三自由度驱动机构及机器人的制作方法

本发明属于智能机器技术领域，更具体地说，是涉及一种三自由度驱动机构及机器人。

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。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种三自由度驱动机构及机器人，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：提供一种三自由度驱动机构，包括u形连接件，其具有u形空间，且所述u形连接件包括u形底部以及分别连接于所述u形底部两侧的两个u形侧部；

旋转机构，其旋转输出轴连接于所述u形底部且用于驱动所述u形连接件旋转；

侧摆机构，固定于其中一个所述u形侧部的背向所述u形空间一侧；以及

前摆机构，设于所述u形空间内且转动连接于所述u形侧部，所述前摆机构由所述侧摆机构驱动侧摆；

所述旋转机构的旋转输出轴、所述侧摆机构的侧摆输出轴、所述前摆机构的前摆输出轴两两呈夹角设置。

在一个实施例中，所述旋转机构的旋转输出轴、所述侧摆机构的侧摆输出轴、所述前摆机构的前摆输出轴两两正交设置。

在一个实施例中，所述旋转机构包括旋转电机、用于检测所述旋转电机的转动角度的旋转编码器、连接于所述旋转电机且用于减速的旋转减速器以及连接于所述旋转减速器的所述旋转输出轴，所述旋转输出轴中空设置，且所述旋转减速器、所述旋转电机及所述旋转编码器沿所述旋转输出轴的轴向依次设置在所述旋转输出轴的外周。

在一个实施例中，所述旋转输出轴包括空心轴以及由所述空心轴的一端径向向外延伸的旋转盘，所述u形底部固定于所述旋转盘。

在一个实施例中，两个所述u形侧部分别为第一u形侧部和第二u形侧部，所述第一u形侧部开设有第一安装孔，所述第二u形侧部开设有第二安装孔，所述侧摆机构的侧摆输出轴伸入所述第一安装孔且与所述前摆机构固定连接，所述第二安装孔内设有支撑组件，所述侧摆机构通过所述支撑组件转动连接于所述第二u形侧部。

在一个实施例中，所述侧摆机构包括侧摆舵机、侧摆减速器以及连接所述侧摆舵机和所述侧摆减速器的传动组件；所述侧摆舵机和所述侧摆减速器均固定于所述第一u形侧部，所述侧摆减速器伸入所述第一安装孔设置。

在一个实施例中，所述传动组件包括连接于所述旋转电机的第一带轮、连接于所述旋转减速器的第二带轮、绕设于所述第一带轮和所述第二带轮的同步带以及用于张紧所述同步带的张紧轮，所述张紧轮转动连接于所述旋转减速器的外表面。

在一个实施例中，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前摆机构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u形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，所述前摆机构包括舵机框架、固定于所述舵机框架内的前摆电机、设于所述前摆电机一端的前摆编码器、设于所述前摆电机另一端的前摆减速器，所述前摆编码器设于所述舵机框架的内部。

本发明还提供一种机器人，包括上述的三自由度驱动机构，还包括大腿组件，所述大腿组件连接于所述前摆机构的前摆输出轴。

本发明提供的三自由度驱动机构及机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明三自由度驱动机构包括u形连接件、旋转机构、侧摆机构和前摆机构，旋转机构连接于u形连接件的u形底部，侧摆机构连接于u形连接件的其中一个u形侧部，前摆机构设于u形连接件的u形空间内，使得旋转机构、侧摆机构和前摆机构均集成于u形连接件，在该三自由度驱动机构应用于髋关节中时，可以分别实现大腿结构件的旋转运动、侧摆运动和前摆运动，驱动机构无需设置在大腿结构件上，均集成于髋关节处的u形连接件上，可以提高机器人腿部的质心，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三自由度驱动机构的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的旋转机构的剖视图；

图3为本发明实施例提供的u形连接件的立体结构图；

图4为本发明实施例提供的侧摆机构的主视图；

图5为本发明实施例提供的侧摆舵机的剖视图；

图6为本发明实施例提供的支撑组件的剖视图；

图7为本发明实施例提供的舵机框架的立体结构图；

图8为本发明实施例提供的前摆电机的剖视图；

图9为本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：

100-三自由度驱动机构；1-旋转机构；11-旋转电机；12-旋转编码器；13-旋转减速器；14-旋转输出轴；141-空心轴；142-旋转盘；2-侧摆机构；21-侧摆舵机；211-侧摆电机；2111-电机外壳；21111-筒状周壁；21112-电机端盖；21113-环形盖；21114-内筒部；21115-轴承端盖；2112-定子；2113-转子；2114-转轴组件；21141-电机轴；21142-转接轴；21143-侧摆轴承；21144-内挡圈；21145-外挡圈；212-侧摆编码器；213-编码器盖；22-传动组件；221-第一带轮；222-第二带轮；223-同步带；224-张紧轮；23-侧摆减速器；230-调节孔；24-调节板；240-弧形槽；25-调节紧固件；3-前摆机构；31-舵机框架；311-凸台；32-前摆电机；33-前摆编码器；34-前摆减速器；4-u形连接件；41-第一u形侧部；410-第一安装孔；42-第二u形侧部；420-第二安装孔；421-第二凸缘；43-u形底部；431-第一底层；432-第二底层；5-支撑组件；51-外圈组件；510-第一环槽；511-外圈本体；5111-第一凸缘；512-第一紧固件；52-内圈组件；520-第二环槽；521-第一内圈；522-第二内圈；5221-环形台阶；523-第二紧固件；53-支撑轴承；

200-大腿组件；300-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三自由度驱动机构100进行说明。

请参阅图1，在本发明的其中一个实施例中，三自由度驱动机构100包括u形连接件4、旋转机构1、侧摆机构2和前摆机构3。u形连接件4具有u形空间，且u形连接件4包括u形底部43以及分别连接于u形底部43两侧的两个u形侧部。旋转机构1的旋转输出轴14连接于u形连接件4的u形底部43，可以驱动u形连接件4旋转，u形连接件4带动侧摆机构2和前摆机构3一同旋转。侧摆机构2固定于其中一个u形侧部上，且侧摆机构2设置于u形侧部的背向u形空间的一侧，即设置于u形连接件4的外侧，侧摆机构2在工作时可以带动前摆机构3及连接于前摆机构3的大腿组件200侧摆。前摆机构3设于u形连接件4的u形空间内，前摆机构3转动连接于u形侧部，且由侧摆机构2的侧摆输出轴伸入u形空间内驱动前摆机构3侧摆。前摆机构3的前摆输出轴用于连接大腿组件200等结构，可以驱动大腿组件200前摆。需要说明的是，前摆机构3的前摆输出轴不限于连接大腿组件200，以下阐述中，前摆机构3的前摆输出轴所连接的结构均以大腿组件200为例。旋转机构1的旋转输出轴14、侧摆机构2的侧摆输出轴、前摆机构3的前摆输出轴两两呈夹角设置，使旋转机构1、侧摆机构2和前摆机构3能够实现大腿组件200在三个方向上的转动。当该三自由度驱动机构100应用于髋关节中时，旋转机构1可以实现大腿组件200的旋转，侧摆机构2可以实现大腿组件200的侧摆，前摆机构3可以实现大腿机构的前摆，从而将三个自由度集成于u形连接件4上。

上述实施例中的三自由度驱动机构100，包括u形连接件4、旋转机构1、侧摆机构2和前摆机构3，旋转机构1连接于u形连接件4的u形底部43，侧摆机构2连接于u形连接件4的其中一个u形侧部，前摆机构3设于u形连接件4的u形空间内，使得旋转机构1、侧摆机构2和前摆机构3均集成于u形连接件4，在该三自由度驱动机构100应用于髋关节中时，可以分别实现大腿结构件的旋转运动、侧摆运动和前摆运动，驱动机构无需设置在大腿结构件上，均集成于髋关节处的u形连接件4上，可以提高机器人腿部的质心，减小腿部关节所需的驱动力。

可选地，旋转机构1的旋转输出轴14、侧摆机构2的侧摆输出轴、前摆机构3的前摆输出轴两两正交设置，使该三自由度驱动机构100为三自由度正交驱动机构，以实现大腿组件200的旋转运动、侧摆运动和前摆运动。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，旋转机构1包括旋转电机11、旋转编码器12、旋转减速器13和旋转输出轴14。旋转减速器13连接于旋转电机11且用于对旋转电机11减速，旋转编码器12用于检测旋转输出轴14的转动角度，并反馈至控制系统。旋转输出轴14中空设置，且由旋转减速器13的输出端驱动旋转，旋转减速器13、旋转电机11和旋转编码器12轴向依次设置在旋转输出轴14的外周，即旋转减速器13和旋转编码器12分别设置在旋转电机11的两端。旋转输出轴14空心设置，使得线缆可以从旋转机构1的中心穿过，线缆无需从外部穿过，可以更好的保护线缆，而且旋转机构1在工作时，线缆位于其转动中心，线缆不会在内部扭转。旋转电机11的具体结构此处不作限定。

可选地，旋转输出轴14包括空心轴141和旋转盘142，旋转盘142由空心轴141的一端径向向外旋转而成，旋转盘142靠近u形连接件4的u形底部43设置，旋转盘142的设置使得u形底部43更容易与旋转输出轴14固定连接。其中，旋转盘142可通过螺钉等紧固件与u形底部43固定连接。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3，在u形连接件4中，u形底部43包括第一底层431和第二底层432，第一底层431和第二底层432的两侧呈弧形连接，使得第一底层431和第二底层432之间镂空设置，这样，一是可以增强u形底部43的强度，二是不会过度增加u形连接件4的重量，三是穿过旋转机构1的线缆可以从镂空空间处引出。其中，第一底层431设于u形连接件4的外侧，旋转输出轴14固定连接于第一底层431。

可选地，两个u形侧部分别为第一u形侧部41和第二u形侧部42，第一u形侧部41开设有第一安装孔410，前摆机构3的两端架设于第一u形侧部41和第二u形侧部42之间。第一u形侧部41开设有第一安装孔410，侧摆机构2可以从第一安装孔410伸入u形空间内，且与前摆机构3连接，从而驱动前摆机构3相对u形连接件4旋转。可选地，前摆机构3转动连接于第一安装孔410中；或者，前摆机构3的舵机框架31延伸至第一安装孔410内，且转动连接于第一u形侧部41；或者，前摆机构3的舵机框架31通过支撑组件5转动连接于第一u形侧部41。第二u形侧部42开设有第二安装孔420，第二安装孔420内设有支撑组件5，前摆机构3通过支撑组件5转动连接于第二u形侧部42。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图4，侧摆机构2包括侧摆舵机21、侧摆减速器23和传动组件22，侧摆舵机21和侧摆减速器23均固定于第一u形侧部41，且侧摆减速器23的输出端伸入第一安装孔410且与前摆机构3连接，从而驱动前摆机构3进行侧摆运动。传动组件22用于连接侧摆舵机21和侧摆减速器23，从而将侧摆机构2的动力部分和减速部分分离设置，可以减小侧摆舵机21的轴向长度。其中，侧摆机构2的侧摆输出轴为侧摆减速器23的输出轴。

可选地，传动组件22为带轮组件，传动组件22包括第一带轮221、第二带轮222和同步带223，第一带轮221的轮心与侧摆舵机21的输出轴固定连接，第二带轮222的轮心与侧摆减速器23的输入轴固定连接，同步带223绕设于第一带轮221和第二带轮222上，在侧摆舵机21工作时，第一带轮221旋转，通过同步带223带动第二带轮222旋转，从而使侧摆减速器23工作，驱动前摆机构3转动。在其他实施例中，传动组件22也可为链轮组件、齿轮组件等。传动组件22还包括张紧轮224，张紧轮224紧贴于同步带223设置，从而可以张紧同步带223，防止同步带223在工作时滑移。其中，张紧轮224转动连接于侧摆减速器23的外表面，这样，张紧轮224不会额外占用u形连接件4的安装空间，直接连接于侧摆减速器23上，使得三自由度驱动机构100的集成度更高。

可选地，侧摆减速器23的外表面可拆卸连接有调节板24，调节板24和张紧轮224设于侧摆减速器23的同一个端面，张紧轮224转动连接于调节板24上，通过改变调节板24的位置，可以改变张紧轮224的位置，调节同步带223的松紧程度，便于后期对带轮组件的维护。其中，调节板24可通过螺钉、螺栓等调节紧固件25固定于减速器上，使得调节板24方便拆卸。

请参阅图4，侧摆减速器23的表面开设有多个调节孔230，多个调节孔230以侧摆减速器23的中心为中心周向分布，调节板24上开设有弧形槽240，弧形槽240的中心轴和侧摆减速器23的中心轴重合设置，使弧形槽240也以侧摆减速器23的中心为中心周向延伸设置，而且弧形槽240和部分调节孔230相正对，使调节紧固件25穿过弧形槽240并连接于调节孔230，从而将调节板24固定于侧摆减速器23上。调节板24可沿调节孔230的周向排布方向移动自身的位置，相应地，张紧轮224也可随调节板24移动，以改变同步带223的松紧度。调节板24的外廓也可呈弧形，其内部的弧形槽240使调节板24呈环状，尽可能地缩减调节板24所需的材料，减轻调节板24的重量。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图5，侧摆舵机21包括侧摆电机211、固定于侧摆电机211一端的侧摆编码器212以及盖设于侧摆编码器212上的编码器盖213。侧摆电机211包括电机外壳2111、定子2112、转子2113以及转轴组件2114，定子2112、转子2113和转轴组件2114设于电机外壳2111内，定子2112固定于电机外壳2111，转子2113设于定子2112的内部，侧摆电机211在工作时，定子2112产生励磁磁场，在励磁磁场的作用下驱动转子2113旋转。转轴组件2114与转子2113固定连接，通过转轴组件2114输出侧摆电机211的旋转运动。电机外壳2111包括筒状周壁21111和电机端盖21112，电机端盖21112固定于筒状周壁21111的一端，侧摆编码器212固定于该电机端盖21112的外侧。

可选地，筒状周壁21111的内壁具有内筒部21114，且筒状周壁21111背向电机端盖21112的一端和内筒部21114背向电机端盖21112的一端通过环形盖21113连接。转轴组件2114包括电机轴21141、转接轴21142和侧摆轴承21143，电机轴21141与转子2113固定连接，且电机轴21141设于内筒部21114的外部，转接轴21142和侧摆轴承21143设于内筒部21114的内部，无需设于转轴组件2114的两端，可以使电机的整体结构更加紧凑。转接轴21142的一端伸出内筒部21114与电机轴21141固定连接，另一端连接于传动组件22。侧摆轴承21143用于支撑转接轴21142，侧摆轴承21143的外圈与内筒部21114的内壁过盈配合，侧摆轴承21143的内圈与转接轴21142的外壁过盈配合。侧摆轴承21143的数量可选为两个，两个侧摆轴承21143之间设有用于止挡侧摆轴承21143内圈的内挡圈21144以及用于止挡侧摆轴承21143外圈的外挡圈21145。内筒部21114背向侧摆编码器212一端的开口处还可盖设轴承端盖21115，用于在轴向方向上止挡侧摆轴承21143，转接轴21142穿过轴承端盖21115与传动组件22连接。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图8，前摆机构3包括舵机框架31、前摆电机32、前摆编码器33和前摆减速器34。舵机框架31的其中一侧连接于侧摆减速器23，且由侧摆减速器23驱动旋转，舵机框架31的另一侧通过支撑组件5转动连接于第二u形侧部42，使前摆机构3被支撑于两个u形侧部之间。前摆电机32固定于舵机框架31内，前摆编码器33连接于前摆电机32的其中一端，前摆减速器34连接于前摆电机32的另外一端，且大腿组件200可连接于前摆减速器34，由前摆减速器34带动前摆。前摆编码器33可设于舵机框架31内，无需在前摆编码器33处设置编码器盖213，可以减少结构件的数量。前摆减速器34可设于舵机框架31的内部，也可设于舵机框架31的外部。前摆机构3的前摆输出轴为前摆减速器34的输出轴。前摆电机32可选为与侧摆电机211的结构相同，前摆电机32的具体结构此处不再赘述。

其中，旋转编码器12、侧摆编码器212和前摆编码器33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。旋转减速器13、侧摆减速器23和前摆减速器34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。

请参阅图6，支撑组件5包括外圈组件51、内圈组件52和支撑轴承53。外圈组件51固定在第二u形侧部42上，内圈组件52与前摆机构3固定连接，支撑轴承53设于内圈组件52和外圈组件51之间，以实现前摆机构3与u形连接件4的转动连接。外圈组件51固定在第二安装孔420周圈，外圈组件51与第二u形侧部42共同形成第一环槽510，外圈组件51上也可直接形成第一环槽510。内圈组件52则具有第二环槽520。支撑轴承53的外圈设于第一环槽510内，支撑轴承53的内圈设于第二环槽520内，使得内圈组件52能够相对外圈组件51旋转，从而实现前摆舵机相对u形连接件4的旋转。

可选地，请参阅图6，外圈组件51包括外圈本体511和第一紧固件512，外圈本体511固定于第二u形侧部42上，第一紧固件512用于将外圈本体511固定在第二u形侧部42上。外圈本体511可固定在第二u形侧部42的背向u形空间一侧，且固定于第二安装孔420的周圈，外圈本体511具有伸入第二安装孔420内的第一凸缘5111，第二安装孔420靠近前摆机构3的一侧径向延伸有第二凸缘421，第一凸缘5111的侧面、第二安装孔420的内壁、第二凸缘421的侧壁共同形成第一环槽510。内圈组件52包括第一内圈521、第二内圈522和第二紧固件523，第二紧固件523可将第一内圈521和第二内圈522相互固定，第二内圈522的表面具有环形台阶5221，第一内圈521面向第二内圈522的一侧与环形台阶5221共同组成第二环槽520，第一环槽510和第二环槽520相正对，以容纳支撑轴承53，且对支撑轴承53的外圈和内圈均具有止挡作用。在其他实施例中，内圈组件52仅包括第一内圈521和第二内圈522，且第一内圈521和第二内圈522一体成型，第一内圈521或者第二内圈522上具有第二环槽520。第一紧固件512和第二紧固件523可为螺钉、销钉等紧固件。

请参阅图7，舵机框架31呈筒状，且舵机框架31的外周面上凸起设有两个凸台311，其中一个凸台311用于与侧摆减速器23连接，另一个凸台311用于与支撑组件5连接，具体可选为与支撑组件5的第二内圈522固定连接。舵机框架31可呈镂空状，一是可以减轻舵机框架31的重量，二是使前摆电机32更容易散热。

本发明还提供一种机器人，请参阅图9，机器人包括上述任一实施例中的三自由度驱动机构100，还包括大腿组件200，大腿组件200连接于前摆机构3的前摆输出轴，使得大腿组件200能够进行旋转运动、侧摆运动和前摆运动。旋转机构1、侧摆机构2和前摆机构3均集成于u形连接件4，可以提高机器人腿部的质心，减小腿部关节所需的驱动力。机器人还包括小腿组件300，小腿组件300转动连接于大腿组件200。

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。

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