CN207415401U - 一种机器人关节及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机器人关节及机器人。其中，所述机器人关节包括第一关节架、第二关节架及驱动元件。第一关节架具有容置槽，驱动元件设置在容置槽内；驱动元件包括电机、减速器及传动机构，电机通过传动机构与减速器连接，且电机与减速器呈并排设置；第一关节架的与减速器输出端相对的位置处设有通孔；第二关节架具有两个连接端，两个连接端分别为第一连接端和第二连接端；第一连接端在通孔处与减速器的输出端连接，第二连接端与第一关节架旋转连接；第二关节架在减速器输出的动力驱动下相对第一关节架旋转。本实用新型提供的扁平化设计的减速电机方案，能够减小减速电机轴向上的长度，充分利用机器人关节球内的空间，有效减小机器人关节尺寸。

Description

一种机器人关节及机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人应用技术领域，尤其涉及一种机器人关节及机器人。

背景技术

仿人机器人手臂的设计与人类的手臂极为相似，采用机器人关节连接起来，通过计算机控制来完成仿人机器人手臂的动作。现有技术中，为了满足仿人机器人关节驱动元件低速大转矩的要求，一般采用在驱动元件的电机前端安装减速机的方式来实现。如何在仿人机器人手臂关节球内充分利用安装空间，以减小关节球的尺寸，从而扩大仿人机器人手臂的使用领域，是一件非常有意义的事。

目前一般采用的设计方案有采用舵机、电机加谐波减速机或电机加转角减速机(如伞齿、蜗轮蜗杆)等多种形式。其中，使用伞齿和蜗轮蜗杆减速机，可以改变传动方向，使输入轴与输出轴成90度夹角，从而减小转动轴方向上的长度，但伞齿安装精度要求高，安装不良时，噪音高，而蜗轮蜗杆减速器，传动效率低，寿命低。使用谐波减速机，具有体积小，传动比大的特点，广泛用于工业机器人，但其价格过高，难以在服务机器人行业推广。而舵机的使用主要是在航空模型上，但其齿轮过小，动态承载较差。

由此可知，上述方案均不太适用于仿人机器人手臂的设计，亟需设计一种轴向尺寸小、运行可靠的减速电机。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种机器人关节及机器人，机器人关节球内的减速电机采用扁平化设计，以减小关节球的尺寸，从而适应仿人机器人的设计要求。

为了实现上述目的，本实用新型公开了一种机器人关节及机器人。

一种机器人关节，包括：第一关节架、第二关节架及驱动元件；其中，

所述第一关节架具有容置槽，所述驱动元件设置在所述容置槽内；

所述驱动元件包括电机、减速器及传动机构，所述电机通过所述传动机构与所述减速器连接，且所述电机与所述减速器呈并排设置；

所述第一关节架的与所述减速器输出端相对的位置处设有通孔；

所述第二关节架具有两个连接端，所述两个连接端分别为第一连接端和第二连接端；所述第一连接端在所述通孔处与所述减速器的输出端连接，所述第二连接端与所述第一关节架旋转连接；

所述第二关节架在所述减速器输出的动力驱动下相对所述第一关节架旋转。

可选地，所述机器人关节还包括：用于测量所述第二关节架相对所述电机位置的编码器。

可选地，所述编码器为非接触式磁性编码器；

所述非接触式磁性编码器包括：含有传感器芯片的印刷电路板组件 PCBA和传感器磁铁；

所述印刷电路板组件PCBA设置在所述传动机构的壳体上；

所述传感器磁铁设置在所述第二关节架的与所述印刷电路板组件PCBA 相对的位置处。

可选地，所述减速器的壳体具有第一端盖以及与所述第一端盖连接的桶状侧板；所述减速器的输出端贯穿所述第一端盖伸出所述减速器的壳体；

所述传动机构的壳体设置在所述减速器的所述桶状侧板上且位于所述桶状侧板的与所述第一端盖相对的一侧，并将所述减速器的壳体的与所述第一端盖相对的一侧封堵，使得所述传动机构的壳体与所述减速器的壳体内腔联通；

所述印刷电路板组件PCBA设置在传动机构壳体的与所述减速器壳体的第一端盖相对的一侧端面上。

可选地，所述第二关节架包括：第一子支架、第二子支架及第三子支架；

所述第一子支架的一端与所述减速器的输出端连接；

所述第一子支架的另一端通过所述第二子支架与所述第三子支架的一端连接；

所述第三子支架的另一端与所述第一关节架连接且与所述传动机构的壳体相对；

所述传感器磁铁设置在所述第三子支架上，且与所述印刷电路板组件 PCBA相对。

可选地，所述机器人关节还包括第一S形电连接件；所述印刷电路板组件PCBA通过所述第一S形电连接件接入所述机器人的控制电路。

可选地，所述第一关节架的容置槽的槽底设有导出孔；

所述电机的电源连接端与第二S形导电片的一端连接；

所述第二S形导电片的另一端从所述导出孔伸出接入所述机器人的控制电路。

可选地，所述传动机构包括：齿轮组；所述齿轮组中包含有至少两个齿轮；所述电机的输出轴与所述齿轮组的动力输入端连接；所述齿轮组的动力输出端与所述减速器的输入轴连接；所述电机与所述减速器处于所述齿轮组的同侧。

可选地，所述机器人关节还包括外壳；其中

所述外壳包括：圆柱形壳体部以及与所述圆柱形壳体部连接的关节球壳体部；

所述第一关节架与所述驱动元件置于所述外壳内。

所述关节球壳体上设有两个相对的显露孔。

所述第二关节架的所述第一连接端在所述两个相对的显露孔中的一个显露孔处与所述减速器的输出端连接，所述第二关节架的所述第二连接端在所述两个相对的显露孔中的另一显露孔处与所述第一关节架旋转连接。

一种机器人，包括上述所述的机器人关节。

本实用新型实施例提供的技术方案，充分利用第一关节架的容置槽内空间，采用传动机构使得电机的动力输出反向转180度，使得与传动机构连接的减速器与电机呈并排位置关系，即扁平化结构，从而减小了减速电机轴向的长度，有效地缩小了机器人关节的尺寸；另外，采用本实施例提供的电机+ 传动机构+减速器的结构，结构简单，易于实现，且传动效率高，运行可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的机器人关节中关节球内部结构的示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的机器人关节的整体结构示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的机器人关节驱动元件示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的机器人关节中传动机构的一种实现机构的示意图；

图5为将本实用新型实施例提供的机器人关节应用到仿人机器人手臂的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1、2和3示出了本实用新型一实施例提供的机器人关节的结构示意图。如图1所示机器人关节球内部的结构示意图，机器人关节包括：第一关节架1、第二关节架2及驱动元件。其中，第一关节架1具有容置槽，驱动元件设置在容置槽内；驱动元件包括电机3、减速器4及传动机构5，电机3通过传动机构5与减速器4连接，且电机3与减速器4呈并排设置；另外，第一关节架1的与减速器4输出端相对的位置处设有通孔，第二关节架2具有两个连接端，两个连接端分别为第一连接端和第二连接端，第一连接端在通孔处与减速器4的输出端连接，第二连接端与第一关节架1旋转连接，第二关节架2在减速器4输出的动力驱动下相对第一关节架1旋转，从而带动机器人关节活动。

本实施例提供的技术方案，充分利用第一关节架的容置槽内空间，采用传动机构使得电机的动力输出反向转180度，使得与传动机构连接的减速器与电机呈并排位置关系，即扁平化结构，从而减小了减速电机轴向的长度，有效地缩小了机器人关节的尺寸；另外，采用本实施例提供的电机+传动机构 +减速器的结构，结构简单，易于实现，且传动效率高，运行可靠。

进一步地，第一关节架1的容置槽可以是U型容置槽，如图1所示。当然，第一关节架1的容置槽也可以是其他形状，本实施例对此不作具体限定。如图1所示，为了便于驱动元件的电气线路走线，第一关节架1的容置槽的槽底可设置导出孔7，机器人关节内的驱动元件的电气线路6可从该导出孔7 伸出，与机器人的控制电路连接。

进一步地，如图2所示机器人关节整体结构示意图，机器人关节还包括外壳20。外壳20包括圆柱形壳体部201以及与关节球壳体部202。圆柱形壳体部201的一端设置有圆形的导出孔13，机器人关节驱动元件的电气线路6 从导出孔13穿出与机器人控制电路连接；另一端与关节球壳体连接。关节球壳体的两侧均设置有显露孔12，第二关节架2的第一连接端在两个相对的显露孔12中的一个显露孔12处与减速器4的输出端连接(结合图1和图2)，第二关节架2的第二连接端在两个相对的显露孔12中的另一显露孔12处与第一关节架1旋转连接。

进一步的，为了便于控制机器人关节的动作，如图3所示机器人驱动元件示意图，本实用新型实施例提供的机器人关节中还包括用于测量第二关节架相对电机3位置的编码器。机器人的控制器可根据编码器测量的位置信息，确定第二关节当前位置，进而可进行后续的驱动控制。

一种可实现的技术方案中，上述编码器可采用非接触式磁性编码器，包括：含有传感器芯片的印刷电路板组件PCBA 8和传感器磁铁9。印刷电路板组件PCBA 8设置在所述传动机构5的壳体上，传感器磁铁9设置在第二关节架2的与印刷电路板组件PCBA8相对的传感器磁铁支架10上。传感器磁铁9通过感应磁场强度的变化来测量第二关节架相对电机的位置，从而实现精准控制关节活动的目的。

这里需要说明的是，本实施例中仅示出编码器采用非接触式磁性编码器的实现实例，实际上，上述编码器还可采用光电式编码器或触点电刷式编码器等来实现，本实施例对此不作具体限定。

进一步地，如图3所示，减速器4的壳体具有第一端盖401以及与第一端盖401连接的桶状侧板402；减速器4的输出端贯穿所述第一端盖401伸出减速器4的壳体。减速器4的输出端可通过电机轴连接件11与第二关节架 2连接，电机3输出的旋转动力经传动机构5和减速器4后输出至第二关节架2，以使第二关节架2旋转。

传动机构5的壳体设置在减速器4的桶状侧板402上且位于桶状侧板402 的与第一端盖401相对的一侧，并将减速器4的壳体的与第一端盖401相对的一侧封堵，使得传动机构5的壳体与减速器4的壳体内腔联通。印刷电路板PCBA8设置在传动机构5壳体的与减速器4壳体的第一端盖401相对的一侧端面上。

进一步的，如图2和图3所示，第二关节架2包括：第一子支架21、第二子支架22及第三子支架23。第一子支架21的一端与减速器4的输出端连接，第一子支架21的另一端通过第二子支架22与第三子支架23的一端连接，第三子支架23的另一端与第一关节架1连接且与传动机构5的壳体相对。传感器磁铁9设置在第三子支架23上且与印刷电路板组件PCBA 8相对。

具体实施时，第三子支架23上还可设置一个传感器磁体支架10；这样传感器磁铁9即可设置该传感器磁铁支架10上。

进一步地，如图3所示机器人关节驱动元件示意图，机器人关节还包括第一S形电连接件61，印刷电路板组件PCBA 8通过第一S形电连接件61 接入机器人的控制电路。

进一步地，如图1和图3所示机器人关节驱动元件示意图，机器人关节还包括第二S形电连接件62，电机3的电源连接端与第二S形电连接件62 的一端连接，第二S形电连接件62的另一端从第一关节架1上的圆形导出孔 7伸出，接入机器人的控制电路。

在一种可实现的技术方案中，上述第一S形电连接件和第二S形电连接件均可采用多根并行设置的导线实现，其中，多根并行设置的导线中包含有数据线、电源线等等。

进一步地，机器人关节驱动元件中的传动机构5可以采用齿轮传动***来实现。齿轮传动***示意图，齿轮传动***包括：齿轮组。齿轮组中包含有至少两个齿轮；电机的输出轴与齿轮组的动力输入端连接，齿轮组的动力输出端与减速，例如，齿轮组包括第一齿轮14及第二齿轮15。电机3的输出轴与第一齿轮14连接，第二齿轮15与减速器4的输入轴连接，电机3与减速器4处于齿轮组的同侧，通过第一齿轮和第二齿轮的啮合运动，将电机3输出轴的转动传递给减速器4的输入轴。其中，第一齿轮和第二齿轮可以是直齿轮也可以是斜齿轮等等，本实用新型实施例对此不作具体限定。上述图4 仅示出了齿轮组中包含有两个齿轮的情况，实际上可根据设计需要增加齿轮组中齿轮的个数，例如、4、5个等等，本实用新型实施例对此不作具体限定。

或者，传动机构采用皮带传动方式实现。例如，传动机构包括：主动轮、从动轮以及套设在主动轮和从动轮上的环形皮带；主动轮套装在电机3的输出轴上，从动轮套装在减速器4的输入轴上，通过张紧在两轮上的环形皮带传动，来实现所述电机3的输出轴与减速机器4输入轴之间动力的传输。当然，传动***还可以采用其他可以实现并行的电机3与减速器4之间力的传递的传动方式，本实施例对此不作具体限定。

具体实施时，如图4所示齿轮传动***示意图，第一齿轮14的直径小于第二齿轮15的直径；同样的，在皮带传动方式中，主动轮的直径小于从动轮的直径。采用这种方式，可以在改变电机动力输出方向的同时，还可以降低电机的输出转速。

进一步地，本实施例提供的机器人关节驱动元件中的减速器4可选用行星减速器实现。行星减速器具有效率高、寿命长、传递力矩大、造价低等特点，可以满足仿人机器人高可靠性、低成本的要求。当然，减速器还可以是其他形式的减速器，本实施例对此不作具体限定。

本实用新型实施例还提供了一种机器人，包括：上述机器人关节。该机器人关节可设置在如图5所示仿人机器人手臂中，例如，仿人机器人手臂包括：上臂16、下臂17和手掌18。仿人机器人手臂的上臂与机器人躯干的连接处、上臂与下臂的连接处、下臂与手掌的连接处以及手掌中各手指关节处均采用上述机器人关节19。本实施例中的机器人关节19可采用上述实施例提供的技术方案实现，具体构造可参见前述的机器人关节实施例中的内容，此处不再赘述。

本实用新型提供的机器人，位于机器人关节球内的驱动元件采用减速电机扁平化设计，即电机的输出轴与传动***的输入端连接，减速器的输入轴与传动***的输出端连接，从而实现电机与减速器并行方式布置，减小了减速电机轴向上的长度，可有效地利用关节球内的安装空间，减小机器人关节的尺寸，使仿人机器人的关节大小更接近人类的关节大小，从而降低了仿人机器人的制造成本，扩大了仿人机器人的适用范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机器人关节，其特征在于，包括：第一关节架、第二关节架及驱动元件；其中，

所述第一关节架具有容置槽，所述驱动元件设置在所述容置槽内；

所述驱动元件包括电机、减速器及传动机构，所述电机通过所述传动机构与所述减速器连接，且所述电机与所述减速器呈并排设置；

所述第一关节架的与所述减速器输出端相对的位置处设有通孔；

所述第二关节架具有两个连接端，所述两个连接端分别为第一连接端和第二连接端；所述第一连接端在所述通孔处与所述减速器的输出端连接，所述第二连接端与所述第一关节架旋转连接；

所述第二关节架在所述减速器输出的动力驱动下相对所述第一关节架旋转。

2.根据权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，还包括：用于测量所述第二关节架相对所述电机位置的编码器。

3.根据权利要求2所述的机器人关节，其特征在于，所述编码器为非接触式磁性编码器；

所述非接触式磁性编码器包括：含有传感器芯片的印刷电路板组件PCBA和传感器磁铁；

所述印刷电路板组件PCBA设置在所述传动机构的壳体上；

所述传感器磁铁设置在所述第二关节架的与所述印刷电路板组件PCBA相对的位置处。

4.根据权利要求3所述的机器人关节，其特征在于，

所述减速器的壳体具有第一端盖以及与所述第一端盖连接的桶状侧板；所述减速器的输出端贯穿所述第一端盖伸出所述减速器的壳体；

所述传动机构的壳体设置在所述减速器的所述桶状侧板上且位于所述桶状侧板的与所述第一端盖相对的一侧，并将所述减速器的壳体的与所述第一端盖相对的一侧封堵，使得所述传动机构的壳体与所述减速器的壳体内腔联通；

所述印刷电路板PCBA设置在所述传动机构壳体的与所述减速器壳体的第一端盖相对的一侧端面上。

5.根据权利要求4所述的机器人关节，其特征在于，所述第二关节架包括：第一子支架、第二子支架及第三子支架；

所述第一子支架的一端与所述减速器的输出端连接；

所述第一子支架的另一端通过所述第二子支架与所述第三子支架的一端连接；

所述第三子支架的另一端与所述第一关节架连接且与所述传动机构的壳体相对；

所述传感器磁铁设置在所述第三子支架上，且与所述印刷电路板组件PCBA相对。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的机器人关节，其特征在于，还包括：第一S形电连接件；所述印刷电路板组件PCBA通过所述第一S形电连接件接入所述机器人的控制电路。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人关节，其特征在于，所述第一关节架的容置槽的槽底设有导出孔；

所述电机的电源连接端与第二S形导电片的一端连接；

所述第二S形导电片的另一端从所述导出孔伸出接入所述机器人的控制电路。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人关节，其特征在于，所述传动机构包括齿轮组；所述齿轮组中包含有至少两个齿轮；

所述电机的输出轴与所述齿轮组的动力输入端连接；

所述齿轮组的动力输出端与所述减速器的输入轴连接；

所述电机与所述减速器处于所述齿轮组的同侧。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人关节，其特征在于，还包括：外壳；

所述外壳包括：圆柱形壳体部以及与所述圆柱形壳体部连接的关节球壳体部；

所述第一关节架与所述驱动元件置于所述外壳内；

所述关节球壳体上设有两个相对的显露孔；

所述第二关节架的所述第一连接端在所述两个相对的显露孔中的一个显露孔处与所述减速器的输出端连接，所述第二关节架的所述第二连接端在所述两个相对的显露孔中的另一显露孔处与所述第一关节架旋转连接。

10.一种机器人，其特征在于，包括：上述权利要求1至9中任一项所述的机器人关节。