CN105058421B - 集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块包括电机减速器导轨单元、齿轮齿条传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元。电机减速器导轨单元和齿轮齿条传动单元由箱体支撑单元完成定位和支撑，其传感器和电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责传感器信号的采集处理与电机的控制；电机减速器导轨单元在伺服电机的作用下经过机械传动将伺服电机的扭矩传递给圆柱齿条，从而带动安装在圆柱齿条的外接法兰旋转运动，齿轮齿条传动单元在直驱电机的带动下经过齿轮传动带动圆柱齿条直线运动，从而带动安装圆柱齿条上的外接法兰直线运动，完成外接法兰对外的旋转运动与直线运动。

Description

集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块

所属技术领域

本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种集成了两自由度的紧凑型机械臂关节模块。

背景技术

近年来，机器人技术取得了长足的进展，机械臂在机器人领域中得到最广泛实际的应用，已应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等各种生产领域中，它的应用加快了生产的自动化和现代化，大幅度的提高了生产效率。

然而现有机械臂多数功能单一，例如轻工业流水线上的机械臂仅能重复同一动作，焊接机器人只能执行焊接功能，浇注机器人只能执行浇注功能，无法满足一机多用。现阶段的机械臂通常具有多个转动关节，每个关节的转动均是通过步进电机或伺服电机实现，由于步进电机或伺服电机的体积通常较大，这就需要机械臂每个关节部分具有较大的体积，以便于安装步进电机或伺服电机，而且机械臂自由度越多，其结构也越复杂，因而常规的工业机械臂存在以下缺点：结构臃肿、占用空间大、功能单一。由于这些缺点，使得普通工业机器人不能或者不适于对机器人体积和功能有严格控制的场合比如教学实验、娱乐及家庭服务等特殊行业。造成上述缺陷的基本原因是：其机械臂没有采用模块化设计思想、机械臂的机械机构没有进行优化设计、驱动和位置检测单元是相互独立的，机械臂机械结构相似，不同功能的实现严重依赖软件，为了解决上述问题，本发明提出了一种集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，它将机械臂的伸缩运动和旋转运动集成在一个关节中，利用机械臂关节伸缩运动的导轨作为机械臂关节旋转运动的传动装置，减小了机械臂关节的体积与质量，增加了机械臂关节运动的灵活性，为机械臂的小型化和多功能通用化打下基础。

发明内容

本发明提出了一种可以实现机械臂关节伸缩与旋转两个自由度的机械臂关节模块，具有结构紧凑、适应性强、易于实现和维护、体积小、质量小与运动灵活等特点。

本发明的技术方案：

集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块包括电机减速器导轨单元、齿轮齿条传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元。

所述电机减速器导轨单元，在伺服电机的带动下经过谐波减速器带动导轨单元转动，从而带动齿轮齿条结构转动，完成本发明集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块转动结构设计；齿轮齿条单元在电机减速器导轨单元提供的支撑下，在直驱电机的带动下可沿导轨单元做直线运动，从而完成本发明集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块伸缩长运动结构设计；箱体支撑单元完成了对上述结构的定位支撑与发明模块的封装；外部连接单元为关节模块与关节外结构固定连接件，方便关节模块与外界结合；驱动控制单元负责传感器信息的采集处理、系统信号传递及电机控制，完成关节的旋转与伸缩运动。

进一步，所述电机减速器导轨单元包括伺服电机、谐波减速器、第二滚动轴承、联轴器、第一滚动轴承、导轨、轴承支撑件、支承轴承与支撑轴承轴，其中伺服电机安装在主箱体的主箱体第一支撑板上，主箱体第一支撑板上安装有第二滚动轴承用以支撑和伺服电机轴相连的联轴器，联轴器的另一端连接到谐波减速器的波发生器上，谐波减速器的刚性齿轮与支撑板固连，支撑板通过长方形槽固连到主箱体上，谐波减速器的柔性齿轮法兰与在第一滚动轴承支撑下的导轨相连，导轨另一端设有螺纹孔并安装有轴承支撑件，轴承支撑件上通过支撑轴承轴安装有支撑轴承，为了安装支撑轴承，轴承支撑件上加工有支撑轴承安装孔、光孔以及螺纹孔，为了保证支撑轴承安装的位置，支撑轴承轴上设有螺纹端、第一轴肩、支撑轴承固定端、第二轴肩以及光轴端，支撑轴承与支撑轴承轴的支撑轴承端过盈配合，其一端紧密贴合在支撑轴承轴的第一轴肩上，从而确定其位置，支撑轴承轴的螺纹端与轴承支撑件的螺纹孔配合，其第二轴肩和轴承支撑件的支撑轴承安装孔的光孔端配合，其光轴端与轴承支撑件的光孔配合。其中谐波减速器当刚性齿轮固定，波发生器主动,柔性齿轮输出时，传动比为负号表示输出的方向与输入的方向相反。

进一步齿轮齿条传动单元包括直驱电机、第三滚动轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第四滚动轴承、第一齿轮、圆柱齿条与滚珠花键，其中直驱电机安装在锥齿轮结构支撑板上，直驱电机的电机轴与安装在第三滚动轴承内的第一锥齿轮连接，第一锥齿轮与安装在第四滚动轴承上的第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮另一端安装有与之同轴的第一齿轮，第四滚动轴承通过第二锥齿轮安装板固定在锥齿轮结构支撑板上，第一齿轮与圆柱齿条啮合，圆柱齿条靠近谐波减速器的一端安装有滚珠花键，滚珠花键与导轨配合，在支撑圆柱齿条运动的同时，传递电机减速器导轨单元的扭矩，使得圆柱齿条跟随上述单元的旋转运动，直驱电机通过第一锥齿轮、第二锥齿轮与第一齿轮带动圆柱齿条做直线运动，圆柱齿条的另一端安装有外接法兰，外接法兰在电机减速器导轨单元及齿轮齿条传动单元的作用下可旋转及直线运动。

进一步箱体支撑单元包括主箱体、上端箱体、直驱电机箱体、主箱体下端盖、主箱体盖、支撑板、锥齿轮结构支撑板与第二锥齿轮安装板，主箱体上设有主箱体第一支撑板、主箱体第二支撑板以及支撑板槽，主箱体第一支撑板用以固定伺服电机及第二滚动轴承，主箱体第二支撑板用以固定第一滚动轴承，支撑板通过主箱体的支撑板槽安装在主箱体上用以固定谐波减速器的刚性齿轮，主箱体上端安装有主箱体盖，主箱体靠近伺服电机的一端安装有主箱体下端盖，与之相对应的另一端安装有锥齿轮结构支撑板，锥齿轮结构支撑板上安装有第二锥齿轮安装板及上端箱体，另一端安装有直驱电机箱体。

进一步驱动控制单元包括驱动控制器、伺服电机接线、直驱电机接线、霍尔传感器与电路外接端，直驱电机接线通过直驱电机箱体的侧面孔、主箱体侧面孔进入主箱体，依次穿过主箱体第二支撑板、支撑板与主箱体第一支撑板连接到驱动控制器上，伺服电机接线也连接到驱动控制器上，驱动控制器一端连接有电路外接端用于与外界通信，驱动控制器安装在主箱体下端盖上。

进一步外部连接单元包括外接法兰，外接法兰为整个关节模块的执行器用以向外接输出旋转运动与直线运动。

根据上述的结构和控制系统，其集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块工作原理为在伺服电机的作用下经过谐波减速器、导轨、滚珠花键和轴承支撑件上的支撑轴承将伺服电机的扭矩传递给圆柱齿条，从而带动安装在圆柱齿条的外接法兰旋转运动；在直驱电机的带动下经过第一锥齿轮和第二锥齿轮的传动从而带动第一齿轮转动，带动与第一齿轮啮合的圆柱齿条直线运动，从而带动安装圆柱齿条上的外接法兰直线运动，从而完成外接法兰对外的旋转运动与直线运动，电机减速器导轨单元和齿轮齿条传动单元由箱体支撑单元完成定位和支撑，其传感器和电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责传感器信号的采集处理与电机的控制。

本发明对比已有技术具有如下特点：

1、结构紧凑、体积质量小；

2、通过巧妙的设计将伸缩运动的导轨作为旋转运动的动力传动装置，集成程度高；

3、设计采用模块化的思想，便于不同的组装；

4、关节通用性强，相对于其他同样的大小的机械臂，采用本模块设计的机械臂可具有更多的自由度。

附图说明

图1集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块整体图

图中标号:

31：主箱体，34：直驱电机箱体，35：锥齿轮结构支撑板，30：上端箱体，20：圆柱齿条，50：外接法兰。

图2无上端箱体的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块整体图

图中标号：

20：圆柱齿条，22：第一齿轮，35：锥齿轮结构支撑板，37：主箱体盖，31：主箱体，34：直驱电机箱体，25：第一锥齿轮，26：第二锥齿轮，50：外接法兰。

图3集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块内部结构图

图中标号：

50：外接法兰，20：圆柱齿条；10：轴承支承件；30：上端箱体，31：主箱体，21：滚珠花键，11：第一滚动轴承，32：支撑板，12：联轴器，310：主箱体第一支撑板，13：伺服电机，40：驱动控制器，33：主箱体下端盖，41：电路外接端，42：直驱电机接线，43：伺服电机接线，14：第二滚动轴承，15：谐波减速器，150：柔性齿轮法兰，311：主箱体第二支撑板，16：导轨，34：直驱电机箱体，35：锥齿轮结构支撑板，22：第一齿轮，17：支撑轴承轴，18：支撑轴承。

图4齿轮齿条传动单元结构图

图中标号：

23：直驱电机，35：锥齿轮结构支撑板，24：第三滚动轴承，25：第一锥齿轮，26：第二锥齿轮，27：第四滚动轴承，22：第一齿轮，36：第二锥齿轮安装板，44：霍尔传感器，42：直驱电机接线，34：直驱电机箱体。

图5轴承支撑件结构图

图中标号：

10：轴承支承件；18：支撑轴承，17：支撑轴承轴。

图6轴承支撑件及支承轴承轴立体图

图中标号：

101：支撑轴承安装孔，102：光孔，103：螺纹孔，104：螺纹连接端，171:螺纹端，172：第一轴肩，173：支撑轴承固定端，174：第二轴肩，175：光轴端。

图7锥齿轮安装尺寸图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：箱体支撑单元完成对电机减速器导轨单元、齿轮齿条传动单元和驱动控制单元的定位和支撑，电机减速器导轨单元在伺服电机的带动下经过谐波减速器、导轨、滚珠花键和轴承支撑件上的支撑轴承将电机的扭矩传递给圆柱齿条，从而带动安装在圆柱齿条的外接法兰旋转运动；齿轮齿条传动单元在直驱电机的带动下经过第一锥齿轮和第二锥齿轮的传动从而带动第一齿轮转动，带动与第一齿轮啮合的圆柱齿条直线运动，从而带动安装圆柱齿条上的外接法兰直线运动，从而完成外接法兰对外的旋转运动与直线运动，其传感器和电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责传感器信号的采集处理与电机的控制。

具体来说，结合图3，伺服电机13安装在主箱体31的主箱体第一支撑板310上，主箱体第一支撑板310的另一侧安装有第二滚动轴承14，第二滚动轴承14内圈安装有联轴器12，伺服电机13的轴与联轴器12连接，联轴器12另一端连接在谐波减速器15的波发生器上，谐波减速器15的刚性齿轮固连在支撑板32上，支撑板32通过主箱体槽固定在主箱体31上，谐波减速器15的柔性齿轮法兰150连接到导轨16上，导轨16连接柔性齿轮法兰150的那端通过第一滚动轴承11固连到主箱体第二支撑板311上，导轨16另一端设有螺纹孔并安装有轴承支撑件10，轴承支撑件10上通过支撑轴承轴17安装有支撑轴承18，支撑轴承18与圆柱齿条20相切支撑圆柱齿条20与外接法兰50连接的一端，圆柱齿条20的另一端通过滚珠花键21与导轨16的配合完成支撑，滚珠花键21的特点是不仅可以沿导轨16做直线运动，还可以将导轨16的转矩传递给圆柱齿条20，伺服电机13产生的扭矩则可经过联轴器12、谐波减速器15与导轨16通过滚珠花键21与支撑轴承18传递给圆柱齿条20，从而带动圆柱齿条20旋转运动。结合图3与图4，直驱电机23安装在锥齿轮结构支撑板35上，其外侧安装有直驱电机箱体34，直驱电机23的轴连接在第一锥齿轮25上，第一锥齿轮25与第二锥齿轮26啮合，并通过第三滚动轴承24固连在锥齿轮结构支撑板35上，第二锥齿轮26通过第四滚动轴承27安装在固连在锥齿轮结构支撑板35上的第二锥齿轮安装板36上，第二锥齿轮26的另一侧同轴安装有第一齿轮22，第一齿轮22与圆柱齿条20啮合，直驱电机23的转动通过第一锥齿轮25、第二锥齿轮26与第一齿轮22的传动，转化为圆柱齿条22的直线运动，其直线运动的导轨由导轨16、轴承支撑件10、支撑轴承轴17与支撑轴承18构成，从而在伺服电机13与直驱电机23的带动下，安装在圆柱齿条20上的外接法兰50有旋转和直线运动两个自由度。直驱电机23上安装有霍尔传感器44，用以测量直驱电机23的输出速度，霍尔传感器44与直驱电机23的接线汇集统称为直驱电机接线42，直驱电机接线42穿过直驱电机箱体34、主箱体31、主箱体第二支撑板311、支撑板32与主箱体第一支撑板310连接到驱动控制器40上，伺服电机接线43也连接到驱动控制器40上，驱动控制器40安装在连接到主箱体下端盖33上并设有电路外接端41。结合图2，主箱体31上安装有主箱体盖37。结合图5与图6，支撑轴承18与支撑轴承轴17的支撑轴承固定端173过盈配合，其一端面与第一轴肩172贴合，支撑轴承轴17的螺纹端171、光轴端175分别与轴承支撑件10的螺纹孔103、光孔102配合，其位置由第二轴肩174与光孔102端面的配合确定，轴承支撑件10上设有螺纹连接端104，用以和导轨16连接。

结合图7锥齿轮的安装参数计算步骤为:

a、选定锥齿轮安装的角度，本实例中两锥齿轮的两轴交角∑＝90°；

b、计算锥齿轮的分锥角，当∑＝90°，δ₂＝∑-δ₁；

c、根据锥齿轮的分锥角计算梁锥齿轮的安装尺寸，d₁＝mz₁,d₂＝mz₂，R＝d₁/(2sinδ₁)，

由上述的连接关系，其装配步骤为

(1)将直驱电机接线42穿过直驱电机箱体34、主箱体31、主箱体第二支撑板311、支撑板32与主箱体第一支撑板310连接到驱动控制器40上；

(2)将第二滚动轴承14安装到主箱体第一支撑板310上；

(3)将谐波减速器15的刚性齿轮固定到支撑板32上，将支撑板32安装到主箱体槽内从而固定到主箱体31上；

(4)将联轴器12安装到第二滚动轴承14上，一端连接到已安装好的谐波减速器15的波发生器内，将伺服电机13安装到主箱体第一支撑板310上，其轴连接到联轴器12的另一端，将伺服电机接线43连接到伺服控制器40上，将伺服控制器40安装到主箱体下端盖33上，将主箱体下端盖33连接到主箱体31上，将电路外接端41安装到主箱体31上，并与驱动控制器40连接；

(5)将第一滚动轴承11安装到主箱体第二支撑板311上；

(6)将支撑轴承18通过支撑轴承轴17安装到轴承支撑件10上；

(7)将滚珠花键21安装到导轨16上，然后将(6)中完成的部件安装在导轨16的螺纹端；

(8)将圆柱齿条20安装到(7)形成的部件上；

(9)将(8)部件中的导轨16未设螺纹孔的一端连接到谐波减速器15的柔性齿轮法兰150上；

(10)将主箱体盖37安装到主箱体31上，然后将锥齿轮结构支撑板35安装到主箱体31上；

(11)将直驱电机23、直驱电机箱体34与第三滚动轴承24安装到锥齿轮结构支撑板35上，将第一锥齿轮25安装到第三滚动轴承24上；

(12)将第四滚动轴承27安装到第二锥齿轮安装板36上，将第二锥齿轮26安装到第四滚动轴承27上，将第一齿轮22安装到第二锥齿轮26上；

(13)将(12)形成的部件通过第二锥齿轮安装板36安装到锥齿轮结构支撑板35上；

(14)将外接法兰50安装到圆柱齿条20上。

Claims (6)

1.集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，其特征是：所述模块包括电机减速器导轨单元、齿轮齿条传动单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元；

所述电机减速器导轨单元，在伺服电机的带动下经过谐波减速器、导轨、滚珠花键和轴承支撑件上的支撑轴承将伺服电机的扭矩传递给圆柱齿条，从而带动安装在圆柱齿条的外接法兰旋转运动；齿轮齿条传动单元在直驱电机的带动下经过第一锥齿轮和第二锥齿轮的传动从而带动第一齿轮转动，带动与第一齿轮啮合的圆柱齿条直线运动，从而带动安装圆柱齿条上的外接法兰直线运动，从而完成外接法兰对外的旋转运动与直线运动；传感器和电机接线连接到驱动控制器上，驱动控制单元负责传感器信号的采集、处理与电机的控制；上述电机减速器导轨单元、齿轮齿条传动单元与驱动控制单元由箱体支撑单元定位与支撑，外部连接单元包括外接法兰，外接法兰为整个关节模块的执行器用以向外接输出旋转运动与直线运动；

所述电机减速器导轨单元包括伺服电机、谐波减速器、第二滚动轴承、联轴器、第一滚动轴承、导轨、轴承支撑件、支承轴承与支撑轴承轴，其中伺服电机安装在主箱体的主箱体第一支撑板上，主箱体第一支撑板上安装有第二滚动轴承用以支撑和伺服电机轴相连的联轴器，联轴器的另一端连接到谐波减速器的波发生器上，谐波减速器的刚性齿轮与支撑板固连，支撑板通过长方形槽固连到主箱体上，谐波减速器的柔性齿轮法兰与在第一滚动轴承支撑下的导轨相连，导轨另一端设有螺纹孔并安装有轴承支撑件，轴承支撑件上通过支撑轴承轴安装有支撑轴承。

2.根据权利要求1所述的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，其特征是：所述轴承支撑件上加工有支撑轴承安装孔、光孔以及螺纹孔，为了保证支撑轴承安装的位置，支撑轴承轴上设有螺纹端、第一轴肩、支撑轴承固定端、第二轴肩以及光轴端，支撑轴承与支撑轴承轴的支撑轴承端过盈配合，其一端紧密贴合在支撑轴承轴的第一轴肩上，从而确定其位置，支撑轴承轴的螺纹端与轴承支撑件的螺纹孔配合，其第二轴肩和轴承支撑件的支撑轴承安装孔的光孔端配合，其光轴端与轴承支撑件的光孔配合。

3.根据权利要求1所述的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，其特征是：所述齿轮齿条传动单元包括直驱电机、第三滚动轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第四滚动轴承、第一齿轮、圆柱齿条与滚珠花键，其中直驱电机安装在锥齿轮结构支撑板上，直驱电机的电机轴与安装在第三滚动轴承内的第一锥齿轮连接，第一锥齿轮与安装在第四滚动轴承上的第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮另一端安装有与之同轴的第一齿轮，第四滚动轴承通过第二锥齿轮安装板固定在锥齿轮结构支撑板上，第一齿轮与圆柱齿条啮合，圆柱齿条靠近谐波减速器的一端安装有滚珠花键，滚珠花键与导轨配合，在支撑圆柱齿条运动的同时，传递电机减速器导轨单元的扭矩，使得圆柱齿条跟随上述单元的旋转运动，直驱电机通过第一锥齿轮、第二锥齿轮与第一齿轮带动圆柱齿条做直线运动，圆柱齿条的另一端安装有外接法兰，外接法兰在电机减速器导轨单元及齿轮齿条传动单元的作用下可旋转及直线运动。

4.根据权利要求2或3所述的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，其特征是：所述箱体支撑单元包括主箱体、上端箱体、直驱电机箱体、主箱体下端盖、主箱体盖、支撑板、锥齿轮结构支撑板与第二锥齿轮安装板，主箱体上设有主箱体第一支撑板、主箱体第二支撑板以及支撑板槽，主箱体第一支撑板用以固定伺服电机及第二滚动轴承，主箱体第二支撑板用以固定第一滚动轴承，支撑板通过主箱体的支撑板槽安装在主箱体上用以固定谐波减速器的刚性齿轮，主箱体上端安装有主箱体盖，主箱体靠近伺服电机的一端安装有主箱体下端盖，与之相对应的另一端安装有锥齿轮结构支撑板，锥齿轮结构支撑板上安装有第二锥齿轮安装板及上端箱体，另一端安装有直驱电机箱体。

5.根据权利要求4所述的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，其特征是：所述驱动控制单元包括驱动控制器、伺服电机接线、直驱电机接线、霍尔传感器与电路外接端，直驱电机接线通过直驱电机箱体的侧面孔、主箱体侧面孔进入主箱体，依次穿过主箱体第二支撑板、支撑板与主箱体第一支撑板连接到驱动控制器上，伺服电机接线也连接到驱动控制器上，驱动控制器一端连接有电路外接端用于与外界通信，驱动控制器安装在主箱体下端盖上。

6.根据权利要求5所述的集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块，其特征是：所述集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块装配步骤为

(1)将直驱电机接线穿过直驱电机箱体、主箱体、主箱体第二支撑板、支撑板与主箱体第一支撑板连接到驱动控制器上；

(2)将第二滚动轴承安装到主箱体第一支撑板上；

(3)将谐波减速器的刚性齿轮固定到支撑板上，将支撑板安装到主箱体槽内从而固定到主箱体上；

(4)将联轴器安装到第二滚动轴承上，一端连接到已安装好的谐波减速器的波发生器内，将伺服电机安装到主箱体第一支撑板上，其轴连接到联轴器的另一端，将伺服电机接线连接到伺服控制器上，将伺服控制器安装到主箱体下端盖上，将主箱体下端盖连接到主箱体上，将电路外接端安装到主箱体上，并与驱动控制器连接；

(5)将第一滚动轴承安装到主箱体第二支撑板上；

(6)将支撑轴承通过支撑轴承轴安装到轴承支撑件上；

(7)将滚珠花键安装到导轨上，然后将(6)中完成的部件安装在导轨的螺纹端；

(8)将圆柱齿条安装到(7)形成的部件上；

(9)将(8)部件中的导轨未设螺纹孔的一端连接到谐波减速器的柔性齿轮法兰上；

(10)将主箱体盖安装到主箱体上，然后将锥齿轮结构支撑板安装到主箱体上；

(11)将直驱电机、直驱电机箱体与第三滚动轴承安装到锥齿轮结构支撑板上，将第一锥齿轮安装到第三滚动轴承上；

(12)将第四滚动轴承安装到第二锥齿轮安装板上，将第二锥齿轮安装到第四滚动轴承上，将第一齿轮安装到第二锥齿轮上；

(13)将(12)形成的部件通过第二锥齿轮安装板安装到锥齿轮结构支撑板上；

(14)将外接法兰安装到圆柱齿条上。