[0001]本申请属于机器人配件技术领域，尤其涉及关节储能助力机构、机器人关节结构及机器人。

[0002]目前，机器人关节结构在运动过程中存在两个方面的问题：1.在某些特定运动时需要较大的速度和加速度，所需的转动动力件输出功率需相应增加，这将增加关节的整体质量和体积，以及生产成本；2.在特定位置，机器人关节结构的重力势能无法存储，并需要转动动力件克服重力做功而导致能量损耗。

[0003]本申请实施例的目的在于提供一种关节储能助力机构、机器人关节结构及机器人，以解决现有机器人关节的转动动力件质量和体积较大，机器人关节结构的重力势能无法存储的技术问题。

[0004]本申请实施例提供一种关节储能助力机构，包括：

[0005]套筒，所述套筒的第一端作为第一枢接端，所述套筒的第二端为开口端；

[0006]滑杆，所述滑杆的第一端穿过所述开口端，且能够相对所述套筒沿所述套筒的轴向滑动；

[0007]弹性结构，其两端分别抵设于所述滑杆的第一端端面与所述套筒的第一端内壁；

[0008]传动杆，具有相对所述滑杆静止的固定状态与相对所述滑杆沿所述滑杆的轴向滑动的自由状态；所述传动杆的远离所述套筒的一端作为第二枢接端；以及

[0009]切换装置，用于使所述传动杆在所述固定状态与所述自由状态之间切换。

[0010]可选地，所述弹性结构为磁弹簧，所述磁弹簧包括沿所述套筒的轴向滑动装配于所述套筒内的至少两个磁体，相邻两个所述磁体的相面对侧的磁性相反；当所述传动杆处于所述自由状态时，相邻两个所述磁体间隔设置；

[0011]或，所述弹性结构为压缩弹簧，所述压缩弹簧容置于所述套筒内。

[0012]可选地，所述滑杆的第一端设有限位凸缘，所述限位凸缘能够抵设于所述套筒的第二端的内壁，以限定所述滑杆的轴向移动范围。

[0013]可选地，所述套筒的第二端设有用于支承所述滑杆的直线轴承。

[0014]可选地，所述传动杆具有第一配合部，所述切换装置包括安装于所述滑杆上的支座、滑动装配于所述支座上的第二配合部，以及用于驱动所述第二配合部移动以使所述第二配合部与所述第一配合部相连接或相分离的驱动组件。

[0015]可选地，所述第一配合部为齿条部，所述第二配合部为插齿，所述齿条部与所述插齿能够相互啮合；

[0016]或，所述第一配合部为设于所述传动杆的同一侧且沿所述传动杆的轴向分布的若干插孔，所述第二配合部为插杆，所述插杆能够选择性地插设于其中一个所述插孔。

[0017]可选地，所述支座具有限位板，所述驱动组件包括转动驱动件、由所述转动驱动件驱动转动的凸轮、与所述第二配合部固定且与所述凸轮抵接配合的从动板，以及压缩设置在所述限位板与所述从动板之间的弹性件；

[0018]当所述凸轮的突出部抵设于所述从动板时，所述第二配合部与所述第一配合部相分离；当所述凸轮的基圆部抵设于所述从动板时，所述第二配合部与所述第一配合部相连接。

[0019]可选地，所述驱动组件包括直线驱动件，所述直线驱动件的输出端与所述第二配合部连接。

[0020]可选地，所述支座具有滑动限位部，所述第二配合部具有滑动限位槽，所述滑动限位部滑动装配于所述滑动限位槽内，以限定所述第二配合部相对所述支座的位置。

[0021]可选地，所述滑杆的外周面开设有导向孔，所述导向孔与所述轴向孔连通，所述第二配合部能够插设于所述导向孔。

[0022]可选地，所述滑杆上具有轴向孔，所述传动杆滑动装配在所述轴向孔。

[0023]可选地，所述关节储能助力机构还包括第一连接座与第二连接座，所述第一连接座与所述第二连接座间隔设置；所述套筒的第一端枢接于所述第一连接座，所述传动杆的远离所述套筒的一端枢接于所述第二连接座。

[0024]可选地，所述第一连接座与所述套筒的第一端之间通过第一轴承连接；

[0025]所述第二连接座与所述传动杆之间通过第二轴承连接。

[0026]本申请实施例提供一种机器人关节结构，包括上述关节储能助力机构、固定臂、转动安装于所述固定臂上的活动臂，以及用于驱动所述活动臂转动的转动动力件，所述转动动力件安装于所述固定臂；所述第一枢接端连接于所述固定臂，所述第二枢接端连接于所述活动臂。

[0027]本申请实施例提供一种机器人，包括上述关节储能助力机构。

[0028]本申请实施例提供中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：该关节储能助力机构中，套筒的一端作为第一枢接端，传动杆能相对滑杆轴向滑动且传动杆的一端作为第二枢接端，弹性结构抵设在滑杆与套筒之间，切换装置能使传动杆在固定状态与自由状态间切换。关节在需要储能时，使传动杆切换至固定状态，传动杆接受转动动力件的动力或连接于传动杆的活动臂的重力势能并且转换为动能，滑杆跟随传动杆运动，将滑杆的动能转换为弹性结构的势能以实现储能。传动杆与滑杆回程时，弹性结构释能以带动传动杆与滑杆反向移动，对活动臂起到辅助推动作用。使传动杆切换至自由状态时，传动杆可相对滑杆滑动，弹性结构无法储能。关节储能助力机构、机器人关节结构及机器人，通过适时地擒纵传动杆可实现储能与释能，在需要储能时主动地将能量储存在弹性结构上，而在需要能量时将能量释放出来，达到节省能量与增加爆发力的目的。该关节储能助力机构结构紧凑，体积小，能在有限空间内储存较大的能量，并在有限角度内达到较大扭力。

[0029]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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他的附图。

[0030]图1为本申请实施例提供的关节储能助力机构的立体装配图；

[0031]图2为图1的关节储能助力机构的立体分解图；

[0032]图3为沿图1中A-A线的剖视结构图；

[0033]图4为图3中B处的放大图；

[0034]图5为图1的关节储能助力机构中应用的切换装置的立体分解图；

[0035]图6为图1的关节储能助力机构在传动杆处于自由状态的结构示意图；

[0036]图7为图1的关节储能助力机构在传动杆处于固定状态的结构示意图；

[0037]图8为本申请实施例提供的机器人关节结构的结构示意图。

[0038]为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0039]在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。

[0040]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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0041]在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

[0042]请参阅图1及图2，本申请实施例提供一种关节储能助力机构100，应用于机器人的不同关节结构，比如机器人膝关节、肘关节等，在各种铰链关节的两端实现并联，为相应关节提供能量存储与释放。关节储能助力机构100包括套筒10、滑杆20、弹性结构30、传动杆40与切换装置50。套筒10的第一端10a作为第一枢接端100a，套筒10的第二端10b为开口端。结合图3，滑杆20的第一端20a穿过开口端，且能够相对套筒10沿套筒10的轴向滑动。弹性结构30的两端分别抵设于滑杆20的第一端20a端面与套筒10的第一端10a内壁。传动杆40具有相对滑杆20静止的固定状态与相对滑杆20沿滑杆20的轴向滑动的自由状态；传动杆40的远离套筒10的一端作为第二枢接端100b。切换装置50用于使传动杆40在固定状态与自由状态之间切换。

[0043]其中，第一枢接端100a与第二枢接端100b分别是与铰链关节的两端转动连接的位置。结合图8，机器人关节结构通常包括固定臂200、转动安装于固定臂200上的活动臂300，以及用于驱动活动臂300转动的转动动力件400。将关节储能助力机构100并联在铰链关节的两端时，第一枢接端100a连接至固定臂200，第二枢接端100b连接至活动臂300。在活动臂300的重心位置高于固定臂200的重心位置时，该活动臂300具有一定的重力势能。因此，传动杆40可以接受转动动力件400的动力或连接于传动杆40的活动臂300的重力势能并且转换为动能。

[0044]本申请提供的关节储能助力机构100，套筒10的一端作为第一枢接端100a，传动杆40能相对滑杆20轴向滑动且传动杆40的一端作为第二枢接端100b，弹性结构30抵设在滑杆20与套筒10之间，切换装置50能使传动杆40在固定状态与自由状态间切换。结合图8，关节在需要储能时，使传动杆40切换至固定状态，传动杆40接受转动动力件400的动力或连接于传动杆40的活动臂300的重力势能并且转换为动能，滑杆20跟随传动杆40运动(在图3、图8里是向下移动)，将滑杆20的动能转换为弹性结构30的势能以实现储能。传动杆40与滑杆20回程(在图3、图8里是向上移动)时，弹性结构30释能以带动传动杆40与滑杆20反向移动，对活动臂300起到辅助推动作用。使传动杆40切换至自由状态时，传动杆40可相对滑杆20滑动，弹性结构30无法储能。关节储能助力机构100通过适时地擒纵传动杆40可实现储能与释能，在需要储能时主动地将能量储存在弹性结构30上，而在需要能量时将能量释放出来，达到节省能量与增加爆发力的目的。该关节储能助力机构100结构紧凑，体积小，能在有限空间内储存较大的能量，并在有限角度内达到较大扭力。

[0045]其中，参阅图8，第一枢接端100a的轴线A1、第二枢接端100b的轴线A2、活动臂300与固定臂200之间的枢接轴线A3三者相互平行，即关节储能助力机构100平行地并联在铰接关节的两端上。

[0046]示例性的，参阅图1、图2，套筒10包括筒状体11及端盖12，筒状体11的两端均为开口端，端盖12设于其中一个开口端。该结构便于弹性结构30与滑杆20装配到套筒10。

[0047]在本申请另一实施例中，请参阅图2、图3，弹性结构30为磁弹簧，磁弹簧包括沿套筒10的轴向滑动装配于套筒10内的至少两个磁体31，相邻两个磁体31的相面对侧的磁性相反，这样相邻两个磁体31通过磁力互斥；当传动杆40处于自由状态时，相邻两个磁体31间隔设置。其中一端的磁体31在磁力作用下与滑杆20的第一端20a端面接触，另外一端的磁体31在磁力作用下与套筒10第一端10a内壁接触。相邻磁体31间距的减少为磁力势能存储，相邻磁体31间距的增大为磁力势能释放。结合图8，在传动杆40切换至固定状态时，传动杆40相对滑杆20静止，活动臂300的动力经过传动杆40传递至滑杆20，滑杆20推动与其接触的磁体31移动(在图3、图8里是向下移动)，使得相邻磁体31之间的相互作用力增大实现储能。当需要释能时，滑杆20在与其接触的磁体31的磁力作用下相对套筒10向外伸出移动(在图3、图8里是向上移动)，实现能量释放。在传动杆40切换至自由状态时，相邻磁体31会维持在最大间距的状态，此时磁弹簧不进行能量存储或释放。

[0048]为了研究磁弹簧磁力与磁体间距的关系，调整相邻磁体的不同间距并测量磁力，对磁弹簧的测量数据进行常规的线性拟合，可得到磁弹簧的磁力表达式：

[0050]其中，F为磁弹簧的磁力；x为相邻磁体的间距；a、b、c、d为待定系数，可通过线性拟合获得。

[0051]由磁弹簧的磁力表达式可获知，该磁弹簧的磁力大致成指数形式变化。磁弹簧的磁力与相邻磁体31的间距成反比关系。本申请实施例采用多个磁体31沿直线分布且相邻两个磁体31磁力互斥的形式，也就是磁体31串联。增大磁体31串联个数能增大磁弹簧的刚度，在一定的空间运动范围内，通过增大磁体31串联的个数，可以增大磁弹簧的储能密度，进而增大关节爆发力。

[0052]此外，套筒10内腔的横截面与磁体31横截面相适配，这样便于磁体31沿套筒10轴向移动。示例性的，套筒10内腔呈柱状，磁体31呈柱体，便于磁体31沿套筒10轴向滑动装配在套筒10内。

[0053]在本申请另一实施例中，弹性结构为压缩弹簧，压缩弹簧容置于套筒内，压缩弹簧的两端分别抵设于滑杆的第一端端面与套筒的第一端内壁。在传动杆切换至固定状态时，传动杆相对滑杆静止，活动臂的动力经过传动杆传递至滑杆，滑杆推动压缩弹簧使其压缩，将滑杆的动能转换为压缩弹簧的弹性势能。当需要释能时，滑杆在压缩弹簧作用下相对套筒向外伸出，实现释能。

[0054]在本申请另一实施例中，请参阅图2、图3，滑杆20的第一端20a设有限位凸缘21，限位凸缘21能够抵设于套筒10的第二端10b的内壁，以限定滑杆20的轴向移动范围。这样可避免滑杆20相对套筒10向外伸出移动时滑杆20脱离套筒10，提高机构工作的可靠性。

[0055]在本申请另一实施例中，请参阅图2、图3，套筒10的第二端10b设有用于支承滑杆20的直线轴承60。这样能避免滑杆20直接与套筒10内壁直接接触，使滑杆20平滑稳定地滑动在套筒10的第二端10b。其中，直线轴承60可选用石墨轴承或其它直线轴承，耐磨性强，润滑性好。

[0056]在本申请另一实施例中，请参阅图4至图6，传动杆40具有第一配合部41，切换装置50包括安装于滑杆20上的支座51、滑动装配于支座51上的第二配合部52，以及用于驱动第二配合部52移动以使第二配合部52与第一配合部41相连接或相分离的驱动组件53。参阅图7，在需要储能时，通过驱动组件53驱动第二配合部52在支座51上移动，使第二配合部52与第一配合部41相连接，这样传动杆40切换至固定状态，通过弹性结构实现储能。传动杆40与滑杆回程时，弹性结构释能以带动传动杆40与滑杆移动。参阅图6，在无需储能时，通过驱动组件53驱动第二配合部52在支座51上移动，使第二配合部52与第一配合部41相分离，弹性结构无法储能。参阅图4，支座51可安装在滑杆20的第二端20b上，具体可采用紧固件或其它方式来固定。

[0057]在本申请另一实施例中，请参阅图3、图4，第一配合部41为齿条部，第二配合部52为插齿，齿条部与插齿能够相互啮合。结合图7，这样驱动组件53驱动插齿移动以使插齿与齿条部啮合，传动杆40与滑杆20变为相对静止，传动杆40切换至固定状态。结合图6，在驱动组件53驱动插齿离开齿条部，传动杆40可相对滑杆20滑动，传动杆40切换至自由状态。由于齿条部与插齿上的相邻两个齿的间距比较小，这样在需要储能的任意时刻，即可通过驱动组件53去驱动插齿移动，使插齿与齿条部啮合，从而使传动杆40切换固定状态。

[0058]在本申请另一实施例中，第一配合部为设于传动杆的同一侧且沿传动杆的轴向分布的若干插孔，第二配合部为插杆，插杆能够选择性地插设于其中一个插孔。这样驱动组件驱动插杆移动使插杆插设在其中一个插孔，传动杆与滑杆将会相对静止，传动杆切换至固定状态。在驱动组件驱动插杆离开插孔时，传动杆可相对滑杆滑动，传动杆切换至自由状态。在传动杆设置插孔时，相邻插孔的间距越小，越有利于插杆在较短时间内插设在其中一个插孔内，这样便于在需要储能的任意时刻使传动杆切换固定状态。

[0059]在本申请另一实施例中，请参阅图4至图6，支座51具有限位板511，驱动组件53包括转动驱动件531、由转动驱动件531驱动转动的凸轮532、与第二配合部52固定且与凸轮532抵接配合的从动板533，以及压缩设置在限位板511与从动板533之间的弹性件534。凸轮532具有基圆部532a及设于基圆部532a上的突出部532b。弹性件534用于将从动板533推向凸轮532处，使凸轮532的外周面与从动板533抵接；从动板533与第二配合部52固定，弹性件534还能够将第二配合部52推向第一配合部41。在转动驱动件531驱动下，凸轮532的基圆部532a或突出部532b抵设在从动板533上。结合图6，当凸轮532的突出部532b抵设于从动板533时，推顶从动板533与第二配合部52向远离传动杆40的方向移动(在图6里是向上移动)，弹性件534进一步被压缩，第二配合部52与第一配合部41相分离，使传动杆40切换至自由状态；结合图7，当凸轮532的基圆部532a抵设于从动板533时，弹性件534推顶从动板533使第二配合部52移动(在图7里是向下移动)，以使第二配合部52与第一配合部41相连接，使传动杆40切换至固定状态。其中，转动驱动件531可以为电机，便于输出预定位移以驱动凸轮532转动。转动驱动件531可装配在支座51上。弹性件534可以为弹簧。结合图4、图5，限位板511与从动板533上分别设有定位槽5111与定位槽5331，以供弹性件534的两端定位装配。该驱动组件53适用于第一配合部41为齿条部且第二配合部52为插齿的方式，也适用于第一配合部41为插孔且第二配合部52为插杆的方式。

[0060]在本申请另一实施例中，驱动组件包括直线驱动件，直线驱动件的输出端与第二配合部连接。采用直线驱动件可以驱动第二配合部相对第一配合部移动，以使第二配合部与第一配合部相连接或分离。其中，直线驱动件可以为电缸，便于输出预定位移。此外，传动杆上可安装供第二配合部滑动的支座，直线驱动件可安装在支座上。该驱动组件适用于第一配合部为齿条部且第二配合部为插齿的方式，也适用于第一配合部为插孔且第二配合部为插杆的方式。

[0061]在本申请另一实施例中，请参阅图3至图5，在第一配合部41为齿条部且第二配合部52为插齿时，齿条部为单向离合齿条而插齿为单向离合插齿，齿条部具有多个第一楔形齿牙411，插齿具有多个第二楔形齿牙522。每个第一楔形齿牙411具有相背对的第一斜面411a与第一垂面411b，每个第二楔形齿牙522具有相背对的第二斜面522a与第二垂面522b。在齿条部与插齿相啮合时，在相啮合的第一楔形齿牙411与第二楔形齿牙522中，第一斜面411a与第二斜面522a相抵接，第一垂面411b与第二垂面522b相抵接，齿条部与插齿在一定范围内移动时可实现双向锁止。在齿条部与插齿相啮合且弹性结构30处于释能过程中，传动杆40相对于滑杆20向外伸出。在弹性结构30释能结束后，弹性结构30完全复位，滑杆20受到套筒10的约束而不能继续伸出，此时如果活动臂继续带动传动杆40运动，那么在第一斜面411a与第二斜面522a的作用下，插齿将会向远离齿条部的方向滑动(在图4里为向右移动)，实现插齿与齿条部分离，驱动组件53中的弹性件534将会压缩，这样起到保护作用。其中，在驱动组件为直线驱动件时，直线驱动件的输出端与第二配合部之间要连接弹性件。

[0062]在本申请另一实施例中，请参阅图5，支座51具有滑动限位部512，第二配合部52具有滑动限位槽521，滑动限位部512与滑动限位槽521的形状相适配，滑动限位部512滑动装配于滑动限位槽521内，以限定第二配合部52相对支座51的位置。这样便于第二配合部52限位滑动于支座51，降低第二配合部52在移动过程中脱离在支座51的可能性，提高机构可靠性。示例性的，滑动限位槽521为燕尾槽，滑动限位部512的横截面呈燕尾状，这样可实现第二配合部52限位滑动安装于支座51。此外，滑动限位槽521与滑动限位部512的的横截面还可以为其它形状，比如T字形。

[0063]在本申请另一实施例中，请参阅图3、图4，滑杆20上具有轴向孔22，传动杆40滑动装配在轴向孔22。将传动杆40的一端伸入滑杆20内，这样便于传动杆40的装配，使传动杆40相对于滑杆20稳定移动。示例性的，轴向孔22可以为D型孔或其它非圆形的型孔，传动杆40具有相适配的横截面，这样传动杆40装配到轴向孔22内时，限定传动杆40只能轴向移动而不能转动，利于第一配合部41与第二配合部52相对设置以便于两者连接。

[0064]在本申请另一实施例中，请参阅图2至图4，滑杆20的外周面开设有导向孔23，导向孔23与轴向孔22连通，第二配合部52能够插设于导向孔23。该方案能够对第二配合部52进行导向，使得第二配合部52与第一配合部41有效配合，提高机构工作可靠性。

[0065]在本申请另一实施例中，请参阅图1至图3，关节储能助力机构100还包括第一连接座71与第二连接座72，第一连接座71与第二连接座72间隔设置；套筒10的第一端10a枢接于第一连接座71，传动杆40的远离套筒10的一端枢接于第二连接座72。设置连接座，便于将连接座固定在铰链关节的两端，从而将关节储能助力机构100并联到铰链关节的两端上，提高装配效率。连接座可根据关节的结构不同设计不同的样式，可采用紧固件固定在关节上。结合图8，在传动杆40处于固定状态且活动臂300相对固定臂200转动时，第二连接座72会跟随活动臂300转动，进而转换为传动杆40与滑杆20的直线运动，滑杆20推顶弹性结构30，将滑杆20的动能转换为弹性结构30的势能。当活动臂300转动至最大角度时，弹性结构30的势能储存达到最大值，此时活动臂300向反方向转动，带动第二连接座72反方向运动，此时弹性结构30的作用力方向与传动杆40直线运动方向相同，弹性结构30作用力对活动臂300起到辅助推动作用，为该关节提供能量爆发。

[0066]在本申请另一实施例中，请参阅图2、图3，第一连接座71与套筒10的第一端10a之间通过第一轴承73连接；第二连接座72与传动杆40之间通过第二轴承74连接。设置轴承，可降低结构件之间的摩擦力，提高机构工作可靠性。

[0067]示例性的，第一连接座71具有第一连接柱711，套筒10的第一端10a安装有端盖12，该端盖12具有用于安装第一轴承73的第一安装槽121，第一连接柱711穿进第一安装槽121，第一轴承73容置于第一安装槽121内，该端盖12支承在第一连接柱711上，使得套筒10能相对于第一连接座71稳定转动。

[0068]示例性的，第二连接座72具有用于安装第二轴承74的第二安装槽721，传动杆40的一端固定有第二连接柱42，第二连接柱42穿进第二安装槽721，第二轴承74容置于第二安装槽721，第二连接座72支承于第二连接柱42上，使得传动杆40能相对于第二连接座72稳定转动。

[0069]请参阅图8，本申请实施例提供一种机器人关节结构，包括上述关节储能助力机构100、固定臂200、转动安装于固定臂200上的活动臂300，以及用于驱动活动臂300转动的转动动力件400，转动动力件400安装于固定臂200；第一枢接端100a连接于固定臂200，第二枢接端100b连接于活动臂300。转动动力件400可为舵机。

[0070]由于本机器人关节结构采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

[0071]示例性的，机器人关节结构为膝关节，固定臂200为大腿，活动臂300为小腿。假如需要在某个伸展过程提供爆发力，如完成跳跃动作，就要在小腿相对大臂弯曲阶段进行能量存储。在小腿相对大腿转动的过程中，使传动杆40处于固定状态，第二枢接端100b会跟随小腿转动，进而转换为传动杆40与滑杆20的直线运动，滑杆20推顶弹性结构30，将滑杆20的动能转换为弹性结构30的势能。当小腿转动至最大角度时，弹性结构30的势能储存达到最大值，此时膝关节开始伸展旋转，小腿反方向转动，带动第二枢接端100b反方向运动，此时弹性结构30的作用力方向与传动杆40直线运动方向相同，弹性结构30作用力对小腿起到辅助推动作用，为膝关节提供能量爆发。

[0072]请参阅图8，本申请实施例提供一种机器人，包括上述关节储能助力机构100。由于本机器人采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

[0073]以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

本实用新型涉及机器人领域，更具体地说，涉及一种关节结构及六轴工业机器人。

在小负载六轴机器人的第三关节结构处，通常具有减速机和过线孔两个部件，其中减速机将前后两臂连在一起，起着承载和传递力矩的作用；过线孔则用于内部线缆安装和保护，为电机、用户接口等提供动力或信号通道。

如图1所示，是现有小负载六轴机器人的第三关节结构的示意图，在该第三关节处，大臂12采用整体式结构。在该大臂12的左侧，通过减速机13连接固定大臂12和肘部11，右侧的过线孔121穿过线缆14。但由于大臂12采用整体式结构，存在不易装配的问题，同时由于右侧不起支撑作用，整体相当于悬臂梁结构，刚性和稳定性较差。此外，上述关节结构中的线缆14相对于过线孔121上的过线套滑动摩擦，磨损较大。

如图2所示，是另一现有第三关节结构的示意图，该结构中的大臂22同样采用整体式结构。在该大臂22的左侧，通过减速机23连接固定大臂22和肘部21，右侧则通过轴承25连接肘部21和大臂22，线缆24穿过大臂右侧的过线孔221。由于右侧的轴承25的支撑，整体相当于简支梁结构，增加了刚性和稳定性；但整体式结构不易装配，线缆24同样靠过线孔221处的过线套保护，磨损较大。

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述六轴机器人关节拆装困难的问题，提供一种关节结构及六轴工业机器人。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是，提供一种关节结构，包括臂部、减速机以及肘部，且所述肘部在所述减速机驱动下相对臂部运动，所述臂部包括第一构件和第二构件，且所述第一构件和所述第二构件通过固定构件组装在一起；所述第一构件上具有第一支撑部，所述第二构件上具有第二支撑部，所述肘部和减速机安装在所述第一支撑部和第二支撑部之间。

在本实用新型所述的关节结构中，所述第二支撑部具有过线孔，且所述过线孔上装设有薄壁轴承，从所述肘部接出的线缆穿过所述薄壁轴承的内圈到达所述第二支撑部的外侧。

在本实用新型所述的关节结构中，所述减速机的刚轮安装在所述第一支撑部的内侧，所述肘部安装在所述减速机的柔轮上；所述第一支撑部具有轴孔，所述减速机的输入轴穿过所述轴孔到达所述第一支撑部的外侧，且所述输入轴与肘部之间还装设有轴承。

在本实用新型所述的关节结构中，所述关节结构包括第一螺钉和第二螺钉；所述第一支撑部具有第一安装孔，所述减速机的刚轮上具有第二安装孔，且所述第一螺钉由所述第一支撑部的外侧依次穿入所述第一安装孔和第二安装孔实现所述第一支撑部与刚轮的安装固定；所述柔轮上具有第三安装孔，所述肘部具有第四安装孔，且所述第二螺钉从所述柔轮的外侧依次穿入所述第三安装孔和第四安装孔实现所述柔轮与肘部的安装固定。

在本实用新型所述的关节结构中，所述减速机的刚轮和第一支撑部的内侧之间具有波形弹簧，且所述波形弹簧环绕所述减速机的输入轴设置。

在本实用新型所述的关节结构中，所述肘部通过支撑轴承安装到所述第二支撑部，且所述支撑轴承与所述减速机的输入轴同轴。

在本实用新型所述的关节结构中，所述肘部和第二支撑部之间装设有油封。

本实用新型还提供一种六轴工业机器人，包括如上所述的关节结构。

在本实用新型所述的六轴工业机器人中，所述关节结构位于所述六轴工业机器人的第三关节处。

本实用新型的关节结构及六轴工业机器人具有以下有益效果：通过分体式的臂部，大大降低了减速机和肘部装配到臂部的难度，从而可提高生产效率，降低生产成本。

本实用新型还通过在过线孔处设置薄壁轴承，使得线缆可以从薄壁轴承内圈穿过，从而将滑动摩擦转为滚动摩擦，降低线缆磨损。

图1是现有六轴机器人关节结构示意图；

图2是另一六轴机器人关节结构示意图；

图3是本实用新型关节结构实施例的示意图；

图4是本实用新型关节结构实施例的剖面示意图。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图3、4所示，是本实用新型关节结构实施例的示意图，该关节结构可应用于机器人或机械臂，特别是六轴工业机器人的第三关节处。本实施例的关节结构包括臂部、减速机4以及肘部5，肘部5和减速机4安装到臂部，且肘部5在减速机4驱动下相对臂部运动。上述臂部采用分体式结构，即该臂部包括第一构件31和第二构件32，且第一构件31和第二构件32通过固定构件(例如螺栓、卡扣、过盈等结构)组装在一起。上述第一构件31上具有第一支撑部311，第二构件32上具有第二支撑部321，且肘部5和减速机4安装在第一支撑部311和第二支撑部321之间。

上述关节结构在组装时，可先将减速机4与肘部5的第一侧固定，然后将减速机4固定到第一构件31的第一支撑部311，并将第二构件32的第二支撑部321固定到肘部5的第二侧，最后将第二构件32与第一构件31固定。在拆卸减速机4与肘部5时，则可先将第二构件32与第一构件31分离，然后依次拆下减速机4和肘部5。由于臂部采用了分体式结构，大大降低了减速机和肘部装配到臂部的难度，从而可提高生产效率，降低生产成本。

上述第二构件32的第二支撑部321具有过线孔3211，肘部5的内部的线缆9可穿过该过线孔3211到达臂部(第二支撑部321)的外侧(本实施例以第一支撑部311与第二支撑部321的相对的侧为内侧、相向的侧为外侧)。为降低线缆9与过线孔3211的摩擦，可在过线孔3211的上安装薄壁轴承8，线缆9穿过薄壁轴承8的内圈到达臂部的外侧，即线缆9在穿过过线孔3211时仅与薄壁轴承8的内圈接触，利用薄壁轴承8的内外圈的相对运动，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，降低线缆9的磨损，从而保护线缆9。

上述减速机4的刚轮42安装在第一构件31的第一支撑部311的内侧，肘部5安装在减速机4的柔轮43上。第一支撑部311上还具有轴孔，且减速机4的输入轴41穿过轴孔到达第一支撑部311的外侧，以与驱动源连接。特别地，上述输入轴41与肘部5之间还具有轴承51，从而提高减速机4的稳定性。

关节结构还包括第一螺钉44和第二螺钉45。相应地，第一支撑部311上具有多个第一安装孔(该多个第一安装孔可环绕轴孔设置)，减速机4的刚轮上具有对应的第二安装孔(该第二安装孔具体可以为内螺纹孔)，且第一螺钉44由第一支撑部311的外侧依次穿过第一安装孔和第二安装孔实现第一支撑部311与减速机4的刚轮42的安装固定。类似地，减速机4的柔轮43上具有第三安装孔，肘部具有第四安装孔，且第二螺钉45从柔轮43的外侧依次穿过第三安装孔和第四安装孔实现柔轮43与肘部5的安装固定。由于减速机4的钢轮42和柔轮43从相同方向进行固定安装，进一步降低了安装难度，同时保证了减速机4的安装精度。

为使臂部的承载受力更加可靠，上述肘部5的第二侧通过支撑轴承6安装到第二支撑部321，且该支撑轴承6与减速机4的输入轴41同轴，从而使得整个关节处构成简支梁结构，大大提高了关节结构的刚性和稳定性。并且，为了避免漏油，肘部5和第二支撑部321之间可装设油封7。

为进一步提高减速机4的稳定性，上述减速机4的刚轮42和第一支撑部311的内侧之间具有波形弹簧46，且该波形弹簧46环绕减速机4的输入轴41设置。

本实用新型还提供一种六轴工业机器人，该六轴工业机器人可应用于工业生产，且该六轴工业机器人包括如上所述的关节结构。特别地，上述关节结构位于六轴工业机器人的第三关节处，即臂部为六轴工业机器人的大臂。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

《工业机器人》（吴振彪、王正家）课后习题（部分） 第一章 概论

1-1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特点是什么？

答：工业机器人的定义：工业机器人是用来搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程度的调用来完成各种工作任务的特种装置。 工业机器人的特点：可编程、拟人化、通用性、机电一体化。

1-2 工业机器人与数控机床有什么区别？

答：相似点：在运动控制和编程方面很相似；

区别点：工业机器人在抓握、操纵、定位对象物时比传统的数控机床更灵巧，在工业生产领域里具有更广泛的用途。

1-3 工业机器人与外界环境有什么关系？

答：工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境。其中与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象物的描述；与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信。

1-4 说明工业机器人的基本组成及三大部分之间的关系。

答：工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统。其中机械部分包括驱动系统和机械结构系统；传感部分包括感受系统和机器人-环境交互系统；控制部分包括人机交互系统和控制系统。

1-5 简述下面几个术语的含义：自由度，重复定位精度，工作范围，工作速度，承载能力。

答：自由度：自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。

重复定位精度：重复定位精度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力。 工作范围：机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。 工作速度：有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家指手臂末端最大的合成速度。

承载能力：承载能力是指机器入在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。

1-6 什么叫冗余自由度机器人？

答：冗余自由度机器人指在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，也可简称为冗余度机器人。

1-8 工业机器人怎样按机械系统的基本结构来分类？

答：分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式、平面关节式、柔软臂式、冗余自由度式和模块式。

1-9 工业机器人怎样按控制方式来分类？

答：分为：人工操纵机器人、固定程序机器人、可变程序机器人、重演式示教机器人、计算机数控机器人和智能机器人。

1-10什么是SCARA机器人，应用上有何特点？

答：SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）机器人是一种平面关节式机器人，只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。这种机器人在垂直平面内具有很好的刚度，在水平面内具有较好的柔顺性，在装配作业中能获得良好的应用。

1-11 总结一下机器人的应用情况。

答：工业机器人主要用于三个方面；1、恶劣工作环境，危险工作场合。这个领域的作

业是一种有害于健康，并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业，用工业机器人去干是最适宜的。2、特殊作业场合。这个领域对人来说是力所不能及的，只有机器人才能去进行作业。3、自动化生产领域。早期工业机器人再生产上主要用于：机床上下料，点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现，机器人扮演了更重要的角色。

第二章 工业机器人运动学

2-11 什么是机器人运动学逆解的多重性？ 答：机器人运动学逆解的多重性是指对于给定的机器人工作域内，手部可以以多个方向

达到目标点，因此，对于给定的在机器人工作域内的手部位置可以得到多个逆解。

第三章 工业机器人静力学计算及动力学分析

3-7 机器人雅可比矩阵和速度雅可比矩阵有何关系？

答：机器人雅可比矩阵是速度雅可比矩阵的转置矩阵。

3-10 什么叫做机械臂连杆之间的耦合作用？

答：机械臂连杆之间的耦合作用就是机械臂两关节之间的相互作用，例如：一个关节

的加速度会对第二个关节引起耦合惯性力矩。

第四章 工业机器人机械系统设计 4-2

4-24试解释图4-42所示远距离传动手腕各有何特点？

答：图4-42所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使整个手腕获得俯仰运动，即第二个B关节运动。Ⅰ轴的转动即第三个R关节运动。当C轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处，有时放在手臂的后端做平衡重量用，不仅减轻手腕的整体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。

4-25试解释图4-44所示轮系传动手腕的工作原理。 答：图

模块化工业机器人：是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统 。

模块化设计：指基本模块设计和结合部设计。 模块化工业机器人的特点： 优点：

（1） 经济性 （2） 灵活性 缺点：

（1） 整个机械系统的刚度比较差 （2） 整体重量增加

（3） 模块化分析和设计不够

材料选择的基本要求： （1） 强度高 （2） 弹性模量大 （3） 重量轻 （4） 阻尼大

a.碳素结构钢：1）强度大；2）弹性模量大

b.铝、铝合金及其他轻合金材料：重量轻，弹性模量并不大，但E/ρ可与钢相比。 c.纤维增强合金：具有非常高的E/ρ，又无无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 d.陶瓷：具有良好品质，但脆性大。

e.纤维增强复合材料：具有极好的E/ρ，但存在老化、蠕变、高温膨胀、与金属连接困难等难题。

工业机器人平衡系统良好设计的主要三条途径 ： （1 ） 质量平衡技术 （2 ） 弹簧力平衡技术 （3 ） 可控力平衡技术

在工业机器人设计中采用平衡系统的理由 ： （1 ） 安全 。

（2 ） 借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起的关节驱动力矩变化的峰值 （3 ） 借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值 （4 ） 借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项 ， 改进机器人动力特性 （5 ） 借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响 。 （6 ） 借助平衡系统能使机器人运行稳定 ， 降低地面安装要求

1. 直角坐标式（3P）：其运动是解耦的，控制简单，但运动灵活性较差，自身占据空间最

2. 圆柱坐标式（R2P）：其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好，但自身占据

空间也较大。 3. 极坐标式（2RP）：其运动耦合性较强，控制也较复杂，但运动灵活性好，自身占据空间

4. 关节坐标式（3R）：其运动耦合性较强，控制较复杂，但灵活性最好，自身占据空间也

5. 平面关节型（SCARA）:仅平面运动由耦合性，控制较通用关节型简单，但运动灵活性更