球关节机构及具有其的机器人的制作方法

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1.本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种球关节机构及具有其的机器人。

背景技术：

2.人形机器人是机器人技术的高级发展阶段，它是集机电、材料、计算机、传感器、控制技术等多门学科于一体的高度交叉的前沿学科。在人形机器人的整个系统中，如何实现关节的拟真活动以及关节结构的设计是一个难点。
3.在机器人技术发展的初期，机器人的关节结构大多由多个单转动副串联堆叠而成。这种结构控制上容易实现，而且结构简单。但是多个转动副串联的形式使得关节结构体积庞大、显得笨重冗余。并且各个转动轴不能交于一点，与人的关节结构有较大差距。
4.而机器人技术发展至今，机器人关节结构也在不断地进行优化改进，其中球形关节是机器人关节技术中的难点，现阶段的球形关节往往具有耦合自由度，各自由度之间存在相互影响，从而影响关节机构整体的动作姿态，增大控制难度。

技术实现要素：

5.为解决现有技术中机器人关节结构复杂、体积庞大、不利于活动的问题，本实用新型提供了一种球关节机构及具有其的机器人。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，一方面，本实用新型提出了一种球关节机构，包括：第一蜗轮组件和第一蜗杆，第一蜗杆与第一蜗轮组件驱动连接，使第一蜗轮组件能够以第一轴线为轴转动；第二蜗轮组件和第二蜗杆，第二蜗轮组件固定设置在第一蜗轮组件上，第二蜗杆与第二蜗轮组件驱动连接，使第二蜗轮组件能够以第二轴线为轴转动，第二轴线与第一蜗杆的轴线共面，第二轴线与第一蜗杆的轴线均垂直于第一轴线，第一轴线与第二轴线共面并相交于该平面内的一点。
6.在一些实施方式中，第二蜗轮组件包括：蜗轮基体和齿条，齿条固定设置在蜗轮基体上，第二蜗杆与齿条啮合，第一蜗轮组件固定设置在蜗轮基体上。
7.在一些实施方式中，蜗轮基体上设置有装配槽，齿条设置在装配槽中。
8.在一些实施方式中，蜗轮基体在第二轴线的位置上设置有避让缺口，第一蜗轮组件设置在避让缺口中。
9.在一些实施方式中，第二蜗轮组件还包括花键，花键穿设在第一蜗轮组件和蜗轮基体中。
10.在一些实施方式中，球关节机构还包括支架结构和两个定位板，第二蜗轮组件还包括多个滑块结构，第二蜗杆可转动地设置在支架结构中，两个定位板设置在支架结构相对的两侧，蜗轮基体可活动地设置在两个定位板之间，定位板朝向蜗轮基体的一侧设置有滑槽，多个滑块结构设置在蜗轮基体上，多个滑块结构能够伸入滑槽并在滑槽中移动。
11.在一些实施方式中，滑块结构包括销轴和轴承，销轴固定在蜗轮基体上，轴承设置在销轴上。
12.在一些实施方式中，球关节机构还包括第一驱动电机，第一驱动电机与第一蜗杆
驱动连接，第一驱动电机的轴线与第一蜗杆的轴线平行，第二轴线、第一蜗杆的轴线以及第一驱动电机的轴线共面，第一驱动电机的轴线与第一轴线共面。
13.在一些实施方式中，球关节机构还包括第二驱动电机，第二驱动电机与第二蜗杆驱动连接，第二驱动电机的轴线与第二蜗杆的轴线平行，第一轴线、第二蜗杆的轴线以及第二驱动电机的轴线共面。
14.另一方面，本实用新型还提供了一种机器人，包括具备上述全部或部分技术特征的球关节机构。
15.实施本实用新型的实施例，将具有如下有益效果：
16.采用了上述球关节机构之后，第一蜗轮组件和第一蜗杆、第二蜗轮组件和第二蜗杆组成两组蜗轮蜗杆结构，第二蜗轮组件设置在第一蜗轮组件上，使第二蜗轮组件能够与第一蜗轮组件同步转动。同时第二蜗轮组件的第二轴线与第一蜗轮组件的第一轴线共面且相交于该平面内的一点，使球关节机构整体的结构紧凑。并且关节具有两个转动自由度并汇于一点，两个自由度相互独立、互不影响，使得关节结构与人类关节更为接近，能够更灵活地模拟人类关节运动。两组蜗轮蜗杆传动结构能够得到较大的减速比，并且传动平稳、噪音小、能够实现自锁以保持关节的动作姿态。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.其中：
19.图1示出了根据本实用新型的球关节结构的一个实施例的结构示意图；
20.图2示出了图1的球关节结构的分解结构示意图；
21.图3示出了图2的球关节结构在另一视角下的结构示意图；
22.图4示出了图1的球关节结构的剖视结构示意图；
23.图5示出了图1的球关节结构在另一视角下的局部剖视结构示意图；
24.图6示出了图1的球关节结构在另一视角下的局部剖视结构示意图；
25.图7示出了图1的球关节结构在另一视角下的局部剖视结构示意图；以及
26.图8示出了图7的球关节结构的m-m向剖视结构示意图的局部放大结构示意图。
27.上述附图中包含以下附图标记：
28.10、第一蜗轮组件；11、蜗轮本体；12、凸台；21、第一蜗杆；22、第三齿轮；30、第二蜗轮组件；31、蜗轮基体；32、齿条；33、装配槽；34、避让缺口；35、滑块结构；351、轴承；352、销轴；36、花键；41、第二蜗杆；42、第四齿轮；81、箱体；82、箱盖；83、底板；84、第一镶套；87、滑槽；88、定位板；89、支架结构；91、第一驱动电机；92、第二驱动电机；93、第一齿轮；94、第二齿轮；95、第二镶套；97、第三镶套。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果所述特定姿态发生改变时，则所述方向性指示也相应地随之改变。
31.另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个所述特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
32.如图1至图4所示，本实施例的球关节机构包括第一驱动电机91、第一蜗轮组件10、第一蜗杆21、第二驱动电机92、第二蜗轮组件30以及第二蜗杆41。其中，第一驱动电机91的输出轴上设置有第一齿轮93，第二驱动电机92的输出轴上设置有第二齿轮94。
33.第一齿轮93、第一蜗轮组件10和第一蜗杆21设置在箱体81中，箱体81一端设置有容纳固定第一蜗杆21和第一齿轮93的凹槽，底板83能够盖设在凹槽的开放端；另一端为两侧支承中间镂空的结构，用于放置第一蜗轮组件10，箱盖82能够扣合在支承结构上。第一齿轮93和第一蜗杆21上的第三齿轮22啮合，第一蜗杆21和第一蜗轮组件10啮合，实现第一蜗杆21与第一蜗轮组件10的驱动连接，当第一驱动电机91运转时，第一蜗轮组件10能够以第一轴线a为轴转动。
34.如图5和图6所示，第一蜗轮组件10包括蜗轮本体11和凸台12，凸台12设置在蜗轮本体11的两侧。凸台12上设置有第一镶套84，第一齿轮93和箱体81之间设置有第二镶套95，第三齿轮22和箱体81之间设置有第三镶套97。
35.第二蜗轮组件30、第二蜗杆41和第二驱动电机92设置在支架结构89上，支架结构89上半部分横向设有电机定位槽和固定孔用以固定第二驱动电机92。支架结构89的中部横向加工有蜗杆内孔，用以装配第二蜗杆41。支架结构89的下部纵向设有圆弧状槽口，该圆弧状槽口与第二蜗轮组件30相适配并形成间隙配合。第二蜗轮组件30固定设置在第一蜗轮组件10上，同时能够在上述圆弧状槽口中转动。
36.第二齿轮94和第二蜗杆41上的第四齿轮42啮合，第二蜗杆41和第二蜗轮组件30啮合，实现第二蜗杆41与第二蜗轮组件30驱动连接，当第二驱动电机92运转时，第二蜗轮组件30能够以第二轴线b为轴转动。参考图1、图5和图6，第二轴线b与第一蜗杆21的轴线c共面，第二轴线b与第一蜗杆21的轴线c均垂直于第一轴线a，参考图1和图4，第一轴线a与第二轴线b共面并相交于该平面内的一点。
37.采用了上述球关节机构之后，第一蜗轮组件10和第一蜗杆21、第二蜗轮组件30和第二蜗杆41组成两组蜗轮蜗杆结构，第二蜗轮组件30设置在第一蜗轮组件10上，使第二蜗轮组件30能够与第一蜗轮组件10同步转动。同时第二蜗轮组件30的第二轴线b与第一蜗轮组件10的第一轴线a共面且相交于该平面内的一点，使球关节机构整体的结构紧凑。本实施例的球关节机构具有绕第一轴线a的俯仰动作，绕第二轴线b的摆动动作两个转动自由度并
汇于一点，两个自由度相互独立、互不影响，使得关节结构与人类关节更为接近，能够更灵活地模拟人类关节运动。两组蜗轮蜗杆传动结构能够得到较大的减速比，并且传动平稳、噪音小、能够实现自锁以保持关节的动作姿态。
38.参考图5和图6，第一驱动电机91的轴线e与第一蜗杆21的轴线c平行，第二轴线b、第一蜗杆21的轴线c以及第一驱动电机91的轴线e共面，第一驱动电机91的轴线e与第一轴线a共面。
39.参考图5和图6，第二驱动电机92的轴线f与第二蜗杆41的轴线d平行，第一轴线a、第二蜗杆41的轴线d以及第二驱动电机92的轴线f共面。
40.上述结构使本实施例的球关节机构结构紧凑、整体纤薄，有利于驱动第一蜗轮组件10和第二蜗轮组件30转动或者对第一蜗轮组件10和第二蜗轮组件30制动。
41.具体地，如图2、图3和图8所示，本实施例的第二蜗轮组件30包括蜗轮基体31和齿条32，蜗轮基体31的前后端面上个设有4个螺纹孔，4个螺纹孔沿圆周分布，齿条32通过紧固件固定设置在蜗轮基体31上。第二蜗杆41与齿条32啮合，第一蜗轮组件10固定设置在蜗轮基体31上。蜗轮基体31和齿条32分体设置一方面便于二者各自加工成型，另一方面使蜗轮基体31和齿条32可以根据自身工况需求选用不同的材质，提高了第二蜗轮组件30的灵活性。
42.优选地，本实施例的蜗轮基体31的外圆弧面上设置有装配槽33，齿条32设置在装配槽33中，齿条32通过紧固件固定在装配槽中。上述结构便于齿条32的安装固定，并且便于加工、易于实现。
43.如图2所示，本实施例的蜗轮基体31在第二轴线b的位置上设置有避让缺口34，第一蜗轮组件10及箱体81等结构设置在避让缺口34中。避让缺口34使第一蜗轮组件10的中心能够与第二蜗轮组件30的中心重合，使第一轴线a和第二轴线b均穿过该重合点，有利于缩小球关节机构的体积，使球关节结构紧凑、轻便。
44.具体地，如图5和图6所示，第二蜗轮组件30还包括花键36，花键36穿设在蜗轮本体11、凸台12和蜗轮基体31中。花键36使蜗轮本体11、凸台12和蜗轮基体31相对固定，当蜗轮本体11转动时，蜗轮本体11和凸台12带动蜗轮基体31相对箱体81转动，从而使第二蜗轮组件30相对第一蜗轮组件10转动，完成球关节结构的绕第一轴线a的转动。该结构简单，易于实现。
45.优选地，如图3和图5所示，花键36的两端设置有螺纹孔，在花键36装配完成后，螺纹孔中可以装配限位螺钉，使花键36轴向固定在蜗轮基体31中。
46.本实施例的花键36具体为六键分布的矩形花键，在图中未示出的其他实施例中，花键36也可以替代为其他形式的矩形花键或者渐开线花键。
47.如图3所示，本实施例的球关节机构还包括两个定位板88，第二蜗轮组件30还包括多个滑块结构35，第二蜗杆41可转动地设置在支架结构89中，两个定位板88通过紧固件设置在支架结构89相对的两侧，蜗轮基体31可活动地设置在两个定位板88之间，定位板88朝向蜗轮基体31的一侧设置有滑槽87，多个滑块结构35设置在蜗轮基体31上，多个滑块结构35能够伸入滑槽87并在滑槽87中移动。
48.具体地，参考图7和图8，滑块结构35包括销轴352和轴承351，销轴352的一端通过螺纹结构固定在蜗轮基体31上，轴承351从销轴352的另一端装入销轴352至销轴352的轴肩
上，销轴352的端部安装有轴端挡圈使轴承351轴向定位。
49.滑槽87的布置方向与轴承351的分布一致，轴承351能够伸入圆弧状的滑槽87，在蜗轮基体31绕第二轴线b转动时，轴承351能够沿滑槽87布置的方向移动。轴承351与滑槽87间隙配合，避免轴承351与滑槽87卡死影响转动。轴承351与滑槽87之间为滚动摩擦，能够有效地减少摩擦阻力，使球关节结构的活动更灵活。
50.本实用新型还提供了一种机器人，根据本实施例的机器人(图中未示出)包括球关节机构，球关节机构为包含上述全部或部分技术内容的机器人。
51.上文所述的球关节机构具有俯仰和侧摆两个自由度，俯仰的第一轴线a由第一驱动电机91控制，侧摆的第二轴线b由第二驱动电机92控制，第一轴线a和第二轴线b正交于一点。
52.应用本实施例的机器人，至少具备关节结构与人类关节更为接近，能够更灵活地模拟人类关节运动的优点。本实施例的机器人的关节中的两组蜗轮蜗杆传动结构能够得到较大的减速比，并且传动平稳、噪音小、能够实现自锁以保持关节的动作姿态。
53.以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

技术特征：

1.一种球关节机构，其特征在于，包括：第一蜗轮组件和第一蜗杆，所述第一蜗杆与所述第一蜗轮组件驱动连接，使所述第一蜗轮组件能够以第一轴线为轴转动；第二蜗轮组件和第二蜗杆，所述第二蜗轮组件固定设置在所述第一蜗轮组件上，所述第二蜗杆与所述第二蜗轮组件驱动连接，使所述第二蜗轮组件能够以第二轴线为轴转动，所述第二轴线与所述第一蜗杆的轴线共面，所述第二轴线与所述第一蜗杆的轴线均垂直于所述第一轴线，所述第一轴线与所述第二轴线共面并相交于该平面内的一点。2.根据权利要求1所述的球关节机构，其特征在于，所述第二蜗轮组件包括：蜗轮基体和齿条，所述齿条固定设置在所述蜗轮基体上，所述第二蜗杆与所述齿条啮合，所述第一蜗轮组件与所述蜗轮基体相对固定地设置。3.根据权利要求2所述的球关节机构，其特征在于，所述蜗轮基体上设置有装配槽，所述齿条设置在所述装配槽中。4.根据权利要求2所述的球关节机构，其特征在于，所述蜗轮基体在所述第二轴线的位置上设置有避让缺口，所述第一蜗轮组件设置在所述避让缺口中。5.根据权利要求2所述的球关节机构，其特征在于，所述第二蜗轮组件还包括花键，所述花键穿设在所述第一蜗轮组件和所述蜗轮基体中。6.根据权利要求2所述的球关节机构，其特征在于，所述球关节机构还包括支架结构和两个定位板，所述第二蜗轮组件还包括多个滑块结构，所述第二蜗杆可转动地设置在所述支架结构中，两个所述定位板设置在所述支架结构相对的两侧，所述蜗轮基体可活动地设置在两个所述定位板之间，所述定位板朝向所述蜗轮基体的一侧设置有滑槽，多个所述滑块结构设置在所述蜗轮基体上，多个所述滑块结构能够伸入所述滑槽并在所述滑槽中移动。7.根据权利要求6所述的球关节机构，其特征在于，所述滑块结构包括销轴和轴承，所述销轴固定在所述蜗轮基体上，所述轴承设置在所述销轴上。8.根据权利要求1所述的球关节机构，其特征在于，所述球关节机构还包括第一驱动电机，所述第一驱动电机与所述第一蜗杆驱动连接，所述第一驱动电机的轴线与所述第一蜗杆的轴线平行，所述第二轴线、所述第一蜗杆的轴线以及所述第一驱动电机的轴线共面，所述第一驱动电机的轴线与所述第一轴线共面。9.根据权利要求1所述的球关节机构，其特征在于，所述球关节机构还包括第二驱动电机，所述第二驱动电机与所述第二蜗杆驱动连接，所述第二驱动电机的轴线与所述第二蜗杆的轴线平行，所述第一轴线、所述第二蜗杆的轴线以及所述第二驱动电机的轴线共面。10.一种机器人，包括球关节机构，其特征在于，所述球关节机构为权利要求1至9中任意一项所述的球关节机构。

技术总结

本实用新型提供了一种球关节机构及具有其的机器人。其中，球关节机构包括：第一蜗轮组件和第一蜗杆，第一蜗杆与第一蜗轮组件驱动连接，使第一蜗轮组件能够以第一轴线为轴转动；第二蜗轮组件和第二蜗杆，第二蜗轮组件固定设置在第一蜗轮组件上，第二蜗杆与第二蜗轮组件驱动连接，使第二蜗轮组件能够以第二轴线为轴转动，第二轴线与第一蜗杆的轴线共面，第二轴线与第一蜗杆的轴线均垂直于第一轴线，第一轴线与第二轴线共面并相交于该平面内的一点。本实用新型的技术方案有效地解决了现有技术中机器人关节结构复杂、体积庞大、不利于活动的问题。问题。问题。