一种并联式三自由度人形机器人关节的制作方法

本发明涉及机器人关节技术领域，具体为一种并联式三自由度人形机器人关节。

背景技术

人形机器人是机器人技术的高级发展阶段，它是集机、电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体的高度交叉的前沿学科。而人形机器人的关节结构设计是人形机器人设计的一个难点。目前人形机器人关节主要采用的是串联和并联结构。

串联结构由多个单转动副串联而成，控制上容易实现，而且结构简单。但是多个转动副串联的形式使得结构体积庞大、承载能力差、刚度小，并且各个转动轴不能交于一点，与人的关节结构有较大差距。

并联结构在结构上与人更接近，即各个转动轴相互正交并尽量地汇于一点，并且结构紧凑、承载能力大、刚度大。但是并联结构的整体结构复杂、制造成本高、工作空间小，不能完全模拟人类关节的运动。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种并联式三自由度人形机器人关节，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种并联式三自由度人形机器人关节，包括：第一传动系统、第二传动系统、第三传动系统、第四传动系统、辅助传动系统、l型支架，所述l型支架上有配合孔，所述第一传动系统、第四传动系统和辅助传动系统与l型支架连接，所述第二传动系统与第一传动系统连接，所述第三传动系统与第二传动系统连接；第一传动系统带动第二传动系统和第三传动系统一同侧摆运动，第二传动系统带动第三传动系统一同自转，第三传动系统做正摆运动，而第四传动系统带动整体结构一同转动，并且由辅助系统实现第一传动系统和第四传动系统的切换。

所述第一传动系统包括第一电机、摆动盘、摆动轴销、第一主动圆柱齿轮、第一从动圆柱齿轮、大蜗杆、大蜗轮、大蜗杆镶套、大蜗轮周向镶套、大蜗轮端面镶套、蜗轮端盖，第一电机通过螺钉与摆动盘固连，摆动盘则通过摆动轴销与l型支架连接，通过紧定螺钉将摆动轴销与l型支架固连，轴和孔采用间隙配合，摆动盘则绕着摆动轴销来回摆动；第一主动圆柱齿轮经键连接在第一电机的轴上，采用小过盈配合使其轴向固定，并且与第一从动圆柱齿轮啮合；大蜗杆带键槽轴端依次从l型支架的三个大蜗杆配合孔中穿过，并按照装配顺序在轴孔间隙中压入三个大蜗杆镶套；大蜗杆带键槽轴端与第一从动圆柱齿轮经键相连，并对大蜗杆轴端进行铆压使齿轮轴向定位，大蜗杆另一端轴端带有外螺纹，配以锁紧螺母调整至合适位置，使其轴向定位。

所述大蜗轮安放在l型支架的蜗轮配合孔中，并与大蜗杆啮合实现关节的侧摆运动，配合孔中事先压入大蜗轮周向镶套；大蜗轮外端面装上大蜗轮端面镶套，并将蜗轮端盖经螺钉固连在大蜗轮外端面以作定位用，大蜗轮内端面装上大蜗轮端面镶套，并通过螺钉和第二传动系统的连接架固连，并通过定位销和大蜗轮的定位凸台定位。

所述第二传动系统为平面轴承式结构，包括第二电机、连接架、第二主动圆柱齿轮、齿轮挡板、钢珠、浮动滑块、弹簧、齿轮法兰，所述连接架上有3个沿圆弧分布的通孔贯穿连接架的上下端面，圆弧的圆心为转动中心，并且每个孔两端都有定位沉头孔；连接架通过螺钉与第一传动系统的大蜗轮固定连接，并通过定位销和大蜗轮凸台定位；第二电机输出轴朝下放置，并放入连接架上的电机安装槽中，通过螺钉固定，其输出轴上有定位轴肩，轴端面有内螺纹孔；第二主动圆柱齿轮经键与第二电机输出轴相连，并由轴上的定位轴肩和齿轮挡板轴向定位，齿轮挡板则通过螺钉紧固于电机轴端面；浮动滑块通过连接架通孔的上下端面装入其中，由定位沉头孔定位，并且每一对浮动滑块之间都设有弹簧；钢珠按顺序依次装到浮动滑块的球窝中，齿轮法兰通过两端的滚道与钢珠接触滚动，齿轮法兰的底端带有齿轮，与第二主动圆柱齿轮啮合实现关节的自转运动，并且齿轮法兰通过其外圆上的梅花型通孔与第三传动系统连接，所述弹簧处于压缩状态，通过预紧力将两端浮动滑块向外撑开，以支承齿轮法兰、第三传动系统以及后续结构的重量。

所述第三传动系统为蜗轮蜗杆减速器，包括第三电机、底板、箱体、减速器圆柱齿轮、蜗杆齿轮、减速器蜗轮、齿轮镶套、蜗轮凸台镶套、箱盖、梅花轴；箱体底部有凹槽来安放减速器圆柱齿轮和蜗杆齿轮的齿轮部分，上部分为两边支承中间镂空的结构，用来安放减速器蜗轮，底部凹槽处有中心孔和偏置孔直至上部分镂空处；箱体的中心孔与偏置孔均装入齿轮镶套，减速器圆柱齿轮带有d型孔，安放在箱体底部中心孔位置，蜗杆齿轮的蜗杆部分穿过箱体偏置孔和齿轮镶套，直至其齿轮部分到底部偏置孔处，并与减速器圆柱齿轮啮合；底板的中心孔与偏置孔亦装入齿轮镶套，通过螺钉与箱体底部固连，蜗杆齿轮下轴端穿入底板偏置孔；减速器圆柱齿轮和蜗杆齿轮齿部分上下端面均与齿轮镶套接触，第三电机通过螺钉与底板固连，其输出轴为d型轴，通过底板中心孔穿过减速器圆柱齿轮的d型孔，再穿入箱体中心孔和齿轮镶套；减速器蜗轮加工有梅花型通孔并且两端带有凸台，将蜗轮凸台镶套套在凸台上，并放在箱体上部分两边支承的半圆孔上，使得减速器蜗轮与蜗杆齿轮的蜗杆部分啮合实现关节正摆运动；箱盖同样带有半圆孔，通过螺钉与箱体顶部固连；将装配完成的部分由第二传动系统的齿轮法兰的开口部分塞入，将梅花轴由齿轮法兰的梅花型孔中穿入，并穿过减速器蜗轮的梅花型通孔，从齿轮法兰另一边的梅花型孔穿出，并在两边装上轴用弹性挡圈来轴向固定，由于梅花轴与减速器蜗轮以及第二传动系统的齿轮法兰固连，则第三传动系统中减速器蜗轮不动，蜗杆齿轮自转并带动其余部分沿减速器蜗轮公转，实现正摆运动。

所述第四传动系统包括第一电机、摆动盘、摆动轴销、第一主动圆柱齿轮、第二从动圆柱齿轮、小蜗杆、小蜗杆镶套、小蜗轮、小蜗轮镶套、固定轴镶套、固定轴，第四传动系统与第一传动系统共用第一电机、摆动盘、摆动轴销及第一主动圆柱齿轮，第一电机通过螺钉与摆动盘固连，摆动盘则通过摆动轴销与l型支架连接，通过紧定螺钉将摆动轴销与l型支架固连，轴和孔采用间隙配合，摆动盘绕着摆动轴销来回摆动；第一主动圆柱齿轮经键连接在第一电机的轴上，采用小过盈配合使其轴向固定，并且与第二从动圆柱齿轮啮合；小蜗杆带键槽轴端依次从l型支架的两个小蜗杆配合孔中穿过，并按照装配顺序在轴孔间隙中压入两个小蜗杆镶套。

所述小蜗杆带键槽轴端与第二从动圆柱齿轮经键相连，并对小蜗杆轴端进行铆压使齿轮轴向定位，小蜗杆另一端轴端带有外螺纹，并将固定轴由l型支架的固定轴安装孔中自下而上穿过，使得小蜗轮和小蜗杆啮合，孔两端有沉头孔，事先装入了固定轴镶套；固定轴两端固定在外接支架上以支撑整体结构，小蜗轮与固定轴固定连接，小蜗杆自转并带动整体结构沿小蜗轮公转。

所述辅助传动系统包括辅助电机和拨块，辅助电机通过螺钉固定在l型支架上，拨块经紧定螺钉固定在辅助电机轴上，拨块一端的凸台插入第一传动系统和第四传动系统共用的摆动盘的滑槽中，带着摆动盘来回摆动，从而实现第一传动系统和第四传动系统的切换。

与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明结构紧凑、刚度大、承载能力强；由于采用蜗轮蜗杆传动，使得减速比较大、传动平稳并能实现自锁；并且关节具有三个转动自由度并汇于一点，外加一个整体的转动自由度，使得关节结构与人类关节更为接近，并能更好地模拟人类关节运动；同时，采用了很多蜗轮蜗杆传动结构，能够得到较大的减速比，并且传动平稳、噪音小、能够实现自锁以保持关节的动作姿态。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的第一传动系统的三维爆炸图。

图3为本发明的第二传动系统的三维爆炸图。

图4为本发明的第三传动系统的三维爆炸图。

图5为本发明的第四传动系统和辅助传动系统的三维爆炸图。

图6为本发明的正视剖视图。

图7为本发明的左视剖视图。

图8为本发明的俯视剖视图。

图9为图8中bb向剖视图。

图10为图8中cc向剖视图。

图11为图8中dd向剖视图。

图中：1-第一传动系统，2-第二传动系统，3-第三传动系统，4-第四传动系统，5-第五传动系统，6-l型支架；

101-第一电机，102-摆动盘，103-摆动轴销，104-第一主动圆柱齿轮，105-第一从动圆柱齿轮，106-大蜗杆，107-大蜗轮，108-大蜗杆镶套，109-大蜗轮周向镶套，110-大蜗轮端面镶套，111-蜗轮端盖；

201-第二电机，202-连接架，203-第二主动圆柱齿轮，204-齿轮挡板，205-钢珠，206-浮动滑块，207-弹簧，208-齿轮法兰；

301-第三电机，302-底板，303-箱体，304-减速器圆柱齿轮，305-蜗杆齿轮，306-减速器蜗轮，307-齿轮镶套，308-蜗轮凸台镶套，309-箱盖，310-梅花轴；

401-第二从动圆柱齿轮，402-小蜗杆，403-小蜗杆镶套，404-小蜗轮，405-小蜗轮镶套，406-固定轴镶套，407-固定轴；

501-辅助电机，502-拨块。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，可以两个元件内部的连通，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种并联式三自由度人形机器人关节，包括第一传动系统1、第二传动系统2、第三传动系统3、第四传动系统4、辅助传动系统5、l型支架6，所述l型支架6上有各种配合孔，便于传动系统安装连接并作支承作用，所述第一传动系统1、第四传动系统4和辅助传动系统5与l型支架6连接，所述第二传动系统2与第一传动系统1连接，所述第三传动系统3与第二传动系统2连接。

如图2、图7、图8、图9、图10所示，所述第一传动系统1包括第一电机101、摆动盘102、摆动轴销103、第一主动圆柱齿轮104、第一从动圆柱齿轮105、大蜗杆106、大蜗轮107、大蜗杆镶套108、大蜗轮周向镶套109、大蜗轮端面镶套110以及蜗轮端盖111。第一电机101通过螺钉与摆动盘102固连，摆动盘102则通过摆动轴销103与l型支架6连接，通过紧定螺钉将摆动轴销103与l型支架6固连，轴和孔采用间隙配合，摆动盘102则可以绕着摆动轴销103来回摆动；第一主动圆柱齿轮104经键连接在第一电机101的轴上，采用小过盈配合使其轴向固定，并且与第一从动圆柱齿轮105啮合；大蜗杆106带键槽轴端依次从l型支架6的三个大蜗杆配合孔中穿过，并按照装配顺序在轴孔间隙中压入三个大蜗杆镶套108以减少磨损；大蜗杆106带键槽轴端与第一从动圆柱齿轮105经键相连，并对大蜗杆106轴端进行铆压使齿轮轴向定位，大蜗杆106另一端轴端带有外螺纹，配以锁紧螺母调整至合适位置，使其轴向定位，保证和大蜗轮107的正确啮合以及传动的平顺；大蜗轮107安放在l型支架6的蜗轮配合孔中，并与大蜗杆106啮合实现关节的侧摆运动，配合孔中事先压入大蜗轮周向镶套109；大蜗轮107外端面装上大蜗轮端面镶套110，并将蜗轮端盖111经螺钉固连在大蜗轮107外端面以作定位用，大蜗轮107内端面装上大蜗轮端面镶套110，并通过螺钉和第二传动系统2的连接架202固连，并通过定位销和大蜗轮107的定位凸台定位。

如图3、图7、图8、图11所示，所述第二传动系统2为平面轴承式结构，包括第二电机201、连接架202、第二主动圆柱齿轮203、齿轮挡板204、钢珠205、浮动滑块206、弹簧207以及齿轮法兰208。所述连接架202上有3个沿圆弧分布(圆心为转动中心)的通孔贯穿连接架202的上下端面，并且每个孔两端都有定位沉头孔；连接架202通过螺钉与第一传动系统1的大蜗轮107固连，并通过定位销和大蜗轮107凸台定位；第二电机201输出轴朝下放置，并放入连接架202上的电机安装槽中，通过螺钉固定，其输出轴上有定位轴肩，轴端面有内螺纹孔；第二主动圆柱齿轮203经键与第二电机202输出轴相连，并由轴上的定位轴肩和齿轮挡板204轴向定位，齿轮挡板204则通过螺钉紧固于电机轴端面；浮动滑块206通过连接架202通孔的上下端面装入其中，由定位沉头孔定位，并且每一对浮动滑块206之间都有事先安放的弹簧207，以增加支承；钢珠205按顺序依次装到浮动滑块206的球窝中，齿轮法兰208通过两端的滚道与钢珠205接触滚动，转动至合适位置，与平面轴承相类似；齿轮法兰208的底端带有齿轮，与第二主动圆柱齿轮203啮合实现关节的自转运动，并且齿轮法兰208通过其外圆上的梅花型通孔与第三传动系统3连接。所述弹簧207必须处于压缩状态，通过预紧力将两端浮动滑块206向外撑开，以支承齿轮法兰208、第三传动系统3以及后续结构的重量。

如图4、图6、图7所示，所述第三传动系统3为蜗轮蜗杆减速器，包括第三电机301、底板302、箱体303、减速器圆柱齿轮304、蜗杆齿轮305、减速器蜗轮306、齿轮镶套307、蜗轮凸台镶套308、箱盖309以及梅花轴310。箱体303底部有凹槽来安放减速器圆柱齿轮304和蜗杆齿轮305的齿轮部分，上部分为两边支承中间镂空的结构，用来安放减速器蜗轮306，底部凹槽处有中心孔和偏置孔直至上部分镂空处；箱体303的中心孔与偏置孔均装入齿轮镶套307，减速器圆柱齿轮304带有d型孔，安放在箱体303底部中心孔位置，蜗杆齿轮305的蜗杆部分穿过箱体303偏置孔和齿轮镶套307，直至其齿轮部分到底部偏置孔处，并与减速器圆柱齿轮304啮合；底板302的中心孔与偏置孔亦装入齿轮镶套307，通过螺钉与箱体303底部固连，蜗杆齿轮305下轴端穿入底板302偏置孔；减速器圆柱齿轮304和蜗杆齿轮305齿部分上下端面均与齿轮镶套307接触，并有微小间隙以保证传动平顺；第三电机301通过螺钉与底板302固连，其输出轴为d型轴，通过底板302中心孔穿过减速器圆柱齿轮304的d型孔，再穿入箱体303中心孔和齿轮镶套307；减速器蜗轮306加工有梅花型通孔并且两端带有凸台，将蜗轮凸台镶套308套在凸台上，并放在箱体303上部分两边支承的半圆孔上，使得减速器蜗轮306与蜗杆齿轮305的蜗杆部分啮合实现关节正摆运动；箱盖309同样带有半圆孔，通过螺钉与箱体303顶部固连；将装配完成的部分由第二传动系统2的齿轮法兰208的开口部分塞入，将梅花轴310由齿轮法兰208的梅花型孔中穿入，并穿过减速器蜗轮306的梅花型通孔，从齿轮法兰208另一边的梅花型孔穿出，并在两边装上轴用弹性挡圈来轴向固定。由于梅花轴310与减速器蜗轮306以及第二传动系统2的齿轮法兰208固连，则第三传动系统3中减速器蜗轮306不动，蜗杆齿轮305自转并带动其余部分沿减速器蜗轮306公转，实现正摆运动。

如图5、图6、图8、图9所示，所述第四传动系统4包括第一电机101、摆动盘102、摆动轴销103、第一主动圆柱齿轮104、第二从动圆柱齿轮401、小蜗杆402、小蜗杆镶套403、小蜗轮404、小蜗轮镶套405、固定轴镶套406以及固定轴407，第四传动系统4与第一传动系统1共用第一电机101、摆动盘102、摆动轴销103及第一主动圆柱齿轮104。第一电机101通过螺钉与摆动盘102固连，摆动盘102则通过摆动轴销103与l型支架6连接，通过紧定螺钉将摆动轴销103与l型支架6固连，轴和孔采用间隙配合，摆动盘102则可以绕着摆动轴销103来回摆动；第一主动圆柱齿轮104经键连接在第一电机101的轴上，采用小过盈配合使其轴向固定，并且与第二从动圆柱齿轮401啮合；小蜗杆402带键槽轴端依次从l型支架6的两个小蜗杆配合孔中穿过，并按照装配顺序在轴孔间隙中压入两个小蜗杆镶套403以减少磨损；小蜗杆402带键槽轴端与第二从动圆柱齿轮401经键相连，并对小蜗杆402轴端进行铆压使齿轮轴向定位，小蜗杆402另一端轴端带有外螺纹，配以锁紧螺母调整至合适位置，使其轴向定位，保证和小蜗轮404的正确啮合以及传动的平顺；由固定轴407一端装入小蜗轮404经键相连，由轴肩轴向定位，再装入小蜗轮镶套405，并将固定轴407由l型支架6的固定轴安装孔中自下而上穿过，使得小蜗轮404和小蜗杆402啮合，孔两端有沉头孔，事先装入了固定轴镶套406以减少磨损；固定轴407两端固定在外接支架上以支撑整体结构，小蜗轮404与固定轴407固连不动，小蜗杆402自转并带动整体结构沿小蜗轮404公转，实现整体结构的转动以增加运动范围。

如图5、图9所示，所述辅助传动系统5包括辅助电机501和拨块502。辅助电机501通过螺钉固定在l型支架6上，拨块502经紧定螺钉固定在辅助电机501轴上，拨块502一端的凸台插入第一传动系统1和第四传动系统4共用的摆动盘102的滑槽中，带着摆动盘102来回摆动，从而实现第一传动系统1和第四传动系统4的切换。

最终将关节各个部分装配在一起，使得第一传动系统1带动第二传动系统2和第三传动系统3一同侧摆运动，第二传动系统2带动第三传动系统3一同自转，第三传动系统3做正摆运动，而第四传动系统4带动整体结构一同转动，并且由辅助系统5实现第一传动系统1和第四传动系统4的切换。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。