CN101596717B - 紧凑型智能关节 - Google Patents
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Abstract
一种紧凑型智能关节，力矩电机定子固定在关节外壳内，力矩电机转子与谐波发生器固定连接，谐波减速器的钢轮通过螺栓固定在关节外壳内，谐波减速器的柔轮通过螺栓与输出法兰轴相连，输出法兰轴通过输出轴承定位于输出端盖上，输出端盖则与关节外壳通过螺栓固定在一起，输出法兰轴还与芯轴固接在一起，套筒通过轴承与芯轴可转动连接，套筒与输出法兰轴之间通过第二过渡轴承隔离，套筒还与端盖轴承之间通过第一过渡轴承隔离，端盖轴承装配在端盖之内，端盖用螺栓固定于关节外壳上，智能驱动板和防尘盖安装在端盖上。本发明结构紧凑、维护和安装成本低、适用性良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能机械关节，适用于设计制作关节式机器人及残疾人用主动假肢。
背景技术
在机器人产品中，控制及驱动装置通常占据了很大的空间，尤其在工业生产领域，具体表现为机器人往往配有一个体积较大的控制柜。在这个控制柜中，安置了所有的控制系统和功率驱动电路，机器人每个关节上的传感器、电源线都接入这个控制柜中，形成复杂、庞大的线束，增加了机器人的维护难度。在工业控制领域，由于安装空间相对比较宽裕，这种状况所带来的问题还不是很明显，控制柜的安装和线束的检修都还比较容易。但在移动机器人领域和残疾人主动假肢领域，这种笨重的结构体系有很大缺点。首先，在移动机器人上安装空间狭小，放置一个体积相对较大的控制柜或控制箱有困难；第二，庞大的线束降低了系统的可靠性，也增加了维护和安装成本；第三，由于所有的控制和驱动模块都集中在控制柜中，给系统的检修和维护带来很大的困难；第四，传统关节结构体积重量较大，电机和减速装置往往分开设计，降低了机器人的荷重比指标。这些缺点也给机器人技术在残疾人假肢方面的应用带来了很大困难。
发明内容
为了克服现有的机械关节的占用空间大、维护和安装成本高、适用性差的缺点，本发明提供一种结构紧凑、维护和安装成本低、适用性良好的紧凑型智能关节。
本发明为解决其技术问题所提供的技术方案为：
一种紧凑型智能关节，包括固定支架安装柄(1)、支架连接螺栓(2)、固定支架(3)、回转支架(4)、回转轴承(5)、防尘盖(6)、端盖(7)、智能驱动电路板(8)、端盖轴承(9)、，位置检测磁钢(10)、芯轴(11)、第一过渡轴承(12)、轴承(13)、套筒(14)、力矩电机定子(15)、力矩电机转子(16)、关节外壳(17)、键(18)、谐波发生器(19)、刚轮(20)、第二过渡轴承(21)、外壳安装柄(22)、柔轮(23)、输出法兰轴(24)、输出轴承(25)和输出端盖(26)；
力矩电机定子(15)固定在关节外壳(17)内，力矩电机转子(16)与谐波发生器(19)固定连接，谐波减速器的钢轮(20)通过螺栓固定在关节外壳(17)内，谐波减速器的柔轮(23)通过螺栓与输出法兰轴(24)相连，输出法兰轴(24)通过输出轴承(25)定位于输出端盖(26)上，输出端盖(26)则与关节外壳(17)通过螺栓固定在一起，输出法兰轴(24)还与芯轴(11)固接在一起，套筒(14)通过轴承(13)与芯轴(11)可转动连接，套筒(14)与输出法兰轴(24)之间通过第二过渡轴承(21)隔离，套筒(14)还与端盖轴承(9)之间通过第一过渡轴承(12)隔离，端盖轴承(9)装配在端盖(7)之内，端盖(7)用螺栓固定于关节外壳(17)上，回转支架(4)通过回转轴承(5)与关节外壳(17)连接在一起，回转支架(4)还通过支架连接螺栓(2)与固定支架(3)固接在一起，固定支架(3)上固接有固定支架安装柄(1)，关节外壳(17)上固接有外壳安装柄(22)，位置检测磁钢(10)安装在芯轴(11)上，智能驱动板(8)和防尘盖(6)安装在端盖(7)上。
作为优选的一种方案：力矩电机转子(16)与套筒(14)固接在一起，套筒(14)还通过键(18)与谐波发生器(19)相连。
作为优选的另一种方案：电机转子通过螺栓直接与谐波发生器相连。
进一步，所述智能驱动电路板(8)固定在端盖(7)上，所述智能驱动电路板(8)与位置检测磁钢(10)保持1mm的间隙。
本发明的技术构思为：智能关节是利用嵌入式技术，将控制和驱动电路直接安装在机器人驱动关节上，与机械结构有机地结合成一个整体，而不是像传统结构那样将机械系统和控制系统分成两个独立部分。利用现场总线技术，关节之间只需要四根线(两根电源线和两根串行通讯线)联接起来。在这种结构下，体积较大的用于容纳电机驱动器电气控制柜不再需要，只要用一台能支持现场总线通讯的计算机(如PC104或其他嵌入式单板机)就能实现对机器人的控制。在控制中，由总控计算机直接向各关节发出位置或速度指令，由各关节根据这些指令自行控制位置和速度，而不再像传统结构那样由一台计算机来具体执行所有关节的位置和速度控制算法。
采用智能关节的方案，真正体现了现代机电一体化系统中动力分散化、部件智能化、控制嵌入化的趋势，为机器人构件的标准化、模块化提供了有利条件。
本发明与现有技术相比，具有的技术效果为：(1)、结构简单合理，充分利用了谐波减速器中钢轮与柔轮间的相对运动关系，将关节上的两个安装柄直接与钢轮和柔轮固接，使结构更加紧凑；(2)、采用的芯轴结构不但起到了支撑力矩电机转子和谐波发生器的作用，还将柔轮的运动传递到端盖的位置，为在芯轴端上放置关节位置检测磁钢和在端盖上安装电机智能驱动电路板提供了方便；(3)、将多个关节的安装柄用安装管连接起来，就能构成多自由度关节臂，应用方便灵活。
附图说明
图1为机器人智能关节驱动及其减速装置结构示意图。
图2为另一种结构的关节示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明
实施例1
参照图1，一种紧凑型智能关节，包括固定支架安装柄(1)、支架连接螺栓(2)、固定支架(3)、回转支架(4)、回转轴承(5)、防尘盖(6)、端盖(7)、智能驱动电路板(8)、端盖轴承(9)、，位置检测磁钢(10)、芯轴(11)、第一过渡轴承(12)、轴承(13)、套筒(14)、力矩电机定子(15)、力矩电机转子(16)、关节外壳(17)、键(18)、谐波发生器(19)、刚轮(20)、第二过渡轴承(21)、外壳安装柄(22)、柔轮(23)、输出法兰轴(24)、输出轴承(25)和输出端盖(26)；
力矩电机定子(15)固定在关节外壳(17)内，力矩电机转子(16)与套筒(14)固接在一起，套筒(14)还通过键(18)与谐波发生器(19)相连，而谐波减速器的钢轮(20)通过螺栓固定在关节外壳(17)内，谐波减速器的柔轮(23)通过螺栓与输出法兰轴(24)相连，输出法兰轴(24)通过输出轴承(25)定位于输出端盖(26)上，输出端盖(26)则与关节外壳(17)通过螺栓固定在一起，输出法兰轴(24)还与芯轴(11)固接在一起，套筒(14)通过轴承(13)可以绕芯轴(11)转动，套筒(14)与输出法兰轴(24)之间通过第二过渡轴承(21)隔离，套筒(14)还与端盖轴承(9)之间通过第一过渡轴承(12)隔离，端盖轴承(9)装配在端盖(7)之内，端盖(7)则用螺栓固定于关节外壳(17)上，回转支架(4)通过回转轴承(5)与关节外壳(17)连接在一起，回转支架(4)还通过支架连接螺栓(2)与固定支架(3)固接在一起，固定支架(3)上固接有固定支架安装柄(1)，关节外壳(17)上固接有外壳安装柄(22)。位置检测磁钢(10)安装在芯轴(11)上，智能驱动板(8)和防尘盖(6)安装在端盖(7)上。
本实施例的工作原理为：力矩电机转子(16)通过套筒(14)和键(18)驱动谐波发生器(19)，谐波发生器(19)通过柔轮(23)进一步驱动输出法兰轴(24)，与输出法兰轴(24)固接在一起的芯轴(11)则能够在套筒(14)内的轴承(13)中转动，从而将输出法兰轴(24)的运动传递到端盖(7)的外端。在本发明中，谐波减速器的钢轮(20)与关节外壳(17)固联在一起，柔轮(23)与输出法兰轴(24)固联在一起，因此关节外壳(17)就与输出法兰轴(24)之间形成了相对运动。由于输出法兰轴(24)通过螺栓连接与固定支架(3)连接在一起，固定支架(3)上还固定有固定支架安装柄(1)。固定支架(3)还通过与其固接在一起的回转支架(4)和回转轴承(5)实现了绕关节外壳(17)的旋转，因此当力矩电机转子(16)转动时，固定支架安装柄(1)和外壳安装柄(22)间就有经谐波减速机减速后的相对转动。在端盖(7)一端的芯轴(11)端上安装位置检测磁钢(10)，在端盖(7)上安装智能驱动电路板，从而构成智能关节。
实施例2
参照图2，直流力矩电机定子(40)固定在关节外壳(41)内，电机转子(39)通过螺栓直接与谐波发生器(45)相连，而谐波减速器的钢轮(43)通过螺栓固定在关节外壳(41)内，谐波减速器的柔轮(44)通过螺栓与输出法兰轴(48)相连，输出法兰轴(48)通过输出轴承(49)定位于输出端盖(50)上，输出端盖(50)则与关节外壳(41)通过螺栓固定在一起，输出法兰轴(48)还与芯轴(47)固接在一起，电机转子(39)和谐波发生器(45)通过轴承(38)可以绕芯轴(47)转动，谐波发生器(45)与输出法兰轴(48)之间通过过渡轴承(46)隔离，电机转子(39)与端盖轴承(34)之间通过过渡轴承(37)隔离，端盖轴承(34)装配在端盖(33)之内，端盖(33)则用螺栓固定于关节外壳(41)上，回转支架(30)通过回转轴承(31)与关节外壳(41)连接在一起，回转支架(30)还通过支架连接螺栓(28)与固定支架(29)固接在一起，固定支架(29)上固接有固定支架安装柄(27)，关节外壳(41)上固接有外壳安装柄(42)。与图1实施例一样，位置检测磁钢(36)安装在芯轴(47)上，智能驱动板(35)和防尘盖(32)则安装在端盖(33)上。
本实施例的工作原理为：力矩电机转子(39)直接驱动谐波发生器(45)，谐波发生器(45)通过柔轮(44)进一步驱动输出法兰轴(48)，与输出法兰轴(48)固接在一起的芯轴(47)则能够在滚针轴承(38)中转动，从而将输出法兰轴(48)的运动传递到端盖(33)的外端。在本发明中，谐波减速器的钢轮(43)与关节外壳(41)固联在一起，柔轮(44)与输出法兰轴(48)固联在一起，因此关节外壳(41)就与输出法兰轴(48)之间形成了相对转动。由于输出法兰轴(48)通过螺栓连接与固定支架(29)连接在一起，而固定支架(29)上还固定有固定支架安装柄(27)，而固定支架(29)还通过与其固接在一起的回转支架(30)和回转轴承(31)实现了绕关节外壳(44)的旋转。因此当力矩电机转子(39)转动时，固定支架安装柄(27)和外壳安装柄(42)间就有经谐波减速机减速后的相对转动。在端盖(33)一端的芯轴(47)端上安装位置检测磁钢(36)，在端盖(33)上安装电机智能驱动控制板(35)用于控制关节的转动位置，从而构成智能关节。
Claims (2)
1.一种紧凑型智能关节，其特征在于：所述紧凑型智能关节包括固定支架安装柄(1)、支架连接螺栓(2)、固定支架(3)、回转支架(4)、回转轴承(5)、防尘盖(6)、端盖(7)、智能驱动电路板(8)、端盖轴承(9)、，位置检测磁钢(10)、芯轴(11)、第一过渡轴承(12)、轴承(13)、套筒(14)、力矩电机定子(15)、力矩电机转子(16)、关节外壳(17)、键(18)、谐波发生器(19)、刚轮(20)、第二过渡轴承(21)、外壳安装柄(22)、柔轮(23)、输出法兰轴(24)、输出轴承(25)和输出端盖(26)；
所述力矩电机定子(15)位于所述力矩电机转子(16)外，力矩电机定子(15)固定在关节外壳(17)内，力矩电机转子(16)与套筒(14)固接在一起，套筒(14)还通过键(18)与谐波发生器(19)相连，谐波减速器的刚轮(20)通过螺栓固定在关节外壳(17)内，谐波减速器的柔轮(23)通过螺栓与输出法兰轴(24)相连，输出法兰轴(24)通过输出轴承(25)定位于输出端盖(26)上，输出端盖(26)则与关节外壳(17)通过螺栓固定在一起，输出法兰轴(24)还与芯轴(11)固接在一起，套筒(14)通过轴承(13)与芯轴(11)可转动连接，套筒(14)与输出法兰轴(24)之间通过第二过渡轴承(21)隔离，套筒(14)还与端盖轴承(9)之间通过第一过渡轴承(12)隔离，端盖轴承(9)装配在端盖(7)之内，端盖(7)用螺栓固定于关节外壳(17)上，回转支架(4)通过回转轴承(5)与关节外壳(17)连接在一起，回转支架(4)还通过支架连接螺栓(2)与固定支架(3)固接在一起，固定支架(3)上固接有固定支架安装柄(1)，关节外壳(17)上固接有外壳安装柄(22)，位置检测磁钢(10)安装在芯轴(11)的靠近智能驱动板(8)的端部，智能驱动板(8)和防尘盖(6)安装在端盖(7)上。
2.如权利要求1所述的智能关节，其特征在于：所述智能驱动电路板(8)与位置检测磁钢(10)保持1mm的间隙。
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