关节模组及机器人腿部的制作方法

1.本发明属于智能机械技术领域，更具体地说，是涉及一种关节模组及机器人腿部。


背景技术：

2.机器人腿部可用于人形机器人、工业机器人等各种应用场景中。传统机器人腿部多是通过串联方案把各个舵机顺序连接起来组成机器人的一条腿，导致了传统机器人腿部的膝关节舵机设置在膝关节处，脚踝舵机设置于脚踝处，如此导致机器人的质心低、转动惯量大、舵机力矩大、运动控制困难等问题。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的在于提供一种关节模组，以解决现有技术中存在的机器人质心低、舵机力矩大的技术问题。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种关节模组，包括髋前舵机、膝前舵机、大腿结构件以及大腿连杆结构，所述髋前舵机和所述膝前舵机均设于髋关节处且相互固定，所述髋前舵机和所述膝前舵机的输出轴同轴设置，所述大腿结构件固定于所述髋前舵机的输出轴，所述大腿连杆结构固定于所述膝前舵机的输出轴，且所述大腿连杆结构用于驱动小腿结构件前后摆动。
5.在一个实施例中，所述髋前舵机和所述膝前舵机的输出轴朝向同一方向设置。
6.在一个实施例中，所述髋前舵机的输出轴背向所述膝前舵机设置，所述大腿结构件的数量为两个且同步运动，所述大腿连杆结构设于两个所述大腿结构件之间，所述髋前舵机的外壳和其中一个所述大腿结构件之间通过第一轴承支撑，所述膝前舵机的外壳和另一个所述大腿结构件之间通过第二轴承支撑。
7.在一个实施例中，所述膝前舵机的输出轴和所述髋前舵机的外壳通过支撑轴承连接。
8.在一个实施例中，所述髋前舵机的输出轴面向所述膝前舵机设置，所述大腿连杆结构的数量为两个且同步运动，所述大腿结构件设于两个所述大腿连杆结构之间，所述髋前舵机的外壳和其中一个大腿连杆结构之间通过第三轴承支撑，所述膝前舵机的外壳和另一个所述大腿连杆结构之间通过第四轴承支撑。
9.在一个实施例中，所述髋前舵机和所述膝前舵机的输出轴朝向相反方向设置，且所述髋前舵机的输出轴背向所述膝前舵机设置，所述膝前舵机的输出轴背向所述髋前舵机设置；所述髋前舵机的外壳与所述大腿结构件之间通过第五轴承支撑，所述膝前舵机的外壳和所述大腿连杆结构之间通过第六轴承支撑。
10.在一个实施例中，所述关节模组还包括u形固定架，所述u形固定架具有两个相对设置的固定部，两个所述固定部分别与所述髋前舵机的外壳和所述膝前舵机的外壳固定连接。
11.在一个实施例中，所述大腿连杆结构包括第一曲轴和第一连杆，所述第一曲轴的
一端固定于所述膝前舵机的输出轴，所述第一曲轴的另一端与所述第一连杆转动连接，所述第一连杆的远离所述第一曲轴的一端用于与所述小腿结构件转动连接。
12.本发明还提供一种机器人腿部，包括上述的关节模组。
13.在其中一个实施例中，所述髋前舵机和所述膝前舵机的输出轴朝向同一方向设置，所述髋前舵机的输出轴背向所述膝前舵机设置，所述大腿结构件的数量为两个，所述大腿连杆结构设于两个所述大腿结构件之间，所述髋前舵机的外壳和其中一个所述大腿结构件之间通过第一轴承支撑，所述膝前舵机的外壳和另一个所述大腿结构件之间通过第二轴承支撑；所述机器人腿部还包括两个均设于膝关节处的脚踝舵机、连接于所述大腿连杆结构的小腿结构件，以及连接于所述脚踝舵机的输出轴的小腿连杆结构，所述小腿连杆结构用于驱动脚板前后转动，两个所述脚踝舵机同轴且固定设置，其中一个所述脚踝舵机的输出轴背向另一个所述脚踝舵机设置。
14.在其中一个实施例中，所述小腿结构件开设有轴承孔，所述轴承孔内固定有两个第七轴承，两个所述第七轴承的内圈分别与两个所述脚踝舵机的外壳固定。
15.本发明提供的关节模组及机器人腿部的有益效果在于：与现有技术相比，本发明关节模组包括髋前舵机、膝前舵机、大腿结构件以及大腿连杆结构，大腿连杆结构固定于膝前舵机的输出轴，且用于驱动小腿结构件前后摆动，大腿结构件固定于膝前舵机的输出轴，使髋前舵机和膝前舵机均设于髋关节处，无需将膝前舵机设置于膝关节处，提高了关节模组的质心，减小了舵机所需的力矩。髋前舵机和膝前舵机的输出轴同轴且相互固定设置，使得髋前舵机和膝前舵机同时设置于髋关节时，结构尽可能地紧凑，而且两者相互固定，能够相互支撑，相应能够承受更大的弯矩。
附图说明
16.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。
17.图1为本发明实施例提供的关节模组的立体结构图；
18.图2为本发明实施例提供的关节模组的剖视图；
19.图3为本发明实施例提供的机器人腿部的立体结构图；
20.图4为本发明实施例提供的机器人腿部在膝关节处的剖视图。
21.其中，图中各附图标记：
22.11
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髋前舵机；12
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膝前舵机；13
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大腿结构件；14
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大腿连杆结构；141
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第一曲轴；142
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第一连杆；15
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u形固定架；151
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固定部；16
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第一轴承；17
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第二轴承；18
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支撑轴承；21
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脚踝舵机；22
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小腿结构件；23
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小腿连杆结构；231
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第二曲轴；232
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第二连杆；24
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舵机固定架；25
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脚板；26
‑
第七轴承。
具体实施方式
23.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。
24.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。
25.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。
26.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。
27.现对本发明实施例提供的关节模组进行说明。
28.在本发明的其中一个实施例中，请一并参阅图1及图2，关节模组包括髋前舵机11、膝前舵机12、大腿结构件13以及大腿连杆结构14。髋前舵机11用于驱动大腿结构件13以髋关节为转动中心前后转动，大腿结构件13固定于髋前舵机11的输出轴，膝前舵机12用于驱动大腿连杆结构14运动，大腿连杆结构14固定于膝前舵机12的输出轴，大腿连杆结构14的运动带动小腿结构件22前后摆动。髋前舵机11和膝前舵机12均设于髋关节处，提高了控制小腿结构件22的高度，将该舵机提升到髋关节处，提高了该关节模组的整体质心，这样，在舵机驱动底部关节时，所需的力矩变小，可以降低舵机成本。髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴同轴设置，且髋前舵机11和膝前舵机12相互固定。当髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴同轴设置时，髋前舵机11和膝前舵机12占用髋关节的空间更小，结构更加紧凑，而且髋前舵机11和膝前舵机12相互固定和支撑，使得该关节模组能够承受更大的弯矩。
29.上述实施例中的关节模组，包括髋前舵机11、膝前舵机12、大腿结构件13以及大腿连杆结构14，大腿连杆结构14固定于膝前舵机12的输出轴，且用于驱动小腿结构件22前后摆动，大腿结构件13固定于膝前舵机12的输出轴，使髋前舵机11和膝前舵机12均设于髋关节处，无需将膝前舵机12设置于膝关节处，提高了关节模组的质心，减小了舵机所需的力矩。髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴同轴且相互固定设置，使得髋前舵机11和膝前舵机12同时设置于髋关节时，结构尽可能地紧凑，而且两者相互固定，能够相互支撑，相应能够承受更大的弯矩。
30.需要说明的是，该关节模组可以应用于髋关节，也可以应用于膝关节、肩关节、肘关节等关节结构中，髋前舵机11、膝前舵机12、大腿结构件13以及大腿连杆结构14等名称并不限制该关节模组的具体应用位置。
31.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1，关节模组还包括u形固定架15，髋前舵机11和膝前舵机12均固定在u形固定架15上，实现髋前舵机11和膝前舵机12的相互固定。其中，髋前舵机11和膝前舵机12与u形固定架15的具体连接位置此处不作限定。可选地，u形固定架15包括两个相对设置的固定部151，髋前舵机11的外壳和膝前舵机12的外壳分别固定在两个固定部151上。固定部151可呈板状，且垂直于髋前舵机11的输出轴设置，为了避免和输出轴干涉，髋前舵机11的背向其输出轴一端固定在其中一个固定部151上，膝前舵机12的
背向其输出轴一端固定在另一个固定部151上。
32.在本发明的其中一个实施例中，髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴朝向同一方向设置，即其中一个舵机的输出轴朝关节模组的内部设置，另一个舵机的输出轴朝关节模组的外部设置。在该实施例中，大腿结构件13和大腿连杆结构14相隔一定距离，不会集中在关节模组的同一个位置，方便大腿结构件13和大腿连杆结构14的结构布局。
33.可选地，请参阅图1及图2，髋前舵机11的输出轴背向膝前舵机12设置，即髋前舵机11的输出轴朝向关节模组的外部设置，膝前舵机12的输出轴朝向关节模组的内部设置。大腿结构件13连接于髋前舵机11的输出轴，因此大腿结构件13也设置于关节模组的外侧，大腿连杆结构14连接于膝前舵机12的输出轴，因此大腿连杆结构14也设置于关节模组的内部。大腿结构件13的数量可选为两个，且两个大腿结构件13相互固定，两个大腿结构件13分别设置在关节模组的相对两侧，大腿连杆结构14设置在两个大腿结构件13之间。其中一个大腿结构件13固定于髋前舵机11的输出轴且与该髋前舵机11的外壳之间通过第一轴承16支撑，另一个大腿结构件13和膝前舵机12的外壳之间通过第二轴承17支撑，这样，两个大腿结构件13对髋前舵机11和膝前舵机12形成两侧支撑，增大了髋前舵机11和膝前舵机12可承受的弯矩。髋前舵机11在工作时，固定于其输出轴的大腿结构件13转动，同时带动另一个大腿结构件13转动，两个大腿结构件13分别受到第一轴承16和第二轴承17的支撑。其中，第一轴承16可支撑于髋前舵机11的背向膝前舵机12一侧，第二轴承17可支撑于膝前舵机12的背向髋前舵机11一侧，使第一轴承16和第二轴承17之间的间距足够大，因此能够承受更大的弯矩。
34.当髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴朝向同一方向设置，且髋前舵机11的输出轴背向膝前舵机12设置时，膝前舵机12的输出轴朝向髋前舵机11，膝前舵机12的输出轴和髋前舵机11的外壳之间通过支撑轴承18连接。在膝前舵机12工作时，其输出轴转动，在支撑轴承18的支撑作用下，膝前舵机12的输出轴转动，并不会影响髋前舵机11的位置。因此，在不影响膝前舵机12工作的前提下，能够对髋前舵机11进行支撑。这样，在髋前舵机11或者膝前舵机12受到弯矩作用时，上述的u形固定架15和支撑轴承18可以共同承担弯矩。
35.可选地，髋前舵机11的输出轴面向膝前舵机12设置，即髋前舵机11的输出轴朝向关节模组的内部设置，膝前舵机12的输出轴朝向关节模组的外部设置。大腿结构件13连接于髋前舵机11的输出轴，因此大腿结构件13也设置于关节模组的内部，大腿连杆结构14连接于膝前舵机12的输出轴，因此大腿连杆结构14也设置于关节模组的外侧。大腿连杆结构14的数量可选为两个，且两个大腿连杆结构14同步运动。具体而言，可将两个大腿连杆结构14的第一曲轴141相互固定，使两个大腿连杆结构14同步运动。两个大腿连杆结构14分别设置在关节模组的相对两侧，大腿结构件13设置在两个大腿连杆结构14之间。其中一个大腿连杆结构14固定于膝前舵机12的输出轴且与该膝前舵机12的外壳之间通过第三轴承支撑，另一个大腿连杆结构14和髋前舵机11的外壳之间通过第四轴承支撑，这样，两个大腿连杆结构14对髋前舵机11和膝前舵机12形成两侧支撑，增大了髋前舵机11和膝前舵机12可承受的弯矩。膝前舵机12在工作时，固定于其输出轴的大腿连杆结构14转动，同时带动另一个大腿连杆结构14转动，两个大腿连杆结构14分别受到第三轴承和第四轴承的支撑。其中，第三轴承可支撑于膝前舵机12的背向髋前舵机11一侧，第四轴承可支撑于髋前舵机11的背向膝前舵机12一侧，使第三轴承和第四轴承之间的间距足够大，因此能够承受更大的弯矩。
36.当髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴朝向同一方向设置，且髋前舵机11的输出轴面向膝前舵机12设置时，髋前舵机11的输出轴朝向膝前舵机12，髋前舵机11的输出轴和膝前舵机12的外壳之间通过支撑轴承连接。在髋前舵机11工作时，其输出轴转动，在支撑轴承的支撑作用下，髋前舵机11的输出轴转动，并不会影响膝前舵机12的位置。因此，在不影响髋前舵机11工作的前提下，能够对膝前舵机12进行支撑。这样，在髋前舵机11或者膝前舵机12受到弯矩作用时，上述的u形固定架15和支撑轴承18可以共同承担弯矩。
37.在本发明的其中一个实施例中，髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴朝向相反方向设置，且所述髋前舵机11的输出轴背向膝前舵机12设置，膝前舵机12的输出轴背向髋前舵机11设置，即髋前舵机11的输出轴和膝前舵机12的输出轴均朝向关节模组的外部设置。由于大腿结构件13固定于髋前舵机11的输出轴，因此大腿结构件13设置于关节模组的其中一侧，由于大腿连杆结构14固定于膝前舵机12的输出轴，因此大腿连杆结构14设置于关节模组的另外一侧。髋前舵机11的外壳和大腿结构件13之间通过第五轴承支撑，膝前舵机12的外壳和大腿结构件13之间通过第六轴承支撑，使得髋前舵机11和膝前舵机12同时有第五轴承和第六轴承支撑，形成双侧支撑，可以提高该关节模组可承受的弯矩。由于大腿结构件13和大腿连杆结构14分别设置于关节模组的两侧，则第五轴承和第六轴承也分别设置于关节模组的两侧，相距距离较远，可进一步提高该关节模组可承受的弯矩。
38.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，大腿连杆结构14包括第一曲轴141和第一连杆142。第一曲轴141的一端固定于膝前舵机12的输出轴，第一曲轴141可套设固定在膝前舵机12的输出上，其具体固定方式此处不作限定。第一曲轴141的另一端与第一连杆142转动连接，第一连杆142的远离第一曲轴141的一端则用于与小腿结构件22转动连接。在膝前舵机12工作时，第一曲轴141相应转动，第一曲轴141的旋转带动第一连杆142转动，第一连杆142带动小腿结构件22转动。第一连杆142和小腿结构件22的转动连接处为膝关节。通过第一曲轴141和第一连杆142的转动，可以将膝前舵机12设置于髋关节处，提高关节模组的质心。
39.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，髋前舵机11和膝前舵机12均包括外壳、电机、减速器以及行星架，电机和减速器均设置于外壳内，减速器连接于电机的输出端，行星架连接于减速器的输出端。电机可以是外转子电机、内转子电机、空心杯电机等；减速器可以是一级或者多级行星减速器、圆柱齿轮减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器。行星架设置于外壳的外侧，髋前舵机11的输出轴与其对应的行星架固定，大腿结构件13则固定在该行星架上，膝前舵机12的输出轴与其对应的行星架固定，大腿连杆结构14则固定在该行星架上。
40.本发明还提供一种机器人腿部，请参阅图3及图4，机器人腿部包括上述任一实施例中的关节模组。该关节模组可用于机器人腿部的髋关节处或者膝关节处。
41.本发明提供的机器人腿部，采用了上述的关节模组，关节模组包括髋前舵机11、膝前舵机12、大腿结构件13以及大腿连杆结构14，大腿连杆结构14固定于膝前舵机12的输出轴，且用于驱动小腿结构件22前后摆动，大腿结构件13固定于膝前舵机12的输出轴，使髋前舵机11和膝前舵机12均设于髋关节处，无需将膝前舵机12设置于膝关节处，提高了关节模组的质心，减小了舵机所需的力矩。髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴同轴且相互固定设置，使得髋前舵机11和膝前舵机12同时设置于髋关节时，结构尽可能地紧凑，而且两者相互
固定，能够相互支撑，相应能够承受更大的弯矩。
42.在本发明的其中一个实施例中，髋前舵机11和膝前舵机12的输出轴朝向同一方向设置，且髋前舵机11的输出轴背向膝前舵机12设置，即髋前舵机11的输出轴朝向关节模组的外部设置，膝前舵机12的输出轴朝向关节模组的内部设置。大腿结构件13连接于髋前舵机11的输出轴，因此大腿结构件13也设置于关节模组的外侧，大腿连杆结构14连接于膝前舵机12的输出轴，因此大腿连杆结构14也设置于关节模组的内部。大腿结构件13的数量可选为两个，且两个大腿结构件13相互固定，两个大腿结构件13分别设置在关节模组的相对两侧，大腿连杆结构14设置在两个大腿结构件13之间。其中一个大腿结构件13固定于髋前舵机11的输出轴且与该髋前舵机11的外壳之间通过第一轴承16支撑，另一个大腿结构件13和膝前舵机12的外壳之间通过第二轴承17支撑，这样，两个大腿结构件13对髋前舵机11和膝前舵机12形成两侧支撑，增大了髋前舵机11和膝前舵机12可承受的弯矩。
43.同时，机器人腿部还包括两个脚踝舵机21、小腿结构件22和两个小腿连杆结构23，每个脚踝舵机21的输出轴对应与一个小腿连杆结构23连接，小腿连杆结构23的另一端用于与脚板25转动连接，在脚踝舵机21工作时，小腿连杆结构23转动，脚板25也相应前后转动。如此，脚踝舵机21可以设置在膝关节处，无需设置在脚踝关节处，可以提高机器人腿部的质心。两个脚踝舵机21同轴且固定设置，使得两个脚踝舵机21相互固定和支撑，从而使得膝关节处能够承受更大的弯矩。而且当两个脚踝舵机21的输出轴同轴设置时，占用膝关节的空间更小，结构更加紧凑。
44.可选地，请参阅图3及图4，关节模组还包括舵机固定架24，两个脚踝舵机21均固定在舵机固定架24上。其中，舵机固定架24可选为与u形固定架15的结构相同。两个脚踝舵机21的外壳分别固定在舵机固定架24的两侧。
45.可选地，小腿结构件22上开设有轴承孔，轴承孔与小腿结构件22沿膝关节转动的转动轴线同轴设置。轴承孔内固定有第七轴承26，第七轴承26的内圈和脚踝舵机21的外壳固定，使得第七轴承26对两个脚踝舵机21的外壳形成支撑。在该实施例中，小腿结构件22包裹于部分脚踝舵机21的外壳的外部，便于小腿结构件22和大腿连杆结构14连接。第一轴承16的数量可为两个，沿膝关节的转动中心轴依次排列，可以对脚踝舵机21形成更好的支撑，能够承受的弯矩也更大。
46.可选地，脚踝舵机21的结构可选为与髋前舵机11的结构相同。
47.可选地，小腿连杆结构23包括第二曲轴231和第二连杆232，第二曲轴231的一端连接于脚踝舵机21的输出轴，第二曲轴231的另一端与第二连杆232转动连接，第二连杆232的远离第二曲轴231的一端转动连接于脚板25。在脚踝舵机21工作时，第二曲轴231转动，带动第二连杆232转动，第二连杆232的转动使脚板25相应转动。两个小腿连杆结构23同步运动能够使脚板25的运动更加平稳。
48.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。