一种紧凑型机器人头部及紧凑型机器人的制作方法

本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及一种紧凑型机器人头部及紧凑型机器人。

背景技术：

对于仿人形机器人，头部一般具有俯仰和回转两个关节运动，同时在头部安装视觉传感器来完成视觉监视、视觉测量及视觉引导等功能。由于仿人机器人头部要求体积小，布局紧凑，特别是颈部尺寸限制较严。现有仿人机器人头部结构中的俯仰关节是把电机、减速器、轴承、连接法兰等依次排开的，俯仰轴的轴向尺寸很大，导致整个机器人头部的尺寸比较大，并且精度比较差，机器人头部安装视觉监视和视觉测量设备时，测量精度难以保证。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种结构布局紧凑、空间体积小、精度高的一种紧凑型机器人头部及紧凑型机器人。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种紧凑型机器人头部，包括头部俯仰关节、头部回转关节、关节连接法兰以及视觉系统，关节连接法兰两端分别连接头部俯仰关节和头部回转关节；视觉系统安装在头部回转关节上部；

其改进之处是：所述头部俯仰关节包括俯仰基座、俯仰平台以及俯仰轴组件；

所述俯仰基座包括上部左侧壁、上部右侧壁以及下部筒形结构；上部左侧壁和上部右侧壁构成一个开口朝上的u字形结构，并且与下部筒形结构固连；上部左侧壁、上部右侧壁上均开设有通孔；上部左侧壁和上部右侧壁相背的两个表面上均设置有圆形凸起；

所述俯仰平台包括上部连接板，左侧连接托架以及右侧连接托架；上部连接板，左侧连接托架以及右侧连接托架构成一个开口朝下的u字形结构；左侧连接托架以及右侧连接托架上均开设有轴承安装孔；

俯仰平台与俯仰基座扣合形成了一个空腔；

俯仰轴组件包括俯仰电机、俯仰减速器、俯仰电机转接板、右连接法兰、左连接法兰、第一轴承、俯仰编码器托架及俯仰编码器；

右连接法兰安装在右侧连接托架外表面，左连接法兰安装在左侧连接托架外表面并且一端伸入所述空腔内；俯仰电机位于所述空腔内；俯仰电机的输出端通过俯仰电机转接板与俯仰减速器连接，俯仰减速器的输出端与右连接法兰连接；第一轴承为两个；一个第一轴承安装在左侧连接托架的轴承安装孔与上部左侧壁的圆形凸起之间，另一个第一轴承安装在右侧连接托架的轴承安装孔与上部右侧壁的圆形凸起之间；

俯仰编码器与俯仰编码器托架固定后安装在左连接法兰伸入所述空腔的部分。

上述俯仰减速器采用谐波减速器。

上述上部连接板与所述左侧连接托架、右侧连接托架三部分为分体式结构，并采用螺钉连接和销钉进行定位。

具体的说，本发明机器人头部的头部回转关节包括回转支座，回转平台以及回转轴组件；

回转组件包括回转电机、回转电机转接板、回转减速器、回转连接轴、第二轴承、轴承端盖、回转编码器托架及回转编码器；

其中，回转电机、回转电机转接板、回转减速器、回转连接轴以及轴承端盖自下而上依次连接并且位于回转支座内，第二轴承的外圈表面与回转支座内壁接触，第二轴承内圈套装在回转连接轴上；第二轴承安装在轴承端盖和回转支座内壁上的凸起之间；

回转编码器托架固定安装在回转支座的上端面，回转编码器通过回转编码器托架固定后套装在回转平台的下部；

回转平台的下部与回转连接轴的上部固定连接，回转平台的上部安装视觉系统。

上述回转减速器采用谐波减速器。

具体的说，本发明机器人头部的视觉系统包括单目相机、广角相机以及广角相机支架；

广角相机支架安装在回转平台上部中心位置，单目相机为两台，两台单目相机固定在回转平台上部并且位列广角相机支架两侧，广角相机支架的顶部安装广角相机。

上述第一轴承为深沟球轴承，第二轴承为两个背对背配置的角接触轴承。

上述右侧连接托架与右连接法兰之间以及左侧连接托架与左连接法兰之间均安装有修切垫；

所述回转平台的下部与回转连接轴的上部之间设置有修切垫，第二轴承与回转支座的凸起之间设置有修切垫。

上述俯仰电机和回转电机均采用盘式直流无刷电机。

基于上述紧凑型机器人头部及紧凑型机器人，本发明还提供了一种使用该头部的紧凑型机器人。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明的头部俯仰关节中俯仰平台与俯仰基座扣合形成了一个空腔，并且俯仰电机、俯仰编码器均放置在所述空腔内的排列方式，大大减小了轴向尺寸；并且u型的俯仰平台和u型俯仰基座扣合的连接方式，使得整体结构受力均匀，转动平稳。

2、本发明采用谐波减速器带动俯仰关机和回转关节旋转，与现有的行星齿轮减速器相比，大大降低了传动回差，提高了精度，同时又减小了轴向尺寸；同时谐波减速器具有较大的反向启动力矩，使得整个系统在没有设置制动器的情况下具有一定的自锁功能。

3、本发明u型俯仰平台的上部连接板、左侧连接托架以及右侧连接托架为分体式结构，三个部分分别进行粗加工，而后利用螺钉和定位销钉连接成一个整体进行精加工；在装配时，把三个部分分别与其他部分连接，再通过螺钉和定位销钉重新组合在一起。在传动过程中实现了整体结构受力均匀、转动平稳的同时，又满足了加工装配的可行性。

4、本发明的视觉系统采用两台单目相机和一台广角相机的方式，广角相机视场大，进行全局监视、视觉引导和目标识别，目标识别后引导头部关节转动，把目标放在两台单目相机的视场中心；两台单目相机构成双目立体相机，视场小、精度高，进行三维重建和位姿测量。这种配置方式可以兼顾功能性和高精度要求。

5、本发明中头部俯仰关节的主要承受径向力因此采用的轴承(第一轴承)为深沟球轴承，而头部回转关节主要承受较大的轴向力，因此采用的轴承(第二轴承)为两个背对背配置的角接触轴承。

6、本发明的右侧连接托架与右连接法兰之间以及左侧连接托架与左连接法兰之间均安装有修切垫；回转平台的下部与回转连接轴的上部之间设置有修切垫，第二轴承与回转支座的凸起之间设置有修切垫，用于调节这几个位置的间隙，便于提高整体的精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明头部俯仰关节的示意图；

图3为图2的爆炸图；

图4为俯仰平台的结构示意图

图5为本发明头部回转关节的示意图；

图6为图5的爆炸图。

附图标记如下：

1-头部俯仰关节、11-俯仰基座、111-上部左侧壁、112-上部右侧壁、113-下部筒形结构、114-通孔、115-圆形凸起、12-俯仰平台、121-上部连接板、122-左侧连接托架、123-右侧连接托架、124-轴承安装孔、13-俯仰轴组件、131-俯仰电机、132-俯仰电机转接板、133-俯仰减速器、134-右连接法兰、135-左连接法兰、136-第一轴承、137-俯仰编码器托架、138-俯仰编码器、14-修切垫、15-空腔、2-头部回转关节、21-回转支座、211-凸起、22-回转平台、23-回转轴组件、231-回转电机、232-回转电机转接板、233-回转减速器、234-回转连接轴、235-第二轴承、236-轴承端盖、237-回转编码器托架、238-回转编码器、3-关节连接法兰、4-视觉系统、41-单目相机、42广角相机、43-广角相机支架。

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明提供的一种紧凑型机器人头部的结构以及工作过程进行描述：

该紧凑型机器人头部与现有机器人头部的结构基本一致，参见图1，主要包括头部俯仰关节1、头部回转关节2、关节连接法兰3以及视觉系统4；

关节连接法兰3两端分别连接头部俯仰关节1和头部回转关节2；视觉系统4安装在头部回转关节2上部；

本发明的头部结构主要改进点是头部俯仰关节1，该俯仰关节不仅大大减小了机器人头部的俯仰轴的轴向尺寸；并且采用该机器人头部结构使得整体结构受力均匀，转动平稳。

其头部俯仰关节1的结构如图2-4所示，包括俯仰基座11、俯仰平台12以及俯仰轴组件13；

俯仰基座11包括上部左侧壁111、上部右侧壁112以及下部筒形结构113；上部左侧壁111和上部右侧壁112构成一个开口朝上的u字形结构，并且与下部筒形结构113固连；上部左侧壁111、上部右侧壁112上均开设有通孔114；上部左侧壁111和上部右侧壁112相背的两个表面上均设置有圆形凸起115；

俯仰平台12包括上部连接板121，左侧连接托架122以及右侧连接托架123；上部连接板121，左侧连接托架122以及右侧连接托架123构成一个开口朝下的u字形结构；左侧连接托架122以及右侧连接托架123上均开设有轴承安装孔124；

俯仰平台12与俯仰基座11上下扣合形成了一个空腔15；

俯仰轴组件13包括俯仰电机131、俯仰电机转接板132、俯仰减速器133、右连接法兰134、左连接法兰135、第一轴承136、俯仰编码器托架137、俯仰编码器138；

右连接法兰134安装在右侧连接托架123外表面，左连接法兰125安装在左侧连接托架122外表面并且一端伸入所述空腔15内；俯仰电机131位于所述空腔15内；俯仰电机131的输出端通过俯仰电机转接板132与俯仰减速器133连接，俯仰减速器133的输出端与右连接法兰134连接；第一轴承136为两个；一个第一轴承136安装在左侧连接托架122的轴承安装孔124与上部左侧壁的圆形凸起115之间，另一个第一轴承136安装在右侧连接托架123的轴承安装孔124与上部右侧壁112的圆形凸起115之间；

俯仰编码器137与俯仰编码器托架138固定后安装在左连接法兰135伸入所述空腔15的部分。

需要说明的一点是：本发明的俯仰减速器采用谐波减速器，俯仰电机采用盘式直流无刷电机，具有较大的扭矩、较高的精度及较小的轴向尺寸；盘式直流无刷电机直接驱动谐波减速器带动头部俯仰关节旋转，与行星齿轮减速器相比，大大降低了传动回差，提高了精度，同时又减小了轴向尺寸；在头部俯仰过程中，由于重力不平衡，在突然断电的情况下，会使得头部具有一个加速度，但是由于谐波减速器具有较大的反向启动力矩，使得整个系统具有一定的自锁功能，从而不必再设置制动器，这样又减小了整个头部的尺寸和规模；

另外，如图4所示，俯仰平台12中的上部连接板121与所述上部左侧托架122、上部右侧托架123三部分为分体式结构，三个部分分别进行粗加工，而后利用螺钉和定位销钉连接成一个整体进行精加工；在装配时，把三个部分分别与其他部分连接，再通过螺钉和定位销钉从新组合在一起。在传动过程中实现了整体结构受力均匀、转动平稳的同时，又满足了加工装配的可行性。

参见图5和6，其中，头部回转关节2包括回转支座21，回转平台22以及回转轴组件23；

回转轴组件23包括回转电机231、回转电机转接板232、回转减速器233、回转连接轴234、第二轴承235、轴承端盖236、回转编码器托架237及回转编码器238；

其中，回转电机231、回转电机转接板232、回转减速器233、回转连接轴234以及轴承端盖236自下而上依次连接并且位于回转支座21内，第二轴承235的外圈表面与回转支座21内壁接触，第二轴承235内圈套装在回转连接轴234上；第二轴承235安装在轴承端盖236和回转支座21内壁上的凸起211之间；

回转编码器托架237固定安装在回转支座21的上端面，回转编码器238通过回转编码器托架237固定后套装在回转平台22的下部；

回转平台22下部与回转连接轴234的上部固定连接，回转平台22的上部安装视觉系统4。

同样的回转减速器233为谐波减速器，回转电机231也采用盘式直流无刷电机，目的也是为了缩小机器人头部的结构尺寸。

进一步的，本发明采用的视觉系统4包括单目相机41、广角相机42以及广角相机支架43；

广角相机支架43安装在回转平台22上部中心位置，单目相41机为两台，两台单目相机41固定在回转平台22上部并且位列广角相机支架43两侧，广角相机支架43的顶部安装广角相机42。其主要目的是因为广角相机视场大，进行全局监视、视觉引导和目标识别，目标识别后引导头部关节转动，把目标放在两台单目相机的视场中心；两台单目相机构成双目立体相机，视场小、精度高，进行三维重建和位姿测量。这种配置方式可以兼顾功能性和高精度要求。

进一步地，由于头部俯仰关节1的轴承主要承受径向力，因此选用了两个深沟球轴承；而在头部回转关节2需要承受较大的轴向力，因此选用了一对背对背配置的角接触轴承；

进一步地，右侧连接托架123与右连接法兰134之间以及左侧连接托架122与左连接法兰135之间均安装有修切垫14；回转平台22的下部与回转连接轴234的上部之间设置有修切垫14，第二轴承235与回转支座21的凸起211之间设置有修切垫14，目的是用于调节这几个位置的间隙，便于提高整体的精度。

进一步地，俯仰编码器和回转编码器均采用高精度的光电编码器，能够对关节的实际位置进行高精度的测量，从而为控制系统提供准确的数据。

应当说明，上面给出的具体的实施例只是为了更好地解释本发明，并不是对本发明的限制，任何利用本发明的说明书及附图而得到的类似的结构，都应该包含在本发明的专利权保护的范围内。