一种三自由度机器人关节的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种三自由度机器人关节。

背景技术：

在机器人领域中，轻量型机械臂，协作机器人逐渐占领市场，机器人关节作为他们的重要组成部分，在其中起着重要的作用，传统的关节均为电机直接控制，实现单自由度的运动，并且运动范围受到限制，从而使得机械臂的运动受到限制。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三自由度机器人关节以克服上述缺陷，本发明中的三自由度机器人关节结构较为简单，运动范围较广，安装在机械臂上可以大大改善机器人的运动范围以及运行轨迹。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种三自由度机器人关节，所述三自由度机器人关节包括：第一电机、第一行星轮系、锥齿轮系、第二行星轮系和第二电机；所述第一电机的输出轴与所述第一行星轮系连接，所述第一电机为所述第一行星轮系提供动力，实现所述第一行星轮系和所述锥齿轮系自转；所述锥齿轮系的一端与所述第一行星轮系连接，另一端与所述第二行星轮系连接，用于所述第二行星轮系的换向运动；所述第二电机的输出轴与所述第二行星轮系连接，所述第二电机为所述第二行星轮系提供动力，所述第二行星轮系固定连接有运动装置，所述第二电机运动带动所述第二行星轮系转动，实现所述运动装置自转。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述第一行星轮系包括：底盘、第一内齿轮、内齿轮制动器；所述第一内齿轮转动地设置在所述底盘上，作为自转输出端，与所述锥齿轮系连接；所述内齿轮制动器设置在所述底盘上，所述内齿轮制动器用于限制所述第一内齿轮的运动。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述第一行星轮系还包括：第一行星轮、第一中心轮、第一行星轮连接架、行星轮制动器和第一连接件；所述第一行星轮啮合设置于所述第一中心轮和第一内齿轮之间；所述第一中心轮与所述第一电机的输出轴连接；所述第一行星轮连接架与所述第一行星轮通过所述第一连接件连接，并作为换向输出端，与所述锥齿轮系连接；所述行星轮制动器设置在所述底盘上，用于限制所述第一行星轮的运动。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述锥齿轮系包括：第一锥齿轮、固定架、第二锥齿轮和锥齿轮固定轴；所述第一锥齿轮的一端与所述行星轮连接架固定连接，另一端与所述第二锥齿轮啮合连接，所述固定架的一端与所述第一内齿轮固定连接；所述第二锥齿轮的轴向与所述第一锥齿轮的轴向相互不平行，所述第二锥齿轮套设在所述锥齿轮固定轴上，并与所述锥齿轮固定轴固定连接；所述锥齿轮固定轴的两端分别与所述第二行星轮系固定连接，所述锥齿轮固定轴上套设有第三轴承，所述第三轴承的外圈与所述固定架的另一端连接。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述第一行星轮系还包括：第一轴承、第二轴承、第一轴承挡板和第二轴承挡板；所述第一轴承与所述第一内齿轮连接，用于支撑所述第一内齿轮的转动，所述第二轴承套设在所述第一锥齿轮上，用于支撑所述第一锥齿轮的转动；所述第一轴承和所述第二轴承的一侧分别设置有第一轴承挡板和第二轴承挡板，分别用于抵挡所述第一轴承和所述第二轴承。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述第二行星轮系包括：外壳、第二内齿轮、第二中心轮、第三行星轮和第二行星轮连接架；所述外壳呈管状，所述外壳的一端相较于所述外壳的另一端靠近所述固定架，所述外壳的另一端的内部嵌装有所述第二内齿轮，所述第二内齿轮与所述外壳固定连接；所述第三行星轮啮合设置于所述第二中心轮和第二内齿轮之间；所述第三行星轮通过第二连接件连接在所述第二行星轮连接架上。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述运动装置与所述第二行星轮连接架固定连接；所述第二电机的机壳与所述第二行星轮连接架连接。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述运动装置套设在所述外壳的周向，所述运动装置与所述外壳之间安装有滚动件。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述第一行星轮、所述第三行星轮、所述第一中心轮、所述第二中心轮、所述第一内齿轮和所述第二内齿轮均为斜齿轮。

依据上述三自由度机器人关节，作为优选，所述第一电机为伺服电机，所述第二电机为具有谐波减速器的一体电机。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明提供一种三自由度机器人关节，该机器人关节运用两个电机，实现关节的三自由度运动，第一电机提供动力，带动第一行星轮系转动，当第一行星轮系中的第一行星轮被行星轮制动器制动时，第一电机带动第一内齿轮转动，从而带动第二行星轮系和锥齿轮系同时自转，实现自转自由度；当第一行星轮系中的第一内齿轮被内齿轮制动器制动时，第一电机带动第一行星轮转动，从而带动第一锥齿轮转动，基于锥齿轮的原理，实现第二行星轮系换向运动的自由度；一体电机与第二行星轮系相连，从而带动运动装置自转，实现第三个自由度。

本发明利用第一行星轮系的差速原理，通过行星轮制动器和内齿轮制动器分别制动第一行星轮、第二行星轮以及第一内齿轮，达到实现整体自转以及控制锥齿轮的目的，通过锥齿轮系的转动实现机器人关节的换向运动，通过一体电机提供动力实现运动装置自转的目的，从而实现关节的三自由度运动，本发明结构简单，精度高，成本低，运动范围广泛，安装在机械臂上可以大大改善机器人的运动范围以及运行轨迹。

附图说明

图1为本发明实施例中的三自由度机器人关节结构示意图；

图2为本发明实施例中的第一行星轮系剖视图；

图3为本发明实施例中的第二行星轮系剖视图一；

图4为本发明实施例中的第二行星轮系剖视图二；

图5为本发明实施例中的外壳结构示意图。

图中：1、第一电机；2、第一行星轮系；3、锥齿轮系；4、第二行星轮系；5、运动装置；6、第二电机；7、底盘、8、内齿轮制动器；9、第一内齿轮；10、第一行星轮；11、行星轮制动器连接架；12、固定销钉；13、行星轮制动器；14、第一中心轮；15、第二行星轮；16、第一行星轮连接架；17、第一轴承；18、第一轴承挡板；19、第二轴承挡板；20、第二轴承；21、第一锥齿轮；22、第一锥齿轮固定架；23、第二内齿轮；24、锥齿轮固定轴；25、第二锥齿轮固定架；26、第二锥齿轮；27、第二行星轮连接架；28、固定销钉；29、第二电机；30、第三行星轮，31、外壳；301、缺口。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供一种三自由度机器人关节，该三自由度机器人关节包括第一电机1、第一行星轮系2、锥齿轮系3、第二行星轮系4和第二电机6；第一电机1的输出轴与第一行星轮系2连接，第一电机1为第一行星轮系2提供动力，第一电机转动带动第一行星轮系2和锥齿轮系3实现自转；锥齿轮系3的一端与第一行星轮系2连接，另一端与第二行星轮系4连接，用于第二行星轮系4的换向运动；第二电机6的输出轴与第二行星轮系4连接，第二电机6为第二行星轮系4提供动力，第二行星轮系4固定连接有运动装置5，第二电机6转动带动第二行星轮系4转动，实现运动装置5自转。

具体来说，第一电机1与第一行星轮系2连接，锥齿轮系3连接第一行星轮系2和第二行星轮系4，第二电机6与第二行星轮系和运动装置5连接，利用第一行星轮系2和第二行星轮系4的差速原理，通过行星轮制动器13和内齿轮制动器8分别对第一行星轮系2中的第一行星轮10和第一内齿轮9进行制动，通过第一行星轮系实现机器人关节自转以及带动锥齿轮系3转动，通过锥齿轮系3的转动实现机器人关节的自由换向，通过第二电机6以及第二行星轮系4实现运动装置5自转，本发明的三自由度机器人关节结构简单、精度高、适用范围广，成本低，大大提高机器人关节的性能。

进一步，如图2所示，为实现机器人关节的自转运动，本发明中的第一行星轮系2包括：底盘7、第一内齿轮9、内齿轮制动器8、第一行星轮10、第一中心轮14、第一行星轮连接架16、行星轮制动器13和第一连接件。第一内齿轮9转动地设置在底盘7上，内齿轮制动器8设置在底盘7上，内齿轮制动器8用于限制第一内齿轮9的运动，第一行星轮10与第一内齿轮9啮合连接，还与第一中心轮14啮合连接，并位于第一中心轮14和第一内齿轮9之间。第一行星轮10通过第一连接件与第一行星轮连接架16连接，第一连接件可以是固定销钉12，还可以是滚针轴和滚针轴承，第一行星轮10内套接有滚针轴承，滚针轴承内穿设有滚针轴，滚针轴与第一行星轮连接架16固定连接。第一行星轮连接架16作为换向输出端与锥齿轮系3连接，行星轮制动器13设置在底盘7上，行星轮制动器13与第一行星轮10连接，用于限制第一行星轮10转动，为了便于对第一行星轮10进行制动，在第一行星轮10的一侧设置有行星轮制动器连接架11，第一行星轮连接架16位于第一行星轮10的另一侧，行星轮制动器连接架11与第一行星轮10的连接方式可以参见第一行星轮连接架16与第一行星轮10的连接方式，通过行星轮制动器13对行星轮制动器连接架11的制动，实现对第一行星轮10的制动，第一中心轮14与第一电机1的输出轴连接，第一电机1优选为伺服电机，伺服电机低速运行平稳，高速性能好，抗过载能力强。第一行星轮10的数量为多个，可以为3个或其他数量，图中示意出了两个第一行星轮10，为了区别，将一个称之为第一行星轮，另一个称之为第二行星轮15。

在第一电机1的驱动下，首先打开行星轮制动器13，从而连接在行星轮制动器13上的行星轮制动器连接架11运动受到限制，进而第一行星轮10和第二行星轮15的运动受到限制，根据第一行星轮系1的差速原理，第一内齿轮9产生运动，第一内齿轮9作为自转输出端，从而带动连接在第一内齿轮9上的第一锥齿轮固定架22产生转动，进而带动锥齿轮系3、第二行星轮系15和第二电机6的自转，实现机器人关节自转的自由度。

然后，关闭行星轮制动器13，使第一行星轮10和第二行星轮15能进行运动，打开内齿轮制动器8，对第一内齿轮9的运动进行限制，当第一电机1转动时，第一电机1的输出轴带动第一中心轮14转动，由于第一行星轮10和第二行星轮15与第一中心轮14啮合连接，进而第一行星轮10和第二行星轮15进行转动，由于第一行星轮连接架16通过固定销钉12与第一行星轮10和第二行星轮15固定连接，从而带动第一行星轮连接架16转动，进而带动与第一行星轮连接架16连接的第一锥齿轮21产生运动，根据锥齿轮的换向原理，使得机器人关节发生换向运动，实现机器人换向自由度。

基于第一行星轮系2的差速原理，在第一电机1驱动的情况下，通过对行星轮制动器13和内齿轮制动器8的来回切换，即内齿轮制动器8制动第一内齿轮9，使得第一行星轮10和第二行星轮15产生转动，行星轮制动器13制动第一行星轮10和第二行星轮15，使得第一内齿轮9带动机器人关节产生相应的运动，实现一个电机带动两个自由度运动的目的，即第一电机1带动机器人自转运动以及机器人换向运动。

进一步，为实现机器人关节的换向，锥齿轮系3包括第一锥齿轮21、固定架、第二锥齿轮26和锥齿轮固定轴24。固定架包括：第一锥齿轮固定架22和第二锥齿轮固定架25。第一锥齿轮21的一端与第一行星轮连接架16固定连接以在第一行星轮连接架16的带动下转动，另一端与第二锥齿轮26啮合连接，本发明实施例中的第一锥齿轮21包括第一锥齿轮本体和连接杆，连接杆的一端与第一行星轮系2的第一行星轮连接架16连接，另一端与第一锥齿轮本体垂直连接，连接杆与第一锥齿轮本体共轴。通过设置连接杆，使得第一行星轮系2与锥齿轮系3之间的间隔增大，为换向提供旋转空间。优选地，连接杆的直径小于第一行星连接架16的直径，并与第一行星连接架16的中部连接，利于进一步缩小径向上的空间。第一锥齿轮固定架22呈筒型，以利于提高连接强度，其套设在第一锥齿轮21的周向，用于保护第一锥齿轮21，第二锥齿轮26的轴向与第一锥齿轮21的轴向相互不平行，可以是垂直，此时两者垂直啮合连接，第二锥齿轮26套设在锥齿轮固定轴24上，并与锥齿轮固定轴24固定连接，锥齿轮固定轴24的两端分别与第二行星轮系4固定连接。本发明实施例中的第一锥齿轮固定架22(即图1中的左端或下述的第一筒段的左端)和第二锥齿轮固定架25均为敞口设计，即为半圆形，第一锥齿轮固定架22的敞口宽度和第二锥齿轮固定架25的敞口宽度相同，第一锥齿轮固定架22和第二锥齿轮固定架25套设在锥齿轮固定轴24的两侧，第一锥齿轮固定架22和第二锥齿轮固定架25之间通过螺钉固定连接在一起。第一锥齿轮固定架22和第二锥齿轮固定架25设置有沿第一锥齿轮轴向的豁口，为第二锥齿轮的转动提供动作空间。为更好的实现锥齿轮固定轴24的转动，本发明实施例中还在第二锥齿轮固定架25的上下两端的内侧分别安装有轴承(或称为第三轴承)，轴承套设在锥齿轮固定轴24上，实现锥齿轮固定轴24与第一锥齿轮固定架22和第二锥齿轮固定架25之间的相对转动，第一锥齿轮21转动带动第二锥齿轮26转动，当第一锥齿轮21受到第一行星轮系2提供的动力发生转动时，由于第二锥齿轮26与第一锥齿轮21啮合，第二锥齿轮26跟随第一锥齿轮21进行转动，沿着第一锥齿轮21进行圆周转动，从而根据第一锥齿轮21转动实现第二锥齿轮26不同角度的转动，实现机器人关节的换向。

进一步，第一行星轮系2还包括：第一轴承17、第二轴承20、第一轴承挡板18和第二轴承挡板19，第一轴承和第二轴承的规格尺寸本发明不做进一步限定，能够用于本发明实施例的轴承均可，第一轴承17与第一内齿轮9连接，用于支撑并传导第一内齿轮9的转动，第二轴承20与第一锥齿轮21连接，用于支撑并传导第一锥齿轮21的转动，第一轴承17和第二轴承20的一侧分别设置有第一轴承挡板18和第二轴承挡板19，用于抵挡第一轴承17和第二轴承20。

第一轴承17固定在第一内齿轮9上，并且用第一轴承挡板18压住第一轴承17的外圈，保证在制动第一行星轮系2时，第一内齿轮9可以产生自身转动的自由度，第二轴承20固定在第一锥齿轮固定架22上，并且由第一锥齿轮固定架22对第二轴承20的外圈抵压固定，保证第一锥齿轮21的转动，第一行星轮系2中的第一内齿轮9制动时，第一行星轮10和第二行星轮15转动，带动第一锥齿轮21发生转动，在第一锥齿轮21上安装第二轴承20，保证第一锥齿轮21运动。

第一锥齿轮固定架22用于保护第一锥齿轮21，并且压在第一轴承17的外圈，第二锥齿轮固定架25与第一锥齿轮固定架25固定连接，锥齿轮固定轴24与第二行星轮系4连接，保证顺利换向。

第一锥齿轮固定架22与第一行星轮系2的第一内齿轮9连接，为了缩小第一锥齿轮固定架22在径向上的长度且利于固定第一轴承，本关节还包括：转动环，其套接于第一轴承17的内圈内，转动环的外端与第一锥齿轮固定架22的一端连接。第一内齿轮的一端抵接于第一轴承17的内圈，从而使得第一内齿轮9在固定第一轴承的同时，将其转动传递给转动环。转动环的外径小于第一内齿轮9的内径。第一锥齿轮固定架的与第一行星轮系2连接的一端的外径小于或等于第一轴承的内圈外径，且大于转动环的内径。第一锥齿轮固定架包括：依次连接的第一筒段、第二筒段和第三筒段。第三筒段与第一行星轮系2连接，第二筒段内安装有第二轴承20，第一筒段与第二锥齿轮固定架25连接，第二筒段的外径大于第一筒段的外径且小于第三筒段的外径，第二筒段的内径大于第二筒段的内径且小于第三筒段的内径。

进一步，如图3-图4所示，为实现运动装置自转，本发明实施例中第二行星轮系4包括外壳31、第二内齿轮23、第二中心轮、第三行星轮30和第二行星轮连接架27，如图5所示，本发明实施例中的外壳31呈管状，即中空结构，外壳31的一端相对设置有两个缺口301，两个缺口301的尺寸与套设在第一锥齿轮21中的连接杆外部的第一锥齿轮固定架22的外径相匹配，利于转动，外壳31的另一端的内部嵌装有第二内齿轮23，外壳31的另一端相较于外壳31的一端远离固定架，第二内齿轮23与外壳31之间固定连接，第三行星轮30与第二内齿轮23啮合连接，还与第二中心轮啮合连接，并位于第二中心轮和第二内齿轮23之间。第三行星轮30通过第二连接件与第二行星轮连接架27连接，第二连接件可以是固定销钉12，还可以是滚针轴和滚针轴承，第三行星轮30内套接有滚针轴承，滚针轴承内穿设有滚针轴，滚针轴与第二行星轮连接架27固定连接，第三行星轮30的个数可以为三个，三个第三行星轮30等距离分布在第二中心轮的周向，在其他的实施例中，第三行星轮30的个数还可以为其他数量。

第二电机6的机壳与第二行星轮连接架27连接，第二电机6优选为具有谐波减速器的一体电机，其是电机与谐波减速器的集成，第二锥齿轮26设置在锥齿轮固定轴24上，锥齿轮固定轴24用于固定第二锥齿轮26，锥齿轮固定轴24的两端分别安装在外壳31内侧的上下两端，锥形轮固定轴24与外壳31的两个缺口301水平方向的连线呈垂直设置，如此，外壳31可绕锥形轮固定轴24进行圆周运动；第三行星轮30通过固定销钉12与第二行星轮连接架27连接，第二行星轮连接架27为第二电机6与第三行星轮30之间的连接架(即第二电机与第三行星轮连接架)，第三行星轮30啮合设置于第二内齿轮23和第二中心轮之间，第二电机的转动带动第二电机的机壳转动，进而带动第二行星轮连接架27，从而带动与第二行星轮连接架27连接的运动装置5转动，实现运动装置5自转，因此，由第二电机6的动力产生机器人关节的第三个自由运动。

进一步，运动装置5与第二行星轮连接架27之间固定连接，运动装置5套设在外壳31的周向，运动装置5与外壳31之间安装有滚动件，如滚珠(或滚球)，滚柱，从而实现运动装置5与外壳31之间的相对转动，还为运动装置5的转动提供支撑，本发明实施例中的运动装置5即对外输出设备，具体输出设备本发明不做进一步限定，可以视具体情况进行选择。第二电机6的输出轴不与第二中心轮连接，第二内齿轮23不发生转动。。

进一步，本发明实施例中的第一行星轮10、第二行星轮15、第三行星轮30、第一中心轮14、第二中心轮、第一内齿轮9和第二内齿轮23均为斜齿轮，斜齿轮具有承载能力强，经久耐用，在实际应用中，传动平稳，冲击、振动和噪声较小等特点，能够产生了较大的轴向力。

本发明三自由度机器人关节通过两个电机，即伺服电机和一体式步进电机，实现机器人关节三个自由度的运动，基于第一行星轮系2的差速原理，通过制动器控制的切换(即切换制动第一行星轮10和第二行星轮15以及第一内齿轮9)实现整个机器人关节的自转运动以及换向运动，通过一体式步进电机转动带动运动装置自转运动。

综上所述，本发明提供一种三自由度机器人关节，该机器人关节运用两个电机，实现关节的三自由度运动，第一电机提供动力，带动第一行星轮系2转动，当第一行星轮系2中的第一行星轮10和第二行星轮15被行星轮制动器11制动时，第一电机1带动第一内齿轮9转动，从而带动第二行星轮系2和锥齿轮系3同时自转，实现自转自由度；当第一行星轮系2中的第一内齿轮9被内齿轮制动器8制动时，第一电机1带动第一行星轮10和第二行星轮15转动，从而带动第一锥齿轮21转动，基于锥齿轮的原理，实现第二行星轮系4换向运动的自由度；一体电机与第二行星轮系4相连，从而带动运动装置5自转，实现第三个自由度。

本发明利用第一行星轮系2的差速原理，通过行星轮制动器11和内齿轮制动器8分别制动第一行星轮10、第二行星轮15以及第一内齿轮9，达到实现整体自转以及控制锥齿轮的目的，通过锥齿轮系3的转动实现机器人关节的换向运动，通过一体电机提供动力实现运动装置自转的目的，从而实现关节的三自由度运动，本发明结构简单，精度高，成本低，运动范围广泛，安装在机械臂上可以大大改善机器人的运动范围以及运行轨迹。

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、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。