关节组件及模块化桌面机器人的制作方法

关节组件及模块化桌面机器人
优先权申请
1.本技术将作为后续专利申请(包括，但不限于，中国发明专利申请、中国实用新型申请、pct申请、基于巴黎公约的国外申请)的优先权基础。
技术领域
2.本发明属于桌面机器人技术领域，尤其涉及一种关节组件以及利用该关节组件进行拼装的模块化机器人。


背景技术：

3.机器人是模拟活体动物的机械电子装置。它可把任一物件或工具按空间位姿(位置和姿态)的时变要求进行移动，从而完成某一作业要求。
4.随着科技的不断进步，机器人越来越小型化成本也越来越低廉，逐步进行入到人们的日常生活，成为桌面级的工具。例如，应用于教育领域，其可供教学过程中进行拆装、使用、编程等方面的学习，以培养学生的分析能力、创造能力和实践能力。当前，机器人在教育领域的应用表现出了无可比拟的教育价值和发展前景，其多学科交叉融合的特性为培养宽口径、高素质、复合型的工程人才提供了一个良好的平台。教育机器人的发展应用与学生的思维能力发展和动手实践能力等的培养密不可分，对其深入研究是顺应时代发展的潮流之举。但目前的教学机械臂结构复杂，安装困难，缺少模块化思想。而为了功能多样化，以及实现机器人的形态各异、种类繁多，现有技术提出了提供一种模块化的桌面机器人。
5.例如，申请号为cn202111171350.0，发明名称为一种模块化教学机械臂平台的中国发明专利申请提出了一种模块化概念，其连接臂之间通过一旋转模块和平动模块来实现模块化，以及形成功能形态各异的机械臂。
6.然而，这种模块化的连接方式，由于机器人仅通过该旋转模块和平动模块来实现机械臂之间的连接的同时，还要实现机械臂之间的相互转动，从而使得机械臂之间连接的稳定性相对较差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种关节组件及模块化桌面机器人，能够一定程度地缓解或解决上述至少一个问题，即保证模块化机器人之间机器人的连接的稳定性的同时，可根据需求进行多形态拼装。
8.为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：一种关节组件，所述关节组件包括若干连接端，所述连接端上设置有连接件，所述连接件可与另一关节组件上的连接件配合连接。
9.作为一种改进，所述关节组件为一字型、t字型、十字型、弯头型中的一种。
10.作为一种改进，所述关节组件包括固定部件和与固定部件活动连接的活动部件，所述固定部件和活动部件上均设置有连接件。
11.作为一种改进，所述活动部件利用转轴与固定部件连接，使得活动部件可绕固定部件翻转。
12.作为一种改进，所述关节组件包括旋转驱动装置，所述旋转驱动装置的定子和转子部分均设置有连接件。
13.作为一种改进，所述连接件包括安装座以及周向排布在安装座上的弯头卡爪；所述弯头卡爪之间留有间隙，用于在于另一连接件配合连接时容纳其他连接件上的弯头卡爪；还包括可旋转的连接环，所述连接环上设置有若干卡齿，当卡齿旋入其他连接件的弯头卡爪内时能阻止其退出；所述安装座上还设置有限位筒，所述限位筒上设置有若干周向排布的限位齿；所述限位齿可与另一连接件上的限位齿啮合。利用两个连接件的弯头卡爪和连接环相互卡接实现高强度连接，限位筒实现径向和周向的限位。两个连接件之间的拆装只需拨动连接环即可。
14.作为一种改进，所述弯头卡爪呈“7”字形。
15.作为一种改进，所述卡齿的宽度小于弯头卡爪的宽度。避免连接的时候发生干涉。
16.作为一种改进，所述弯头卡爪的头部较根部窄。能够起到导向作用，使得连接更加顺畅。
17.作为一种改进，所述弯头卡爪为沿圆周均匀分布的8个，所述相邻弯头卡爪之间的间隙大于弯头卡爪的宽度。使得连接时两个连接件的卡爪之间具有一定的旷量，便于连接。
18.作为一种改进，所述限位齿为波浪形，相邻限位齿之间间隙的形状与限位齿的形状一致。波浪形的限位齿头部较为圆钝，相互啮合的时候避免损伤，并且由于间隙与限位齿的形状一致，可以使得啮合更加的紧密，使得其在周向上无法转动，保证了连接后的紧密型。
19.作为一种改进，所述限位齿为沿圆周均匀分布的16个。使得两个连接件之间可调节的周向角度为11.25
°
，既不会太大不够精密影响两个连接件弯头卡爪之间的相互插接，也不会太小使得摩擦力太大啮合困难。
20.作为一种改进，所述安装座为圆筒状；所述弯头卡爪、限位筒固定在安装座上；所述连接环套于限位筒上且可绕限位筒转动；还包括用于拨动连接环旋转的驱动环；所述驱动环套于安装座外与安装座同轴设置；所述驱动环利用连杆与连接环连接。
21.作为一种改进，所述驱动环外环面上设置有防滑并标识旋转方向的凸起。
22.作为一种改进，所述关节组件包括壳体，所述旋转驱动装置设置在壳体内，其定子部分与壳体固定；定子部分上设置的连接件的安装座固定在壳体上；转子部分上设置的连接件利用轴承与壳体连接。
23.作为一种改进，转子部分上设置的连接件的限位筒上开有周向的放线长孔，所述放线长孔在周向上间隔设置的两个。由于机械臂组件之间的转动不会超过360
°
，因此通过放线长孔放线能够避免绞线。
24.本发明还提供一种模块化桌面机器人，所述机器人由若干机械臂组件组装而成；所述机械臂组件包括臂节和功能组件；所述机械臂组件之间利用上述关节组件进行连接。
25.本发明的有益之处在于：
26.现有技术中的模块化概念，仅仅是针对机器人的连接臂与连接臂之间的对接而言，因此，其通过设计一个旋转模块和平动模块来同时实现机器人的连接臂之间的对接和
相互转动。然而，连接臂之间的对接要求的是稳定性，而为了实现多形态的变化，连接臂之间的转动要求的是灵活性，也即是说，通过一个旋转模块和平动模块来同时实现连接臂之间的稳定连接和灵活转动本身就有一定的矛盾性。例如，为了保证灵活性就会牺牲一定的稳定性，从而导致机器人之间对接的稳定性；或者，为了保证对接的稳定性，就需要牺牲一定的灵活性，这两者通过相同部件来实现是存在相互干扰的。
27.本发明的核心在于：不仅仅是机器人的臂节与臂节之间对接的模块化，而是实现臂节本身和/或关节的模块化，具体地，通过设计一种独立的关节组件来实现模块化，对于不需要转动的机器人组件之间，或者，需要调节机器人的组件中连接臂节长度时，可直接通过关节组件上的非运动端的连接件进行稳定对接，从而实现机器人臂节之间的稳定对接，或者臂节长度的调整；而对于需要相互转动的机器人臂节组件之间，可通过关节组件运动端和非运动端上的连接件进行稳定对接的同时，还可通过关节组件的运动端来带动机器人臂节之间进行转动，进而实现机器人臂节的稳定连接的同时，还实现了臂节组件之间的转动，且相互不干扰。
28.本发明中机器人各部件的组装通过连接件上的弯头卡爪与连接环上的卡齿配合实现连接，并通过限位筒上的限位齿之间的相互啮合实现轴向和周向的限位，使得两个连接件在连接后具有较高的连接强度，并且连接后十分紧密不会晃动，使得对接处之间具有较高的稳定性。同时连接件之间的拆装都只需拨动连接环旋转即可，十分的方便快捷，适用于模块化桌面机器人的快速拼装。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
30.图1为关节组件的爆炸图；
31.图2为关节组件的剖视图；
32.图3a为t型关节组件的爆炸图；
33.图3b为t型关节组件的剖视图；
34.图4为活动关节组件的示意图；
35.图5为连接件的立体图；
36.图6为连接件的爆炸图；
37.图7为连接件连接后的剖视图；
38.图8～图11为拼装后的机器人示意图。
39.图中标识：21安装座、22弯头卡爪、23连接环、24限位筒、25驱动环、26壳体、27旋转驱动装置、28轴承、29放线长孔、231卡齿、241限位齿、251凸起、252连杆、261固定部件、262活动部件、271连接盘、211安装盘。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本文中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
42.本文中，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前”、“后”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.本文中“和/或”包括任何和所有一个或多个列出的相关项的组合。
45.本文中“多个”意指两个或两个以上，即其包含两个、三个、四个、五个等。
46.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
47.如图1～图3a、图3b所示，本发明提供一种关节组件，所述关节组件包括若干连接端，所述连接端上设置有连接件，所述连接件可与另一关节组件/机械臂组件上的连接件配合连接。
48.关节组件的形式很多，包括一字型、t字型、十字型、弯头型等等，也可以是其他任意用于连接机械臂组件的形状，可根据机器人的拼装需要对连接端的位置和数量进行设置。
49.另外关节组件包括两种，一种可实现关节转动功能的关节组件，一种无需关节转动功能，只需实现硬连接的关节组件。其中，可实现关节转动功能的关节组件上的连接端包括：一个运动端和至少一个非运动端。
50.机械臂组件之间，或者，关节组件之间均可通过上述运动端和非运动端连接以后可实现旋动，用于模拟关节的灵活度。
51.当然并非所有的机械臂组件之间的连接都需要转动，例如，仅仅通过该关节组件的连接延长机械臂组件/关节组件自身的长度而已，因此，对于无需关节转动功能的关节组件，其并不包含旋转驱动装置，也即这种关节组件的所有连接端均为非运动端。
52.对于一些只需要硬连接的部分，只需要将二者的非运动端相互连接即可。例如，可将具有运动端的关节组件的非运动端与机械臂组件/其他关节组件的非运动端通过连接件
对接即可。或者，可将无运动端的关节组件的各个非运动端分别与机械臂组件/其它关节组件的非运动端通过连接件对接即可。
53.对于包含括运动端的关节组件，其包括旋转驱动装置27，所述旋转驱动装置27的定子和转子部分均设置有连接件。具体地，所述关节组件包括壳体26，所述旋转驱动装置27设置在壳体26内，其定子部分与壳体26固定；定子部分上设置的连接件(即作为非运动端的连接件)的安装座固定在壳体26上；转子部分上设置的连接件(即作为运动端的连接件)利用轴承28与壳体连接，参见图2、图3。
54.如前所述，对于仅包括非运动端的关节组件，其结构相较于包括运动端的关节组件的区别在于其内部没有设置上述旋转驱动装置，而其各个非运动端的连接件均通过固定设置在相应的壳体上，参见图3a和图3b。
55.图4展示一种更为特殊的关节组件，所述关节组件包括由壳体26拼合成的固定部件261和与固定部件261活动连接的活动部件262，所述固定部件261和活动部件262上均设置有连接件。例如所述活动部件262利用转轴与固定部件261连接，使得活动部件262可绕固定部件261翻转。在没有与其他部件连接时，活动部件262可绕固定部件261做360
°
翻转，即使在连接了其他部件以后也可做240
°
左右的翻转。
56.实际上两个机械臂组件之间的连接可能只需一个关节组件即可，即通过两个机械臂组件上的连接件与关节组件连接端上的连接件连接。
57.如图5～图7所示，本发明中提供的连接件成对应用于机械臂部件之间的连接，其具体结构包括安装座21以及周向排布在安装座21上的若干“7”形弯头卡爪22；所述弯头卡爪22之间留有间隙，用于在于另一连接件配合连接时容纳其他连接件上的弯头卡爪22；还包括可旋转的连接环23，所述连接环23上设置有若干卡齿231，当卡齿231旋入其他连接件的弯头卡爪22内时能阻止其退出；所述安装座21上还设置有限位筒24，所述限位筒24上设置有若干周向排布的限位齿241；所述限位齿241可与另一连接件上的限位齿241啮合。
58.在一些实施例中，弯头卡爪22的头部向圆周内侧弯折，所述连接环23设置在弯头卡爪22内侧，便于布置。当然也可以弯头卡爪22头部的弯折朝向外侧，这样连接环23也设置在弯头卡爪22的外侧。
59.所述卡齿231的宽度小于弯头卡爪22的宽度，使得卡齿231能够完全进入弯头卡爪22的范围内。当两个连接件配合工作的时候，弯头卡爪22需要进入另一连接件相邻弯头卡爪22的间隙中，如果卡齿231超出弯头卡爪22的范围，就容易与弯头卡爪22发生干涉影响安装。
60.另外，在一些实施例中，所述弯头卡爪22的头部较根部窄，前窄后宽的设计在保证强度的前提下能够起到导向作用，使得连接更加顺畅。
61.本实施例中，所述弯头卡爪22为沿圆周均匀分布的8个，所述相邻弯头卡爪22之间的间隙大于弯头卡爪22的宽度。当然，也可以设置其他数量的弯头卡爪22，本发明中不做限制。
62.另外，所述限位齿241为波浪形类似正余弦函数图形，相邻限位齿241之间间隙的形状与限位齿241的形状一致。当两个连接件的限位齿241啮合以后没有间隙，这样既能起到轴向限位的作用，也能起到周向限位的作用。
63.本实施例中，限位齿241为沿圆周均匀分布的16个。限位齿241比弯头卡爪22更加
密集，这样就可以进行更精细的调节，以16个限位齿为例，转动一个齿位的角度是11.25
°
，更方便弯头卡爪22的调节。
64.为了防止绞线，转子272部分上设置的连接件的限位筒24上开有周向的放线长孔29。本实施例中，限位筒24为圆筒形，放线长孔29设置在限位筒24的侧壁上。所述放线长孔29在周向上间隔设置的两个，能够供多组线穿入。
65.更为具体地，所述安装座21为圆筒状，所述弯头卡爪22、限位筒24固定在安装座21上；所述连接环23套于限位筒24上且可绕限位筒24转动。
66.限位筒24固定在安装盘211上，具体地，安装盘211上设置有轴承座，用于与关节组件的壳体26连接。还包括一个连接盘271，驱动装置27、连接盘271、安装盘211上均设置有螺孔，从而利用螺栓将三者依次连接。
67.还包括用于拨动连接环23旋转的驱动环25；所述驱动环25套于安装座21外与安装座21同轴设置；所述驱动环25利用连杆252与连接环23连接。另外，为标识旋转方向以及增大摩擦力防滑，所述驱动环25的外环面上设置有若干凸起251。
68.连接时，两个连接件的弯头卡爪22置于对方的弯头卡爪22间隙内，并让两个限位筒24上的限位齿241相互啮合，最后旋转两个驱动环25，使得连接环23上的卡齿231位于对方弯头卡爪22范围内即可完成连接。
69.需要拆卸的时候，只需驱动连接环23，使得连接环23上的卡齿231脱离弯头卡爪22范围即可。
70.本发明还提供一种模块化桌面机器人，由若干带有连接件的关节组件或/和机械臂组件拼合而成，图8～图11展示了一些模块化桌面机器人的拼装实例，机器人均由若干臂节和功能组件拼装而成，臂节与臂节之间、臂节与功能组件之间均通过关节组件进行连接，使得机器人拥有不同的形态和不同的功能。
71.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
72.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种关节组件，其特征在于：所述关节组件包括若干连接端，所述连接端上设置有连接件，所述连接件可与另一关节组件上的连接件/机器人的机械臂组件上的连接件配合连接；其中，所述连接件包括安装座以及周向排布在安装座上的若干弯头卡爪；所述弯头卡爪之间留有间隙，用于在与另一连接件配合连接时容纳所述另一连接件上的弯头卡爪；所述连接件还包括可旋转的连接环，所述连接环上设置有若干卡齿，当卡齿旋入其他连接件的弯头卡爪内时能阻止其退出；所述安装座上还设置有限位筒，所述限位筒上设置有若干周向排布的限位齿；所述限位齿可与另一连接件上的限位齿啮合。2.根据权利要求1所述的一种关节组件，其特征在于：所述关节组件为一字型、t字型、十字型、弯头型中的一种；和/或，所述关节组件包括具有至少一个运动端的关节组件，其中，所述运动端包括旋转驱动装置，所述旋转驱动装置的定子和转子部分均设置有所述连接件。3.根据权利要求1所述的一种关节组件，其特征在于：所述关节组件包括固定部件，以及与固定部件活动连接的活动部件，所述固定部件和活动部件上均设置有连接件。4.根据权利要求3所述的一种关节组件，其特征在于：所述活动部件利用转轴与固定部件连接，使得活动部件可绕固定部件翻转。5.根据权利要求1所述的一种关节组件，其特征在于：所述卡齿的宽度小于弯头卡爪的宽度；和/或，所述弯头卡爪的头部较根部窄；和/或，所述弯头卡爪为沿圆周均匀分布的8个，所述相邻弯头卡爪之间的间隙大于弯头卡爪的宽度；和/或，所述限位齿为波浪形，相邻限位齿之间间隙的形状与限位齿的形状一致。6.根据权利要求5所述的一种关节组件，其特征在于：所述限位齿为沿圆周均匀分布的16个。7.根据权利要求1所述的一种关节组件，其特征在于：所述安装座为圆筒状；所述弯头卡爪、限位筒固定在安装座上；所述连接环套于限位筒上且可绕限位筒转动；还包括用于拨动连接环旋转的驱动环；所述驱动环套于安装座外与安装座同轴设置；所述驱动环利用连杆与连接环连接。8.根据权利要求7所述的一种关节组件，其特征在于：所述驱动环外环面上设置有防滑并标识旋转方向的凸起；和/或，所述关节组件包括壳体，所述旋转驱动装置设置在壳体内，所述定子部分与所述壳体固定；所述定子部分上设置的所述连接件的安装座固定在所述壳体上；所述转子部分上设置的所述连接件利用轴承与所述壳体连接。9.根据权利要求8所述的一种关节组件，其特征在于：转子部分上设置的连接件的限位筒上开有周向的放线长孔。10.一种模块化桌面机器人，其特征在于：所述机器人由若干机械臂组件组装而成；所述机械臂组件包括臂节和功能组件；所述机械臂组件之间利用权利要求1～9中任意一项所述的关节组件进行连接。

技术总结
本发明公开了一种关节组件及模块化桌面机器人，该关节组件包括若干连接端，所述连接端上设置有连接件，所述连接件可与另一关节组件上的连接件配合连接。本发明中机器人各部件的组装通过连接件上的弯头卡爪与连接环上的卡齿配合实现连接，并通过限位筒上的限位齿之间的相互啮合实现轴向和周向的限位，使得两个连接件在连接后具有较高的连接强度，并且连接后十分紧密不会晃动，使得机械臂部件之间具有较高的稳定性。同时连接件之间的拆装都只需拨动连接环旋转即可，十分的方便快捷，适用于模块化桌面机器人的快速拼装。块化桌面机器人的快速拼装。块化桌面机器人的快速拼装。


技术研发人员：周渝阳 唐圣波 李昊 周志铭
受保护的技术使用者：创造元科技（重庆）有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/9