CN114670237B - 一种大负载高柔性机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于服务机器人技术领域，具体涉及一种大负载高柔性机器人关节，包括转轴固定板、关节回转件、关节驱动机构和驱动输出机构，关节驱动机构包括准双曲面小锥齿轮和准双曲面大锥齿轮；准双曲面大锥齿轮的内圈通过橡胶弹性联轴器连接有主动锥齿轮，两转轴固定板之间固定连接有横向转轴，横向转轴从主动锥齿轮内圈穿过，且与主动锥齿轮内圈之间具有间隙；驱动输出机构包括从动锥齿轮，从动锥齿轮与两相对设置的主动锥齿轮啮合，横向转轴上固定连接有纵向转轴，从动锥齿轮固定连接在纵向转轴上，本发明利用利用橡胶材料取代日常螺钉对两个齿轮进行固连，打破了刚性连接的传统，进行软连接，实现柔性传动，使该机器人关节具有高柔性的特点。

Description

一种大负载高柔性机器人关节

技术领域

本发明属于服务机器人技术领域，具体涉及一种大负载高柔性机器人关节。

背景技术

目前机器人关节多为串联结构，即电机通过减速之后带动输出连杆进行转动。在关节尺寸约束同时又需要大负载的工况下，如护理机器人搀扶、抱起被护理人的场景，传统的串联式结果很难兼顾结构尺寸和输出扭矩的要求，无法满足使用需求。

另外，传统的串联式机器人关节组成的机械臂，如常见的协作型机械臂，外形会有凸起，而人的手臂外形基本光滑，也就是传统的串联式关节组成的机械臂很难用在人手臂的仿生结构设计中。同时，外形光滑的表面具有覆盖表面触觉传感器的潜力，对人机全面安全交互具有很大的帮助。

此外，传统机器人关节均是刚性传动，即使关节中的减速器(如谐波减速器)具有一定的柔性，这种柔性也非常小。目前有通过控制策略使关节表现出一定的柔性，这种柔性称之为主动柔性，也就是主动柔顺控制策略，但是关节的主动柔性需要较大的响应时间，当机器人受到碰撞时，无法实时产生柔顺响应。人体关节骨骼之间均有软组织连结，这种软组织可以吸收人体骨骼间的冲击，即使不受大脑控制，这种软组织结构也使骨骼机构表现出很好的柔性，这种柔性称之为被动柔性。传统关节由于没有柔性传动单元，单纯的刚性传动或主动柔顺控制也无法模拟人体骨骼间的柔性传动机制，也就无法很好的适应人机共融式协作。

综上，目前还没有一款机器人关节，可以同时满足大负载、高柔性、外形光滑、低重量、集成化高这些要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的机器人关节中存在的输出功率小、不具有被动柔性、由关节组成的机械臂外形凸起影响人机接触舒适性的缺陷，提出了一种大负载高柔性且外形光滑的机器人关节。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：包括两相对设置的转轴固定板、与两所述转轴固定板转动连接的两相对设置的关节回转件、两相对设置的关节驱动机构和与所述关节回转件连接的驱动输出机构，所述关节驱动机构包括准双曲面小锥齿轮和与所述准双曲面小锥齿轮啮合的准双曲面大锥齿轮；所述准双曲面大锥齿轮的内圈通过橡胶弹性联轴器连接有主动锥齿轮，两转轴固定板之间固定连接有横向转轴，所述横向转轴从所述主动锥齿轮内圈穿过，且与所述主动锥齿轮内圈之间具有间隙，所述转轴固定板与关节回转件之间通过第一轴承转动连接；所述驱动输出机构包括从动锥齿轮，所述从动锥齿轮与两相对设置的主动锥齿轮啮合，所述横向转轴上固定连接有与其垂直设置的纵向转轴，所述从动锥齿轮固定连接在所述纵向转轴上。

进一步地，所述橡胶弹性联轴器包括主体橡胶环、圆周阵列在所述主体橡胶环内圈的内连接凸台和圆周阵列在所述主体橡胶环外圈的外连接凸台，所述准双曲面大锥齿轮的内圈具有与所述外连接凸台对应的内连接凹槽，所述主动锥齿轮的外圈具有与所述内连接凸台对应的外连接凹槽。

进一步地，还包括磁编码器，所述转轴固定板具有向外侧凸出的用来安装第一轴承的轴承安装轴，所述轴承安装轴安装在所述第一轴承的内圈，所述轴承安装轴的外端连接有磁铁套，所述磁铁套的中心孔内安装磁编码器的有磁铁，所述关节回转件的外侧固定有编码器安装板，所述磁编码器的磁编码器接收板安装在编码器安装板上。

进一步地，所述纵向转轴的端部固定连接有关节法兰连接件，所述关节法兰连接件的外侧通过第二轴承安装有关节支架，所述关节支架与两侧的所述关节回转件固定连接。

进一步地，所述第二轴承的外圈固定有轴承外圈挡板，所述轴承外圈挡板上固定有编码器固定座，所述第二轴承的内圈的下端面固定连接有关节传动法兰，所述关节传动法兰上固定安装有关节传动编码器信号板，所述编码器固定座上固定安装有关节传动编码器信号接收板。

进一步地，所述关节传动法兰的下端面固定连接有输出连接件，所述输出连接件的外侧固定连接有传感器转接板，所述传感器转接板的外侧连接扭矩传感器。

进一步地，所述关节驱动机构还包括：驱动电机、连接在驱动电机转轴上的第一编码器、安装在所述驱动电机输出轴上的主动同步带轮、与主动同步带轮通过带传动连接的从动同步带轮、与所述从动同步带轮同轴连接的减速器，所述减速器的输出轴连接准双曲面小锥齿轮。

进一步地，两所述转轴固定板固定连接在关节传动座上，所述关节传动座上固定连接有电机安装座，所述驱动电机和减速器安装在所述电机安装座内。

更进一步地，所述电机安装座的上方设置有用来放置驱动器、和电池的控制腔体，所述控制腔体上具有线缆穿孔。

本发明的一种大负载高柔性机器人关节的有益效果是：

1、该机器人关节突出特点是运用了弹性橡胶材料制作的弹性橡胶联轴器连接主动锥齿轮和准双曲面大锥齿轮，利用橡胶材料取代日常螺钉对两个齿轮进行固连，打破了刚性连接的传统，进行软连接，实现柔性传动，使该机器人关节具有高柔性的特点。

2、该机器人关节将小体积电机与高减速比传动链安装在机器人圆柱形关节腔体中。且该机器人关节利用差动结构，可以使一个关节实现两个转轴相互垂直的转动自由度，实现两个方向的转动，同时提供较大的输出扭矩，使其可以承受较大负载。

3、本发明将所有部件均置于关节的各个腔体内，整体机构外形圆滑、简单紧凑、便于安装维护，使该机器人关节成为一个高集成化的模组，可单独使用，也可与其他组件或相同几个模组进行配合使用；本发明可整体置于机器人体内，只通过一束线缆和外界进行电气连接，便于控制总线搭建，同时不影响机器人整体结构，便于外观设计。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的机器人关节立体结构示意图；

图2是本发明实施例的关节腔体结构示意图；

图3是本发明实施例的关节驱动机构部分结构图；

图4是本发明实施例的其中一个关节驱动机构结构图；

图5是本发明实施例的橡胶弹性联轴器结构图；

图6是本发明实施例的准双曲面大齿轮与主动锥齿轮连接爆炸图；

图7是本发明实施例的轴承固定板结构图；

图8是本发明实施例的轴承固定板与轴承安装结构图；

图9是本发明实施例的磁编码器安装结构图；

图10是本发明实施例的部分结构图；

图11是本发明实施例的角位移测量部分结构图；

图12是本发明实施例的扭矩编码器部分安装结构图。

图中:1、转轴固定板，11、轴承安装轴，2、关节回转件，3、准双曲面小锥齿轮，4、准双曲面大锥齿轮，41、内连接凹槽，5、橡胶弹性联轴器，51、主体橡胶环，52、内连接凸台，53、外连接凸台，6、主动锥齿轮，61、外连接凹槽，7、横向转轴，8、第一轴承，9、从动锥齿轮，10、纵向转轴，12、磁编码器接收板，13、编码器安装板，14、关节法兰连接件，15、第二轴承，16、关节支架，17、轴承外圈挡板，18、编码器固定座，19、关节传动法兰，20、关节传动编码器信号板，21、关节传动编码器信号接收板，22、输出连接件，23、传感器转接板，24、扭矩传感器，25、驱动电机，26、第一编码器，27、主动同步带轮，28、从动同步带轮，29、减速器，30、关节传动座，31、电机安装座，32、驱动器，33、电池，34、控制腔体，341、线缆穿孔，35、磁铁套。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本实施例中，为了便于说明连接方式，以控制腔体端为上端，扭矩传感器端为下端。

如图1-图12所示的本发明的一种大负载高柔性机器人关节的具体实施例，从上至下依次包括控制腔体、驱动腔体和机械传动腔体。

如图1和图2所示，其中控制腔体内放置驱动器和电池，控制腔体上具有线缆穿孔341。

本发明实施例的大负载高柔性机器人关节包括两相对设置的转轴固定板1、与两转轴固定板1转动连接的两相对设置的关节回转件2、两相对设置的关节驱动机构和与关节回转件2连接的驱动输出机构，关节驱动机构包括准双曲面小锥齿轮3和与准双曲面小锥齿轮3啮合的准双曲面大锥齿轮4；准双曲面大锥齿轮4的内圈通过橡胶弹性联轴器5连接有主动锥齿轮6，两转轴固定板1之间固定连接有横向转轴7，横向转轴7从主动锥齿轮6内圈穿过，且与主动锥齿轮6内圈之间具有间隙，转轴固定板1与关节回转件2之间通过第一轴承8转动连接；驱动输出机构包括从动锥齿轮9，从动锥齿轮9与两相对设置的主动锥齿轮6啮合，横向转轴7上固定连接有与其垂直设置的纵向转轴10，从动锥齿轮9固定连接在纵向转轴10上。参见图5和图6，橡胶弹性联轴器5包括主体橡胶环51、圆周阵列在主体橡胶环51内圈的内连接凸台52和圆周阵列在主体橡胶环51外圈的外连接凸台53，准双曲面大锥齿轮4的内圈具有与外连接凸台53对应的内连接凹槽41，主动锥齿轮6的外圈具有与内连接凸台52对应的外连接凹槽61。弹性橡胶连轴器5的为梅花形，相邻内连接凸台52和外连接凸台53与主体橡胶环51的中心的夹角相互错开，这样使得准双曲面大齿轮4的力能够更均匀柔性的传导到主动锥齿轮6上。橡胶弹性联轴器5打破了刚性连接的传统，通过软连接，实现柔性传动，是机器人关节具有高柔性的特点。

其中关节驱动机构大部分零部件设置在驱动腔体内，参见图3和图4，关节驱动机构还包括：驱动电机25、连接在驱动电机25转轴上的第一编码器26、安装在驱动电机25输出轴上的主动同步带轮27、与主动同步带轮27通过带传动连接的从动同步带轮28、与从动同步带轮28同轴连接的减速器29，减速器29的输出轴连接准双曲面小锥齿轮3。两个关节驱动机构相对设置，两个准双曲面小锥齿轮3分别与各自侧的双曲面大锥齿轮4啮合，实现差动传动，以图1中的结构为例，当左右两侧的准双曲面小锥齿轮3同向同速转动时，纵向转轴10带动关节的末端绕横向转轴7上下摆动；当左右两侧的准双曲面小锥齿轮3反向转动时，纵向转轴10带动关节的末端绕其轴线自转；当左右两侧的准双曲面小锥齿轮3同向不同速转动时，关节的末端做绕横向转轴7上下摆动和绕纵向转轴10自转的综合运动。

两转轴固定板1固定连接在关节传动座30上，关节传动座30上固定连接有电机安装座31，驱动电机25和减速器29安装在电机安装座31内。

参见图7-图9，本发明实施例还包括用来测量关节末端绕横向转轴7转动角度的磁编码器，转轴固定板1具有向外侧凸出的用来安装第一轴承8的轴承安装轴11，轴承安装轴11安装在第一轴承8的内圈，轴承安装轴11的外端连接有磁铁套35，磁铁套35的中心孔内安装磁编码器的有磁铁，关节回转件2的外侧固定有编码器安装板13，磁编码器的磁编码器接收板12安装在编码器安装板13上。

参见图10，纵向转轴10的端部固定连接有关节法兰连接件14，关节法兰连接件14的外侧通过第二轴承15安装有关节支架16，关节支架16与两侧的关节回转件2固定连接。

参见图11，本发明实施例还包括用来测量关节末端绕纵向转轴10转动角度的角位移编码器，第二轴承15的外圈固定有轴承外圈挡板17，轴承外圈挡板17上固定有编码器固定座18，第二轴承15的内圈的下端面固定连接有关节传动法兰19，关节传动法兰19上固定安装有关节传动编码器信号板20，编码器固定座18上固定安装有关节传动编码器信号接收板21。

参见图12，关节传动法兰19的下端面固定连接有输出连接件22，输出连接件22的外侧固定连接有传感器转接板23，传感器转接板23的外侧连接扭矩传感器24。扭矩传感器24为二维力传感器，将扭矩传感器24的下端面固定，扭矩传感器24与关节传动法兰19同轴转动或者跟随关节回转体2绕横向转轴7做回转运动，扭矩传感器24内部发生扭转变形，进而测得该机器人关节的两个转动方向的输出力矩。

电机安装座31的上方设置有用来放置驱动器32和电池33的控制腔体34，控制腔体34上具有线缆穿孔341。

该机器人关节突出特点是运用了弹性橡胶材料制作的弹性橡胶联轴器连接主动锥齿轮6和准双曲面大锥齿轮4，利用橡胶材料取代日常螺钉对两个齿轮进行固连，打破了刚性连接的传统，进行软连接，实现柔性传动，使该机器人关节具有高柔性的特点。

该机器人关节将小体积电机与高减速比传动链作用是放大电机扭矩安装在机器人圆柱形关节腔体中。且该机器人关节利用差动结构，可以使一个关节实现两个转轴相互垂直的转动自由度，实现两个方向的转动，同时提供较大的输出扭矩，使其可以承受较大负载。

本发明将所有部件均置于关节的各个腔体内，整体机构外形圆滑、简单紧凑、便于安装维护，使该机器人关节成为一个高集成化的模组，可单独使用，也可与其他组件或相同几个模组进行配合使用；本发明可整体置于机器人体内，只通过一束线缆和外界进行电气连接，便于控制总线搭建，同时不影响机器人整体结构，便于外观设计。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：包括两相对设置的转轴固定板（1）、与两所述转轴固定板（1）转动连接的两相对设置的关节回转件（2）、两相对设置的关节驱动机构和与所述关节回转件（2）连接的驱动输出机构，所述关节驱动机构包括准双曲面小锥齿轮（3）和与所述准双曲面小锥齿轮（3）啮合的准双曲面大锥齿轮（4）；所述准双曲面大锥齿轮（4）的内圈通过橡胶弹性联轴器（5）连接有主动锥齿轮（6），两转轴固定板（1）之间固定连接有横向转轴（7），所述横向转轴（7）从所述主动锥齿轮（6）内圈穿过，且与所述主动锥齿轮（6）内圈之间具有间隙；所述转轴固定板（1）与关节回转件（2）之间通过第一轴承（8）转动连接；所述驱动输出机构包括从动锥齿轮（9），所述从动锥齿轮（9）与两相对设置的主动锥齿轮（6）啮合，所述横向转轴（7）上固定连接有与其垂直设置的纵向转轴（10），所述从动锥齿轮（9）固定连接在所述纵向转轴（10）上；所述橡胶弹性联轴器（5）包括主体橡胶环（51）、圆周阵列在所述主体橡胶环（51）内圈的内连接凸台（52）和圆周阵列在所述主体橡胶环（51）外圈的外连接凸台（53），所述准双曲面大锥齿轮（4）的内圈具有与所述外连接凸台（53）对应的内连接凹槽（41），所述主动锥齿轮（6）的外圈具有与所述内连接凸台（52）对应的外连接凹槽（61）；所述关节驱动机构还包括：驱动电机（25）、连接在驱动电机（25）转轴上的第一编码器（26）、安装在所述驱动电机（25）输出轴上的主动同步带轮（27）、与主动同步带轮（27）通过带传动连接的从动同步带轮（28）、与所述从动同步带轮（28）同轴连接的减速器（29），所述减速器（29）的输出轴连接准双曲面小锥齿轮（3）。

2.根据权利要求1所述的一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：还包括磁编码器，所述转轴固定板（1）具有向外侧凸出的用来安装第一轴承（8）的轴承安装轴（11），所述轴承安装轴（11）安装在所述第一轴承（8）的内圈，所述轴承安装轴（11）的外端连接有磁铁套（35），所述磁铁套（35）的中心孔内安装磁编码器的有磁铁，所述关节回转件（2）的外侧固定有编码器安装板（13），所述磁编码器的磁编码器接收板（12）安装在编码器安装板（13）上。

3.根据权利要求1所述的一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：所述纵向转轴（10）的端部固定连接有关节法兰连接件（14），所述关节法兰连接件（14）的外侧通过第二轴承（15）安装有关节支架（16），所述关节支架（16）与两侧的所述关节回转件（2）固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：所述第二轴承（15）的外圈固定有轴承外圈挡板（17），所述轴承外圈挡板（17）上固定有编码器固定座（18），所述第二轴承（15）的内圈的下端面固定连接有关节传动法兰（19），所述关节传动法兰（19）上固定安装有关节传动编码器信号板（20），所述编码器固定座（18）上固定安装有关节传动编码器信号接收板（21）。

5.根据权利要求4所述的一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：所述关节传动法兰（19）的下端面固定连接有输出连接件（22），所述输出连接件（22）的外侧固定连接有传感器转接板（23），所述传感器转接板（23）的外侧连接扭矩传感器（24）。

6.根据权利要求1所述的一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：两所述转轴固定板（1）固定连接在关节传动座（30）上，所述关节传动座（30）上固定连接有电机安装座（31），所述驱动电机（25）和减速器（29）安装在所述电机安装座（31）内。

7.根据权利要求6所述的一种大负载高柔性机器人关节，其特征在于：所述电机安装座（31）的上方设置有用来放置驱动器（32）、和电池（33）的控制腔体（34），所述控制腔体（34）上具有线缆穿孔（341）。