一种机器人关节结构的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人关节结构。

背景技术

近年来，机器人技术不论在工业还是在民用领域的应用都有飞速的发展，而机器人各个关节是机器人控制的基础。因此，具有高度通用性的机器人关节转角的测量方法显得十分必要。

现有的机器人关节转角通常使用安装在关节上的角度传感器直接测量，其中主要包括霍尔磁性角度传感器，光学编码盘等。这些角度传感器虽然精度高，但是价格昂贵，对安装方式有极高的要求，所占空间较大，且易受环境因素干扰。

为了减小机器人的制造成本，简化关节处的结构设计，急需一种新的机器人关节结构。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机器人关节结构，以解决现有的机器人关节设计难度大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种机器人关节结构，包括：一第一关节、一第二关节以及至少一测距传感器；所述第一关节与所述第二关节旋转连接，且所述第一关节与所述第二关节相邻的两表面构成预定夹角，所述至少一测距传感器固定在所述第一关节或所述第二关节上，以测定所述第一关节与所述第二关节相邻的两表面之间的距离。

可选的，所述第一关节与所述第二关节相邻的两表面分别为一平面和一斜面，所述至少一测距传感器固定在所述平面上。

可选的，所述第二关节具有一转轴，所述第一关节具有一轴孔，所述轴孔套置于所述转轴上。

可选的，所述测距传感器的数量为两个，包括第一测距传感器和第二测距传感器，所述第一测距传感器和所述第二测距传感器均固定在与所述转轴同轴的同一圆周上。

可选的，所述第一测距传感器的测量位置、和所述第二测距传感器的测量位置以及与转轴轴心不共线。

可选的，当所述测距传感器的数量为两个时，以第一测距传感器测得的最大距离时第二关节的位置为0°位置，机器人关节旋转角度由以下公式计算得到，

式中：θ为关节旋转角度；d为第一测距传感器测得的距离，其中，第一测距传感器测得的最大距离为d1，最小距离为d2，d为第二传感器测得的距离，当第一测距传感器测得的距离为d时，所对应第二传感器所测的距离为ds或db，且ds<db。

可选的，还包括一驱动部件，所述驱动部件与所述转轴连接，以驱动所述转轴旋转。

可选的，所述驱动部件为马达或伺服电机。

可选的，所述测距传感器为光学传感器或磁性传感器。

可选的，还包括一数据处理装置，所述数据处理装置与所述至少一测距传感器连接，以根据测距传感器测得的距离参数计算关节旋转角度。

在本发明提供的机器人关节结构中，利用测距传感器测量第一关节与所述第二关节相邻的两表面之间的距离，并通过该距离的变化特征读出关节的旋转角度，从而达到不必安装编码器器件就能有效测量出机器人关节的旋转角度的效果；并且，该结构设计成本低，安装简单，对安装精度、安装位置没有特殊要求，通过简单的计算就可以得到绝对式的关节旋转角度，大大减小了机器人的设计难度。

附图说明

图1是本发明一实施例中机器人关节结构的立体示意图；

图2和图3分别是本发明一实施例中机器人关节结构中第一关节的主视图和立体图(其中还包括测距传感器和部分转轴)；

图4和图5分别是本发明一实施例中机器人关节结构中第二关节的主视图和立体图(其中还包括部分转轴)；

图6是本发明一实施例中第一传感器和第二传感器随旋转角度的变化测量距离变化的示意图。

图中：1-第一关节；2-驱动部件；3-第一测距传感器；4-第二测距传感器；5-转轴；6-斜面；7-平面；8-第二关节。

具体实施方式

本发明的核心思想在于利用关节自身的特征来计算关节的旋转角度，从而不必在关节处安装编码器等设备就可以完成关节旋转角度的测量，从而简化机器人的结构设计，降低成本。具体的，利用测距传感器测量测量两关节相邻的两表面之间的距离，该距离成周期性变化，根据该变化规律计算出关节的旋转角度，简单又方便。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的机器人关节结构作进一步详细说明。根据权利要求书和下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参阅图1，其示出的是本实施例中，机器人关节结构的立体示意图。为了更清楚的显示机器人关节结构的结构，将图1分割为两部分，一部分如图2～3所示，另一部分如图4～5所示，分割的位置为转轴5。本实施例中的机器人关节结构，包括：第一关节1、第二关节8以及两个测距传感器(包括第一测距传感器3和第二测距传感器4)；第一关节1与第二关节8旋转连接，具体的，第二关节8具有一转轴5，第一关节1具有一轴孔，该轴孔套置于转轴5上，并可绕转轴5旋转。

第一关节1与第二关节8相邻的两表面构成预定夹角(非平行)，该夹角可使两者之间的距离有规律的变化，原理上只要两表面非平行即可实现测量，从测量精确度上来讲，该预定夹角越大测量精度越高，从关节结构上来讲，该预定夹角越小，两个关节越紧凑，结构越稳定，所以本领域技术人员可以根据设计要求来具体设计预定夹角的具体角度。一般的，测距传感器固定在相对固定在一个关节上，在本实施例中，第一关节1相对固定，也可以说第一关节1为固定关节，第二关节8为旋转关节，所以测距传感器固定在第一关节1上，用以测定第一关节1与第二关节8相邻的两表面之间的距离。

第一关节1与第二关节8相邻的两表面分别为一平面7和一斜面6，也就是说第一关节1具有平面7，第二关节8具有斜面6，两个测距传感器均固定在平面7上，其中，平面7垂直于转轴5的轴向。

为了提高测距传感器的稳定性，较佳的，在平面7上具有一凹陷区，测距传感器固定在凹陷区内，这样设计可有效较小两关节之间的距离，增强关节结构的稳定性。

测距传感器测量距斜面6的距离，在关节旋转过程中，记录测距传感器的读数，并根据该读数计算关节转角的大小。测距传感器测量的距离会随着关节的旋转而变化，该变化与关节的旋转角度有直接的关系，所以可以可将距离参数转化为角度参数，直接读取。

由于两个测距传感器固定在平面7上，平面7和斜面6具有一定的夹角(非平行)，所以测距传感器距斜面6的距离随第二关节8的旋转而呈周期性变化(以第一关节1作为定子)。根据图1可知，两个传感器位于平面7和斜面6之间的间隙中，其间隙的大小呈周期性变化。进一步请参阅图4，测距传感器探测位置在斜面6的最高位置时，所测量的距离最小，探测位置在斜面6的最低位置时，所测量的距离最大。设定某一点为0°位置，两个测距传感器所检测的距离随旋转角度的变化如图6所示。

进一步的，第一测距传感器3和第二测距传感器4均固定在平面7上的同一圆周上，使两个测距传感器所测的距离周期变化一致，以便于计算旋转角度。另外，通常情况下，第一测距传感器3的测量位置、第二测距传感器4的测量位置以及转轴5轴心三点不共线，也就是说第一测距传感器3和第二测距传感器4与圆心构成的圆心角不等于180°。

当测距传感器的数量为两个时，以第一测距传感器3测得的最大距离时第二关节8的位置为0°，机器人关节旋转角度由以下公式计算得到，

式中：θ为关节旋转角度；d为第一测距传感器测得的距离，其中，第一测距传感器测得的最大距离为d1，最小距离为d2，d为第二传感器测得的距离，当第一测距传感器测得的距离为d时，所对应第二传感器所测的距离为ds或db，且ds<db。

测距传感器的数量并不限于两个，当测距传感器的数量为一个时，测量方法如下：

1.当关节的转动范围小于等于180°时，可以直接使用上述方式，读取一个传感器的读数，安装时需保证传感器读数在转动范围内是单调变化的。

2.当关节的转动范围大于180°时，需保证第二关节8在转轴方向有单调变化的螺旋面，当第二关节8转动时测距传感器读数与角度变化有一一对应的关系。从而根据测距传感器读数直接对应读出关节的旋转角度。

具体的，测距传感器为光学传感器或磁性传感器。当选用磁性传感器时，通过感应磁性的大小来测量距离的大小。

进一步的，为了便于读数，该机器人关节转角结构还包括一数据处理装置，该数据处理装置与所有的测距传感器均连接，接受所有测距传感器的距离参数，并根据这些参数计算关节的旋转角度，直接显示在一个显示屏上。

一般的机器人关节处均包括一驱动部件2，用于驱动转轴5旋转，进一步带动第二关节旋转。驱动部件2可以是伺服电机或马达。

为了更清楚的表现本发明的发明点，下面进一步详细的介绍该结构的安装使用方法。当驱动部件2转动时，测距传感器测得的距离将会以半圆为运动周期发成变化。通过同时读取两个测距传感器的度数，可以得到相邻关节绝对的转动角度。

安装测量方法如下：

(1)在第一关节1(即固定部分)的平面7上安装第一测距传感器3，在其侧安装第二测距传感器4，第一测距传感器3与第二测距传感器4相对于旋转中心呈一定夹角，且该夹角不等于180°。

(2)驱动部件2驱动转轴5转动时，带动第二关节8转动，第二关节8相对于第一关节1做旋转运动。第一关节1具有一平面7，该平面7靠近第二关节8，第二关节8具有一斜面6，该斜面6靠近第一关节1，该平面7与斜面6呈任意夹角(非平行)。

(3)第二关节8相对于第一关节1进行旋转运动的过程中，第一测距传感器3测得的距离为d，其中最大距离记为d1，最小距离记为d2；将同时刻第二测距传感器4测得的距离记为d。

(4)显然的，第一激光传感器3的距离读数变化将会以半圆为周期发生正弦变化(如图6所示)，也就是说，除了最大距离与最小距离，每一个d在一个圆周运动内都出现了两次，将该时刻对应的第二传感器读数按大小分别记为db和ds。

(5)假设将d1时刻的转动角度记为0°，且第一测距传感器3到第二测距传感器4的转动方向为正，则d2时刻的角度为180°。则第二关节8的旋转角度θ与传感器读数之间的关系为：

综上所述，在本发明提供的机器人关节结构中，利用测距传感器测量第一关节与所述第二关节相邻的两表面之间的距离，并通过该距离的变化特征读出关节的旋转角度，从而达到不必安装编码器器件就能有效测量出机器人关节的旋转角度的效果；并且，该结构设计成本低，安装简单，对安装精度、安装位置没有特殊要求，通过简单的计算就可以得到绝对式的关节旋转角度，大大减小了机器人的设计难度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。