CN102101297B - 一种模块化可重构机器人的伸缩关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模块化可重构机器人装置，具体地说是一种模块化可重构机器人的伸缩关节模块，包括上下端盖、支架、上下导向伸缩座、丝杠支撑座、压盖、丝母、滚珠丝杠及直流无刷电机，丝杠支撑座安装在支架的内部，直流无刷电机与丝杠支撑座相连接，滚珠丝杠通过丝杠轴承座安装在丝杠支撑座上、并通过联轴器与直流无刷电机的前输出轴相连接；上、下导向伸缩座相连接，在上导向伸缩座内安装有丝母，该丝母与滚珠丝杠螺纹连接，通过丝母与滚珠丝杠的螺旋副转换为上、下导向伸缩座的上下移动；支架的底部设有下端盖，顶部安装有供上导向伸缩座伸出的压盖，上导向伸缩座上设有上端盖。本发明具有精度、刚度高，连接定位准确、方便等优点。

Description

一种模块化可重构机器人的伸缩关节模块

技术领域

本发明涉及模块化可重构机器人装置，具体地说是一种模块化可重构机器人的伸缩关节模块。

背景技术

模块化可重构机器人是由一系列具有不同尺寸和功能特征的关节、连杆等模块组成的，能以搭积木的方式通过模块之间简单、快速的组装和拆卸来改变整体结构，重新组合构型的机器人。相对于传统的固定构型机器人而言，模块化可重构机器人可实现“一套构件、多种构型”，能根据任务要求选择最佳的机器人结构，因而对复杂环境的适应性和作业能力更强。

现有的用于模块化可重构机器人的各种关节模块大多为转动关节模块，如德国Schunk公司的PowerCube系列PW旋转模块和PR回转模块、上海广茂达公司的AsMrobotE系列一自由度和二自由度关节模块等，而体现伸缩运动特性的伸缩关节模块则相对较少。究其原因，一方面，由于电机采用轴的高速旋转作为其运动输出形式，必须经过特殊的传动设计才能转换成沿某一轴线的往复伸缩运动，因而伸缩关节模块的结构一般都比较复杂；另一方面，由于受轴向行程的影响，伸缩关节模块一般都难以保证有较好的刚度，因而对整个机器人的刚度也会产生不良影响。上述设计难点是影响伸缩关节模块广泛使用的重要因素，因而也大大降低了模块化可重构机器人可实现构型的种类和数量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种结构简单、精度高、使用安全可靠的模块化可重构机器人的伸缩关节模块。该伸缩关节模块集机构、驱动、控制、感知、通信等于一体。

本发明的次一目的在于提供一种刚度好的模块化可重构机器人的伸缩关节模块。

本发明的另一目的在于提供一种内走线的模块化可重构机器人的伸缩关节模块。

本发明的再一目的在于提供一种安装定位方便的模块化可重构机器人的伸缩关节模块。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括上端盖、下端盖、支架、上导向伸缩座、下导向伸缩座、丝杠支撑座、压盖、丝母、滚珠丝杠及直流无刷电机，其中丝杠支撑座安装在支架的内部，直流无刷电机通过电机安装座与丝杠支撑座相连接，滚珠丝杠通过丝杠轴承座安装在丝杠支撑座上、并通过联轴器与直流无刷电机的前输出轴相连接；所述上、下导向伸缩座相连接，在上导向伸缩座内安装有丝母，该丝母与滚珠丝杠螺纹连接，通过丝母与滚珠丝杠的螺旋副转换为上、下导向伸缩座的上下移动；所述支架的底部设有下端盖，顶部安装有供上导向伸缩座伸出的压盖，上导向伸缩座上设有上端盖。

其中：所述支架为中空的笼形支架，支架壁上沿轴向开有多个方形孔；在支架内设有第一凸台，该第一凸台下方的支架沿径向向内延伸、形成第二凸台；丝杠支撑座通过支撑板安装在第一凸台上，在丝杠支撑座上设有供内部走线的走线管；第二凸台上设有半环压片，所述支架内均布有多个光轴，每个光轴的一端安装在压盖上，另一端安装在半环压片上；所述上、下导向伸缩座的外表面上分别均布有与光轴数量相同的连接套，连接套内设有直线轴承，上、下导向伸缩座通过连接套及直线轴承与光轴相连，沿光轴往复运动；所述支架上设有制动器安装座，电磁制动器安装在制动器安装座上、并与直流无刷电机的后输出轴相连接；所述制动器安装座上设有码盘安装座，增量式码盘安装在码盘安装座上、并与直流无刷电机的后输出轴相连接；码盘安装座上通过螺柱分层设有DSP控制器、驱动电路及电源转换电路；所述上、下端盖均为带有定位止口和定位销孔的法兰，上、下端盖上分别设有D型连接器；所述上、下导向伸缩座的外表面上分别设有磁块，所述支架的内表面设有与磁块相对应的霍尔传感器，磁块与霍尔传感器组成电气限位；所述压盖由内压盖及外压盖组成，外压盖通过定位止口与支架相连，内压盖通过定位止口安装在外压盖上，所述上导向伸缩座可由内压盖伸出；所述支架的外表面设有安装在下端盖上的外罩。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明采用由支架和上、下导向伸缩座构成的内外套筒结构，并通过螺旋副将电机输出轴的旋转运动转换成丝母沿滚珠丝杠的轴向往复运动，结构简单、精度高。

2.伸缩运动的轴向导向是利用安装在上、下导向伸缩座上的直线轴承沿光轴的滑动实现的，由于采用的光轴数量多、刚度高，因此使得伸缩关节模块具有很好的刚度。

3.上、下端盖作为伸缩关节模块的输出、输入接口，均采用带定位止口和定位销孔的法兰式设计，因此在组装机器人的过程中，模块连接和定位十分准确、方便。

4.所有电线均布置在笼形支架和上、下端盖的内部，并用外罩加以隔离保护，因此整个模块外观干净利索，无线路暴露在外，避免组装成机器人后发生电线运动缠绕问题。

5.在支架上设有机械限位，并在机械限位之前利用霍尔传感器实现电气限位；同时，采用电磁制动器实现掉电时刻的制动保护；以上设计大大增加了模块使用过程中的安全性。

6.在直流无刷电机的后输出轴上分别安装了电磁制动器及增量式码盘，电磁制动器可实现主动制动或意外掉电制动；增量式码盘可将直流无刷电机转动的位置信息实时地反馈。

7.本发明的支架采用笼形支架，利于支架内各元器件的散热及布线。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1安装了外罩的结构示意图；

图3为本发明传动链的结构示意图；

图4为图1中上端盖的结构示意图；

图5为图1中下端盖的结构示意图；

图6为图1中支架的结构示意图；

图7为图1中外压盖的结构示意图；

图8为图1中内压盖的结构示意图；

图9为图1中上导向伸缩座的结构示意图；

图10为图1中下导向伸缩座的结构示意图；

图11为图3中丝杠支撑座的结构示意图；

图12为图1中制动器安装座的结构示意图；

图13为图1中支撑板的结构示意图；

图14为本发明半环压片的结构示意图；

图15为图3中电机安装座的结构示意图；

图16为图1中走线管的结构示意图；

图17为图2外罩的结构示意图；

其中：1为上端盖，2为下端盖，3为支架，4为上导向伸缩座，5为下导向伸缩座，6为电机安装座，7为制动器安装座，8为码盘安装座，9为外罩，10为支撑板，11为丝杠支撑座，12为内压盖，13为外压盖，14为走线管，15为半环压片，16为D型连接器，17为丝母，18为滚珠丝杠，19为丝杠轴承座，20为直线轴承，21为连轴器，22为光轴，23为直流无刷电机，24为电磁制动器，25为增量式码盘，26为驱动电路，27为DSP控制器，28为电源转换电路，29为连接套，30为第一凸台，31为第二凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1、图3所示，本发明包括上端盖1、下端盖2、支架3、上导向伸缩座4、下导向伸缩座5、电机安装座6、制动器安装座7、码盘安装座8、外罩9、支撑板10、丝杠支撑座11、压盖、走线管4、丝母17、滚珠丝杠18、丝杠轴承座19、光轴22、直流无刷电机23、电磁制动器24及增量式码盘25，其中支架3为中空的笼形支架(整体为筒状)，支架壁上沿轴向开有多个方形孔，以利于布线及支架内的部件散热；在支架3内设有第一凸台30，该第一凸台30下方的支架3沿径向向内延伸、形成第二凸台31，如图6所示。丝杠支撑座11通过支撑板10固接在第一凸台30上，如图13所示，该支撑板10为扇形，两端分别与丝杠支撑座11及第一凸台30固接；支架3的顶端设有压盖，该压盖由均为环状的内压盖12及外压盖13组成，如图7、图8所示；支架3顶端通过定位止口与外压盖13相连并固接，内压盖12位于外压盖13的内环、通过定位止口与外压盖13相连固接，上导向伸缩座4可由内压盖12的内环伸出；支架3的底部设有下端盖2，如图2、图17所示，支架3的外表面设有安装在下端盖2上的外罩9。在丝杠支撑座11的下方设有与其固接的电机安装座6，如图15所示，直流无刷电机23安装在电机安装座6的笼形罩内，笼形罩顶端为与丝杠支撑座11固接的法兰盘。如图11所示，丝杠支撑座11上设有定位止口，用于安装丝杠轴承座19，滚珠丝杠18通过丝杠轴承座19安装在丝杠支撑座11上、并由丝杠轴承座19及丝杠支撑座11穿出再通过联轴器21与直流无刷电机23的前输出轴相连接。所述丝母17安装在上导向伸缩座4的内部、并与滚珠丝杠18螺纹连接，上导向伸缩座4的顶端固接有上端盖1，底部通过定位止口与下导向伸缩座5相连、由螺钉固接为一体。通过丝母17与滚珠丝杠18的螺旋副将直流无刷电机23输出轴的旋转运动转换为丝母17沿滚珠丝杠18的轴向往复运动，进而使上、下导向伸缩座4、5上下移动。在支架3内的第二凸台31的下面两个半环压片15，如图14所示；所述支架3内均布有多个光轴22(本实施例为四个)，每个光轴的一端穿过外压盖13上的通孔与内压盖12固定，另一端穿过第二凸台31上的通孔与半环压片15固接；如图9、图10所示，所述上、下导向伸缩座4、5均为筒状，上、下导向伸缩座4、5外表面的底部分别均布有与光轴22数量相同(本实施例为四个)的连接套29，连接套29内设有直线轴承20，上、下导向伸缩座4、5通过连接套29及直线轴承20与光轴22相连，沿光轴22往复运动。光轴22分别通过第二凸台31上的通孔及外压盖13上的通孔实现径向定位，通过半环压片15和内压盖12实现轴向定位。

在丝杠支撑座11上设有供内部走线的走线管14，如图16所示。

所述电磁制动器24的转子与直流无刷电机23的后输出轴固接，定子安装在制动器安装座7上，所述制动器安装座7固接于支架3内的第二凸台31上。所述增量式码盘25的光栅盘与直流无刷电机23的后输出轴固接，增量式码盘25的外壳安装在码盘安装座8上，所述码盘安装座8与制动器安装座7固接。在码盘安装座8上通过螺柱分层设有DSP控制器27、驱动电路26及电源转换电路28。

如图4、图5所示，上、下端盖1、2均为带有定位止口和定位销孔的法兰，定位止口和定位销孔便于模块相互连接；上、下端盖1、2上分别设有D型连接器16。

上、下导向伸缩座4、5的外表面上分别设有磁块，所述支架3的内表面设有与磁块相对应的霍尔传感器，磁块与霍尔传感器组成电气限位，可根据伸缩的极限位置和零位置任意调整磁块和霍尔传感器的安装位置；上、下导向伸缩座4、5上磁块之间的距离即为上、下导向伸缩座4、5的行程距离。

本发明中的内压盖12、外压盖13、上导向伸缩座4、下导向伸缩座5、丝杠支撑座11、电机安装座6、制动器安装座7、码盘安装座8及支架3上均设置了定位止口，用于各部件的同轴安装。

本发明的工作原理为：

直流无刷电机23、电磁制动器24的控制端分别与DSP控制器27的控制信号相连，DSP控制器27是伸缩关节模块的控制核心，负责程序存储、实时计算、伺服控制、信号处理和通信等功能；驱动电路26接收到DSP控制器27发出的指令，对直流无刷电机23进行驱动控制，直流无刷电机23工作，其前输出轴通过联轴器21驱动滚珠丝杠18转动，将直流无刷电机23前输出轴的旋转运动转换为丝母17沿滚珠丝杠18轴向的往复直线运动，并由与丝母17连接的上导向伸缩座4及与上导向伸缩座4连接的下导向伸缩座5将运动输出，上导向伸缩座4由内压盖12伸出；在上、下导向伸缩座4、5运动的过程中，穿过上、下导向伸缩座4、5的光轴22起到轴向导向的作用，支架3内的第一凸台30与外压盖13起到机械限位的作用。上、下导向伸缩座4、5上的磁块与支架3内表面上的霍尔传感器配合起到电气限位和零位作用，霍尔传感器的输出端与DSP控制器27的信号输入端相连，霍尔传感器接收到磁块的磁力信号，输出电信号至DSP控制器27进行处理，然后DSP控制器27对直流无刷电机23发出指令，上、下导向伸缩座4、5运行到极限位置后，直流无刷电机23停止工作。与直流无刷电机23后输出轴固接的电磁制动器24在DSP控制器27的控制下实现主动制动或意外掉电制动，安装在直流无刷电机23后输出轴的增量式码盘25将电机转动的位置信息实时地反馈给DSP控制器27，电源转换电路28负责整个伸缩关节模块各种元器件的供电。

Claims (7)

1.一种模块化可重构机器人的伸缩关节模块，其特征在于：包括上端盖(1)、下端盖(2)、支架(3)、上导向伸缩座(4)、下导向伸缩座(5)、丝杠支撑座(11)、压盖、丝母(17)、滚珠丝杠(18)及直流无刷电机(23)，其中丝杠支撑座(11)安装在支架(3)的内部，直流无刷电机(23)通过电机安装座(6)与丝杠支撑座(11)相连接，滚珠丝杠(18)通过丝杠轴承座(19)安装在丝杠支撑座(11)上、并通过联轴器(21)与直流无刷电机(23)的前输出轴相连接；所述上、下导向伸缩座(4、5)相连接，在上导向伸缩座(4)内安装有丝母(17)，该丝母(17)与滚珠丝杠(18)螺纹连接，通过丝母(17)与滚珠丝杠(18)的螺旋副转换为上、下导向伸缩座(4、5)的上下移动；所述支架(3)的底部设有下端盖(2)，顶部安装有供上导向伸缩座(4)伸出的压盖，上导向伸缩座(4)上设有上端盖(1)；

所述支架(3)为中空的笼形支架，支架壁上沿轴向开有多个方形孔；在支架(3)内设有第一凸台(30)，该第一凸台(30)下方的支架(3)沿径向向内延伸、形成第二凸台(31)；

所述第二凸台(31)上设有半环压片(15)，所述支架(3)内均布有多个光轴(22)，每个光轴的一端安装在压盖上，另一端安装在半环压片(15)上；所述上、下导向伸缩座(4、5)的外表面上分别均布有与光轴(22)数量相同的连接套(29)，连接套(29)内设有直线轴承(20)，上、下导向伸缩座(4、5)通过连接套(29)及直线轴承(20)与光轴(22)相连，沿光轴(22)往复运动；

所述丝杠支撑座(11)通过支撑板(10)安装在第一凸台(30)上，在丝杠支撑座(11)上设有供内部走线的走线管(14)。

2.按权利要求1所述模块化可重构机器人的伸缩关节模块，其特征在于：所述支架(3)上设有制动器安装座(7)，电磁制动器(24)安装在制动器安装座(7)上、并与直流无刷电机(23)的后输出轴相连接；所述制动器安装座(7)上设有码盘安装座(8)，增量式码盘(25)安装在码盘安装座(8)上、并与直流无刷电机(23)的后输出轴相连接。

3.按权利要求2所述模块化可重构机器人的伸缩关节模块，其特征在于：所述码盘安装座(8)上通过螺柱分层设有DSP控制器(27)、驱动电路(26)及电源转换电路(28)。

4.按权利要求1所述模块化可重构机器人的伸缩关节模块，其特征在于：所述上、下端盖(1、2)均为带有定位止口和定位销孔的法兰，上、下端盖(1、2)上分别设有D型连接器(16)。

5.按权利要求1所述模块化可重构机器人的伸缩关节模块，其特征在于：所述上、下导向伸缩座(4、5)的外表面上分别设有磁块，所述支架(3)的内表面设有与磁块相对应的霍尔传感器，磁块与霍尔传感器组成电气限位。

6.按权利要求1所述模块化可重构机器人的伸缩关节模块，其特征在于：所述压盖由内压盖(12)及外压盖(13)组成，外压盖(13)通过定位止口与支架(3)相连，内压盖(12)通过定位止口安装在外压盖(13)上，所述上导向伸缩座(4)可由内压盖(12)伸出。

7.按权利要求1所述模块化可重构机器人的伸缩关节模块.，其特征在于：所述支架(3)的外表面设有安装在下端盖(2)上的外罩(9)。

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