CN104908059B - 一种可变自由度的模块化机械臂关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可变自由度的模块化机械臂关节，将模块化设计思想引入到轻型机械臂的设计中，通过多个机械臂关节能够任意拼接成不同自由度的模块化机械臂；包括由输出法兰与输出轴构成输出法兰轴，以及输出轴上套有的谐波减速器、中空轴电机、刹车装置、双码盘定位机构。其中，谐波减速器与输出法兰固定，同时与中空轴电机的中空轴固定；中空轴转动通过谐波减速器减速后，带动输出法兰转动。刹车装置用来在突发状况时进行紧急制动。双码盘定位机构用来获取中空轴的速度信息与输出轴的位置信息。上述各部分的控制通过伺服驱动电路来实现。本发明的优点为：可使机械臂具有更强的环境适应能力，具有强大的功能可扩展性、灵活性和适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂,具体来说,是一种可变自由度的模块化机械臂关节，通过多个独立的模块单体和连接件组成的，具有典型的模块化特点。
背景技术
随着机电一体化技术的发展，工业产品朝着智能化、系统化、微型化与模块化的方向发展。尤其是在轻型机械臂领域，机械臂有着高精化、模块化、轻量化和多轴化的发展趋势。而对于传统机械臂来说，由于其构型的较为固定，各个自由度之间结构形式都不相同，不具有可替换性，组成方式较为单一，受到自身结构的限制，决定了其功能的单一化，无法适应复杂多变的环境和任务。
现有的传统机械臂是模拟人的上臂构成的，为了保证机械臂具有六个空间自由度，其主动关节数目一般为6，一般情况下全为转动关节，而且其前三个关节集中在腕部，每个关节的结构形式都不大相同，这种结构形式的优点是结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间大。但是由于其各个关节结构形式都不大相同，各个关节无法完成任意组合和替换，灵活性较差。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种可变自由度的模块化机械臂关节，采用模块化的设计思想，将一个或多个本发明中的机械臂关节进行拼接，组成任意自由度的机械臂，具有更强的环境适应能力，具有强大的功能可扩展性、灵活性和适应性。
一种可变自由度的模块化机械臂关节，包括输出法兰轴、谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构。
所述输出法兰轴为输出法兰和输出轴两部分构成的一体结构；输出法兰与输出轴前端同轴相接。其中，输出轴上由前至后依次同轴套有谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构；谐波减速器、中空轴电机、刹车装置、双码盘定位机构均位于外壳内。
上述谐波减速器通过螺钉固定于输出法兰上；中空轴电机的中空轴前端通过螺钉连接在谐波减速器的输入端；中空轴电机工作，中空轴转动，通过谐波减速器减速后，带动输出法兰转动。刹车装置安装在中空轴电机的中空轴后端套有的后端盖上，后端盖与外壳固定；刹车装置用来实现中空轴电机中空轴的制动。
所述双码盘定位机构包括驱动电路板、速度增量编码器和位置增量编码器。其中，速度增量编码器与位置增量编码器均为中空结构的光栅编码器；速度增量编码器具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号。速度增量编码器固定于中空轴后端端部，需保证速度增量编码器的Z相停止位与电机转子的一相对齐；位置增量编码器固定在输出轴后端端部。驱动电路板设置于速度增量编码器与位置增量编码器之间，通过的铜柱固定支撑在后端盖上。驱动电路板的前后端面上分别安装有速度增量编码器读头与位置增量编码器读头，用来实时读取速度增量编码器与位置增量编码器产生的差分信号，进而确定得到中空轴的速度信息与输出轴的位置信息；驱动电路板上设计有伺服驱动电路，用来实现对中空轴电机、刹车装置的控制，以及速度增量编码器读头与位置增量编码器读头获取数据的处理。
本发明的优点在于：
1、本发明模块化机械臂关节，将模块化设计思想引入到轻型机械臂的设计中，通过多个机械臂关节能够任意拼接成不同自由度的模块化机械臂；
2、本发明模块化机械臂关节，整体设计采用中空结构，结构简单，方便内部布线，便于与减速器等其他部件集成；
3、本发明模块化机械臂关节，采用模块化设计思想，模块的结构简单，成本低廉，对各种复杂环境和应用要求都有较强的适应性和扩展性。
4、本发明模块化机械臂关节，速度增量编码器和中空电机轴的相对位置具有唯一确定的关系，使得编码器具有霍尔传感器的作用，省去了无刷直流电机的霍尔传感器，节省空间、减少成本、提高使用寿命；
5、本发明模块化机械臂关节中，独特的刹车装置设计，原理简单，保证了整体机械臂的安全性；
6、本发明模块化机械臂关节中，整体结构设计紧凑，全铝合金的外壳，质量和体积都比较小。
附图说明
图1为本发明模块化机械臂关节整体结构示意图；
图2为本发明模块化机械臂关节中输出法兰轴结构示意图；
图3为本发明模块化机械臂关节中空心轴电机结构示意图；
图4为本发明模块化机械臂关节中刹车装置结构示意图；
图5为刹车装置中三波峰垫圈、刹车挡片、定位卡环三者安装方式示意图；
图6为本发明模块化机械臂关节中双码盘定位机构机构示意图；
图7为本发明模块化机械臂关节中伺服驱动电路结构框图；
图8为本发明模块化机械臂关节中输出法兰与连接法兰位置示意图；
图9为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的四自由度机械臂示意图；
图10为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的五自由度机械臂示意图；
图11为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的六自由度机械臂示意图；
图12为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的七自由度机械臂示意图。
图中：
1-输出法兰轴 2-谐波减速器 3-中空轴电机
4-刹车装置 5-双码盘定位机构 6-外壳
7-伺服驱动电路 8-连接法兰 101-输出法兰
102-输出轴 301-电机定子 302-电机转子
303-中空轴 401-电磁铁 402-刹车挡片
403-定位卡环 404-三波峰垫片 405-遮挡片
501-驱动电路板 502-速度增量编码器 503-位置增量编码器
504-编码器安装座 505-铜柱 701-主控模块
702-信号转换模块 703-刹车控制模块 704-电机驱动模块
705-电源模块 706-温度传感器 707-霍尔电流传感器
708-输入电压检测模块
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明可变自由度的模块化机械臂关节，包括输出法兰轴1、谐波减速器2、中空轴电机3、刹车装置4、双码盘定位机构5与外壳6，如图1所示。
所述输出法兰轴1为输出法兰101和输出轴102两部分构成的一体结构，如图2所示，输出法兰101与输出轴102前端同轴相接。其中，输出轴102上由前至后依次同轴套有谐波减速器2、中空轴电机3、刹车装置4与双码盘定位机构5。上述谐波减速器2、中空轴电机3、刹车装置4、双码盘定位机构5均位于全铝合金的外壳6内，通过外壳6进行保护；为了便于刹车装置4与双码盘定位机构5的更换与维护，将外壳6设计为具有后盖的结构。外壳6上还设计有连接法兰，通过连接法兰与上述输出法兰，实现本发明机械臂关节在应用时，实现多个机械臂关节间的连接，以及机械臂关节与机械臂连杆间的连接。上述谐波减速器2通过螺钉固定于输出法兰101上。
中空轴电机3为中空轴无刷直流电机，如图3所示，具有电机定子301、电机转子302与中空轴303，如图2所示。中空轴电机3通过热套配合与外壳6固定，电机定子301前后两端通过外壳6内壁周向上设计的轴肩定位。中空轴303前端通过螺钉连接在谐波减速器2的输入端，实现中空轴电机3的轴向定位。中空轴303的前后两端上分别套有前端盖304与后端盖305；如图1所示，前端盖304、谐波减速器2与外壳6三者间通过螺钉固定；后端盖305直接通过螺钉与外壳6间固定；并使前端盖304与后端盖305分别和电机定子301前后两端间具有一定间隙，为电机定子301提供一个加工裕度。同时前端盖304和后端盖305上分别通过深沟球轴承与中空轴303前端和后端相连，保证中空轴303能够平稳顺畅的转动。同时在前端盖304与中空轴303间还安装有油封，防止谐波减速器2中的油液进入到其他部分中。通过上述结构，中空轴电机3工作，中空轴303转动，通过谐波减速器2减速后，带动输出法兰101转动。
所述刹车装置4安装于后端盖305上，包括电磁铁401、刹车挡片402、定位卡环403与三波峰垫片404，如图4所示。其中，电磁铁401通过L型支架安装在后端盖305外缘处，定位卡环403与三波峰垫圈404均为2个，刹车挡片402为1个，采用周向上具有四个限位档杆的十字形结构。2个三波峰垫圈404与刹车挡片402按照定位卡环403-三波峰垫圈404-刹车挡片402-三波峰垫圈404-定位卡环403的顺序套在中空轴303上，如图5所示，且在靠近中空轴303轴端的三波峰垫圈404与定位卡环403间还设置有遮挡片405，对2个定位卡环间的结构进行遮挡。其中，2个定位卡环403固定于中空轴303周向上设计的凹槽内，且将2个三波峰垫圈404与1个刹车挡片402三者间压紧固定。由此通过刹车装置4可保证在本发明机械臂关节在未上电或者发生突发状况时，能够紧急通过机械方式制动从而保证人身安全的装置。正常工作时，电磁铁401上电吸合，刹车挡片402可以自由旋转；当发生故障掉电时，电磁铁401释放，至刹车挡片的限位档杆与电磁铁杆接触后，受电磁铁杆阻挡，进而将刹车挡片402锁死，使其不能自由转动，从而使中空轴303停转，达到刹车的目的。刹车装置4对保证机械臂关节的安全起到很重要的作用。
所述双码盘定位机构5包括驱动电路板501、速度增量编码器502和位置增量编码器503，如图6所示。其中，速度增量编码器502与位置增量编码器503均为中空结构的光栅编码器。速度增量编码器502具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号；速度编码器502的中空部分周向上具有三个中心角不同的扇形槽，分别与中空轴303上周向设计的三个扇形键配合定位后，通过螺钉同轴固定于中空轴303后端端部，使速度增量编码器502与中空轴303具有唯一确定的位置关系，且在速度编码器502安装完毕后，需保证速度增量编码器502的Z相停止位与电机转子302的一相对齐，此时，电机转子302相对于电机定子301的位置为速度编码器502的零位。由此，本发明中速度增量编码器502可代替霍尔传感器，当确定了电机转子302相对于电机定子301的初始位置时，速度增量编码器502上电复位，不断读取速度编码器502的差分信号，当速度增量编码器502每旋转120°时进行换向操作，从而实现和代替霍尔传感器的换向作用。位置增量编码器503通过周向上设计的四个非均布安装孔，由螺钉将位置增量编码器503固定于编码器安装座504上，可使位置增量编码器503与编码器安装座504具有唯一确定的位置关系。编码器安装座504通过自身周向上开设的安装孔，由螺钉固定在输出轴102后端端部，使位置增量编码器503与输出法兰轴1同轴定位，且可保证位置增量编码器503和输出轴102具有唯一的位置关系。通过读取位置增量编码器503输出的差分信号，来确定输出法兰轴1相对于初始位置的旋转角度，进而确定应用本发明机械臂关节的机械臂的整体姿态。驱动电路板501设置于速度增量编码器502与位置增量编码器503之间，外缘周向上通过均布的铜柱505固定支撑在后端盖305上。驱动电路板501的前后端面上分别安装有速度增量编码器读头506与位置增量编码器读头507，分别实时读取速度增量编码器502与位置增量编码器503产生的差分信号。驱动电路板501上还设计有伺服驱动电路7。
所述伺服驱动电路7包括主控模块701、信号转换模块702、刹车控制模块703、电机驱动模块704与电源模块705，如图7所示，各个模块间通过CAN总线物理连接建立通信。
其中，信号转换模块702为一块AM26LV32芯片，用来接收速度增量编码器读头506与位置增量编码器读头507读取的差分信号，并分别转换为3.3V电平的单相信号传输至主控模块701。刹车控制模块703为一块DRV104芯片，用来控制刹车装置4中电磁铁401高压吸合，低压保持，以减小电磁铁401的发热量。主控模块701由一块ARM架构的处理器STM32F303RCT6作为主控芯片，用来实现：1、对接收到的单相信号进行处理，得到中空轴303的速度信息与输出轴102的位置信息；2、向刹车控制模块703的DRV104芯片发送控制指令，实现对刹车装置4中电磁铁401的控制；3、发送中空轴电机3控制指令，通过电机驱动模块704实现对中空轴电机3的进行控制。所述电源模块705具有LM5576芯片、LM2674芯片与AMS1117芯片，分别用来将48V输入电压转转化成12V、5V、3.3V的电压；其中12V电压供给电机驱动模块704；5V电压供给速度增量编码器读头502与位置增量编码器读头503；3.3V电压供给主控模块701的主控芯片。上述电机驱动模块704采用常用的H桥驱动电路，通过SVPWM算法实现对中空轴电机3的控制。本发明中电机驱动采用的是SUM90N10型号MOS管，100V耐压，具有90A的过流能力，导通电阻6.7mΩ；MOS管驱动选用的是IR2181S，IR2181S是高电压、高速电源增强型场效应三极管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动器，带有独立的高低端参考输出通道。主控模块701的主控芯片还通过调试接口实现对主控芯片进行程序的烧写；通过RS232接口连接主控芯片的串口调试接口，实现对机械臂关节的串口调试。上述驱动电路板501上还设计有温度传感器706、霍尔电流传感器707与输入电压检测模块；其中，温度传感器706采用LM60型号，实时检测本发明机械臂关节的温度信号，发送至主控芯片，通过主控芯片转化为温度信息。霍尔电流传感器707采用ACS712型号，实时检测中空轴电机3中三相绕组通过的电流，发送至主控芯片，通过主控芯片转化为电流信息。输入电压检测模块708用来检测到输入电压是否存在错误。
本发明机械臂关节应用于机械臂时，每一个机械臂关节可实现机械臂一个自由度的运动，因此在机械臂中，可将机械臂中两个连杆间通过一个或一个以上的机械臂关节进行连接，并根据所在位置机械臂的负载情况，具体设计各个机械臂关节的额定扭矩，构成任意自由度的机械臂。如图8所示，在连接时，可将一个机械臂关节的输出法兰101连接到另一个机械臂关节的连接法兰8(或机械臂连杆端部)上，根据实际需要连接成不同自由度的机械臂)；
如图9中所示机械臂，具有4个机械臂关节与2个连杆，令其分别为1～4号机械臂关节与1号连杆；则将1号机械臂关节的输出法兰与基座相连，连接法兰与2号机械臂关节的输出法兰相连；2号机械臂关节的连接法兰与1号连杆一端相连；1号连杆另一端与3号机械臂关节连接法兰相连，3号机械臂关节输出法兰与4号机械臂关节连接法兰相连；4号机械臂的输出法兰用来连接机械臂末端执行器，从而形成四自由度机械臂。
如图10中所示机械臂，具有5个机械臂关节与2个连杆；令其分别为1～5号机械臂关节与1～2号连杆；则将1号机械臂关节的输出法兰与基座相连，连接法兰与2号机械臂关节的输出法兰相连；2号机械臂关节的连接法兰与1号连杆一端相连；1号连杆另一端与3号机械臂关节连接法兰相连，3号机械臂关节输出法兰与2号连杆一端相连，2号连杆另一端与4号机械臂关节连接法兰相连；4号机械臂关节的输出法兰与5号机械臂关节的连接法兰相连，5号机械臂关节的用来连接机械臂末端执行器，由此，从而形成五自由度机械臂。
如图11所示，在上述五自由度机械臂的基础上，增加6号机械臂关节，将6号机械臂关节的连接法兰与5号机械臂关节的输出法兰相连，6号机械臂关节的用来连接机械臂末端执行器，从而形成六自由度机械臂。
如图12所示，在上述六自由度机械臂的基础上，在3号机械臂关节与2号连杆间增加7号机械臂关节，将7号机械臂关节的连接法兰与3号机械臂关节的输出法兰相连；输出法兰与2号连杆端部相连，从而形成七自由度机械臂。
在本发明中，为了便于连接，设计机械臂关节中的连接法兰8与输出法兰101轴线垂直。
Claims (5)
1.一种可变自由度的模块化机械臂关节，其特征在于：包括输出法兰轴、谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构；
所述输出法兰轴为输出法兰和输出轴两部分构成的一体结构；输出法兰与输出轴前端同轴相接；其中，输出轴上由前至后依次同轴套有谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构；谐波减速器、中空轴电机、刹车装置、双码盘定位机构均位于外壳内；
上述谐波减速器通过螺钉固定于输出法兰上；中空轴电机的中空轴前端通过螺钉连接在谐波减速器的输入端；中空轴电机工作，中空轴转动，通过谐波减速器减速后，带动输出法兰转动；刹车装置安装在中空轴电机的中空轴后端套有的后端盖上，后端盖与外壳固定；刹车装置用来实现中空轴电机中空轴的制动；
所述刹车装置包括电磁铁、刹车挡片、定位卡环与三波峰垫片；其中，电磁铁通过支架安装在后端盖外缘处，定位卡环与三波峰垫圈均为2个；刹车挡片为1个，采用周向上具有四个限位档杆的十字形结构；2个三波峰垫圈与刹车挡片按照定位卡环-三波峰垫圈-刹车挡片-三波峰垫圈-定位卡环的顺序套在中空轴上；其中，2个定位卡环固定于中空轴上，且将2个三波峰垫圈与1个刹车挡片三者间压紧固定；
所述双码盘定位机构包括驱动电路板、速度增量编码器和位置增量编码器；其中，速度增量编码器与位置增量编码器均为中空结构的光栅编码器；速度增量编码器具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号；速度增量编码器固定于中空轴后端端部，需保证速度增量编码器的Z相停止位与电机转子的一相对齐；位置增量编码器固定在输出轴后端端部；驱动电路板设置于速度增量编码器与位置增量编码器之间，通过的铜柱固定支撑在后端盖上；驱动电路板的前后端面上分别安装有速度增量编码器读头与位置增量编码器读头，用来实时读取速度增量编码器与位置增量编码器产生的差分信号，进而确定得到中空轴的速度信息与输出轴的位置信息；驱动电路板上设计有伺服驱动电路，用来实现对中空轴电机、刹车装置的控制，以及速度增量编码器读头与位置增量编码器读头获取数据的处理。
2.如权利要求1所述一种可变自由度的模块化机械臂关节，其特征在于：所述中空轴电机的中空轴前端上套有前端盖；前端盖、谐波减速器与外壳三者间通过螺钉固定；同时前端盖和后端盖上分别通过深沟球轴承与中空轴前端和后端相连。
3.如权利要求2所述一种可变自由度的模块化机械臂关节，其特征在于：所述前端盖与中空轴间还安装有油封。
4.如权利要求1所述一种可变自由度的模块化机械臂关节，其特征在于：所述伺服驱动电路，包括主控模块、信号转换模块、刹车控制模块、电机驱动模块与电源模块，各个模块间通过CAN总线物理连接建立通信；
其中，信号转换模块用来接收速度增量编码器读头与位置增量编码器读头读取的差分信号，并分别转换为3.3V电平的单相信号传输至主控模块；刹车控制模块用来控制刹车装置中电磁铁高压吸合，低压保持，以减小电磁铁的发热量；主控模块用来实现：1、对接收到的单相信号进行处理，得到中空轴的速度信息与输出轴的位置信息；2、向刹车控制模块发送控制指令，实现对刹车装置中电磁铁的控制；3、发送中空轴电机控制指令，通过电机驱动模块实现对中空轴电机的控制；所述电源模块用来将48V输入电压转转化成12V、5V、3.3V的电压，分别供给电机驱动模块、速度增量编码器读头与位置增量编码器读头、主控模块。
5.如权利要求1所述一种可变自由度的模块化机械臂关节，其特征在于：所述驱动电路板上设计有温度传感器、霍尔电流传感器与输入电压检测模块；其中，温度传感器实时检测本发明机械臂关节的温度信号，发送至主控芯片，通过主控芯片转化为温度信息；霍尔电流传感器实时检测中空轴电机中三相绕组通过的电流，发送至主控芯片，通过主控芯片转化为电流信息；输入电压检测模块用来检测到输入电压是否存在错误。
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