CN112208665B - 关节驱动机构及机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种关节驱动机构及机器人，关节驱动机构包括U形连接件、转动连接于所述U形连接件的舵机框架以及固定于所述舵机框架内的关节舵机，所述舵机框架设于所述U形连接件围成的U形空间内，所述舵机框架的两端架设于所述U形连接件的两个相对侧壁之间，所述舵机框架的转动轴线与所述关节舵机的旋转输出轴的轴线呈夹角设置。本发明提供的关节驱动机构及机器人，舵机框架的转动轴线与关节舵机的旋转输出轴的轴线呈夹角设置，使关节的两个自由度均可集成于U形连接件处，无需将驱动装置设置在大腿构件上，可以提高机器人腿部结构的质心，减小腿部关节所需的驱动力。
Description
技术领域
本发明属于智能机器技术领域，更具体地说，是涉及一种关节驱动机构及机器人。
背景技术
在机器人领域，尤其是在仿人型双足机器人的步态行走领域，腿部的重量分配是一个影响机器人性能的重要指标。目前的市面上双足机器人由于其驱动关节的传统布置方式，例如髋部的驱动关节通常是放置在大腿结构件处，再通过连杆或同步带等形式传动至机器人髋部。这样的设计使得腿部重量普遍较大，导致其质心距离地面的高度也普遍较低，腿部结构的转动惯量普遍偏大，这对腿部关节驱动力的要求就会变高。驱动力的变高也同时带来驱动关节重量的增大，也最终会影响机器人整体的运动性能。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种关节驱动机构及机器人，以解决现有技术中存在的髋部的驱动关节设置在大腿构件处，导致机器人腿部质心较低、腿部关节驱动力要求较高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种关节驱动机构，包括U形连接件、转动连接于所述U形连接件的舵机框架以及固定于所述舵机框架内的关节舵机，所述舵机框架设于所述U形连接件围成的U形空间内，所述舵机框架的两端架设于所述U形连接件的两个相对侧壁之间，所述舵机框架的转动轴线与所述关节舵机的旋转输出轴的轴线呈夹角设置。
在一个实施例中，所述舵机框架的转动轴线与所述关节舵机的旋转输出轴的轴线垂直设置。
在一个实施例中，所述U形连接件包括第一侧部、第二侧部和连接所述第一侧部和所述第二侧部的U形底部，所述第一侧部开设有供外部驱动机构伸入并与所述舵机框架连接的第一安装孔，所述第二侧部上开设有第二安装孔，且所述第二安装孔内设有用于使所述舵机框架转动连接于所述第二侧部的支撑组件。
在一个实施例中，所述支撑组件为第一轴承；或者，所述支撑组件包括固定于所述第二安装孔处的外圈组件、设于所述第二安装孔内且与所述舵机框架固定连接的内圈组件以及设于所述内圈组件和所述外圈组件之间的支撑轴承，所述外圈组件和所述第二侧部共同形成有第一环槽，所述内圈组件具有第二环槽，所述支撑轴承的外周设于所述第一环槽内，所述支撑轴承的内周设于所述第二环槽内。
在一个实施例中，所述外圈组件包括外圈本体以及用于将所述外圈本体固定于所述第二侧部的第一紧固件，所述外圈本体具有伸入所述第二安装孔内的第一凸缘，所述第二安装孔靠近所述舵机框架一侧径向延伸有第二凸缘，所述第一凸缘和所述第二凸缘之间形成有第一环槽；所述内圈组件包括第一内圈、与所述舵机框架固定的第二内圈以及用于固定所述第一内圈和所述第二内圈的第二紧固件，所述第二内圈的表面具有环形台阶，所述第一内圈面向所述第二内圈一侧和所述环形台阶共同形成所述第二环槽。
在一个实施例中，所述舵机框架呈筒状，且所述舵机框架的外周面上凸起设置有两个分别与所述支撑组件和所述外部驱动机构连接的凸台。
在一个实施例中，所述关节舵机包括电机、设于所述电机其中一端的减速器以及设于所述电机另一端且用于检测所述电机旋转角度的编码器。
在一个实施例中，所述电机包括电机外壳、设于所述电机外壳内的定子、转子以及固定于所述转子的转轴组件，所述电机外壳包括筒状周壁以及盖设于所述筒状周壁一端的电机端盖，所述编码器固定于所述电机端盖的外侧。
在一个实施例中，所述筒状周壁的内部具有内筒部，且所述筒状周壁背向所述电机端盖一端和所述内筒部背向所述电机端盖一端之间连接有环形盖，所述转轴组件包括固定于所述转子且设于所述内筒部外的电机轴、固定于所述电机轴的转接轴以及第二轴承，所述转接轴设于所述内筒部内，且所述第二轴承支撑于所述内筒部的内壁和所述转接轴的外壁之间。
本发明还提供一种机器人，包括上述的关节驱动结构，还包括用于驱动所述舵机框架转动的侧摆驱动机构以及由所述关节舵机驱动的大腿组件。
本发明提供的关节驱动机构及机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明关节驱动机构包括U形连接件、舵机框架和关节舵机，舵机框架设于U型空间内，且转动连接于舵机框架，关节舵机固定于舵机框架内，且舵机框架的转动轴线与关节舵机的旋转输出轴的轴线呈夹角设置，使关节的两个自由度均可集成于U形连接件处，无需将驱动装置设置在大腿构件上，可以提高机器人腿部结构的质心，减小腿部关节所需的驱动力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的关节驱动机构的立体结构图；
图2为本发明实施例提供的U形连接件的立体结构图；
图3为本发明实施例提供的支撑组件处的剖视图；
图4为本发明实施例提供的舵机框架的立体结构图；
图5为本发明实施例提供的关节舵机的剖视图；
图6为发明实施例提供的机器人的腿部结构的立体结构图。
其中，图中各附图标记：
1-关节驱动机构；11-U形连接件；111-第一侧部；1110-第一安装孔；112-第二侧部；1120-第二安装孔；1121-第二凸缘；113-U形底部；12-舵机框架；121-凸台；13-关节舵机；131-电机；1311-电机外壳；13111-筒状周壁；13112-电机端盖；13113-环形盖；13114-内筒部；13115-轴承端盖；1312-定子；1313-转子；1314-转轴组件；13141-电机轴；13142-转接轴；13143-第二轴承；13144-内挡圈；13145-外挡圈；132-减速器；133-编码器；14-支撑组件；141-外圈组件；1410-第一环槽；1411-外圈本体；14111-第一凸缘；1412-第一紧固件；142-内圈组件；1420-第二环槽；1421-第一内圈；1422-第二内圈；14221-环形台阶；1423-第二紧固件；143-支撑轴承；2-侧摆驱动机构；21-侧摆电机；22-传动组件；23-侧摆减速器；3-大腿组件；4-小腿组件。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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。
现对本发明实施例提供的关节驱动机构1进行说明。
请参阅图1，在本发明的其中一个实施例中，关节驱动机构1包括U形连接件11、舵机框架12以及关节舵机13，U形连接件11围成一个U形空间，舵机框架12设于U形连接件11的U形空间内，舵机框架12与U形连接件11转动连接，且舵机框架12的两端夹设于U形连接件11的两个相对侧部之间，舵机框架12可由外部驱动机构驱动，相对U形连接件11旋转。关节舵机13固定于舵机框架12内，随舵机框架12旋转。关节舵机13具有旋转输出轴，而且关节舵机13的旋转输出轴和舵机框架12的转动轴线呈夹角设置，使得关节舵机13和外部驱动结构这两个自由度能够同时集成于U形连接件11上。在该关节驱动机构1应用于髋关节中时，U形连接件11相当于髋关节结构件，关节舵机13和外部驱动机构均可以集成在U形连接件11，无需设置在大腿结构件上，可以提高腿部结构的质心。
上述实施例中的关节驱动机构1，包括U形连接件11、舵机框架12和关节舵机13，舵机框架12设于U型空间内，且转动连接于舵机框架12，关节舵机13固定于舵机框架12内，且舵机框架12的转动轴线与关节舵机13的旋转输出轴的轴线呈夹角设置，使关节的两个自由度均可集成于U形连接件11处，无需将驱动装置设置在大腿构件上，可以提高机器人腿部结构的质心，减小腿部关节所需的驱动力。
可选地，舵机框架12的转动轴线与关节舵机13的旋转输出轴的轴线垂直设置，使得外部驱动机构和关节舵机13正交设置，可以分别用于实现大腿的侧摆运动和大腿的前摆运动，更加拟人化。在其他实施例中，舵机框架12的转动轴线与关节舵机13的旋转输出轴的轴线之间的夹角也可在80°至90°之间，如85°、87°、89°等。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，U形连接件11包括第一侧部111、第二侧部112和U形底部113，U形底部113连接第一侧部111和第二侧部112，舵机框架12的两端架设于第一侧部111和第二侧部112之间。第一侧部111开设有第一安装孔1110，外部驱动机构可以从第一安装孔1110伸入U形空间内，且与舵机框架12连接，从而驱动舵机框架12相对U形连接件11旋转。可选地，外部驱动结构转动连接于第一安装孔1110中；或者，舵机框架12延伸至第一安装孔1110内，且转动连接于第一侧部111；或者，舵机框架12通过支撑组件14转动连接于第一侧部111。第二侧部112开设有第二安装孔1120，第二安装孔1120内设有支撑组件14，舵机框架12通过支撑组件14转动连接于第二侧部112。
请参阅图3，支撑组件14包括外圈组件141、内圈组件142和支撑轴承143。外圈组件141固定在第二侧部112上，内圈组件142与舵机框架12固定连接，支撑轴承143设于内圈组件142和外圈组件141之间，以实现舵机框架12与U形连接件11的转动连接。外圈组件141固定在第二安装孔1120周圈，外圈组件141与第二侧部112共同形成第一环槽1410，外圈组件141上也可直接形成第一环槽1410。内圈组件142则具有第二环槽1420。支撑轴承143的外圈设于第一环槽1410内，支撑轴承143的内圈设于第二环槽1420内，使得内圈组件142能够相对外圈组件141旋转，从而实现舵机框架12相对U形连接件11的旋转。
可选地，请参阅图3，外圈组件141包括外圈本体1411和第一紧固件1412，外圈本体1411固定于第二侧部112上，第一紧固件1412用于将外圈本体1411固定在第二侧部112上。外圈本体1411可固定在第二侧部112的背向U形空间一侧，且固定于第二安装孔1120的周圈，外圈本体1411具有伸入第二安装孔1120内的第一凸缘14111，第二安装孔1120靠近舵机框架12的一侧径向延伸有第二凸缘1121，第一凸缘14111的侧面、第二安装孔1120的内壁、第二凸缘1121的侧壁共同形成第一环槽1410。内圈组件142包括第一内圈1421、第二内圈1422和第二紧固件1423，第二紧固件1423可将第一内圈1421和第二内圈1422相互固定，第二内圈1422的表面具有环形台阶14221，第一内圈1421面向第二内圈1422的一侧与环形台阶14221共同组成第二环槽1420，第一环槽1410和第二环槽1420相正对，以容纳支撑轴承143，使支撑轴承143的内圈和外圈均被止挡。在其他实施例中，内圈组件142仅包括第一内圈1421和第二内圈1422，且第一内圈1421和第二内圈1422一体成型，第一内圈1421或者第二内圈1422上具有第二环槽1420。第一紧固件1412和第二紧固件1423可为螺钉、销钉等紧固件。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图4，舵机框架12呈筒状，且舵机框架12的外周面上凸起设有两个凸台121，其中一个凸台121用于与外部驱动机构连接，另一个凸台121用于与支撑组件14连接，具体可选为与支撑组件14的第二内圈1422固定连接。舵机框架12可呈镂空状，一是可以减轻舵机框架12的重量，二是使关节舵机13更容易散热。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图5，关节舵机13包括电机131、减速器132和编码器133，减速器132和编码器133分别设于电机131的两端，减速器132用于对电机131的输出转速进行减速，以适应机器人关节的转动速度，编码器133用于检测电机131的旋转角度，用于位置反馈。减速器132可选为谐波减速器、RV减速器、行星减速器、摆线针轮减速器等。编码器133可选为光电式编码器、磁式编码器、电容式编码器、旋转变压器、电位计等。其中，减速器132可固定于舵机框架12的一端，减速器132外露于舵机框架12，电机131及编码器133设于舵机框架12内。
可选地，电机131包括电机外壳1311、定子1312、转子1313以及转轴组件1314，定子1312、转子1313和转轴组件1314设于电机外壳1311内，定子1312固定于电机外壳1311，转子1313设于定子1312的内部，电机131在工作时，定子1312产生励磁磁场，在励磁磁场的作用下驱动转子1313旋转。转轴组件1314与转子1313固定连接，通过转轴组件1314输出电机131的旋转运动。电机外壳1311包括筒状周壁13111和电机端盖13112，电机端盖13112固定于筒状周壁13111的一端，编码器133固定于该电机端盖13112的外侧。编码器133设于舵机框架12的内部，无需额外设置编码器盖，可以减少该关节驱动机构1的结构件。
可选地，筒状周壁13111的内壁具有内筒部13114，且筒状周壁13111背向电机端盖13112的一端和内筒部13114背向电机端盖13112的一端通过环形盖13113连接。转轴组件1314包括电机轴13141、转接轴13142和第二轴承13143，电机轴13141与转子1313固定连接，且电机轴13141设于内筒部13114的外部，转接轴13142和第二轴承13143设于内筒部13114的内部，第二轴承13143无需设于转轴组件1314的两端，可以使电机131的整体结构更加紧凑。转接轴13142的一端伸出内筒部13114与电机轴13143固定连接，另一端连接于减速器132。第二轴承13143用于支撑转接轴13142，第二轴承13143的外圈与内筒部13114的内壁过盈配合，第二轴承13143的内圈与转接轴13142的外壁过盈配合。第二轴承13143的数量可选为两个，两个第二轴承13143之间设有用于止挡第二轴承13143内圈的内挡圈13144以及用于止挡第二轴承13143外圈的外挡圈13145。内筒部13114朝向减速器132一端的开口处还可盖设轴承端盖13115，用于在轴向方向上止挡第二轴承13143，转接轴13142穿过轴承端盖13115与减速器132连接。
本发明还提供一种机器人，请参阅图6，机器人包括上述任一实施例中的关节驱动结构，还包括侧摆驱动机构2以及大腿组件3，上述实施例中的外部驱动机构即为侧摆驱动机构2，侧摆驱动机构2固定于U形连接件11上，用于驱动舵机框架12旋转，大腿组件3连接于关节舵机13，通过关节舵机13带动大腿组件3前摆。侧摆驱动机构2和关节驱动机构1均可集成于U形连接件11处，无需将驱动装置设置在大腿组件3上，可以提高机器人腿部结构的质心，减小腿部关节所需的驱动力。机器人还可包括小腿组件4，小腿组件4与大腿组件3转动连接。
可选地，侧摆驱动机构2包括侧摆电机21、传动组件22以及侧摆减速器23，侧摆减速器23连接于舵机框架12，以驱动舵机框架12转动。传动组件22连接于侧摆电机21和侧摆减速器23之间，侧摆减速器23和侧摆电机21分离设置，可以减小侧摆驱动机构2的轴向长度。另外，侧摆电机21和侧摆减速器23均固定于第一侧部111上，提高了侧摆驱动机构2的集成度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种关节驱动机构，其特征在于，包括U形连接件、转动连接于所述U形连接件的舵机框架以及固定于所述舵机框架内的关节舵机，所述舵机框架设于所述U形连接件围成的U形空间内，所述舵机框架的两端架设于所述U形连接件的两个相对侧壁之间，所述舵机框架的转动轴线与所述关节舵机的旋转输出轴的轴线呈夹角设置；所述U形连接件包括第一侧部、第二侧部和连接所述第一侧部和所述第二侧部的U形底部，所述第一侧部开设有供外部驱动机构伸入并与所述舵机框架连接的第一安装孔，所述第二侧部上开设有第二安装孔，且所述第二安装孔内设有用于使所述舵机框架转动连接于所述第二侧部的支撑组件；所述支撑组件包括固定于所述第二安装孔处的外圈组件、设于所述第二安装孔内且与所述舵机框架固定连接的内圈组件以及设于所述内圈组件和所述外圈组件之间的支撑轴承，所述外圈组件和所述第二侧部共同形成有第一环槽，所述内圈组件具有第二环槽，所述支撑轴承的外周设于所述第一环槽内，所述支撑轴承的内周设于所述第二环槽内；所述外圈组件包括外圈本体以及用于将所述外圈本体固定于所述第二侧部的第一紧固件，所述外圈本体具有伸入所述第二安装孔内的第一凸缘，所述第二安装孔靠近所述舵机框架一侧径向延伸有第二凸缘，所述第一凸缘和所述第二凸缘之间形成有第一环槽；所述内圈组件包括第一内圈、与所述舵机框架固定的第二内圈以及用于固定所述第一内圈和所述第二内圈的第二紧固件，所述第二内圈的表面具有环形台阶，所述第一内圈面向所述第二内圈一侧和所述环形台阶共同形成所述第二环槽。
2.如权利要求1所述的关节驱动机构，其特征在于：所述舵机框架的转动轴线与所述关节舵机的旋转输出轴的轴线垂直设置。
3.如权利要求1所述的关节驱动机构，其特征在于：所述舵机框架呈筒状，且所述舵机框架的外周面上凸起设置有两个分别与所述支撑组件和所述外部驱动机构连接的凸台。
4.如权利要求1所述的关节驱动机构，其特征在于：所述关节舵机包括电机、设于所述电机其中一端的减速器以及设于所述电机另一端且用于检测所述电机旋转角度的编码器。
5.如权利要求4所述的关节驱动机构，其特征在于：所述电机包括电机外壳、设于所述电机外壳内的定子、转子以及固定于所述转子的转轴组件，所述电机外壳包括筒状周壁以及盖设于所述筒状周壁一端的电机端盖，所述编码器固定于所述电机端盖的外侧。
6.如权利要求5所述的关节驱动机构，其特征在于：所述筒状周壁的内部具有内筒部，且所述筒状周壁背向所述电机端盖一端和所述内筒部背向所述电机端盖一端之间连接有环形盖，所述转轴组件包括固定于所述转子且设于所述内筒部外的电机轴、固定于所述电机轴的转接轴以及第二轴承，所述转接轴设于所述内筒部内，且所述第二轴承支撑于所述内筒部的内壁和所述转接轴的外壁之间。
7.机器人，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的关节驱动机构，还包括用于驱动所述舵机框架转动的侧摆驱动机构以及由所述关节舵机驱动的大腿组件。
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| CN104071250A (zh) * | 2014-07-10 | 2014-10-01 | 武汉大学 | 一种模块化的十自由度双足步行机器人 |
| CN107985439A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-05-04 | 北京钢铁侠科技有限公司 | 一种仿人机器人腿部机构 |
| CN111098951A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-05-05 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | 类人形机器人及其腿部结构 |
-
2020
- 2020-08-25 CN CN202010865641.9A patent/CN112208665B/zh active Active
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