一种机器人的多自由度关节构件的制作方法

本实用新型涉及机械自动化技术领域，具体涉及一种机器人的多自由度关节构件。

背景技术：

随着机械自动化和图像处理技术的不断发展，越来越多的机器人被设计且应用到各行各业中，来满足不同的实际使用需求。机器人不但能实现自动化和智能化，而且可以有效提高效率，例如工业机器人中的焊接机器人、加工机器人等；在一些行业中，机器人也用于完成特定的工作或任务，例如灾后搜救机器人、管道清洗机器人等。

机器人的结构设计是决定机器人工作性能的重要因素之一。为了使机器人能更加灵活以完成更多动作，机器人关节的自由度是在结构设计时所主要考虑的问题。目前，一些机器人关节的多自由度主要靠结构堆砌来实现，例如工业机器人为了定位具体的位置，一般需要三条不同方向的轨道，且分别需要一个驱动器来驱动，这种关节虽然控制简单，但成本高且占用空间大，主要在应用在工业上；而目前的小型机器人，例如仿生机器人等，其关节处结构设计比较简单，即采用活动连杆式结构，一个关节只能在一个平面转动；如需要使末端的执行机构(如机械手)具有更多的自由度，则需要增加关节的个数，而增加一个关节则需要对应添加一副连杆，使得机器人的整体外形体积、重量大，且不便于控制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种机器人的多自由度关节构件，通过一个关节可实现多方向的自由度，用以克服传统结构存在的体积、重量大的问题。

为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术方案：

一种机器人的多自由度关节构件，包括关节轴，关节轴的上端设置有后关节板，关节轴的下端设置有安装板，安装板的下端通过弹性柱连接有前关节板；

所述的安装板的顶面沿圆周方向分布有多个卡槽，每一个卡槽中装配一个吸盘；所述的前关节板和安装板之间沿圆周方向分布有多根拉线，每一根拉线的上端均穿过安装板的底面并与一个卡槽中的吸盘连接；所述的关节轴上套装有可在关节轴上旋转的转套，转套上设置有直线驱动器，直线驱动器的输出端上安装有与所述吸盘配合的电磁铁。

进一步地，所述的转套通过轴承安装在关节轴上，转套上设置有齿环，所述的关节轴上安装有电机，电机的输出轴上设置有与所述齿环配合的齿轮。

进一步地，所述的卡槽的底部开设有凹槽，凹槽底部开设有穿出安装板底面的线孔，所述的拉线的上端穿过线孔、凹槽与所述的吸盘连接；所述的凹槽中设置有与所述吸盘连接的复位弹簧。

进一步地，所述的前关节板的顶面沿圆周方向分布有接线板，每一个接线板上设置一个接线环，所述的拉线的下端固定在接线环上。

进一步地，所述的后关节板和前关节板之间设置有外壳，外壳的上端固定在所述的后关节板上，外壳的前端通过波纹管与所述的前关节板连接。

进一步地，所述的后关节板、关节轴、安装板、弹性柱以及前关节板同轴设置。

本实用新型具有以下技术特点：

1.本实用新型的关节构件，可利用一个关节实现多个方向的自由度，有效精简了结构，适用于直接对机器人末端执行机构的连接。

2.本实用新型与传统的末端执行机构实现多自由度需要多个关节配合相比，仅需一个关节构件，使得关节部位重量更轻、体积更小，且控制简单，为机器人多自由度关节结构的设计提供了一种新思路。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型添加外壳后的结构示意图；

图3为凹槽和卡槽部分的剖视结构示意图；

图4为安装板部分的俯视结构示意图；

图5为活动板部分的俯视结构示意图；

图6为齿轮、齿环配合部分的径向剖视示意图。

图中：1后关节板，2前关节板，3关节轴，4安装板，5转套，6齿环，7电机，8拉线，9接线板，10弹性柱，11直线驱动器，12电磁铁，13齿轮，14吸盘，15卡槽，16凹槽，17复位弹簧，18线孔，19接线环，20轴承，21外壳，22波纹管。

具体实施方式

本实用新型公开了一种机器人的多自由度关节构件，包括关节轴3，关节轴3的上端设置有后关节板1，关节轴3的下端设置有安装板4，安装板4的下端通过弹性柱10连接有前关节板2；

所述的安装板4的顶面沿圆周方向分布有多个卡槽15，每一个卡槽15中装配一个吸盘14；所述的前关节板2和安装板4之间沿圆周方向分布有多根拉线8，每一根拉线8的上端均穿过安装板4的底面并与一个卡槽15中的吸盘14连接；所述的关节轴3上套装有可旋转的转套5，转套5上设置有直线驱动器11，直线驱动器11的输出端上安装有与所述吸盘14配合的电磁铁12。

本实用新型中所述的后关节板1、前关节板2、安装板4均为圆形板，固定轴为圆柱轴。当本实用新型的关节构件作为关节应用在机器人身上时，后关节板1、前关节板2分别与机器人上关节两侧的结构连接。安装板4固定在关节轴3下端，与前关节板2之间通过弹性柱10连接，因此前关节板2可以相对于安装板4朝着不同方向偏转，偏转时所述的弹性柱10向侧面弯折。当机器人的执行机构(例如机械手)与前关节板2连接时，前关节板2朝着不同方向偏转，就会带动执行机构朝不同的方向偏转，由此使得执行机构可以有多个方向的自由度，使执行机构能完成更多的动作或任务。

本实用新型为实现前关节板2的偏转，设置了拉线8机构。拉线8沿圆周方向分布，其前端与前关节板2固定连接，后端为活动式链接方式，具体为与开设在安装板4顶面上卡槽15中的吸盘14连接。卡槽15与拉线8的位置一一对应，一根拉线8连接一个卡槽15中的吸盘14。当吸盘14向上运动时，将对拉线8向上拖拽，由此使得拉线8带动前关节板2发生偏转。本方案中，采用直线驱动器11和电磁铁12配合的方式拉动吸盘14向上运动；所述的直线驱动器11可采用直线电机7、电动伸缩杆、液压伸缩杆等，所述的吸盘14为金属盘，具体为是能被电磁铁12吸附的金属盘，例如为铁盘。电磁铁12通电后产生吸附力，与所述的吸盘14吸合，二者相固定，此时通过直线驱动器11带动吸盘14向上运动，由此使得拉线8拽动前关节板2发生偏转。当给电磁铁12断开通电后，吸盘14与电磁铁12分开，在弹性柱10的作用下前关节板2复位。所述的弹性柱10为具有弹性的柱体结构，例如可以采用橡胶柱，或圆柱螺旋弹簧。

需要使前关节板2朝某个方向偏转时，只需要驱动转套5旋转，带动直线驱动器11和电磁铁12到达该方向对应的吸盘14上方，然后吸附并向上牵拉吸盘14即可。前关节盘的偏转程度，取决于吸盘14被向上牵拉的程度。

以人形机器人为例，本实用新型的关节构件安装在机器人的手臂上，例如可作为腕关节，其中后关节板1与机器人的小臂固定连接，前关节板2与机器人的手部(执行机构)固定连接，具体的连接方式可以为焊接或螺栓固定连接。当需要使机器人的手部朝某个方向偏转时，即对该方向对应的拉线8向上牵拉即可。

作为上述技术方案的进一步优化，所述的转套5通过轴承20安装在关节轴3上，转套5上设置有齿环6，所述的关节轴3上安装有电机7，电机7的输出轴上设置有与所述齿环6配合的齿轮13。

如图1、图6所示，当电机7的输出轴旋转时，通过齿轮13齿环6的啮合运动带动所述的转套5旋转，直线驱动器11固定在转套5上，因此转套5旋转将带动电磁铁12在圆周方向上调整位置；如图4所示，吸盘14在安装板4顶面上沿圆周方向分布，从而使得转套5旋转带动电磁铁12到达不同吸盘14的上方。

可选地，如图3所示，所述的卡槽15的底部开设有凹槽16，凹槽16与卡槽15同轴设置，例如二者可均为圆形槽，且凹槽16的直径小于卡槽15的直径；凹槽16底部开设有穿出安装板4底面的线孔18，所述的拉线8的上端穿过线孔18、凹槽16与所述的吸盘14连接；所述的凹槽16中设置有与所述吸盘14连接的复位弹簧17，其中复位弹簧17的作用是在吸盘14被向上拉动时，复位弹簧17被拉伸；吸盘14与电磁铁12脱离时，复位弹簧17促使吸盘14复位。

如图1、图5所示，所述的前关节板2的顶面沿圆周方向分布有接线板9，每一个接线板9上设置一个接线环19，所述的拉线8的下端固定在接线环19上。

如图1所示，优选地，所述的后关节板1、关节轴3、安装板4、弹性柱10以及前关节板2同轴设置，以便于对拉线8的布设。

如图2所示，所述的后关节板1和前关节板2之间设置有外壳21，外壳21的上端固定在所述的后关节板1上，外壳21的前端通过波纹管22与所述的前关节板2连接。

图2为本方案在应用时的结构示意图，其中所述的外壳21为一个两端通透的空心壳体，从外部套装在关节构件上，对关节构件起到保护作用，同时该关节构件外形更加美观；由于前关节板2需要发生偏转，因此前关节板2与所述的外壳21之间通过波纹管22连接，前关节板2偏转时波纹管22发生形变，这样外壳21的设置不会影响前关节板2的偏转。