CN103802125B - 一种单自由度的旋转关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单自由度的旋转关节模块，主要包括伺服电机及编码器组件、行星齿轮减速器、关节基座、轴承、轴承基座、轴承端盖、上旋转外壳、下旋转外壳，控制器圆周搭载系统、控制器轴向搭载系统等。相应的控制系统，可实现单自由度的旋转运动。伺服电机与行星齿轮减速器固连在一起，行星齿轮减速器输出端与上下旋转外壳相连，通过减速器轴带动旋转外壳转动，实现运动和动力的传输。本发明结构简单紧凑，上下旋转关节可分离，方便装配和拆卸。关节基座和上旋转外壳均设有与其它零部件相接的孔位，方便搭建不同的机器人构型或系统。同时在关节基座上设置了两套控制器组件搭载装置，方便安装不同的控制器元件，实现结构和控制模块的一体化。

Description

一种单自由度的旋转关节模块

技术领域

本发明涉及一种旋转关节模块，尤其是涉及一种单自由度的旋转关节模块。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人在生活和生产中应用越来越广泛，但由于相关技术的有待完善和成熟，离现实大规模、低成本和多领域的应用还有很远的距离。现有机器人往往是针对某种特定应用场合，只具备一种主要功能和固定的构型，不具备机器人功能的扩展性和构型的可重构性，这样势必造成机器人研发周期长，应用局限，制约机器人的推广和在多领域内的应用。而机器人功能部件的标准化与模块化是提高机器人的运动精度、运动速度、降低成本和提高可靠性的重要途径，也是当今世界研究机器人研究和开发的一个趋势和热点。机器人的模块化是将机器人关节一些要素组合成一个具有特定功能的子系统，通过该子系统模块与其它模块进行组合，构成具有不同自由度、不同功能或性能的机器人，使得机器人具有可重构型和多功能性。

针对机器人模块化的研究，我国近年来研制了一些成果。发明专利（CN103273499A）公布一种紧凑型机器人模块化关节及其机器人。该紧凑型机器人模块化关节通过输入轴使该关节自转，并通过相啮合的第一、第二圆锥齿轮传动带动转动件转动，且其承载部及转动部形成T形结构。由于其结构特点，限制了其可重构的多样性。实用新型专利（CN201361871）公布一种模块化机器人的节点模块，包括了左连接板、右连接板、前连接板、后连接板、上连接板和下连接板，该节点模块可与拼装模块一起构件多足机器人，使机器人具有较好对称性。但该模块不具有旋转和平移自由度，只能作为相邻连杆的连接模块。现阶段已公布的关节模块没有充分实现机器人构型的灵活性和快捷性，部分模块的转动范围有限制，模块化的构件相对复杂和笨重化，安装和拆卸都不易进行。同时，现有的模块只是大多只是单纯的机械结构，没有控制系统的搭载，不能够实现真正意义上的结构和控制一体化，因此有必要开发更为简单紧凑、转动范围无限制、方便重构且具备携带控制系统单元的模块化关节。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单、制造容易且成本低、装配、拆卸和维护容易方便、所需空间小、并可搭载不同控制系统、能实现结构和控制一体化，方便机器人重构的一种单自由度的旋转关节模块。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种单自由度的旋转关节模块，其特征在于，包括关节基座；设置在关节基座内的控制器圆周搭载系统和控制器轴向搭载系统、伺服电机及编码器组件、以及部分设置在关节基座内且输入轴与直流伺服电机及编码器组件输出轴相配接的行星齿轮减速器；所述行星齿轮减速器输出轴与旋转外壳固定并能带动旋转外壳旋转；所述旋转外壳内设有与关节基座固定并能支撑旋转外壳的旋转模块传动组件；所述旋转外壳通过紧固装置与行星齿轮减速器的输出轴连接固定；关节基座通过螺钉与旋转模块传动组件紧固连接。

在上述的一种单自由度的旋转关节模块，所述旋转外壳包括下旋转外壳与上旋转外壳；所述下旋转外壳与上旋转外壳通过螺钉固接；行星齿轮减速器输出轴通过传动组件驱动上旋转外壳和下旋转外壳旋转；行星齿轮减速器通过螺钉与上旋转外壳紧固连接。

在上述的一种单自由度的旋转关节模块，所述旋转模块传动组件包括：轴承端盖、垫片、角接触球轴承、轴承座；所述轴承座套在行星齿轮减速器上，并通过螺钉与关节基座紧固连接；角接触球轴承套在轴承座上并支承下旋转外壳；轴承端盖通过螺钉与下旋转外壳紧固连接，中间装有垫片；关节基座、直流伺服电机及编码器组件、行星齿轮减速器、下旋转外壳、上旋转外壳和轴承座的所有中心轴线重合。

在上述的一种单自由度的旋转关节模块，所述的控制器圆周搭载系统包括：控制器一、圆周悬挂安装架、第一圆柱头螺钉；所述关节基座外壁开有沟形槽；所述的圆周悬挂安装架插入关节基座沟形槽内，两端通过第一圆柱头螺钉与关节基座轴向固接，并悬挂在关节基座内；控制器一固接在圆周悬挂安装架上。

在上述的一种单自由度的旋转关节模块，所述的控制器轴向搭载系统包括：控制器二、轴向悬挂安装架、第二圆柱头螺钉；所述的轴向安装架横置在关节基座内，通过第二圆柱头螺钉与关节基座径向固接而悬挂在关节基座内；控制器二固接在轴向悬挂安装架上。

因此，本发明具有如下优点：1.采用伺服电机与行星减速器固连结构，通过输出轴带动上下旋转外壳旋转，具有结构简单紧凑的特点；2.上下旋转关节为可分离结构，方便制造加工，易于装配和拆卸维护，且上下旋转关节可以做360度旋转；3.上旋转外壳和关节基座上均设有与其它零部件相接的孔位和限位槽，方便搭建不同的机器人构型或系统，具有较强的可重构性，连接和拆卸方便快捷；4.旋转关节模块内安置了两套控制系统搭载装置和结构，可搭载不同控制系统或控制元器件，能实现结构和控制模块的一体化。

附图说明

图1是本发明一种单自由度旋转关节模块的外观图；

图2是本发明一种单自由度旋转关节模块的主视剖面图；

图3是本发明一种单自由度旋转关节模块的俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明中，一种单自由度旋转模块的外观图，如图1所示。基本部件由电机、减速器、反馈元件、控制系统搭载装置组成。在旋转关节模块中，由于伺服电机具有体积小、响应快、过载能力大、调速范围宽、波动小、后端可搭载编码器构成半闭环等优点，所以本发明的旋转关节驱动采用伺服电机。伺服电机与编码器集成，即电机后端配接编码器组件，成为伺服电机及编码器组件8。

本发明中，一种单自由度旋转模块结构的主视剖视图，如图2所示。该旋转关节模块具有一个转动自由度，通过搭载的控制系统实现运动传输和力矩控制。主要零部件包括：关节基座1、控制器一2、圆周悬挂安装架3、第一圆柱头螺钉4、第二圆柱头螺钉5、轴向悬挂安装架6、控制器二7、伺服电机及编码器组件8、行星齿轮减速器9、轴承端盖10、垫片11、下旋转外壳12、上旋转外壳13、角接触球轴承14、紧定螺钉15、轴承座16。伺服电机及编码器组件8与行星齿轮减速器9进行配接；关节基座1套在伺服电机及编码器组件8和行星齿轮减速器9上，并通过螺钉固连在轴承座16上；行星齿轮减速器9通过螺钉与轴承座16固连；行星齿轮减速器9的输出轴与上旋转外壳13通过紧定螺钉15紧固连接；上旋转外壳13与下旋转外壳12通过轴向螺钉紧固连接，可实现旋转关节的拆分和相连；轴承座16置于上旋转外壳上旋转外壳13与下旋转外壳12内；角接触球轴承14套在轴承座16上并支承下旋转外壳12；轴承端盖10通过螺钉与下旋转外壳12紧固连接；控制器圆周搭载系统悬挂于关节基座内，其安装方式和结构如下：关节基座1上开有沟形槽，圆周悬挂安装架3插入关节基座1沟形槽内，通过第一圆柱头螺钉4与关节基座1固接，并悬挂在关节基座1内；控制器一2固接在圆周悬挂安装架3上，从而完成控制器圆周搭载系统的搭建；控制器轴向搭载系统也悬挂于关节基座内，其安装方式和结构如下：轴向安装架6横置在关节基座1内，通过第二圆柱头螺钉5与关节基座1固接，从而悬挂在关节基座1内；控制器二7固接在轴向悬挂安装架6上，从而完成控制器轴向搭载系统的搭建；关节基座8、伺服电机及编码器组件9、轴承座16、上旋转外壳13和下旋转外壳12等零部件的轴线重合。

本发明中，一种单自由度旋转模块结构的俯视图，如图3所示，显示了控制器圆周搭载系统和控制器轴向搭载系统的位置关系。控制器圆周搭载系统通过圆周悬挂安装架3插入关节基座1而形成圆周固定搭载系统；控制器轴向搭载系统通过轴向悬挂安装架6与关节基座1固连而形成轴向固定搭载系统。两套控制搭载系统具有结构简单，方便连接和拆卸，并可以根据实际需要搭载不同控制系统的优点，能真正意义上实现机器人结构和控制一体的模块化结构。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种单自由度的旋转关节模块，其特征在于，包括关节基座(1)；设置在关节基座(1)内的控制器圆周搭载系统和控制器轴向搭载系统、伺服电机及编码器组件(8)、以及部分设置在关节基座(1)内且输入轴与伺服电机及编码器组件(8)输出轴相配接的行星齿轮减速器(9)；所述行星齿轮减速器(9)输出轴与旋转外壳固定并能带动旋转外壳旋转；所述旋转外壳内设有与关节基座(1)固定并能支撑旋转外壳的旋转模块传动组件；所述旋转外壳通过紧固装置与行星齿轮减速器(9)的输出轴连接固定；关节基座(1)通过螺钉与旋转模块传动组件紧固连接；

所述旋转外壳包括下旋转外壳(12)与上旋转外壳(13)；所述下旋转外壳(12)与上旋转外壳(13)通过螺钉固接；行星齿轮减速器(9)输出轴通过传动组件驱动上旋转外壳(13)和下旋转外壳(12)旋转；行星齿轮减速器(9)通过紧定螺钉(15)与上旋转外壳(13)紧固连接。

2.根据权利要求1所述的一种单自由度的旋转关节模块，其特征在于，所述旋转模块传动组件包括：轴承端盖(10)、垫片(11)、角接触球轴承(14)、轴承座(16)；所述轴承座(16)套在行星齿轮减速器(9)上，并通过螺钉与关节基座(1)紧固连接；角接触球轴承(14)套在轴承座(16)上并支承下旋转外壳(12)；轴承端盖(10)通过螺钉与下旋转外壳(12)紧固连接，中间装有垫片(11)；关节基座(1)、伺服电机及编码器组件(8)、行星齿轮减速器(9)、下旋转外壳(12)、上旋转外壳(13)和轴承座(16)的所有中心轴线重合。

3.根据权利要求1所述的种单自由度的旋转关节模块，其特征在于，所述的控制器圆周搭载系统包括：控制器一(2)、圆周悬挂安装架(3)、第一圆柱头螺钉(4)；所述关节基座(1)外壁开有沟形槽；所述的圆周悬挂安装架(3)插入关节基座(1)沟形槽内，两端通过第一圆柱头螺钉(4)与关节基座(1)固接，并悬挂在关节基座(1)内；控制器一(2)固接在圆周悬挂安装架(3)上。

4.根据权利要求1所述的种单自由度的旋转关节模块，其特征在于，所述的控制器轴向搭载系统包括：控制器二(7)、轴向悬挂安装架(6)、第二圆柱头螺钉(5)；所述的轴向悬挂安装架(6)横置在关节基座(1)内，通过第二圆柱头螺钉(5)与关节基座(1)固接而悬挂在关节基座(1)内；控制器二(7)固接在轴向悬挂安装架(6)上。