CN107932551A - 一种七自由度协作机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种七自由度协作机械臂，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固定端固定相连，第三模块化关节的旋转端和第四模块化关节的固定端固定相连，第四模块化关节的旋转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，第六模块化关节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

一种七自由度协作机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及由模块化关节和连接臂构建的中空串联协作机械臂的新型构型结构。

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，难以实现人机协作，组装、操作都受到极大影响。而小型化设计后，协作机械臂的负载能力大幅下降，如何提高轻量化机械臂的负载/自重比，提高结构紧凑性成为急需解决的问题。另外，传统机械臂自由度不大于6个，如何合理构建冗余自由度的机械臂，以实现更好的灵活性和避障性需要得到解决。

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”，该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，关节模块采用直驱伺服电机、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”，该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、伺服电机构成。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”，该机械臂采用模块化关节结构，每个关节包含中空伺服电机、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，同时与伺服电机中空轴固定，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，中空伺服电机成本高，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201110333688.1的中国专利公开了“多自由度机械臂模块化关节”，该关节包含两个以上的串联模块。关节一包含动力输入轴并设有第一谐波减速器以及第一离合器；关节二包含与关节一动力输入轴相连的传动轴，该传动轴固连于第一离合器，第二离合器和分动的传动轴相连，且分别和第二谐波减速器相连。所阐述的模块结构复杂，且有部分结构和线缆等裸露在外，整体自重较大，连接方式只有一种，可重构性差，构建的机械臂工作范围小，自由度少，缺乏灵活性，没有制动，不能实现精确控制。

申请号为201410392360.0的中国专利公开了“中空串联机械臂”，该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、伺服电机、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七自由度协作机械臂，本机械臂空间布局更加合理紧凑，减少自重，提高性能，使协作机械臂安装维护更加便捷，同时七自由度设计使得工作范围增大，灵活性提高。

本发明的技术方案是：

一种七自由度协作机械臂，包括七个结构相同的模块化关节，所述的七个模块化关节分别为第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节和第七模块化关节，每一个模块化关节均包括外壳，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，在所述的金属支架的顶面上固定有伺服电机固定板，在所述的伺服电机固定板中心开有安装孔，伺服电机的下部安装在安装孔内并且固定在伺服电机固定板上,在所述的伺服电机固定板的底壁上固定有失电制动器的外壳，所述的伺服电机的电机轴穿过金属支架以及失电制动器转子的转子孔；一个电机齿轮上部的凸台插在失电制动器转子下部的凹槽内使两者定位并传递扭矩，所述的电机齿轮套装固定在失电制动器下方的电机轴上，一个减速器的钢轮固定在金属支架下方的外壳底部，所述的减速器为中空的组装式谐波减速器，所述的减速器的波发生器为减速器输入端，在所述的外壳底部开有内孔，在所述的内孔中安装有轴承，所述的轴承的内圈固定在波发生器轴段上，波发生器可以绕轴承轴线旋转，在所述的波发生器上部固定有减速器齿轮，在所述的轴承和减速器齿轮之间的波发生器轴段上套有一底部密封圈，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模块化关节的旋转端，柔轮底面开有多个通过螺栓连接另一模块化关节用的螺纹孔，所述的减速器齿轮和电机齿轮彼此啮合配合；在所述的外壳的侧壁上设置有一凸台，所述凸台开有连接另外的模块化关节旋转端或连接臂用的阶梯孔，所述的阶梯孔端为模块化关节的固定端，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；在与所述的阶梯孔对应的外壳内壁上固定有侧面导线挡圈，一个导线护套安装在靠近侧面导线挡圈处的金属支架上，所述的导线挡圈和导线护套为耐磨非金属材质；

所述的第一模块化关节的旋转端与底座固定相连，所述的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，所述的第二模块化关节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模块化关节的固定端固定相连，所述的第三模块化关节的旋转端和第四模块化关节的固定端固定相连，所述的第四模块化关节的旋转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模块化关节的固定端固定相连，所述的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，所述的第六模块化关节的旋转端和第七模块化关节的固定端固定相连，所述的第七模块化关节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，七个模块化关节中的减速器、减速器齿轮、导线护套和导线挡圈上均开有穿线孔。

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。协作机械臂模块化关节采用的谐波减速器为中空结构，金属支架中间有孔，整个模块化关节中心贯通，可以实现所有线缆内部走线，使协作机械臂结构更加紧凑，同时安全美观。独特长半圆形金属支架设计将外壳内部空间一分为二，传动机构集中在下方，空间利用合理，提高走线安全性。采用组装式中空谐波减速器，可以实现较大的承载能力，且运行平稳，寿命高，体积小，重量轻，使模块化关节结构更为紧凑。关节内部安装有失电制动器，当模块化关节制动状态时，伺服电机和制动器同步失电，制动器锁死转子使电机齿轮停转，通过啮合作用传递到减速器齿轮，模块化关节旋转端制动。电机和制动器同轴设计，使传动过程大为简化。外壳设计有散热片，伺服电机和外壳散热端面紧靠，提高模块化关节的散热性能。协作机械臂的模块化关节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。七自由度构型设计合理，运动中不存在干涉问题，七自由度协作机械臂灵活性高，便于控制，安装、维护简单。

附图说明

图1是本发明的七自由度协作机械臂中采用外啮合传动的模块化关节的内部结构爆炸示意图；

图2是图1所示的模块化关节的伺服电机部分装配图；

图3是图1所示的采用外啮合传动的模块化关节的俯视装配图；

图4是图1所示的模块化关节的整体示意图；

图5是图1所示的模块化关节除去端盖的结构装配图；

图6是本发明的七自由度协作机械臂的一种实施方式的结构示意图；

图7是本发明的七自由度协作机械臂中采用内啮合传动的模块化关节的内部结构爆炸示意图；

图8是图7所示的采用内啮合传动的模块化关节的俯视装配图。

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一种七自由度协作机械臂，包括七个结构相同的模块化关节，七个模块化关节分别为第一模块化关节19、第二模块化关节20、第三模块化关节22、第四模块化关节23、第五模块化关节25、第六模块化关节26和第七模块化关节27，每一个模块化关节均包括外壳17，在所述的外壳17顶部安装有端盖16，优选的所述的外壳17和端盖16之间安装有密封圈。

在所述的外壳内上部固定有金属支架5，优选的在所述的金属支架上沿竖直方向开有多个连接金属支架和外壳的螺钉孔，所述的金属支架可以通过穿过螺钉孔的螺钉6与外壳固定相连。在所述的金属支架5的顶面上固定(可以通过螺钉2)有伺服电机固定板3，在所述的伺服电机固定板中心开有安装孔，伺服电机1的下部安装在安装孔内并且固定在伺服电机固定板3上。在所述的伺服电机固定板3的底壁上固定有失电制动器4的外壳，所述的伺服电机的电机轴穿过金属支架5以及失电制动器4转子的转子孔。

所述的失电制动器4市场有售，电机齿轮7上部的凸台插在失电制动器4转子下部的凹槽内使两者定位并传递扭矩，所述的电机齿轮7套装固定在失电制动器4下方的电机轴上。

所述的电机齿轮7固定在电机轴上的结构可以为：所述的电机齿轮7通过穿过固定挡板8、电机齿轮7以及电机轴底壁上的螺栓与电机轴固定相连。

一个减速器9的钢轮固定在金属支架下方的外壳底部，所述的减速器为中空的组装式谐波减速器，其优点是体积小，重量轻，负载能力强，运行平稳，减速比大，噪音小，传动精度高，中间为中空结构，便于内部走线。减速器9的波发生器为减速器输入端，在所述的外壳17底部开有内孔，在所述的内孔中安装有轴承10，所述的轴承10的内圈固定在波发生器轴段上，波发生器可以绕轴承轴线旋转。在所述的波发生器上部固定有减速器齿轮12，在所述的轴承10和减速器齿轮12之间的波发生器轴段上套有一底部密封圈11，所述的底部密封圈有隔绝空间、挡油防尘的作用。所述的减速器9具有柔轮输出旋转端，所述的减速器的柔轮输出旋转端为模块化关节的旋转端，当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。柔轮底面开有多个通过螺栓连接另一模块化关节用的螺纹孔。所述的减速器齿轮12和电机齿轮7彼此啮合配合。

在所述的外壳的侧壁上设置有一凸台，所述凸台开有连接另外的模块化关节固定端用的阶梯孔。所述的阶梯孔端为模块化关节的固定端，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。

在与所述的阶梯孔对应的外壳内壁上固定有侧面导线挡圈14，所述的导线挡圈14为耐磨非金属材质，可以为POM。可以通过螺钉13固定在外壳内壁上，作用是防止中心线缆与金属外壳17接触磨损。导线护套15安装在靠近侧面导线挡圈14处的金属支架5上，导线护套15与导线挡圈14功能类似，同样为耐磨非金属材质，可以为POM，作用是避免中心线缆和金属支架5发生接触磨损。

其中第一模块化关节19的旋转端与底座18固定相连，所述的第一模块化关节19的固定端和第二模块化关节20的旋转端固定相连，所述的第二模块化关节20的固定端和第一连接臂21一端固定相连，所述的第一连接臂21的另一端和第三模块化关节22的固定端固定相连，所述的第三模块化关节22的旋转端和第四模块化关节23的固定端固定相连，所述的第四模块化关节23的旋转端和第二连接臂24一端固定相连，所述的第二连接臂24的另一端和第五模块化关节25的固定端固定相连，所述的第五模块化关节25的旋转端和第六模块化关节26的固定端固定相连，所述的第六模块化关节26的旋转端和第七模块化关节27的固定端固定相连，所述的第七模块化关节27的旋转端和末端法兰28固定相连，所述的末端法兰28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，所述的七个模块化关节中的减速器9、减速器齿轮12、导线护套15和导线挡圈14上均开有穿线孔。

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、第一模块化关节、第二模块化关节、第一连接臂、第三模块化关节、第四模块化关节、第二连接臂、第五模块化关节、第六模块化关节以及第七模块化关节，中央线缆在各模块化关节处穿过各模块化关节的阶梯孔与各模块化关节的制动器以及电机内线缆相连，中央线缆依次穿过减速器、减速器齿轮、导线护套和导线挡圈进入下一个模块化关节。电机的控制线和电源线以及制动器的电源线直接接到中央线缆即可。

作为本发明的一种实施方式，所述的减速器齿轮12和电机齿轮7均为外齿轮，所述的减速器齿轮12和电机齿轮7彼此啮合配合。

作为本发明的另外一种实施方式，所述的减速器齿轮12为内齿轮，所述的电机齿轮7为外齿轮，所述的减速器齿轮12和电机齿轮7彼此啮合配合。

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，其优点在于：结构简单，方便维护，自重小，刚度高，便于走线。

本发明的机械臂中的模块化关节的工作过程为：七自由度协作机械臂模块化关节独立工作，模块间可自由组装，工作适应性强，维护方便。模块化关节由伺服电机1驱动，伺服电机1输出转矩，并将转矩传递到电机齿轮7，电机齿轮7和减速器齿轮12相啮合，作为一级减速，减速器齿轮12和减速器9固定，转矩传递至减速器，通过减速器9的二级减速，最终实现转矩的输出。制动器4转子和电机齿轮同步运转，采用失电制动器，制动器和伺服电机同步通放电。非制动状态下，制动器通电，转子可以自由旋转，制动器对传动过程不产生影响；制动时，制动器失电并锁紧制动器转子，使电机齿轮停止运转，通过制动器齿轮与减速器齿轮的啮合作用使得减速器输出停止，模块化关节停止运转。外壳17、端盖16紧密连接，之间有密封圈，内部处于密闭状态，伺服电机靠紧散热片所在端面并涂有散热硅脂，方便热量外送。每个模块化关节的旋转端都和一个固定端相连，所以每增加一个模块化关节就多一个自由度，七个模块化关节采用2-2-3的串联结构，既保证足够的工作范围，又保证足够的刚度和灵活性。本发明能够独立运转，且两外接处呈90度角，组装更加自由，协作机械臂形状更加多变。

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 (7)

1.一种七自由度协作机械臂，其特征在于：包括七个结构相同的模块化关节，所述的七个模块化关节分别为第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节、第六模块化关节和第七模块化关节，每一个模块化关节均包括外壳，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，在所述的金属支架的顶面上固定有伺服电机固定板，在所述的伺服电机固定板中心开有安装孔，伺服电机的下部安装在安装孔内并且固定在伺服电机固定板上,在所述的伺服电机固定板的底壁上固定有失电制动器的外壳，所述的伺服电机的电机轴穿过金属支架以及失电制动器转子的转子孔；一个电机齿轮上部的凸台插在失电制动器转子下部的凹槽内使两者定位并传递扭矩，所述的电机齿轮套装固定在失电制动器下方的电机轴上，一个减速器的钢轮固定在金属支架下方的外壳底部，所述的减速器为中空的组装式谐波减速器，所述的减速器的波发生器为减速器输入端，在所述的外壳底部开有内孔，在所述的内孔中安装有轴承，所述的轴承的内圈固定在波发生器轴段上，波发生器可以绕轴承轴线旋转，在所述的波发生器上部固定有减速器齿轮，在所述的轴承和减速器齿轮之间的波发生器轴段上套有一底部密封圈，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模块化关节的旋转端，柔轮底面开有多个通过螺栓连接另一模块化关节用的螺纹孔，所述的减速器齿轮和电机齿轮彼此啮合配合；在所述的外壳的侧壁上设置有一凸台，所述凸台开有连接另外的模块化关节旋转端或连接臂用的阶梯孔，所述的阶梯孔端为模块化关节的固定端，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；在与所述的阶梯孔对应的外壳内壁上固定有侧面导线挡圈，一个导线护套安装在靠近侧面导线挡圈处的金属支架上，所述的导线挡圈和导线护套为耐磨非金属材质；

所述的第一模块化关节的旋转端与底座固定相连，所述的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，所述的第二模块化关节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模块化关节的固定端固定相连，所述的第三模块化关节的旋转端和第四模块化关节的固定端固定相连，所述的第四模块化关节的旋转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模块化关节的固定端固定相连，所述的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，所述的第六模块化关节的旋转端和第七模块化关节的固定端固定相连，所述的第七模块化关节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，七个模块化关节中的减速器、减速器齿轮、导线护套和导线挡圈上均开有穿线孔。

2.根据权利要求1所述的一种七自由度协作机械臂，其特征在于：所述的减速器齿轮和电机齿轮均为外齿轮，所述的减速器齿轮和电机齿轮彼此啮合配合。

3.根据权利要求1所述的一种七自由度协作机械臂，其特征在于：所述的减速器齿轮为内齿轮，所述的电机齿轮为外齿轮，所述的减速器齿轮和电机齿轮彼此啮合配合。

4.根据权利要求1-3之一的七自由度协作机械臂，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的一种七自由度协作机械臂，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4所述的一种七自由度协作机械臂，其特征在于：所述的导线挡圈和导线护套的材质为POM。

7.根据权利要求4所述的一种七自由度协作机械臂，其特征在于：所述的金属支架为长半圆形金属支架。