CN105128029B - 一种模块化大力矩空间机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化大力矩空间机械臂关节，包括关节输入端、关节输出端和关节机械接口，关节输入端包括静块，关节输出端包括动块，静块上设有电机，电机的输出端设有减速机构，减速机构包括齿轮箱和谐波减速器，谐波减速器包括与静块固定连接的钢轮、设在钢轮内侧的波发生器以及设在钢轮和波发生器间的柔轮，齿轮箱具有可驱动波发生器转动的输入轴，柔轮通过输出轴与动块固定连接。本发明采用齿轮箱和谐波减速器的减速机构实现关节输入端和关节输出端的动力传动，方便安装、精度高、质量轻、体积小、扭矩大。集成度高，结构简单紧凑，较少采用定制产品，开发装配周期短，关节末端有易于重构的关节机械接口，能够适应未来空间机械臂的需求。

Description

一种模块化大力矩空间机械臂关节

技术领域

本发明用于机器人技术领域，特别是涉及一种模块化大力矩空间机械臂关节。

背景技术

随着我国空间技术的发展，机器人技术在空间中的应用越来越广泛。人们希望机器人能更加灵活地适应各种工作环境，完成更为复杂的任务。传统机器人因其自身机械结构的限制，很难适应工作环境和工作任务的变化，另外有些工作环境人们事先无法准确预知，空间站上许多工作需要机器人来完成，由于重量的限制，不可能将所有的机器人都发射到空间站中。因此，可重构机械人是解决这一问题的现实途径。基于模块化设计的可重构机械臂模块化关节的研究尤为必要。目前国内研究所的机械臂模块化关节都存在结构复杂，体积大，重量大，价格昂贵的问题，机械接口往往采用螺钉连接，无法灵活的完成各种复杂任务。

发明内容

本发明提供一种模块化大力矩空间机械臂关节，解决现有关节体积大，重量大，价格昂贵，灵活度低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模块化大力矩空间机械臂关节，包括关节输入端、关节输出端和安装在所述关节输出端端部的关节机械接口，所述关节输入端包括静块，关节输出端包括动块，静块上安装有可驱动动块转动的电机，所述电机的输出端设有减速机构，所述减速机构包括安装在所述电机输出端的齿轮箱以及安装在齿轮箱和动块间的谐波减速器，所述谐波减速器包括与所述静块固定连接的钢轮、安装在所述钢轮内侧的波发生器以及安装在所述钢轮和波发生器间的柔轮，所述齿轮箱具有可驱动波发生器转动的输入轴，所述柔轮通过输出轴与动块连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述输入轴上设有轴肩，所述输入轴上在轴肩和齿轮箱间安装有失电制动器，所述失电制动器包括与齿轮箱固定连接的磁轭、与所述输入轴的轴肩固定连接的法兰、设在所述磁轭和法兰间的衔铁以及可将所述衔铁向磁轭一侧顶推的弹簧片，磁轭通电时，磁轭可通过磁力将衔铁推离磁轭，衔铁随法兰同步转动；磁轭失电时，衔铁在弹簧片的作用下与磁轭接触并通过摩擦提供阻止法兰转动的制动力。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述动块上设有力矩传感器，所述输出轴通过所述力矩传感器与动块固定连接。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述关节机械接口包括机座和转动套，机座的端面设有U型槽，转动套的一端嵌入所述U型槽内，并与U型槽的内壁螺纹连接，穿过所述转动套的侧壁设有若干周向定位销，周向定位销在转动套内的一端设有限位凸台，周向定位销上在转动套和限位凸台间套装有压缩弹簧，所述转动套的内部设有锥轴，所述周向定位销端部形成球面并与所述锥轴在所述压缩弹簧的作用下保持接触，所述锥轴在靠近U型槽底部的一侧设有转动盘，所述转动盘与转动套的内壁间通过滑键连接，所述机座上在U型槽的底部设有驱动所述锥轴转动的直流电机。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述机座的端面上在转动套的外围形成对接平台，所述对接平台上设有若干轴向定位销。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述对接平台上设有若干电源触点机械限位集成机构，所述电源触点机械限位集成机构包括外壳、设在所述外壳底部的轻触按键、设在所述轻触按键顶部并伸出外壳的触杆以及设在所述触杆和轻触按键间的小弹簧。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述静块包括第一静块和设在所述第一静块后端并深入所述动块内的第二静块，所述第一静块的前端设有静块端盖，所述电机设在所述静块端盖上，所述第一静块内设有支撑所述输入轴的第一轴承压盖，所述第二静块上设有支撑所述输出轴的第二轴承压盖，所述谐波减速器位于所述第一轴承压盖和第二轴承压盖间，所述第一轴承压盖和输入轴间、动块和第二静块间以及第二轴承压盖和输出轴间均设有角接触球轴承。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述动块套接在所述第一静块末端，动块和第一静块间设有O型密封圈。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述输入轴与波发生器间通过键连接，输入轴的端部在波发生器的外侧设有轴端挡板。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述第一静块、第一轴承压盖、钢轮和第二静块通过螺钉紧固连接。

本发明的有益效果：本模块化大力矩空间机械臂关节，采用齿轮箱和谐波减速器的减速机构实现关节输入端和关节输出端的动力传动，方便安装、精度高、质量轻、体积小、扭矩大。集成度高，结构简单紧凑，较少采用定制产品，开发装配周期短，关节末端有易于重构的机械接口，能够适应未来空间机械臂的需求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明内部结构示意图；

图3是本发明谐波减速器结构示意图；

图4是本发明失电制动器结构示意图；

图5是本发明关节机械接口截面图；

图6是本发明关节机械接口整体结构示意图；

图7是本发明电源触点机械限位集成机构示意图。

具体实施方式

参照图1至图7，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向( 上、下、左、右、前及后) 时，是以图2所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。

本发明提供了一种模块化大力矩空间机械臂关节，包括关节输入端1、关节输出端2和设在所述关节输出端2端部的关节机械接口3，所述关节输入端1包括静块，关节输出端2包括动块21，静块上设有可驱动动块转动的电机11，电机11为直流无刷电机，优选maxon电机，所述电机11的输出端设有减速机构，所述减速机构包括设在所述电机11输出端的齿轮箱12以及设在齿轮箱12和动块间的谐波减速器13，所述谐波减速器13包括与所述静块固定连接的钢轮131、设在所述钢轮131内侧的波发生器132以及设在所述钢轮131和波发生器132间的柔轮133，谐波减速器13采用本领域常规设计，在此不再赘述，所述齿轮箱12具有可驱动波发生器132转动的输入轴14，所述输入轴14与波发生器132间通过键连接，输入轴14的端部在波发生器132的外侧设有轴端挡板141。所述柔轮133通过输出轴16与动块21固定连接。

所述静块包括第一静块151和设在所述第一静块151后端并深入所述动块21内的第二静块152，所述第一静块151的前端设有静块端盖153，所述电机11设在所述静块端盖153上，所述第一静块151内设有支撑所述输入轴14的第一轴承压盖154，所述第一静块151、第一轴承压盖154、钢轮131和第二静块152通过螺钉紧固连接。所述第二静块152上设有支撑所述输出轴16的第二轴承压盖155，所述谐波减速器13位于所述第一轴承压盖154和第二轴承压盖155间，所述第一轴承压盖154和输入轴14间、动块21和第二静块152间以及第二轴承压盖155和输出轴16间均设有角接触球轴承，输入轴14和输出轴16全部采用角接触球轴承定位，能够承受谐波减速器13加减速带来的轴向力。

所述动块21套接在所述第一静块151末端，动块21和第一静块151间设有O型圈，在动块21的前端内部安装有机械限位挡块，在第一静块151内部安装有霍尔开关，本发明中关节限位装置包括机械限位挡块和霍尔开关，避免了纯机械限位可能带来的碰撞，比纯电气限位的可靠性要高。

本模块化大力矩空间机械臂关节，采用齿轮箱12和谐波减速器13的减速机构实现关节输入端1和关节输出端2的动力传动，方便安装、精度高、质量轻、体积小、扭矩大。集成度高，结构简单紧凑，较少采用定制产品，开发装配周期短，关节末端有易于重构的机械接口，能够适应未来空间机械臂的需求。

所述输入轴14上设有轴肩，所述输入轴14上在轴肩和齿轮箱12间套设有失电制动器17，所述失电制动器17包括与齿轮箱12固定连接的磁轭171、与所述输入轴14的轴肩固定连接（螺钉连接）的法兰172、设在所述磁轭171和法兰172间的衔铁173以及可将所述衔铁173向磁轭171一侧顶推的弹簧片174，正常工作时，磁轭171通电，磁轭171可通过磁力将衔铁173推离磁轭171，衔铁173随法兰172同步转动；磁轭171失电时，磁轭171磁力消失，衔铁173在弹簧片174的作用下与磁轭171接触并通过摩擦提供阻止法兰172转动的制动力，通过失电制动器17，起失电保护作用，避免电机11在失电后关节输出端2因无动力支撑而反转。

所述动块21上设有力矩传感器22，所述输出轴16通过所述力矩传感器22与动块21固定连接，通过力矩传感器22实时反馈关节输出端2的输出力矩。

所述关节机械接口3包括机座31和转动套32，机座31的端面设有U型槽，转动套32的一端嵌入所述U型槽内，并与U型槽的内壁螺纹连接，穿过所述转动套32的侧壁设有若干周向定位销33，周向定位销33在转动套32内的一端设有限位凸台，周向定位销33上在转动套32和限位凸台间套装有压缩弹簧，所述转动套32的内部设有锥轴34，所述周向定位销33端部形成球面并与所述锥轴34在所述压缩弹簧的作用下保持接触，所述锥轴34在靠近U型槽底部的一侧设有转动盘35，所述转动盘35与转动套32的内壁间通过滑键36连接，所述机座21上在U型槽的底部设有驱动所述锥轴34转动的直流电机37，直流电机37通过电机固定架与机座31固定，直流电机37的输出端与转动盘35通过键连接，转动盘35与锥轴34通过螺钉固定。所述机座31的端面上在转动套32的外围形成对接平台38，所述对接平台38上设有若干轴向定位销39。直流电机37工作时，转动套32一边转动、一边向里移动，周向定位销33在压缩弹簧的作用下伸出，将下一个关节卡死在机座31的对接平台38上，完成轴向定位，机座31上的轴向定位销39用来周向定位。

同时，所述对接平台38上设有若干电源触点机械限位集成机构30，所述电源触点机械限位集成机构30包括外壳301、设在所述外壳301底部的轻触按键302、设在所述轻触按键302顶部并伸出外壳301的触杆303以及设在所述触杆303和轻触按键302间的小弹簧304。当下一个关节的端面与触杆303接触时，触杆303上的铜片与被动关节上的铜片接触，完成电气连接；同时，触杆303会触发轻触按键302，使直流电机37停止转动。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：包括关节输入端、关节输出端和安装在所述关节输出端端部的关节机械接口，所述关节输入端包括静块，关节输出端包括动块，静块上安装有可驱动动块转动的电机，所述电机的输出端设有减速机构，所述减速机构包括安装在所述电机输出端的齿轮箱以及安装在齿轮箱和动块间的谐波减速器，所述谐波减速器包括与所述静块固定连接的钢轮、安装在所述钢轮内侧的波发生器以及安装在所述钢轮和波发生器间的柔轮，所述齿轮箱具有可驱动波发生器转动的输入轴，所述柔轮通过输出轴与动块连接，所述关节机械接口包括机座和转动套，机座的端面设有U型槽，转动套的一端嵌入所述U型槽内，并与U型槽的内壁螺纹连接，穿过所述转动套的侧壁设有若干周向定位销，周向定位销在转动套内的一端设有限位凸台，周向定位销上在转动套和限位凸台间套装有压缩弹簧，所述转动套的内部设有锥轴，所述周向定位销端部形成球面并与所述锥轴在所述压缩弹簧的作用下保持接触，所述锥轴在靠近U型槽底部的一侧设有转动盘，所述转动盘与转动套的内壁间通过滑键连接，所述机座上在U型槽的底部设有驱动所述锥轴转动的直流电机。

2.根据权利要求1所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述输入轴上设有轴肩，所述输入轴上在轴肩和齿轮箱间安装有失电制动器，所述失电制动器包括与齿轮箱固定连接的磁轭、与所述输入轴的轴肩固定连接的法兰、设在所述磁轭和法兰间的衔铁以及可将所述衔铁向磁轭一侧顶推的弹簧片，磁轭通电时，磁轭可通过磁力将衔铁推离磁轭，衔铁随法兰同步转动；磁轭失电时，衔铁在弹簧片的作用下与磁轭接触并通过摩擦提供阻止法兰转动的制动力。

3.根据权利要求1或2所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述动块上设有力矩传感器，所述输出轴通过所述力矩传感器与动块固定连接。

4.根据权利要求1所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述机座的端面上在转动套的外围形成对接平台，所述对接平台上设有若干轴向定位销。

5.根据权利要求4所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述对接平台上设有若干电源触点机械限位集成机构，所述电源触点机械限位集成机构包括外壳、设在所述外壳底部的轻触按键、设在所述轻触按键顶部并伸出外壳的触杆以及设在所述触杆和轻触按键间的小弹簧。

6.根据权利要求1或2所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述静块包括第一静块和设在所述第一静块后端并深入所述动块内的第二静块，所述第一静块的前端设有静块端盖，所述电机设在所述静块端盖上，所述第一静块内设有支撑所述输入轴的第一轴承压盖，所述第二静块上设有支撑所述输出轴的第二轴承压盖，所述谐波减速器位于所述第一轴承压盖和第二轴承压盖间，所述第一轴承压盖和输入轴间、动块和第二静块间以及第二轴承压盖和输出轴间均设有角接触球轴承。

7.根据权利要求6所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述动块套接在所述第一静块末端，动块和第一静块间设有O型密封圈。

8.根据权利要求6所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述输入轴与波发生器间通过键连接，输入轴的端部在波发生器的外侧设有轴端挡板。

9.根据权利要求6所述的模块化大力矩空间机械臂关节，其特征在于：所述第一静块、第一轴承压盖、钢轮和第二静块通过螺钉紧固连接。