一种双自由度关节机构的制作方法

本发明涉及机械自动化控制领域，尤其涉及一种双自由度关节机构。

背景技术：

作为机器人与环境相互作用的重要环节，服务机器人手臂性能会接影响机器人的可操作能力和智能化水平。安装有多自由度手臂的智能机器人可将人类从部分需要思考的高级劳动中解放出来，如家庭清洁、医疗陪护、教育娱乐等。构成手臂的各类关节在手臂运作中发挥着不可或缺的作用，关节性能直接影响着机器人的可靠性及实用性。

目前，机器人手臂关节主要有液压驱动，液压装置的控制系统较为复杂，本体重量较大；现有技术中，关节机构的紧凑性不高、可靠性低，并且关节机构的的灵活性和通用性不高。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种紧凑型、可靠性高、灵活性和通用性较好，结构简单、强度高负载大的双自由度关节机构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种双自由度关节机构，包括，

基座；

第一旋转轴，所述第一旋转轴水平放置并可绕水平轴线旋转；

第二旋转轴，所述第二旋转轴竖直放置并可绕竖直轴线旋转；

第一驱动电机，所述第一驱动电机为所述第一旋转轴提供旋转动力；

第二驱动电机，所述第二驱动电机为所述第二旋转轴提供旋转动力；

第一传动机构，所述第一传动机构连接在第一驱动电机和第一旋转轴之间，用于将第一驱动电机提供的旋转动力传递至第一旋转轴；

第二传动机构，所述第二传动机构连接在第二驱动电机和第二旋转轴之间，用于将第二驱动电机提供的旋转动力传递至第二旋转轴；

所述基座的上方设置有支架，所述第一旋转轴可绕水平轴线旋转的安装在所述支架上；所述第二旋转轴可绕竖直轴线旋转的设置在基座上，所述第二旋转轴与所述支架固定连接并可带动所述支架绕竖直轴线旋转。

一些实施例中，所述支架位于基座的上方，所述第二传动机构位于基座的下方，所述第二旋转轴穿设在所述基座内，所述第二旋转轴的上端与支架固定连接，所述第二旋转轴的下端与第二传动机构连接。

一些实施例中，所述第二旋转轴为中空轴，所述第一传动机构设置在所述支架上，所述第一驱动电机穿过所述中空轴与所述第一传动机构连接。

一些实施例中，所述第一传动机构包括可绕竖直轴线旋转的第一主动齿轮和可绕水平轴线旋转的第一从动齿轮，所述第一主动齿轮与第一从动齿轮啮合连接，所述第一从动齿轮与所述第一旋转轴固定连接；所述第一驱动电机带动第一主动齿轮绕竖直轴线旋转，所述第一主动齿轮的旋转带动第一从动齿轮绕水平轴线旋转，进而带动第一旋转轴的旋转。

一些实施例中，所述第二传动机构包括可绕竖直轴线旋转的第二主动齿轮和第二从动齿轮，所述第二主动齿轮与第二从动齿轮啮合连接，所述第二从动齿轮与第二旋转轴固定连接；所述第二驱动电机带动第二主动齿轮绕竖直轴线旋转，所述第二主动齿轮的旋转带动第二从动齿轮绕竖直轴线旋转，进而带动第二旋转轴的旋转。

一些实施例中，所述基座的下方固定连接有驱动电机安装架，所述第二驱动电机固定在所述驱动电机安装架上。

一些实施例中，所述驱动电机安装架与第二驱动电机之间设置有用于调节第二主动齿轮与第二从动齿轮之间中心距的偏心法兰，所述偏心法兰的一侧与第二驱动电机固定连接，另一侧与驱动电机安装架固定连接。

一些实施例中，所述偏心法兰上设置有偏心法兰安装孔，所述驱动电机安装架上设置有偏心孔，所述偏心法兰通过所述偏心法兰安装孔与偏心孔的配合固定在所述驱动电机安装架上；所述偏心孔为多个，通过偏心法兰安装孔与不同的偏心孔配合，可调整第二主动齿轮与第二从动齿轮之间的中心距。

一些实施例中，所述第一驱动电机与第一主动齿轮之间设置有消隙套筒，所述消隙套筒抵靠在第一主动齿轮的下方，用于调节第一主动齿轮与第一从动齿轮之间的传动间隙。

一些实施例中，所述支架上设置有旋转轴安装孔，所述第一旋转轴通过所述旋转轴安装孔可绕水平轴线旋转的安装在所述支架上；所述支架上位于旋转轴安装孔下方的部分设置有减重孔，所述支架上设置有电机固定孔，所述第一驱动电机通过所述电机固定孔与第一传动机构连接。

本发明的有益效果在于：采用电机驱动的方式提供驱动动力，灵活性和通用性高，并且结构紧凑、可靠性高，同时结构简单、强度高负载大。

另外，本发明中，通过偏心法兰或消隙套筒来消除主动齿轮与从动齿轮之间的间隙，提高了齿轮之间的传动精度，增加了关节运动的精度和可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的双自由度关节机构整体示意图。

图2是本发明提供的双自由度关节机构一个方向的剖面示意图。

图3是本发明提供的双自由度关节机构另一方向的剖面示意图。

图4是本发明提供的双自由度关节机构的组装结构爆炸图。

图5是偏心法兰的结构示意图。

图6是基座、支架、第一旋转轴和第一传动机构的组装结构示意图。

图7是支架的结构示意图。

附图说明：

第一驱动电机10；第一传动机构12；第一主动齿轮122；第一从动齿轮124；第一旋转轴14；第一轴承142；第一轴承端盖144；第二驱动电机20；第二传动机构22；第二主动齿轮222；第二从动齿轮224；第二旋转轴24；第二轴承242；基座30；支架40；旋转轴安装孔402；减重孔404；电机固定孔406；走线孔408；加强侧板409；驱动电机安装架50；偏心孔502；安装架通孔504；偏心法兰60；偏心法兰安装孔602；法兰定位凸台604；驱动电机固定孔606；法兰通孔608；消隙套筒70。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的所有实施例中，如图1和图6所示，水平方向为图1中的Y方向，竖直方向为图1中的X方向；图6中，水平方向为左右方向，竖直方向为上下方向。

本发明提供的双自由度关节机构，如图1-7所示，包括：

基座30。该基座30用于对整个关节机构的其他组成部分起支撑作用，同时，整个关节机构通过该基座30安装在机器人手臂、生产线或运输环境中的其他装置上。

第一旋转轴14，所述第一旋转轴14水平放置并可绕水平轴线旋转。该第一旋转轴14沿水平方向架设在基座30上，即第一旋转轴14的轴线是沿水平方向放置的，如图2所示，第一旋转轴14的左右方向为其轴线方向，也就是水平方向。同时，该第一旋转轴14可以绕水平轴线进行旋转，也就是说，第一旋转轴14可绕其轴线在基座30上面完成旋转动作。该第一旋转轴14为整个关节机构提供水平方向上的旋转自由度。

第二旋转轴24，所述第二旋转轴24竖直放置并可绕竖直轴线旋转。该第二旋转轴24沿竖直方向设置在基座30上，即第二旋转轴24的轴线是沿竖直方向放置的，如图3所示，第二旋转轴24的上下方向为其轴线方向，也就是竖直方向。同时，该第二旋转轴24可以绕竖直轴线进行旋转，也就是说，第二旋转轴24可以绕其轴线相对于基座30进行旋转。该第二旋转轴24为整个关节机构提供竖直方向上的旋转自由度。

第一驱动电机10，所述第一驱动电机10为所述第一旋转轴14提供旋转动力。

第二驱动电机20，所述第二驱动电机20为所述第二旋转轴24提供旋转动力。

第一传动机构12，所述第一传动机构12连接在第一驱动电机10和第一旋转轴14之间，用于将第一驱动电机10提供的旋转动力传递至第一旋转轴14。如图5所示，本发明的一个实施例中，第一驱动电机10绕竖直轴线旋转，这样，第一驱动电机10提供的是绕竖直轴线旋转的旋转动力，此时，第一传动机构12包含有两个功能，一个是与第一驱动电机10连接的绕竖直轴线旋转的部分，另一个是将绕竖直轴线旋转动力转换成与第一旋转轴14旋转方向一致的旋转动力的转换部件。这样，第一传动机构12将第一驱动电机10的驱动力传递至第一旋转轴14，进而带动第一旋转轴14进行旋转。

第二传动机构22，所述第二传动机构22连接在第二驱动电机20和第二旋转轴24之间，用于将第二驱动电机20提供的旋转动力传递至第二旋转轴24。

在本发明提供的双自由度关节机构中，基座30的上方设置有支架40，上述第一旋转轴14安装在该支架40上，并且可相对于该支架40进行旋转，其旋转为绕水平轴线的旋转；第二旋转轴24设置在基座30上，并且可相对于基座30进行旋转，其旋转为绕竖直轴线的旋转。同时，第二旋转轴24与支架40固定连接，并且可以在第二旋转轴24的带动下旋转，其旋转为绕竖直轴线的旋转。

本发明提供的关节机构，通过两个驱动电机驱动整个关节机构中的传动机构以及旋转轴的运作；整个驱动系统较为灵活并且效率高、通用性好。同时，实现了关节机构的双自由度的驱动作用，结构紧凑，节省空间、集成度也得到了较大的改善，并且使用范围较广。

在本发明的一个具体实施例中，如图4或图6所示，基座30上设置有支架40，该支架40通过位于基座30内的第二旋转轴24与基座30相连接，并且可以在第二旋转轴24的带动下转动。其中，第二旋转轴24由下至上穿过基座30，第二旋转轴24的外侧通过第二轴承242与基座30的内侧固定连接，并且该第二旋转轴24可以在第二轴承242内做旋转动作，第二旋转轴24和第二轴承242的安装方向都是上下方向，该安装方向本领域技术人员容易理解，是指第二旋转轴24和第二轴承242的中心轴方向。在本实施例中，支架40位于基座30的上方，该支架40为第一旋转轴14以及第一传动机构12提供支撑。第一旋转轴14水平设置在该支架40上，即第一旋转轴14的中心轴在水平方向上。同时，第一驱动电机10和第二驱动电机20位于基座30的下方，通过第一传动机构12和第二传动机构22的传递，将驱动力传递至第一旋转轴14和第二旋转轴24，进而带动第一旋转轴14和第二旋转轴24的旋转。

本发明的一个实施例中，如上所述，支架40位于基座30的上方，第二传动机构22位于基座30的下方，第二旋转轴24穿设在基座30内，第二旋转轴24的上端与支架40固定连接，第二旋转轴24的下端与第二传动机构22连接。上述“穿设”应当理解为，基座30中间设置有第二旋转轴24的安装空间，第二旋转轴24至少一部分设置在该安装空间内，并且位于该安装空间内的部分与基座30的内侧壁进行固定连接，同时可在该安装空间内转动。

本发明的另一个实施例中，如图3所示，第二旋转轴24为中空轴，第一传动机构12设置在支架40上，第一驱动电机10穿过上述中空轴与第一传动机构12连接。在上述实施例的基础上，进一步将穿设在基座30内的第二旋转轴24做成中空轴，将第一驱动电机10穿设在中空轴内，穿过该中空轴的第一驱动电机10的上端与第一传动机构12连接。这里，第一驱动电机10可以本体穿过中空轴，也可以仅仅将第一驱动电机10的输出轴部分穿过中空轴，只要能实现对第一传动机构12的动力提供即可。

本发明的一个具体实施例中，如图2所示，第一传动机构12包括可绕竖直轴线旋转的第一主动齿轮122和可绕水平轴线旋转的第一从动齿轮124，第一主动齿轮122与第一从动齿轮124啮合连接。即上文中提到了，第一传动机构12接收第一驱动电机10绕竖直轴线的旋转动力，并通过第一主动齿轮122与第一从动齿轮124的配合，将该绕竖直轴线旋转的旋转动力转换为绕水平轴线旋转的旋转动力，进而传递至第一旋转轴14，驱动该第一旋转轴14绕水平轴线旋转。

更具体的，第一从动齿轮124与第一旋转轴14固定连接，第一驱动电机10带动第一主动齿轮122绕竖直轴线旋转，第一主动齿轮122的旋转将带动第一从动齿轮124绕水平轴线旋转，进而带动第一旋转轴14的旋转。

上述传递过程，只是本发明的一个实施例中提供的一种优选的方式；其他行业内常用的旋转动力转换和传递装置，在本发明中也是可行的。

与第一传动机构12类似，本发明的一个实施例中，如图3所示，第二传动机构22包括可绕竖直轴线旋转的第二主动齿轮222和第二从动齿轮224，第二主动齿轮222与第二从动齿轮224啮合连接。由于在本实施例中，第二驱动电机20提供的旋转动力，其方向与第二旋转轴24的旋转方向一致；因此，本实施例中，第二主动齿轮222和第二从动齿轮224的旋转方向也是一致的，这里不需要对旋转方向进行转换。当然，如果因特殊情况，第二驱动电机20的旋转方向与第二旋转轴24的旋转方向不一致时，本发明中上一实施例中的第一主动齿轮122与第一从动齿轮124的配合方式以及旋转方向的转换结构配合，在第二传动机构22中也是可行的，本领域技术人员可以根据实际使用情况进行适当的设置和调整。

更具体的，在本实施例中，第二从动齿轮224与第二旋转轴24固定连接，第二驱动电机20带动第二主动齿轮222绕竖直轴线旋转，第二主动齿轮222的旋转带动第二从动齿轮224绕竖直轴线旋转，进而带动第二旋转轴24的旋转。

为了更好的将驱动电机与基座30结合在一起，本发明的一个实施例中，如图4所示，在基座30的下方固定连接有驱动电机安装架50，第二驱动电机20固定在该驱动电机安装架50上。在本实施例中，第一驱动电机10可以安装在该驱动电机安装架50上，也可以直接穿过该驱动电机安装架50上的通孔，直接与基座30相连接；其与驱动电机安装架50的连接方式，可以选择通过轴承的方式配合连接在该驱动电机安装架50上，当然，因为该驱动电机安装架50是与基座30相固定的，因此第一驱动电机10和第二驱动电机20必须可在该驱动电机安装架50上进行转动。

在本发明中，齿轮与齿轮之间的结合存在间隙，该间隙会带来传动误差；因此，为了更好的降低传动误差，提高齿轮传动的精度，本发明在齿轮传动部分增加了消隙结构，通过消隙结构保证齿轮与齿轮之间的间隙控制在一定范围之内，进而降低传动误差，保证传动精度。

为了实现上述效果，本发明的一个实施例中，在驱动电机安装架50与第二驱动电机20之间设置了用于调节第二主动齿轮222和第二从动齿轮224之间中心距的偏心法兰60，通过该偏心法兰60的作用，实现对第二主动齿轮222与第二从动齿轮224之间中心距的控制，也即是控制第二主动齿轮222与第二从动齿轮224之间的传动间隙，提高传动精度。更具体的，上述偏心法兰60的一侧与第二驱动电机20固定连接，另一端与驱动电机安装架50固定连接。即，第二驱动电机20依次穿过该偏心法兰60和驱动电机安装架50，与第二传动机构22连接。

为了更加详细的说明偏心法兰60是如何实现消隙作用的，在本发明的一个实施例中，如图4和图5所示，偏心法兰60上设置有偏心法兰安装孔602，驱动电机安装架50上设置有偏心孔502，上述偏心法兰安装孔602与偏心孔502之间通过螺钉或其他方式连接；通过所述偏心法兰安装孔602与偏心孔502的配合，将偏心法兰60与驱动电机安装架50固定连接；为了实现偏心法兰60的消息作用，上述驱动电机安装架50上的偏心孔502为多个，偏心法兰安装孔602与不同的偏心孔502配合连接时，第二驱动电机20与驱动电机安装架50之间的相对位置不同，这样，就能实现内部的第二主动齿轮222与第二从动齿轮224之间的间隙的不同，最终实现消隙作用。更具体的，通过偏心法兰安装孔602与不同的偏心孔502配合，可调整第二主动齿轮222与第二从动齿轮224之间的中心距。

本发明的另一实施例中，提供了第一主动齿轮122和第一从动齿轮124之间的消隙方式。如图3所示，在第一驱动电机10与第一主动齿轮122之间设置有消隙套筒70，该消隙套筒70抵靠在第一主动齿轮122的下方，进而调节第一主动齿轮122与第一从动齿轮124之间的传动间隙。该消隙套筒70为第一主动齿轮122提供一个向上的支撑力，使得第一主动齿轮122受该支撑力的作用，与第一从动齿轮124更好的配合，减少传动间隙。本领域技术人员可以通过替换不同长度和大小的消隙套筒70，进而调整第一主动齿轮122和第一从动齿轮124之间的间隙，减少传动误差。上述消隙套筒70的具体结构，可以选择碟簧或者圆柱弹簧，将碟簧或圆柱弹簧设置在第一驱动电机10和第一主动齿轮122之间。

本发明的另一个实施例中，如图7所示，支架40上设置有旋转轴安装孔402，第一旋转轴14通过旋转轴安装孔402安装在支架40上，并且第一旋转轴14可绕水平轴线旋转。同时，为了提高支架40的整体韧性和承重能力，在支架40上位于旋转轴安装孔402下方的部分设置有减重孔404。支架40上设置有电机固定孔406，第一驱动电机10通过上述电机固定孔406与第一传动机构12连接。

本发明中，如图2所示，第一旋转轴14与支架40之间通过第一轴承142连接；具体的，如图2所示，在支架40两侧设置有相对的两个支撑板，并且，在支撑板上设置有用于安装第一旋转轴14的旋转轴安装孔402，第一旋转轴14通过第一轴承142固定并连接在旋转轴安装孔402内。并且，在第一轴承142的外侧设置有第一轴承端盖144，用于保护第一轴承142的运作。

如图3所示，在第二旋转轴24与基座30之间设置有第二轴承242，通过第二轴承242将第二旋转轴24固定连接在基座30内。

如图7所示，本发明的一个优选实施例中，支架40上设置有用于走线的走线孔408以及用于加强支架40强度的加强侧板409。

如图4所示，驱动电机安装架50上设置有安装架通孔504，第二驱动电机20依次穿过偏心法兰60上的法兰通孔608和安装架通孔504与第二传动机构22连接。同时，在偏心法兰60上设置有驱动电机固定孔606，通过该驱动电机固定孔606将偏心法兰60和第二驱动电机20固定连接。

如图5所示，本发明的一个实施例中，偏心法兰60上设置有法兰定位凸台604，组装时，将法兰定位凸台604伸入安装架通孔504内，对偏心法兰60的安装起到与定位作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。