用于机器人的关节结构的制作方法

[0001]
本发明属于机器人技术领域，具体提供一种用于机器人的关节结构。


背景技术：

[0002]
机器人指能自动执行任务的人造机械装置，用以取代或协助人类工作，目前主要将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人，其中包括服务机器人和军用机器人等。
[0003]
机器人的关节结构是设计中的难点之一，关节结构需要承受关节结构以上的重力，因此，要求机器人关节结构在工作范围内的任何姿位上需要具有足够的承载能力，例如，服务机器人(与常人相似外观的机器人)的腰部关节，要求服务机器人在弯腰或者直立的情况下，腰部关节具有足够的承载能力以承载腰部以上躯干的重量，此外，由于机器人的工作要求，机器人需要具有紧凑的结构，在紧凑的结构下，对于机器人的承载能力的设计是一大难点，而机器人中长期承载重力的装置为驱动装置，因此在驱动装置长期重载的情况下，使得驱动装置输出轴承担较大的轴向力，进而缩短了驱动装置的使用寿命。
[0004]
相应的，本领域需要一种新的用于机器人的关节结构来解决现有机器人的驱动装置长期承载重力而导致其寿命降低的问题。


技术实现要素：

[0005]
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有机器人的驱动装置长期承载重力而导致其寿命降低的问题，本发明提供了一种用于机器人的关节结构，包括偏航驱动装置、俯仰驱动装置、翻滚驱动装置、基座、偏航支架俯仰支架、承力组件和动作执行端部，所述基座和所述偏航支架通过所述承力组件上下连接，并且所述偏航支架通过所述承力组件能够相对于所述基座实现自转，在所述承力组件上还设置有回转输入端，所述偏航驱动装置设置在所述基座上，并且所述偏航驱动装置的回转输出端与所述回转输入端连接，以驱动所述偏航支架的转动；所述俯仰驱动装置和所述俯仰支架设置在所述偏航支架上，并且所述俯仰驱动装置的俯仰输出端与所述俯仰支架的俯仰输入端连接，以驱动所述俯仰支架的俯仰运动；所述翻滚驱动装置和所述动作执行端部设置在所述俯仰支架上，并且所述翻滚驱动装置的翻滚输出端与所述动作执行端部的翻滚输入端连接，以驱动所述动作执行端部的翻滚。
[0006]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述承力组件包括支撑板和回转件，所述支撑板固定在所述基座上，所述回转件固定在所述支撑板和所述偏航支架之间，所述回转输入端设置在所述回转件上，所述偏航驱动装置设置在所述支撑板和所述基座之间。
[0007]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述回转件包括支撑驱动轴、推力轴承和推力轴承座，所述支撑驱动轴上设置有轴肩，所述推力轴承套设在所述支撑驱动轴并抵接在所述轴肩上，所述推力轴承设置在所述推力轴承座上，所述支撑驱动轴的一端与所述偏航支架连接，另一端设置有回转输入端。
[0008]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述回转件包括套筒和套柱，所述套柱的一端为回转输入端，所述套柱的另一端与所述偏航支架连接，所述套筒安装在所述支撑板上，所述套柱插入所述套筒内并能够实现自转，所述套筒和/或所述套柱为光滑耐磨材料。
[0009]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述回转件包括第一磁体和第二磁体，所述第一磁体的一端为回转输入端，所述第一磁体的另一端与所述偏航支架连接，所述第二磁体安装在所述支撑板上，所述第一磁体插入所述第二磁体内，并且所述第一磁体和所述第二磁体相邻的面具有相同的磁极，以实现所述第一磁体相对于所述第二磁体悬浮且能够实现自转。
[0010]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述偏航支架的自转轴线、所述俯仰支架的自转轴线以及所述动作执行端部的自转轴线的延长线交会于一点。
[0011]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述偏航驱动装置包括偏航驱动电机和变速器，所述俯仰驱动装置包括俯仰驱动电机和变速器，所述翻滚驱动装置包括翻滚驱动电机。
[0012]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述俯仰驱动电机和所述俯仰支架并排设置。
[0013]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述俯仰驱动电机和所述翻滚驱动电机的输出轴上还设置有轴承座。
[0014]
在上述用于机器人的关节结构的优选技术方案中，所述变速器为直齿轮变速器、蜗轮蜗杆变速器、扇形齿轮与直齿轮组合变速器、无级变速器中的一种。
[0015]
本领域人员能够理解的是，在本发明的技术方案中，关节结构包括偏航驱动装置、俯仰驱动装置、翻滚驱动装置、基座、偏航支架、俯仰支架、承力组件和动作执行端部，基座和偏航支架通过承力组件上下连接，并且偏航支架通过承力组件能够相对于基座实现自转，在承力组件上还设置有回转输入端，偏航驱动装置设置在基座上，并且偏航驱动装置的回转输出端与回转输入端连接，以驱动偏航支架的转动；俯仰驱动装置和俯仰支架设置在偏航支架上，并且俯仰驱动装置的俯仰输出端与俯仰支架的俯仰输入端连接，以驱动俯仰支架的俯仰运动；翻滚驱动装置和动作执行端部设置在俯仰支架上，并且翻滚驱动装置的翻滚输出端与动作执行端部的翻滚输入端连接，以驱动动作执行端部的翻滚。
[0016]
本发明为了使机器人设计体积小，结构紧凑，采用了上下分层设计，即通过偏航支架作为上下分隔面，并将偏航驱动装置设置在下侧的基座上，俯仰驱动装置和翻滚驱动装置设置在上侧的偏航支架上，相较于左右方向设计，能够节省较大的占用空间，但左右设计的承载重力较小，而上下设计使承载重力集中在偏航驱动装置的回转输出端上，由此，为了解决这个问题，本发明通过承力组件的设置，使承载重力集中到承力组件上，然后再通过承力组件将承载重力向基座转移，从而保护偏航驱动装置的回转输出端免受轴向力的作用，提高了偏航驱动装置的使用寿命，因此，本发明通过上下分层设计和承力组件的共同作用，使机器人结构紧凑、小巧的同时，又能够承受较大的重力载荷，保护偏航驱动装置不受损坏。
附图说明
[0017]
下面参照附图来描述本发明的机器人的关节结构。附图中：
[0018]
图1为本发明机器人关节结构的正视图；
[0019]
图2为本发明机器人关节结构一定俯视角度下的结构示意图；
[0020]
图3为本发明机器人关节结构的回转件中支撑驱动轴的结构示意图；
[0021]
图4为本发明机器人关节结构的回转件中推力轴承的结构示意图；
[0022]
图5为本发明机器人关节结构的回转件中推力轴承座的结构示意图；
[0023]
图6为本发明机器人关节结构的回转件为套筒和套柱的结构示意图；
[0024]
图7为本发明机器人关节结构的回转件为第一磁体和第二磁体的结构示意图。
[0025]
附图标记列表:
[0026]
1-偏航驱动装置；11-回转输出端；2-俯仰驱动装置；21-俯仰输出端；3-翻滚驱动装置；31-翻滚输出端；4-基座；5-偏航支架；6-俯仰支架；61-俯仰输入端；7-承力组件；71-回转件；711-支撑驱动轴；7111-回转输入端；712-推力轴承；713-推力轴承座；714-套筒；715-套柱；716-第一磁体；717-第二磁体；72-支撑板；8-动作执行端部；81-翻滚输入端。
具体实施方式
[0027]
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。例如，尽管说明书中是以套筒714进行描述的，但是，本发明显然可以采用其他各种形式，例如，套筒714可以为承力台等，承力台固定在支撑板72上，承力台为光滑的凸台，套柱715抵接在承力台上，只要具有将套柱715上的承载重力转移至基座4上的效果即可。
[0028]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0029]
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0030]
如图1、图2和图3所示，为解决现有的机器人的驱动装置长期承载重力而导致其寿命降低问题，本发明的用于机器人的关节结构包括偏航驱动装置1、俯仰驱动装置2、翻滚驱动装置3、基座4、偏航支架5、俯仰支架6、承力组件7和动作执行端部8，基座4和偏航支架5通过承力组件7上下连接，并且偏航支架5通过承力组件7能够相对于基座4实现自转，在承力组件7上还设置有回转输入端7111，偏航驱动装置1设置在基座4上，并且偏航驱动装置1的回转输出端11与回转输入端7111连接，以驱动偏航支架5的转动；俯仰驱动装置2和俯仰支架6设置在偏航支架5上，并且俯仰驱动装置2的俯仰输出端21与俯仰支架6的俯仰输入端61
连接，以驱动俯仰支架6的俯仰运动；翻滚驱动装置3和动作执行端部8设置在俯仰支架6上，并且翻滚驱动装置3的翻滚输出端31与动作执行端部8的翻滚输入端81连接，以驱动动作执行端部8的翻滚。
[0031]
本发明的偏航驱动装置1工作时，偏航驱动装置1的回转输出端11开始转动，并与承力组件7的回转输入端7111连接，使承力组件7驱动偏航支架5转动，本发明为了使机器人设计体积小，结构紧凑，采用了上下分层设计，即通过偏航支架5作为上下分隔面，并将偏航驱动装置1设置在下侧的基座4上，俯仰驱动装置2和翻滚驱动装置3设置在上侧的偏航支架5上，相较于左右方向设计，能够节省较大的占用空间，但左右设计的承载重力较小，而上下设计使承载重力集中在偏航驱动装置1的回转输出端11上，将使偏航驱动装置1的使用寿命缩短，由此，为了解决这个问题，本发明通过承力组件7的设置，使承载重力集中到承力组件7上，然后再通过承力组件7将承载重力向基座4转移，偏航驱动装置1无需承担偏航支架5的重力以及上面的负载，从而保护了偏航驱动装置1的回转输出端11免受轴向力的作用，提高了偏航驱动装置1的使用寿命，因此，本发明通过上下分层设计和承力组件7的共同作用，使机器人结构紧凑、小巧的同时，又能够承受较大的重力载荷，保护偏航驱动装置1不受损坏。
[0032]
如图4和图5所示，并继续参照图1和图3，在一种可能的实施方式中，承力组件7包括支撑板72和回转件71，支撑板72固定在基座4上，回转件71固定在支撑板72和偏航支架5之间，回转输入端7111设置在回转件71上，偏航驱动装置1设置在支撑板72和基座4之间。
[0033]
上述设置方式的优点在于：偏航支架5自身的重力和其上承载的重力首先集中于回转件71上，由于回转件71与支撑板72的固定连接，承载重力则由回转件71传递至支撑板72上，最后传递至基座4上，偏航驱动装置1的回转输出端11仅仅是插入回转件71内，而无需承担偏航支架5所带来的作用力，从而避免了承载重力传递至偏航驱动装置1的回转输出端11，此外，偏航驱动装置1设置在支撑板72和基座4之间，能够使结构更为紧凑，减少空间占用面积。
[0034]
如图5所示，并继续参照图1至图4，在一种可能的实施方式中，回转件71包括支撑驱动轴711、推力轴承712和推力轴承座713，支撑驱动轴711上设置有轴肩，推力轴承712套设在支撑驱动轴711并抵接在轴肩上，图4中以两个推力轴承712为例进行说明，当然可以是一个或三个以上的推力轴承712，推力轴承712设置在推力轴承座713上，支撑驱动轴711的一端与偏航支架5连接，另一端设置有回转输入端7111，本领域技术人员可以理解的是，推力轴承712是指用来专门承受轴向力的专用轴承，此外，支撑驱动轴711和偏航驱动装置1的回转输出端11的连接方式包括，通过支撑驱动轴711上设置带键槽的轴端，偏航驱动装置1的回转输出端11上设置孔连接，或者在支撑驱动轴711上设置孔，偏航驱动装置1的回转输出端11上设置带键槽的轴端进行连接等。
[0035]
上述设置方式的优点在于：由于偏航支架5与支撑驱动轴711连接，承载重力集中于支撑驱动轴711上，推力轴承712通过支撑驱动轴711的轴肩进行定位，并通过与推力轴承座713的固定起到对支撑驱动轴711进行支撑的作用，从而支撑驱动轴711上的承载重力通过推力轴承712传递至推力轴承座713上，从而实现了承载重力转移至支撑板72并传至基座4上，作为一种优选的实施方式，推力轴承712在轴肩两侧成对设置，且推力轴承712上下两侧安装轴肩，以使推力轴承712轴向定位，此外，推力轴承座713可在基座4上相对于支撑驱动轴711两侧对称设置，起到稳定支撑的作用，从而改善受力情况，使推力轴承712使用寿命
更长。
[0036]
如图6所示，在另一种可能的实施方式中，回转件71包括套筒714和套柱715，套柱715的一端为回转输入端7111，套柱715的另一端与偏航支架5连接，套筒714安装在支撑板72上，套柱715插入套筒714内并能够实现自转，套筒714和/或套柱715为光滑耐磨材料，本领域技术人员可以理解的是，套柱715上的承载重力能够转移至套筒714上，其实现方式包括：套柱715为阶梯型套柱715，套筒714内侧设有凸台，凸台抵接在套柱715的阶梯下侧，或者如图6所示，套柱715的阶梯设于套筒714上侧，或者套筒714内侧设有与套柱715阶梯相适配的环形凹槽，套柱715阶梯插入环形凹槽中，或者套柱715上设有环形凹槽，套筒714上设有环形凸台，环形凸台插入套柱715的环形凹槽中等方式。
[0037]
上述设置方式的优点在于：偏航驱动装置1工作时，偏航驱动装置1的回转输出端11带动套柱715的回转输入端7111转动，从而套柱715的转动带动偏航支架5进行转动，其中承载重力通过套柱715传递至套筒714上，例如：通过套柱715阶梯与套筒714的接触，使承载重力传递，再由支撑板72传递至基座4上，由于套筒714和/或套柱715为光滑耐磨材料，因此，套筒714既能够对套柱715起到支撑的作用，又能够减小套筒714与套柱715接触面的摩擦力，不妨碍套柱715其自身的转动，作为一种优选的实施方式，光滑耐磨材料为石墨烯或者镜面光滑耐磨钢板等。
[0038]
如图7所示，在另一种可能的实施方式中，回转件71包括第一磁体716和第二磁体717，第一磁体716的一端为回转输入端7111，第一磁体716的另一端与偏航支架5连接，第二磁体717安装在支撑板72上，第一磁体716插入第二磁体717内，并且第一磁体716和第二磁体717相邻的面具有相同的磁极，以实现第一磁体716相对于第二磁体717能够悬浮且实现自转，本领域技术人员可以理解的是，第一磁体716上的承载重力能够转移至第二磁体717上，其实现方式包括，如图7所示，第一磁体716和第二磁体717上均设置有凸台，其中第一磁体716的凸台和第二磁体717的凸台交错设置，或者第一磁体716上设有凸台，第一磁体716的凸台设于第二磁体717上。
[0039]
上述设置方式的优点在于：以第一磁体716的凸台和第二磁体717的凸台交错设置为例，由于第二磁体717与支撑板72固定，第一磁体716分别与偏航驱动装置1的回转输出轴和偏航支架5相连，且第一磁体716和第二磁体717相邻面磁极相同，因此利用磁铁同性相斥的原理，第一磁体716和第二磁体717的凸台处存在斥力，使第一磁体716相对于第二磁体717的凸台上下悬浮，当第一磁体716上承载重力时，第一磁体716的凸台向第二磁体717的凸台靠近，由于斥力的作用，避免了第一磁体716的转动和承载重力的作用对第二磁体717凸台带来的摩擦，保证第一磁体716的顺利转动，此外，由于第一磁体716的承载重力使凸台之间的斥力增大，第二磁体717的凸台被压，承载重力通过斥力转移至第二磁体717上，并通过支撑板72最终转移至基座4上，此外，本发明采用无接触磁力支撑，从而利于磁力克服重力使第一磁体716凸台以下部位免受承载重力作用，从而保护与第一磁体716连接的偏航驱动装置1不受重力的损坏。
[0040]
继续参照图1和图2，在一种可能的实施方式中，偏航支架5的自转轴线、俯仰支架6的自转轴线以及动作执行端部8的自转轴线的延长线交会于一点。
[0041]
上述设置方式的优点在于：本发明的结构设计适用于模拟空间刚体的三自由度定点转动，符合欧拉角的转动规则，例如，适用于卫星姿态模拟器的位姿计算，此种设置方式
更有利于运动学求解，使同等受力情况下其相较于常规方案的整体误差受力的计算较为简单，此外，三自由度机器人不仅具有传统二自由度机器人的全部功能，而且能够使机器人运动更加灵活，例如，能够应用到仿真机器人的颈部或者腰部关节，使运动更接近于人类，其中腰部关节通过偏航支架5实现左右侧摆动作，通过俯仰支架6实现弯腰动作，通过动作执行端部8实现弯腰后的扭转动作，或者实现颈部关节的点头、摇头和摆头等动作。
[0042]
在一种可能的实施方式中，偏航驱动装置1包括偏航驱动电机和变速器，俯仰驱动装置2包括俯仰驱动电机和变速器，翻滚驱动装置3包括翻滚驱动电机。
[0043]
上述设置方式的优点在于：偏航驱动电机和俯仰驱动电机用来为变速器提供动力，变速器是通过齿轮改变转速，从而通过回转输出端11传递扭矩，并通过承力组件7实现偏航支架5的转动，中间设置变速器能够实现变速的同时，进一步避免电机的输出轴受到其它干扰力。
[0044]
继续参照图1和图2，在一种可能的实施方式中，俯仰驱动电机和俯仰支架6并排设置。
[0045]
上述设置方式的优点在于：将俯仰驱动电机和俯仰支架6并排设置能够使结构更加紧凑，节省占用空间，使本发明的机器人更加小巧，作为一种优选的实施方式，俯仰驱动电机设置在偏航支架5的边部且紧邻俯仰支架6，俯仰支架6在偏航支架5的中心处对称固定设置。
[0046]
继续参照图1，在一种可能的实施方式中，俯仰驱动电机和翻滚驱动电机的输出轴上还设置有轴承座。
[0047]
上述设置方式的优点在于：通过轴承座的设置，起到进一步的承重作用，从而很好的承受俯仰驱动电机和翻滚驱动电机的输出轴的径向受力，其中，俯仰驱动电机输出轴承受的径向力通过轴承座传递至偏航支架5上，翻滚驱动电机输出轴承受的径向力通过轴承座传递至俯仰支架6上。
[0048]
在一种可能的实施方式中，变速器为直齿轮变速器、蜗轮蜗杆变速器、扇形齿轮与直齿轮组合变速器、无级变速器中的一种，作为一种优选的实施方式，偏航驱动装置1中的变速器采用的是蜗轮蜗杆变速器，俯仰驱动装置2中的变速器采用的是扇形齿轮和直齿轮组合的变速器，由于偏航驱动装置1设置在下部，因此需要承受较大的扭矩，而蜗轮蜗杆变速器具有传动比大和体积小的优点，在传递较大的扭矩的同时，还能够缩小偏航驱动装置1体积，此外，扇形齿轮的设置，在能够实现机器人动作的情况下，能够尽量减小其占用体积，例如，仿真机器人的腰部关节，俯仰动作一般在180度以下，扇形齿轮的扇形角度根据实际情况按照俯仰角度设计即可。
[0049]
综上所述，本发明通过上下分层和承力组件7的共同设计，使机器人结构小巧、紧凑的同时，能够实现将偏航支架5的自身重力和其上承载的重力通过承力组件7转移至基座4上，从而保护偏航驱动装置1不受损坏，并在俯仰驱动电机和翻滚驱动电机的输出轴上设置轴承座减小其输出轴上的径向力，从而对俯仰驱动电机和翻滚驱动电机起到保护作用，通过俯仰驱动电机和俯仰支架6的并排设置，使结构更加紧凑，此外，本发明的机器人具有三个自由度，且结构简单，无需复杂的设计，能够模拟仿真机器人关节的空间灵活转动，此外，还可以用于卫星姿态模拟器，模拟卫星姿态的空间非线性转动。
[0050]
需要说明的是，上述实施方式仅仅用来阐述本发明的原理，并非旨在与限制本发
明的保护范围，在不偏离本发明原理的条件下，本领域技术人员能够对上述结构进行调整，以便本发明能够应用于更加具体的应用场景。
[0051]
例如，在一种可替换的实施方式中，套筒714可以为承力台等，承力台固定在支撑板72上，承力台为光滑的凸台，套柱715抵接在承力台上，只要能将套柱715上的承载重力转移至基座4上即可，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。
[0052]
例如，在另一种可替换的实施方式中，承力组件7可以不包括支撑板72，例如，回转件71可以包括支撑轴、轴承和轴承座，支撑轴的承载重力可以通过轴承传递至轴承座上，其中，轴承座和基座4固定连接，承载重力最终转移至基座4上，只要能将承力组件7上承载的重力转移至基座4上即可，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。
[0053]
例如，在另一种可替换的实施方式中，第一磁体716和第二磁体717可以替换为只在能够导致其上下悬浮处设有磁体的两个部件等，例如第一磁体716和第二磁体717相互交错的凸台为磁体，只要能实现第一磁体716和第二磁体717的上下相对悬浮即可，这些都不偏离本发明的原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。
[0054]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。