CN102218739A - 具有力位感知功能的机械臂模块化关节 - Google Patents

Abstract

具有力位感知功能的机械臂模块化关节，本发明涉及一种机械臂模块化关节。针对现有机械臂体积大、功耗大、集成度低问题。电机定子固装在固定外壳上，第二端盖装在输出外壳内，谐波减速器刚轮设置在第二端盖内，第二端盖与谐波减速器刚轮和固定外壳连接，中心孔走线轴设置在电机定子和谐波减速器刚轮内，输出外壳与固定外壳之间装有十字交叉滚子轴承，输出外壳与力矩传感器的外环连接，力矩传感器的内环与连接螺母之间装有谐波减速器柔轮，第三端盖装在输出外壳上，限位挡块装在第三端盖上，转动轴固装在电机转子内，相对位置传感器的转动磁环固套在转动轴上，谐波减速器波发生器与转动轴连接。本发明用于串联构成轻质量的多自由机械臂。

Description

具有力位感知功能的机械臂模块化关节

技术领域

本发明涉及一种机械臂模块化关节。

背景技术

机器人手臂是机器人系统实现大范围宏操作的重要工具，对机器人系统的作业能力、作业水平具有重要的影响。特别是近年来发展迅速的服务机器人、特种操作机器人等，对操作手臂提出了更高的要求。目前市场上成熟的机械臂，具有重量大、体积大、功耗大、集成度低等问题，限制了机械臂的应用及与机器人系统的集成。

发明内容

本发明提出了一种具有力位感知功能的机械臂模块化关节，以解决现有机械臂存在重量大、体积大、功耗大、集成度低，限制了机械臂的应用及与机器人系统的集成的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：具有力位感知功能的机械臂模块化关节，所述机械臂模块化关节包括关节固定装置、关节输出装置、转动装置和十字交叉滚子轴承；关节固定装置包括固定外壳、电机定子、谐波减速器刚轮、第一端盖、第二端盖、压板、中心孔走线轴、绝缘块和电刷；中心孔走线轴由制成一体的圆管和圆环板组成，圆管的一端与圆环板固接；关节输出装置包括输出外壳、第三端盖、力矩传感器、谐波减速器柔轮、连接螺母、尼龙支撑件和两个限位挡块，两个限位挡块分别是第一限位挡块和第二限位挡块；转动装置包括转动轴、电机转子、相对位置传感器、谐波减速器波发生器、电阻环、导通环和两个支撑轴承，相对位置传感器包括转动磁环和敏感电路板；

固定外壳内位于输入端一侧装有第一端盖，固定外壳的输出端设置在输出外壳内并位于输入端一侧，电机定子固定安装在固定外壳内，第二端盖设置在输出外壳内，第二端盖上设有中心台肩孔，谐波减速器刚轮设置在第二端盖的中心台肩孔内，第二端盖与谐波减速器刚轮和固定外壳的输出端连接，中心孔走线轴的圆管设置在电机定子和谐波减速器刚轮内，中心孔走线轴的圆环板与第一端盖的输入端连接，输出外壳与固定外壳之间装有十字交叉滚子轴承，十字交叉滚子轴承的内环通过第二端盖和固定外壳轴向固定，输出外壳的输出端与力矩传感器的外环连接，力矩传感器的内环设置在力矩传感器的外环内，力矩传感器的内环与连接螺母之间装有谐波减速器柔轮，力矩传感器的内环与连接螺母和谐波减速器柔轮三者连接在一起，连接螺母装在中心孔走线轴的圆管上并位于谐波减速器柔轮内，第三端盖装在输出外壳的输入端上，两个限位挡块装在第三端盖上，第三端盖和两个限位挡块与输出外壳的输入端连接，十字交叉滚子轴承的外环通过输出外壳和第三端盖轴向固定，力矩传感器的内环与中心孔走线轴的圆管之间装有尼龙支撑件，电机转子设置在电机定子内，转动轴固装在电机转子内，转动轴通过两个支撑轴承支撑于固定外壳和第一端盖上，相对位置传感器的转动磁环固套在转动轴上，相对位置传感器的敏感电路板固定在第一端盖上，谐波减速器波发生器装在谐波减速器刚轮内，谐波减速器波发生器与转动轴连接，压板设置在谐波减速器波发生器与固定外壳的输出端之间，每个限位挡块上与第三端盖相邻一侧端面上设有凸起，固定外壳上与两个限位挡块相邻一侧端面上设有凸台，由每个限位挡块上的凸起及固定外壳上的凸台构成关节双向转动机械限位机构；第二限位挡块位于第一限位挡块与所述凸台之间，从所述机械臂模块化关节的输入端向输出端方向上看去，第一限位挡块与所述凸台形成正向转动角度α，第二限位挡块与所述凸台形成反向转动角度β，导通环环套在电阻环上，电阻环和导通环位于力矩传感器的电路板上，并随关节输出装置一同转动，电刷通过绝缘块固定在第二端盖上，当所述机械臂模块化关节转动时，电阻环相对于电刷形成相对转动，导通环的电阻值发生变化，反映关节的转动位置，由所述导通环、电阻环、电刷和绝缘块构成基于电位计的位置传感器。

本发明的有益效果是：本发明由与电机定子及谐波减速器刚轮固定的关节固定装置、通过力矩传感器与谐波减速器柔轮相连的关节输出装置(相对关节固定装置)，电机转子通过转动轴带动谐波减速器波发生器转动，关节输出装置通过十字交叉滚子轴承支撑于关节固定装置上。除力矩传感器外，关节配置有绝对位置传感器和相对位置传感器，绝对位置传感器给出关节的绝对位置，也可作为关节上电时的初始位置，测量范围0-330度；相对位置传感器给出关节的相对位置，即电机转子的相对转动位置，该相对位置与关节绝对位置相互融合，形成关节精度更高的绝对位置信息。本发明提出了一种机械臂的模块化关节结构，集成了绝对位置传感器、相对位置传感器及力矩传感器，具有结构简单、紧凑，体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、集成度高等优点，便于串联构成轻质量的多自由机械臂。

附图说明

图1为本发明的模块化关节的立体图(局部剖面)，图2为本发明的模块化关节的剖视图，图3为两个限位挡块与固定外壳装配的主视图，图4为本发明的模块化关节的关节转动角度限位的立体图，图5为力矩传感器的主视图，图6为绝对位置传感器的立体图，图7为本发明的模块化关节的立体图(中心孔走线轴11未画出)，图8为本发明的模块化关节的电气走线示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-7所示，本实施方式的具有力位感知功能的机械臂模块化关节，所述机械臂模块化关节包括关节固定装置1、关节输出装置2、转动装置3和十字交叉滚子轴承4；关节固定装置1包括固定外壳5、电机定子6-1、谐波减速器刚轮7-1、第一端盖8、第二端盖9、压板10、中心孔走线轴11、绝缘块22-1和电刷22-2；中心孔走线轴11由制成一体的圆管11-1和圆环板11-2组成，圆管11-1的一端与圆环板11-2固接；关节输出装置2包括输出外壳12、第三端盖13、力矩传感器14、谐波减速器柔轮7-2、连接螺母17、尼龙支撑件23和两个限位挡块16，两个限位挡块16分别是第一限位挡块16-1和第二限位挡块16-2；转动装置3包括转动轴18、电机转子6-2、相对位置传感器21、谐波减速器波发生器7-3、电阻环22-3、导通环22-4和两个支撑轴承19，相对位置传感器21(基于电磁原理)包括转动磁环21-1和敏感电路板21-2；

固定外壳5内位于输入端一侧装有第一端盖8，固定外壳5的输出端设置在输出外壳12内并位于输入端一侧，电机定子6-1固定安装在固定外壳5内，第二端盖9设置在输出外壳12内，第二端盖9上设有中心台肩孔，谐波减速器刚轮7-1设置在第二端盖9的中心台肩孔内，第二端盖9与谐波减速器刚轮7-1和固定外壳5的输出端连接(通过螺钉连接)，中心孔走线轴11的圆管11-1设置在电机定子6-1和谐波减速器刚轮7-1内，中心孔走线轴11的圆环板11-2与第一端盖8的输入端连接，输出外壳12与固定外壳5之间装有十字交叉滚子轴承4，十字交叉滚子轴承4的内环通过第二端盖9和固定外壳5轴向固定，输出外壳12的输出端与力矩传感器14的外环14-1连接，力矩传感器14的内环14-2设置在力矩传感器14的外环14-1内，力矩传感器14的内环14-2与连接螺母17之间装有谐波减速器柔轮7-2，力矩传感器14的内环14-2与连接螺母17和谐波减速器柔轮7-2三者连接在一起(通过螺钉)，连接螺母17装在中心孔走线轴11的圆管11-1上(连接螺母17与中心孔走线轴11没有机械连接)并位于谐波减速器柔轮7-2内，第三端盖13装在输出外壳12的输入端上，两个限位挡块16装在第三端盖13上，第三端盖13和两个限位挡块16与输出外壳12的输入端连接，十字交叉滚子轴承4的外环通过输出外壳12和第三端盖13轴向固定，力矩传感器14的内环14-2与中心孔走线轴11的圆管11-1之间装有尼龙支撑件23(避免了关节走线的磨损)，电机转子6-2设置在电机定子6-1内，转动轴18固装在电机转子6-2内(胶接)，转动轴18通过两个支撑轴承19支撑于固定外壳5和第一端盖8上，相对位置传感器21的转动磁环21-1固套在转动轴18上(一同高速转动，本实施方式采用胶接方式固接)，相对位置传感器21的敏感电路板21-2固定在第一端盖8上，谐波减速器波发生器7-3装在谐波减速器刚轮7-1内，谐波减速器波发生器7-3与转动轴18连接(通过螺钉)，压板10设置在谐波减速器波发生器7-3与固定外壳5的输出端之间，每个限位挡块16上与第三端盖13相邻一侧端面上设有凸起16-3，固定外壳5上与两个限位挡块16相邻一侧端面上设有凸台5-1，由每个限位挡块16上的凸起16-3及固定外壳5上的凸台5-1构成关节双向转动机械限位机构；第二限位挡块16-2位于第一限位挡块16-1与所述凸台5-1之间，从所述机械臂模块化关节的输入端向输出端方向上看去，第一限位挡块16-1与所述凸台5-1形成正向(顺时针)转动角度α，第二限位挡块16-2与所述凸台5-1形成反向(逆时针)转动角度β(限位挡块相对输出外壳的固定位置可调整，从而能够实现相同关节结构的不同限位要求)；导通环22-4环套在电阻环22-3上，电阻环22-3和导通环22-4位于力矩传感器14的电路板15上，并随关节输出装置2一同转动，电刷22-2通过绝缘块22-1固定在第二端盖9上，当所述机械臂模块化关节转动时，电阻环22-3相对于电刷22-2(固定不动)形成相对转动，导通环22-4的电阻值发生变化，反映关节的转动位置，由所述导通环22-4、电阻环22-3、电刷22-2和绝缘块22-1构成绝对位置传感器22。

十字交叉滚子轴承承受关节弯矩，弯矩方向在垂直于关节轴线的平面内；十字交叉滚子轴承外环与关节输出端固定，内环与关节固定端固定。

本实施方式中的两个限位挡块16相对输出外壳12的固定位置可调整，从而能够实现相同关节结构的不同转动角度的限位要求。关节所受的弯矩(不是关节输出力矩、力矩方向在与关节轴线垂直的平面内)由十字交叉滚子轴承4承担。

具体实施方式二：结合图1、图2和图5说明，本实施方式的力矩传感器14包括力矩传感器14包括外环14-1、内环14-2、电路板15、四个应变梁14-3和四个过载保护块24；四个应变梁14-3置于外环14-1与内环14-2之间，且四个应变梁14-3沿外环14-1的圆周方向均匀设置，用于传递关节输出力矩(力矩方向沿着关节轴线)，相邻两个应变梁14-3之间设置有一个过载保护块24，四个过载保护块24与内环14-2连接，每个过载保护块24与外环14-1之间留有间隙(使应变梁14-3工作在弹性应变范围内，避免了应变梁14-3由于输出力矩过载或冲击造成损坏)，电路板15固定在内环14-2上。其它与具体实施方式一相同。

本发明的机械臂模块化关节的走线路径是：如图2和图8所示，关节电气系统(驱动及控制电路)25固定于输入外壳5上，电机转子6-2和相对位置传感器22的电气连线25-1(相对电气系统没有相对运动)直接连到电气系统25上，而力矩传感器14的电路板15的连线25-2(相对电气系统25，绕关节轴线转动)，经由力矩传感器14、中心孔走线轴11连至电气系统25上。当多关节串联时，各关节间电气连线26经中心孔走线轴11穿过关节串行连接。

Claims (2)

1.具有力位感知功能的机械臂模块化关节，所述机械臂模块化关节包括关节固定装置(1)、关节输出装置(2)、转动装置(3)和十字交叉滚子轴承(4)；其特征在于：关节固定装置(1)包括固定外壳(5)、电机定子(6-1)、谐波减速器刚轮(7-1)、第一端盖(8)、第二端盖(9)、压板(10)、中心孔走线轴(11)、绝缘块(22-1)和电刷(22-2)；中心孔走线轴(11)由制成一体的圆管(11-1)和圆环板(11-2)组成，圆管(11-1)的一端与圆环板(11-2)固接；关节输出装置(2)包括输出外壳(12)、第三端盖(13)、力矩传感器(14)、谐波减速器柔轮(7-2)、连接螺母(17)、尼龙支撑件(23)和两个限位挡块(16)，两个限位挡块(16)分别是第一限位挡块(16-1)和第二限位挡块(16-2)；转动装置(3)包括转动轴(18)、电机转子(6-2)、相对位置传感器(21)、谐波减速器波发生器(7-3)、电阻环(22-3)、导通环(22-4)和两个支撑轴承(19)，相对位置传感器(21)包括转动磁环(21-1)和敏感电路板(21-2)；

固定外壳(5)内位于输入端一侧装有第一端盖(8)，固定外壳(5)的输出端设置在输出外壳(12)内并位于输入端一侧，电机定子(6-1)固定安装在固定外壳(5)内，第二端盖(9)设置在输出外壳(12)内，第二端盖(9)上设有中心台肩孔，谐波减速器刚轮(7-1)设置在第二端盖(9)的中心台肩孔内，第二端盖(9)与谐波减速器刚轮(7-1)和固定外壳(5)的输出端连接，中心孔走线轴(11)的圆管(11-1)设置在电机定子(6-1)和谐波减速器刚轮(7-1)内，中心孔走线轴(11)的圆环板(11-2)与第一端盖(8)的输入端连接，输出外壳(12)与固定外壳(5)之间装有十字交叉滚子轴承(4)，十字交叉滚子轴承(4)的内环通过第二端盖(9)和固定外壳(5)轴向固定，输出外壳(12)的输出端与力矩传感器(14)的外环(14-1)连接，力矩传感器(14)的内环(14-2)设置在力矩传感器(14)的外环(14-1)内，力矩传感器(14)的内环(14-2)与连接螺母(17)之间装有谐波减速器柔轮(7-2)，力矩传感器(14)的内环(14-2)与连接螺母(17)和谐波减速器柔轮(7-2)三者连接在一起，连接螺母(17)装在中心孔走线轴(11)的圆管(11-1)上并位于谐波减速器柔轮(7-2)内，第三端盖(13)装在输出外壳(12)的输入端上，两个限位挡块(16)装在第三端盖(13)上，第三端盖(13)和两个限位挡块(16)与输出外壳(12)的输入端连接，十字交叉滚子轴承(4)的外环通过输出外壳(12)和第三端盖(13)轴向固定，力矩传感器(14)的内环(14-2)与中心孔走线轴(11)的圆管(11-1)之间装有尼龙支撑件(23)，电机转子(6-2)设置在电机定子(6-1)内，转动轴(18)固装在电机转子(6-2)内，转动轴(18)通过两个支撑轴承(19)支撑于固定外壳(5)和第一端盖(8)上，相对位置传感器(21)的转动磁环(21-1)固套在转动轴(18)上，相对位置传感器(21)的敏感电路板(21-2)固定在第一端盖(8)上，谐波减速器波发生器(7-3)装在谐波减速器刚轮(7-1)内，谐波减速器波发生器(7-3)与转动轴(18)连接，压板(10)设置在谐波减速器波发生器(7-3)与固定外壳(5)的输出端之间，每个限位挡块(16)上与第三端盖(13)相邻一侧端面上设有凸起(16-3)，固定外壳(5)上与两个限位挡块(16)相邻一侧端面上设有凸台(5-1)，由每个限位挡块(16)上的凸起(16-3)及固定外壳(5)上的凸台(5-1)构成关节双向转动机械限位机构；第二限位挡块(16-2)位于第一限位挡块(16-1)与所述凸台(5-1)之间，从所述机械臂模块化关节的输入端向输出端方向上看去，第一限位挡块(16-1)与所述凸台(5-1)形成正向转动角度α，第二限位挡块(16-2)与所述凸台(5-1)形成反向转动角度β，导通环(22-4)环套在电阻环(22-3)上，电阻环(22-3)和导通环(22-4)位于力矩传感器(14)的电路板(15)上，并随关节输出装置(2)一同转动，电刷(22-2)通过绝缘块(22-1)固定在第二端盖(9)上，当所述机械臂模块化关节转动时，电阻环(22-3)相对于电刷(22-2)形成相对转动，导通环(22-4)的电阻值发生变化，反映关节的转动位置，由所述导通环(22-4)、电阻环(22-3)、电刷(22-2)和绝缘块(22-1)构成基于电位计的位置传感器(22)。

2.根据权利要求1所述的具有力位感知功能的机械臂模块化关节，其特征在于：力矩传感器(14)包括外环(14-1)、内环(14-2)、电路板(15)、四个应变梁(14-3)和四个过载保护块(24)；四个应变梁(14-3)置于外环(14-1)与内环(14-2)之间，且四个应变梁(14-3)沿外环(14-1)的圆周方向均匀设置，用于传递关节输出力矩，相邻两个应变梁(14-3)之间设置有一个过载保护块(24)，四个过载保护块(24)与内环(14-2)连接，每个过载保护块(24)与外环(14-1)之间留有间隙，电路板(15)固定在内环(14-2)上。

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