CN107891442A - 多自由度中空协作机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多自由度中空协作机械臂，它包含七个模块化关节、两个连接臂和底座。第一模块化关节的旋转端与底座固定相连，第一模块化关节的固定端和第二模块化关节的旋转端固定相连，第二模块化关节的固定端和第一连接臂一端固定相连，第一连接臂的另一端和第三模块化关节的旋转端固定相连，第三模块化关节的固定端和第四模块化关节的旋转端固定相连，第四模块化关节的固定端和第二连接臂一端固定相连，第二连接臂的另一端和第五模块化关节的固定端固定相连，第五模块化关节的旋转端和第六模块化关节的固定端固定相连，第六模块化的旋转端和第七模块化关节的固定端固定相连。采用本发明能有效提高负载/自重比，结构简单，维护方便。

Description

多自由度中空协作机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种由关节模块和连接臂构建的多自由度中空串联协作机械臂。

背景技术

目前，协作机械臂在各行业不断普及。随着人们对机械臂的能力要求以及工作场合的要求越来越高，协作机械臂的模块化、轻量化要求也逐步提高。现有协作机械臂往往较为笨重，人机协同程度低，组装、操作都受到极大影响。而小型化设计后，机械臂的负载能力大幅下降，如何提高轻量化协作机械臂的负载/自重比，提高结构紧凑性成为急需解决的问题。协作机械臂装配后结构固定，关节模块不能独立工作，设计独立工作、功能通用的机械臂成为问题。另外，现有机械臂关节多采用失电制动器，发热量大，在封闭的关节模块中难以将热量传导至外空间，极大影响关节模块性能与寿命。

申请号为201510530984.9的中国专利公开了“可多方位连接的座载模块化机械臂”包含多个关节模块，分为底座模块、俯仰模块、旋转模块等，采用连接法兰相串联。整个机械臂结构较为复杂，模块化程度低，关节模块采用直驱电机、谐波减速器等机构，采用联轴器连接，紧凑性差，自重较大，缺乏散热。

申请号为201210363694.6的中国专利公开了“一种仿人型七自由度机械臂”包含两个肩关节、两个肘关节和三个腕关节。每个关节内部采用机电一体化设计，结构包含失电制动器、旋转摩擦片、传动装置、驱动板、控制板、电机构成。缺点是结构较为复杂，仿人设计使机械臂有一定局限性，工作范围小，外部走线，影响美观和寿命，缺少外壳，人机协作受影响。

申请号为201510181151.6的中国专利公开了“一种可变自由度的模块化机械臂”采用模块化关节结构，每个关节包含中空电机、谐波减速器、刹车装置、双码盘定位装置等结构。谐波减速器和输出法兰固定，同时与电机中空轴固定，刹车装置采用刹车片和摩擦挡片制动。整体结构精度较高，模块化程度好，但没有冗余自由度，缺乏灵活性，中空电机成本高，不利于大批量生产，且性能受到影响，刹车装置较复杂。

申请号为201410392360.0的中国专利公开了“中空串联机械臂”包含模块化关节和基座结构，模块化关节内部采用制动器、电机、谐波减速器结构，依靠同步带传递力矩。缺点是自重较高，同步带需要张紧，使结构更加复杂，内部空间有一定空余，缺乏散热。整个机械臂没有冗余自由度，缺乏灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度中空协作机械臂，其关节模块采用碟刹制动方式，可以更好的构建协作机械臂，实现更高的负载/自重比，更好的运动性能和精度。

本发明的技术方案是：

多自由度中空协作机械臂，包括七个结构相同的关节模块，七个关节模块分别为第一关节模块、第二关节模块、第三关节模块、第四关节模块、第五关节模块、第六关节模块和第七关节模块，每一个关节模块均包括外壳，在所述的外壳顶部安装有端盖，在所述的外壳内上部固定有金属支架，在所述的金属支架上分别开有轴线沿竖直方向设置的套筒安装孔、电机长孔以及安装有导线护套的中心穿线孔，所述的导线护套为耐磨非金属材质，伺服电机通过电机长孔固定在所述的金属支架的顶面上，在所述的金属支架的底壁上开有凹槽并且在所述的凹槽内设置有滑块，所述的滑块与电机外壳通过穿过支架长孔的连接螺钉固定相连，两个拉紧螺钉沿水平方向穿过外壳和金属支架连接在滑块上；

在所述的套筒安装孔内固定有套筒，在所述的套筒内放置有电磁铁，在所述的套筒的顶面上盖有电磁铁端盖，所述的电磁铁和电磁铁端盖固定相连，一个制动轴的上部设置在电磁铁底部的套筒内并且下部穿过套筒底壁上的开孔可以上下滑移，制动体固定连接在所述的制动轴下部，在所述的套筒和在制动体之间的制动轴的轴段上套有弹簧,弹簧始终处于压缩状态，所述的弹簧顶部和底部始终分别顶在套筒底壁和制动体顶壁，在所述的制动体底壁以及外壳内腔底壁上分别附着有摩擦材料，非制动状态下，电磁铁带电，电磁铁吸附制动轴上移；制动状态下，电磁铁失电，制动轴下移，减速器固定在金属支架下方的外壳底部，所述的减速器采用组装式中空谐波减速器，所述的减速器具有柔轮输出旋转端，所述的减速器的柔轮输出旋转端为关节模块的旋转端，在所述的柔轮底面开有多个通过螺栓连接另一关节模块用的螺纹孔；

在所述的减速器的波发生器上固定有减速器带轮和刹车片，减速器带轮和刹车片彼此固定相连以实现同步运转，所述的刹车片的外缘设置在制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料之间，非制动状态下，制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料和摩擦片留有空隙，制动状态下，制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料与刹车片接触挤压；

在所述的伺服电机的伺服电机轴上安装有伺服电机带轮，减速器带轮和伺服电机带轮通过同步齿形带相连，在所述的外壳的侧壁上设置有凸台，在所述的凸台内开有连接另外的关节模块旋转端或连接臂用的阶梯孔，所述的阶梯孔端为关节模块的固定端，所述的阶梯孔的轴线与减速器的柔轮输出旋转端的轴线共面并相互垂直；

所述的第一关节模块的旋转端与底座固定相连，所述的第一关节模块的固定端和第二关节模块的旋转端固定相连，所述的第二关节模块的固定端和第一连接臂一端固定相连，所述的第一连接臂的另一端和第三关节模块的旋转端固定相连，所述的第三关节模块的固定端和第四关节模块的旋转端固定相连，所述的第四关节模块的固定端和第二连接臂一端固定相连，所述的第二连接臂的另一端和第五关节模块的固定端固定相连，所述的第五关节模块的旋转端和第六关节模块的固定端固定相连，所述的第六关节模块的旋转端和第七关节模块的固定端固定相连，所述的第七关节模块的旋转端和末端法兰固定相连，所述的末端法兰用来连接多种末端执行器；所述的第一连接臂和第二连接臂为中空结构，所述的七个关节模块中的减速器、减速器带轮和导线护套上均开有穿线孔；

在所述的外壳的外壁上且靠近伺服电机的一侧以及靠近电机一侧的端盖后端设置有若干散热片，便于散热，靠近伺服电机处的外壳内壁为平面，靠近伺服电机的所述的端盖内壁为平面，在所述的外壳内壁平面和伺服电机之间以及端盖的内壁平面处和伺服电机之间涂抹有导热硅脂，便于与伺服电机靠近向外传导热量。

本发明的优势在于：关节内部设置金属支架，使伺服电机等元件或机构更加便于安装，提高整个模块的稳定性，方便维护。协作机械臂关节模块采用的谐波减速器为组装式中空结构，金属支架中间有孔，整个关节模块中心贯通，可以实现所有线缆内部走线，使机械臂结构更加紧凑，同时安全美观。同步齿形带的张紧机构设计为两个螺钉的拉紧，保证可以从外部随时调节，同时空间利用更加合理。制动装置采用碟刹方式，结构较为简单，制作成本低，可以工业化生产，同时摩擦片较大的半径使制动力矩较大，关节模块的制动效果好，精度提高，电磁铁的安装方式拆卸方便，维护简单。外壳侧面有若干散热片，内端面和伺服电机靠近，便于向外传导热量，同时内部结构更加紧凑，结构可靠。当模块装配完毕进行中心穿线，再将每个模块的伺服电机线和电磁铁线连接到中心线缆，完成机械臂的安装。采用组装式中空谐波减速器，结构简单，可以实现较大的承载能力，且运行平稳，寿命高，体积小。协作机械臂的关节模块具有更高的运行性能和精度，自重较小，运行平稳，能耗低，寿命长，便于实现批量生产。关节模块独立工作，可组合成不同自由度机械臂。多自由度中空协作机械臂工作范围大，灵活性高，便于控制，安装、维护简单。

附图说明

图1是多自由度中空协作机械臂采用的关节模块的内部结构爆炸示意图；

图2是图1所示的模块的金属支架仰视图；

图3是图1所示的模块的滑块与拉紧螺钉安装仰视图；

图4是图1所示的模块中的碟刹机构部分装配图；

图5是图1所示的模块的俯视装配图；

图6是图1所示的模块的整体示意图；

图7是图1所示的模块除去端盖的结构装配图；

图8是本发明的多自由度中空协作机械臂的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体安装工作方式对本发明进行详细阐述。

如附图所示的本发明的多自由度中空协作机械臂，包括七个结构相同的关节模块，七个关节模块分别为第一关节模块22、第二关节模块23、第三关节模块25、第四关节模块26、第五关节模块28、第六关节模块29和第七关节模块30，每一个关节模块均包括外壳18，在所述的外壳18顶部安装有端盖19，优选的在所述的外壳18和端盖19之间安装有密封圈2。

在所述的外壳内上部固定有金属支架4，所述的金属支架可以通过螺钉与外壳固定相连。在所述的金属支架4上分别开有轴线沿竖直方向设置的套筒安装孔、电机长孔以及安装有导线护套3的中心穿线孔，所述的导线护套为耐磨非金属材质，可以为POM材质套管，可避免穿过的线缆和金属支架接触磨损，提高线缆使用寿命。

伺服电机1通过电机长孔固定在所述的金属支架4的顶面上，在所述的金属支架4的底壁上开有凹槽并且在所述的凹槽内设置有滑块5，所述的滑块与电机1外壳通过穿过支架长孔的连接螺钉固定相连，两个拉紧螺钉20沿水平方向穿过外壳和金属支架连接在滑块上。预装时，伺服电机1外壳和滑块5之间的连接螺钉不拧紧，伺服电机滑块可在金属支架上实现一定范围的滑动。电机长孔用于预装时根据滑块的滑动调整电机位置。

在所述的套筒安装孔内固定有套筒15，在所述的套筒15内放置有电磁铁16，在所述的套筒15的顶面上盖有电磁铁端盖17，所述的电磁铁16和电磁铁端盖17固定相连(可以通过螺钉固定相连)，一个制动轴14的上部设置在电磁铁16底部的套筒15内并且下部穿过套筒底壁上的开孔可以上下滑移，制动体12固定连接在所述的制动轴下部，在所述的套筒15和在制动体12之间的制动轴14的轴段上套有弹簧13，非制动状态下，电磁铁失电，制动轴下移，制动轴14(依靠弹簧13)顶在套筒内底壁上，弹簧始终处于压缩状态，所述的弹簧顶部和底部分别始终顶在套筒底壁和制动体顶壁，在所述的制动体底壁以及外壳内腔底壁上分别附着有摩擦材料11，实现与摩擦片8接触摩擦进而制动的作用。非制动状态下，电磁铁带电，电磁铁吸附制动轴上移；制动状态下，电磁铁失电，制动轴下移。减速器10固定在金属支架下方的外壳底部，所述的减速器采用组装式中空谐波减速器，其优点是结构简单，体积小，负载能力强，运行平稳，减速比大，噪音小，传动精度高。所述的减速器10具有柔轮输出旋转端，所述的减速器的柔轮输出旋转端为关节模块的旋转端，当减速器10的波发生器绕轴线旋转时，在减速作用后柔轮输出，使关节旋转端可以绕轴线转动。在所述的柔轮底面开有多个通过螺栓连接另一关节模块用的螺纹孔。

在所述的减速器的波发生器上固定有减速器带轮9和刹车片8，减速器带轮9和刹车片8彼此固定相连以实现同步运转。所述的刹车片的外缘设置在制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料11之间，非制动状态下，制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料和摩擦片留有空隙；制动状态下，制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料与刹车片接触挤压。

在所述的伺服电机1的伺服电机轴上安装有伺服电机带轮7，减速器带轮9和伺服电机带轮7通过同步齿形带6相连。同步齿形带需要预装，在预装完成后需要对齿形带张紧，通过所述的拉紧螺钉20使滑块带动伺服电机带轮向外侧滑动，完成齿形带的张紧，之后再拧紧伺服电机1和滑块5相连的螺钉，使伺服电机滑块机构与金属支架固定，完成模块装配。

在所述的外壳的侧壁上设置有凸台，在所述的凸台内开有连接另外的关节模块旋转端或连接臂用的阶梯孔，所述的阶梯孔端为关节模块的固定端，所述的阶梯孔的轴线与减速器的柔轮输出旋转端的轴线共面并相互垂直。所述的第一关节模块22的旋转端与底座21固定相连，所述的第一关节模块22的固定端和第二关节模块23的旋转端固定相连，所述的第二关节模块23的固定端和第一连接臂24一端固定相连，所述的第一连接臂24的另一端和第三关节模块25的旋转端固定相连，所述的第三关节模块25的固定端和第四关节模块26的旋转端固定相连，所述的第四关节模块26的固定端和第二连接臂27一端固定相连，所述的第二连接臂27的另一端和第五关节模块28的固定端固定相连，所述的第五关节模块28的旋转端和第六关节模块29的固定端固定相连，所述的第六关节模块29的旋转端和第七关节模块30的固定端固定相连，所述的第七关节模块30的旋转端和末端法兰31固定相连，所述的末端法兰31可用来连接多种末端执行器，末端执行器可以采用气动手爪、吸盘、灵巧手等公开的结构。底座通过螺钉固定在地面或AGV(自动导引运输车，市场有售)上。

所述的第一连接臂和第二连接臂为中空结构，所述的七个关节模块中的减速器10、减速器带轮9和导线护套3上均开有穿线孔。

优选的在外壳的外壁上且靠近伺服电机的一侧以及靠近伺服电机一侧的端盖后端设置有若干散热片，便于散热。靠近伺服电机处的外壳内壁为平面，靠近伺服电机的所述的端盖内壁为平面，在所述的外壳内壁平面和伺服电机之间以及端盖的内壁平面处和伺服电机之间涂抹有导热硅脂，便于与伺服电机靠近向外传导热量。

优选的本发明的金属支架为长半圆形，结构简单，方便维护，自重小，刚度高。

所述外壳18上的凸台外径和外壳直径相等，在关节模块连接时更加美观可靠。

在实际安装使用过程中，机械臂装配完成后需要在中央进行穿线，中央线缆连接控制柜后依次穿过底座上的接口、第一关节模块、第二关节模块、第一连接臂、第三关节模块、第四关节模块、第二连接臂、第五关节模块、第六关节模块以及第七关节模块，中央线缆在各关节模块处穿过各关节模块的阶梯孔与各关节模块的电机内线缆相连，中央线缆依次穿过减速器、减速器带轮和导线护套进入下一个关节模块。电机的控制线和电源线以及电磁铁电源线直接接到中央线缆即可。

本发明的关节模块的工作过程为：中空协作机械臂关节模块独立工作，模块间可自由组装，工作适应性强，维护方便。关节模块由伺服电机1驱动，伺服电机1输出转矩，并将转矩传递到伺服电机带轮7，伺服电机带轮和减速器带轮9通过同步齿形带6相连，经过带轮间的一级减速，转矩传递至减速器，通过减速器的二级减速，最终实现转矩的输出。刹车片和减速器带轮相固连，并同步运转。非制动状态下，电磁铁带电，依靠电磁铁吸附作用使制动轴上移，弹簧被压缩变形，带动附着有摩擦材料11的制动体12上升，摩擦材料和摩擦片产生空隙，没有摩擦；制动状态下，电磁铁失电，弹簧的形变恢复力对制动体施加朝向刹车片的向下的力，制动体和摩擦材料下移并与刹车片接触挤压，刹车片外缘受到该向下的挤压力发生向下的形变并与壳体底壁摩擦材料接触摩擦，刹车片外缘两侧都受到制动摩擦力，足够的压力产生较大的摩擦力，进而有较高的制动力矩，使输出停止。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.多自由度中空协作机械臂，其特征在于：包括七个结构相同的关节模块，七个关节模块分别为第一关节模块、第二关节模块、第三关节模块、第四关节模块、第五关节模块、第六关节模块和第七关节模块，每一个关节模块均包括外壳，在所述的外壳顶部安装有端盖，在所述的外壳内上部固定有金属支架，在所述的金属支架上分别开有轴线沿竖直方向设置的套筒安装孔、电机长孔以及安装有导线护套的中心穿线孔，所述的导线护套为耐磨非金属材质，伺服电机通过电机长孔固定在所述的金属支架的顶面上，在所述的金属支架的底壁上开有凹槽并且在所述的凹槽内设置有滑块，所述的滑块与电机外壳通过穿过支架长孔的连接螺钉固定相连，两个拉紧螺钉沿水平方向穿过外壳和金属支架连接在滑块上；

在所述的套筒安装孔内固定有套筒，在所述的套筒内放置有电磁铁，在所述的套筒的顶面上盖有电磁铁端盖，所述的电磁铁和电磁铁端盖固定相连，一个制动轴的上部设置在电磁铁底部的套筒内并且下部穿过套筒底壁上的开孔可以上下滑移，制动体固定连接在所述的制动轴下部，在所述的套筒和在制动体之间的制动轴的轴段上套有弹簧,弹簧始终处于压缩状态时，所述的弹簧顶部和底部分别始终顶在套筒底壁和制动体顶壁，在所述的制动体底壁以及外壳内腔底壁上分别附着有摩擦材料，非制动状态下，电磁铁带电，电磁铁吸附制动轴上移；制动状态下，电磁铁失电，制动轴下移，减速器固定在金属支架下方的外壳底部，所述的减速器采用组装式中空谐波减速器，所述的减速器具有柔轮输出旋转端，所述的减速器的柔轮输出旋转端为关节模块的旋转端，在所述的柔轮底面开有多个通过螺栓连接另一关节模块用的螺纹孔；

在所述的减速器的波发生器上固定有减速器带轮和刹车片，减速器带轮和刹车片彼此固定相连以实现同步运转，所述的刹车片的外缘设置在制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料之间，非制动状态下，制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料和摩擦片留有空隙，制动状态下，制动体底壁以及外壳内腔底壁上的摩擦材料与刹车片接触挤压；

在所述的伺服电机的伺服电机轴上安装有伺服电机带轮，减速器带轮和伺服电机带轮通过同步齿形带相连，在所述的外壳的侧壁上设置有凸台，在所述的凸台内开有连接另外的关节模块旋转端或连接臂用的阶梯孔，所述的阶梯孔端为关节模块的固定端，所述的阶梯孔的轴线与减速器的柔轮输出旋转端的轴线共面并相互垂直；

所述的第一关节模块的旋转端与底座固定相连，所述的第一关节模块的固定端和第二关节模块的旋转端固定相连，所述的第二关节模块的固定端和第一连接臂一端固定相连，所述的第一连接臂的另一端和第三关节模块的旋转端固定相连，所述的第三关节模块的固定端和第四关节模块的旋转端固定相连，所述的第四关节模块的固定端和第二连接臂一端固定相连，所述的第二连接臂的另一端和第五关节模块的固定端固定相连，所述的第五关节模块的旋转端和第六关节模块的固定端固定相连，所述的第六关节模块的旋转端和第七关节模块的固定端固定相连，所述的第七关节模块的旋转端和末端法兰固定相连，所述的末端法兰用来连接多种末端执行器；所述的第一连接臂和第二连接臂为中空结构，所述的七个关节模块中的减速器、减速器带轮和导线护套上均开有穿线孔。

2.根据权利要求1所述的多自由度中空协作机械臂，其特征在于：在所述的外壳的外壁上且靠近伺服电机的一侧以及靠近电机一侧的端盖后端设置有若干散热片，便于散热，靠近伺服电机处的外壳内壁为平面，靠近伺服电机的所述的端盖内壁为平面，在所述的外壳内壁平面和伺服电机之间以及端盖的内壁平面处和伺服电机之间涂抹有导热硅脂，便于与伺服电机靠近向外传导热量。

3.根据权利要求1或者2所述的多自由度中空协作机械臂，其特征在于：所述的金属支架为长半圆形。

4.根据权利要求1或者2所述的多自由度中空协作机械臂，其特征在于：所述外壳上的凸台外径和外壳直径相等。

5.根据权利要求1或者2所述的多自由度中空协作机械臂，其特征在于：在所述的外壳和端盖之间安装有密封圈。

6.根据权利要求1或者2所述的多自由度中空协作机械臂，其特征在于：所述的导线护套为POM材质套管。