二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体是一种二自由度旋转柔性差分驱动关节模块及差分齿轮系。本发明的二自由度旋转柔性差分驱动关节模块是一种结构紧凑且运动范围受限的机器人旋转关节模块，具有被动柔性、内在安全性和大力矩的特点，可以应用于大力矩作业场合、以及与人和谐相处的服务机器人的腰部、肩部和腕部。

背景技术：

传统的工业机器人通常在安全隔离的环境中完成作业任务，而服务型机器人则需要在人类正常生活环境中完成给定的任务。因此，除了具有完成任务所需的操作性能外，服务型机器人还需要有内在的安全性，确保在与人或环境碰撞时碰撞双方都不会受到伤害。另外，现有的机器人结构上常采用非模块化设计，给安装和维护带来了不便，很难实现机器人的产品化和市场化。

目前，国内外研究机构已经对机器人的腰部、机械臂等机构进行了详细深入地研究，主要有国内的哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化所等。目前，国外仿人机构的研究工作主要集中在欧美、日本的一些大学和研究机构。

针对目前现有的机器人有以下不足：

1)安全柔顺性，目前现有的机器人安全性均采用工业机器人的保护措施，如急停开关、安全磁力锁或增加力传感器配合阻抗控制策略。虽然从一定程度上降低了危险性，但仍存在不安全因素，如：当应用过程中受到冲击等。

2)不方便安装调试和维护。机器人在安装调试时，以及在以后的维护维修时，都需要对电路和机器人机构进行拆卸，采用机电分离的设计导致机器人零部件的互换性较差，维护不方便。

3)传统机器人关节通常采用串联驱动的方式，每个自由度均由一个电机驱动，增加了传动链的高度，使机器人重心提高，增加了系统的惯性，同时也影响了关节的动态性。

4)串联机构的误差是两个自由度关节误差的积累，最终将导致机构的误差放大。

研究可应用于服务型机器人之上的二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的意义在于：

1)提高机器人系统的柔顺安全性。传统机器人通常采用铰链或滑动关节连接刚性部件，而与之相反，自然界中能运动的东西大多是具有柔顺性，因此在机器人关节中加入柔性环节，一方面可以提高系统的性能，当机器人受到外部碰撞冲击时，柔性机构能够起到缓冲作用，从而提供安全性。另一方面柔性环节结构简单紧凑，可以通过较少的零件集合而成，成为柔性机器人显著的优点。

2)模块化设计，使机器人结构更加紧凑。传统机器人通常采用串联驱动的方式，每个自由度均由一个电机单独驱动，串联驱动使关节驱动电机和运动的传动链成为它前面关节驱动电机的负载，增加了电动机的负荷，增加了系统的惯性，同时也影响了关节的动态性。柔性差分复合旋转关节模块采用两个旋转驱动关节并联的形式来驱动锥齿轮差分机构，使结构更加紧凑，降低了传动链的高度，使机器人重心降低，提高了机器人的运动稳定性。

实现大力矩输出。在进行大负载作业的场合，通常需要机器人输出更大的力和力矩，而此时机器人的腰部和肩部往往是承载力和力矩比较大的地方，传统机器人只依靠单个驱动关节来承载。二自由度旋转柔性差分驱动关节模块是通过两个电机共同驱动负载，在纯俯仰或纯偏摆运动方向上实现了机器人大力矩输出，提高了机器人的承载能力。

应用于机器人特定部位。例如，将该二自由度旋转柔性差分驱动关节模块应用于机器人腰部，当机器人运动到指定位置，在不想改变或无法改变移动机构位姿的前提下，通过灵活的腰部运动，改变躯干部份的位姿，使得有更多、更好的手臂运动姿态可供选择，扩展了机器手臂的工作空间，也进一步增加手臂运动的灵活性与稳定性。

技术实现要素：

（一）要解决的技术问题

为了克服现有的机器人机构上存在的不足。本发明提供了一种新的二自由度旋转柔性差分驱动关节模块，该关节可以实现俯仰、偏摆以及复合运动，其中采用了等径锥齿轮差分耦合机构，一方面使关节整体结构更加紧凑，降低了机构的重心，另一方面可以实现俯仰或偏摆两个自由度的单独运动，又可以实现俯仰和偏摆的复合运动。另外，采用等径锥齿轮差分机构，其中，两个主动锥齿轮作为驱动齿轮，通过齿部啮合的传动方式驱动两个被动锥齿轮运动，被动锥齿轮作为输出件围绕轴线相交点做万向运动，因此被动锥齿轮并没有被固定支撑住，而处于悬空状态，仅由主动锥齿轮的啮合面进行支撑，这样导致重量和负载均作用在齿面上，长期会造成锥齿轮的磨损和失效。因此设计了一种十字交叉支撑块组装件，安装在四个锥齿轮中间，被动锥齿轮的受力将作用在十字交叉支撑块组装件上，十字交叉支撑块组装件将力传递给主动锥齿轮轮毂处，进而传递到外支撑壳体上，从而改善受力情况。

同时又在两个驱动关节上各增加了一个力矩弹性传递模块，使关节本身具有内在的被动柔性，在受到外部接触或受到外部冲击时产生缓冲，从而有效的保护受用者，并且该力矩弹性传递模块具有力矩测量功能。另外，由于等径锥齿轮差分耦合机构的特点是通过两个主动锥齿轮驱动两个被动锥齿轮，当被动锥齿轮组绕第一旋转轴或绕第二旋转轴转动时，输出力矩为单个旋转力矩（即：俯仰力矩或偏摆力矩），力矩大小为两个主动锥齿轮的力矩之和；当被动锥齿轮组同时绕两个旋转轴运动时（即：同时存在俯仰和偏摆运动），输出力矩为两个旋转力矩，力矩大小分别为两个主动锥齿轮的力矩之和与力矩之差，因此采用等径锥齿轮差分耦合机构能够实现大力矩输出，对于承载较大的部位，例如腰部或肩部，需要承受较大的自重以及外部负载，采用等径锥齿轮差分耦合机构能够满足腰部或肩部承载大的需求。

（二）技术方案

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种二自由度旋转柔性差分驱动关节模块，其设于第一部件和第二部件之间，用于实现二者之间的相对运动，其包括：

框架，与第一部件连接；

输出连杆，与第二部件连接；

差分齿轮系，具有相耦合的主动锥齿轮组和被动锥齿轮组，主动锥齿轮组与框架连接且可转动，被动锥齿轮组则与输出连杆连接，其中，主动锥齿轮组具有第一旋转轴，被动锥齿轮组具有第二旋转轴，第一旋转轴和第二旋转轴所在直线垂直相交，使得输出连杆能够连同被动锥齿轮组一起相对框架运动，输出连杆相对框架运动包括：输出连杆连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对框架俯仰运动，输出连杆绕第二旋转轴转动而相对框架偏摆运动，输出连杆在连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对框架俯仰运动的同时还绕第二旋转轴转动而相对框架偏摆的复合运动。

其中，差分齿轮系的主动锥齿轮组由相对设置的两个锥齿轮构成，差分齿轮系的被动锥齿轮组由相对设置的两个锥齿轮构成，且主动锥齿轮组的每个锥齿轮均与被动锥齿轮组的两个锥齿轮同时啮合，构成一个结构稳定的自支撑差分耦合结构。

其中，主动锥齿轮组的两个锥齿轮外形尺寸相同，以及被动锥齿轮组的两个锥齿轮外形尺寸相同，使得当主动锥齿轮组的两个锥齿轮等速同向转动时，输出连杆连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对框架俯仰运动；当主动锥齿轮组的两个锥齿轮等速异向转动时，输出连杆绕第二旋转轴转动而相对框架偏摆运动；当主动锥齿轮组的两个锥齿轮异速转动时，输出连杆在连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对框架俯仰运动的同时还绕第二旋转轴转动而相对框架偏摆的复合运动。

其中，被动锥齿轮组的两个锥齿轮其中之一与输出连杆连接并带动其运动，另一相对输出连杆空转。

其中，四个锥齿轮外形尺寸相同，并于同一平面上构成正方形框。

其中，差分齿轮系还具有支撑模块，支撑模块具有支撑轴和支撑块，支撑轴连接于输出连杆与被动锥齿轮组的锥齿轮之间，支撑块设于四个锥齿轮所围成的矩形框的内部并可转动的套设于支撑轴。

其中，支撑模块的支撑轴与输出连杆可拆卸地固定连接。

其中，主动锥齿轮组的锥齿轮的旋转轴延伸至支撑块，形成可旋转的支撑。

其中，差分齿轮系的主动锥齿轮组连接有一弹性模块，使差分齿轮系的主动锥齿轮组接受的是柔性驱动力的输入。

其中，弹性模块具有：

外壳件，内壁设有向内部延伸的卡掣凸块，

轮辐件，设于外壳件内部，轮辐件具有朝外延伸的卡掣板，

弹性件，设于外壳件的卡掣凸块与轮辐件的卡掣板之间，提供二者间力矩的弹性传递（例如，外壳件在输入轴的带动下旋转或具有旋转趋势时，其卡掣凸块通过压缩/拉伸弹性件将旋转运动或旋转趋势传递至轮辐件的卡掣板），以及

接受驱动力输入的输入轴和提供柔性输出的输出轴，二者之一与外壳件连接，另一与轮辐件连接。

其中，卡掣凸块的横截面整体呈扇形或扇环。

其中，弹性件靠近外壳件的内壁设置，以使弹性件尽量远离轮辐的旋转轴心。

其中，框架具有一对凸耳，输出连杆具有一对凸耳，二者的两对凸耳相互垂直的扣合，构成一容置空间，差分齿轮系设于该容置空间中。

其中，差分齿轮系的主动锥齿轮组的第一旋转轴支撑于框架的一对凸耳，差分齿轮系的被动锥齿轮组的第二旋转轴支撑于输出连杆的一对凸耳。

其中，差分齿轮系的主动锥齿轮组与框架之间通过驱动模块连接，作为二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的驱动力来源，驱动模块数量为两个，分别穿设于框架的两个凸耳，使驱动模块一部分位于框架的凸耳的内侧，一部分位于框架的凸耳的外侧（即驱动模块的第一外壳部位于框架的凸耳的内侧，第二外壳部位于框架的凸耳的外侧，二者的连接处位于框架的凸耳中。）。

其中，驱动模块提供的驱动力通过一组传动直齿轮组传递至差分齿轮系的主动锥齿轮组，该传动直齿轮组包括主动直齿轮和被动直齿轮，主动直齿轮接受驱动模块的驱动力，并耦合传递至被动直齿轮，传动直齿轮组的被动直齿轮相较主动直齿轮具有偏移的旋转轴线，传动直齿轮组位于框架的凸耳的外侧。

其中，传动直齿轮组的被动直齿轮的旋转轴线位于差分齿轮系的主动锥齿轮组的第一旋转轴所在直线，传动直齿轮组的主动直齿轮的旋转轴线与其平行，且两个驱动模块的传动直齿轮组的两个主动直齿轮的旋转轴线与传动直齿轮组的被动直齿轮的旋转轴线在框架的凸耳上的投影点构成一个三角形的三个顶点。

其中，差分齿轮系的支撑模块的支撑轴两端形成外六角轴，与固定于输出连杆的一对凸耳的法兰盘的内六角孔相配合，差分齿轮系的被动锥齿轮组的两个锥齿轮其中之一的外侧端面与法兰盘的端面固定连接，另一个锥齿轮通过轴承与差分齿轮系的支撑模块的支撑轴可旋转的连接。

其中，差分齿轮系的被动锥齿轮组的两个锥齿轮中与法兰盘固定连接的锥齿轮，还与差分齿轮系的支撑模块的支撑轴通过键连接。

本发明还提供一种差分齿轮系，其设于第一部件和第二部件之间，用于实现二者之间的相对运动，其具有相耦合的主动锥齿轮组和被动锥齿轮组，主动锥齿轮组与第一部件框架连接且可转动，被动锥齿轮组则与第二部件连接，其中，主动锥齿轮组具有第一旋转轴，被动锥齿轮组具有第二旋转轴，第一旋转轴和第二旋转轴所在直线垂直相交，使得第二部件能够连同被动锥齿轮组一起相对第一部件运动，运动包括：第二部件连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对第一部件俯仰运动，第二部件绕第二旋转轴转动而相对第一部件偏摆运动，第二部件在连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对第一部件俯仰运动的同时还绕第二旋转轴转动而相对第一部件偏摆的复合运动。

其中，主动锥齿轮组由相对设置的两个锥齿轮构成，被动锥齿轮组由相对设置的两个锥齿轮构成，且主动锥齿轮组的每个锥齿轮均与被动锥齿轮组的两个锥齿轮同时啮合，构成一结构稳定的自支撑差分耦合结构。

其中，主动锥齿轮组的两个锥齿轮外形尺寸相同，以及被动锥齿轮组的两个锥齿轮外形尺寸相同，使得当主动锥齿轮组的两个锥齿轮等速同向转动时，第二部件连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对第一部件俯仰运动；当主动锥齿轮组的两个锥齿轮等速异向转动时，第二部件绕第二旋转轴转动而相对第一部件偏摆运动；当主动锥齿轮组的两个锥齿轮异速转动时，第二部件在连同被动锥齿轮组一起绕第一旋转轴转动而相对第一部件俯仰运动的同时还绕第二旋转轴转动而相对第一部件偏摆的复合运动。

其中，被动锥齿轮组的两个锥齿轮其中之一与第二部件连接并带动其运动，另一相对第二部件空转。

其中，四个锥齿轮外形尺寸相同，并于同一平面上构成正方形框。

其中，其还具有支撑模块，支撑模块具有支撑轴和支撑块，支撑轴连接于第二部件与被动锥齿轮组的锥齿轮之间，支撑块设于四个锥齿轮所围成的矩形框的内部并可转动的套设于支撑轴。

其中，支撑模块的支撑轴与第二部件可拆卸地固定连接。

其中，主动锥齿轮组的锥齿轮的旋转轴延伸至支撑块，形成可旋转的支撑。

（三）有益效果

本发明的有益效果是，二自由度旋转柔性差分驱动关节模块采用等径锥齿轮差分耦合结构，一方面使机构紧凑，降低了机构的重心，并且由两个驱动电机并排放置，共同驱动两个主动锥齿轮，实现了大力矩输出；另一方面可以实现俯仰或偏摆两个自由度的单独运动，又可以实现俯仰和偏摆的复合运动。同时又在两个驱动关节上又各增加了一个力矩弹性传递模块，使关节本身具有内在的被动柔性，在受到外部接触或受到外部冲击时产生缓冲，从而有效的保护受用者，提高了机器人系统的安全性，并且该力矩弹性传递模块具有力矩测量功能。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1所示为，二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的一种实施例的立体示意图（其中，a为具有输出连杆0800的示意图，b为a去除输出连杆0800之后的示意图）。

图2所示为图1中的二自由度旋转柔性差分驱动关节模块框架0100的一种实施例。

图3所示为驱动关节电路外壳0300的一种实施例。

图4所示为直齿正齿轮传动组0400的一种实施例。

图5所示为框架0100、驱动关节0200、驱动关节电路外壳0300和主动直齿正齿轮0401之间的一种连接结构立体示意图。

图6所示为框架0100、驱动关节0200、驱动关节电路外壳0300、主动直齿正齿轮0401和驱动关节0200的电路板0900之间的一种连接结构剖视示意图。

图7所示为力矩弹性传递模块0500与差分等径锥齿轮系0600的主动锥齿轮相连接的一种连接结构的立体示意图。

图8所示为力矩弹性传递模块0500与差分等径锥齿轮系0600的主动锥齿轮相连接的一种连接结构的剖视示意图。

图9所示为差分等径锥齿轮系的一种实施例（其中a为俯视图，b为立体图）。

图10所示为十字交叉支撑模块0700的一种实施例的立体示意图。

图11所示为十字交叉支撑模块0700的一种实施例的剖视示意图。

图12所示为输出连杆0800的一种实施例。

图13所示为差分等径锥齿轮系0600、十字交叉支撑模块0700和输出连杆0800之间的一种连接结构立体示意图。

图14所示为差分等径锥齿轮系0600、十字交叉支撑模块0700和输出连杆0800之间的一种连接结构剖视示意图。

图15所示为两个法兰连接件1000和1100的一种实施例（其中a为法兰连接件1000的立体图，b为法兰连接件1100的立体图）。

图16所示为驱动关节0200的一种实施例的剖视示意图。

图17所示为驱动关节0200的一种实施例的立体示意图。

【附图标记说明】

<本发明>

框架0100、底板0101、走线通孔0102、支撑板0103、支撑板0104、方形孔0105、螺纹孔0106、通孔0107，驱动模块0200、驱动模块输出轴0201、驱动模块输出轴支撑件0202、驱动模块端盖0203、右外壳0204、减速器0205、波发生器0205-1、钢轮0205-2、柔轮0205-3、左外壳0206、失电电磁制动器外壳0207、失电电磁制动器0208、位置检测模块0209、码盘传动轴0210、电机轴0211、电机0212，电路外壳0300、安装孔0301、电路接口孔0302、传感器走线孔0303，直齿正齿轮传动组0400、主动直齿正齿轮0401、从动直齿正齿轮0402，

力矩弹性传递模块0500、力矩弹性传递模块输入轴0501、编码器码盘轴0502、力矩检测模块0503、力矩检测模块固定座0504、扇形支撑块0505、弹性件0506、轮辐件0507、壳体件0508、固定法兰0509、支撑轴承0510、主动锥齿轮驱动轴0511、轴承挡圈0512，差分等径锥齿轮系0600、主动锥齿轮0601、主动锥齿轮0602、被动锥齿轮0603、被动锥齿轮0604，支撑模块0700、支撑轴0701、支撑块0702、轴承外挡圈0703、角接触球轴承0704、深沟球轴承0705，输出连杆0800、主体0801、安装部0802、减重孔0803、安装部0804、锥销孔0805、螺纹孔0806、安装部0807、锥销孔0808、螺纹孔0809，电路板0900、法兰连接件1000、法兰盘1001、内六角槽1002、销孔1003、螺纹孔1004、螺纹孔1005、销孔1006、法兰连接件1100、法兰盘1101、内六角槽1102、销孔1103、销孔1104。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。 应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，为了描述的方便，使用了一些方位词，例如上下左右等，这些方位词主要是根据相应视图的方向进行定义的。另外，还使用了内外等方位词，这些方位词主要是依据产品的内外进行定义的。

图1(a)，(b)所示为二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的一种实施例的立体示意图。如图1所示，本发明的二自由度旋转柔性差分驱动关节模块，其主要包括：框架0100、安装在该框架下方的两个驱动模块0200、驱动模块电路外壳0300、两对直齿正齿轮传动组0400、两个力矩弹性传递模块0500、差分等径锥齿轮系0600、十字交叉支撑模块0700、输出连杆0800和驱动模块电路板0900。

两个驱动模块0200分别通过法兰连接安装在二自由度旋转柔性差分驱动关节模块框架0100上，驱动模块0200的输出轴的轴线垂直于框架0100的支撑板（本实施例中为一对凸耳的形式），驱动模块电路外壳0300用于套在驱动模块0200上起到保护电路板0900的作用。驱动模块0200的输出轴与直齿正齿轮传动组0400的主动轮相连，并将动力和运动传递给力矩弹性传递模块0500，力矩弹性传递模块0500的输出与差分等径锥齿轮系0600的主动锥齿轮相连，差分等径锥齿轮系0600的输出通过被动锥齿轮传递给输出连杆0800来完成俯仰、偏摆或复合运动。

在上述二自由度旋转柔性差分驱动关节模块中，共具有两个驱动模块和一个躯干，两个驱动模块0200输出轴的旋转轴线相互平行，均垂直于框架0100的支撑板，两个旋转轴线所构成的平面平行于框架0100的底板。因此二自由度旋转柔性差分驱动关节模块共具有两个自由度，能够实现任意方向的运动。同时该二自由度旋转柔性差分驱动关节模块结构紧凑小巧，具有仿人友好性，使受用者更容易接受。

此外，上述二自由度旋转柔性差分驱动关节模块一方面从关节的角度出发，通过在关节处添加力矩弹性传递模块0500，使机构自身具有内在的被动柔性，在与受用者接触时或受到外部冲击时，产生缓冲，从而有效地保护受用者；另一方面利用阻抗控制技术使该二自由度旋转柔性差分驱动关节模块对非结构化 (未知)环境产生主动柔顺，使机器人可以安全地在工作空间内完成指定动作。综上两方面特性使二自由度旋转柔性差分驱动关节模块从根本上解决了安全性的问题。

下面，将结合附图通过实施例的方式对二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的各个组成部分进行详细说明。

二自由度旋转柔性差分驱动关节模块框架0100

图2所示为框架0100的一种实施例。如图2所示，框架0100包括一个底板0101和两个支撑板0103、0104。底板0101上开有固定螺丝用的通孔，用来与机器人上相应的连接部位相连接固定。底板0101中间位置开有一个走线通孔0102，例如可以为圆通孔，供电线穿过，以连接安装在底板的安装面上的多个电路板，机器人上的供电电线和信号线通过走线通孔0102走线到该二自由度旋转柔性差分驱动关节模块上。

框架0100上的两个支撑板0103、0104与底板0101相互垂直，两个支撑板0103、0104下方靠近底板0101的位置各开有一个方形孔0105和多个螺纹孔，分别用来固定两个驱动模块0200，同时方形孔0105旁边开有四个螺纹孔0106，用来固定驱动模块电路外壳0300；支撑板0103、0104上方开有一个通孔0107和多个螺纹孔，用来固定差分等径锥齿轮系0600的主动锥齿轮和力矩弹性传递模块0500，具体连接方式将在下文中详细讲述。

驱动模块0200

驱动模块0200与框架0100的支撑板0103、0104通过紧固件连接固定。

驱动模块0200包含有失电式电磁制动器0208、电机0212和减速器0205，驱动模块0200中不含有力矩弹性传递模块0500，二者是相分离的，力矩弹性传递模块0500在下文有所介绍。以下将对驱动模块0200作具体阐述说明。

图16所示为驱动模块0200的一种实施例的剖视示意图。 如图16所示，该驱动模块0200主要包括电机0212、与电机的输出端相连的减速器0205、与减速器0205输出端相连的驱动模块输出轴0201、与电机输出端相连的失电电磁制动器0208，以及位置检测模块0209。

电机0212优选采用具有中空的无框无刷电机，用于提供力矩。电机0212包括定子和转子，在定子的外面固定套接有电机外壳，通过电机壳体固定电机定子。电机外壳体上开有槽孔，供电机电线穿出。

为了拆装方便，电机外壳包括左外壳0206和右外壳0204两个部分，相互之间可以通过螺钉等紧固件连接，并在两个壳体的支撑处安装有电机轴轴承，用于支撑电机轴进行旋转运动。优选地，左外壳0206具有凸出的法兰部，螺钉等紧固件穿过该法兰部将左右外壳连接在一起。凸出的法兰部优选形成为方形，螺钉等紧固件连接于方形法兰的四个角部。

在左外壳0206的侧壁上加工有出线口，电机线通过该出线口引出以便连接到驱动模块0200用的电路板上。另外，左外壳0206的支撑处安装有电机轴轴承。同时在电机的右外壳0204的左端支撑处也安装有电机轴轴承，并通过轴承端盖压紧，电机轴0211由左外壳和右外壳的两处的轴承同时进行支撑，并通过这一对轴承由电机0212的转子带动电机轴0211进行转动，电机轴0211与电机的转子通过过盈配合进行压紧固定，具体的，电机转子具有大中心孔，电机轴0211通过紧配合的连接方式穿过电机转子，电机轴0211的一端连接减速器0205，另一端连接失电电磁制动器0208。电机轴0211优选地为中空轴，用于供码盘传动轴0210穿过该电机轴0211，将减速器0205的输出运动传递到模块左端的位置检测模块0209。电机轴0211左端具有直径缩小的轴段，该轴段与失电电磁制动器0208相连，失电电磁制动器0208用于当突然断电情况下锁住电机轴，起到保护硬件的作用。电机轴0211右端具有直径缩小的较长轴段，该轴段上具有键槽，与减速器0205的波发生器0205-1通过键连接来传递扭矩，轴的末端具有外螺纹，可以安装一个弹簧垫圈和螺母，起到对减速器0205的波发生器0205-1轴向定位的作用。

右外壳0204的右端支撑处安装有轴承，该轴承用于支撑驱动模块输出轴支撑件0202，仅通过一个轴承很难保证驱动模块输出轴运转的同轴度和平稳性，因此在右外壳0204的端面上固定一个驱动模块端盖0203，驱动模块端盖0203右端的支撑处安装有轴承，这样通过一对轴承来保证驱动模块输出轴运转的同轴度和平稳性。驱动模块端盖0203与右外壳0204的端面通过螺钉紧固件进行固定连接。

减速器0205可以为谐波减速器，电机轴0211与谐波减速器的波发生器相连，谐波减速器的柔轮与柔轮输出轴相连，柔轮输出轴穿过中空的电机轴并向外伸以连接到位置检测模块0209。减速器的柔轮0205-3、驱动模块输出轴支撑件0202及驱动模块输出轴0201三者通过紧固件连接在一起，最终由驱动模块输出轴0201通过键连接将运动和扭矩输出传递给直齿正齿轮0401。

码盘传动轴0210通过螺纹和螺母与驱动模块输出轴0201连接固定，驱动模块输出轴0201将旋转运动通过码盘传动轴0210传递给驱动模块后面的位置检测模块0209。位置检测模块0209优选使用增量式编码器，用于检测减速器柔轮输出轴或关节输出轴0201的实际转过的角度，前文有所介绍，不再赘述。位置检测模块0209的码盘通过紧定螺钉码盘传动轴0210上，编码器通过螺钉紧固件固定在失电电磁制动器外壳0207上。失电电磁制动器外壳0207右端具有凸出的法兰，使用螺钉紧固件与电机左外壳0206固定，同时失电电磁制动器外壳0207侧壁上加工有出线口，用于失电电磁制动器0208走线用。

所述驱动模块0200数量有两个且完全相同，分别安装布置在框架0100的两个支撑板的下部。

驱动模块电路外壳0300

图3所示为驱动模块电路外壳0300的一种实施例。如图3所示，驱动模块电路外壳0300包括安装孔0301、电路接口孔0302和传感器走线孔0303。该电路外壳0300可以空套在驱动模块0200上，并通过安装孔0301与框架0100的支撑板0103和0104相连接，以用来保护电路板0900。电路接头固定在电路接口孔0302用于电源和控制信号线的传输，其中电路板通过电路外壳端部侧壁上的电路接口孔0302与关节中的电机实现电连接。传感器走线孔0303设于电路外壳侧壁上，是用于力矩弹性传递模块0500中的力矩检测模块走线到驱动模块0200的电路板0900上。

直齿正齿轮传动组0400

图4所示为直齿正齿轮传动组0400的一种实施例。直齿正齿轮传动组0400包括两对一级传动直齿正齿轮，分别均布在框架0100的两侧，每对齿轮组包括一个主动直齿正齿轮0401和一个从动直齿正齿轮0402。直齿正齿轮传动组0400是用来将驱动关节0200的运动和动力传递给框架0100上方的力矩弹性传递模块0500，最终由力矩弹性传递模块0500驱动差分等径锥齿轮系0600。

直齿正齿轮传动组0400的主动直齿正齿轮0401与驱动模块0200的输出轴相连，连接方式采用键连接，并采用螺丝和挡圈做轴向端部固定。从动直齿正齿轮0402与力矩弹性传递模块0500的输入端相连，同样的，从动直齿正齿轮0402与力矩弹性传递模块0500的输入端采用键连接，端部使用螺丝和挡圈固定。由于存在加工和装配误差，导致齿轮传动的间隙增大，从而增大负荷冲击，影响传动平稳性，故设计中采用可调中心距的方法来调节齿轮传动的间隙，采用的方法是：框架0100的两个支撑板0103、0104上用来固定驱动模块0200的方形孔0105和螺纹通孔均放大，使齿轮间隙可调节范围为0~0.5mm。

框架0100、驱动模块0200、驱动模块电路外壳0300、主动直齿正齿轮0401和驱动模块0200的电路板0900相连。

图5所示为框架0100、驱动模块0200、驱动模块电路外壳0300和主动直齿正齿轮0401之间的一种连接结构立体示意图。图6所示为框架0100、驱动模块0200、驱动模块电路外壳0300、主动直齿正齿轮0401和驱动模块0200的电路板0900之间的一种连接结构剖视示意图。

本实施例中，两个驱动模块0200通过法兰安装于所述框架0100的两个支撑板上，两个驱动模块0200的旋转轴线相互平行且方向相反，即两个驱动模块的输出轴指向框架支撑板的外侧，两个旋转轴线位于同一平面且平行于框架0100的底板平面。具体的，如图5和图6所示，其中一个驱动模块0200插入到框架0100上的支撑板0103下方的方形孔0105中，并通过驱动模块0200上的法兰与支撑板0103使用螺丝紧固连接，驱动模块0200的输出轴与主动直齿正齿轮0401相连，例如采用键连接，主动直齿正齿轮将动力和运动可以1:1的传动比传递给直齿正齿轮传动组的从动轮，并使用螺丝和挡圈做端部固定。驱动模块电路外壳0300如上文所述，其空套在驱动模块0200上，并通过安装孔0301与框架0100上的支撑板0104使用螺丝紧固连接。驱动关节电路板0900位于驱动模块电路外壳0300里面靠近位置检测模块0209的位置，并使用螺丝与支撑板0104相固连。

具体的，驱动关节电路板0900包括控制电路板和驱动电路板，每个电路板上都有各自的电源供电模块，形成包括控制电源板、驱动电源板、控制电路板、驱动电路板在内的多个电路板，其中的控制电源板为控制电路提供电源，驱动电源板为驱动电路提供电源。多个电路板通过电线顺序连接，并平放安装在二自由度旋转柔性差分驱动关节模块框架底板的安装平面上，本实施例中，多个电路板之间通过排针叠加在一起，一方面实现两个电路板之间相对位置的固定，另一方面实现两个电路板之间的电连接。

以上所述二自由度旋转柔性差分驱动关节模块，其电路板0900位于电路外壳0300里面，驱动模块0200的后面，并使用螺丝与框架支撑板相固连，电路板设计成两块电路板通过排针对插叠加在一起的形式，并将下面的电路板通过紧固件螺钉固定在框架壳体上，巧妙地利用了空间，使得整体结构紧凑，易于实现模块化，且拆装方便。

力矩弹性传递模块0500

图7所示为力矩弹性传递模块0500与差分等径锥齿轮系0600的主动锥齿轮相连接的一种连接结构的立体示意图。图8所示为力矩弹性传递模块0500与差分等径锥齿轮系0600的主动锥齿轮相连接的一种连接结构的剖视示意图。

如图7和图8所示，力矩弹性传递模块0500包括力矩弹性传递模块输入轴0501、编码器码盘轴0502、力矩检测模块0503（优选地，力矩检测模块使用增量式编码器）、力矩检测模块固定座0504、扇形支撑块0505、弹性件0506、轮辐件0507、壳体件0508、固定法兰0509、支撑轴承0510、主动锥齿轮驱动轴0511、轴承挡圈0512。通常输入轴0501用于传递力矩，输入轴0501与壳体件0508通过紧固件（如螺丝）相连接，并通过壳体件0508将力矩传递给轮辐件0507，轮辐件0507与主动锥齿轮驱动轴0511相固连，主动锥齿轮驱动轴0511通过双键连接将力矩传递给主动锥齿轮。

主动锥齿轮轴0512优选地为中空轴，使得力矩检测的力矩检测模块0503的线缆可以方便地穿过该中空轴。力矩弹性传递输入轴0501通过顶丝与编码器码盘轴0502相连，并带动编码器码盘0502一起转动。

本实施例中，所述壳体件0508形成为包括底壁和侧壁的筒状，轮辐件0507位于壳体件0508内部，壳体件0508的侧壁内周面上具有沿周向均布的四个扇形块，轮辐件0507具有中心圆筒和位于该中心圆筒周围且沿周向均分布的四个连接板，每个连接板的末端与壳体件0508侧壁的内周壁之间具有间隙，四个扇形块与四个连接板交替设置，并且在相邻的扇形块与连接板之间具有弹性件以弹性地传递力矩。优选为相邻的扇形块和连接板上分别设置有导向柱，相邻的两个导向柱之间具有间隙，弹性件为螺旋压缩弹性弹簧且套设在相邻的两个导向柱上。

为使主动锥齿轮驱动轴与轮辐件0507进行固定连接，力矩弹性传递模块0500以轮辐件0507作为输出件，与主动锥齿轮驱动轴0511相连，具体的，壳体件0508底壁具有中心孔，主动锥齿轮驱动轴0511的一端穿过该中心孔后连接到所述轮辐件0507。

差分等径锥齿轮系0600

图9所示为差分等径锥齿轮系的一种实施例。如图9所示，差分等径锥齿轮系0600由四个尺寸参数完全相同的锥齿轮组成，包括两个主动锥齿轮0601、0602和两个被动锥齿轮0603、0604。

差分传动具有结构紧凑、受力均匀、承载能力强等特点，是一种非常巧妙的结构设计形式，本实施例中，四个等尺寸参数的螺旋锥齿轮对称布置相互啮合，即两个主动锥齿轮与两个被动锥齿轮相互啮合在一起，构成差分耦合结构形式，原理如图9所示，力矩弹性传递模块0500的输出驱动轴（即主动锥齿轮驱动轴0511）分别与两个主动锥齿轮0601和0602相连，通过两个主动锥齿轮的差分耦合运动来实现二自由度旋转柔性差分驱动关节模块的俯仰、偏摆或两者的复合运动。

具体的，两对主动锥齿轮相对分布，两对被动锥齿轮与两对主动锥齿轮相啮合且对称分布，并在四个等径螺旋锥齿轮中间设置交叉支撑块0702，通过交叉支撑块0702支撑，使其结构更稳定，且交叉支撑块0702上还进一步套有交叉支撑轴0701用于支撑。其中，交叉支撑块0702上在沿着主动锥齿轮的轴线方向通过一对轴承套在所述两个主动锥齿轮轴上；一个被动锥齿轮通过被动锥齿轮固定端盖与输出连杆0800连接固定，另一个锥齿轮通过轴承套在交叉支撑轴0701上。

更具体的，被动齿轮0603与输出件输出连杆0800通过键连接输出运动，被动齿轮0604通过轴承套在支撑轴0701上，实现被动齿轮0604空转以改善受力，支撑轴0701与输出连杆0800相固连。

当主动锥齿轮0601和0602等速同向转动时，被动齿轮0603和0604绕第一旋转轴旋转输出俯仰运动，当主动锥齿轮0601和0602等速异向转动时，被动齿轮0603和0604绕第二旋转轴旋转输出侧摆运动，当主动锥齿轮0601和0602为其他运动形式时，输出俯仰和偏摆的复合运动。这种结构在运动过程中对齿轮产生一个轴向的朝向锥齿轮大端的压紧力，因此在结构设计时只需要对齿轮轴向有一个方向的定位即可。

十字交叉支撑模块0700

图10所示为十字交叉支撑模块0700的一种实施例的立体示意图。图11所示为十字交叉支撑模块0700的一种实施例的剖视示意图。如图10所示，该十字交叉支撑模块0700主要包括支撑轴0701、十字交叉支撑块0702、轴承外挡圈0703、一对角接触球轴承0704和一对深沟球轴承0705。

所述十字交叉支撑块0702具有四个交叉式通孔，相对布置的两个通孔分别安装有一对角接触球轴承0704和一对深沟球轴承0705。

所述交叉支撑块在沿着两个被动锥齿轮的轴线方向通过角接触球轴承0704套在一根被动锥齿轮支撑轴（即支撑轴0701）上，主要用来承受轴向力，其中一个被动锥齿轮通过双列角接触球轴承0704套在被动锥齿轮支撑轴一端，另一个被动锥齿轮通过双键与被动锥齿轮支撑轴的另一端相连以传递扭矩。

深沟球轴承0705主要用来承受径向力（优选为主动锥齿轮驱动轴0511的自由端穿过主动锥齿轮0601/0602并被支撑于深沟球轴承0705）。

所述支撑轴0701为阶梯轴，支撑轴0701与所述一对角接触球轴承0704相配合安装，支撑轴0701通过中间部位的轴肩台阶将轴向力传递给所述一对角接触球轴承0704。所述支撑轴0701两端优选地为外六角形，通过外六角面与两个法兰件的内六角面相配合，用于传递扭矩。

输出连杆0800

图12所示为输出连杆0800的一种实施例。如图12所示，输出连杆0800主要包括主体0801、位于主体0801上侧的安装部0802、位于主体0801两侧的十字交叉支撑模块0700的安装部0804和0807（本实施例中为一对凸耳的形式，每个凸耳上可以设置两个减重孔0803）、主体0801两侧分别各有两个锥销孔0805和0808，用于定位和传递扭矩，以及主体0801两侧分别各有多个螺纹孔0806和0809，通过穿过该螺纹孔的螺钉将主体0801与法兰连接件相连。

机器人的旋转关节躯干前端一部分可以容纳在安装部内，并使用螺钉等紧固件通过安装部0802周围的安装孔与输出连杆0800相连。

所述安装部0802优选地为通孔，同时安装部0802的周围具有多个螺丝沉头孔，紧固件穿过该多个螺丝沉头孔与外部结构件相互连接。

所述安装部0804和0806优选形均为通孔，所述支撑轴0701两端分别通过法兰连接件与安装部0804和0806相连。

差分等径锥齿轮系0600、十字交叉支撑模块0700和输出连杆0800相连

图13所示为差分等径锥齿轮系0600、十字交叉支撑模块0700和输出连杆0800之间的一种连接结构立体示意图。图14所示为差分等径锥齿轮系0600、十字交叉支撑模块0700和输出连杆0800之间的一种连接结构剖视示意图。图15所示为两个法兰连接件1000和1100的一种实施例。

两个法兰连接件通过锥销和螺钉紧固件与输出连杆0800两端的安装部相连接。具体的，如图15所示，法兰连接件1000包括法兰盘1001、内六角槽1002、销孔1003和1006、螺纹孔1004和1005。法兰盘1001右端可以插入输出连杆0800的安装部0804通孔中，然后通过穿过定位销孔1003的定位销和穿过螺纹孔1004的螺钉将其与被动锥齿轮0603相连。内六角槽1002与支撑轴0701靠近被动锥齿轮0603一端的外六角相配合，用于传递扭矩。法兰盘1001上多个螺纹孔和销孔，通过穿过定位销孔1005的定位销和穿过螺纹孔1006的螺钉将其与输出连杆主体0801相连。

定位销连接一方面起到定位的作用，另一方面起到传递扭矩的作用。定位销与内六角形面配合共同传递扭矩，从而优化改善了支撑轴0701和法兰连接件1000的受力情况。

法兰连接件1100与法兰连接件1000具有类似的结构，包括法兰盘1101、内六角槽1102、销孔1103和1104。同样地，通过穿过定位销孔1104的定位销和穿过螺纹孔1103的螺钉将其与输出连杆主体0801相连。法兰连接件1100通过其内六角槽1102与支撑轴0701靠近被动锥齿轮0604一端的外六角相配合，来传递扭矩。

本发明二自由度旋转柔性差分驱动关节模块可以按如下方式工作：

二自由度旋转柔性差分驱动关节模块通过将两个驱动模块并行布置在框架的下方，两个驱动模块的输出轴通过键连接驱动框架两侧的两个主动直齿正齿轮，两个主动直齿正齿轮经过一级1:1传动比的传动链将运动和力矩传递给被动直齿正齿轮和一个力矩弹性传递模块，最终由力矩弹性传递模块的输出来驱动主动锥齿轮。四个尺寸参数完全相同的锥齿轮，且相互啮合，构成差分耦合结构形式。一对被动锥齿轮作为最终的输出，提供俯仰、偏摆或复合运动，同时输出合成力矩提供大力矩输出。被动锥齿轮与输出连杆相连，以输出连杆作为输出件，其上面加工有安装部便于与其他部件相连接。输出连杆可以作为末端执行器，同时也可以作为下一个关节的连杆连接件，视具体应用而定。

综上所述可知，本发明的二自由度旋转柔性差分驱动关节模块能够提供柔性和大力矩的应用于机器人上。其采用两个自由度扩展了机器人运动空间，增加了运动灵活性，同时在机器人进行动作时，能够充分发挥全身自由度，使动作更加协调。二自由度旋转柔性差分驱动关节模块采用等径锥齿轮差分耦合，一方面使机构紧凑，降低了机构的重心，另一方面可以实现俯仰或偏摆两个自由度的单独运动，又可以实现俯仰和偏摆的复合运动。同时又在两个驱动关节上又各增加了一个力矩弹性传递模块，使关节本身具有内在的被动柔性，在受到外部接触或受到外部冲击时产生缓冲，从而有效的保护受用者，并且该力矩弹性传递模块具有力矩测量功能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

例如，差分齿轮系可以是上述实施例中的等径锥齿轮，也可以采用非等径齿轮，可以是上述实施例中的直角锥齿轮，也可以采用非直角锥齿轮，可以是直齿锥齿轮，也可以是斜齿锥齿轮或其他锥齿轮。

传动直齿轮组既可以是正齿的组合，也可以是斜齿的组合，既可以是1:1的传动比，也可以是其他传动比。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

例如，既可以将差分齿轮系与框架等组合使用，也可以单独使用，既可以结合弹性模块，也可以不结合弹性模块，既可以设置传动齿轮组，也可以省略传动齿轮组。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。