拟人机器人的关节旋转限位机构论文和设计-廖华清

全文摘要

本实用新型公开了一种拟人机器人的关节旋转限位机构，包括旋转件和滑销，所述旋转件的旋转体末端形成有滑片，滑片的外缘形成有沿径向突出的滑片周向运动限位块；所述滑销的滑销座内开设有滑槽；滑槽与滑片相配合；滑槽的内缘形成有沿径向突出的滑槽周向运动限位块；所述旋转体的末端还形成有轴向限位槽，所述滑销座内形成轴向限位片，轴向限位片与轴向限位槽相配合；所述滑销的滑销座侧部形成装配开口。本实用新型能够限定旋转件的最大旋转角度，从而使机器人的动作更加接近人类的动作。

主设计要求

1.一种拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：包括旋转件（5）和滑销（22），所述旋转件（5）的旋转体（5-1）末端形成有滑片（5-4），滑片（5-4）的外缘形成有沿径向突出的滑片周向运动限位块；所述滑销（22）的滑销座（22-1）内开设有滑槽（22-3）；滑槽（22-3）与滑片（5-4）相配合；滑槽（22-3）的内缘形成有沿径向突出的滑槽周向运动限位块；所述旋转体（5-1）的末端还形成有轴向限位槽（5-3），所述滑销座（22-1）内形成轴向限位片（22-4），轴向限位片（22-4）与轴向限位槽（5-3）相配合；所述滑销（22）的滑销座（22-1）侧部形成装配开口。

设计方案

2.根据权利要求1所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述旋转体（5-1）的末端还形成有颈部（5-2）；所述滑销座（22-1）内开设有颈部配合槽口（22-2），颈部配合槽口（22-2）与颈部（5-2）相配合；颈部（5-2）的外径小于旋转体（5-1）的外径。

3.根据权利要求2所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述颈部（5-2）的外径小于颈部配合槽口（22-2）的内径；颈部（5-2）与颈部配合槽口（22-2）配合时，颈部（5-2）与颈部配合槽口（22-2）之间形成线槽圈。

4.根据权利要求3所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述颈部（5-2）开设有过线口。

5.根据权利要求2所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述旋转件（5）的轴向限位槽（5-3）沿周向延伸；所述滑销（22）的轴向限位片（22-4）位于滑槽（22-3）与颈部配合槽口（22-2）之间。

6.根据权利要求1所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述滑销座（22-1）形成连接法兰（22-5），通过连接法兰（22-5）实现滑销座（22-1）的固定设置。

7.根据权利要求1所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述滑片周向运动限位块为对称分布的两个；所述滑槽周向运动限位块为一个。

8.根据权利要求1所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述旋转体（5-1）的末端镶嵌一磁铁（24），所述滑销座（22-1）上设置霍尔传感器（23）；霍尔传感器（23）位于磁铁（24）的下方。

9.根据权利要求1所述的拟人机器人的关节旋转限位机构，其特征在于：所述滑销座（22-1）的侧部装配开口的宽度为滑销座（22-1）的直径。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种拟人机器人的附件，具体涉及一种拟人机器人的关节旋转限位机构。

背景技术

随着技术的飞速发展，拟人机器人代表了机器人领域中的最高水平。由于拟人机器人能够模仿人类的动作，因此其可以真正代替人类去完成各种工作，如在高危、高温的工作环境中工作，以彻底改变人类的工作和生活方式。

要使拟人机器人完成人类的动作，就要求拟人机器人具有人类一样灵活的关节。人体主要的大关节有髋关节、肩关节、肘关节、膝关节、踝关节等。而机器人关节的主要任务是完成旋转动作，包括如绕X轴方向的旋转，绕Y轴方向的旋转以及绕Z轴方向的旋转。现有的机器人关节的旋转动作一般采用舵机完成，舵机的优点是控制精度高，但却只具有一个自由度。而人体各关节至少有两个自由度，这就需要在同一关节处使用两个甚至三个舵机，由于舵机是独立于机器人的身体骨架的，舵机的个数增加，必然导致关节的长度增大，身体的刚度则随之变差。为保持机器人身体的稳定性，只能增大舵机的功率，舵机本身的尺寸随之增大，又进一步导致关节变长。

因此，采用舵机的拟人机器人只能作为玩具，不能真正完成人类的动作而代替人类去工作。

为此，可以采用空心杯电机作为动力驱动机构直接驱动关节进行旋转，将空心杯电机与机器人的身体骨架有机地结合在一起作为关节，能够使机器人的结构更加接近于人类，完成动作的姿态也更加接近于人类。但是，空心杯电机的输出转速动辄几千转甚至上万转，只要一启动，关节就会360°地转圈，而人体关节不可能绕着轴转圈，因此需要一种旋转限位机构对关节的最大旋转角度进行限位。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种拟人机器人的关节旋转限位机构，它可以对旋转件的最大旋转角度进行限位。

为解决上述技术问题拟人机器人的关节旋转限位机构，本实用新型的技术解决方案为：

包括旋转件和滑销，所述旋转件的旋转体末端形成有滑片，滑片的外缘形成有沿径向突出的滑片周向运动限位块；所述滑销的滑销座内开设有滑槽；滑槽与滑片相配合；滑槽的内缘形成有沿径向突出的滑槽周向运动限位块；所述旋转体的末端还形成有轴向限位槽，所述滑销座内形成轴向限位片，轴向限位片与轴向限位槽相配合；所述滑销的滑销座侧部形成装配开口。

本实用新型在旋转件和滑销上分别设置有周向运动限位块，能够限定旋转件的最大旋转角度。并且，本实用新型在旋转件与滑销之间形成滑片与滑槽的凸凹配合，同时还形成轴向限位槽与轴向限位片的凹凸配合，两道凸凹配合不仅能够充分限定旋转件的旋转自由度，避免旋转件产生与旋转无关的运动，而且充分利用了旋转体末端的空间，无需额外增加旋转体的长度，从而使关节的长度尽可能短。

在另一实施例中，所述旋转体的末端还形成有颈部；所述滑销座内开设有颈部配合槽口，颈部配合槽口与颈部相配合；颈部的外径小于旋转体的外径。

在另一实施例中，所述颈部的外径小于颈部配合槽口的内径；颈部与颈部配合槽口配合时，颈部与颈部配合槽口之间形成线槽圈。

在另一实施例中，所述颈部开设有过线口。

在另一实施例中，所述旋转件的轴向限位槽沿周向延伸；所述滑销的轴向限位片位于滑槽与所述颈部配合槽口之间。

在另一实施例中，所述滑销座形成连接法兰，通过连接法兰实现滑销座的固定设置。

在另一实施例中，所述滑片周向运动限位块为对称分布的两个；所述滑槽周向运动限位块为一个。

在另一实施例中，所述旋转体的末端镶嵌一磁铁，所述滑销座上设置霍尔传感器；霍尔传感器位于磁铁的下方。

在另一实施例中，所述滑销座的侧部装配开口的宽度为滑销座的直径。

本实用新型可以达到的技术效果是：

本实用新型能够限定旋转件的最大旋转角度，从而使机器人的动作更加接近人类的动作。

本实用新型的滑销与旋转体之间形成有线槽圈，机器人的控制线缆在穿过过线口后能够沿周向绕线一圈再向其它部位延伸，圈绕的控制线缆则位于线槽圈内，这种绕线方式能够使控制线缆在关节旋转过程中有足够的余量收紧，还能够防止控制线缆在旋转件的旋转运动过程中因崩紧而断裂。

附图说明

本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本实用新型的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本实用新型的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的实用新型构思。

结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施方式，并且与上文的总体说明和下列附图的详细说明一起用于解释本实用新型的原理。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是本实用新型拟人机器人的关节旋转限位机构的工作原理示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是图1的剖面示意图；

图4是本实用新型的结构示意图；

图5是本实用新型的分解示意图；

图6是本实用新型的滑销的示意图；

图7是本实用新型的滑销与旋转件的滑片配合状态示意图，图中旋转件处于第一极限位置；

图8是本实用新型的滑销与旋转件的滑片配合状态示意图，图中旋转件处于第二极限位置。

图中附图标记说明：

5为旋转件，

19为减速机构， 20为减速机外壳，

21为驱动电机， 22为滑销，

23为霍尔传感器， 24为磁铁，

5-1为旋转体， 5-2为颈部，

5-3为轴向限位槽， 5-4为滑片，

22-1为滑销座， 22-2为颈部配合槽口，

22-3为滑槽， 22-4为轴向限位片，

22-5为连接法兰，

5-4-1、5-4-2为滑片周向运动限位块，

22-3-1为滑槽周向运动限位块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本实用新型拟人机器人的关节旋转限位机构，用于对旋转件5的旋转角度进行限位，包括旋转件5和滑销22；

如图1至图3所示，旋转件5固定连接减速机构19的输出齿轮，减速机构19的输入端连接驱动电机21；驱动电机21通过减速机构19带动旋转件5旋转；减速机构19设置于减速机外壳20内；驱动电机21可以采用空心杯电机；

如图4、图5所示，旋转件5包括旋转体5-1，旋转体5-1的末端依次形成有滑片5-4、轴向限位槽5-3和颈部5-2，滑片5-4的外缘形成有两个沿径向突出的滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2，两个滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2呈180°分布；轴向限位槽5-3沿周向延伸，颈部5-2的外径小于旋转体5-1的外径；

如图6所示，滑销22包括滑销座22-1，滑销座22-1内依次开设有滑槽22-3和颈部配合槽口22-2，滑槽22-3与滑片5-4相配合，颈部配合槽口22-2与颈部5-2相配合；滑槽22-3的内缘形成有沿径向突出的滑槽周向运动限位块22-3-1，滑槽22-3的内径与滑片5-4的外径之间的间隙大于滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2或滑槽周向运动限位块22-3-1的径向尺寸，如滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2与滑槽周向运动限位块22-3-1的径向尺寸不同，则滑槽22-3与滑片5-4之间的间隙大于较大的周向运动限位块的径向尺寸，以使滑片5-4能够相对于滑槽22-3旋转，当二者的周向运动限位块相接触时，则阻止滑片5-4继续旋转，从而对滑片5-4的最大旋转角度进行限定；

滑槽22-3与颈部配合槽口22-2之间形成轴向限位片22-4，轴向限位片22-4与轴向限位槽5-3相配合，使轴向限位片22-4与轴向限位槽5-3之间只能相对旋转而不能发生上下方向的相对平移；

滑销座22-1的侧部形成装配开口，装配开口的宽度为滑销座22-1的直径；优选地，滑销座22-1的横断面为侧U型；安装时旋转件5能够从侧部的装配开口装入滑销座22-1，实现颈部5-2与颈部配合槽口22-2的配合，轴向限位槽5-3与轴向限位片22-4的配合，以及滑片5-4与滑槽22-3的配合；

滑销座22-1的顶部形成连接法兰22-5，通过连接法兰22-5实现滑销座22-1的固定设置。

优选地，颈部5-2的外径小于颈部配合槽口22-2的内径，以使颈部5-2与颈部配合槽口22-2配合时，颈部5-2与颈部配合槽口22-2之间能够形成线槽圈；颈部5-2开设有过线口，以使旋转体5-1内腔的控制线缆能够穿过过线口并圈绕于颈部5-2外圆；由于该颈部5-2外圆处形成有线槽圈，即使颈部5-2外圆圈绕有控制线缆，也不影响旋转件5与滑销22之间的相对旋转运动。

本实用新型的旋转限位原理如下：

当旋转件5相对于滑销22旋转时，能够带动滑片5-4在滑槽22-3内旋转；当旋转件5相对于滑销22旋转至滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2的其中一个抵于滑槽周向运动限位块22-3-1时，由于两个周向运动限位块的相互干涉作用，滑槽周向运动限位块22-3-1能够阻止旋转件5继续旋转，从而实现对旋转件5的旋转限位；

如图7所示，当旋转件5旋转至滑片5-4的第一滑片周向运动限位块5-4-1接触滑槽周向运动限位块22-3-1时，旋转件5处于第一极限位置；

如图8所示，当旋转件5反向旋转至滑片5-4的第二滑片周向运动限位块5-4-2接触滑槽周向运动限位块22-3-1时，旋转件5处于第二极限位置。

本实用新型在滑槽22-3内设置有一个滑槽周向运动限位块22-3-1，在滑片5-4上对称设置有两个滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2，则旋转件5的最大旋转角度不超过180°；滑槽周向运动限位块22-3-1和滑片周向运动限位块5-4-1、5-4-2的周向宽度所对应的圆心角决定了旋转件5的最大旋转角度，本实施例为能够正向或反向旋转140°。由于人体各关节的旋转角度不可能超过180°，因此本实用新型能够使机器人的动作更加接近人类的动作。

作为一个优选实施例，可以在旋转体5-1的末端镶嵌一磁铁24，并且在滑销座22-1上设置霍尔传感器23；具体地，在旋转体5-1的滑片5-4中心镶嵌磁铁24，在滑销座22-1内开孔，并在开孔处固定设置霍尔传感器23，霍尔传感器23位于磁铁24的下方；当旋转体5-1旋转时带动磁铁24同步旋转，则霍尔传感器23能够探测到磁铁24的旋转角度，从而获取旋转件5的旋转角度。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形，而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形在内。

设计图

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