CN220114719U - 一种二自由度机器人关节结构及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二自由度机器人关节结构及机器人，两个关节执行器、两个主动旋转盘、两个主动摇臂和固定杆组成一个二自由度机器人关节结构，两个关节执行器分别驱动主动旋转盘进行转动，从而带动主动摇臂和固定杆一起进行摆动，实现了两个关节执行器同时驱动对应的主动旋转盘，增强了负载能力，若将该二自由度机器人关节结构设置于机器人的腿结构上，在实现两个自由度转动即沿X轴左右运动和沿Y轴的前后运动的基础上，还解决了串联结构在腿部设计中质量分布太靠近腿部末端不利于运动控制的问题，能更好地模仿人类髋关节的运动。

Description

一种二自由度机器人关节结构及机器人

技术领域

本实用新型属于人形机器人技术领域，尤其涉及一种二自由度机器人关节结构及机器人。

背景技术

现在人形机器人的机械腿结构多数为串联结构，现有公开文献专利号为201921110341.9公开了一种拟人机器人的双自由度髋关节，包括髋关节球，髋关节球沿X轴固定连接髋关节直齿轮组的髋关节X向末端大齿轮，髋关节直齿轮组的输入端连接X轴驱动电机；髋关节球固定连接Y轴驱动电机；Y轴驱动电机的输出轴通过锥齿轮副连接行星轮减速机构，行星轮减速机构的末端连接法兰作为双自由度髋关节的Y向输出端。

上述专利公开的髋关节就是一种串联结构，串联结构关节一般存在以下问题：(1)腿部惯量大和质心偏下，可以理解为在小腿绑了沙袋，导致不灵活，也不好控制，不利于运动控制，且需要更大的扭矩；(2)不能更好地模仿人体关节结构；(3)负载能力不强，一个关节执行器只负责一个轴的转动，导致结构强度和刚度具有一定的欠缺。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种二自由度机器人关节结构及机器人。

本实用新型的技术方案在于：

本实用新型提供了一种二自由度机器人关节结构，包括：

两个关节执行器，每个所述关节执行器均设有动力输出端面；

两个主动旋转盘，每个所述主动旋转盘与一个所述关节执行器对应设置，且每个所述主动旋转盘与相应的关节执行器的动力输出端面活动连接；

两个主动摇臂，每个所述主动摇臂的一端固定连接相应所述主动旋转盘；

固定杆，所述固定杆与每个所述主动摇臂的另一端穿设连接。

进一步地，包括固定架，所述固定架具有一体成型的顶面、挡边和隔条，所述挡边具有两个且分别对称设于顶面的两侧，所述隔条具有两个且设置于两个挡边之间，每个所述主动旋转盘与相应的关节执行器设于相邻的所述挡边和所述隔条之间。

另一实现方案中，包括固定架，所述固定架具有一体成型的顶板和两个连接环，所述连接环分别设于顶板的两侧，每个所述连接环外侧分别设置有一个主动旋转盘和与其相应的关节执行器。

进一步地，不管是第一个方案和第二个方案，均还包括：被动旋转盘和被动摇臂，所述被动旋转盘设置于两个所述隔条之间或两个所述连接环之间，所述主动旋转盘和所述被动旋转盘上均设置有连接杆，所述主动旋转盘的连接杆与对应设置的主动摇臂的一端固定连接，所述被动旋转盘的连接杆与被动摇臂的一端固定连接，所述被动摇臂的另一端与两个主动摇臂的另一端共同被固定杆穿设连接。

进一步地，还包括：支撑轴，两个所述隔条上或两个所述连接环上均开设有同轴孔，所述支撑轴穿入两个所述隔条的同轴孔和被动旋转盘的中心，或所述支撑轴穿入两个所述连接环的同轴孔和被动旋转盘的中心

进一步地，所述主动摇臂上设有第一连接头和第二连接头，所述第一连接头和第二连接头分别位于主动摇臂的两端，所述第一连接头与主动旋转盘的连接杆固定连接，所述固定杆与所述第二连接头穿设连接。

进一步地，所述被动摇臂上设有第三连接头、第四连接头和第五连接头，所述第四连接头和第五连接头互相平行设置，所述第三连接头与第四连接头或/和第五连接头互相垂直设置，所述第三连接头与被动旋转盘的连接杆固定连接，所述固定杆穿设于第四连接头和第五连接头上，且主动摇臂的第二连接头位于第四连接头和第五连接头的之间。

进一步地，所述固定杆上设有卡固头和杆身，所述卡固头设置于第四连接头上，所述杆身穿设第四连接头、第二连接头和第五连接头，在所述杆身上可拆卸连接有固定环，所述固定环设于第五连接头的底部。

进一步地，在所述被动旋转盘、第一连接头、第二连接头和第三连接头上分别设有轴承，支撑轴穿入被动旋转盘的轴承，连接杆穿入对应设置的第一连接头的所述轴承或第二连接头的所述轴承或第三连接头的所述轴承。

本实用新型还提供了一种机器人，包括上述的二自由度机器人关节结构。

本实用新型二自由度机器人关节结构的有益效果在于：

使用两个关节执行器、两个主动旋转盘、两个主动摇臂和固定杆组成一个二自由度机器人关节结构，两个关节执行器分别驱动主动旋转盘进行转动，从而带动主动摇臂和固定杆一起进行摆动，实现了两个关节执行器同时驱动对应的主动旋转盘，增强了负载能力，若将该二自由度机器人关节结构设置于机器人的腿结构上，在实现两个自由度转动即沿X轴左右运动和沿Y轴的前后运动的基础上，还解决了串联结构在腿部设计中质量分布太靠近腿部末端不利于运动控制的问题，能更好地模仿人类髋关节的运动。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的整体结构示意图一；

图2为本实用新型实施例1的整体结构示意图二；

图3为本实用新型实施例2的整体结构示意图一；

图4为本实用新型实施例2的整体结构示意图二；

图5为本实用新型实施例2的分解结构示意图；

图6为本实用新型实施例2的沿X左右运动时的状态示意图；

图7为本实用新型实施例2的沿Y前后运动时的状态示意图；

图8为本实用新型二自由度机器人关节结构的主动摇臂的结构示意图；

图9为本实用新型二自由度机器人关节结构的被动摇臂的结构示意图；

图10为本实用新型实施例3的固定架的结构示意图。

附图标记：1、关节执行器，11、转轴，21、主动旋转盘，22、被动旋转盘，24、连接杆，25、凹槽，31、主动摇臂，311、第一连接头，312、第二连接头，32、被动摇臂，321、第三连接头，322、第四连接头，323、第五连接头，4、支撑轴，5、固定杆，51、卡固头，52、杆身、53、固定环，6、固定架，61、顶面，62、挡边，63、隔条，64、同轴孔，65、顶板，66、圆孔，7、轴承，8、螺母。

具体实施方式

为了使本实用新型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，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要理解的是，在本实用新型的描述中，“至少两个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

另外，术语“两侧”、“中间”、“上”、“两端”、“互相平行”、“互相垂直”、“内”、“底部”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”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”、“第三”、“第四”、“第五”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例1

请参照图1和图2，本实用新型提供了一种二自由度机器人关节结构，包括：

两个关节执行器1，每个所述关节执行器1均设有动力输出端面，可以是减速电机，进行动力输出；

两个主动旋转盘21，每个所述主动旋转盘21与一个所述关节执行器1对应设置，具体是：每个所述主动旋转盘21的与相应的关节执行器1的动力输出端面活动连接，通过关节执行器1的动力输出端面驱动主动旋转盘21的转动；

两个主动摇臂31，每个所述主动摇臂31的一端固定连接相应的所述主动旋转盘21，主动摇臂31相当于人体的骨头，关节需要带动骨头进行转动，主动旋转盘21带动主动摇臂31进行摆动；

固定杆5，每个所述主动摇臂31的另一端与所述固定杆5固定连接，由于整体二自由度机器人关节结构可以作为机器人的髋关节或肩关节，两个主动摇臂31不能分开转动，需要采用固定杆5将两个主动摇臂31进行固定。

所述关节执行器1的动力输出端面驱动每个主动旋转盘21进行转动，并带动每个主动摇臂31和固定杆5同步摆动，即实现并联传动。

主动旋转盘21与主动摇臂31的具体连接关系：

每个所述主动旋转盘21上设置有连接杆24，所述连接杆24与对应设置的主动摇臂31的一端固定连接。

更具体地，每个所述主动摇臂31上设有第一连接头311和第二连接头312，所述第一连接头311和第二连接头312分别位于主动摇臂31的两端，所述第一连接头311与主动旋转盘21的连接杆24固定连接，所述固定杆5穿设第二连接头312。

另外，所述固定杆5具有一体成型的卡固头51和杆身52，杆身52穿过每个主动摇臂31的第二连接头312，且固定杆5的卡固头51穿设第二连接头312。杆身52上可拆卸连接有固定环53，固定环53设于两个第二连接头312的下方，通过卡固头51和固定环53将主动摇臂31进行固定。

在实际应用的过程中，本二自由度机器人关节结构作为一侧髋部，固定杆5与腿部连接。两个关节执行器1分别同时驱动对应设置的主动旋转盘21转动，从而带动主动摇臂31和固定杆5一起进行摆动，对照图6，实现腿部的沿X轴左右运动，即大腿外展(右髋向右外侧摆动或左髋向左外侧摆动)或大腿内收(右髋向左侧摆动或左髋向右侧摆动)，对照图7，还实现腿部沿Y轴前后运动，即大腿屈(向前抬腿)和大腿伸(向后抬腿)，从而实现2个自由度转动；该设计能提高关节执行器1在腿部的物理高度，进而可以减少腿部末端的惯量，对运动控制更有利；另外，两个关节执行器1可以同时发力，与采用相同规格的串联结构的关节执行器1相比，二自由度机器人关节结构的承载能力更强，负载更大。

另外，本二自由度机器人关节结构还可作为肩关节的一侧，关节执行器1和主动旋转盘21作为肩部，固定杆5与手臂连接；两个关节执行器1分别同时驱动对应设置的主动旋转盘21转动，从而带动主动摇臂31和固定杆5同时进行摆动；实现手臂的沿X轴左右运动，即手臂外展或手臂内收，还实现手臂沿Y轴前后运动，即手臂前屈和手臂后伸，即2个自由度转动。

实施例2

在实施例1的基础上，为了使关节结构更加牢固，采用三角形原理，增设一个被动旋转盘22和一个被动摆臂32，所述被动旋转盘22上也设置有连接杆24，所述被动旋转盘22的连接杆24与被动摇臂32的一端固定连接，所述被动摇臂32的另一端与两个主动摇臂31的另一端共同被固定杆5穿设连接；另外，也发现了虽然实施例1能实现腿部的沿X轴左右运动或实现手臂的沿X轴左右运动，但是该沿X轴左右运动轨迹是弧线状，而不能直直地沿X轴平移左右运动，在增设被动摆臂32后就能解决这个问题。

被动旋转盘22上也设置有连接杆24，主动旋转盘21的连接杆24与对应设置的主动摇臂31的一端固定连接，被动旋转盘22的连接杆24与被动摇臂32的一端固定连接，被动旋转盘22位于两个所述主动旋转盘21的之间。

更具体地，所述被动摇臂32具有一体成型的第三连接头321、第四连接头322和第五连接头323，所述第四连接头322和第五连接头323互相平行设置，所述第三连接头321与第四连接头322和/或第五连接头323互相垂直设置，所述第三连接头321与被动旋转盘22的连接杆24固定连接，所述固定杆5穿设第四连接头322和第五连接头323，且主动摇臂31的第二连接头312位于第四连接头322和第五连接头323的之间。

另外，所述固定杆5具有一体成型的卡固头51和杆身52，所述杆身52穿入第四连接头322、第二连接头312和第五连接头323，所述卡固头51设置于第四连接头322上，在所述杆身52上可拆卸连接有固定环53，所述固定环53设于第五连接头323的底部，通过卡固头51和固定环53将第四连接头322、第二连接头312和第五连接头323进行固定，也将主动摇臂31和被动摇臂32进行固定。

又进一步地，为了使整个结构更牢固，并且能够实现与机器人结构相拼接。

设计一个固定架6和支撑轴4，所述固定架6具有一体成型的顶面61、挡边62和隔条63，所述挡边62具有两个且分别对称设于顶面61的两侧，所述隔条63具有两个且设置于两个挡边62的之间，每个所述主动旋转盘21与相应的关节执行器1设于相邻的所述挡边62和所述隔条63之间，所述挡边62和隔条63上均开设有同轴孔64，所述支撑轴4穿入两个所述隔条63的同轴孔64和被动旋转盘22的轴承7内，所述被动旋转盘22位于两个隔条63的之间。

实施例3

在实施例2的基础上，替换固定架6，参照图10，所述固定架6具有一体成型的顶板65、两个连接环66和支撑轴4，所述连接环66设于顶板65的两侧，两个所述连接环66上均开设有同轴孔64，所述支撑轴4穿入两个所述连接环66的同轴孔64和被动旋转盘22的轴承7内，每个所述连接环66外侧分别设置有一个主动旋转盘21和与其相应的关节执行器1，被动旋转盘22位于两个连接环66的之间，所述连接环66隔开三个旋转盘，形成三个旋转空间；同时可以将顶板65与机器人的腰部连接固定或机器人的肩部连接固定，从而将二自由度机器人关节结构与机器人组合。

从上述实施例2和实施例3中可知，固定架6的作用是将二自由度机器人关节结构组合为一体，能将三个旋转盘分成3个旋转空间，还能形成模块化的关节结构，方便组装使用；支撑轴4的作用是支撑被动旋转盘22上的轴承进行旋转。

进一步地，参照图5，被动旋转盘22、第一连接头311、第二连接头312和第三连接头321上分别设有轴承7，支撑轴4穿入被动旋转盘22的轴承7，连接杆24穿入对应设置的第一连接头311的所述轴承7或第二连接头312的所述轴承7或第三连接头的所述轴承7，在每个所述连接杆24上设有螺母8，连接杆24穿入所述轴承7的圆心，螺母8将第一连接头311、第二连接头312和第三连接头313分别拧紧于对应的连接杆24上。

轴承7主要功能是支撑摇臂进行旋转，降低摇臂在运动过程中的摩擦系数，并保证摇臂的回转精度；在被动旋转盘22中，支撑轴穿入被动旋转盘22中的轴承7把被动旋转盘22给支撑起来，而且轴承7还能让被动旋转盘22旋转得更流畅。

另外，在本实施例中，主动旋转盘21的形状类似于勺子的形状，在与关节执行器1固定的面上还设有凹槽25，凹槽25的形状与关节执行器1的贴合面相匹配，凹槽25上设有圆孔，可以使用螺钉与关节执行器1的动力输出端面进行连接。

在另一些实施例中，主动旋转盘21的形状根据使用的关节执行器1结构进行设计，可以是完全平面的结构，直接与关节执行器1相并设置，在利用圆孔和螺钉将主动旋转盘21与关节执行器1实现转动连接。

另外，本实用新型还提供了一种机器人，包括上述的二自由度机器人关节结构。具体地，机器人的肩关节和髋关节均设有二自由度机器人关节结构；或者仅在肩关节使用本二自由度机器人关节结构；又或者仅在髋关节使用本二自由度机器人关节结构。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种二自由度机器人关节结构，其特征在于，包括：

两个关节执行器(1)，每个所述关节执行器(1)均设有动力输出端面；

两个主动旋转盘(21)，每个所述主动旋转盘(21)与一个所述关节执行器(1)对应设置，且每个所述主动旋转盘(21)与相应的关节执行器(1)的动力输出端面活动连接；

两个主动摇臂(31)，每个所述主动摇臂(31)的一端固定连接相应的所述主动旋转盘(21)；

固定杆(5)，所述固定杆(5)与每个所述主动摇臂(31)的另一端穿设连接。

2.根据权利要求1所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，还包括固定架(6)，所述固定架(6)具有一体成型的顶面(61)、挡边(62)和隔条(63)，所述挡边(62)具有两个且分别对称设于顶面(61)的两侧，所述隔条(63)具有两个且设置于两个挡边(62)之间，每个所述主动旋转盘(21)与相应的关节执行器(1)设于相邻的所述挡边(62)和所述隔条(63)之间。

3.根据权利要求1所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，还包括固定架(6)，所述固定架(6)具有一体成型的顶板(65)和两个连接环(66)，所述连接环(66)分别设于顶板(65)的两侧，每个所述连接环(66)外侧分别设置有一个主动旋转盘(21)和与其相应的关节执行器(1)。

4.根据权利要求2所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，还包括：被动旋转盘(22)和被动摇臂(32)，所述被动旋转盘(22)设置于两个所述隔条(63)之间，所述主动旋转盘(21)和所述被动旋转盘(22)上均设置有连接杆(24)，所述主动旋转盘(21)的连接杆(24)与对应设置的主动摇臂(31)的一端固定连接，所述被动旋转盘(22)的连接杆(24)与被动摇臂(32)的一端固定连接，所述被动摇臂(32)的另一端与两个主动摇臂(31)的另一端共同被固定杆(5)穿设连接。

5.根据权利要求4所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，还包括：支撑轴(4)，两个所述隔条(63)上均开设有同轴孔(64)，所述支撑轴(4)穿入两个所述隔条(63)的同轴孔(64)和被动旋转盘(22)的中心。

6.根据权利要求5所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，所述主动摇臂(31)上设有第一连接头(311)和第二连接头(312)，所述第一连接头(311)和第二连接头(312)分别位于主动摇臂(31)的两端，所述第一连接头(311)与主动旋转盘(21)的连接杆(24)固定连接，所述固定杆(5)与所述第二连接头(312)固定连接。

7.根据权利要求6所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，所述被动摇臂(32)上设有第三连接头(321)、第四连接头(322)和第五连接头(323)，所述第四连接头(322)和第五连接头(323)互相平行设置，所述第三连接头(321)与第四连接头(322)或/和第五连接头(323)互相垂直设置，所述第三连接头(321)与被动旋转盘(22)的连接杆(24)固定连接，所述固定杆(5)穿设连接所述第四连接头(322)和所述第五连接头(323)，且主动摇臂(31)的第二连接头(312)位于第四连接头(322)和第五连接头(323)的之间。

8.根据权利要求7所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，所述固定杆(5)上设有卡固头(51)和杆身(52)，所述卡固头(51)设置于第四连接头(322)上，所述杆身(52)穿设第四连接头(322)、第二连接头(312)和第五连接头(323)，在所述杆身(52)上可拆卸连接有固定环(53)，所述固定环(53)设于第五连接头(323)的底部。

9.根据权利要求8所述的二自由度机器人关节结构，其特征在于，在所述被动旋转盘(22)、第一连接头(311)、第二连接头(312)和第三连接头(321)上分别设有轴承(7)，支撑轴(4)穿入被动旋转盘(22)的轴承(7)，连接杆(24)穿入对应设置的第一连接头(311)的所述轴承(7)或第二连接头(312)的所述轴承(7)或第三连接头的所述轴承(7)。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的二自由度机器人关节结构。