文章来源：专利文件

随着科技的飞速发展，人形机器人正从科幻走进现实，在服务、工业、科研等领域扮演着越来越重要的角色。然而，如同人类一样，机器人的活动离不开灵活而稳健的关节。肩关节作为连接躯干和手臂的核心枢纽，其设计的优劣直接决定了机器人的运动能力、稳定性乃至使用寿命。
传统的人形机器人肩关节多采用轴承等刚性连接方式，这在执行精确指令时表现尚可，但当机器人遭遇摔倒、碰撞等意外时，刚性结构无法有效缓冲冲击力，极易导致关节损坏，从而显著降低机器人的可靠性和寿命。
针对这一行业痛点，深圳市长盈精密技术股份有限公司一项名为《肩关节结构及人形机器人》的专利（申请公布号 CN 120269607 A）提出了一种革命性的设计思路，巧妙地将“柔性缓冲”与“精密转动”融为一体，为打造更耐用、更可靠的人形机器人提供了全新的技术方案。

技术背景：

为何肩关节如此重要？

人形机器人的肩关节是其上肢运动系统的核心，它需要支持手臂完成前后摆动、侧向抬放等复杂动作。这不仅要求关节结构能精确传递驱动力，还必须具备足够的稳定性和承载能力。在服务机器人递送物品、工业机器人进行装配，乃至科研机器人在复杂环境中探索时，肩关节的性能都是完成任务的基础保障。

现有技术局限性

根据专利文件的背景技术描述，现有肩关节结构通常在第二支撑壳（121）后端与第三支撑壳（13）的收容槽（13a）后壁之间，采用轴承（13b）与固定轴（13c）的连接方式。

整体图示含义：人形机器人An、肩关节结构1、第一支撑组件11、第一支撑壳111、第一驱动器112、第二支撑组件12、第二支撑壳121、第二驱动器122、第三支撑壳13、装配槽131、收容槽13a、轴承13b、固定轴13c、弹性转动连接组件14、环形滚珠滚槽14a、弹性收容架141、环套部 1411、弹性支撑部1412、限位部1413、连接臂1414、连接轴142、第一滚珠环槽1421、倒角面 1422、第一支撑环143、第二滚珠环槽1431、滚珠144、第二支撑环145、第三滚珠环槽1451、躯干结构2、手臂结构3

这种连接本质上是一种硬性接触（硬性连接），其主要存在以下局限性：

缺乏冲击缓冲机制：当机器人（尤其是在运动过程中）意外摔倒时，肩部受到的冲击载荷会直接传递至该刚性连接点。

部件易损与寿命缩短：由于无法有效吸收或耗散冲击能量，该连接部位的轴承及相关结构极易因过载而发生永久性损坏，从而缩短整个关节乃至机器人的使用寿命，并降低其运行的可靠性与稳定性。

因此，开发一种能有效提升结构抗冲击性能的新型肩关节结构，是本领域亟待解决的技术问题。

技术方案详述

为解决上述技术瓶颈，本专利提出了一种包含第一支撑组件（11）、第二支撑组件（12）、第三支撑壳（13）以及弹性转动连接组件（14）的新型肩关节结构。其核心革新在于以弹性转动连接组件（14）替代了传统的刚性轴承连接，用于连接第二支撑壳（121）后端与第三支撑壳（13）的收容槽（13a）后壁。

该弹性转动连接组件（14）的精细化结构如图所示，其构成包括：

弹性收容架（141）：作为缓冲功能的主要载体，其包含一个环套部（1411）以及环形阵列的多个弹性支撑部（1412）。弹性支撑部（1412）自前而后向径向靠近轴线方向倾斜，此特定几何构型使其在受到轴向冲击时，能通过径向弹性变形来吸收能量。

连接轴（142）：其前端与第二支撑壳（121）后端连接，后端则贯穿弹性收容架的环套部（1411），轴上开设有第一滚珠环槽（1421）。

第一支撑环（143）、第二支撑环（145）与滚珠（144）：第一、第二支撑环分别套设于连接轴外侧，其内周缘具有第二（1431）和第三滚珠环槽（1451）。这三个滚珠环槽共同拼合形成一个约束滚珠（144）进行环形滚动的环形滚珠滚槽（14a）。滚珠（144）在滚槽内滚动，实现低摩擦的相对转动。

肩关节结构的工作过程

标准运动工况：当人形机器人手臂进行侧向抬放运动时，第二驱动器（122）的转子驱动第三支撑壳（13）转动。此时，第三支撑壳（13）通过弹性转动连接组件（14）与第二支撑壳（121）后端连接，滚珠（144）在环形滚珠滚槽（14a）内滚动，使得第三支撑壳（13）能够围绕连接轴（142）的轴线顺畅转动，实现预定运动。

冲击载荷工况：当机器人向后摔倒，第三支撑壳（13）后端受到地面冲击时，冲击力沿轴向传递至弹性转动连接组件（14）。该力使得弹性收容架（141）上的多个弹性支撑部（1412）受压，并因其倾斜的几何构型而产生径向弹性变形。在此过程中，冲击动能被转化为弹性势能储存于变形的结构中，从而实现能量的吸收和耗散，起到了保护整个关节结构的作用。

核心技术特征与创新分析

功能一体化设计：本专利最核心的创新在于将弹性缓冲与转动连接两种功能集成于单一组件（14）中。弹性支撑部（1412）的结构变形负责吸收和耗散冲击能量，而滚珠（144）与滚槽（14a）组成的滚动副则保证了关节低摩擦、高精度的转动自由度。

模块化预紧固连接：该设计摒弃了传统的过盈配合或胶粘剂固定方式。弹性收容架（141）的弹性支撑部（1412）后端具有限位部（1413），其前端外接圆直径大于第三支撑壳（13）上的装配槽（131）直径。安装时，弹性支撑部（1412）被压缩并通过其自身的弹性恢复力与装配槽内壁抵接，形成预紧安装，而限位部（1413）则防止其向前脱出。这种设计实现了模块的快速、无损拆装，极大提升了可维护性。

基于几何优化的应力管理与运动学约束：

应力分散：环套部（1411）与弹性支撑部（1412）之间通过倾斜的连接臂（1414）连接。连接臂的倾斜方向与弹性支撑部的倾斜方向互补，形成“V”形结构，该结构在受载时能有效分散应力，避免应力集中现象。
运动学约束：通过对三个滚珠环槽（1421, 1431, 1451）的截面弧线、相对位置进行精确的几何定义和约束（如权利要求8所述），确保了滚珠（144）在滚槽（14a）内被可靠地轴向限位，防止了滚珠的卡滞或脱出，保证了运动的稳定性。

技术优势评估

该专利技术方案的实施带来了以下显著的工程优势：

提升抗冲击能力：弹性转动连接组件能够在机器人遭受碰撞或摔倒时，有效缓冲冲击能量，保护关节内部的驱动器及精密传动部件，从而显著提高机器人的结构鲁棒性。

增强可维护性：模块化的无损拆装设计，使得关节部件的检修和更换变得高效、便捷，大幅降低了维护成本与停机时间。

延长使用寿命：通过避免因刚性冲击导致的结构损坏和因应力集中导致的疲劳失效，该设计从根本上提升了肩关节的可靠性，有效延长了其使用寿命。

本专利（CN 120269607 A）所公开的肩关节结构，通过引入创新的“弹性转动连接组件”，有效地解决了传统刚性连接关节在抗冲击性、可维护性和使用寿命方面的固有缺陷。该设计将弹性缓冲与转动功能高度集成，并辅以模块化和几何优化设计，为开发高可靠性、高鲁棒性的人形机器人提供了重要的技术方案。该技术在服务、工业生产及科研探索等要求高可靠性的应用场景中，具有显著的实用价值和广阔的应用前景。

为更好服务行业，工业机器人小编特建立机器人集成商群，出示名片，加微信：13810274816。

☞来源：人形机器人洞察研究☞责任编辑：游小秀☞审核人：张维官

☞广告合作: 孙哿 13811718902

声明：本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！