申请/专利权人：沈阳新松机器人自动化股份有限公司

申请日：2016-06-24

公开（公告）日：2021-01-12

公开（公告）号：CN107538496B

主分类号：B25J11/00(20060101)

分类号：B25J11/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.12#授权;2018.01.30#实质审查的生效;2018.01.05#公开

摘要：本发明涉及机器人技术领域，具体公开一种机器人双自由度头部机构，包括机架、头部俯仰电机、头部旋转电机、俯仰传动机构、旋转传动机构、俯仰轴，以及头部安装法兰；头部俯仰电机及头部旋转电机呈上下正交垂直设置，均固定设置于机架上；俯仰轴与机架转动连接，俯仰传动机构分别与头部俯仰电机及俯仰轴连接，所述头部俯仰电机通过所述俯仰传动机构将动力传送至所述俯仰轴，使俯仰轴相对于机架进行俯仰运动；旋转传动机构分别与头部旋转电机及头部安装法兰连接，头部旋转电机通过旋转传动机构带动机器人双自由度头部机构相对于头部安装法兰进行旋转运动。本发明的头部机构完全模块化设计，采用头部安装法兰，接口统一，互换性增强的技术效果。

主权项：1.一种机器人双自由度头部机构，其特征在于：所述机器人双自由度头部机构包括机架、头部俯仰电机、头部旋转电机、俯仰传动机构、旋转传动机构、俯仰轴，以及用于安装所述机器人双自由度头部机构的头部安装法兰；所述头部俯仰电机及所述头部旋转电机呈上下正交垂直设置，均固定设置于所述机架上；所述俯仰轴与所述机架转动连接，所述俯仰传动机构分别与所述头部俯仰电机及所述俯仰轴连接，所述头部俯仰电机通过所述俯仰传动机构将动力传送至所述俯仰轴，使所述俯仰轴相对于所述机架进行俯仰运动；所述旋转传动机构分别与所述头部旋转电机及所述头部安装法兰连接，所述头部旋转电机通过所述旋转传动机构带动所述机器人双自由度头部机构相对于所述头部安装法兰进行旋转运动；所述俯仰传动机构为带传动机构，包括主动带轮、从动带轮及齿形带；所述旋转传动机构为齿轮传动机构，包括旋转主动齿轮、旋转从动齿轮；所述机器人双自由度头部机构还包括用于进行内部走线的中空旋转轴，所述中空旋转轴与所述机架固定连接，所述中空旋转轴通过支撑轴承与轴承座转动连接，并采用轴承固定卡簧对支撑轴承进行轴向定位，所述轴承座与所述头部安装法兰及从动齿轮固定连接；所述俯仰电机及所述旋转电机均安装有多圈绝对码盘，所述多圈绝对码盘用于记录关节零位及旋转角度；所述主动带轮与所述头部俯仰电机的输出轴固定连接，所述从动带轮与所述俯仰轴固定连接；所述旋转主动齿轮安装于所述头部旋转电机的输出轴上，所述旋转从动齿轮固定于所述头部安装法兰上；所述头部旋转电机通过偏心法兰与所述机架固定连接，通过改变所述偏心法兰的安装孔位调整所述主动齿轮和所述从动齿轮的中心距；所述头部俯仰电机通过带轮张紧法兰安装在所述机架上，所述机架上安装有带轮张紧块，所述带轮张紧块上安装有两个带轮张紧钉，所述带轮张紧钉顶在所述带轮张紧法兰上，所述带轮张紧钉通过固定螺母固定，通过旋转带轮张紧钉可调整带轮张紧法兰的松紧度，从而调整所述主动带轮与所述从动带轮的中心距。

全文数据：机器人双自由度头部机构技术领域[0001]本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人双自由度头部机构。背景技术[0002]灵活的头部机构是机器人服务机器人等）的重要组成部分，对外界人和其他事物的识别与认知并作出相应的反应均通过机器人的头部机构实现，作为机器人与环境相互作用的重要环节，服务机器人的灵活性及智能化会直接影响机器人的可操作能力与应用范围。安装带有双自由度头部的智能型服务机器人能够实现与人的交流沟通，并通过头部的点头、摇头等动作对与外界事物之间的沟通作出反应，此外，机器人头部机构在机器人视觉方面发挥着至关重要的作用，除了能够扩大机器人的视觉范围外，还能通过调整头部的运动配合相关视觉系统完成不同物体的识别或跟随等功能，实现真正意义上的拟人化，实用性及娱乐性更强，可应用在家庭清洁、医疗陪护、教育娱乐、超市商场等各种应用场合。[0003]目前，市面上常见的服务机器人大多没有头部机构，只由本体框架构成，还有一少部分服务机器人安装有固定头部或单一自由度的头部，灵活性差，拟人化程度低。市场上可见的双自由度头部服务机器人种类较少，部分结构笨拙难于安装及调试，同时互换性及模块化程度较低，接口不能做到统一。发明内容[0004]本发明旨在克服现有服务机器人头部自由度低且互换性及模块性差的技术的缺陷，提供一种新型机器人双自由度头部机构，包括机架、头部俯仰电机、头部旋转电机、俯仰传动机构、旋转传动机构、俯仰轴，以及用于安装所述机器人双自由度头部机构的头部安装法兰；[0005]所述头部俯仰电机及所述头部旋转电机呈上下正交垂直设置，均固定设置于所述机架上；[0006]所述俯仰轴与所述机架转动连接，所述俯仰传动机构分别与所述头部俯仰电机及所述俯仰轴连接，所述头部俯仰电机通过所述俯仰传动机构将动力传送至所述俯仰轴，使所述俯仰轴相对于所述机架进行俯仰运动；[0007]所述旋转传动机构分别与所述头部旋转电机及所述头部安装法兰连接，所述头部旋转电机通过所述旋转传动机构带动所述机器人双自由度头部机构相对于所述头部安装法兰进行旋转运动。[0008]一些实施例中，所述俯仰传动机构为带传动机构，包括主动带轮、从动带轮及齿形带;所述旋转传动机构为齿轮传动机构，包括旋转主动齿轮、旋转从动齿轮。[0009]一些实施例中，所述主动带轮与所述头部俯仰电机的输出轴固定连接，所述从动带轮与所述俯仰轴固定连接;所述旋转主动齿轮安装于所述头部旋转电机的输出轴上，所述从动旋转齿轮固定于所述头部安装法兰上。[0010]一些实施例中，所述机器人双自由度头部机构还包括用于进行内部走线的中空旋转轴，所述中空旋转轴与所述机架固定连接，所述中空旋转轴通过支撑轴承与轴承座转动连接，并采用轴承固定卡簧对支撑轴承进行轴向定位，所述轴承座与所述头部安装法兰及从动齿轮固定连接。_[0011]一些实施例中，述头部旋转电机通过偏心法兰与所述机架固定连接，通过改变所述偏心法兰的安装孔位调整所述主动齿轮和所述从动齿轮的中心距。[0012]一些实施例中，所述头部俯仰电机通过带轮张紧法兰安装在所述机架上，所述机架上安装有带轮张紧块，所述带轮张紧块上安装有两个带轮张紧钉，所述带轮张紧钉顶在所述带轮张法兰上，所述带轮张紧钉通过固定螺母固定，通过旋转带轮张紧钉可调整带轮张紧法兰的松紧度，从而调整所述主动带轮与所述从动带轮的中心距。[0013]—些实施例中，所述俯仰轴安装有用于连接表情板和或智能PAD的安装板。[0014]一些实施例中，所述俯仰电机及所述旋转电机均安装有多圈绝对码盘，所述多圈码盘用于记录关节零位及旋转角度。[0015]一些实施例中，所述机器人双自由度头部机构还包括用于驱动所述头部俯仰电机及所述头部旋转机构的驱动板卡，所述驱动板卡还用于控制与电机匹配的码盘以及表情板和或智能PAD。[0016]本发明的有益效果在于:本发明的机器人双自由度头部机构，头部机构完全模块化设计，采用头部安装法兰，达到了接口统一，互换性增强的技术效果。[0017]更加地，集成双电机，采用上下正交垂直结构设置，且分别采用齿轮传动与带轮传动实现头部的双自由度运动，从而达到了结构紧凑、简单易实现、且运动范围大的双自由度运动的技术效果。[0018]更加地，头部俯仰电机及头部旋转电机内均安装有多圈绝对码盘，从而达到了无需添加额外的零位机构，实现高精度记录关节零位及旋转角度的技术效果。附图说明[0019]图1示出了本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的整体结构示意图；[0020]图2为本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的头部俯仰电机及头部旋转电机的位置结构示意图；^00211图3为本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的带传动及其张紧机构示意图的位置结构示意图；[0022]图4为本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的俯仰传动机构结构示意图；[00231图5为本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的旋转传动机构的局部放大结构不意图；[0024]图6为本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的俯仰轴连接示意图。[0025]附图标记说明：[0026]头部俯仰电机1头部旋转电机2[0027]机架3旋转电机偏心法兰4[0028]驱动板卡5旋转主动齿轮6[0029]旋转从动齿轮7中空旋转轴8[0030]俯仰轴9主动带轮10[0031]从动带轮n同步齿形带12[0032]带轮张紧法兰13表情板智能PAD14[OO33]表情板智能PAD安装板15耳部喇叭安装板16[0034]头部安装法兰17带轮张紧钉18[0035]带轮张紧钉固定螺母19带轮张紧块20[0036]多圈绝对码盘21驱动板卡安装架22[0037]中空旋转轴支撑轴承23轴承固定卡簧24[0038]轴承座25俯仰轴支撑轴承16[0039]轴承端盖27具体实施方式[0040]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。[0041]本发明的主要构思为:通过设计头部俯仰电机1、头部旋转电机2、机架3、旋转电机偏心法兰4、驱动板卡5、旋转主动齿轮6、旋转从动齿轮7、中空旋转轴8、俯仰轴9、俯仰主动带轮6、俯仰从动带轮7、同步齿形带12、带轮张紧法兰13等结构配置，使结构模块化设计，通过头部安装法兰17,使得接口统一，互换性及通用性好。该发明结构紧凑方便外壳制作，高度集成，完全模块化设计。[0042]请参考图1-6,示出了本发明机器人双自由度头部机构一个实施例的结构示意图。在本实施例中，机器人双自由度头部机构包括机架3、头部俯仰电机1、头部旋转电机2、俯仰传动机构、旋转传动机构、俯仰轴9,以及用于安装机器人双自由度头部机构的头部安装法兰17。[0043]俯仰轴9与机架3转动连接，俯仰传动机构分别与头部俯仰电机1及俯仰轴9连接，头部俯仰电机1通过俯仰传动机构将动力传送至俯仰轴9,使俯仰轴9相对于机架3进行俯仰运动。旋转传动机构分别与头部旋转电机1及头部安装法兰17连接，头部旋转电机2通过旋转传动机构带动机器人双自由度头部机构进行相对于头部安装法兰17进行旋转运动。[0044]具体地，如图2所示，机架3为U型板状结构，头部俯仰电机1及头部旋转电机2均固定设置于机架3内部，且头部俯仰电机1设置于头部旋转电机2的上方，二者呈上下正交垂直设置，这使得该机器人双自由度头部机构一方面节省空间，另一方面为表情板智能PAD14预留安装及运动空间，更方便外壳的制作，罩上外壳后内部机构不会与外壳干涉或外漏。旋转电机2与俯仰电机1均安装有多圈绝对码盘21，匹配的多圈绝对码盘21直径24mm，长20mm。多圈绝对码盘21的优点在于可以记录电机的初始位置，当设定好电机的初始位置后多圈绝对码盘21记录该位置作为零位，以后每次启动都会找到零位位置，不会让头部机构无规律转动。常见的零位标记都是通过额外的电位计或传感器机构实现，不仅复杂还占用空间，本发明的机器人双自由度头部机构中的多圈绝对码盘21还能记录电机转过的角度，通过记录电机转过的角度判定头部的运动角度，精度高。用于记录关节零位及旋转角度，因此不用添加额外的零位机构，机器人上电后马上知道零位及转角。[0045]如图3和图6所示，俯仰电机1置于上方，为带传动机构，包括主动带轮10、从动带轮11及同步齿形带12,俯仰电机1通过带有张紧机构的皮带传动实现头部俯仰自由度。俯仰电机1安装在带轮张紧法兰13上，进一步安装在机架3上，机架3上安装有带轮张紧块20,带轮张紧块20上安装有两个带轮张紧钉18,带轮张紧钉18顶在带轮张紧法兰13上，带轮张紧钉18通过固定螺母19进行防松，通过旋进带轮张紧钉18可进一步顶远带轮张紧法兰13,从而进一步加大了主动带轮10和从动带轮11的中心距，此时起到了同步齿形带12的张紧作用。主动带轮10与俯仰电机1的输出轴固定连接，从动带轮11与俯仰轴9固定连接。俯仰轴9通过支撑轴承26与机架3转动连接，轴承端盖27固定连接在机加3上用于支撑轴承26的轴向定位。表情板智能PAD安装板15固连在俯仰轴9上，表情板智能PAD14安装在安装板15上，耳部喇叭安装板16分别安装在表情板智能PAD14的两侧，用于安装喇叭或其他设备。因此，在俯仰电机1的带动下，通过主动带轮10、从动带轮11及同步齿形带12传送给俯仰轴9,在俯仰轴9的带动下，进行俯仰运动，从而带动表情板智能PAD进行俯仰。[0046]结合图1和图2所示，可以看出，头部旋转电机2通过齿轮传动实现头部旋转，旋转传动机构为齿轮传动机构，包括旋转主动齿轮6、旋转从动齿轮7。头部旋转电机2通过偏心法兰4安装在机架3上，改变偏心法兰4的安装孔位可以调整主动齿轮6和从动齿轮7的中心距，用于消除齿轮传动间隙。主动齿轮6与旋转电机2的输出轴固定连接，从动齿轮7与头部安装法兰17固定连接，头部旋转电机2驱动主动齿轮6旋转时，由于从动齿轮7与头部法兰17固连不动，反作用力使主动齿轮6带动旋转电机2及头部机构整体绕从动齿轮7旋转，实现头部机构的旋转自由度。[0047]本发明采用齿轮传动和带传动机构，这是由于:传统服务机器人头部自由度多为电机驱动实现，传动方式主要有齿轮传动、齿形带传动、刚性绳传动、连杆传动等几种传动方式，其中齿轮传动最好实现为常见传动方式;齿形带传动精度高、传动距离远，但需要张紧机构；绳传动可节省空间但容易打滑难固定、难张紧;连杆传动结构简单但模块化程度低，占用空间，不方便头部外壳的制作。[0048]如图4所示，本发明的一个实施例中，还包括中孔旋转轴8。中空旋转轴8与机架3固定连接，中空旋转轴8通过支撑轴承23与轴承座25转动连接，采用轴承固定卡簧24对支撑轴承24进行轴向定位，轴承座25与头部安装法兰17和从动齿轮7均固定连接。机器人双自由度头部机构的动力线缆从中空旋转轴8穿过，中空走线，由于安装接口统一，只需引进动力线及通信线插口即可，实现真正意义上的模块化。[0049]本发明的一个实施例中，还包括驱动板卡5,用于驱动头部俯仰电机1和头部旋转电机2,同时也控制与电机匹配的码盘以及头部表情板智能PAD14。驱动板卡5通过板卡安装架22安装在机架3上，但并不局限于此，也可安装在侧面便于后期其他机构的添加。[0050]本发明的机器人双自由度头部机构完全模块化设计，电机匹配定制多圈绝对码盘，可以同时记录关节轴的零位与旋转角度，不必额外添加零位机构。驱动板卡微型化，双层板卡可同时控制两台电机，安装在头部机构内，不需要额外的板卡及控制配件。此外，头部整体机构的安装接口仅仅是一个法兰盘，直接安装在服务机器人框架上即可，主要动力线缆可从头部机构的中空旋转轴8穿过。机器人双自由度头部机构除了用于服务机器人之外，还可作为一双自由度关节机构应用于工业、医疗等其他领域。[0051]双自由度头部机构可应用于引领、讲解、展示等各种服务机器人，完全模块化设计，安装接口统一该头部机构完全模块化，只留出头部安装法兰17作为安装接口，头部安装法兰17结构统一，所有服务机器人如果想安装该机构，只需与安装法兰n的安装孔相对应即可，其余均不做改变），实现多种机器人头部机构的通用性。结构紧凑，方便外壳制作，占用空间小，安装外壳后内部机构不干涉不外漏。[0052]以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

权利要求：1.一种机器人双自由度头部机构，其特征在于:所述机器人双自由度头部机构包括机架、头部俯仰电机、头部旋转电机、俯仰传动机构、旋转传动机构、俯仰轴，以及用于安装所述机器人双自由度头部机构的头部安装法兰；所述头部俯仰电机及所述头部旋转电机呈上下正交垂直设置，均固定设置于所述机架上；所述俯仰轴与所述机架转动连接，所述俯仰传动机构分别与所述头部俯仰电机及所述俯仰轴连接，所述头部俯仰电机通过所述俯仰传动机构将动力传送至所述俯仰轴，使所述俯仰轴相对于所述机架进行俯仰运动；所述旋转传动机构分别与所述头部旋转电机及所述头部安装法兰连接，所述头部旋转电机通过所述旋转传动机构带动所述机器人双自由度头部机构相对于所述头部安装法兰进行旋转运动。2.如权利要求1所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述俯仰传动机构为带传动机构，包括主动带轮、从动带轮及齿形带；所述旋转传动机构为齿轮传动机构，包括旋转主动齿轮、旋转从动齿轮。3.如权利要求2所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述主动带轮与所述头部俯仰电机的输出轴固定连接，所述从动带轮与所述俯仰轴固定连接；所述旋转主动齿轮安装于所述头部旋转电机的输出轴上，所述从动旋转齿轮固定于所述头部安装法兰上。4.如权利要求2所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述机器人双自由度头部机构还包括用于进行内部走线的中空旋转轴，所述中空旋转轴与所述机架固定连接，所述中空旋转轴通过支撑轴承与轴承座转动连接，并采用轴承固定卡簧对支撑轴承进行轴向定位，所述轴承座与所述头部安装法兰及从动齿轮固定连接。5.如权利要求2所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述头部旋转电机通过偏心法兰与所述机架固定连接，通过改变所述偏心法兰的安装孔位调整所述主动齿轮和所述从动齿轮的中心距。6.如权利要求2所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述头部俯仰电机通过带轮张紧法兰安装在所述机架上，所述机架上安装有带轮张紧块，所述带轮张紧块上安装有两个带轮张紧钉，所述带轮张紧钉顶在所述带轮张法兰上，所述带轮张紧钉通过固定螺母固定，通过旋转带轮张紧钉可调整带轮张紧法兰的松紧度，从而调整所述主动带轮与所述从动带轮的中心距。7.如权利要求1所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述俯仰轴安装有用于连接表情板和或智能PAD的安装板。8.如权利要求1所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述俯仰电机及所述旋转电机均安装有多圈绝对码盘，所述多圈码盘用于记录关节零位及旋转角度。9.如权利要求1所述的机器人双自由度头部机构，其特征在于，所述机器人双自由度头部机构还包括用于驱动所述头部俯仰电机及所述头部旋转机构的驱动板卡，所述驱动板卡还用于控制与电机匹配的码盘以及表情板和或智能PAD。

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