本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，具體是一種二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊及差分齒輪系。本發(fā)明的二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊是一種結(jié)構(gòu)緊湊且運(yùn)動(dòng)范圍受限的機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，具有被動(dòng)柔性、內(nèi)在安全性和大力矩的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于大力矩作業(yè)場合、以及與人和諧相處的服務(wù)機(jī)器人的腰部、肩部和腕部。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人通常在安全隔離的環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)，而服務(wù)型機(jī)器人則需要在人類正常生活環(huán)境中完成給定的任務(wù)。因此，除了具有完成任務(wù)所需的操作性能外，服務(wù)型機(jī)器人還需要有內(nèi)在的安全性，確保在與人或環(huán)境碰撞時(shí)碰撞雙方都不會受到傷害。另外，現(xiàn)有的機(jī)器人結(jié)構(gòu)上常采用非模塊化設(shè)計(jì)，給安裝和維護(hù)帶來了不便，很難實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的產(chǎn)品化和市場化。

目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對機(jī)器人的腰部、機(jī)械臂等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)深入地研究，主要有國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所等。目前，國外仿人機(jī)構(gòu)的研究工作主要集中在歐美、日本的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。

針對目前現(xiàn)有的機(jī)器人有以下不足：

1)安全柔順性，目前現(xiàn)有的機(jī)器人安全性均采用工業(yè)機(jī)器人的保護(hù)措施，如急停開關(guān)、安全磁力鎖或增加力傳感器配合阻抗控制策略。雖然從一定程度上降低了危險(xiǎn)性，但仍存在不安全因素，如：當(dāng)應(yīng)用過程中受到?jīng)_擊等。

2)不方便安裝調(diào)試和維護(hù)。機(jī)器人在安裝調(diào)試時(shí)，以及在以后的維護(hù)維修時(shí)，都需要對電路和機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆卸，采用機(jī)電分離的設(shè)計(jì)導(dǎo)致機(jī)器人零部件的互換性較差，維護(hù)不方便。

3)傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)通常采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，每個(gè)自由度均由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，增加了傳動(dòng)鏈的高度，使機(jī)器人重心提高，增加了系統(tǒng)的慣性，同時(shí)也影響了關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)性。

4)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的誤差是兩個(gè)自由度關(guān)節(jié)誤差的積累，最終將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的誤差放大。

研究可應(yīng)用于服務(wù)型機(jī)器人之上的二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的意義在于：

1)提高機(jī)器人系統(tǒng)的柔順安全性。傳統(tǒng)機(jī)器人通常采用鉸鏈或滑動(dòng)關(guān)節(jié)連接剛性部件，而與之相反，自然界中能運(yùn)動(dòng)的東西大多是具有柔順性，因此在機(jī)器人關(guān)節(jié)中加入柔性環(huán)節(jié)，一方面可以提高系統(tǒng)的性能，當(dāng)機(jī)器人受到外部碰撞沖擊時(shí)，柔性機(jī)構(gòu)能夠起到緩沖作用，從而提供安全性。另一方面柔性環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以通過較少的零件集合而成，成為柔性機(jī)器人顯著的優(yōu)點(diǎn)。

2)模塊化設(shè)計(jì)，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊。傳統(tǒng)機(jī)器人通常采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，每個(gè)自由度均由一個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，串聯(lián)驅(qū)動(dòng)使關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈成為它前面關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載，增加了電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，增加了系統(tǒng)的慣性，同時(shí)也影響了關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)性。柔性差分復(fù)合旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)并聯(lián)的形式來驅(qū)動(dòng)錐齒輪差分機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低了傳動(dòng)鏈的高度，使機(jī)器人重心降低，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

實(shí)現(xiàn)大力矩輸出。在進(jìn)行大負(fù)載作業(yè)的場合，通常需要機(jī)器人輸出更大的力和力矩，而此時(shí)機(jī)器人的腰部和肩部往往是承載力和力矩比較大的地方，傳統(tǒng)機(jī)器人只依靠單個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)來承載。二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊是通過兩個(gè)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載，在純俯仰或純偏擺運(yùn)動(dòng)方向上實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人大力矩輸出，提高了機(jī)器人的承載能力。

應(yīng)用于機(jī)器人特定部位。例如，將該二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊應(yīng)用于機(jī)器人腰部，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定位置，在不想改變或無法改變移動(dòng)機(jī)構(gòu)位姿的前提下，通過靈活的腰部運(yùn)動(dòng)，改變軀干部份的位姿，使得有更多、更好的手臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可供選擇，擴(kuò)展了機(jī)器手臂的工作空間，也進(jìn)一步增加手臂運(yùn)動(dòng)的靈活性與穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

（一）要解決的技術(shù)問題

為了克服現(xiàn)有的機(jī)器人機(jī)構(gòu)上存在的不足。本發(fā)明提供了一種新的二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊，該關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)俯仰、偏擺以及復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其中采用了等徑錐齒輪差分耦合機(jī)構(gòu)，一方面使關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低了機(jī)構(gòu)的重心，另一方面可以實(shí)現(xiàn)俯仰或偏擺兩個(gè)自由度的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)俯仰和偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。另外，采用等徑錐齒輪差分機(jī)構(gòu)，其中，兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪作為驅(qū)動(dòng)齒輪，通過齒部嚙合的傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)兩個(gè)被動(dòng)錐齒輪運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)錐齒輪作為輸出件圍繞軸線相交點(diǎn)做萬向運(yùn)動(dòng)，因此被動(dòng)錐齒輪并沒有被固定支撐住，而處于懸空狀態(tài)，僅由主動(dòng)錐齒輪的嚙合面進(jìn)行支撐，這樣導(dǎo)致重量和負(fù)載均作用在齒面上，長期會造成錐齒輪的磨損和失效。因此設(shè)計(jì)了一種十字交叉支撐塊組裝件，安裝在四個(gè)錐齒輪中間，被動(dòng)錐齒輪的受力將作用在十字交叉支撐塊組裝件上，十字交叉支撐塊組裝件將力傳遞給主動(dòng)錐齒輪輪轂處，進(jìn)而傳遞到外支撐殼體上，從而改善受力情況。

同時(shí)又在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上各增加了一個(gè)力矩彈性傳遞模塊，使關(guān)節(jié)本身具有內(nèi)在的被動(dòng)柔性，在受到外部接觸或受到外部沖擊時(shí)產(chǎn)生緩沖，從而有效的保護(hù)受用者，并且該力矩彈性傳遞模塊具有力矩測量功能。另外，由于等徑錐齒輪差分耦合機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是通過兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)被動(dòng)錐齒輪，當(dāng)被動(dòng)錐齒輪組繞第一旋轉(zhuǎn)軸或繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出力矩為單個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩（即：俯仰力矩或偏擺力矩），力矩大小為兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪的力矩之和；當(dāng)被動(dòng)錐齒輪組同時(shí)繞兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)（即：同時(shí)存在俯仰和偏擺運(yùn)動(dòng)），輸出力矩為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩，力矩大小分別為兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪的力矩之和與力矩之差，因此采用等徑錐齒輪差分耦合機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)大力矩輸出，對于承載較大的部位，例如腰部或肩部，需要承受較大的自重以及外部負(fù)載，采用等徑錐齒輪差分耦合機(jī)構(gòu)能夠滿足腰部或肩部承載大的需求。

（二）技術(shù)方案

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：

一種二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊，其設(shè)于第一部件和第二部件之間，用于實(shí)現(xiàn)二者之間的相對運(yùn)動(dòng)，其包括：

框架，與第一部件連接；

輸出連桿，與第二部件連接；

差分齒輪系，具有相耦合的主動(dòng)錐齒輪組和被動(dòng)錐齒輪組，主動(dòng)錐齒輪組與框架連接且可轉(zhuǎn)動(dòng)，被動(dòng)錐齒輪組則與輸出連桿連接，其中，主動(dòng)錐齒輪組具有第一旋轉(zhuǎn)軸，被動(dòng)錐齒輪組具有第二旋轉(zhuǎn)軸，第一旋轉(zhuǎn)軸和第二旋轉(zhuǎn)軸所在直線垂直相交，使得輸出連桿能夠連同被動(dòng)錐齒輪組一起相對框架運(yùn)動(dòng)，輸出連桿相對框架運(yùn)動(dòng)包括：輸出連桿連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架俯仰運(yùn)動(dòng)，輸出連桿繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架偏擺運(yùn)動(dòng)，輸出連桿在連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架俯仰運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

其中，差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組由相對設(shè)置的兩個(gè)錐齒輪構(gòu)成，差分齒輪系的被動(dòng)錐齒輪組由相對設(shè)置的兩個(gè)錐齒輪構(gòu)成，且主動(dòng)錐齒輪組的每個(gè)錐齒輪均與被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪同時(shí)嚙合，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的自支撐差分耦合結(jié)構(gòu)。

其中，主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪外形尺寸相同，以及被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪外形尺寸相同，使得當(dāng)主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出連桿連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架俯仰運(yùn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪等速異向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出連桿繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架偏擺運(yùn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪異速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出連桿在連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架俯仰運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對框架偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

其中，被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪其中之一與輸出連桿連接并帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，另一相對輸出連桿空轉(zhuǎn)。

其中，四個(gè)錐齒輪外形尺寸相同，并于同一平面上構(gòu)成正方形框。

其中，差分齒輪系還具有支撐模塊，支撐模塊具有支撐軸和支撐塊，支撐軸連接于輸出連桿與被動(dòng)錐齒輪組的錐齒輪之間，支撐塊設(shè)于四個(gè)錐齒輪所圍成的矩形框的內(nèi)部并可轉(zhuǎn)動(dòng)的套設(shè)于支撐軸。

其中，支撐模塊的支撐軸與輸出連桿可拆卸地固定連接。

其中，主動(dòng)錐齒輪組的錐齒輪的旋轉(zhuǎn)軸延伸至支撐塊，形成可旋轉(zhuǎn)的支撐。

其中，差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組連接有一彈性模塊，使差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組接受的是柔性驅(qū)動(dòng)力的輸入。

其中，彈性模塊具有：

外殼件，內(nèi)壁設(shè)有向內(nèi)部延伸的卡掣凸塊，

輪輻件，設(shè)于外殼件內(nèi)部，輪輻件具有朝外延伸的卡掣板，

彈性件，設(shè)于外殼件的卡掣凸塊與輪輻件的卡掣板之間，提供二者間力矩的彈性傳遞（例如，外殼件在輸入軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)或具有旋轉(zhuǎn)趨勢時(shí)，其卡掣凸塊通過壓縮/拉伸彈性件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)趨勢傳遞至輪輻件的卡掣板），以及

接受驅(qū)動(dòng)力輸入的輸入軸和提供柔性輸出的輸出軸，二者之一與外殼件連接，另一與輪輻件連接。

其中，卡掣凸塊的橫截面整體呈扇形或扇環(huán)。

其中，彈性件靠近外殼件的內(nèi)壁設(shè)置，以使彈性件盡量遠(yuǎn)離輪輻的旋轉(zhuǎn)軸心。

其中，框架具有一對凸耳，輸出連桿具有一對凸耳，二者的兩對凸耳相互垂直的扣合，構(gòu)成一容置空間，差分齒輪系設(shè)于該容置空間中。

其中，差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組的第一旋轉(zhuǎn)軸支撐于框架的一對凸耳，差分齒輪系的被動(dòng)錐齒輪組的第二旋轉(zhuǎn)軸支撐于輸出連桿的一對凸耳。

其中，差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組與框架之間通過驅(qū)動(dòng)模塊連接，作為二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的驅(qū)動(dòng)力來源，驅(qū)動(dòng)模塊數(shù)量為兩個(gè)，分別穿設(shè)于框架的兩個(gè)凸耳，使驅(qū)動(dòng)模塊一部分位于框架的凸耳的內(nèi)側(cè)，一部分位于框架的凸耳的外側(cè)（即驅(qū)動(dòng)模塊的第一外殼部位于框架的凸耳的內(nèi)側(cè)，第二外殼部位于框架的凸耳的外側(cè)，二者的連接處位于框架的凸耳中。）。

其中，驅(qū)動(dòng)模塊提供的驅(qū)動(dòng)力通過一組傳動(dòng)直齒輪組傳遞至差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組，該傳動(dòng)直齒輪組包括主動(dòng)直齒輪和被動(dòng)直齒輪，主動(dòng)直齒輪接受驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)力，并耦合傳遞至被動(dòng)直齒輪，傳動(dòng)直齒輪組的被動(dòng)直齒輪相較主動(dòng)直齒輪具有偏移的旋轉(zhuǎn)軸線，傳動(dòng)直齒輪組位于框架的凸耳的外側(cè)。

其中，傳動(dòng)直齒輪組的被動(dòng)直齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線位于差分齒輪系的主動(dòng)錐齒輪組的第一旋轉(zhuǎn)軸所在直線，傳動(dòng)直齒輪組的主動(dòng)直齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線與其平行，且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的傳動(dòng)直齒輪組的兩個(gè)主動(dòng)直齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線與傳動(dòng)直齒輪組的被動(dòng)直齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線在框架的凸耳上的投影點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)。

其中，差分齒輪系的支撐模塊的支撐軸兩端形成外六角軸，與固定于輸出連桿的一對凸耳的法蘭盤的內(nèi)六角孔相配合，差分齒輪系的被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪其中之一的外側(cè)端面與法蘭盤的端面固定連接，另一個(gè)錐齒輪通過軸承與差分齒輪系的支撐模塊的支撐軸可旋轉(zhuǎn)的連接。

其中，差分齒輪系的被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪中與法蘭盤固定連接的錐齒輪，還與差分齒輪系的支撐模塊的支撐軸通過鍵連接。

本發(fā)明還提供一種差分齒輪系，其設(shè)于第一部件和第二部件之間，用于實(shí)現(xiàn)二者之間的相對運(yùn)動(dòng)，其具有相耦合的主動(dòng)錐齒輪組和被動(dòng)錐齒輪組，主動(dòng)錐齒輪組與第一部件框架連接且可轉(zhuǎn)動(dòng)，被動(dòng)錐齒輪組則與第二部件連接，其中，主動(dòng)錐齒輪組具有第一旋轉(zhuǎn)軸，被動(dòng)錐齒輪組具有第二旋轉(zhuǎn)軸，第一旋轉(zhuǎn)軸和第二旋轉(zhuǎn)軸所在直線垂直相交，使得第二部件能夠連同被動(dòng)錐齒輪組一起相對第一部件運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)包括：第二部件連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件俯仰運(yùn)動(dòng)，第二部件繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件偏擺運(yùn)動(dòng)，第二部件在連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件俯仰運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

其中，主動(dòng)錐齒輪組由相對設(shè)置的兩個(gè)錐齒輪構(gòu)成，被動(dòng)錐齒輪組由相對設(shè)置的兩個(gè)錐齒輪構(gòu)成，且主動(dòng)錐齒輪組的每個(gè)錐齒輪均與被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪同時(shí)嚙合，構(gòu)成一結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的自支撐差分耦合結(jié)構(gòu)。

其中，主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪外形尺寸相同，以及被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪外形尺寸相同，使得當(dāng)主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二部件連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件俯仰運(yùn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪等速異向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二部件繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件偏擺運(yùn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪異速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二部件在連同被動(dòng)錐齒輪組一起繞第一旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件俯仰運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還繞第二旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而相對第一部件偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

其中，被動(dòng)錐齒輪組的兩個(gè)錐齒輪其中之一與第二部件連接并帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，另一相對第二部件空轉(zhuǎn)。

其中，四個(gè)錐齒輪外形尺寸相同，并于同一平面上構(gòu)成正方形框。

其中，其還具有支撐模塊，支撐模塊具有支撐軸和支撐塊，支撐軸連接于第二部件與被動(dòng)錐齒輪組的錐齒輪之間，支撐塊設(shè)于四個(gè)錐齒輪所圍成的矩形框的內(nèi)部并可轉(zhuǎn)動(dòng)的套設(shè)于支撐軸。

其中，支撐模塊的支撐軸與第二部件可拆卸地固定連接。

其中，主動(dòng)錐齒輪組的錐齒輪的旋轉(zhuǎn)軸延伸至支撐塊，形成可旋轉(zhuǎn)的支撐。

（三）有益效果

本發(fā)明的有益效果是，二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊采用等徑錐齒輪差分耦合結(jié)構(gòu)，一方面使機(jī)構(gòu)緊湊，降低了機(jī)構(gòu)的重心，并且由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并排放置，共同驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪，實(shí)現(xiàn)了大力矩輸出；另一方面可以實(shí)現(xiàn)俯仰或偏擺兩個(gè)自由度的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)俯仰和偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。同時(shí)又在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上又各增加了一個(gè)力矩彈性傳遞模塊，使關(guān)節(jié)本身具有內(nèi)在的被動(dòng)柔性，在受到外部接觸或受到外部沖擊時(shí)產(chǎn)生緩沖，從而有效的保護(hù)受用者，提高了機(jī)器人系統(tǒng)的安全性，并且該力矩彈性傳遞模塊具有力矩測量功能。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1所示為，二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的一種實(shí)施例的立體示意圖（其中，a為具有輸出連桿0800的示意圖，b為a去除輸出連桿0800之后的示意圖）。

圖2所示為圖1中的二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊框架0100的一種實(shí)施例。

圖3所示為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電路外殼0300的一種實(shí)施例。

圖4所示為直齒正齒輪傳動(dòng)組0400的一種實(shí)施例。

圖5所示為框架0100、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)0200、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電路外殼0300和主動(dòng)直齒正齒輪0401之間的一種連接結(jié)構(gòu)立體示意圖。

圖6所示為框架0100、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)0200、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電路外殼0300、主動(dòng)直齒正齒輪0401和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)0200的電路板0900之間的一種連接結(jié)構(gòu)剖視示意圖。

圖7所示為力矩彈性傳遞模塊0500與差分等徑錐齒輪系0600的主動(dòng)錐齒輪相連接的一種連接結(jié)構(gòu)的立體示意圖。

圖8所示為力矩彈性傳遞模塊0500與差分等徑錐齒輪系0600的主動(dòng)錐齒輪相連接的一種連接結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。

圖9所示為差分等徑錐齒輪系的一種實(shí)施例（其中a為俯視圖，b為立體圖）。

圖10所示為十字交叉支撐模塊0700的一種實(shí)施例的立體示意圖。

圖11所示為十字交叉支撐模塊0700的一種實(shí)施例的剖視示意圖。

圖12所示為輸出連桿0800的一種實(shí)施例。

圖13所示為差分等徑錐齒輪系0600、十字交叉支撐模塊0700和輸出連桿0800之間的一種連接結(jié)構(gòu)立體示意圖。

圖14所示為差分等徑錐齒輪系0600、十字交叉支撐模塊0700和輸出連桿0800之間的一種連接結(jié)構(gòu)剖視示意圖。

圖15所示為兩個(gè)法蘭連接件1000和1100的一種實(shí)施例（其中a為法蘭連接件1000的立體圖，b為法蘭連接件1100的立體圖）。

圖16所示為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)0200的一種實(shí)施例的剖視示意圖。

圖17所示為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)0200的一種實(shí)施例的立體示意圖。

【附圖標(biāo)記說明】

<本發(fā)明>

框架0100、底板0101、走線通孔0102、支撐板0103、支撐板0104、方形孔0105、螺紋孔0106、通孔0107，驅(qū)動(dòng)模塊0200、驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸0201、驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸支撐件0202、驅(qū)動(dòng)模塊端蓋0203、右外殼0204、減速器0205、波發(fā)生器0205-1、鋼輪0205-2、柔輪0205-3、左外殼0206、失電電磁制動(dòng)器外殼0207、失電電磁制動(dòng)器0208、位置檢測模塊0209、碼盤傳動(dòng)軸0210、電機(jī)軸0211、電機(jī)0212，電路外殼0300、安裝孔0301、電路接口孔0302、傳感器走線孔0303，直齒正齒輪傳動(dòng)組0400、主動(dòng)直齒正齒輪0401、從動(dòng)直齒正齒輪0402，

力矩彈性傳遞模塊0500、力矩彈性傳遞模塊輸入軸0501、編碼器碼盤軸0502、力矩檢測模塊0503、力矩檢測模塊固定座0504、扇形支撐塊0505、彈性件0506、輪輻件0507、殼體件0508、固定法蘭0509、支撐軸承0510、主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511、軸承擋圈0512，差分等徑錐齒輪系0600、主動(dòng)錐齒輪0601、主動(dòng)錐齒輪0602、被動(dòng)錐齒輪0603、被動(dòng)錐齒輪0604，支撐模塊0700、支撐軸0701、支撐塊0702、軸承外擋圈0703、角接觸球軸承0704、深溝球軸承0705，輸出連桿0800、主體0801、安裝部0802、減重孔0803、安裝部0804、錐銷孔0805、螺紋孔0806、安裝部0807、錐銷孔0808、螺紋孔0809，電路板0900、法蘭連接件1000、法蘭盤1001、內(nèi)六角槽1002、銷孔1003、螺紋孔1004、螺紋孔1005、銷孔1006、法蘭連接件1100、法蘭盤1101、內(nèi)六角槽1102、銷孔1103、銷孔1104。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。 應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

在本發(fā)明中，為了描述的方便，使用了一些方位詞，例如上下左右等，這些方位詞主要是根據(jù)相應(yīng)視圖的方向進(jìn)行定義的。另外，還使用了內(nèi)外等方位詞，這些方位詞主要是依據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)外進(jìn)行定義的。

圖1(a)，(b)所示為二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的一種實(shí)施例的立體示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊，其主要包括：框架0100、安裝在該框架下方的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200、驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300、兩對直齒正齒輪傳動(dòng)組0400、兩個(gè)力矩彈性傳遞模塊0500、差分等徑錐齒輪系0600、十字交叉支撐模塊0700、輸出連桿0800和驅(qū)動(dòng)模塊電路板0900。

兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200分別通過法蘭連接安裝在二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊框架0100上，驅(qū)動(dòng)模塊0200的輸出軸的軸線垂直于框架0100的支撐板（本實(shí)施例中為一對凸耳的形式），驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300用于套在驅(qū)動(dòng)模塊0200上起到保護(hù)電路板0900的作用。驅(qū)動(dòng)模塊0200的輸出軸與直齒正齒輪傳動(dòng)組0400的主動(dòng)輪相連，并將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給力矩彈性傳遞模塊0500，力矩彈性傳遞模塊0500的輸出與差分等徑錐齒輪系0600的主動(dòng)錐齒輪相連，差分等徑錐齒輪系0600的輸出通過被動(dòng)錐齒輪傳遞給輸出連桿0800來完成俯仰、偏擺或復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

在上述二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊中，共具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊和一個(gè)軀干，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200輸出軸的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，均垂直于框架0100的支撐板，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線所構(gòu)成的平面平行于框架0100的底板。因此二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊共具有兩個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)任意方向的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)該二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)緊湊小巧，具有仿人友好性，使受用者更容易接受。

此外，上述二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊一方面從關(guān)節(jié)的角度出發(fā)，通過在關(guān)節(jié)處添加力矩彈性傳遞模塊0500，使機(jī)構(gòu)自身具有內(nèi)在的被動(dòng)柔性，在與受用者接觸時(shí)或受到外部沖擊時(shí)，產(chǎn)生緩沖，從而有效地保護(hù)受用者；另一方面利用阻抗控制技術(shù)使該二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊對非結(jié)構(gòu)化 (未知)環(huán)境產(chǎn)生主動(dòng)柔順，使機(jī)器人可以安全地在工作空間內(nèi)完成指定動(dòng)作。綜上兩方面特性使二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊從根本上解決了安全性的問題。

下面，將結(jié)合附圖通過實(shí)施例的方式對二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊框架0100

圖2所示為框架0100的一種實(shí)施例。如圖2所示，框架0100包括一個(gè)底板0101和兩個(gè)支撐板0103、0104。底板0101上開有固定螺絲用的通孔，用來與機(jī)器人上相應(yīng)的連接部位相連接固定。底板0101中間位置開有一個(gè)走線通孔0102，例如可以為圓通孔，供電線穿過，以連接安裝在底板的安裝面上的多個(gè)電路板，機(jī)器人上的供電電線和信號線通過走線通孔0102走線到該二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊上。

框架0100上的兩個(gè)支撐板0103、0104與底板0101相互垂直，兩個(gè)支撐板0103、0104下方靠近底板0101的位置各開有一個(gè)方形孔0105和多個(gè)螺紋孔，分別用來固定兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200，同時(shí)方形孔0105旁邊開有四個(gè)螺紋孔0106，用來固定驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300；支撐板0103、0104上方開有一個(gè)通孔0107和多個(gè)螺紋孔，用來固定差分等徑錐齒輪系0600的主動(dòng)錐齒輪和力矩彈性傳遞模塊0500，具體連接方式將在下文中詳細(xì)講述。

驅(qū)動(dòng)模塊0200

驅(qū)動(dòng)模塊0200與框架0100的支撐板0103、0104通過緊固件連接固定。

驅(qū)動(dòng)模塊0200包含有失電式電磁制動(dòng)器0208、電機(jī)0212和減速器0205，驅(qū)動(dòng)模塊0200中不含有力矩彈性傳遞模塊0500，二者是相分離的，力矩彈性傳遞模塊0500在下文有所介紹。以下將對驅(qū)動(dòng)模塊0200作具體闡述說明。

圖16所示為驅(qū)動(dòng)模塊0200的一種實(shí)施例的剖視示意圖。 如圖16所示，該驅(qū)動(dòng)模塊0200主要包括電機(jī)0212、與電機(jī)的輸出端相連的減速器0205、與減速器0205輸出端相連的驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸0201、與電機(jī)輸出端相連的失電電磁制動(dòng)器0208，以及位置檢測模塊0209。

電機(jī)0212優(yōu)選采用具有中空的無框無刷電機(jī)，用于提供力矩。電機(jī)0212包括定子和轉(zhuǎn)子，在定子的外面固定套接有電機(jī)外殼，通過電機(jī)殼體固定電機(jī)定子。電機(jī)外殼體上開有槽孔，供電機(jī)電線穿出。

為了拆裝方便，電機(jī)外殼包括左外殼0206和右外殼0204兩個(gè)部分，相互之間可以通過螺釘?shù)染o固件連接，并在兩個(gè)殼體的支撐處安裝有電機(jī)軸軸承，用于支撐電機(jī)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，左外殼0206具有凸出的法蘭部，螺釘?shù)染o固件穿過該法蘭部將左右外殼連接在一起。凸出的法蘭部優(yōu)選形成為方形，螺釘?shù)染o固件連接于方形法蘭的四個(gè)角部。

在左外殼0206的側(cè)壁上加工有出線口，電機(jī)線通過該出線口引出以便連接到驅(qū)動(dòng)模塊0200用的電路板上。另外，左外殼0206的支撐處安裝有電機(jī)軸軸承。同時(shí)在電機(jī)的右外殼0204的左端支撐處也安裝有電機(jī)軸軸承，并通過軸承端蓋壓緊，電機(jī)軸0211由左外殼和右外殼的兩處的軸承同時(shí)進(jìn)行支撐，并通過這一對軸承由電機(jī)0212的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)電機(jī)軸0211進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)軸0211與電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過過盈配合進(jìn)行壓緊固定，具體的，電機(jī)轉(zhuǎn)子具有大中心孔，電機(jī)軸0211通過緊配合的連接方式穿過電機(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)軸0211的一端連接減速器0205，另一端連接失電電磁制動(dòng)器0208。電機(jī)軸0211優(yōu)選地為中空軸，用于供碼盤傳動(dòng)軸0210穿過該電機(jī)軸0211，將減速器0205的輸出運(yùn)動(dòng)傳遞到模塊左端的位置檢測模塊0209。電機(jī)軸0211左端具有直徑縮小的軸段，該軸段與失電電磁制動(dòng)器0208相連，失電電磁制動(dòng)器0208用于當(dāng)突然斷電情況下鎖住電機(jī)軸，起到保護(hù)硬件的作用。電機(jī)軸0211右端具有直徑縮小的較長軸段，該軸段上具有鍵槽，與減速器0205的波發(fā)生器0205-1通過鍵連接來傳遞扭矩，軸的末端具有外螺紋，可以安裝一個(gè)彈簧墊圈和螺母，起到對減速器0205的波發(fā)生器0205-1軸向定位的作用。

右外殼0204的右端支撐處安裝有軸承，該軸承用于支撐驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸支撐件0202，僅通過一個(gè)軸承很難保證驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)的同軸度和平穩(wěn)性，因此在右外殼0204的端面上固定一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊端蓋0203，驅(qū)動(dòng)模塊端蓋0203右端的支撐處安裝有軸承，這樣通過一對軸承來保證驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)的同軸度和平穩(wěn)性。驅(qū)動(dòng)模塊端蓋0203與右外殼0204的端面通過螺釘緊固件進(jìn)行固定連接。

減速器0205可以為諧波減速器，電機(jī)軸0211與諧波減速器的波發(fā)生器相連，諧波減速器的柔輪與柔輪輸出軸相連，柔輪輸出軸穿過中空的電機(jī)軸并向外伸以連接到位置檢測模塊0209。減速器的柔輪0205-3、驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸支撐件0202及驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸0201三者通過緊固件連接在一起，最終由驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸0201通過鍵連接將運(yùn)動(dòng)和扭矩輸出傳遞給直齒正齒輪0401。

碼盤傳動(dòng)軸0210通過螺紋和螺母與驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸0201連接固定，驅(qū)動(dòng)模塊輸出軸0201將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過碼盤傳動(dòng)軸0210傳遞給驅(qū)動(dòng)模塊后面的位置檢測模塊0209。位置檢測模塊0209優(yōu)選使用增量式編碼器，用于檢測減速器柔輪輸出軸或關(guān)節(jié)輸出軸0201的實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度，前文有所介紹，不再贅述。位置檢測模塊0209的碼盤通過緊定螺釘碼盤傳動(dòng)軸0210上，編碼器通過螺釘緊固件固定在失電電磁制動(dòng)器外殼0207上。失電電磁制動(dòng)器外殼0207右端具有凸出的法蘭，使用螺釘緊固件與電機(jī)左外殼0206固定，同時(shí)失電電磁制動(dòng)器外殼0207側(cè)壁上加工有出線口，用于失電電磁制動(dòng)器0208走線用。

所述驅(qū)動(dòng)模塊0200數(shù)量有兩個(gè)且完全相同，分別安裝布置在框架0100的兩個(gè)支撐板的下部。

驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300

圖3所示為驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300的一種實(shí)施例。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300包括安裝孔0301、電路接口孔0302和傳感器走線孔0303。該電路外殼0300可以空套在驅(qū)動(dòng)模塊0200上，并通過安裝孔0301與框架0100的支撐板0103和0104相連接，以用來保護(hù)電路板0900。電路接頭固定在電路接口孔0302用于電源和控制信號線的傳輸，其中電路板通過電路外殼端部側(cè)壁上的電路接口孔0302與關(guān)節(jié)中的電機(jī)實(shí)現(xiàn)電連接。傳感器走線孔0303設(shè)于電路外殼側(cè)壁上，是用于力矩彈性傳遞模塊0500中的力矩檢測模塊走線到驅(qū)動(dòng)模塊0200的電路板0900上。

直齒正齒輪傳動(dòng)組0400

圖4所示為直齒正齒輪傳動(dòng)組0400的一種實(shí)施例。直齒正齒輪傳動(dòng)組0400包括兩對一級傳動(dòng)直齒正齒輪，分別均布在框架0100的兩側(cè)，每對齒輪組包括一個(gè)主動(dòng)直齒正齒輪0401和一個(gè)從動(dòng)直齒正齒輪0402。直齒正齒輪傳動(dòng)組0400是用來將驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)0200的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給框架0100上方的力矩彈性傳遞模塊0500，最終由力矩彈性傳遞模塊0500驅(qū)動(dòng)差分等徑錐齒輪系0600。

直齒正齒輪傳動(dòng)組0400的主動(dòng)直齒正齒輪0401與驅(qū)動(dòng)模塊0200的輸出軸相連，連接方式采用鍵連接，并采用螺絲和擋圈做軸向端部固定。從動(dòng)直齒正齒輪0402與力矩彈性傳遞模塊0500的輸入端相連，同樣的，從動(dòng)直齒正齒輪0402與力矩彈性傳遞模塊0500的輸入端采用鍵連接，端部使用螺絲和擋圈固定。由于存在加工和裝配誤差，導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)的間隙增大，從而增大負(fù)荷沖擊，影響傳動(dòng)平穩(wěn)性，故設(shè)計(jì)中采用可調(diào)中心距的方法來調(diào)節(jié)齒輪傳動(dòng)的間隙，采用的方法是：框架0100的兩個(gè)支撐板0103、0104上用來固定驅(qū)動(dòng)模塊0200的方形孔0105和螺紋通孔均放大，使齒輪間隙可調(diào)節(jié)范圍為0~0.5mm。

框架0100、驅(qū)動(dòng)模塊0200、驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300、主動(dòng)直齒正齒輪0401和驅(qū)動(dòng)模塊0200的電路板0900相連。

圖5所示為框架0100、驅(qū)動(dòng)模塊0200、驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300和主動(dòng)直齒正齒輪0401之間的一種連接結(jié)構(gòu)立體示意圖。圖6所示為框架0100、驅(qū)動(dòng)模塊0200、驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300、主動(dòng)直齒正齒輪0401和驅(qū)動(dòng)模塊0200的電路板0900之間的一種連接結(jié)構(gòu)剖視示意圖。

本實(shí)施例中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200通過法蘭安裝于所述框架0100的兩個(gè)支撐板上，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行且方向相反，即兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出軸指向框架支撐板的外側(cè)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線位于同一平面且平行于框架0100的底板平面。具體的，如圖5和圖6所示，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊0200插入到框架0100上的支撐板0103下方的方形孔0105中，并通過驅(qū)動(dòng)模塊0200上的法蘭與支撐板0103使用螺絲緊固連接，驅(qū)動(dòng)模塊0200的輸出軸與主動(dòng)直齒正齒輪0401相連，例如采用鍵連接，主動(dòng)直齒正齒輪將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)可以1:1的傳動(dòng)比傳遞給直齒正齒輪傳動(dòng)組的從動(dòng)輪，并使用螺絲和擋圈做端部固定。驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300如上文所述，其空套在驅(qū)動(dòng)模塊0200上，并通過安裝孔0301與框架0100上的支撐板0104使用螺絲緊固連接。驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電路板0900位于驅(qū)動(dòng)模塊電路外殼0300里面靠近位置檢測模塊0209的位置，并使用螺絲與支撐板0104相固連。

具體的，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電路板0900包括控制電路板和驅(qū)動(dòng)電路板，每個(gè)電路板上都有各自的電源供電模塊，形成包括控制電源板、驅(qū)動(dòng)電源板、控制電路板、驅(qū)動(dòng)電路板在內(nèi)的多個(gè)電路板，其中的控制電源板為控制電路提供電源，驅(qū)動(dòng)電源板為驅(qū)動(dòng)電路提供電源。多個(gè)電路板通過電線順序連接，并平放安裝在二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊框架底板的安裝平面上，本實(shí)施例中，多個(gè)電路板之間通過排針疊加在一起，一方面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路板之間相對位置的固定，另一方面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電路板之間的電連接。

以上所述二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊，其電路板0900位于電路外殼0300里面，驅(qū)動(dòng)模塊0200的后面，并使用螺絲與框架支撐板相固連，電路板設(shè)計(jì)成兩塊電路板通過排針對插疊加在一起的形式，并將下面的電路板通過緊固件螺釘固定在框架殼體上，巧妙地利用了空間，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，且拆裝方便。

力矩彈性傳遞模塊0500

圖7所示為力矩彈性傳遞模塊0500與差分等徑錐齒輪系0600的主動(dòng)錐齒輪相連接的一種連接結(jié)構(gòu)的立體示意圖。圖8所示為力矩彈性傳遞模塊0500與差分等徑錐齒輪系0600的主動(dòng)錐齒輪相連接的一種連接結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。

如圖7和圖8所示，力矩彈性傳遞模塊0500包括力矩彈性傳遞模塊輸入軸0501、編碼器碼盤軸0502、力矩檢測模塊0503（優(yōu)選地，力矩檢測模塊使用增量式編碼器）、力矩檢測模塊固定座0504、扇形支撐塊0505、彈性件0506、輪輻件0507、殼體件0508、固定法蘭0509、支撐軸承0510、主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511、軸承擋圈0512。通常輸入軸0501用于傳遞力矩，輸入軸0501與殼體件0508通過緊固件（如螺絲）相連接，并通過殼體件0508將力矩傳遞給輪輻件0507，輪輻件0507與主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511相固連，主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511通過雙鍵連接將力矩傳遞給主動(dòng)錐齒輪。

主動(dòng)錐齒輪軸0512優(yōu)選地為中空軸，使得力矩檢測的力矩檢測模塊0503的線纜可以方便地穿過該中空軸。力矩彈性傳遞輸入軸0501通過頂絲與編碼器碼盤軸0502相連，并帶動(dòng)編碼器碼盤0502一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

本實(shí)施例中，所述殼體件0508形成為包括底壁和側(cè)壁的筒狀，輪輻件0507位于殼體件0508內(nèi)部，殼體件0508的側(cè)壁內(nèi)周面上具有沿周向均布的四個(gè)扇形塊，輪輻件0507具有中心圓筒和位于該中心圓筒周圍且沿周向均分布的四個(gè)連接板，每個(gè)連接板的末端與殼體件0508側(cè)壁的內(nèi)周壁之間具有間隙，四個(gè)扇形塊與四個(gè)連接板交替設(shè)置，并且在相鄰的扇形塊與連接板之間具有彈性件以彈性地傳遞力矩。優(yōu)選為相鄰的扇形塊和連接板上分別設(shè)置有導(dǎo)向柱，相鄰的兩個(gè)導(dǎo)向柱之間具有間隙，彈性件為螺旋壓縮彈性彈簧且套設(shè)在相鄰的兩個(gè)導(dǎo)向柱上。

為使主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸與輪輻件0507進(jìn)行固定連接，力矩彈性傳遞模塊0500以輪輻件0507作為輸出件，與主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511相連，具體的，殼體件0508底壁具有中心孔，主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511的一端穿過該中心孔后連接到所述輪輻件0507。

差分等徑錐齒輪系0600

圖9所示為差分等徑錐齒輪系的一種實(shí)施例。如圖9所示，差分等徑錐齒輪系0600由四個(gè)尺寸參數(shù)完全相同的錐齒輪組成，包括兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪0601、0602和兩個(gè)被動(dòng)錐齒輪0603、0604。

差分傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、受力均勻、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種非常巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，本實(shí)施例中，四個(gè)等尺寸參數(shù)的螺旋錐齒輪對稱布置相互嚙合，即兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪與兩個(gè)被動(dòng)錐齒輪相互嚙合在一起，構(gòu)成差分耦合結(jié)構(gòu)形式，原理如圖9所示，力矩彈性傳遞模塊0500的輸出驅(qū)動(dòng)軸（即主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511）分別與兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪0601和0602相連，通過兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪的差分耦合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊的俯仰、偏擺或兩者的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

具體的，兩對主動(dòng)錐齒輪相對分布，兩對被動(dòng)錐齒輪與兩對主動(dòng)錐齒輪相嚙合且對稱分布，并在四個(gè)等徑螺旋錐齒輪中間設(shè)置交叉支撐塊0702，通過交叉支撐塊0702支撐，使其結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，且交叉支撐塊0702上還進(jìn)一步套有交叉支撐軸0701用于支撐。其中，交叉支撐塊0702上在沿著主動(dòng)錐齒輪的軸線方向通過一對軸承套在所述兩個(gè)主動(dòng)錐齒輪軸上；一個(gè)被動(dòng)錐齒輪通過被動(dòng)錐齒輪固定端蓋與輸出連桿0800連接固定，另一個(gè)錐齒輪通過軸承套在交叉支撐軸0701上。

更具體的，被動(dòng)齒輪0603與輸出件輸出連桿0800通過鍵連接輸出運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)齒輪0604通過軸承套在支撐軸0701上，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)齒輪0604空轉(zhuǎn)以改善受力，支撐軸0701與輸出連桿0800相固連。

當(dāng)主動(dòng)錐齒輪0601和0602等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被動(dòng)齒輪0603和0604繞第一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)輸出俯仰運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)錐齒輪0601和0602等速異向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被動(dòng)齒輪0603和0604繞第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)輸出側(cè)擺運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)錐齒輪0601和0602為其他運(yùn)動(dòng)形式時(shí)，輸出俯仰和偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中對齒輪產(chǎn)生一個(gè)軸向的朝向錐齒輪大端的壓緊力，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只需要對齒輪軸向有一個(gè)方向的定位即可。

十字交叉支撐模塊0700

圖10所示為十字交叉支撐模塊0700的一種實(shí)施例的立體示意圖。圖11所示為十字交叉支撐模塊0700的一種實(shí)施例的剖視示意圖。如圖10所示，該十字交叉支撐模塊0700主要包括支撐軸0701、十字交叉支撐塊0702、軸承外擋圈0703、一對角接觸球軸承0704和一對深溝球軸承0705。

所述十字交叉支撐塊0702具有四個(gè)交叉式通孔，相對布置的兩個(gè)通孔分別安裝有一對角接觸球軸承0704和一對深溝球軸承0705。

所述交叉支撐塊在沿著兩個(gè)被動(dòng)錐齒輪的軸線方向通過角接觸球軸承0704套在一根被動(dòng)錐齒輪支撐軸（即支撐軸0701）上，主要用來承受軸向力，其中一個(gè)被動(dòng)錐齒輪通過雙列角接觸球軸承0704套在被動(dòng)錐齒輪支撐軸一端，另一個(gè)被動(dòng)錐齒輪通過雙鍵與被動(dòng)錐齒輪支撐軸的另一端相連以傳遞扭矩。

深溝球軸承0705主要用來承受徑向力（優(yōu)選為主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)軸0511的自由端穿過主動(dòng)錐齒輪0601/0602并被支撐于深溝球軸承0705）。

所述支撐軸0701為階梯軸，支撐軸0701與所述一對角接觸球軸承0704相配合安裝，支撐軸0701通過中間部位的軸肩臺階將軸向力傳遞給所述一對角接觸球軸承0704。所述支撐軸0701兩端優(yōu)選地為外六角形，通過外六角面與兩個(gè)法蘭件的內(nèi)六角面相配合，用于傳遞扭矩。

輸出連桿0800

圖12所示為輸出連桿0800的一種實(shí)施例。如圖12所示，輸出連桿0800主要包括主體0801、位于主體0801上側(cè)的安裝部0802、位于主體0801兩側(cè)的十字交叉支撐模塊0700的安裝部0804和0807（本實(shí)施例中為一對凸耳的形式，每個(gè)凸耳上可以設(shè)置兩個(gè)減重孔0803）、主體0801兩側(cè)分別各有兩個(gè)錐銷孔0805和0808，用于定位和傳遞扭矩，以及主體0801兩側(cè)分別各有多個(gè)螺紋孔0806和0809，通過穿過該螺紋孔的螺釘將主體0801與法蘭連接件相連。

機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軀干前端一部分可以容納在安裝部內(nèi)，并使用螺釘?shù)染o固件通過安裝部0802周圍的安裝孔與輸出連桿0800相連。

所述安裝部0802優(yōu)選地為通孔，同時(shí)安裝部0802的周圍具有多個(gè)螺絲沉頭孔，緊固件穿過該多個(gè)螺絲沉頭孔與外部結(jié)構(gòu)件相互連接。

所述安裝部0804和0806優(yōu)選形均為通孔，所述支撐軸0701兩端分別通過法蘭連接件與安裝部0804和0806相連。

差分等徑錐齒輪系0600、十字交叉支撐模塊0700和輸出連桿0800相連

圖13所示為差分等徑錐齒輪系0600、十字交叉支撐模塊0700和輸出連桿0800之間的一種連接結(jié)構(gòu)立體示意圖。圖14所示為差分等徑錐齒輪系0600、十字交叉支撐模塊0700和輸出連桿0800之間的一種連接結(jié)構(gòu)剖視示意圖。圖15所示為兩個(gè)法蘭連接件1000和1100的一種實(shí)施例。

兩個(gè)法蘭連接件通過錐銷和螺釘緊固件與輸出連桿0800兩端的安裝部相連接。具體的，如圖15所示，法蘭連接件1000包括法蘭盤1001、內(nèi)六角槽1002、銷孔1003和1006、螺紋孔1004和1005。法蘭盤1001右端可以插入輸出連桿0800的安裝部0804通孔中，然后通過穿過定位銷孔1003的定位銷和穿過螺紋孔1004的螺釘將其與被動(dòng)錐齒輪0603相連。內(nèi)六角槽1002與支撐軸0701靠近被動(dòng)錐齒輪0603一端的外六角相配合，用于傳遞扭矩。法蘭盤1001上多個(gè)螺紋孔和銷孔，通過穿過定位銷孔1005的定位銷和穿過螺紋孔1006的螺釘將其與輸出連桿主體0801相連。

定位銷連接一方面起到定位的作用，另一方面起到傳遞扭矩的作用。定位銷與內(nèi)六角形面配合共同傳遞扭矩，從而優(yōu)化改善了支撐軸0701和法蘭連接件1000的受力情況。

法蘭連接件1100與法蘭連接件1000具有類似的結(jié)構(gòu)，包括法蘭盤1101、內(nèi)六角槽1102、銷孔1103和1104。同樣地，通過穿過定位銷孔1104的定位銷和穿過螺紋孔1103的螺釘將其與輸出連桿主體0801相連。法蘭連接件1100通過其內(nèi)六角槽1102與支撐軸0701靠近被動(dòng)錐齒輪0604一端的外六角相配合，來傳遞扭矩。

本發(fā)明二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊可以按如下方式工作：

二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊通過將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊并行布置在框架的下方，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出軸通過鍵連接驅(qū)動(dòng)框架兩側(cè)的兩個(gè)主動(dòng)直齒正齒輪，兩個(gè)主動(dòng)直齒正齒輪經(jīng)過一級1:1傳動(dòng)比的傳動(dòng)鏈將運(yùn)動(dòng)和力矩傳遞給被動(dòng)直齒正齒輪和一個(gè)力矩彈性傳遞模塊，最終由力矩彈性傳遞模塊的輸出來驅(qū)動(dòng)主動(dòng)錐齒輪。四個(gè)尺寸參數(shù)完全相同的錐齒輪，且相互嚙合，構(gòu)成差分耦合結(jié)構(gòu)形式。一對被動(dòng)錐齒輪作為最終的輸出，提供俯仰、偏擺或復(fù)合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)輸出合成力矩提供大力矩輸出。被動(dòng)錐齒輪與輸出連桿相連，以輸出連桿作為輸出件，其上面加工有安裝部便于與其他部件相連接。輸出連桿可以作為末端執(zhí)行器，同時(shí)也可以作為下一個(gè)關(guān)節(jié)的連桿連接件，視具體應(yīng)用而定。

綜上所述可知，本發(fā)明的二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊能夠提供柔性和大力矩的應(yīng)用于機(jī)器人上。其采用兩個(gè)自由度擴(kuò)展了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間，增加了運(yùn)動(dòng)靈活性，同時(shí)在機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，能夠充分發(fā)揮全身自由度，使動(dòng)作更加協(xié)調(diào)。二自由度旋轉(zhuǎn)柔性差分驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊采用等徑錐齒輪差分耦合，一方面使機(jī)構(gòu)緊湊，降低了機(jī)構(gòu)的重心，另一方面可以實(shí)現(xiàn)俯仰或偏擺兩個(gè)自由度的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)俯仰和偏擺的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。同時(shí)又在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)上又各增加了一個(gè)力矩彈性傳遞模塊，使關(guān)節(jié)本身具有內(nèi)在的被動(dòng)柔性，在受到外部接觸或受到外部沖擊時(shí)產(chǎn)生緩沖，從而有效的保護(hù)受用者，并且該力矩彈性傳遞模塊具有力矩測量功能。

以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

例如，差分齒輪系可以是上述實(shí)施例中的等徑錐齒輪，也可以采用非等徑齒輪，可以是上述實(shí)施例中的直角錐齒輪，也可以采用非直角錐齒輪，可以是直齒錐齒輪，也可以是斜齒錐齒輪或其他錐齒輪。

傳動(dòng)直齒輪組既可以是正齒的組合，也可以是斜齒的組合，既可以是1:1的傳動(dòng)比，也可以是其他傳動(dòng)比。

另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。

例如，既可以將差分齒輪系與框架等組合使用，也可以單獨(dú)使用，既可以結(jié)合彈性模塊，也可以不結(jié)合彈性模塊，既可以設(shè)置傳動(dòng)齒輪組，也可以省略傳動(dòng)齒輪組。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。