關節型機器人及其直線驅動器的製作方法

2023-09-22 03:45:25

本發明涉及家用機器人技術領域，具體的說，涉及一種關節型機器人及其直線驅動器。

背景技術：

當今關節型機器人發展迅速，仿人型家用機器人作為家庭娛樂、教育消費品，大量湧入市場。現有的直線驅動器通常使用大模數齒輪，一般尺寸較大，並且缺少傳感器反饋運動信息，從而導致控制性能較差。

因此，提供一種關節型機器人的直線驅動器，以提高控制性能，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種關節型機器人的直線驅動器，以提高控制性能。本發明還提供了一種具有上述直線驅動器的關節型機器人。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種關節型機器人的直線驅動器，其包括：

外殼；

設置在所述外殼內並依次布置的驅動電機、減速器、螺杆和推桿，其中，所述驅動電機的輸出軸與所述減速器相連，所述螺杆與所述減速器的輸出軸連接並與所述減速器的輸出軸同步轉動，所述螺杆的軸線與所述驅動電機的輸出軸共線，所述推桿與所述螺杆螺紋連接並沿所述螺杆的軸線直線運動，所述推桿沿所述螺杆移動時導電部件的電阻值發生變化；

用於獲取所述導電部件電阻值的傳感器；

與所述驅動電機和所述傳感器信號連接的控制模塊。

優選的，上述的直線驅動器中，所述減速器為行星減速器。

優選的，上述的直線驅動器中，所述行星減速器的齒輪和所述推桿的材料均為聚醚醚酮、不鏽鋼或尼龍。

優選的，上述的直線驅動器中，所述螺杆可轉動的設置在所述外殼內部的深溝球軸承內。

優選的，上述的直線驅動器中，所述導電部件包括電刷和滑片電阻，且所述電刷和所述滑片電阻一者設置在所述推桿上，另一者設置在所述外殼內壁。

優選的，上述的直線驅動器中，所述電刷固定在所述推桿上，所述滑片電阻設置在所述外殼內壁。

優選的，上述的直線驅動器中，所述傳感器安裝在所述推桿和所述外殼之間。

優選的，上述的直線驅動器中，所述傳感器為碳膜電阻式傳感器。

優選的，上述的直線驅動器中，所述控制模塊集成在集成電路板上，且所述集成電路板安裝在所述外殼內部。

一種關節型機器人，包括直線驅動器，其中，所述直線驅動器為如上述任一項所述的直線驅動器，所述直線驅動器為防水直線驅動器。

經由上述的技術方案可知，本發明公開了一種關節型機器人的直線驅動器，包括外殼、設置在外殼內並依次布置的驅動電機、減速器、螺杆和推桿，其中，驅動電機的輸出軸與減速器相連，螺杆與減速器的輸出軸連接並與減速器的輸出軸同步轉動，該螺杆的軸線與驅動電機的輸出軸共線，上述的推桿與螺杆螺紋連接並沿螺杆的軸線直線運動，該推桿沿螺杆移動時導電部件的電阻值發生變化，傳感器用於獲取導電部件的電阻值，並通過控制模塊與驅動電機信號連接。本申請中的直線驅動器，通過驅動電機的工作帶動螺杆的轉動，實現推桿的直線運動，完成直線驅動，此外，通過傳感器獲取導電部件的電阻值從而確定推桿的位置，並通過控制模塊實現信號的反饋，從而提高了直線驅動器的控制性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的直線驅動器的外殼的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的直線驅動器的內部推桿內縮時的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的直線驅動器的部分結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的直線驅動器的減速器拆解結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的直線驅動器的推桿外伸結構示意圖。

具體實施方式

本發明的核心是提供一種關節型機器人的直線驅動器，以提高控制性能。本發明的另一核心是提供了一種具有上述直線驅動器的關節型機器人。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1-圖5所示，本發明公開了一種關節型機器人的直線驅動器，包括外殼1、設置在外殼1內並依次布置的驅動電機2、減速器3、螺杆4和推桿5，其中，驅動電機2的輸出軸與減速器3相連，螺杆4與減速器3的輸出軸連接並與減速器3的輸出軸同步轉動，該螺杆4的軸線與驅動電機2的輸出軸共線，上述的推桿5與螺杆4螺紋連接並沿螺杆4的軸線直線運動，該推桿5沿螺杆4移動時導電部件的電阻值發生變化，傳感器用於獲取導電部件的電阻值，並通過控制模塊與驅動電機2信號連接。本申請中的直線驅動器，通過驅動電機的工作帶動螺杆的轉動，實現推桿5的直線運動，完成直線驅動，此外，通過傳感器獲取導電部件的電阻值從而確定推桿5的位置，並通過控制模塊實現信號的反饋，從而提高了直線驅動器的控制性能。

將螺杆4的軸線與驅動電機2的輸出軸的軸線設置為共線可減小直線驅動器縱向的寬度。

對上述各個部件進行單獨說明：

外殼1包括後端蓋101、電機外殼102、減速箱外殼103和推桿外殼104以及前端蓋105。其中，後端蓋101、電機外殼102、減速箱外殼103、推桿外殼104與前端蓋105依次通過外螺釘同軸連接形成筒狀結構，電機外殼102後端與後端蓋101螺紋連接，由後端蓋101密封，從而形成整體的外殼1結構，外殼1的內部具有51mmx15mmx10mm的立方體空間。後端蓋101、電機外殼102、減速箱外殼103、推桿外殼104與前端蓋105之間均設置可防水的密封圈，以使外殼1具有防水功能，便於關節型機器人進行水下作業。上述電機外殼102內部安裝有驅動電機2，減速箱外殼103內安裝有減速器3，推桿外殼104內安裝有推桿5。減速箱外殼103左端設計有定位臺肩用來定位驅動電機2，推桿外殼104前端與前端蓋105螺紋連接，且前端蓋105端面上開有通孔，為推桿伸縮孔，並用於周向定位推桿5，為推桿5的伸縮運動導向，實現推桿5沿螺杆4的軸線移動。

此外，本申請中的驅動電機2的一端與後端蓋101貼合，實現驅動電機2軸向定位，驅動電機2的輸出軸連接減速器3的輸入軸。本申請中的驅動電機2可以是有刷空心杯電機、無刷空心杯電機、有刷鐵芯電機或無刷鐵芯電機。

具體的實施例中，為了保證驅動電機2的輸出軸與螺杆4的軸線共線，同時降低驅動電機2的轉速，將減速器3設置為行星減速器。具體的，本申請中的行星減速器可為具有一級或多級結構相同的行星齒輪齒輪系(本實施例中減速器具有兩級行星齒輪輪系)，隨減速器3所採用行星齒輪輪係數量的增加，可使驅動電機2的輸出軸運動速度下降幅度增加，進而使最終推桿4輸出力增加。對於一級行星齒輪輪系具體包括一個太陽輪301、三個行星輪302與一個行星架303；同時減速箱外殼103的內部周向上設計有內齒結構304，作為減速器3的內齒輪。上述行星齒輪採用微型行星齒輪設計方法設計，所使用的模數可以是0.1、0.12、0.15、0.16、0.18、0.2或0.25模。

當減速器設計具有一級行星齒輪輪系時，具體安裝方式為：三個行星輪302周向均布，通過轉軸安裝於行星架303後側面上；行星架前側面同軸安裝螺杆4。太陽輪301固定安裝於驅動電機2的輸出軸上；且太陽輪301與三個行星輪均302嚙合，同時三個行星輪302均與減速箱外殼103內部周向內齒結構304嚙合。由此，驅動電機2的輸出軸運動可帶動太陽輪301轉動，由太陽輪301帶動三個行星輪302轉動，進而帶動行星架303與螺杆4轉動；最終使驅動電機2的輸出軸的運動經過行星齒輪輪系減速後傳遞至螺杆4。

當減速器3設計具有一級以上的行星齒輪輪系時，具體安裝方式為：各級行星齒輪輪系由後至前設置。為便於說明，令由後至前各級行星齒輪輪系分別為1、2、3、……、i、……、n級行星齒輪輪系；其中太陽輪分別為1、2、3、……、i、……、n級太陽輪；行星輪分別為1、2、3、……、i、……、n行星輪；行星架分別為1、2、3、……、i、……、n級行星架。則1級行星齒輪輪系中，三個1級行星輪周向均布，通過轉軸安裝於1級行星架後側面上；1級行星架前側面同軸安裝2級太陽輪。1級太陽輪固定安裝於驅動電機2的輸出軸上；且1級太陽輪與三個1級行星輪嚙合。n級行星齒輪輪吸中，三個n級行星輪周向均布，通過轉軸安裝於n級行星架後側面上；n級行星架前側面同軸安裝螺杆4。而對於相鄰兩級行星齒輪輪系間的連接方式為：i+1級行星齒輪輪系中，i+1級太陽輪與外殼同軸設置，固定安裝於i級行星架前端面上，且與三個i級行星輪嚙合。上述各級齒輪輪系中的三個行星輪均與減速箱外殼103內部周向內齒結構304嚙合。由此，驅動電機的輸出軸運動可帶動1級太陽輪轉動，由1級太陽輪帶動三個1級行星輪轉動，進而帶動1級行星架及2級太陽輪轉動，由2級太陽輪帶動三個2級行星輪轉動，最終帶動2級行星輪架轉動，3～n級行星齒輪減速器的傳動方式同1級與2級間的傳動方式，因此最終會帶動n級行星架與螺杆4轉動，最終使驅動電機2輸出軸的運動經過n級行星齒輪輪系減速後傳遞至螺杆4。

上述的減速器3的每一級的行星齒輪個數也可以為4個，同樣為均布布置。

本申請中行星減速器的齒輪的材料為peek(聚醚醚酮)，聚醚醚酮的耐磨性能好，可以延長直線驅動器的使用壽命。此外，該行星減速器的齒輪的材料還可為不鏽鋼或尼龍。

同理，可將推桿5的材料也設置為聚醚醚酮，同時，該推缸5的材料也可為不鏽鋼或尼龍。

螺杆4後端與推桿外殼104周向上通過軸承6連接，軸承6外圈的左右定位分別通過在減速箱外殼103前端和推桿外殼104後端內壁周向上設計的臺肩實現；軸承6內圈的左右定位分別通過2級行星架前側面以及螺杆4上套接的定位螺母7實現。螺杆4的輸出端為外螺紋段，絕緣材料的推桿5與螺杆4輸出端間螺紋套接，使螺杆4與推桿5間形成螺旋傳動。軸承6為深溝球軸承，能夠實現徑向和軸箱雙向運動。

推桿5後端設計為矩形截面，同時將推桿外殼104內設計為與推桿5後端截面相同的矩形通道，由此通過推桿5後端與推桿外殼104內壁面間配合，推桿5後端的截面也可以為其它非圓形形狀(不限定形狀)，推桿外殼104內設計為與推桿5後端截面相同的通道，限制了推桿5在推桿外殼104內的轉動運動，由此螺杆4的轉動僅可帶動推桿5沿殼體軸向直線運動，使推桿5由前端蓋105上的推桿伸縮孔處伸縮。且當推桿5處於收縮狀態時，推桿5前端端面與前端蓋105的前端面齊平，如圖2所示；推桿5處於伸出狀態時如圖5所示。

帶位置反饋的直線驅動器帶有傳感器，可以用來反饋位置信息。具體的傳感器可以為碳膜電阻式傳感器，還可以是容柵式傳感器、光柵式傳感器或磁柵式傳感器，本申請中的傳感器安裝在推桿5和推桿外殼104之間。所述的傳感器還可以直接安裝在驅動電機2的輸出軸上，直接監測驅動電機2的運動信息。

在一具體實施中，上述的導電部件包括電刷8和滑片電阻9，並按以下形式安裝：上述推桿5後端外側壁上安裝有電刷8，同時在推桿外殼104內壁上安裝有條形的滑片電阻9，滑片電阻9沿推桿外殼104軸向設置，安裝後保證電刷8與滑片電阻9接觸。由此，在推桿5移動過程中，電刷8可在滑片電阻9的表面沿外殼1的軸向滑動，且電刷8的引腳電阻會發生變化，從而可以反映出推桿5的位置，最終通過讀取電刷8的電阻值變化來監測推桿5的伸出長度。

傳感器連接集成電路板，上述的控制器集成在集成電路板上，集成電路板設置於外殼1內，實現對推桿5位置的控制，無需直線驅動器再外接電路板；集成電路板為柔性板，體積小、安裝方便、允許變形，以減小直線驅動器的體積，減小關節型機器人的體積。

此外，本申請還公開了一種關節型機器人，包括直線驅動器，其中，該直線驅動器為上述實施例中公開的直線驅動器，因此，具有該直線驅動器的關節型機器人也具有上述所有技術效果，在此不再一一贅述，其中，該直線驅動器為防水直線驅動器。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。