一种关节结构及其工业机器人的制作方法

本申请涉及机器人关节的领域，尤其是涉及一种关节结构及其工业机器人。

背景技术：

工业机器人是一种模拟人手，并通过程序控制来完成各式各样的复杂操作的机械装置。一般来说，工业机器人通常会根据其关节的数量而对应的进行命名，例如六轴机器人等。而对于各个关节所起的作用不同，其对应的名称也会有不同，例如，用于保证末端执行器达到工作空间任意位置的轴称为基本轴或主轴，而用于实现末端执行器任意空间姿态的轴，称为腕部轴或次轴。

而作为工业机器人，控制一个关节的摆动与旋转最为简单的方式就是将伺服电机或其他控制源的输出轴与关节的旋转轴心保持同心且固定，通过控制输出轴的转动直接驱动该关节实现对应的操作。

一般来说，工业机器人的尺寸会沿着主轴至次轴的方向逐渐减小，尤其是在次轴处，为了使末端执行器可以进入狭窄的空间处执行具体操作，因而如何减小所占用的空间以实现次轴的摆动与旋转，成为了在设计工业机器人时首先需要考虑的问题。

技术实现要素：

为了减小工业机器人在次轴处所占用的空间体积，本申请提供一种关节结构及其工业机器人。

第一方面，本申请提供的一种关节结构采用如下的技术方案：

一种关节结构，包括：

第一悬臂，具有两个延伸的连接部；

第二悬臂，包括转动连接于连接部上的壳体以及转动连接于壳体上的连接台；

摆动端准双曲面输出齿轮，设置于与所述连接部连接的任意一侧壳体上，且所述摆动端准双曲面输出齿轮与第二悬臂的旋转轴同轴；

摆动端准双曲面输入齿轮，转动连接于靠近摆动端准双曲面输出齿轮一侧的连接部上且与所述摆动端准双曲面输出齿轮相互啮合；

摆动端驱动源，设置于第一悬臂上且用于控制所述摆动端准双曲面输入齿轮转动；

转动端准双曲面输出齿轮，转动连接于远离摆动端准双曲面输出齿轮的一侧的连接部上；

输入锥齿轮，转动连接于远离摆动端准双曲面输出齿轮的一侧的连接部上且与转动端准双曲面输出齿轮联动；

输出锥齿轮，固定于连接台上并与输入锥齿轮联动，所述输出锥齿轮的转动轴心与连接台的转动轴心相重合；

转动端准双曲面输入齿轮，转动连接于远离摆动端准双曲面输入齿轮一侧的连接部上且与转动端准双曲面输出齿轮相互啮合；

转动端驱动源，设置于第一悬臂上且用于控制所述转动端准双曲面输入齿轮转动。

通过采用上述技术方案，在第一悬臂中，一侧的连接部中的结构用于实现第二悬臂的摆动，而另一侧的连接部中的结构用于实现第二悬臂的转动，通过准双曲面输入齿轮与输出齿轮的设计，使伺服电机以及对应的输入齿轮可以设置于连接部内，而并没有向外凸出的部分。因而这种设计方式所占用的空间只有第一悬臂与第二悬臂所占用的空间，设计较为合理。同时，通过输入锥齿轮与输出锥齿轮的相互配合，也可以实现转动端驱动源的偏置，使得转动端驱动源设置于第一悬臂上即可实现上述功能，而无需将其设置于第二悬臂上，也方便了后续的布线，方便实现第二悬臂的全周向摆动。

优选的，还包括第一支撑轴承，所述摆动端准双曲面输出齿轮以及壳体均与第一支撑轴承的内圈相固定，所述第一支撑轴承的外圈固定于连接部上。

通过采用上述技术方案，第一支撑轴承的设置一方面实现了壳体与连接部之间的转动连接，同时也提高了壳体与连接部之间的转动精度，平稳性更好。

优选的，所述输入锥齿轮同轴设置有连接轴，所述连接轴贯穿连接部并与转动端准双曲面输出齿轮同轴固定，所述连接轴外固定有位于输入锥齿轮与转动端准双曲面输出齿轮之间并与连接部连接的连接轴承。

通过采用上述技术方案，通过连接轴的设置实现了输入锥齿轮与转动端准双曲面输出齿轮之间的相互固定，而通过连接轴承的设置实现了转动端准双曲面输出齿轮与连接部之间的转动连接，同时也提高了其转动精度，平稳性更好。

优选的，所述连接部上设置有供连接轴承的外圈的轴向一端抵接的槽肩，所述连接轴承远离槽肩的一端面抵紧有连接于连接部上压紧板。

通过采用上述技术方案，通过夹紧的方式对连接轴承进行固定，结构简单，安装方便，易于实现，同时空间占用小，方便检修。

优选的，还包括第二支撑轴承，所述第二支撑轴承的内圈固定于远离摆动端准双曲面输出齿轮一侧的连接部上，所述第二支撑轴承的外圈与壳体固定连接。

通过采用上述技术方案，通过壳体的两侧均与连接部进行转动连接的方式，提高了第二悬臂在相对于第一悬臂发生摆动时的稳定性，平稳性更好，精度更高。

优选的，供所述第二支撑轴承安装的连接部朝向另一侧连接部的一侧具有环形台阶面，所述环形台阶面供第二支撑轴承的内圈抵接，所述压紧板抵紧于第二支撑轴承的内圈远离环形台阶面的一侧以夹紧第二支撑轴承的内圈。

通过采用上述技术方案，采用压紧板同时固定第二支撑轴承的内圈以及连接轴承的外圈的方式，结构简单，整体结构紧凑，方便进行安装。

优选的，所述第二支撑轴承的外圈上设置有压环以及连接环，所述压环与连接环相互固定且夹紧第二支撑轴承的外圈，所述压环与壳体固定连接。

通过采用上述技术方案，这种方案易于实现壳体与第二支撑轴承的外圈之间的相互固定，方便组装与拆卸。

优选的，所述壳体包括转动连接于连接部上的连接壳以及固定连接于连接壳上的转动壳，所述连接台包括转动连接于转动壳中转动台以及与转动台同轴连接的驱动台，所述输出锥齿轮设置于驱动台上。

通过采用上述技术方案，这种设计方式方便了第二悬臂整体的装配，同时采用分体的方式方便对各部件进行加工，可以在一定程度上提高各部分的精度。

优选的，所述转动端准双曲面输入齿轮以及摆动端准双曲面输入齿轮外均套设有与连接部连接的轴承单元以及固定轴承单元的固定端盖，所述固定端盖与连接部固定连接；

所述轴承单元包括两个滚动轴承，相邻所述滚动轴承的内圈相对固定，相邻所述滚动轴承的外圈相对固定；

所述连接部上设置有供轴向限位所述轴承单元的限位面，所述固定端盖与一侧的滚动轴承的外圈抵接，远离所述固定端盖的一侧的滚动轴承的外圈与限位面相互抵接；

还包括有固定于转动端准双曲面输入齿轮/摆动端准双曲面输入齿轮上的锁紧环，所述转动端准双曲面输入齿轮/摆动端准双曲面输入齿轮上具有轴肩，两侧所述滚动轴承的内圈相互远离的两侧分别与锁紧环以及轴肩抵紧。

通过采用上述技术方案，这种方式实现了对转动端准双曲面输入齿轮以及摆动端准双曲面输入齿轮于连接部上的相对固定，同时使得其二者可以于连接部上进行相对转动，稳定性更高，从而在一定程度上可以提高其传动精度。同时这种设计方式结构简单，安装方便。

第二方面，本申请提供的一种工业机器人采用如下的技术方案：

一种工业机器人，包括上述的关节结构。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.占用空间小，同时不会影响第一悬臂与第二悬臂之间的全向摆动；

2.结构紧凑，传动精度高，关节转动平稳。

附图说明

图1是关节结构的剖面示意图。

图2是图1中a部分的放大示意图。

图3是摆动端准双曲面输入齿轮与连接部转动连接结构的示意图。

附图标记说明：1、第一悬臂；2、第二悬臂；11、连接部；21、壳体；22、连接台；3、摆动机构；4、转动机构；31、摆动端准双曲面输出齿轮；32、摆动端准双曲面输入齿轮；33、第一支撑轴承；331、连接段；111、连接槽；5、齿轮端；6、连接端；7、转动连接机构；71、第二支撑轴承；72、压紧板；73、压环；74、连接环；112、环形台阶面；41、转动端准双曲面输出齿轮；42、转动端准双曲面输入齿轮；43、输入锥齿轮；44、输出锥齿轮；45、连接轴；46、连接轴承；47、锁紧螺母；48、穿设槽；113、槽肩；211、连接壳；212、转动壳；221、转动台；222、驱动台；81、轴承单元；82、固定端盖；114、限位面；811、滚动轴承；812、第一衬套；813、第二衬套；83、锁紧环。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种关节结构。参照图1，关节结构包括第一悬臂1以及转动连接于第一悬臂1上的第二悬臂2。其中，第一悬臂1具有两个向同方向延伸的连接部11，且相邻连接部11之间具有供第二悬臂2穿设的间隙，而第二悬臂2转动连接于两侧的连接部11上。第二悬臂2包括转动连接于连接部11上的壳体21以及转动连接于壳体21上的连接台22，两侧的连接部11中分别设置有控制第二悬臂2绕第一悬臂1转动的摆动机构3以及控制第二悬臂2的连接台22与壳体21进行相对转动的转动机构4。通过摆动机构3与转动机构4的共同或分步的驱动，使该关节结构可以模拟腕部的动作而改变其工作状态。

摆动机构3包括摆动端准双曲面输出齿轮31、摆动端准双曲面输入齿轮32以及设置于第一悬臂1上的摆动端驱动源（未示出），摆动端准双曲面输出齿轮31固定于与连接部11连接的任意一侧壳体21上，且摆动端准双曲面输出齿轮31穿设于连接部11中并与第二悬臂2与第一悬臂1之间的旋转轴同轴。作为可选的一种实施方式，还包括有连接摆动端准双曲面输出齿轮31与壳体21的第一支撑轴承33，第一支撑轴承33的内圈的轴向两端分别与摆动端准双曲面输出齿轮31以及壳体21通过螺栓固定连接，且第一支撑轴承33与摆动端准双曲面输出齿轮31呈同轴设置。第一支撑轴承33的外圈与连接部11相对固定，作为可选的一种实施方式，第一支撑轴承33的外圈被构造为法兰状的结构，并通过连接部11的内侧（即两侧的连接部11相向的一侧）连接固定于连接部11上。进一步的，第一支撑轴承33的外圈具有厚度小于第一支撑轴承33的厚度的连接段331，而连接部11的内侧对应设置有供连接段331穿设的连接槽111，从而在一定程度上提高该部分的结构的紧凑度，进一步减小其空间占用率。

摆动端准双曲面输入齿轮32转动连接于连接部11上，且摆动端准双曲面输入齿轮32的延长方向与连接部11的延长方向相同。摆动端准双曲面输入齿轮32具有同轴一体设置的齿轮端5以及与摆动端驱动源连接的连接端6，其齿轮端5与摆动端准双曲面输出齿轮31相啮合，而摆动端准双曲面输入齿轮32在摆动端驱动源的控制下实现对应方向上的转动，进而控制摆动端准双曲面输出齿轮31发生对应方向上的受迫转动。作为可选的一种实施方式，摆动端准双曲面输出齿轮31远离第一支撑轴承33的一侧为与摆动端准双曲面输入齿轮32相啮合的齿轮面。

摆动端驱动源可选为伺服电机，而摆动端准双曲面输入齿轮32的连接端6与摆动端驱动源的输出轴之间可以直接通过联轴器进行同轴固定，也可以通过各类传动机构来实现对摆动端准双曲面输入齿轮32的驱动。从而，在摆动端驱动源的控制下，可以实现第二悬臂2与第一悬臂1之间的摆动。

参照图1和图2，而为了提高第二悬臂2与第一悬臂1之间在转动时的稳定性，远离摆动机构3一侧的连接部11上设置有与壳体21连接的转动连接机构7，通过转动连接机构7的作用实现该侧的连接部11与壳体21之间的平稳转动。转动机构4包括第二支撑轴承71、压紧板72、压环73以及连接环74，第二支撑轴承71的内圈与连接部11相对固定，而其外圈与壳体21相对固定，进而通过第二支撑轴承71的转动来实现连接部11与壳体21之间的转动连接。而需要注意的是，第二支撑轴承71需与第一支撑轴承33保持同轴设置。在本实施例中，第一支撑轴承33与第二支撑轴承71均优选采用为交叉滚子轴承，但作为可选的一种实施方式，其也可以采用深沟球轴承等可以承受一定轴向与径向载荷的轴承结构。

供第二支撑轴承71安装的连接部11朝向另一侧连接部11的一侧设置有环形台阶面112，第二支撑轴承71的内圈穿设于环形台阶面112中且第二支撑轴承71的内圈与环形台阶面112相贴合。压紧板72通过螺栓固定于连接部11上，且压紧板72与第二支撑轴承71远离环形台阶面112的一侧端面相互抵接，并通过与环形台阶面112的共同作用而夹紧第二支撑轴的内圈，因而，第二支撑轴承71的内圈的轴向间距需略大于压紧板72与环形台阶面112的底部之间的间隙从而实现过盈配合的固定方式。

压环73与连接环74通过螺栓连接的方式进行相互固定，且压环73与壳体21也采用螺栓连接方式实现固定。压环73与连接环74均与第二支撑轴承71的外周面抵接，且压环73与连接环74均具有延伸至第二支撑轴承71的外圈的两侧端面的部分，从而起到夹紧固定第二支撑轴承71的外圈的目的。与第二支撑轴承71的内圈的固定方式所相类似，压环73与连接环74延伸至第二支撑轴的两侧端面的部分的间距需小于第二支撑轴承71的外圈的轴向厚度。

转动机构4包括转动端准双曲面输出齿轮41、转动端准双曲面输入齿轮42、输入锥齿轮43、输出锥齿轮44以及控制转动端准双曲面输入齿轮42转动的转动端驱动源（未示出）。其中，转动端准双曲面输入齿轮42以及输入锥齿轮43均转动连接于远离摆动机构3的一侧的连接部11上，且转动端准双曲面输入齿轮42与输入锥齿轮43相互联动。转动端准双曲面输入齿轮42转动连接于连接部11上并与转动端准双曲面输出齿轮41相啮合，输出锥齿轮44设置于连接台22上并与输入锥齿轮43联动，且输出锥齿轮44的转动轴心与连接台22的转动轴心相重合。进而在转动端驱动源的作用下可以控制连接台22的自由转动。

其中，输入锥齿轮43同轴一体设置有连接轴45，连接轴45贯穿连接部11并与转动端准双曲面输出齿轮41同轴固定，且输入锥齿轮43、连接轴45以及转动端准双曲面输出齿轮41的轴线均与第二悬臂2的旋转轴重合。因而，其也与第二支撑轴承71呈同轴设置。作为一种优选的实施方式，压环73与壳体21之间具有空腔，且输入锥齿轮43穿设于压环73与壳体21之间所形成的空腔中。

连接轴45外套设并固定有位于输入锥齿轮43与转动端准双曲面输出齿轮41之间并与连接部11连接的连接轴承46，连接轴承46的内圈与连接轴45固定，连接轴承46的外圈与连接部11相固定，进而通过连接轴承46的设置使连接轴45可以轴向相对限位于连接部11上。

其中，连接轴45贯穿转动端准双曲面输出齿轮41并与转动端准双曲面输出齿轮41之间通过键连接的方式实现周向同步传动。而为了实现连接轴45与转动端准双曲面输出齿轮41之间的轴向固定，连接轴45上还固定有锁紧螺母47，其中，锁紧螺母47螺纹连接于连接轴45上并抵接于转动端准双曲面输出齿轮41远离输入锥齿轮43的一侧，作为一种可选的实施方式，转动端准双曲面输出齿轮41上设置有供锁紧螺母47穿设并没入的穿设槽48以降低转动端准双曲面输出齿轮41与输入锥齿轮43之间的轴向长度。

连接轴45位于转动端准双曲面输出齿轮41与输入锥齿轮43之间具有靠近输入锥齿轮43一侧的轴肩，连接轴承46的内圈的轴向的两端面分别与其轴肩以及转动端准双曲面输出齿轮41抵接。因而，通过锁紧螺母47的不断拧紧，使得转动端准双曲面输出齿轮41在与连接轴45的轴肩的相互配合下而夹紧固定连接轴承46的内圈。作为一种优选的实施方式，连接轴承46在本实施例中优选为两个可承受的轴向载荷相反的单列角接触球轴承，而作为可选的实施方式，其也可以选用任意数量的可承受轴向载荷的轴承并通过轴向依次排列的方式实现（例如通过深沟球轴承或两个以上的圆锥滚子轴承实现），而连接轴承46在轴向上所需的长度需根据实际情况进行变化和调整。

连接部11上还设置有供连接轴承46的外圈的轴向一端抵接的槽肩113，连接轴承46的外圈远离输入锥齿轮43的一端面与槽肩113的底部抵接，而其外周面与槽肩113的内周壁相抵接。作为一种优选的实施方式，用于压紧第二支撑轴承71的压紧板72同时也压紧于连接轴承46的外圈所朝向输入锥齿轮43的一侧端面上，同样的，压紧板72与肩槽的底部之间的间距也需小于连接轴承46的外圈的厚度以实现连接轴承46的外圈与连接部11之间的夹紧固定。

壳体21包括连接于连接部11上的连接壳211以及固定连接于连接壳211上的转动壳212，连接台22包括转动连接于转动壳212中的转动台221以及与转动台221同轴连接的驱动台222，输出锥齿轮44同轴设置于驱动台222的外周壁上并与输入锥齿轮43相互啮合。其中，转动台221与驱动台222之间通过法兰连接的方式相互固定，且转动壳212与连接壳211之间也通过法兰连接的方式进行固定。

作为可选的一种实施方式，转动台221与转动壳212之间被构造为交叉滚子轴承结构以实现转动台221与转动壳212之间的转动连接，其交叉滚子滚动连接于转动台221与转动壳212之间所形成的沟道之中。而为了方便交叉滚子的装配，转动壳212被构造为分体的结构，且转动壳212的各部分之间可以通过法兰连接等常规连接方式进行连接。

与摆动端准双曲面输入齿轮32相仿，转动端准双曲面输入齿轮42的延长方向与连接部11的延长方向相同。且转动端准双曲面输入齿轮42也具有同轴一体设置的齿轮端5以及与转动端驱动源联动的连接端6，其齿轮端5与转动端准双曲面输出齿轮41相啮合，而转动端准双曲面输入齿轮42在转动端驱动源的控制下实现对应方向上的转动，进而控制转动端准双曲面输出齿轮41发生对应方向上的受迫转动，并通过输入锥齿轮43以及输出锥齿轮44的传动使转动台221沿着既定的转动方向而转动。作为可选的一种实施方式，转动端准双曲面输出齿轮41朝向连接轴承46的一侧为与转动端准双曲面输入齿轮42相啮合的齿轮面。

转动端驱动源的设置也与摆动端驱动源的设置方式相同，其可选为伺服电机，且转动端准双曲面输入齿轮42的连接端6与转动端驱动源的输出轴之间也可以直接通过联轴器进行同轴固定，亦或是通过各类传动机构来实现对转动端准双曲面输入齿轮42的驱动。

此外，转动端准双曲面输入齿轮42以及摆动端准双曲面输入齿轮32与连接部11之间的转动连接方式也相同，在本实施例中，以摆动端准双曲面输入齿轮32为例进行详细阐述，具体如下：

参照图1和图3，摆动端准双曲面输入齿轮32外套设有与连接部11连接的轴承单元81以及固定轴承单元81的固定端盖82，固定端盖82与连接部11之间通过法兰连接的方式进行固定，而连接部11上且位于轴承单元81远离固定端盖82的一侧设置有限制轴承单元81的限位面114，通过限位面114与固定端盖82之间的相互配合来起到对轴承单元81进行轴向限位的作用。

作为一种具体的实施方式，轴承单元81包括两个滚动轴承811，相邻滚动轴承811之间设置有套设于摆动端准双曲面输入齿轮32外的第一衬套812以及第二衬套813，同时，两个滚动轴承811、第一衬套812以及第二衬套813均位于摆动端准双曲面输入齿轮32的连接端6外。

作为滚动轴承811固定的一种实施方式，第二衬套813的两端分别与两侧滚动轴承811的外圈的端面相抵接，而两侧滚动轴承811的外圈相背离的两侧分别与固定端盖82以及限位面114相互抵接，通过固定端盖82与限位面114之间的夹紧以起到固定滚动轴承811的外圈与连接部11之间的目的。

而作为对其内圈与摆动端准双曲面输入齿轮32固定的一种实施方式，在连接端6与齿轮端5之间具有向外环凸的轴肩，朝向限位面114一侧的滚动轴承811的内圈与该轴肩相抵接。第一衬套812的两端分别与两侧滚动轴承811的内圈的端面相抵接，同时，远离轴肩一侧的连接端6上还螺纹连接有锁紧环83，锁紧环83用于与远离轴肩的一侧的滚动轴承811的内圈的端面相抵接，进而通过锁紧环83与轴肩之间的相互配合以相对固定滚动轴承811的内圈与摆动端准双曲面输入齿轮32。

作为优选的一种实施方式，两个滚动轴承811优选为两个可承受的轴向载荷相反的单列角接触球轴承，而作为可选的实施方式，其也可以选用任意数量的可承受轴向载荷的轴承并通过轴向依次排列的方式实现（例如通过深沟球轴承或两个以上的圆锥滚子轴承实现），而轴承单元81在轴向上所需的长度需根据所需的摆动端准双曲面输入齿轮32的长度进行变化和调整，同时在当连接端6的长度较小时，其也可以舍去第一衬套812以及第二衬套813，即直接使两个滚动轴承811的端面相互抵接以实现同步。

此外，本申请实施例还公开一种工业机器人，其包括上述实施例中所提及的关节结构。其中，作为优选的一种实施方式，该关节结构应用于六轴机器人的次轴（例如五轴与六轴）处，即第一悬臂1与第二悬臂2之间的摆动轴为六轴机器人的五轴处，而连接台22与壳体21之间的旋转轴为六轴机器人的六轴处。

但不仅仅局限于上述的具体实施方式，其也可以任意应用于任意轴数的工业机器人上，且该关节结构也可以任意运用至工业机器人的任意关节处。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。