CN104029213B - 双关节模块 - Google Patents

Abstract

双关节模块包括模块壳体、第一关节和第二关节。模块壳体具有结构支承部分。第一关节具有第一马达和第一马达轴线以及第一关节轴线。第二关节具有第二马达和第二马达轴线以及第二关节轴线。第二关节轴线不平行于第一关节轴线。第一关节附接至结构支承部分，并且第二关节附接至结构支承部分。

Description

双关节模块

技术领域

本公开涉及机器人关节，并且具体涉及双关节模块或二自由度机器人关节。

背景技术

机器人臂中使用的机器人关节是众所周知的。然而，在某些应用场合，在对关节和臂的规范中引入了一般应用中所没有的限制。例如，在空间和星球上的应用以及在移动机器人上的应用有效负荷与臂的重量比率是非常重要的。同样，尺寸限制在制造业和移动机器人应用中可以是非常重要的。任何现代机器人的设计都需要考虑：低重量、高负载、长范围、运动灵活性、高精确度和可重复性、以及低成本。

然而大部分上述要求可通过将两个关节组合在单个模块中来解决，该单个模块优于分开的第一关节和第二关节。组合双关节模块可提供紧凑尺寸、低重量、高负载、以及高精确度和可重复性方面的优点。

发明内容

双关节模块包括模块壳体、第一关节和第二关节。模块壳体具有结构支承部分。第一关节具有第一马达和第一马达轴线以及第一关节轴线。第二关节具有第二马达和第二马达轴线以及第二关节轴线。第二关节轴线与第一关节轴线成角度。第一关节附接至结构支承部分，并且第二关节附接至结构支承部分。

第一关节可以是俯仰关节。第二关节可以是滚动关节和偏转关节中的一个。第二关节可以是棱柱关节。

第二马达可以垂直于第二关节轴线。第一马达轴线和第一轴线可以平行。

每个关节可以包括可操作地连接至各自马达的减速机和传动器。传动器可以是谐波传动器。每个马达可包括绝对编码器和增量编码器。每个马达可以能够测量速度和电流。双关节模块可以包括扭矩传感器。双关节模块的每个关节都可以是低功率、高扭矩关节。

第一马达和第二马达中的一个马达可包括成角度的齿轮传动装置，使得第二关节轴线与第一关节轴线成角度。第一关节轴线可与第二关节轴线正交或与第二关节轴线成直角。直角齿轮传动装置可以是蜗轮和准双曲面齿轮中的一个

模块壳体可以充当电磁屏蔽。模块壳体可以包括模块壳体箱，并且每个马达都可以在模块壳体箱外部。模块壳体可包括马达壳体。

第一关节和第二关节可以配置成可反转。

每个马达都可以可操作地连接至在模块壳体内部的电缆。第一关节和第二关节中的一个可具有壳体的主动端和从动端，而第一关节和第二关节中的另一个可具有中空中心轴，并且电缆可穿过一个关节的壳体的从动端以及另一关节的中空中心轴。

双关节模块包括模块壳体、第一关节和第二关节。第一关节具有从动端和主动端，并且具有第一马达。第二关节具有中空中心轴和离轴传动器，并且具有第二马达。内部布线穿过第一关节的从动端，并穿过第二关节的中空中心轴。

每个关节都可包括电子设备，并且电子设备能够串联连接，而且电缆可操作地连接至电子设备且可操作地连接至马达。

第一马达和减速机可以是组合式的马达和减速机。谐波传动器可以在组合式马达和减速机的内部。

进一步的特征将在下面详细描述的过程中进行描述或变得显而易见。

附图说明

先将仅通过示例的方式，参照附图描述实施方式，在附图中：

图1是双关节模块的实施方式的立体图，该双关节模块可用作腕关节；

图2是图1的双关节模块的分解图；

图3是图1的双关节模块沿3-3线截取的剖视图；

图4是图1的双关节模块沿4-4线截取的剖视图；

图5是双关节模块的替代实施方式的立体图，该双关节模块可用作肘关节；

图6是双关节模块的替代实施方式的立体图，该双关节模块可用作肩关节；

图7是双关节模块的替代实施方式的立体图，该双关节模块类似于图6中所示的模块，但还包括叉式连接器；

图8是包括图1、图5和图7中所示二自由度关节的臂组件的立体图；

图9是双关节模块的替代实施方式的立体图；

图10是图9的双关节模块的俯视图；

图11是图9的双关节模块的侧视图；

图12是图9的双关节模块的主视图；

图13是图9的双关节模块的分解图；

图14是图9的双关节模块的剖视图；

图15是包括滚动关节和棱柱关节的双关节模块的分解图；

图16是包括图9和图15的双关节模块的臂的立体图；以及

图17是图16的臂的立体分解图。

具体实施方式

参照图1至图4，双关节模块一般以10示出。模块10包括第一关节12、第二关节14和模块壳体16。第一关节12具有第一关节轴线28，而第二关节14具有第二关节轴线46，并且第一轴线28通常与第二轴线46正交。然而，取决于设计约束，两个关节之间的角度不必是正交，而是可以成另一角度。通常，第一关节是俯仰关节，而第二关节是滚动关节或偏转关节。

第一关节12包括第一马达18、第一减速机20和第一传动器22。例如，第一传动器22是谐波传动器。如本文所示，第一马达18和第一减速机20可合并在同一单元24中。第一马达和减速机还可以包括增量编码器。马达减速机是减速装置，用于减小操作第一模块所需的扭矩。减速机和谐波传动器的组合减速比为20584:1。大减速比的使用提供了使用更小、更轻和更低功率马达的选项。增量编码器测量马达的相对旋转位置，从而通过确定旋转位置的变化率来确定马达的速度。马达的位置在减速机之前确定。第一传动器22可包括集成的扭矩传感器，该集成的扭矩传感器测量在所有传动之后所提供的输出扭矩。第一关节还包括绝对编码器26，绝对编码器26确定所有传动装置之后的输出的旋转位置。绝对编码器用于确定外连接装置相对于内连接装置的相对旋转位置。

第一关节12具有第一马达轴线和第一关节轴线28。第一马达20、第一减速机18、第一传动器22和第一绝对编码器26与第一关节轴线28同心。

第二关节14包括第二马达32、第二减速机30和第二传动器34。第二传动器34可以是谐波传动器。如本文所示，第二马达32和第二减速机30可合并在同一单元36中。第二马达和减速机可以还包括增量编码器。增量编码器测量马达的相对旋转位置，并且从相对旋转位置的变化率确定马达的速度。马达的位置在减速机之前确定。第二传动器34可包括集成的扭矩传感器，该集成的扭矩传感器测量在所有传动之后所施加的输出扭矩。第二关节还包括绝对编码器38，编码器38确定所有传动装置之后的输出的旋转位置。绝对编码器用于确定连接装置的旋转位置。

第二关节14包括中空传动轴40以及允许内部布线41的角传动装置。蜗轮42和蜗杆44将第二马达和减速机组合单元36连接至传动器轴40。这允许将第二马达32、第二马达轴线和减速机组合单元36定位为与第二关节轴线46成角度。该角度可以是正交的，但本领域技术人员应理解的是，取决于对关节的设计限制，可选择不同的角度。马达和减速机组合单元36以这种方式的定位允许紧凑的双关节模块。

第二关节14具有第二关节轴线46。第二传动器34、第二绝对编码器38和中空传动轴40与第二轴线46同心。第二传动器34可以是谐波传动器。第二传动器34、第二马达轴线和减速机组合单元36垂直于第二关节轴线46。第二马达和减速机组合单元36的第二马达轴线平行于第一马达和减速机组合单元24的第一马达轴线。

电子模块48可操作地连接至第一关节12和第二关节14中的每个。电子模块48可操作地连接至控制单元（未示出）。电子模块48从控制单元接收关于所需的关节运动的信息，并且相应地控制第一马达18和第二马达30。每个电子模块48都包括扭矩传感器放大器，以提高来自扭矩传感器的输出信号的强度。每个电子模块48都包括用于所有传感器（诸如增量编码器、绝对编码器）以及来自扭矩传感器放大器的输出的接口，并且能够数字化所有的传感器信息。每个电子模块48都包括电源连接装置。

模块壳体16包括具有电子连接装置的第一壳体盖52。第一输出板50可操作地附接至第一传动器50的输出。输出板50适于机械的外部连接装置并可相对于模块壳体16移动，并且输出板50是壳体的主动端。具有电子连接装置53的第一壳体盖52用于电源和通信的关节模块接口，并且用于定位附接至模块10的连接装置，并且第一壳体盖是壳体的从动端。第二关节14具有结合的第二输出板54和电子连接装置55。主动端第一输出板50、具有电子连接装置的从动端第一壳体盖52以及第二输出板，连同第二关节14的中空传动轴40允许内部布线。然而，应理解的是，第一关节可以具有中空传动轴，并且第二关节可以具有主动端和从动端。模块壳体16还包括壳体箱56。模块壳体箱56足够坚固以传递力和扭矩，模块壳体箱是结构支承部分，并且第一关节12和第二关节14附接至模块壳体箱。同样，模块壳体16包围电子设备和马达并保护它们免受外部环境之害。模块壳体16充当电磁屏蔽。模块壳体16由金属制成并导电。电子模块48由壳体16封闭。壳体16提供电磁屏蔽。

图1至图4中所示出的双关节模块10的实施方式用于相对于图8中所示出的臂70中的其他关节小的关节，并且关节模块10可用作腕模块。图5示出了双关节模块60的中等尺寸的实施方式，其类似于图1至图4示出的模块，但略大，并且可用作肘模块。由于肘关节60离负荷的距离更大，所以要求肘关节60产生更大的扭矩，并且从而需要更大的马达和传动器。图6示出了双关节模块62的更大尺寸的实施方式，双关节模块62类似于模块10和模块60，但更大，并且可用作肩模块。图7是类似于图6中示出的模块的更大模块，但是还包括叉式连接器64。关节模块62包括比模块10和模块60的马达和传动器更大的马达和传动器，并且能产生更高的扭矩。电子设备进行配置以使得本文所描述的、具有内部布线的关节能够串联连接。

仅作为示例，下表示出本文所示的具体关节可产生的扭矩。应理解的是，马达尺寸和传动比可以变化，以实现具体应用所需的扭矩。

关节	马达功率（W）	传动比	扭矩
				模块62
肩第一关节	50	35652:1	826
				肩第二关节	25	39243:1	367
模块60
				肘第一关节	25	37226:1	334
肘第二关节	5	23085:1	71
				模块10
腕第一关节	5	20584:1	65
				腕第二关节	5	21309:1	42

如本领域所公知，关节通常连同连接装置使用以形成机器人臂。取决于设计规范，每个机器人臂的配置可以变化很大，其中设计规范通常包括诸如范围、负载重量与臂重量的比、操作环境、灵活度、人机界面、精确度和可重复性以及控制方法。使用图1至图7中关节模块的臂的示例在图8中示出。臂70包括作为腕的双关节模块10，作为肘的双关节模块60，以及作为肩的、带有叉型连接器的双关节模块62。模块用连接装置72连接。如图中可见，这些关节的一个优点是无外部布线。这是有利的，因为它减少了布线陷于一些未知突出物上的风险。应注意，在图1至图8中所示的实施方式中，关节具有内部布线。如上所述，由于壳体16提供电磁屏蔽，所以电缆可以更轻且更可弯曲，因为电缆无需包括屏蔽或屏蔽连接器。

模块可以连同连接装置72使用，以形成多自由度机器人臂70。臂70的一个实施方式具有6个自由度以及2250mm的范围。该臂质量为38kg，并且有效负载能力为20kg。该臂包括叉型连接器64、肩模块62、下连接装置72、肘模块60、上连接装置72和腕模块10。

参照图9至图16，双关节模块大体以80示出。模块80包括第一关节82、第二关节84和模块壳体86。

第一关节82包括第一马达88、第一减速机90和第一传动器92。作为示例，第一传动器可以是谐波传动器。如本文所示，第一马达88和第一减速机90可以合并在同一单元94中。第一马达和减速机还可以包括增量编码器91。增量编码器91测量马达的相对旋转位置，并且马达的速度从相对旋转位置的变化率确定。马达的位置在减速机之前确定。第一关节还包括绝对编码器96，编码器96确定所有传动装置之后的输出的旋转位置。绝对编码器用于确定连接装置的位置。

第一关节82具有第一关节轴线98。第一马达88、第一减速机90、第一增量编码器91、第一传动器92和第一绝对编码器96与第一轴线98同心。第一马达88具有第一马达轴线。

第二关节84包括第二马达100、第二减速机102、第二增量编码器103和第二传动器104。第二传动器104可以是谐波传动器。如本文所示，第二马达100、第二减速机102和第二增量编码器103可合并在同一单元106中。增量编码器103测量马达的相对旋转位置，并且马达的速度从相对旋转位置的变化率确定。马达的位置在减速机之前确定。第二关节还包括绝对编码器108，编码器108确定所有传动装置之后的输出的旋转位置。绝对编码器用于确定连接装置的位置。蜗轮112将第二马达、减速机和增量编码器组合106连接至第二传动器104。这允许将马达和减速机组合106定位成垂直于第二关节轴线114。马达和减速机组合106以这种模式的定位允许紧凑的双关节模块。

第二关节84具有第二轴线114。第二传动器或马达104具有第二马达轴线。第二传动器104和第二绝对编码器108与第二轴线114同心。第二马达、减速机和增量编码器组合106垂直于第二轴线114。第二马达、减速机和增量编码器组合106的第二轴线平行于第一马达、减速机和增量编码器组合98的第一轴线。

电子模块可操作地连接至第一关节82和第二关节84中的每个关节。电子模块位于控制单元中（未示出）。电子模块传输关于关节运动的信息，并且相应地控制第一马达88和第二马达100。每个电子模块都包括用于所有传感器（诸如增量编码器、绝对编码器）以及来自扭矩传感器放大器的输出的接口，并且能够数字化所有的传感器信息。每个电子模块都包括电源连接装置。

模块壳体86包括第一输出板120和第二输出板122。第一输出板120和第二输出板122适于机械的外部连接。模块壳体86还包括壳体箱124。壳体箱124充当结构支承部分，并且第一关节82和第二关节84相连至壳体箱124。模块壳体86还包括第一马达盖126和第二马达盖128。第一马达盖126还包括外部电子连接器129。模块壳体86足够坚固以传递力和扭矩。同样，模块壳体86包围电子设备和马达并保护它们免受外部环境之害。模块壳体86充当电磁屏蔽。模块壳体16由金属制成并导电。电子模块48由壳体16封闭。壳体16提供电磁屏蔽。

模块80与上述那些模块的不同之处在于其设计用于外部布线（未示出）。

如图15和图16所示，双关节模块80可以作为机器人臂130的一部分使用。在本文中，模块80用作腕模块。模块80可以进行修改以用作肘模块132。同样，模块80可以按比例放大以适应不同的负载。

肘模块132是包括第一关节和棱柱关节或线性关节的双关节模块。模块132在本文中用作肘模块。模块132是双关节的一种替代实施。模块132可进行修改以用作腕模块80或肩模块134。模块132的第一关节可进行修改并实施为与第二关节组合的第一关节。模块132的棱柱关节或线性关节可进行修改并用第二关节实施。模块132共享共用结构元件，其中第一关节和棱柱都附接至该结构元件。

更具体地，双关节模块132包括第一关节138和线性关节或棱柱关节140。第一关节138包括第一马达142、第一减速机144和第一传动器146。通过示例的方式，第一传动器146可以是谐波传动器。如本文所示，第一马达138和第一减速机140可合并在相同单元148中。第一马达和减速机还可包括增量编码器150。增量编码器150测量马达的相对旋转位置，并且马达的速度从相对旋转位置的变化率确定。马达的位置在减速机之前确定。第一关节还包括绝对编码器152，编码器152确定所有传动装置之后的输出的旋转位置。绝对编码器用于确定连接装置的位置。

第一关节138具有第一轴线154。第一马达142、第一减速机144、第一增量编码器150、第一传动器146和第一绝对编码器152与俯仰轴线154同心。

第二关节140是线性关节或棱柱关节，包括第二马达156、第二线性致动器158。第二关节140具有第二轴线160。第二马达156和第二线性致动器158与第二轴线160同心。

模块壳体包括模块底座162，第一关节138和第二关节140附接至模块底座162。模块壳体还包括第一马达盖164、第二马达盖166和致动器盖168，所有这些盖都包括电磁屏蔽。外部电缆引导件170附接至第一马达盖166。外部电子连接器172附接至外部电缆引导件170、第一马达盖和第二马达盖。外部电子连接器172可操作地连接至第一关节138和第二关节140。

双关节模块80和双关节模块132可以在机器人臂中使用。机器人臂130的示例在图16和图17中示出。模块可与连接装置136一起使用以形成多自由度机器人臂130。臂130的一个实施方式具有6个自由度和1130mm的范围。该臂质量为20kg，并且有效负载能力为20kg。该臂包括转台关节134、肩关节135、连接装置136，肘和棱柱模块132以及腕模块80。

仅通过示例的方式，下表示出本文所示的具体关节可产生的扭矩。应理解的是，马达尺寸和传动比可以变化，以实现具体应用所需的扭矩。

关节	马达功率（W）	传动比	扭矩（NM）
				转台-134	12	38400:1	73
肩-135	25	59200:1	258
				肘模块132
肘第一关节	12	50560:1	123
				肘第二线性关节	4.8	不适用	200N
模块80
				腕第一关节	12	20480:1	33
腕第二关节	15	38000:1	20

肘模块132和肩模块135可用连接装置136连接。

一般而言，本文所描述的系统针对双关节模块。按要求，本文中公开了具体实施方式。然而，所公开的实施方式仅仅是示例性的，并且应理解本公开可以以许多不同和替代的形式实施。附图不按比例，并且一些特征可能被放大或最小化以显示具体元件的细节，同时相关的元件可能已省略，以防止混淆新颖的方面。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。出于教导和非限制的目的，所示实施方式针对双关节模块。

如本文所用，术语“包含（comprises）”和“包括（comprising）”将解释为包容且开放的，而不是排外的。具体地，当在包括权利要求的说明书中使用时，术语“包含（comprises）”和“包括（comprising）”及其变体表示包括该具体特征、步骤或组件。该术语不应被解释为排除其他特征、步骤或组件的存在。

Claims (23)

1.一种双关节模块，其包括：

模块壳体，具有结构支承部分；

第一关节，具有第一马达、第一马达轴线和第一关节轴线；以及

第二关节，具有第二马达、第二马达轴线和第二关节轴线，并且所述第二关节轴线与所述第一关节轴线成角度；

其中所述第一关节和所述第二关节形成一个单个模块，每个关节均附接至同一模块壳体的结构支承部分。

2.如权利要求1所述的双关节模块，其中所述第一关节轴线与所述第二关节轴线正交。

3.如权利要求2所述的双关节模块，其中所述第一关节是俯仰关节。

4.如权利要求3所述的双关节模块，其中所述第二关节是滚动关节和偏转关节中的一个。

5.如权利要求3所述的双关节模块，其中所述第二关节是棱柱关节。

6.如权利要求1所述的双关节模块，其中所述第一关节和所述第二关节中的一个关节具有与其关节轴线成角度的马达轴线。

7.如权利要求1所述的双关节模块，其中所述第一关节和所述第二关节中的一个关节具有与其关节轴线正交的马达轴线。

8.如权利要求7所述的双关节模块，其中所述第一关节和所述第二关节中的另一关节具有与其关节轴线平行的马达轴线。

9.如权利要求1所述的双关节模块，其中每个关节都还包括可操作地附接至马达的传动器和减速机。

10.如权利要求9所述的双关节模块，其中所述传动器是谐波传动器。

11.如权利要求9所述的双关节模块，其中每个所述马达都还包括绝对编码器和增量编码器。

12.如权利要求11所述的双关节模块，其中所述增量编码器测量所述马达的速度并且电流在所述传动器中测量。

13.如权利要求12所述的双关节模块，还包括扭矩传感器。

14.如权利要求1所述的双关节模块，其中所述关节的功率在5W和50W之间的范围内，并且所述关节的扭矩在20N/m和826N/m之间的范围内。

15.如权利要求6所述的双关节模块，其中所述第一马达和所述第二马达中的一个马达连接至角传动装置。

16.如权利要求15所述的双关节模块，其中所述角传动装置是直角传动装置。

17.如权利要求16所述的双关节模块，其中所述直角传动装置是蜗轮和准双曲面齿轮中的一个。

18.如权利要求1所述的双关节模块，其中所述模块壳体充当电磁屏蔽。

19.如权利要求8所述的双关节模块，其中所述模块壳体包括模块壳体箱，并且每个马达都在所述模块壳体箱之外。

20.如权利要求19所述的双关节模块，其中所述模块壳体还包括马达壳体并且所述模块壳体充当电磁屏蔽。

21.如权利要求1所述的双关节模块，其中所述第一关节和所述第二关节配置成可反转的。

22.如权利要求1所述的双关节模块，其中每个所述马达都可操作地连接至在所述模块壳体内部的电缆。

23.如权利要求22所述的双关节模块，其中所述第一关节和所述第二关节中的一个关节具有壳体主动端和壳体从动端，而所述第一关节和所述第二关节中的另一关节具有中空中心轴，并且所述电缆穿过所述一个关节的所述从动端以及所述另一关节的中空中心轴。