CN107309899A - 一种双自由度圆柱关节模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双自由度圆柱关节模块，包括内部设有空腔的外壳，外壳表面设有若干个开口，外壳内部一侧安装伺服驱动控制器，伺服驱动控制器端部通过外壳侧面开口与其他外接的模块连接，双自由度圆柱关节模块还设有竖直穿过外壳上下竖直相对开口且垂直移动和/或旋转的丝杆，外壳内部安装有传动机构配合传动丝杆，传动机构与伺服驱动控制器电连接。相对于现有技术，本发明的双自由度圆柱关节模块具有结构紧凑以及控制方式简单可靠等优点。

Description

一种双自由度圆柱关节模块

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种双自由度圆柱关节模块。

背景技术

现今，机器人技术已经取到极大的发展，机器人具有高度灵活性，因此被广泛应用于各个行业以及各种场景中。但是现有技术的机器人系统主要针对特定的使用环境和场合，因此缺乏功能的扩展性和结构的重构性。

另外，对于产品线的快速更新换代，往往需要更换其他相应的机器人系统，才能满足生产需求，因此容易导致严重浪费生产资源并且制约机器人的推广应用。多功能、易构建和低成本是机器人新系统开发中的重要原则，而模块化机器人是行之有效的解决方案。

机器人关节模块是模块化机器人的组成机构，能够简化设计制造以及维护的成本、缩短研制周期，降低研制成本。其中，直线移动关节模组在国内外早已出现，已成为常见且标准化产品。机器人转动关节模块已被国内外不少科研院所和企业研制开发。例如德国AMTec公司、Schunk公司、国内哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化研究所、深圳先进技术研究院以及广东工业大学仿生与智能机器人实验室(BIRL)等机构也相继开发出旋转关节模块，但是现有技术中已经开发出的转动关节模块结构较为复杂，模块之间的连接需要特制连杆，因此国内外的机器人关节模块绝大多数只有单一自由度(如直线移动或者回旋)，如使用到两个自由度，需要将两个模块串联以进行使用，但是这样方式使得结构比较松散并且体积较大。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种结构紧凑合理和控制方式简单可靠的双自由度圆柱关节模块，旨在降低机器人关节模块的体积以及提高控制自由度以及更好的控制灵活性。

为实现上述目的，本发明技术方案通过以下技术方案进行实现：

双自由度圆柱关节模块，包括内部设有空腔的外壳，所述外壳表面设有若干个开口，所述外壳内部一侧安装伺服驱动控制器，所述伺服驱动控制器端部通过所述外壳侧面开口与其他外接的模块连接，所述双自由度圆柱关节模块还设有竖直穿过所述外壳上下竖直相对开口且垂直移动和/或旋转的丝杆，所述外壳内部安装有传动机构配合传动所述丝杆，所述传动机构与所述伺服驱动控制器电连接。

本发明技术方案中，通过在带有空腔的外壳内部安装有伺服驱动控制器，并且伺服驱动控制器端部可通过外壳侧面开口与其他外接的模块连接，同时外壳内部设有传动机构与伺服驱动控制器电连接从而被驱动，而传动机构对丝杆进行驱动旋转，从而使得丝杆可以绕自身中心轴线旋转，或沿自身中心轴线直线移动、或绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动。本发明技术方案，外壳顶端边沿卡合相连有外壳顶盖，外壳底端边沿卡合相连有外壳底盖，外壳顶盖和外壳底盖均设有避让孔，丝杆穿过避让孔以上下轴向移动。通过在外壳的顶端和底端分别卡合相连有外壳顶盖和外壳底盖，以防止外界的灰尘进入外壳内部而影响双自由度圆柱关节模块的工作可靠性。

通过在外壳内部集成安装伺服驱动控制器以及传动机构，丝杆方便地以不同的控制方式进行工作，以满足本发明的双自由度圆柱关节模块应用于不同的控制方式和应用场景中。相对于现有技术，本发明技术方案具有结构紧凑合理、控制方式简单以及工作可靠等优点。

所述传动机构包括固定于所述外壳内部上法兰盘且与所述伺服驱动控制器电连接的第一伺服电机，所述第一伺服电机的动力输出轴端穿过所述上法兰盘且与第一主同步轮相连；所述上法兰盘另一侧与丝杆螺母固定部相连，所述丝杆螺母转动部与第一从同步轮相连，所述第一主同步轮和所述第一从同步轮以同步带相连传动；所述传动机构还包括固定于所述外壳内部下法兰盘且与所述伺服驱动控制器电连接的第二伺服电机，所述第二伺服电机的动力输出端穿过所述下法兰盘与第二主同步轮相连，所述下法兰盘另一侧与花键螺母固定部相连，所述花键螺母转动部与第二从同步轮相连，所述第二主同步轮和所述第二从同步轮以同步带相连传动，所述丝杆同时穿过所述丝杆螺母转动部中心以及所述花键螺母转动部中心以竖向上下移动。

本发明技术方案中，通过伺服驱动控制器分别控制第一伺服电机以及第二伺服电机向外驱动旋转，并且第一伺服电机驱动第一主同步轮，第一主同步轮通过同步带传动第一从同步轮，第一从同步轮驱动丝杆螺母转动部，而第二伺服电机驱动第二主同步轮，第二主同步轮通过同步带传动第二从同步轮，第二从同步轮驱动花键螺母转动部。通过丝杆螺母和花键螺母以不同的驱动方式相互配合作用，从而驱动丝杆以不同的运动方式进行工作。相对于现有技术，本发明的双自由度圆柱关节模块中，丝杆可便捷地以不同方式进行工作，既能减少双自由度圆柱关节模块体积，也能使得双自由度圆柱关节模块具有更多的自由度，从而扩大双自由度圆柱关节模块的应用性能。

本发明技术方案中，第一主同步轮和第一从同步轮以同步带相连传动，第二主同步轮和第二从同步轮以同步轮相连传动，可提高第一主同步轮和第一从同步轮之间以及第二主同步轮和第二从同步轮之间的传动可靠性和传动精度。

作为优选方案，所述第一伺服电机和所述第二伺服电机的传动轴端方向相反。

本发明技术方案中，第一伺服电机和第二伺服电机的传动轴端方向相反，这样使得第一伺服电机和第二伺服电机可并排设置，以使得外壳内部结构更加紧凑，以进一步降低双自由度圆柱关节模块的体积。

所述丝杆螺母固定部与所述上法兰盘、所述丝杆螺母转动部与所述第一从同步轮、所述花键螺母固定部与所述下法兰盘、所述花键螺母转动部与所述第二从同步轮以螺栓或螺钉相连。

所述第一伺服电机和所述第二伺服电机分别与用于检测角位移和角速度的光电编码器连接。

本发明技术方案中，第一伺服电机和第二伺服电机分别与用于检测位移和角速度的光电编码器进行相连，以使得光电编码器实时监控第一伺服电机和第二伺服电机的工作状态，从而使得伺服驱动控制器对第一伺服电机和第二伺服电机以更加精准的方式进行控制，以进一步提高丝杆工作过程的精度。

所述第一伺服电机和所述第二伺服电机分别与用于减速增力的减速器相连。通过减速器降低第一伺服电机和第二伺服电机的转速并提高工作扭矩，从而提高双自由度圆柱关节模块工作性能。

所述丝杆的上部和/或下部固定连接有限位环。通过设置限位环以控制丝杆竖直上下运动时避免从丝杆螺母或者花键螺母脱落，以保证双自由度圆柱关节模块的使用可靠性。

所述外壳顶端边沿卡合相连有外壳顶盖，所述外壳底端边沿卡合相连有外壳底盖，所述外壳顶盖和所述外壳底盖均设有避让孔，所述丝杆穿过所述避让孔以上下轴向移动。本发明技术方案中，外壳顶端边沿卡合相连有外壳顶盖，外壳底端边沿卡合相连有外壳底盖，外壳顶盖和外壳底盖均设有避让孔，丝杆穿过避让孔以上下轴向移动。通过在外壳的顶端和底端分别卡合相连有外壳顶盖和外壳底盖，以防止外界的灰尘进入外壳内部而影响双自由度圆柱关节模块的工作可靠性。

相对于现有技术，本发明技术方案具有以下优点：

1)结构紧凑合理。通过在外壳内部设置伺服驱动控制器、第一伺服电机、第二伺服电机以及驱动丝杆运动的相应结构，从而使得双自由度圆柱关节模块相对现有技术具有更加紧凑的结构，相应的体积则变小。

另外，通过第一伺服电机和第二伺服电机的传动方向相反设置，使得外壳内部结构进一步更加紧凑。

2)控制方式简单可靠。本发明技术方案通过第一伺服电机驱动第一主同步轮，第一主同步轮同步带传动第一从同步轮，第一从同步轮驱动丝杆螺母转动部。另外第二伺服电机驱动第二主同步轮，第二主同步轮同步带传动第二从同步轮，第二从同步轮驱动丝杆螺母转动部。只需通过丝杆螺母转动部和花键螺母转动部配合传动丝杆，从而使得丝杆可以绕自身中心轴线旋转、沿自身中心轴线直线移动、绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动。相对现有技术，本发明技术方案的双自由度圆柱关节模块具有更多的控制自由度以及更好的控制灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明双自由度圆柱关节模块的结构示意图；

图2为本发明双自由度圆柱关节模块的剖视图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	外壳	7	同步带
101	外壳顶盖	8	第一从同步轮
				102	外壳底盖	9	丝杆螺母固定部
103	上法兰盘	10	丝杆螺母转动部
				104	下法兰盘	11	第二伺服电机
2	伺服驱动控制器	12	第二主同步轮
				3	丝杆	13	第二从同步轮
4	限位环	14	花键螺母固定部
				5	第一伺服电机	15	花键螺母转动部
6	第一主同步轮

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种双自由度圆柱关节模块。

请参见图1和图2，本发明实施例的双自由度圆柱关节模块，包括内部设有空腔的外壳1，外壳1表面设有若干个开口，外壳1内部一侧安装有伺服驱动控制器2，伺服驱动控制器2端部通过外壳1侧面开口与其他外接的模块连接。本实施例的双自由度圆柱关节模块还设有竖直穿过外壳1上下竖直相对开口且垂直移动和/或旋转的丝杆3，外壳1内部安装有传动机构配合传动丝杆3，传动结构同时与伺服驱动控制器2电连接。

本发明实施例中，传动机构包括固定于外壳1内部上法兰盘103且与伺服驱动控制器2电连接的第一伺服电机5，第一伺服电机5的动力输出端穿过上法兰盘103且与第一主同步轮6相连，上法兰盘103另一侧与丝杆螺母固定部9相连，丝杆螺母转动部10与第二从同步轮13相连，第一主同步轮6和第一从同步轮8以同步带7相连传动。本发明实施例中，传动机构还包括固定于外壳1内部下法兰盘104且与伺服驱动控制器2电连接的第二伺服电机11，第二伺服电机11的动力输出端穿过下法兰盘104与第二主同步轮12相连，下法兰盘104的另一侧与花键螺母固定部14相连，花键螺母转动部15与第二从同步轮13相连，第二主同步轮12和第二从同步轮13以同步带7相连传动，丝杆3同时穿过丝杆螺母转动部10中心和花键螺母转动部15中心以竖向上下移动。

本发明实施例中，第一伺服电机5和第二伺服电机11的传动轴端方向相反。

本发明实施例中，丝杆螺母固定部9与上法兰盘103、丝杆螺母转动部10与第一从同步轮8、花键螺母固定部14与下法兰盘104、花键螺母转动部15与第二同步轮13以螺栓或者螺钉相连。

本发明实施例中，第一伺服电机5和第二伺服电机11分别与用于检测角位移和角速度的光电编码器连接。

本发明实施例中，第一伺服电机5和第二伺服电机11分别与用于减速增力的减速器相连。

本发明实施例中，丝杆3的上部和下部固定连接有限位环4。

本发明实施例中，外壳1顶端边沿卡合相连有外壳顶盖101，外壳1底端边沿卡合相连有外壳底盖102，外壳顶盖101和外壳底盖102均设有避让孔，丝杆3穿过避让孔以上下轴向移动。

请参见图1和图2，本发明实施例的双自由度圆柱关节模块的工作原理为：

本发明实施例的双自由度圆柱关节模块的丝杆3工作方式包括绕自身中心轴线旋转、沿自身中心轴线直线移动、绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动。

当本发明实施例的丝杆3进行绕自身中心轴线旋转时，伺服驱动控制器2控制第一伺服电机5向外输出动力从而驱动第一主同步轮6旋转，第一主同步轮6通过同步带7驱动第一从同步轮8旋转。因为第一从同步轮6与丝杆螺母转动部10相连，从而使得第一从同步轮8驱动丝杆螺母转动部10进行旋转。同理，作为伺服驱动控制器2控制第二伺服电机11向外输出动力从而驱动第二主同步轮12进行旋转，第二主同步轮12通过同步带7驱动第二从同步轮13旋转。因为第二从同步轮13与花键螺母转动部15相连，从而使得第二从同步轮13驱动花键螺母转动部15进行旋转。当丝杆螺母转动部10和花键螺母转动部15以相同大小和相同方向的转速进行旋转从而驱动丝杆3绕自身的中心线进行旋转。另外，伺服驱动控制器2控制第一伺服电机5和第二伺服电机11同时反向旋转，即可实现丝杆3以相反旋转方向绕自身中心轴线旋转。

当本发明实施例的丝杆3需要沿自身中心轴线直线移动时，伺服驱动控制器2控制第一伺服电机5驱动第一主同步轮6进行旋转，第一主同步轮6通过同步带7传动第一从同步轮8旋转，进而使得第一从同步轮8带动丝杆螺母转动部10旋转。与此同时，伺服驱动控制器2控制第二伺服电机11处于静止状态，最终使得花键螺母转动部15也处于静止状态，使得丝杆3在花键螺母转动部15的约束作用下仅做沿自身中心轴线直线移动。另外，伺服电机控制器2控制第一伺服电机5进行逆向旋转，通过相应的传动结构即可实现丝杆3以相反方向沿自身中心轴线轴向移动。

当本发明实施例的丝杆3需要进行绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动时，伺服驱动控制器2控制第一伺服电机5驱动第一主同步轮6进行旋转，第一主同步轮6通过同步带7驱动第二从同步轮8旋转，进而使得第二从同步轮8带动丝杆螺母转动部10旋转，与此同时，伺服驱动控制器2控制第二伺服电机11驱动第二主同步轮12旋转，第二主同步轮12通过同步带7驱动第二从同步轮13旋转，进而使得第二从同步轮13带动花键螺母转动部15旋转，但是为了实现丝杆3以螺旋运动方式运动时，需要伺服驱动控制器2分别控制第一伺服电机5以及第二伺服电机11分别以不同转速但相同旋转方向进行旋转，从而使得丝杆3的上部和下部分别受到不同大小的旋转驱动作用力，从而使得丝杆3以绕自身中心轴线旋转以及沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动方式进行工作。

本发明实施例中，通过在带有空腔的外壳1内部安装有伺服驱动控制器2，并且伺服驱动控制器2端部可通过外壳1侧面开口与其他外接的模块连接，同时外壳1内部设有传动机构与伺服驱动控制器2电连接从而被驱动，而传动机构对丝杆3进行驱动旋转，从而使得丝杆3可以绕自身中心轴线旋转，或沿自身中心轴线直线移动、或绕自身中心轴线旋转和沿自身中心轴线直线移动复合的螺旋运动。本发明实施例通过在外壳1内部集成安装伺服驱动控制器2以及传动机构，丝杆3方便地以不同的控制方式进行工作，以满足本发明实施例的双自由度圆柱关节模块应用于不同的控制方式和应用场景中。相对于现有技术，本发明技术方案具有结构紧凑合理、控制方式简单以及工作可靠等优点。

本发明实施例中，通过伺服驱动控制器2分别控制第一伺服电机5以及第二伺服电机11向外驱动旋转，并且第一伺服电机5驱动第一主同步轮6，第一主同步轮6同步带传动第一从同步轮8，第一从同步轮8驱动丝杆螺母转动部10，而第二伺服电机11驱动第二主同步轮12，第二主同步轮12同步带传动第二从同步轮13，第二从同步轮13驱动花键螺母转动部15。通过丝杆螺母转动部10和花键螺母转动部15以不同的驱动方式相互配合作用，从而驱动丝杆3以不同的运动方式进行工作。相对于现有技术，本发明实施例的双自由度圆柱关节模块中，丝杆3可便捷地以不同方式进行工作，既能减少双自由度圆柱关节模块体积，也能使得双自由度圆柱关节模块具有更多的自由度，从而扩大双自由度圆柱关节模块的应用性能。

本发明实施例中，第一主同步轮6和第一从同步轮8以同步带7相连传动，第二主同步轮12和第二从同步轮13以同步带7相连传动，可提高第一主同步轮6和第一从同步轮8之间以及第二主同步轮12和第二从同步轮13之间的传动可靠性。

本发明实施例中，第一伺服电机5和第二伺服电机11的传动轴端方向相反，这样使得第一伺服电机5和第二伺服电机11可并排设置，以使得外壳1内部结构更加紧凑，以进一步降低双自由度圆柱关节模块的体积。

本发明实施例中，丝杆螺母固定部9与上法兰盘103、丝杆螺母转动部10与第一从同步轮8、花键螺母固定部14与下法兰盘104、花键螺母转动部15与第二从同步轮13以螺栓或螺钉相连。通过螺栓或螺钉进行紧固，保证结构连接以及传动过程的可靠性。

本发明实施例中，第一伺服电机5和第二伺服电机11分别与用于检测位移和角速度的光电编码器进行相连，以使得光电编码器实时监控第一伺服电机5和第二伺服电机11的工作状态，从而使得伺服驱动控制器2对第一伺服电机5和第二伺服电机11以更加精准的方式进行控制，以进一步提高丝杆3工作过程的精度。

本发明实施例中，第一伺服电机5和第二伺服电11机分别与用于减速增力的减速器相连，可使得双自由度圆柱关节模块在某些工况下，通过减速器降低第一伺服电机5和第二伺服电机11的转速并提高工作扭矩，从而提高双自由度圆柱关节模块工作性能。

本发明实施例中，丝杆3的上部和下部固定连接有限位环4，通过设置限位环4以控制丝杆3竖直上下运动时避免从丝杆螺母或者花键螺母脱落，以保证双自由度圆柱关节模块的使用可靠性。

本发明实施例中，外壳1顶端边沿卡合相连有外壳顶盖101，外壳1底端边沿卡合相连有外壳底盖102，外壳顶盖101和外壳底盖102均设有避让孔，丝杆3穿过避让孔以上下轴向移动。通过在外壳1的顶端和底端分别卡合相连有外壳顶盖101和外壳底盖102，以防止外界的灰尘进入外壳1内部而影响双自由度圆柱关节模块的工作可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种双自由度圆柱关节模块，其特征在于，包括内部设有空腔的外壳，所述外壳表面设有若干个开口，所述外壳内部一侧安装伺服驱动控制器，所述伺服驱动控制器端部通过所述外壳侧面开口与其他外接的模块连接，所述双自由度圆柱关节模块还设有竖直穿过所述外壳上下竖直相对开口且垂直移动和/或旋转的丝杆，所述外壳内部安装有传动机构配合传动所述丝杆，所述传动机构与所述伺服驱动控制器电连接。

2.如权利要求1所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述传动机构包括固定于所述外壳内部上法兰盘且与所述伺服驱动控制器电连接的第一伺服电机，所述第一伺服电机的动力输出轴端穿过所述上法兰盘且与第一主同步轮相连；所述上法兰盘另一侧与丝杆螺母固定部相连，所述丝杆螺母转动部与第一从同步轮相连，所述第一主同步轮和所述第一从同步轮以同步带相连传动；所述传动机构还包括固定于所述外壳内部下法兰盘且与所述伺服驱动控制器电连接的第二伺服电机，所述第二伺服电机的动力输出端穿过所述下法兰盘与第二主同步轮相连，所述下法兰盘另一侧与花键螺母固定部相连，所述花键螺母转动部与第二从同步轮相连，所述第二主同步轮和所述第二从同步轮以同步带相连传动，所述丝杆同时穿过所述丝杆螺母转动部中心以及所述花键螺母转动部中心以竖向上下移动。

3.如权利要求2所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述第一伺服电机和所述第二伺服电机的传动轴端方向相反。

4.如权利要求2所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述丝杆螺母固定部与所述上法兰盘、所述丝杆螺母转动部与所述第一从同步轮、所述花键螺母固定部与所述下法兰盘、所述花键螺母转动部与所述第二从同步轮以螺栓或螺钉相连。

5.如权利要求2所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述第一伺服电机和所述第二伺服电机分别与用于检测角位移和角速度的光电编码器连接。

6.如权利要求2所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述第一伺服电机和所述第二伺服电机分别与用于减速增力的减速器相连。

7.如权利要求1所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述丝杆的上部和/或下部固定连接有限位环。

8.如权利要求1所述的双自由度圆柱关节模块，其特征在于，所述外壳顶端边沿卡合相连有外壳顶盖，所述外壳底端边沿卡合相连有外壳底盖，所述外壳顶盖和所述外壳底盖均设有避让孔，所述丝杆穿过所述避让孔以上下轴向移动。