，避免关节的臃肿，并且节省了生产成本，实现关节人形尺寸且转动控制精度高。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。

图1为本实用新型的机器人腕关节装置的一些实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的机器人腕关节装置的另一些实施例的结构示意图；

图3为本实用新型的机器人腕关节装置的腕关节输出轴的一些实施例的转动示意图；

图4为本实用新型的机器人腕关节装置的一些实施例的剖面示意图；

图5为本实用新型的机器人腕关节装置的一些实施例的俯视图；

图6为本实用新型的机器人腕关节装置的电机内置式减速电机的一些实施例的结构示意图；

图7为本实用新型的机器人腕关节装置的电机内置式减速电机的一些实施例的分解示意图。

附图标记说明：

1电机；

2丝杠；21丝杆；22丝杠螺母；23丝杠输出轴轴承；24丝杠螺座安装轴承；

3连杆；31第一销轴；32第一销轴；33第一连杆部；34第二连杆部； 35第一固定螺栓；

4腕关节输出轴；41输出轴支撑轴承；42输出轴编码器；

5电机安装底座；

6输出轴安装底座；

7输出轴轴承安装座；

8丝杠安装底座；

9谐波减速机；901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；

14安装法兰板。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

另外，需要说明的是，本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参见图1、图2、图3和图4所示，本实用新型实施例提供了一种机器人腕关节装置，用于连接机器人手和机器人臂，包括：电机1，设置于电机安装底座5上；丝杠2，包括丝杆21和丝杠螺母22，丝杆21的一端与电机1的输出轴连接，丝杆21的另一端连接丝杠输出轴轴承23，丝杠输出轴轴承23 设置于输出轴安装底座6上；连杆3，连杆3的一端与丝杠螺母22铰接，连杆3的另一端与腕关节输出轴4铰接；腕关节输出轴4，与输出轴支撑轴承 41连接，输出轴支撑轴承41设置于输出轴轴承安装座7上；启动电机1，丝杠2推动连杆3做直线运动以带动腕关节输出轴4绕输出轴支撑轴承41转动。

本实用新型实施例的机器人腕关节装置包括电机、丝杠、连杆以及腕关节输出轴，当启动电机后，电机转动(正转或者反转)，电机的输出轴带动丝杆进行直线运动(即上下移动)，进而丝杆上的丝杠螺母推动连杆进行线性运动，使得与连杆铰接的腕关节输出轴绕输出轴支撑轴承进行转动，从而实现手腕的转动。本实施例的机器人腕关节装置在保证机械臂末端可以抓取重物的情况下，减小了关节尺寸，避免关节的臃肿，并且节省了生产成本，实现关节人形尺寸且转动控制精度高。

可选的，参见图3所示，本实用新型实施例中腕关节输出轴4的转动范围为-30°～30°。

可选的，参见图5所示，本实用新型实施例的机器人腕关节装置的外径小于或等于5cm，最大负载为1.5kg。

在一些实施例中，参见图2所示，本实用新型的输出轴轴承安装座7固定安装于输出轴安装底座6上。

在一些实施例中，参见图1所示，本实用新型的连杆3的一端通过第一销轴31与丝杠螺母22连接，连杆3的另一端通过第二销轴32与输出轴轴承安装座7连接。

在一些实施例中，参见图1所示，本实用新型的连杆3的数量为两个，两个连杆3通过第一固定螺栓35连接。本实施例中每个连杆的两端分别于丝杠螺母和腕关节输出轴铰接，采用此种双连杆结构，省去了单独的导向机构，使得整个传动机构刚性更强，稳定性更好。

在一些实施例中，参见图1所示，本实用新型的连杆3包括第一连杆部 33和第二连杆部34，第一连杆部33的中轴线和第二连杆部34的中轴线之间的夹角β为钝角。本实施例中通过将连杆设计成具有一定弯折角度的形态可以避免连杆在运动中与其他结构件相碰撞。需要说明的是，本实施例中夹角β可以为100度、110度、120度、130度、140度或者150度等等，根据实际设计需要确定，在此不做具体限定。

优选的，本实施例的第一连杆部33的中轴线和第二连杆部34的中轴线之间的夹角β为128度。

在一些实施例中，参见图2所示，本实用新型的丝杠2设置于丝杠安装底座8上，丝杠安装底座8固定安装于电机安装底座5上。

在一些实施例中，参见图3所示，本实用新型的电机安装底座5通过安装法兰板14与机器人臂连接。

在一些实施例中，本实用新型的电机安装底座5内还设有与电机1连接的电机驱动器和电机编码器。

在一些实施例中，本实用新型的丝杠2为梯形丝杠；或者，丝杠2为滚珠丝杠；或者，丝杠2包括滚珠丝杠和抱闸，电机1的输出轴经抱闸连接滚珠丝杠。

丝杠作为一种传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性的直线运动。本实施例中丝杠可以为梯形丝杠，其具备自锁能力，电机直接连接梯形丝杠；丝杠还可以为滚珠丝杠，以提高传动效率；丝杠还可以为滚珠丝杠带抱闸，电机的输出轴连接抱闸，再连接连杆，使得具备自锁能力，并同时提高传动效率。

在一些实施例中，本实用新型的电机1为直流无刷电机、直流有刷电机或者直流步进电机。需要说明的是，本实施例中电机还可以为其他类型，在此不做具体限定。

在一些实施例中，为了降低电机的转速，增加转矩，本实用新型的机器人腕关节装置还包括与电机1连接的减速机，减速机为谐波减速机、行星减速机或者摆针减速机。需要说明的是，本实施例中减速机还可以为其他类型，在此不做具体限定。

在一些实施例中，参见图6和图7所示，本实用新型的电机1为电机内置式减速电机；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；谐波减速机9具有输入轴901、减速机机壳902和减速机端盖9010，减速机机壳902与减速机端盖9010固定连接，输入轴901设置于减速机机壳902内且伸出减速机端盖9010；永磁转子10固定连接于输入轴 901上；绕线定子11固定连接于电机壳12内，电机壳12与减速机机壳902 固定连接。

本实用新型实施例中为了减小机器人自重，节省空间，机器人腕关节采用减速机和电机一体的电机内置式减速电机。通过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。

可选的，本实施例中永磁转子10的高度和直径的比值小于等于1，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。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，本实施例中减速机输入轴901靠近永磁转子10的端面上设置螺孔903；转子铁芯1001为空心圆筒，空心圆筒靠近减速机输入轴901的一端设置有内翻的内凸缘，内凸缘上设置有安装孔1003，永磁转子10通过螺栓 13安装到减速机输入轴901上。

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。

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。

在一些实施例中，参见图3所示，本实施例的输出轴支撑轴承41上设有输出轴编码器42，用于获取腕关节输出轴的角速度。

可选的，本实施例中输出轴编码器42为绝对值编码器。绝对编码器由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这种编码器的抗干扰特性、数据的可靠性高。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种机器人腕关节装置，用于连接机器人手和机器人臂，其特征在于，包括：

电机(1)，设置于电机安装底座(5)上；

丝杠(2)，包括丝杆(21)和丝杠螺母(22)，所述丝杆(21)的一端与所述电机(1)的输出轴连接，所述丝杆(21)的另一端连接丝杠输出轴轴承(23)，所述丝杠输出轴轴承(23)设置于输出轴安装底座(6)上；

连杆(3)，所述连杆(3)的一端与所述丝杠螺母(22)铰接，所述连杆(3)的另一端与腕关节输出轴(4)铰接；

腕关节输出轴(4)，与输出轴支撑轴承(41)连接，所述输出轴支撑轴承(41)设置于输出轴轴承安装座(7)上；

启动所述电机(1)，所述丝杠(2)推动所述连杆(3)做直线运动以带动所述腕关节输出轴(4)绕所述输出轴支撑轴承(41)转动。

2.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述连杆(3)的一端通过第一销轴(31)与所述丝杠螺母(22)连接，所述连杆(3)的另一端通过第二销轴(32)与输出轴轴承安装座(7)连接。

3.根据权利要求2所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述连杆(3)的数量为两个，两个所述连杆(3)通过第一固定螺栓(35)连接。

4.根据权利要求3所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述连杆(3)包括第一连杆部(33)和第二连杆部(34)，所述第一连杆部(33)的中轴线和所述第二连杆部(34)的中轴线之间的夹角为钝角。

5.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述丝杠(2)设置于丝杠安装底座(8)上，所述丝杠安装底座(8)固定安装于所述电机安装底座(5)上。

6.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述丝杠(2)为梯形丝杠或者滚珠丝杠。

7.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述电机(1) 为直流无刷电机、直流有刷电机或者直流步进电机。

8.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述机器人腕关节装置还包括与所述电机(1)连接的减速机，所述减速机为谐波减速机、行星减速机或者摆针减速机。

9.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述电机(1)为电机内置式减速电机；

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。

10.根据权利要求1所述的机器人腕关节装置，其特征在于，所述输出轴支撑轴承(41)上设有输出轴编码器(42)。

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