CN102026782B - 具有双枢转连接部的电动关节和采用该关节的拟人机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有两个枢转连接部的电动关节和采用这种关节的拟人机器人。该关节包括轴线不平行的两个枢转连接部、通过第一减速器(51)驱动所述两个枢转连接部中的第一个(16)的第一电机(50)，和通过第二减速器(53)驱动所述两个枢转连接部中的第二个的第二电机(52)。根本发明，这两个减速器中的一个(53)包括位于通过此减速器(53)相关联的电机(52)和枢转连接部(17)之间的斜齿轮(62)。

Description

具有双枢转连接部的电动关节和采用该关节的拟人机器人

技术领域

本发明涉及具有两个枢转连接部的电动关节(motorized joint)，和采用这种关节的拟人机器人。本发明在拟人机器人的制造过程中特别有用，希望改进拟人机器人的人机工程学性能。

背景技术

这种类型的机器人被装备有很多关节，使机器人身体的不同部分，例如头部或肢部，能够运动。人体的某些关节，例如肩部、肘部或颈部可以借助于包括两个枢转连接部的关节在机器人中复制，这也被称为双枢转连接部。更特别地，从第一枢转连接部的出口构成第二枢转连接部的入口。例如，在肘部，前臂相对于臂用关节进行连接，以使允许前臂绕前臂沿其延伸的轴线进行第一旋转，以及绕与第一轴线成直角的第二轴线进行第二旋转。换句话说，前臂相对比臂的旋转具有两个自由度。

在机器人中，关节被电力致动，例如借助于旋转型电机，每个旋转型电机控制一个旋转的自由度。因此，在如上所述的具有两个成直角的轴线的关节中，必须具有两个电机，每一个电机控制一个方向的旋转。为了制造这种关节，可以将电机和其相应的旋转轴线对准。这种配置实现起来很简单，但在肘部的实例中，例如，其中一个电机必须相对于关节突出出来。这个突出阻挡了机器人的某些运动。

另外，为了使机器人的臂能够沿着机器人的身体放置，电机在肘部形成的突出肯定向身体外部延伸。该突出相对于形成机器人脊柱的竖直轴线来说是对称的。这种配置要求关节也是对称的。关节不能是完全相同的，因此降低了组成机器人的机械部件的标准化程度。

发明内容

本发明的目的是通过省却电机必需的突出部而消除这些问题中的一些或全部。通常地，本发明能够改进包括两个枢转连接部的关节的紧凑性。

为实现此目的，本发明的主体是包括两个枢转连接部的关节，这两个枢转连接部的轴线不平行，通过第一减速器驱动这两个枢转连接部中的第一个的第一电机，和通过第二减速器驱动这两个枢转连接部中的第二个的第二电机，其特征在于，这两个减速器中的一个包括电机和此减速器关联的枢转连接部之间的斜齿轮。

本发明的目的还在于包括至少一个根据本发明的关节的拟人机器人。

附图说明

通过阅读作为实例提供的多个实施例的详细描述，将更好地理解本发明，并且其他的优势也将更明显，这些实例的描述通过附属的图示示意出了，其中：

图1表示形成拟人机器人肘部的关节；

图2表示本发明的第一实施例的运动简图；

图3表示图2中示意出的关节的主要零件的实施例；

图4表示本发明的第二实施例的运动简图；

图5表示图4中示意出的关节的主要零件的实施例；

图6表示装配于其工作环境中的第二实施例的关节的变异，并且其减速器包括行星轮系。

具体实施方式

为清楚起见，不同图示中的相同元件具有相同的标记。

本发明关于拟人机器人的肘部进行了描述。本发明并不限制于此肘部，并且应了解，可以将本发明实施于任意的电动双枢轴连接部关节，特别用于拟人机器人的其他关节，例如颈部或肩部。

图1表示拟人机器人的上肢10的一部分。上肢10包括臂11和前臂12。关节13允许前臂12沿两个旋转轴线相对于臂11运动。第一轴线14沿前臂11的主方向延伸，而第二轴线15与轴线14成直齿角。关节13包括两个枢转连接部16和17。枢转连接部16允许前臂12绕轴线14旋转，而枢转连接部17允许前臂12绕轴线15旋转。在图1中，枢转连接部16和17部分被臂11的外壳和前臂12的外壳隐藏。根据此配置，优选轴线14和15成直角。应了解，为了实施本发明，可以制造轴线14和15不会聚于一点的关节。通常地，本发明可以实施为轴线14和15不平行。

图2表示本发明的第一实施例的运动简图。关节13包括第一电机20和第二电机22，第一电机20通过第一减速器21驱动枢转连接部16，第二电机22通过第二减速器23驱动枢转连接部17。

电机20和22是旋转型的。它们可以是任意类型的，并且例如可以是直流电机。

减速器21具有平行轴线。它包括多个直齿轮系。在图中的示例中，四个轮系24至27彼此连续，以获得需要的减速比。电机20驱动轮系24，而轮系27的输出轴28构成枢转连接部16的旋转部分。枢转连接部16的固定部分由臂11的支撑结构29构成。电机20的定子30也与支撑结构29制成一体。在枢转连接部16中，电机20的旋转能够通过减速器21控制轴28相对于支撑结构29的运动的不同参数，也就是角位置、速度和转矩。因而，电机20控制前臂12绕轴线14的运动。

减速器21的输出轴28还与活动部分31制成一体，活动部分31构成减速器23的输出轴。轴28沿轴线14延伸，而活动部分31沿轴线15延伸。因而，在所描述的配置中，活动部分31因此垂直于轴28。减速器23包括两个直齿轮系32和33，和轮系34，轮系34形成朝向电机22的输出轴35的斜齿轮。斜齿轮34使得电机22能够和前臂12的支撑结构36对正。更特别地，电机22的输出轴35沿前臂12的纵向方向延伸。斜齿轮34能够防止电机22与轴线15对正。事实上，前臂12大体垂直于轴线15延伸。具有优势地，斜齿轮34实质上在枢转连接部17的轴线15和电机22的输出轴35之间提供直角。枢转连接部17的固定部分37与支撑结构36制成一体。在枢转连接部17中，电机22的旋转能够通过减速器23控制活动部分31相对于枢转连接部17的固定部分37的运动，并因此控制前臂12绕线轴15的运动。

图3表示图2中示意出的关节的主要零件的实施例。图中示出了通过减速器21驱动轴28的电机20。在图3中为了避免过于复杂，在枢转连接部16中仅示出了轴28：关节还包括在图中没有示出的轴承，轴承允许轴28相对于支撑结构29的旋转和导向。轴28与叉40制成一体，构成枢转连接部17的活动部分的轴31被固定在叉40内。图3还示出了电机22和减速器23。在此图示中，减速器包括四个轮系，其中包括斜齿轮34。与图2中的运动简图相比，图3中添加了另外一级直齿轮系33a。在本发明的实施中轮系的数目并不重要。这取决于与减速器有关的需要的减速比。

斜齿轮34具有优势地包括与小齿轮42关联的面齿轮(face gear)41，例如，小齿轮42与电机22的输出轴35制成一体。为了提供斜齿轮，与使用锥形齿轮相比使用面齿轮41具有很多优势。锥形齿轮具有受限的减速比，它们对轴的对准错误非常敏感，并且制造成本高于面齿轮和直齿小齿轮的联合。面齿轮和直齿小齿轮的联合还能够消除锥形齿轮产生的轴向力。

为了允许精确控制前臂12的微小运动，减速器21和23可以具有约150至200的较大减速比。为了能够通过作用于机器人外面而使前臂12运动，同时不损坏减速器21和23，减速器21和23具有优势地是可逆的。为实现此目的，可以使用基于充填了聚四氟乙烯的塑胶例如聚酰胺制造的齿轮，以限制接触的齿轮间的摩擦。为了改进减速器21和23的机械特性，还可以用碳纤维填充基础材料。

图4示出了本发明的第二实施例的运动简图。关节13包括第一电机50和第二电机52，第一电机50通过第一减速器51驱动枢转连接部16，第二电机52通过第二减速器53驱动枢转连接部17。

电机50和52类似于电机20和22。减速器51具有平行轴线。其包括例如三个连续的直齿轮系54至56。电机50驱动轮系54，而轮系56驱动电机52的定子60。定子60构成枢转连接部16的旋转部分。枢转连接部16的固定部分由臂11的支撑结构29构成。如前面描述的，在枢转连接部16中，电机50的旋转能够通过减速器51控制前臂12绕轴线14的角位置。电机52的定子60重合于减速器51的输出轴线14。

电机52的输出轴61构成减速器53的输入部，减速器53包括斜齿轮62，后面紧跟着两个直齿轮系63和64。轮系64的输出轴65构成枢转连接部17的活动部分。输出轴65与前臂12的支撑结构36制成一体。如前面所述的，斜齿轮62可在电机52沿其旋转的枢转连接部17的轴线15(轴线14)和减速器53的输出轴65之间提供大致直角。枢转连接部17的固定部分与电机52的定子60制成一体。电机52的旋转轴线平行于电机50的旋转轴线。

在本实施例中，电机50和51或减速器51和53都不在前臂12内。用于电机50和51的所有电控制可以布置于臂11内。因此，可以限制穿过关节13的电线。此变异还能够减小关节的惯性。事实上，对于臂来说，电机52的定子60相对于支撑结构29只绕其输出轴61的轴线14旋转。

图5示出了图4中示意出的关节的主要零件的实施例。图中示出了电机50，电机50通过减速器51驱动电机52的定子60绕轴线14旋转。电机52通过减速器53驱动轴65和支撑结构绕轴线15旋转。如前面所述，斜齿轮62可以包括面齿轮66，面齿轮66通过直齿小齿轮67驱动，直齿小齿轮67与电机52的输出轴61制成一体。

在这两个实施例中，减速器21、23、51和53中的每一个包括多个直齿轮系，在每个减速器中，直齿轮系可以被行星轮系代替。对于较大的减速比，这种类型的轮系通常比一连串的直齿轮系更紧凑。

图6示出了装配于其工作环境中的第二实施例的关节13的变异。电机50和52以及减速器51布置于臂11内部。在臂11的外壳和臂12的外壳之间只能看到减速器53。在此变异中，减速器包括代替了连续的直齿轮系63和64的行星轮系68。

具有优势地，关节13连接机器人的两个元件，并且关节13的组成元件被包括于这些元件的体积内和布置于这两个元件之间的球形体积70内，该球形体积70的直径小于这两个元件的横向直径d11和d12。

更特别地，在第二实施例中，减速器53可以被包含于位于臂11和前臂12之间的球形体积70内。该球形体积70的直径小于臂11和前臂12各自的横向直径d11和d12。该大大减小的球形体积70防止从关节13的任意凸出部，这些突出部可能阻挡机器人的运动。具有被减小的尺寸的球形体积70还存在于第一实施例中。在图6示出的变异中，行星轮系68能够减小球形体积70。

Claims (7)

1.一种关节，包括：两个枢转连接部（16、17），所述两个枢转连接部的轴线（14、15）不相互平行；第一电机（50），所述第一电机通过具有平行轴线的第一减速器（51）驱动所述两个枢转连接部中的第一个（16）；和第二电机（52），所述第二电机通过第二减速器（53）驱动所述两个枢转连接部中的第二个（17），其特征在于，所述第二电机（52）的旋转轴线平行于所述第一电机（50）的旋转轴线，所述第二减速器（53）包括锥齿轮（62），并且，所述第二电机（52）的定子（60）始终重合于第一减速器（51）的输出轴线（14），所述第二电机（52）的输出轴（61）构成所述第二减速器（53）的输入部。

2.根据权利要求1所述的关节，其特征在于，所述锥齿轮（62）包括面齿轮（67）。

3.根据权利要求1或2所述的关节，其特征在于，所述减速器（51、53）中的一个包括行星轮系。

4.根据权利要求1或2所述的关节，其特征在于，所述减速器（51、53）是可逆的。

5.根据权利要求3所述的关节，其特征在于，所述减速器（51、53）是可逆的。

6.一种拟人机器人，其特征在于，所述拟人机器人包括至少一个如前面任一权利要求所述的关节（13）。

7.一种如权利要求6所述的拟人机器人，其特征在于，所述关节（13）连接着所述机器人的两个元件，并且，所述关节（13）的组成元件包含于所述元件的体积内和布置于所述两个元件之间的球形体积（70）内，所述球形体积的直径小于所述两个元件的横向直径（d11和d12）。

Images