CN106863347B - 一种模块化两自由度机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人关节领域，尤其涉及一种模块化两自由度机器人关节，其不同之处在于：其包括内部为空腔结构且前端开口的外部壳体、分别用于控制俯仰自由度和滚转自由度的滚转电机和俯仰电机、用于改变输出方向和增加输出扭矩的滚转轮系和俯仰轮系、两组关节角度检测传感器；外部壳体内设有由后向前依次排列的用于驱动电机运转的双电机驱动器、滚转电机座、滚转轮系座、俯仰电机座，外部壳体的前端开口处设有俯仰轮系箱体，所述外部壳体的后端为用于连接上一关节模块的连接部。本发明结构紧凑、功率密度比大、成本低。

Description

一种模块化两自由度机器人关节

技术领域

本发明涉及机器人关节领域，尤其涉及一种模块化两自由度机器人关节。

背景技术

目前，机械臂是工业或服务机器人进行作业的最主要功能部件，通常由数个关节组成，关节是组成机械臂的基本单元，在机器人上有着不可替代的作用；在目前应用的各类关节中，主流是单自由度关节，即单一电机驱动一个自由度，通过多个单自由度关节的串、并联实现目标功能，这种组织方式使得机械臂结构较为松散、不紧凑、功率密度比较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种模块化两自由度机器人关节，结构紧凑、功率密度比大、成本低。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：模块化两自由度机器人关节，其不同之处在于：其包括内部为空腔结构且前端开口的外部壳体、分别用于控制俯仰自由度和滚转自由度的滚转电机和俯仰电机、用于改变输出方向和增加输出扭矩的滚转轮系和俯仰轮系、两组关节角度检测传感器；外部壳体内设有由后向前依次排列的用于驱动电机运转的双电机驱动器、滚转电机座、滚转轮系座、俯仰电机座，外部壳体的前端开口处设有俯仰轮系箱体，所述外部壳体的后端为用于连接上一关节模块的连接部；所述滚转电机座和滚转轮系座固定连接形成具有内腔且前后两端开口的安装壳体，滚转电机和滚转轮系均安装于所述安装壳体的外缘位置，前端开口且内部为空腔结构的俯仰电机座设于所述安装壳体内部且开口端延伸至安装壳体前端开口外侧，由滚转电机驱动的所述滚转轮系与俯仰电机座开口端固定连接并可带动俯仰电机座转动，所述俯仰电机安装于俯仰电机座内部，内部装设有俯仰轮系的俯仰轮系箱体与俯仰电机座和俯仰电机固定连接，由俯仰电机驱动的所述俯仰轮系可带动串联的下一关节模块进行转动；所述两组关节角度检测传感器均由一个磁珠和一个通过检测所述磁珠的磁场变化来测量角位移的传感器芯片构成，用于检测滚转自由度的传感器设于所述安装壳体后端开口的位置，用于检测俯仰自由度的传感器设于俯仰轮系与下一关节模块的连接位置。

按以上方案，该关节模块的滚转自由度和俯仰自由度的轴线相互垂直，所述滚转电机和俯仰电机的轴线相互平行。

按以上方案，所述滚转轮系由依次相连的第一直齿轮、第一组合齿轮、第二组合齿轮、第三组合齿轮和第二直齿轮组成，第一直齿轮与滚转电机的输出轴固定连接，第一组合齿轮和第三组合齿轮同轴并置，通过第一安装轴安装在所述安装壳体上，第二组合齿轮通过第二安装轴安装在所述安装壳体上，第二直齿轮与俯仰电机座相连接；所述俯仰轮系由依次相连的第一锥齿轮、第四组合齿轮、第五组合齿轮、三个组合行星轮和太阳轮组成，第一锥齿轮与俯仰电机的输出轴固定连接，第四组合齿轮通过第三安装轴安装到俯仰轮系箱体上形成旋转副，第五组合齿轮通过第四安装轴安装到俯仰轮系箱体上形成旋转副，太阳轮与俯仰轮系箱体固定连接，三个组合行星轮套装在行星轮架的转轴上，行星轮架盖与行星轮固定连接并将组合行星轮做轴向限位。

按以上方案，所述第一组合齿轮、第二组合齿轮、第三组合齿轮均为由一大一小两个直齿轮固定在一起形成的组合体；所述第四组合齿轮由一个小直齿轮和一个大锥齿轮固定连接构成，第五组合齿轮和组合行星轮均由一大一小两个直齿轮固定连接构成。

按以上方案，所述俯仰轮系一侧设有带多个凸起圆柱结构的关节连接件，另一侧为下凹圆柱面的结构；所述外部壳体沿轴线分为第一外部壳体和第二外部壳体，所述第一外部壳体的后端连接部带有多个与所述关节连接件凸起圆柱结构相配合的圆孔结构，用于串联上一关节模块时与上一关节模块的所述关节连接件进行固定连接；所述第二外部壳体的后端连接部为带开口的凸起圆环结构，用于串联上一关节模块时与上一关节模块的所述下凹圆柱面结构进行配合形成转动副进行连接。

按以上方案，所述磁珠分为滚转磁珠和俯仰磁珠，所述传感器芯片分为滚转传感器芯片和俯仰传感器芯片，所述滚转传感器芯片与滚转电机座固定连接，滚转磁珠安装在俯仰电机座上并跟随其进行转动，所述俯仰传感器芯片与俯仰轮系箱体固定连接，俯仰磁珠通过俯仰磁珠座安装在与该关节模块串联的下一关节模块的第二外部壳体后端连接部中央位置并跟随其进行转动。

按以上方案，所述传感器芯片和磁珠正对，间距为固定数值，磁珠端面与传感器芯片平行，磁珠轴线垂直通过传感器芯片几何中心点。

按以上方案，所述传感器芯片和磁珠的间距为1～2mm。

按以上方案，所述滚转轮系和俯仰轮系可以采用涡轮蜗杆、锥齿轮组、圆柱齿轮、端面齿轮中的一种或几种的组合。

按以上方案，该关节模块的零件间固定连接形式可以采用法兰孔配紧固件、平键、花键、内外齿、焊接、粘接、过盈配合、铆接、卡扣一种或几种的组合。

由上述方案可知，本发明的两只电机经过不同的减速机构后各驱动一个自由度，实现了关节滚转、俯仰两个自由度的运动，再通过模块化设计，将两自由度集成在一个关节模块内，使形成的模块化两自由度关节结构紧凑、功率密度比较高；关节角度传感器采用磁传感器芯片和磁珠，体积小、成本低；利用本发明可以方便快捷的构造出多种结构的串、并联机械臂或机器人，使机械臂或机器人开发时间和资金投入都得以降低。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是相对图1另一侧的本发明实施例结构示意图；

图3是本发明实施例的部分结构示意图；

图4是图3所示滚转自由度结构外观图；

图5是图4所示滚转电机及轮系结构示意图；

图6是图4所示滚转自由度结构的俯视剖视示意图；

图7是图3所示俯仰自由度结构外观图；

图8是图7所示俯仰电机及轮系结构示意图；

图9是图7所示俯仰自由度结构的侧面剖视示意图；

图10是图7所示俯仰自由度结构的俯视剖视示意图；

图11是图1所示两自由度关节组成串联六自由度机械臂的实施例示意图；

其中：a—两自由度关节、b—机械手示意图、1—滚转传感器芯片、2—滚转磁珠、3—滚转传感器座、4—滚转电机座、5—滚转轮系座、6—滚转电机、7—第一直齿轮、8—第一组合齿轮、9—第二组合齿轮、10—第三组合齿轮、11—第二直齿轮、12—俯仰电机座、13—第一安装轴、14—第二安装轴、15—俯仰轮系箱体、16—俯仰电机、17—第一锥齿轮、18—第四组合齿轮、19—第五组合齿轮、20—行星轮、21—太阳轮、22—封盖、23—行星轮架、24—行星轮架盖、25—关节连接件、26—第三安装轴、27—第四安装轴、28—俯仰传感器芯片、29—俯仰磁珠、30—俯仰磁珠座、31—第一螺钉、32—第二螺钉、33—第三螺钉、34—第四螺钉、35—第五螺钉、36—底座、37—外部壳体（3701—第一外部壳体、3702—第二外部壳体、370101—第一外部壳体的后端连接部、370201—第二外部壳体的后端连接部）、38—下凹圆柱面结构、39—双电机驱动器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中，该关节模块的两个自由度为两个转动自由度，如图3，这两个转动自由度分别被称为俯仰自由度和滚转自由度，他们的轴线互相垂直。

如图1至图11所示，本发明包括内部为空腔结构且前端开口的外部壳体37、分别用于控制俯仰自由度和滚转自由度的滚转电机6和俯仰电机16、用于改变输出方向和增加输出扭矩的滚转轮系和俯仰轮系、两组关节角度检测传感器,滚转电机6通过四级直齿轮组进行减速，俯仰电机16通过一级锥齿轮组、一级直齿轮组和一级行星齿轮组共三级减速，外部壳体37内设有由后向前依次排列的用于驱动电机运转的双电机驱动器39、滚转电机座4、滚转轮系座5、俯仰电机座12，外部壳体37的前端开口处设有俯仰轮系箱体15，外部壳体37的后端为用于连接上一关节模块的连接部，外部壳体37沿轴线分为两半，分别为第一外部壳体3701和第二外部壳体3702。

所述两组关节角度检测传感器相同，均由一个磁珠和一个通过检测所述磁珠的磁场变化来测量两个相连关节间角位移的传感器芯片构成，磁珠和传感器芯片分别安装在两个相对转动的零件上；所述滚转电机座4和滚转轮系座5固定连接形成具有内腔且前后两端开口的安装壳体，用于检测滚转自由度的传感器设于安装壳体后端开口的位置，用于检测俯仰自由度的传感器设于俯仰轮系与下一关节模块的连接部；传感器芯片和磁珠正对，间距为固定数值（本实施例中采用1mm），磁珠端面与传感器芯片平行，磁珠轴线垂直通过传感器芯片几何中心点，所述磁珠分为滚转磁珠2和俯仰磁珠29，所述传感器芯片分为滚转传感器芯片1和俯仰传感器芯片28。

如图4、图5、图6，所述滚转电机6通过第三螺钉33与滚转电机座4固定连接，滚转电机6和滚转轮系安装于所述由滚转电机座4和滚转轮系座5固定连接形成的安装壳体的外缘位置，所述滚转轮系由第一直齿轮7、第一组合齿轮8、第二组合齿轮9、第三组合齿轮10和第二直齿轮11组成，第一组合齿轮8、第二组合齿轮9、第三组合齿轮10均为一大一小两个齿轮固定在一起形成的组合体，第一直齿轮7和第一组合齿轮8的大齿轮形成第一级减速，第一组合齿轮8的小齿轮和第二组合齿轮9的大齿轮形成第二级减速，第二组合齿轮9的小齿轮和第三组合齿轮10的大齿轮形成第三级减速，第三组合齿轮10的小齿轮和第二直齿轮11形成第四级减速；第一直齿轮7与滚转电机6的输出轴固定连接，第一组合齿轮8和第三组合齿轮10同轴并置，通过第二安装轴14安装在由滚转电机座4和滚转轮系座5固定连接而组成的壳体上；第二安装轴14一端与滚转电机座4连接，一端与滚转轮系座5连接，第二组合齿轮9通过第一安装轴13安装在由滚转电机座4和滚转轮系座5通过第二螺钉32固定连接而组成的壳体上，第一安装轴13一端与滚转电机座4连接，一端与滚转轮系座5连接。

前端设有开口且内部为空腔结构的俯仰电机座12设于所述安装壳体内部，俯仰电机座12的开口端延伸至安装壳体前端开口外侧，俯仰电机座12与第二直齿轮11固定连接，滚转电机6的动力通过滚转轮系传递到第二直齿轮11，从而带动与第二直齿轮11固定连接的俯仰电机座12产生转动形成滚转自由度；俯仰电机座12通过滚转传感器座3和滚转轮系座5进行轴向限位，滚转磁珠2固定安装在俯仰电机座12的端面中心孔内，滚转传感器芯片1固定安装在滚转传感器座3上，滚转传感器座3通过第一螺钉31固定安装在滚转电机座4上，俯仰电机座12在滚转电机6的驱动下带动滚转磁珠2产生相对于滚转传感器芯片1的旋转运动，滚转传感器芯片1通过感应磁场的变化来检测角位移。

如图7、图8、图9、图10，俯仰电机16安装在俯仰电机座12内部，俯仰电机16和滚转电机6的轴线相互平行；俯仰电机16通过第四螺钉34与俯仰轮系箱体15固定连接，俯仰轮系箱体15通过第五螺钉35与俯仰电机座12固定连接，所述俯仰轮系箱体15上设有封盖22；所述俯仰轮系由第一锥齿轮17、第四组合齿轮18、第五组合齿轮19、三个组合行星轮20和太阳轮21组成，所述第四组合齿轮18由一个小直齿轮和一个大锥齿轮固定连接构成，第五组合齿轮19和组合行星轮20均为由一大一小两个直齿轮固定在一起形成的组合体，第一锥齿轮17和第四组合齿轮18的锥齿轮部分配合形成第一级减速，第四组合齿轮18的小齿轮部分和第五组合齿轮19的大齿轮部分配合形成第二级减速，第五组合齿轮19的小齿轮与三个组合行星轮20以及太阳轮21构成行星轮系形成第三级减速；第一锥齿轮17与俯仰电机16的输出轴固定连接，第四组合齿轮18通过第三安装轴26安装到俯仰轮系箱体15上形成旋转副，第五组合齿轮19通过第四安装轴27安装到俯仰轮系箱体15上形成旋转副，太阳轮21与俯仰轮系箱体15固定连接，三个组合行星轮20套装在行星轮架23的转轴上，行星轮架盖24与行星轮架23固定连接并将组合行星轮20做轴向限位。

所述俯仰轮系上设有方便本发明进行简单的串、并联的关节连接件25，俯仰电机16的动力传递到可改变输出方向的俯仰轮系，从而带动与俯仰轮系固定连接的关节连接件25在滚转自由度的基础上产生俯仰自由度；俯仰传感器芯片28固定安装在俯仰轮系箱体15上并与俯仰自由度旋转轴垂直，俯仰磁珠29安装在俯仰磁珠座30上，俯仰磁珠座30并非安装在本模块化两自由度机器人关节上，而是安装在与本关节相连的下一关节上，俯仰磁珠29通过俯仰磁珠座30安装在与该模块串联的下一关节模块的第二外部壳体后端连接部370201中央位置并跟随其进行转动，俯仰传感器芯片28通过检测俯仰磁珠29磁场的变化来测量两个相连关节间相对转动产生的角位移。

如图11，为本发明提供的模块化两自由度机器人关节的一个实施例，具体为采用三个模块化两自由度机器人关节a通过和俯仰轮系相连的关节连接件25与第一外部壳体的后端连接部370101固定连接、俯仰轮系上的下凹圆柱面结构38与第二外部壳体的后端连接部370201进行配合形成转动副进行连接，从而使三个外部壳体37串联而成，且一端安装在底座36上，另一端安装有执行器b形成的六自由度机械臂。

本发明所述的模块化两自由度机器人关节的滚转轮系和俯仰轮系可以采用蜗轮蜗杆、锥齿轮组、圆柱齿轮端面齿轮等一种或几种的组合；在本发明实施例中，所述的减速机构采用由锥齿轮或直齿轮组成的齿轮组。

本发明所述的两自由度机器人关节的零件间固定连接形式可以采用法兰孔配紧固件、平键、花键、内外齿、焊接、粘接、过盈配合、铆接、卡扣等一种或几种的组合。

本发明通过一将两组驱动电机和减速轮系进行一体化设计，使得电机和轮系的布局结构更加紧凑，进而使得该两自由度模块化机器人关节具有集成度高、结构紧凑、空间利用率高、功率密度比大等优点；通过模块化设计，将两个自由度集成在一个关节模块内，在此基础上采用数个这种模块化关节进行简单的串、并联，即可以方便快捷的构造出多种结构的串、并联机械臂或机器人，降低了机械臂或机器人开发的时间和资金投入；通过采用磁传感器芯片和磁珠组成关节角度传感器，较传统的编码器而言体积更小，成本更低。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模块化两自由度机器人关节，其特征在于：其包括内部为空腔结构且前端开口的外部壳体、分别用于控制俯仰自由度和滚转自由度的滚转电机和俯仰电机、用于改变输出方向和增加输出扭矩的滚转轮系和俯仰轮系、两组关节角度检测传感器；

外部壳体内设有由后向前依次排列的用于驱动电机运转的双电机驱动器、滚转电机座、滚转轮系座、俯仰电机座，外部壳体的前端开口处设有俯仰轮系箱体，所述外部壳体的后端为用于连接上一关节模块的连接部；

所述滚转电机座和滚转轮系座固定连接形成具有内腔且前后两端开口的安装壳体，滚转电机和滚转轮系均安装于所述安装壳体的外缘位置，前端开口且内部为空腔结构的俯仰电机座设于所述安装壳体内部且俯仰电机座的开口端延伸至安装壳体前端开口外侧，由滚转电机驱动的所述滚转轮系与俯仰电机座开口端固定连接并能够带动俯仰电机座转动，所述俯仰电机安装于俯仰电机座内部，内部装设有俯仰轮系的俯仰轮系箱体与俯仰电机座和俯仰电机固定连接，由俯仰电机驱动的所述俯仰轮系能够带动串联的下一关节模块进行转动；

所述俯仰轮系一侧设有带多个凸起圆柱结构的关节连接件，另一侧为下凹圆柱面的结构；所述外部壳体沿轴线分为第一外部壳体和第二外部壳体，所述第一外部壳体的后端连接部带有多个与所述关节连接件凸起圆柱结构相配合的圆孔结构，用于串联上一关节模块时与上一关节模块的所述关节连接件进行固定连接；所述第二外部壳体的后端连接部为带开口的凸起圆环结构，用于串联上一关节模块时与上一关节模块的所述下凹圆柱面结构进行配合形成转动副进行连接；

所述滚转轮系由依次相连的第一直齿轮、第一组合齿轮、第二组合齿轮、第三组合齿轮和第二直齿轮组成，第一直齿轮与滚转电机的输出轴固定连接，第一组合齿轮和第三组合齿轮同轴并置，通过第一安装轴安装在所述安装壳体上，第二组合齿轮通过第二安装轴安装在所述安装壳体上，第二直齿轮与俯仰电机座相连接；

所述第一组合齿轮、第二组合齿轮、第三组合齿轮均为由一大一小两个直齿轮固定在一起形成的组合体；第一直齿轮和第一组合齿轮的大直齿轮形成第一级减速，第一组合齿轮的小直齿轮和第二组合齿轮的大直齿轮形成第二级减速，第二组合齿轮的小直齿轮和第三组合齿轮的大直齿轮形成第三级减速，第三组合齿轮的小直齿轮和第二直齿轮形成第四级减速；

所述俯仰轮系由依次相连的第一锥齿轮、第四组合齿轮、第五组合齿轮、三个组合行星轮和太阳轮组成，第一锥齿轮与俯仰电机的输出轴固定连接，第四组合齿轮通过第三安装轴安装到俯仰轮系箱体上形成旋转副，第五组合齿轮通过第四安装轴安装到俯仰轮系箱体上形成旋转副，太阳轮与俯仰轮系箱体固定连接，三个组合行星轮套装在行星轮架的转轴上，行星轮架盖与行星轮架固定连接并对组合行星轮做轴向限位；

所述第四组合齿轮由一个小直齿轮和一个大锥齿轮固定连接构成，第五组合齿轮和组合行星轮均由一大一小两个直齿轮固定连接构成；第一锥齿轮和第四组合齿轮的大锥齿轮部分配合形成第一级减速，第四组合齿轮的小直齿轮部分和第五组合齿轮的大直齿轮部分配合形成第二级减速，第五组合齿轮的小直齿轮与三个组合行星轮以及太阳轮构成行星轮系形成第三级减速；

所述两组关节角度检测传感器均由一个磁珠和一个通过检测所述磁珠的磁场变化来测量角位移的传感器芯片构成，所述两组关节角度检测传感器分别为用于检测滚转自由度的关节角度检测传感器和用于检测俯仰自由度的关节角度检测传感器，用于检测滚转自由度的关节角度检测传感器设于所述安装壳体后端开口的位置，用于检测俯仰自由度的关节角度检测传感器设于俯仰轮系与下一关节模块的连接位置。

2.根据权利要求1所述的模块化两自由度机器人关节，其特征在于：该模块化两自由度机器人关节的滚转自由度和俯仰自由度的轴线相互垂直，所述滚转电机和俯仰电机的轴线相互平行。

3.根据权利要求1所述的模块化两自由度机器人关节，其特征在于：用于检测滚转自由度的关节角度检测传感器中的所述磁珠为滚转磁珠，用于检测俯仰自由度的关节角度检测传感器中的所述磁珠为俯仰磁珠，用于检测滚转自由度的关节角度检测传感器中的所述传感器芯片为滚转传感器芯片，用于检测俯仰自由度的关节角度检测传感器中的所述传感器芯片为俯仰传感器芯片，所述滚转传感器芯片与滚转电机座固定连接，滚转磁珠安装在俯仰电机座上并跟随其进行转动，所述俯仰传感器芯片与俯仰轮系箱体固定连接，俯仰磁珠通过俯仰磁珠座安装在与该模块化两自由度机器人关节串联的下一关节模块的第二外部壳体后端连接部中央位置并跟随其进行转动。

4.根据权利要求1所述的模块化两自由度机器人关节，其特征在于：所述传感器芯片和磁珠正对，间距为固定数值，磁珠端面与传感器芯片平行，磁珠轴线垂直通过传感器芯片几何中心点。

5.根据权利要求4所述的模块化两自由度机器人关节，其特征在于：所述传感器芯片和磁珠的间距为1～2mm。

6.根据权利要求1所述的模块化两自由度机器人关节，其特征在于：所述滚转轮系和俯仰轮系采用涡轮蜗杆、锥齿轮组、圆柱齿轮中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求1所述的模块化两自由度机器人关节，其特征在于：该模块化两自由度机器人关节的零件间固定连接形式采用平键、花键、焊接、粘接、铆接、卡扣中的一种或几种的组合。