CN108189073A - 一种双电机驱动模块化关节和一种机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双电机驱动模块化关节，其包括：输出轴与外壳转动连接，与输出齿轮固连；输出轴包括沿轴向延伸的通孔，外壳包括与通孔相对应的穿孔，通孔和穿孔用于安放线路；输出轴还包括径向的通道，通道与零位检测模块配合确定输出轴的零位；第一齿轮、第二齿轮均与输出齿轮啮合，且第一齿轮和第二齿轮不干涉；第一伺服电机连接第一齿轮和第一电机编码器；第二伺服电机连接第二齿轮和第二电机编码器。本发明提供的双电机驱动模块化关节，可以消除输出齿轮与驱动装置间的间隙，使得传动更精密，即使齿轮磨损依旧能保证关节无间隙运转。零位检测模块用于确认输出轴的零位。穿孔配合通孔可以使得各类线缆在关节内部走线，整体简洁紧凑。

Description

一种双电机驱动模块化关节和一种机械臂

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，尤其是一种双电机驱动模块化关节。

本发明还涉及一种机械臂。

背景技术

随着自动化、半导体技术的迅猛发展以及劳动力成本的不断提高，机械臂已经在很多领域发挥着举足轻重的作用。高精度减速器作为机械臂的核心零部件，其性能严重影响着机械臂整机的性能。我国在此方面产品的研发严重落后于世界先进水平。

虽然传统的工业机械臂已经应用十分广泛，但其种类少、构型固定、研发周期长、价格昂贵。可重构模块化机械臂可以很好地解决现有工业机械臂的所面临的困境。其不仅可以满足企业个性化需求，还可以缩短机器人的研发周期，降低机器人安装和使用成本。

申请号为CN201710571402.0的一种关节结构包括：第一驱动单元、第二驱动单元、输出单元及消隙单元。通过三个电机的协同配合能够实现俯仰运动、自转运动及俯仰自转复合运动。

上述专利存在的不足：一方面，现有技术机械结构复杂，对机械加工、装配等均提出了较高的要求，且关节集成度低。另一方面，现有技术虽然一个关节模块可以实现两自由度运动，但需要三个电机协同配合才能完成。这致使控制算法的复杂度呈指数倍增长，同时也对控制系统实时性、传感器精度等提出了很高的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种精度高、结构简单紧凑、成本低的双电机驱动模块化关节。本发明还提供了一种精度高、结构简单紧凑、成本低、配套控制系统简易的机械臂。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种双电机驱动模块化关节，其包括：输出轴、输出齿轮、第一齿轮、第二齿轮、第一伺服电机、第二伺服电机、第一电机编码器、第二电机编码器、零位检测模块、第一驱动器、第二驱动器和外壳；

所述输出轴与所述外壳转动连接，与所述输出齿轮固连；所述输出轴包括沿轴向延伸的通孔，所述外壳包括与所述轴向延伸的通孔相对应的穿孔，所述轴向延伸的通孔和所述穿孔用于安放线路；所述输出轴还包括径向的通道，所述径向的通道与零位检测模块配合确定所述输出轴的零位；所述第一齿轮、第二齿轮均与所述输出齿轮啮合，且所述第一齿轮和第二齿轮互不干涉；所述第一伺服电机驱动所述第一齿轮转动，所述第一伺服电机还连接所述第一电机编码器；所述第一驱动器与所述第一伺服电机电连接；所述第二伺服电机驱动所述第二齿轮转动，所述第二伺服电机还连接所述第二电机编码器；所述第二驱动器与所述第二伺服电机电连接。

优选的，所述外壳包括第二关节外壳，所述第二关节外壳将所述外壳内部分割为前腔和后腔，所述前腔和后腔之间密闭；所述输出轴与所述第二关节外壳密闭连接，所述输出轴在后腔的轴段上包括所述径向通道；所述第一齿轮、第二齿轮和输出齿轮位于前腔；所述第一伺服电机、第二伺服电机、第一电机编码器、第二电机编码器、第一驱动器、第二驱动器和零位检测模块位于所述后腔。

进一步的，所述外壳还包括第一关节外壳、第三关节外壳和端盖；所述第二关节外壳、第三关节外壳和端盖构成了密闭的前腔；所述第一关节外壳包括所述穿孔。

优选的，所述第一齿轮通过第一减速器与第一伺服电机连接；所述第二齿轮通过第二减速器与第二伺服电机连接。

进一步的，所述第一减速器和/或第二减速器为行星减速器。

优选的，所述第一齿轮、第二齿轮和输出齿轮为直齿轮。

优选的，所述零件检测模块包括对称设置的红外光源和光敏接收器，所述红外光源和光敏接收器位于所述输出轴两侧；当所述径向通道平行于所述零件检测模块时，所述红外光源发射的光线通过所述径向通道照射到所述光敏接收器。

优选的，还包括限位法兰和限位柱；所述限位法兰与所述输出轴固连，所述限位柱与所述外壳固连，所述限位柱限制限位法兰和输出轴的周向转动位置。

优选的，所述第一齿轮、输出齿轮与第二齿轮三者的轴线位于同一平面。

本发明还提供一种机械臂，其包括：前述方案的双电机驱动模块化关节。

(三)有益效果

本发明提供一种双电机驱动模块化关节。两个伺服电机驱动的齿轮分别啮合输出齿轮，双驱动齿轮可以消除输出齿轮与驱动齿轮间的间隙，使得传动更精密，即使齿轮磨损依旧能保证关节无间隙运转。驱动器用于控制伺服电机的转动，电机编码器用于精确测量伺服电机的转动，零位检测单元用于准确确认输出轴的零点。输出轴与外壳相对转动，分别连接其他外部构件，用于完成转动动作。外壳上的穿孔配合输出轴上的轴向通孔，可以使得各类线缆在关节内部走线，整体简洁紧凑。

第二关节外壳将外壳内部分为了前腔和后腔，前腔主要包括机械结构，可以加润滑油等，后腔主要为电气部件，需要干燥清洁。

第一关节外壳用于方便检修后腔，端盖为了便于安装输出轴和检修前腔，同时第二关节外壳和第三关节外壳组成的半包结构避免油脂飞溅。外壳整体安装后，形成了一个相对完整且独立的单元实体，利于组合使用。

每个模块化关节都采用双电机协同驱动，同时采用廉价的行星减速器，通过合理地电气消隙技术即可消除传动回差。直齿轮更方便安装且成本低，因为双齿轮结构在齿轮磨损的时候依旧可以有效的消隙，所以齿轮本身反而可以选择质优价廉的直齿轮。

光学元件反应快，精度高。限位部件可以限制输出轴的转动范围。

第一齿轮和第二齿轮可以沿输出齿轮周向布置，只要不干涉即可，但是对称布置有利于输出齿轮的受力平衡。减少输出轴的挠曲变形。

使用双电机驱动模块化关节的机械臂，用较少的驱动部件，较紧凑的布局，就可以达到要求的自由度，且传动回差小，使用寿命长。电气控制系统要求低，运动控制的算法更简单。

附图说明

图1为一种双电机驱动模块化关节的剖视图；

图2为一种双电机驱动模块化关节的爆炸图；

图3为一种双电机驱动模块化关节的外部结构示意图；

图4为一种双电机驱动模块化关节的电气消隙原理图；

图5为一种包括双电机驱动模块化关节的六自由度机械臂结构示意图；

图6为一种包括双电机驱动模块化关节的七自由度机械臂外观示意图。

【附图标记说明】

11：第一行星减速器；12：第一伺服电机；13：第二伺服电机；14：第二行星减速器；21：第一齿轮；22：第二齿轮；23：输出齿轮；31：输出轴；32：第一轴承；33：第二轴承；34：定位环；41：第一电机编码器；42：第二电机编码器；43：零位检测模块；51：限位法兰；52：限位柱；61：第一驱动器；62：第二驱动器；63：驱动器固定架；71：第一关节外壳；72：第二关节外壳；73：第三关节外壳；74：输出端端盖；81：直角连杆；82：平行连杆；83：底座。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，各部件紧凑的布置在外壳之内。

外壳包括第一关节外壳71、第二关节外壳72、第三关节外壳73和端盖74。第一关节外壳71和第二关节外壳72配合形成后腔，第二关节外壳72、第三关节外壳73和端盖74配合形成前腔。输出轴31借助第一轴承32和第二轴承33，与第三关节外壳73转动连接。第二关节外壳72上包括与输出轴31密闭配合的孔，输出轴31的一段位于后腔内，一段位于前腔内。

端盖74上包括与输出轴31密闭配合的孔，至少输出轴31的端面露出于外壳，端面上还包括螺纹孔，用于连接其他外构件。图1中，第一关节外壳71上相对于输出轴31的壁上包括连接其他外构件的螺纹孔；也可以位于外壳的其他侧壁上。

输出轴31上包括轴向的通孔，轴向通孔一端连通本发明的外部空间，一端连通后腔。第一关节外壳71与输出轴31正对的壁上包括一个穿孔。输出轴31的轴向通孔和外壳上的穿孔用于安装线缆。

第一轴承32和第二轴承33为一对角接触球轴承，背对背设置，也可以是其他类型的轴承。第一轴承32和第二轴承33通过定位环34卡紧固定在输出轴31上。输出轴31及其使用的转动连接部件组成输出单元。

输出轴31上还固定有输出齿轮23，其对称的两侧啮合有第一齿轮21和第二齿轮22。三者构成消隙单元，位于相对密闭的前腔中，可以添加润滑脂。图1中，第一齿轮21，第二齿轮22和输出齿轮23都是直齿轮，实际上也可以是斜齿轮等。第一齿轮21和第二齿轮22的直径比输出齿轮23小，这样一来整体尺寸小，二来也可以降速。

第一伺服电机12通过第一行星减速器11驱动第一齿轮21，第二伺服电机13通过第二行星减速器14驱动第二齿轮22。第一行星减速器11即第一减速器，第二行星减速器14即第二减速器。实际上第一减速器和第二减速器也可以是其他类型的减速器。第一行星减速器11和第二行星减速器14分别与第二关节外壳72密闭连接。一个伺服电机和一个行星减速器组成一个驱动单元。

第一伺服电机12还连接有第一电机编码器41，第二伺服电机13还连接有第二电机编码器42。第一电机编码器41和第二电机编码器42采用增量式光电编码器。

输出轴31在后腔内的轴段包括径向通道，如通孔、槽或组件拼合成的缝隙。径向通道可以与输出轴31的轴向垂直，也可以有一定偏角。零位检测单元43包括对称设置的红外光源和光敏接收器，二者设置在输出轴31两侧。当径向通道平行于零位检测单元43时，红外光源发射的激光通过输出轴31上的径向通道照射到光敏接收器，此时输出轴31处于零位。电机编码器和零位检测单元43组成位置检测单元。

如图2所示，第一驱动器61利用驱动器固定支架63固定在第二关节外壳72处于后腔的一面，并巧妙的靠近于第一伺服电机12和第二伺服电机13上部，用于驱动第一伺服电机12。第二驱动器62也利用驱动器固定支架63固定在第二关节外壳72处于后腔的一面，并巧妙的靠近于第一伺服电机12和第二伺服电机13下部，用于驱动第二伺服电机13。驱动器及电气线路组成电气系统。输出轴31的轴向通孔及外壳上的穿孔还可以用于给其他关节的线路提供中空走线路径。

外壳内部的前腔处还设置有限位法兰51和限位柱52。限位法兰51固定于输出轴31上，其固定处相对输出齿轮在输出轴31上的位置更贴近第一轴承32。限位柱52固定于第二关节外壳72上，与消隙单元不干涉。限位柱52与限位法兰51相贴合后，限制限位法兰51的周向旋转，二者组成机械限位单元。限位法兰51的位置贴近第一轴承32，即贴近输出轴31与外壳的转动连接支撑处，挠曲变形更小，定位更精准。

图2中，输出轴31与轴承配合的轴段直径较大，与输出齿轮23和限位法兰51配合的轴段直径较小。输出轴31的两个轴段间形成一个阶梯，在阶梯面上制作螺纹孔，配合轴向均布的螺栓将输出齿轮23和限位法兰51固定在输出轴31上。可以在输出齿轮23上制作沉孔，将螺栓头沉入输出齿轮23。此种固定输出齿轮23和限位法兰51的方式连接牢固，节省空间。

图3结合图1、图2所示，第二关节外壳72两面各包括一个挡边。挡边的外缘尺寸小于第二关节外壳72主体边缘尺寸。第一关节外壳71套在挡边的外侧，第三关节外壳73套在单边的内侧。挡边与第一关节外壳71和第三关节外壳73分别设置有相配的螺纹孔。

外壳内侧适于贴近驱动单元、消隙单元、位置检测和输出单元。电气系统布置在后腔空余位置。构成外壳的各部件自身壁厚均匀，且外壳的外侧依据内部各单元的布置状态自然缩进，减少空间占用。

图3所示，外壳整体为圆柱形。这样设计首先是安装方便，外壳上各构件之间的安装孔可以回转均匀分布。第一关节外壳71和第三关节外壳73安装到第二关节外壳72时，大致对正后，在较小的转动角度内就可以较灵活的安装。同时由于本发明是一种拥有回转自由度的关节，圆柱形的轴线与回转轴线重合，有利于使用。

如图4所示，对本发明的消隙工作原理进行说明。

如图4a所示，上部的齿轮为输出齿轮23，左下方的第一齿轮21传递来的转矩T1与右下方第二齿轮T2传递来的转矩T2大小相等，方向相反。使得第一齿轮21和第二齿轮22的齿分别与输出齿轮23轮齿的异侧齿面啮合。同时输出齿轮23受到张紧力矩而处于静止状态，且不会在齿隙间往复摆动。

如图4b所示，第一伺服电机12作为主电机，第二伺服电机13作为从电机。此时第一齿轮21传递的力矩T1大于第二齿轮22传递的力矩T2，且两力矩方向相反。T1与T2合成一个方向与T1相同，大小等于|T₁|-|T₂|的驱动力矩T，此时输出齿轮23在驱动力矩T的作用下按第一齿轮21的转动方向啮合转动。输出齿轮23转动过程中始终紧密贴合第一齿轮21，不会晃动。

如图4c所示，第二伺服电机13的输出力矩继续减少，第二齿轮22传递的力矩T2降至零。此时第二齿轮22与输出齿轮23脱离接触。输出齿轮23的驱动力矩T等于T1。

如图4d所示，此时T1与T2同向，第一齿轮21的轮齿和第二齿轮22的轮齿与输出齿轮23轮齿的同侧齿面啮合。输出齿轮23的驱动力矩T等于T1加T2。运动过程中双电机同向旋转驱动，能充分利用双电机结构，减少能源消耗。

当需要反向转动时，第一齿轮21依旧保持，先使第二齿轮22回转，达到如图4a的状态。然后以第二伺服电机13作为主电机，第一伺服电机12作为从电机。

本发明还提供一种机械臂。

如图5、图6所示，底座83固定在地面上，其上安装有若干双电机驱动模块化关节。这些关节串联成一个关节链。关节链上，关节的外壳朝向底座83，关节的输出轴31朝向关节链的另一末端。且贴近底座的关节功率越大，相对的体积更大。

关节与关节之间可由平行连杆82连接，由平行连杆82连接的两个关节转动轴线平行。关节之间和还可以由直角连杆81连接，由直角连杆81连接的两个关节转动轴线垂直。

通过增加或减少关节数量，调节本发明提供的机械臂末端的自由度。根据运动空间要求，调整平行连杆82和直角连杆81的选取，或调整沿关节链的装配次序。

如图5所示，六个模块化关节组成一个七自由度机械臂的关节链，关节链内，按顺序使用了一个直角连杆81，一个平行连杆82和三个直角连杆81。

如图6所示，七个模块化关节组成一个七自由度机械臂的关节链，全部使用直角连杆81。

本发明提供的机械臂，运动精度高，成本较低；改装灵活、结构紧凑、中空走线；配套的控制系统简单。

上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双电机驱动模块化关节，其特征在于，其包括：输出轴(31)、输出齿轮(23)、第一齿轮(21)、第二齿轮(22)、第一伺服电机(12)、第二伺服电机(13)、第一电机编码器(41)、第二电机编码器(42)、零位检测模块(43)、第一驱动器(61)、第二驱动器(62)和外壳(71、72、73、74)；

所述输出轴(31)与所述外壳(71、72、73、74)转动连接，与所述输出齿轮(23)固连；

所述输出轴(31)包括沿轴向延伸的通孔，所述外壳(71、72、73、74)包括与所述轴向延伸的通孔相对应的穿孔，所述轴向延伸的通孔和所述穿孔用于安放线路；

所述输出轴(31)还包括径向的通道，所述径向的通道与零位检测模块(43)配合确定所述输出轴(31)的零位；

所述第一齿轮(21)、第二齿轮(22)均与所述输出齿轮(23)啮合，且所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)互不干涉；

所述第一伺服电机(12)驱动所述第一齿轮(21)转动，所述第一伺服电机(12)还连接所述第一电机编码器(41)；所述第一驱动器(61)与所述第一伺服电机(12)电连接；

所述第二伺服电机(13)驱动所述第二齿轮(22)转动，所述第二伺服电机(13)还连接所述第二电机编码器(42)；所述第二驱动器(62)与所述第二伺服电机(13)电连接。

2.如权利要求1所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述外壳包括第二关节外壳(72)，所述第二关节外壳(72)将所述外壳内部分割为前腔和后腔，所述前腔和后腔之间密闭；

所述输出轴(31)与所述第二关节外壳(72)密闭连接，所述输出轴(31)在后腔的轴段上包括所述径向通道；

所述第一齿轮(21)、第二齿轮(22)和输出齿轮(23)位于前腔；所述第一伺服电机(12)、第二伺服电机(13)、第一电机编码器(41)、第二电机编码器(42)、第一驱动器(61)、第二驱动器(62)和零位检测模块(43)位于所述后腔。

3.如权利要求2所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述外壳还包括第一关节外壳(71)、第三关节外壳(73)和端盖(74)；

所述第二关节外壳(72)、第三关节外壳(73)和端盖(74)构成了密闭的前腔；

所述第一关节外壳(71)包括所述穿孔。

4.如权利要求1所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述第一齿轮(21)通过第一减速器(11)与第一伺服电机(12)连接；所述第二齿轮(22)通过第二减速器(14)与第二伺服电机(13)连接。

5.如权利要求4所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述第一减速器(11)和/或第二减速器(14)为行星减速器。

6.如权利要求1所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述第一齿轮(21)、第二齿轮(22)和输出齿轮(23)为直齿轮。

7.如权利要求1所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述零件检测模块(43)包括对称设置的红外光源和光敏接收器，所述红外光源和光敏接收器位于所述输出轴(31)两侧；

当所述径向通道平行于所述零件检测模块(43)时，所述红外光源发射的光线通过所述径向通道照射到所述光敏接收器。

8.如权利要求1所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：还包括限位法兰(51)和限位柱(52)；

所述限位法兰(51)与所述输出轴(31)固连，所述限位柱(52)与所述外壳(71、72、73、74)固连，所述限位柱(52)限制限位法兰(51)和输出轴(31)的周向转动位置。

9.如权利要求1至8任一所述的双电机驱动模块化关节，其特征在于：所述第一齿轮(21)、输出齿轮(23)与第二齿轮(22)三者的轴线位于同一平面。

10.一种机械臂，其特征在于，包括：若干如权利要求1至9任一所述的双电机驱动模块化关节。