关节连杆驱动机构及机器人的制作方法

2021-02-07 21:02:35|

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本发明属于智能机器技术领域，更具体地说，是涉及一种关节连接驱动机构及机器人。

背景技术：

在机器人领域，尤其是仿人型双足机器人的步态行走方面，腿部的重量分配是一个重要的指标。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，例如膝关节的驱动机构通常是直接放置在膝关节处，再如脚踝的驱动机构通常直接放置在脚踝处，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关节连杆驱动机构及机器人，以解决现有技术中存在的腿部质心较低、腿部所需的关节驱动力较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种关节连杆驱动机构，包括：

第一转动结构件；

关节舵机，设于所述第一转动结构件的中部，且用于驱动所述第一转动结构件旋转；

第二转动结构件，转动连接于所述第一转动结构件；以及

连杆组件，所述连杆组件的一端转动连接于所述关节舵机的表面，所述连杆组件的另一端转动连接于所述第二转动结构件；

与所述关节舵机的旋转输出轴垂直的平面为参考平面，所述关节舵机的旋转输出轴在所述参考平面上的投影点、所述连杆组件与所述关节舵机连接处的转动轴在所述参考平面上的投影点、所述连杆组件与所述第二转动结构件连接处的转动轴在所述参考平面上的投影点、所述第一转动结构件和所述第二转动结构件连接处的转动轴在所述参考平面上的投影点依次连接成四边形。

在一个实施例中，所述第一转动结构件具有用于放置所述关节舵机的舵机腔，所述舵机腔具有供所述关节舵机放入的安装开口，所述舵机腔与所述安装开口正对的底壁用于与所述舵机腔的所述关节舵机的旋转输出轴固定连接。

在一个实施例中，所述关节舵机的外周向外延伸形成有延伸端，所述连杆组件转动连接于所述延伸端，所述第一转动结构件开设有用于在安装所述关节舵机时避让所述延伸端的避让口，所述避让口与所述安装开口连通设置。

在一个实施例中，所述避让口处盖设有补强板，所述补强板固定于所述第一转动结构件上。

在一个实施例中，所述安装开口处设有用于支撑所述关节舵机的支撑组件，所述支撑组件包括第一轴承、固定于所述安装开口处的轴承外座、固定于所述轴承外座的轴承外圈压环、固定于所述关节舵机的轴承内座以及固定于所述轴承内座的轴承内圈压环，所述轴承外座和所述轴承外圈压环之间具有用于止挡所述第一轴承外圈的相对两侧的第一环槽，所述轴承内座和所述轴承内圈压环之间具有用于止挡所述第一轴承内圈的相对两侧的第二环槽。

在一个实施例中，所述第一转动结构件上还具有安装平面，所述安装平面上固定有控制板。

在一个实施例中，所述连杆组件与所述关节舵机连接的一端设有球状轴承，所述连杆组件通过所述球状轴承与所述关节舵机转动连接。

在一个实施例中，所述第一转动结构件和所述第二转动结构件通过转轴组件转动连接，所述转轴组件包括穿设于所述第一转动结构件和所述第二转动结构件的转轴本体、设于所述转轴本体外周的第二轴承、用于止挡所述第二轴承外圈的外挡圈和用于止挡所述第二轴承内圈的内挡圈。

在一个实施例中，所述第一转动结构件的端部具有两个平行且间隔设置的支撑部，所述第二转动结构件部分伸入两个所述支撑部之间，所述转轴本体依次穿过其中一个所述支撑部、所述第二转动结构件及另外一个所述支撑部，所述转轴本体的两端均设有所述第二轴承、所述外挡圈及所述内挡圈，所述第二轴承设于所述转轴本体和所述支撑部之间。

本发明还提供一种机器人，包括上述的关节连杆驱动机构。

本发明提供的关节连杆驱动机构及机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明关节连杆驱动机构包括第一转动结构件、关节舵机、第二转动结构件和连杆组件，关节舵机驱动第一转动结构件转动，第二转动结构件转动连接于第一转动结构件，连杆组件的两端分别转动连接于关节舵机和第二转动结构件，第一转动结构件转动时可以通过与连杆组件的配合带动第二转动结构件稳定转动，当该关节连杆驱动机构应用在腿部结构中时，第一转动结构件相当于大腿结构件，第二转动结构件相当于小腿结构件，关节舵机设置在大腿结构件的中部，既可以带动膝关节的转动，又无需将关节舵机设于大腿结构件和小腿结构件的连接处，可以提高机器人腿部的质心，减小腿部所需的关节驱动力。

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连杆驱动机构的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的关节连杆驱动机构的侧视图；

图3为本发明实施例提供的第一转动结构件的立体结构图；

图4为本发明实施例提供的关节连杆驱动机构于关节舵机处的剖视图；

图5为本发明实施例提供的关节舵机的立体结构图；

图6为本发明实施例提供的关节舵机的剖视图；

图7为本发明实施例提供的连杆组件的剖视图；

图8为本发明实施例提供的第一转动连接件和所述第二转动连接件连接处的剖视图。

其中，图中各附图标记：

1-第一转动结构件；101-舵机腔；102-安装开口；103-避让口；11-安装平面；12-支撑部；13-补强板；14-控制盖；2-关节舵机；21-电机；22-减速器；23-编码器；24-控制组件；25-关节后盖；26-延伸端；261-第一连接部；3-连杆组件；31-连杆本体；32-球状轴承；33-连杆接头；34-销轴组件；341-销轴本体；342-销轴螺栓；4-第二转动结构件；41-第二连接部；5-支撑组件；51-轴承外座；510-第一环槽；52-轴承外圈压环；53-轴承内圈压环；530-第二环槽；54-轴承内座；55-第一轴承；6-转轴组件；61-转轴本体；62-外挡圈；63-内挡圈；64-第二轴承。

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连杆驱动机构进行说明。

请参阅图1及图2，在本发明的其中一个实施例中，关节连杆驱动机构包括第一转动结构件1、第二转动结构件4、关节舵机2和连杆组件3，关节舵机2设于第一转动结构件1的中部且用于驱动第一转动结构件1旋转，第一转动结构件1的一端转动连接于第二转动结构件4，连杆组件3的两端分别转动连接于关节舵机2和第二转动结构件4。在关节舵机2工作时，第一转动结构件1转动，第一转动结构件1的转动同时带动第二转动结构件4和连杆组件3旋转，使该关节连杆驱动形成四杆机构，从而使设于第一转动结构件1中部的关节舵机2能够驱动第二转动结构件4，而无需将关节舵机2设置在第一转动结构件1和第二转动结构件4的连接处。更具体地，假设与关节舵机2的旋转输出轴垂直的平面为参考平面，关节舵机2旋转输出轴在参考平面上的投影点a、连杆组件3与关节舵机2连接处的转动轴在参考平面上的投影点b、连杆组件3与第二转动结构件4连接处的转动轴在参考平面上的投影点c、第一转动结构件1和第二转动结构件4连接处的转动轴在参考平面上的投影点d依次连接呈四边形，使该关节连杆驱动机构呈四杆机构。其中，连杆ab为固定杆，在a点的关节舵机2工作时，连杆ad、cd、bc均随之转动，这样，关节舵机2设置在第一转动结构件1的中部，也可以带动连杆ad转动，即可以带动第二转动结构件4转动。例如，当该关节连杆驱动机构应用于机器人的腿部结构时，第一转动结构件1为大腿结构件，第二转动结构件4为小腿结构件，关节舵机2设置在大腿结构件的中部，也可以带动小腿结构件旋转，而无需设置在大腿结构件和小腿结构件的连接处(膝关节处)，可以提高机器人腿部的质心。

上述实施例中的关节连杆驱动机构，包括第一转动结构件1、关节舵机2、第二转动结构件4和连杆组件3，关节舵机2驱动第一转动结构件1转动，第二转动结构件4转动连接于第一转动结构件1，连杆组件3的两端分别转动连接于关节舵机2和第二转动结构件4，第一转动结构件1转动时可以通过与连杆组件3的配合带动第二转动结构件4稳定转动，当该关节连杆驱动机构应用在腿部结构中时，第一转动结构件1相当于大腿结构件，第二转动结构件4相当于小腿结构件，关节舵机2设置在大腿结构件的中部，既可以带动膝关节的转动，无需将关节舵机2设于大腿结构件和小腿结构件的连接处，可以提高机器人腿部的质心，减小腿部所需的关节驱动力。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3，第一转动结构件1具有用于放置关节舵机2的舵机腔101，舵机腔101设于第一转动结构件1的中部。舵机腔101的侧壁可呈镂空状，可以减轻第一转动结构件1的重量。舵机腔101与关节舵机2的形状相适配，呈圆筒形，且舵机腔101的其中一端具有安装开口102，关节舵机2从安装开口102处装入舵机腔101中。舵机腔101与安装开口102正对的底壁与关节舵机2的旋转输出轴固定连接，使关节舵机2能够带动第一转动结构件1转动。

可选地，请参阅图4，关节舵机2的外周向外延伸形成有延伸端26，连杆组件3的一端铰接于延伸端26。为了使具有延伸端26的关节舵机2能够顺利安装至舵机腔101中，第一转动结构件1在舵机腔101的侧壁开设有避让口103，避让口103与安装开口102连通设置，使关节舵机2进入舵机腔101的同时，延伸端26通过避让口103移动至舵机腔101的中部。在其他实施例中，延伸端26与关节舵机2分体设置，第一转动结构件1可仅在舵机腔101的中部设置避让口，避让口不与安装开口102连通，在关节舵机2安装至舵机腔101之后，再将延伸端26穿过避让口固定至关节舵机2。

其中，在第一转动结构件1在舵机腔101的侧壁开设有与安装开口102连通设置的避让口103时，避让口103处盖设有补强板13，补强板13固定于第一转动结构件1上，且用于增加第一转动结构件1的强度，防止第一转动结构件1在避让口103处产生变形。其中，补强板13可呈弧形，通过螺钉等紧固件固定于第一转动结构件1上。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及3，第一转动结构件1上具有安装平面11，安装平面11上固定有控制板，控制板可用于控制机器人腿部结构各个舵机的运动，控制板设于第一转动结构件1上，可充分利用第一转动结构件1的安装空间，尽可能使机器人腿部结构小型化。控制板上盖设有控制盖14，用于保护控制板。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3至图5，安装开口102处设有支撑组件5，使关节舵机2背向其旋转输出轴一端支撑于安装开口102中。支撑组件5包括第一轴承55、轴承外座51、轴承外圈压环52、轴承内座54和轴承内圈压环53。轴承外座51固定于安装开口102内，轴承外圈压环52固定在轴承外座51上，轴承外圈压环52和轴承外座51之间具有第一环槽510，第一轴承55的外圈设于第一环槽510中，第一轴承55的外圈的两侧分别抵接于第一环槽510的两相对内壁，即轴承外座51的其中一个侧壁和轴承外圈压环52的其中一个侧壁。轴承内座54固定连接于关节舵机2，轴承内圈压环53固定连接于轴承内座54，轴承内圈压环53和轴承内座54之间具有第二环槽530，第一轴承55的内圈设于第二环槽530中，第一轴承55的内圈的两侧分别抵接于第二环槽530的两相对内壁，即轴承内座54的其中一个侧壁和轴承内圈压环53的其中一个侧壁。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图5及图6，关节舵机2包括电机21、用于减速的减速器22、用于检测电机21的角位移的编码器23以及用于控制电机21的控制组件24。可选地，控制组件24、编码器23、电机21以及减速器22沿关节舵机2的轴向依次排列，减速器22的输出端固定连接于舵机腔101的底壁。电机21的具体结构此处不作限定。编码器23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。减速器22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。

可选地，关节舵机2的背向减速器22一端设有关节后盖25，关节后盖25盖设在控制组件24上，且支撑组件5的轴承内座54可固定于关节后盖25上。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图7，连杆组件3与关节舵机2连接的一端设有球状轴承32，连杆组件3通过球状轴承32与关节舵机2转动连接。球状轴承32的设置使得连杆组件3即使相对参考平面偏转时，也能够相对关节舵机2转动，防止连杆组件3的端部被卡住。更具体地，连杆组件3包括连杆本体31、连接于连杆本体31一端的球状轴承32以及连接于连杆本体31另一端的连杆接头33。关节舵机2的延伸端26具有两个相互平行的第一连接部261，球状轴承32伸入第一连接部261设置，第二转动结构件4具有两个相互平行的第二连接部41，连杆接头33远离连杆本体31一端伸入两个第二连接部41之间设置。第一连接部261和球状轴承32、第二连接部41和连杆接头33均通过销轴组件34转动连接，以实现连杆组件3与关节舵机2的转动连接、连杆组件3与第二转动结构件4的转动连接。销轴组件34的具体结构此处不作限定，可包括销轴本体341以及固定于销轴本体341的销轴螺栓342。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图8，第一转动结构件1和第二转动结构件4通过转轴组件6转动连接，转轴组件6包括转轴本体61、第二轴承64、外挡圈62和内挡圈63。转轴本体61穿过第一转动结构件1和第二转动结构件4，第二轴承64支撑于转轴本体61的外周，外挡圈62用于止挡第二轴承64的外圈，内挡圈63用于止挡第二轴承64的内圈，使第一转动结构件1和第二转动结构件4通过第二轴承64转动连接。外挡圈62固定于转轴本体61的一端，内挡圈63夹设于第二转动结构件4和第二轴承64的内圈之间。

可选地，第一转动结构件1的端部具有两个平行且间隔设置的支撑部12，第二转动结构件4部分伸入两个支撑部12中，转轴本体61依次穿过其中一个支撑部12、第二转动结构件4和另一个支撑部12设置，第二轴承64、外挡圈62和内挡圈63的数量均为两个，均分别设置在转轴本体61的两端。第二轴承64设置于转轴本体61的端部，且外挡圈62固定于支撑部12中，内挡圈63夹设于第二轴承64的内圈和第二转动结构件4之间。在其他实施例中，第二转动结构件具有两个平行且间隔设置的支撑部，第一转动结构件一端伸入两个支撑部中，支撑部和第一转动结构件通过上述的转轴组件转动连接。

本发明还提供一种机器人，包括上述任一实施例的关节连杆驱动机构。第一转动结构件1中部的关节舵机2能够驱动第二转动结构件4，而无需将关节舵机2设置件第一转动结构件1和第二转动结构件4的连接处。当该关节连杆驱动机构应用在腿部结构中时，第一转动结构件1为大腿结构件，第二转动结构件4为小腿结构件，关节舵机2设置在大腿结构件的中部，既可以使小腿结构件转动(膝关节转动)，又无需将关节舵机2设于大腿结构件和小腿结构件的连接处，可以提高机器人腿部的质心，减小腿部所需的关节驱动力。

可选地，机器人还包括设于第一转动结构件1的远离第二转动结构件4一端的关节舵机2，从而可以驱动该关节连接驱动机构整体转动。

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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