关节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，是涉及一种关节驱动机构及机器人。

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关节驱动机构及机器人，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：提供一种关节驱动机构，包括u形连接件、驱动电机、减速器以及传动连接所述驱动电机和所述减速器的传动组件，所述u形连接件围成一个用于容纳外部结构的u形空间，所述u形连接件包括两个侧部以及连接两个所述侧部的u形底部，所述驱动电机和所述减速器均固定于同一个所述侧部的背向所述u形空间的表面。

在一个实施例中，所述传动组件为带轮组件，所述带轮组件包括连接于所述驱动电机的第一带轮、连接于所述减速器的第二带轮以及绕设于所述第一带轮和所述第二带轮的同步带。

在一个实施例中，所述带轮组件还包括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减速器的外表面。

在一个实施例中，所述减速器的外表面可拆卸连接有用于调节所述张紧轮位置的调节板，所述张紧轮转动连接于所述调节板。

在一个实施例中，所述关节驱动机构还包括用于将所述调节板固定于所述减速器的紧固件，所述减速器的表面开设有多个沿其中心周向分布的连接孔，所述调节板开设有弧形槽，所述弧形槽的中心轴与所述减速器中心轴重合设置，所述紧固件穿过所述弧形槽且连接于所述连接孔。

在一个实施例中，固定有所述驱动电机和所述减速器的所述侧部为第一侧部，另一个所述侧部为第二侧部，所述第一侧部包括连接于所述u形底部的第一安装部以及连接于所述第一安装部的第二安装部，所述第一安装部具有用于容纳所述驱动电机的电机腔，所述第二安装部开设有供所述减速器伸入的安装孔。

在一个实施例中，所述第二安装部的远离所述第一安装部具有弧形表面，所述弧形表面与所述安装孔同心设置，且所述第一安装部的弧形表面开设有沿其径向贯穿所述第一安装部的镂空孔。

在一个实施例中，所述驱动电机包括电机壳体、驱动所述传动组件的转轴组件、设于所述转轴组件外周的转子、设于所述转子外周的定子以及用于检测所述转轴组件旋转角度的编码器，所述转轴组件、所述转子和所述定子均设于所述电机壳体内。

在一个实施例中，所述驱动电机还包括编码器盖，所述编码器设于所述电机壳体的远离所述传动组件的一侧，所述编码器盖盖设于所述编码器且固定于所述电机壳体。

本发明还提供一种机器人，包括上述的关节驱动结构，还包括连接于所述减速器的大腿组件，所述大腿组件的一端设于所述u形空间内。

本发明提供的关节驱动机构及机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明关节驱动机构包括u形连接件、驱动电机、减速器以及传动组件，驱动电机通过传动组件带动减速器转动，u形连接件围成一个用于容纳外部结构的u形空间，减速器可带动该外部结构转动，如实现髋关节的侧摆运动，通过将驱动电机和减速器设置在u形连接件的同一个侧部的外表面，使得该关节驱动机构和外部结构可以共用同一个u形连接件，可以将关节驱动结构直接设置在髋关节处，结构更加紧凑，无需将关节驱动结构设置在大腿结构件上，可以提高关节驱动结构的质心，减小机器人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驱动机构的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的关节驱动机构的主视图；

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驱动电机的剖视图；

图5为本发明实施例提供的机器人的腿部的立体结构图。

其中，图中各附图标记：

100-关节驱动机构；1-u形连接件；11-第一侧部；111-第一安装部；1110-电机腔；1111-第一固定孔；112-第二安装部；1120-安装孔；1121-镂空孔；1122-第三固定孔；1123-连接筋；12-第二侧部；120-第二通孔；13-u形底部；130-第一通孔；2-驱动电机；21-电机壳体；211-壳本体；2111-筒体；2112-连接耳；212-第一端盖；213-第二端盖；22-定子；23-转子；24-转轴组件；241-电机轴；242-转接轴；243-轴承；244-内挡圈；245-外挡圈；25-编码器；26-编码器盖；3-传动组件；31-第一带轮；32-第二带轮；33-同步带；34-张紧轮；4-减速器；40-连接孔；5-调节板；50-弧形槽；6-紧固件；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关节驱动机构100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，关节驱动机构100包括u形连接件1、驱动电机2、传动组件3以及减速器4。传动组件3传动连接于驱动电机2和传动组件3之间，驱动电机2的输出轴带动传动组件3工作，传动组件3带动减速器4工作。u形连接件1围成有一个容纳外部结构的u形空间，减速器4的输出端能够带动该外部结构转动。例如，该关节驱动机构100应用于髋关节中时，可带动腿部结构摆动。u形连接件1包括两个侧部和连接两个侧部的u形底部13，驱动电机2和减速器4均固定于同一个侧部的外表面，从而可以将关节驱动机构100集成于同一个侧部上，当关节驱动机构100应用于髋关节时，则可以直接集成于髋关节，无需设置在大腿结构件上，能够提高关节驱动机构100的质心。需要说明的是，侧部的外外表面为侧部背向u形空间的表面。这样，减速器4的输出轴可由侧部的外表面伸入u形空间内，驱动外部结构转动。

上述实施例中的关节驱动机构100，包括u形连接件1、驱动电机2、传动组件3以及减速器4，驱动电机2通过传动组件3带动减速器4转动，u形连接件1围成一个用于容纳外部结构的u形空间，减速器4可带动该外部结构转动，如实现髋关节的侧摆运动，通过将驱动电机2和减速器4设置在u形连接件1的同一个侧部的外表面，使得该关节驱动机构100和外部结构可以共用同一个u形连接件1，可以将关节驱动机构100直接设置在髋关节处，结构更加紧凑，无需将关节驱动机构100设置在大腿结构件上，可以提高关节驱动机构100的质心，减小机器人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1及图2，传动组件3为带轮组件，带轮组件的质量较轻，占用的空间较小，可以在驱动电机2和减速器4之间传递动力。带轮组件包括第一带轮31、第二带轮32和同步带33，第一带轮31的轮心与驱动电机2的转轴固定连接，第二带轮32的轮心与减速器4的输入轴固定连接，同步带33绕设于第一带轮31和第二带轮32上，在驱动电机2工作时，第一带轮31旋转，通过同步带33带动第二带轮32旋转，从而使减速器4工作，驱动外部结构转动。在其他实施例中，传动组件3也可为链轮组件、齿轮组件等。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，传动组件3为带轮组件，带轮组件包括第一带轮31、第二带轮32和同步带33，还包括张紧轮34，张紧轮34紧贴于同步带33设置，从而可以张紧同步带33，防止同步带33在工作时滑移。其中，张紧轮34转动连接于减速器4的外表面，这样，张紧轮34不会额外占用u形连接件1的安装空间，直接连接于减速器4上，使得关节驱动机构100的集成度更高。

可选地，减速器4的外表面可拆卸连接有调节板5，调节板5和张紧轮34设于减速器4的同一个端面，张紧轮34转动连接于调节板5上，通过改变调节板5的位置，可以改变张紧轮34的位置，调节同步带33的松紧程度，便于后期对带轮组件的维护。其中，调节板5可通过螺钉、螺栓等紧固件6固定于减速器4上，使得调节板5方便拆卸。

请参阅图2，减速器4的表面开设有多个连接孔40，多个连接孔40以减速器4的中心为中心周向分布，调节板5上开设有弧形槽50，弧形槽50的中心轴和减速器4的中心轴重合设置，使弧形槽50也以减速器4的中心为中心周向延伸设置，而且弧形槽50和部分连接孔40相正对，使紧固件6穿过弧形槽50并连接于连接孔40，从而将调节板5固定于减速器4上。调节板5可沿连接孔40的周向排布方向移动自身的位置，相应地，张紧轮34也可随调节板5移动，以改变同步带33的松紧度。调节板5的外廓也可呈弧形，其内部的弧形槽50使调节板5呈环状，尽可能地缩减调节板5所需的材料，减轻调节板5的重量。

可选地，减速器3可为谐波减速器、rv减速器、行星减速器、摆线针轮减速器等。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3，固定有驱动电机2和减速器4的侧部为第一侧部11，另一个侧部为第二侧部12。第一侧部11包括第一安装部111和第二安装部112，第一安装部111连接于u形底部13，第二安装部112连接于第一安装部111。第一安装部111具有电机腔1110，使驱动电机2放置于电机腔1110内，驱动电机2可通过螺钉等固定于第一安装部111。第二安装部112开设有安装孔1120，减速器4伸入安装孔1120内，减速器4固定于第二安装部112上。如此，使得驱动电机2和减速器4均固定在第一侧部11上。

可选地，u形底部13上开设有第一通孔130，便于其他驱动机构固定于u形底部13，并驱动该关节驱动机构100转动。第二侧部12上开设有第二通孔120，便于安装轴承等用于支撑外部结构转动的结构。

可选地，第二安装部112背向第一安装部111的一侧具有弧形表面，弧形表面与安装孔1120同心设置，使得第二安装部112部分背向第一安装部111的一侧呈环形，尽可能地减小第一安装部111的体积，使关节驱动机构100集成度更高。弧形表面还还设有沿其径向贯穿第一安装部111的镂空孔1121，镂空孔1121的设置可以减小第一侧部11的重量，为了保持第一侧部11的强度，镂空孔1121的数量可呈多个，相邻的镂空孔1121之间具有连接筋1123，放置镂空孔1121过大而过度降低第一侧部11的强度。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图4，驱动电机2包括电机壳体21、转轴组件24、转子23、定子22和编码器25。转轴组件24、转子23和定子22均设于电机壳体21内，转轴组件24的一端伸出电机壳体21，并与传动组件3的第一带轮31固定连接。转子23设于转轴组件24的外周，且编码器25连接于转轴组件24，可以通过记录转轴组件24的转动角度。定子22固定于电机壳体21的内壁，且设于转子23的外周。定子22通电时产生励磁磁场，驱动转子23和转轴组件24旋转。

可选地，转轴组件24包括固定于转子23的电机轴241、转接轴242以及支撑于转接轴242外周的轴承243。转接轴242的其中一端伸出电机壳体21，且与传动组件3的第一带轮31固定连接，转接轴242的另一端与电机轴241固定连接，电机轴241还与编码器25连接，使编码器25能够检测转轴组件24的旋转角度。电机壳体21包括壳本体211、盖设于壳本体211一端的第一端盖212以及盖设于壳本体211另外一端的第二端盖213，第一端盖212靠近传动组件3设置，第二端盖213远离传动组件3设置。壳本体211的靠近第一端盖212一端向内部轴向延伸形成筒体2111，第一端盖212盖设于筒体2111的开口处，转接轴242和轴承243均设于该筒体2111内，轴承243的内圈过盈配合于转接轴242的外壁，轴承243的外周过盈配合于筒体2111的内壁，轴承243通过该种布局方式，无需设置在驱动电机2的两端，也能够对转接轴242进行支撑，可以减小驱动电机2的轴向长度，从而尽可能地减小关节驱动机构100占用的体积。轴承243的个数可为两个，两个轴承243之间设有用于轴向止挡轴承243内圈的内挡圈244和用于轴向止挡轴承243外圈的外挡圈245。

可选地，编码器25设于电机壳体21的外侧，可固定于第二端盖213上，编码器25上则盖设有编码器盖26，编码器盖26固定于第二端盖213。在其他实施例中，编码器25也可设置于电机壳体21的内部。编码器25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。

其中，请参阅图2，电机壳体21的壳本体211的外壁具有连接耳2112，第一安装部111上相应开设有第一固定孔1111，通过螺钉等穿过连接耳2112并连接于第一固定孔1111的孔壁，可以将驱动电机2固定在第一安装部111上。减速器4上开设有多个周向设置的第二固定孔，第二安装部112上开设有多个第三固定孔1122，通过螺钉穿过第二固定孔并连接于第三固定孔1122的孔壁，可以将减速器4固定于第二安装部112上。

本发明还提供一种机器人，请参阅图5，包括上述任一实施例中的关节驱动结构，还包括由减速器4驱动的大腿组件200以及转动连接于大腿组件200的小腿组件300，上述实施例中的外部结构可为大腿组件200，关节驱动机构100可以实现大腿组件200的侧摆运动。通过将驱动电机2和减速器4设置在u形连接件1的同一个侧部的外表面，使得该关节驱动机构100和大腿组件200可以共用同一个u形连接件1，可以将关节驱动机构100直接设置在髋关节(u形连接件1)处，结构更加紧凑，无需将关节驱动机构100设置在大腿组件200上，可以提高关节驱动机构100的质心，减小机器人腿部所需的关节驱动力。

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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