CN109382815A - 一种工业用智能模块化机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工业用智能模块化机械臂，包括固定底座、模块化关节、模块化关节连接件、手爪连接件和机械手爪；所述N个模块化关节与N‑1个模块化关节连接件组成一个模块化机械臂，所述模块化机械臂安装在固定底座的侧面；所述机械手爪安装在模块化机械臂的末端。该工业用智能模块化机械臂为冗余机构，自由度较高，可操作性强，在避障与路径规划方面具有很好的应用性，并且解决了外部走线易缠线等问题，外形美观，同时该工业用智能模块化机械臂模块化程度高，可实现任意零件的替换与连接，通用性强，有效的降低了维修与运营成本。

Description

一种工业用智能模块化机械臂

技术领域

本发明涉及工业机械臂技术领域，具体来说是一种工业用智能模块化机械臂。

背景技术

机械臂是一种仿人类手臂功能的可执行设备，具有与人交互，协调控制，环境感知等功能，可帮助及代替人们在危险环境下作业。随着机械臂在工业领域的迅猛发展，机械臂正逐步成为工业领域不可或缺的重要设备，但单一的机械臂所实现的功能非常有限，无法满足复杂的作业环境。伴随着机械双臂的兴起，扩大了机械臂的使用范围，使得机械臂在与人交互及其作业方面更加协调与便捷。但目前市场上的机械双臂多为一体化设备，模块化程度不高，往往某个模块的损坏影响到整个机械臂的使用，从而造成运行成本提高，使用寿命降低，而且市场上的机械双臂多以定制为主，种类繁多，造价太高，从而造成维修困难等问题。不仅如此，与之相连的传统机械手爪大都采用抓取的方式，效率低而且对于无规则或较重的物体难以进行抓取，通用性差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种工业用智能模块化机械臂。该工业用智能模块化机械臂为冗余机构，自由度较高，可操作性强，在避障与路径规划方面具有很好的应用性，并且解决了外部走线易缠线等问题，外形美观，同时该工业用智能模块化机械臂模块化程度高，可实现任意零件的替换与连接，通用性强，有效的降低了维修与运营成本。且所设计的机械手爪，不仅能够完成抓取工作，更能针对无规则或较重的物体采用拖取或勾取的工作。

为了实现上述发明目的，采用技术方案为：一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，包括固定底座、模块化关节、模块化关节连接件、手爪连接件和机械手爪；所述N个模块化关节与N-1个模块化关节连接件组成一个模块化机械臂(N为大于1的整数)，所述模块化机械臂安装在固定底座的侧面；所述机械手爪安装在模块化机械臂的末端；

所述固定底座两侧设有统一化连接接口，接口为凹槽式，上面设置有若干个连接孔，从而与模块化关节连接时实现模块化关节的轴向与周向定位；所述固定底座采用筋板连接结构，中间采用镂空结构，底部和两侧均设有中空管道，用来进行走线；

所述模块化关节包括左端端盖、右端端盖、外壳、关节驱动器、增量式编码器、绝对值编码器、制动器、谐波减速器、中空无框力矩电机、电机传动轴和输出法兰；所述增量式编码器包括增量式编码器电刷、增量式编码器码盘；所述谐波减速器包括谐波减速器柔轮、谐波减速器刚轮与波发生器；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子与绝对值编码器转子；所述制动器包括推移式电磁铁与制动盘；所述中空无框力矩电机包括电机定子、电机转子与霍尔传感器；所述外壳包括左端外壳与右端外壳；所述左端端盖、左端外壳、关节驱动器、增量式码器、中空无框力矩电机、制动器与电机传动轴组成输入端空间；所述谐波减速器、右端端盖、绝对值编码器、右端外壳与输出法兰组成输出端空间，所述外壳内具有壳内凸起；所述模块化关节内关节驱动器所在方位为左，谐波减速器所在方位为右；所述电机传动轴包括三级阶梯轴，从左往右依次为第一阶梯轴、第二阶梯轴和第三阶梯轴；所述输出法兰包括二级阶梯轴，从左往右依次为第四阶梯轴和第五阶梯轴；

所述左端外壳上设有第一固定连接板与第一活动连接板，所述右端外壳上设有第二固定连接板和第二活动连接板，所述第一固定连接板、第二固定连接板通过螺钉安装在壳内凸起上；所述第一活动连接板、第二活动连接板和第二固定连接板是镂空的，可以减轻关节重量且能够进行内部走线；所述关节驱动器通过螺钉安装于第一活动连接板上的凹槽内；所述推移式电磁铁通过直角支撑架安装在第一活动连接板上，在通电时推移式电磁铁的铜柱处于缩回状态，在断电的情况下，推移式电磁铁的铜柱处于伸出状态，形成机械限位，从而达到制动效果；所述制动盘通过螺钉安装在第一阶梯轴上；所述电机传动轴左端通过滚动轴承支撑，滚动轴承安装在第二阶梯轴上，通过第一固定连接板与第二阶梯轴进行轴向与周向定位；所述增量式编码器的码盘通过顶丝安装在第一阶梯轴上，所述增量式编码器的电刷通过螺钉安装在第一固定连接板上；

所述中空无框力矩电机位于输入端空间，中空无框力矩电机通过第一固定连接板以及第三阶梯轴固定，所述电机定子位于电机转子的内部，所述霍尔传感器安装于电机定子上，所述电机转子卡在第三阶梯轴与第一固定连接板之间；所述电机定子的一侧通过第一固定连接板进行轴向定位；所述谐波减速器刚轮通过螺钉连接在第二固定连接板上，所述谐波减速器柔轮通过螺钉直接与输出法兰相连接，有效的减少了输出间隙；所述右端端盖通过螺钉与输出法兰相连接；所述左端端盖、右端端盖均为阶梯式，与外壳相连时可实现轴向与周向定位；所述左端端盖、右端端盖上设有连接耳板，所述连接耳板为凹槽式，可有效对模块化关节连接件进行轴向与周向定位；所述模块化关节连接件通过连接耳板上的螺钉孔与左端端盖或右端端盖直接相连，提高了传动精度；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子、绝对值编码器转子，绝对值编码器设置在输出法兰上，绝对值编码器定子、绝对值编码器转子之间的距离通过第二活动连接板与输出法兰之间的距离调节；

所述模块化关节连接件整体构型为S型，结构为中空薄壳式，所述模块化关节连接件两端为圆孔型接口，圆孔型接口上均匀设有多个凹槽，凹槽内设有凸起，凸起上设有螺钉孔；

所述机械手爪为两个自由度，机械手爪通过手爪连接件连接在模块化机械臂末端的模块化关节的右端端盖上；所述机械手爪包括手爪支撑架、舵机、舵机支撑架、舵机连接件、蜗轮、蜗杆、步进电机、步进电机固定架、摇杆、摇杆固定架、夹块、力传感器、手爪驱动器以及挡板；所述手爪连接件为圆盘式，上面设有与模块化关节连接件结构相同的凹槽，凹槽内凸起上设有螺钉孔，用于与模块化关节的右端端盖相连，实现轴向与周向固定；所述手爪连接件上还设有螺栓孔，用以连接手爪支撑架；

所述舵机安装在舵机支撑架上，舵机支撑架通过螺栓安装在手爪支撑架上；所述舵机连接件设计为“T”型，下端通过螺栓固定在舵机支撑架上，上端通过螺栓连接到步进电机固定架上，舵机连接件的上表面与中部之间设置有一个上端开口的步进电机盛放器，步进电机设置在步进电机盛放器内，步进电机盛放器的外周设置有散热与走线孔，用以步进电机的散热与走线；步进电机的上端与步进电机固定架连接，步进电机的轴向与周向固定通过舵机连接件上的步进电机盛放器与步进电机固定架来实现；所述步进电机固定架设计为U型，底端设有安装孔及通孔，安装孔用以安装舵机连接件，所述蜗杆与蜗轮安装在步进电机固定架上；蜗杆通过步进电机固定架底端的通孔与步进电机的输出轴连接；手爪驱动器固定在步进电机固定架上，并与舵机、步进电机、力传感器电连接；

所述摇杆共有四个，分两组分别安装在步进电机固定架的两侧，同一组的两个摇杆并列且不接触；每一个摇杆的下端与步进电机固定架铰接，其上端横向两侧设置有安装孔；摇杆固定架为两侧面上均设置有安装孔的“n”型连接片，摇杆固定架开口朝下的安装在同一组的两个摇杆上，且其上的安装孔与两个摇杆上两侧的安装孔位置对齐；两个挡板分别安装在两组摇杆一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架、摇杆紧固在一起；两个夹块分别安装在两组摇杆另一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架、摇杆紧固在一起，其中一个夹块上安装有力传感器；摇杆的下端设置有凹槽，凹槽内部设置有连接孔，两组蜗轮的一端均与蜗杆连接，其另一端分别与两组摇杆下端凹槽内部的连接孔铰接。

所述工业用智能模块化机械臂具体走线方式为：总执行设备输出线缆通过固定底座上的中空管道连接到固定底座两侧的模块化关节内的关节驱动器对应接口上，同时线缆经过模块化关节内部的中心通孔连接到模块化关节连接件内，再经模块化关节连接件连接到下一模块化关节内的关节驱动器，最终通过手爪连接件连接到机械手爪的手爪驱动器上，从而实现模块化机械双臂的串联通信；所述模块化关节内部走线为关节驱动器输出线缆经过第一固定连接板上的镂空孔连接到推移式电磁铁与增量式编码器上，同时经过第一活动连接板上的镂空孔连接到电机定子与霍尔传感器上，再经过第二活动连接板连接到绝对值编码器的SSI信号接口上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明采用模块化思想，所有模块化关节与模块化关节连接件均是相同的，工业用智能模块化机械臂可根据任务与环境而选择不同的组合方式，从而使机械臂具有良好的自适应能力，可大大降低维修成本及运营成本。

2)本发明中的固定底座、模块化关节与模块化关节连接件均采用中空结构，可实现内部走线，防止外部走线易缠绕且影响美观。

3)本发明中的一个模块化机械臂具有七个自由度，机械手爪具有两个自由度，可操作性强，在避障和路径规划方面具有很好的应用性。

4)本发明中机械手爪前端安装有挡板，挡板的工作范围可随着机械手爪的伸张与收缩来进行调整，对于某些易抓取的物体可以采用传统的抓取方式，而对于形状不规则或者较重的物体可采用勾取和拖取的方式，通用性强。

5)本发明中机械手爪采用蜗轮蜗杆进行传动，结构简单、传动效率高而且价格低廉，同时机械手爪前端配备有力传感器，可实现机械手爪的柔性抓取。

6)本发明模块化关节连接件采用流线型外形，端口处设计为多凹槽式，为一体化机构，易制造，且保证了各模块化关节质点在同一条直线上，通过凹槽和螺钉与模块化关节端盖直接相连，能够有效防止产生传动误差，提高传动精度。

7)本发明机械手爪结构中摇杆构型结合步进电机固定架以及摇杆固定架刚好组成两个平行四边形，从而使夹块一直处于竖直方向，保证了夹持功能的稳定性。

8)本发明舵机连接件上设有步进电机盛放器，与步进电机固定架共同实现步进电机的轴向与周向固定，并且步进电机盛放器上还均匀设有散热与走向孔，用于步进电机的散热与走线。

9)本发明中的模块化关节采用双编码器型结构，增量式编码器用于伺服控制系统的速度闭环反馈，绝对值编码器用于伺服控制系统的位置闭环反馈，降低了制造成本。且绝对值编码器的定子与转子之间的距离靠第二活动连接板与输出法兰之间的距离调节。

10)本发明中固定底座整体结构采用筋板结构造型连接，增加了底座的工作强度。

11)本发明中谐波减速器直接与输出法兰相连接，模块化关节与模块化关节连接件直接相连，减少了传动间隙。

12)本发明中的模块化关节内部设有活动连接板，活动连接板均采用均匀分布的扇形镂空结构，减少了模块化关节的重量且能够用来关节内部走线，省去了打内部走线孔。

13)本发明中模块化关节的端盖与输出法兰上均设有连接耳板，方便实现任意自由安装与拆卸，同时连接耳板设计为凹槽式，可有效地对模块化关节连接件进行轴向与周向定位。

14)本发明中模块化关节外壳内壁均匀设有若干个壳内凸起，方便活动连接板的安装与固定，简化内部结构，同时工艺上方便进行加工。

15)本发明中的制动装置采用推移式电磁铁与制动盘相结合的方式，制动盘为自研发，整体结构为栅栏式，栅栏上设有凹槽，可防止制动时产生偏移，与传统制动装置相比较，本发明制动装置体积小、散热快且成本低。

16)本发明中的模块化关节、模块化关节连接件以及机械手爪均采用铝合金材质，不仅强度高，而且重量轻。

附图说明

图1为本发明工业用智能模块化机械臂的整体结构示意图；

图2为本发明工业用智能模块化机械臂的固定底座的立体结构示意图；

图3为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节连接件的立体结构示意图；

图4为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的外部结构示意图；

图5为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的内部结构示意图；

图6为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的1/2剖视结构示意图；

图7为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的左端端盖与右端端盖结构示意图；

图8为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的外壳的内部剖视结构示意图；

图9为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的第一活动连接板的立体结构示意图；

图10为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的第二活动连接板的立体结构示意图；

图11为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的直角支撑架的立体结构示意图；

图12为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的制动盘的立体结构示意图；

图13为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的输出法兰的立体结构示意图；

图14为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节的电机传动轴的立体结构示意图；

图15为本发明工业用智能模块化机械臂的手爪连接件立体结构示意图；

图16为本发明工业用智能模块化机械臂的机械手爪立体结构示意图；

图17为本发明工业用智能模块化机械臂的机械手爪的挡板的立体结构示意图；

图18为本发明工业用智能模块化机械臂的机械手爪的舵机连接件的立体结构示意图；

图19为本发明工业用智能模块化机械臂的机械手爪的摇杆固定架的立体结构示意图；

图20为本发明工业用智能模块化机械臂的机械手爪的摇杆的立体结构示意图；

图21为本发明工业用智能模块化机械臂的两个模块化关节的组装示意图；

图22为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节与固定底座的组装示意图；

图23为本发明工业用智能模块化机械臂的模块化关节、机械手爪及手爪连接件的组装示意图；

图中：1—固定底座；2—模块化关节；3—关节连接件；4—手爪连接件；5—机械手爪； 101—中空管道；102—固定底座螺钉孔；201—连接耳板；202—耳板螺钉孔；203—右端端盖；204—右端外壳；205—左端外壳；206—左端端盖；207—驱动器；208—第一活动连接板；209—直角支撑架；210—推移式电磁铁；211—增量式编码器电刷；212—增量式编码器码盘；213—第二活动连接板；214—谐波减速器；215—电机传动轴；216—中空无框力矩电机；217—第一固定连接板；218—霍尔传感器；219—电机定子；220—电机转子；221—第二固定连接板；222—波发生器；223—谐波减速器柔轮；224—谐波减速器刚轮；225—绝对值编码器转子；226—绝对值编码器定子；227—输出法兰；228—滚动轴承；229—制动盘；230—壳内凸起；231—镂空孔；232—中心通孔；233—第一活动连接板凹槽；234—制动盘固定底座；235—柱体栅栏；301—关节连接件螺钉孔；302—关节连接件凹槽；1501—第一阶梯轴；1502—第二阶梯轴；1503—第三阶梯轴；2701—第四阶梯轴；2702—第五阶梯轴； 401—手爪连接件螺钉孔；402—手爪连接件凹槽；403—手爪支撑架安装孔；501—手爪支撑架；502—舵机支撑架；503—舵机；504—步进电机；505—步进电机固定架；506—蜗轮； 507—摇杆；508—挡板；509—夹块；510—力传感器；511—蜗杆；512—舵机连接件；513 —摇杆固定架；5081—挡板安装孔；5121—散热与走线孔；5122—步进电机盛放器。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明提供一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，包括固定底座、模块化关节、模块化关节连接件、手爪连接件和机械手爪；所述N个模块化关节与N-1个模块化关节连接件组成一个模块化机械臂(N为大于1的整数)，所述模块化机械臂安装在固定底座的侧面；所述机械手爪安装在模块化机械臂的末端；

所述固定底座两侧设有统一化连接接口，接口为凹槽式，上面设置有若干个连接孔，从而与模块化关节连接时实现模块化关节的轴向与周向定位；所述固定底座采用筋板连接结构，中间采用镂空结构，底部和两侧均设有中空管道，用来进行走线；

所述模块化关节包括左端端盖、右端端盖、外壳、关节驱动器、增量式编码器、绝对值编码器、制动器、谐波减速器、中空无框力矩电机、电机传动轴和输出法兰；所述增量式编码器包括增量式编码器电刷、增量式编码器码盘；所述谐波减速器包括谐波减速器柔轮、谐波减速器刚轮与波发生器；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子与绝对值编码器转子；所述制动器包括推移式电磁铁与制动盘；所述中空无框力矩电机包括电机定子、电机转子与霍尔传感器；所述外壳包括左端外壳与右端外壳；所述左端端盖、左端外壳、关节驱动器、增量式码器、中空无框力矩电机、制动器与电机传动轴组成输入端空间；所述谐波减速器、右端端盖、绝对值编码器、右端外壳与输出法兰组成输出端空间，所述外壳内具有壳内凸起；所述模块化关节内关节驱动器所在方位为左，谐波减速器所在方位为右；所述电机传动轴包括三级阶梯轴，从左往右依次为第一阶梯轴、第二阶梯轴和第三阶梯轴；所述输出法兰包括二级阶梯轴，从左往右依次为第四阶梯轴和第五阶梯轴；

所述左端外壳上设有第一固定连接板与第一活动连接板，所述右端外壳上设有第二固定连接板和第二活动连接板，所述第一固定连接板、第二固定连接板通过螺钉安装在壳内凸起上；所述第一活动连接板、第二活动连接板和第二固定连接板是镂空的，可以减轻关节重量且能够进行内部走线；所述关节驱动器通过螺钉安装于第一活动连接板上的凹槽内；所述推移式电磁铁通过直角支撑架安装在第一活动连接板上，在通电时推移式电磁铁的铜柱处于缩回状态，在断电的情况下，推移式电磁铁的铜柱处于伸出状态，形成机械限位，从而达到制动效果；所述制动盘通过螺钉安装在第一阶梯轴上；所述电机传动轴左端通过滚动轴承支撑，滚动轴承安装在第二阶梯轴上，通过第一固定连接板与第二阶梯轴进行轴向与周向定位；所述增量式编码器的码盘通过顶丝安装在第一阶梯轴上，所述增量式编码器的电刷通过螺钉安装在第一固定连接板上；

所述中空无框力矩电机位于输入端空间，中空无框力矩电机通过第一固定连接板以及第三阶梯轴固定，所述电机定子位于电机转子的内部，所述霍尔传感器安装于电机定子上，所述电机转子卡在第三阶梯轴与第一固定连接板之间；所述电机定子的一侧通过第一固定连接板进行轴向定位；所述谐波减速器刚轮通过螺钉连接在第二固定连接板上，所述谐波减速器柔轮通过螺钉直接与输出法兰相连接，有效的减少了输出间隙；所述右端端盖通过螺钉与输出法兰相连接；所述左端端盖、右端端盖均为阶梯式，与外壳相连时可实现轴向与周向定位；所述左端端盖、右端端盖上设有连接耳板，所述连接耳板为凹槽式，可有效对模块化关节连接件进行轴向与周向定位；所述模块化关节连接件通过连接耳板上的螺钉孔与左端端盖或右端端盖直接相连，提高了传动精度；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子、绝对值编码器转子，绝对值编码器设置在输出法兰上，绝对值编码器定子、绝对值编码器转子之间的距离通过第二活动连接板与输出法兰之间的距离调节；

所述模块化关节连接件整体构型为S型，结构为中空薄壳式，所述模块化关节连接件两端为圆孔型接口，圆孔型接口上均匀设有多个凹槽，凹槽内设有凸起，凸起上设有螺钉孔；

所述机械手爪为两个自由度，机械手爪通过手爪连接件连接在模块化机械臂末端的模块化关节的右端端盖上；所述机械手爪包括手爪支撑架、舵机、舵机支撑架、舵机连接件、蜗轮、蜗杆、步进电机、步进电机固定架、摇杆、摇杆固定架、夹块、力传感器、手爪驱动器以及挡板；所述手爪连接件为圆盘式，上面设有与模块化关节连接件结构相同的凹槽，凹槽内凸起上设有螺钉孔，用于与模块化关节的右端端盖相连，实现轴向与周向固定；所述手爪连接件上还设有螺栓孔，用以连接手爪支撑架；

所述舵机安装在舵机支撑架上，舵机支撑架通过螺栓安装在手爪支撑架上；所述舵机连接件设计为“T”型，下端通过螺栓固定在舵机支撑架上，上端通过螺栓连接到步进电机固定架上，舵机连接件的上表面与中部之间设置有一个上端开口的步进电机盛放器，步进电机设置在步进电机盛放器内，步进电机盛放器的外周设置有散热与走线孔，用以步进电机的散热与走线；步进电机的上端与步进电机固定架连接，步进电机的轴向与周向固定通过舵机连接件上的步进电机盛放器与步进电机固定架来实现；所述步进电机固定架设计为U型，底端设有安装孔及通孔，安装孔用以安装舵机连接件，所述蜗杆与蜗轮安装在步进电机固定架上；蜗杆通过步进电机固定架底端的通孔与步进电机的输出轴连接；手爪驱动器固定在步进电机固定架上，并与舵机、步进电机、力传感器电连接；

所述摇杆共有四个，分两组分别安装在步进电机固定架的两侧，同一组的两个摇杆并列且不接触；每一个摇杆的下端与步进电机固定架铰接，其上端横向两侧设置有安装孔；摇杆固定架为两侧面上均设置有安装孔的“n”型连接片，摇杆固定架开口朝下的安装在同一组的两个摇杆上，且其上的安装孔与两个摇杆上两侧的安装孔位置对齐；两个挡板分别安装在两组摇杆一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架、摇杆紧固在一起；两个夹块分别安装在两组摇杆另一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架、摇杆紧固在一起，其中一个夹块上安装有力传感器；摇杆的下端设置有凹槽，凹槽内部设置有连接孔，两组蜗轮的一端均与蜗杆连接，其另一端分别与两组摇杆下端凹槽内部的连接孔铰接。

所述工业用智能模块化机械臂具体走线方式为：总执行设备输出线缆通过固定底座上的中空管道连接到固定底座两侧的模块化关节内的关节驱动器对应接口上，同时线缆经过模块化关节内部的中心通孔连接到模块化关节连接件内，再经模块化关节连接件连接到下一模块化关节内的关节驱动器，最终通过手爪连接件连接到机械手爪的手爪驱动器上，从而实现模块化机械双臂的串联通信；所述模块化关节内部走线为关节驱动器输出线缆经过第一固定连接板上的镂空孔连接到推移式电磁铁与增量式编码器上，同时经过第一活动连接板上的镂空孔连接到电机定子与霍尔传感器上，再经过第二活动连接板连接到绝对值编码器的SSI信号接口上。

实施例

本实施例提供一种工业用智能模块化机械臂，包括一个固定底座1、十四个模块化关节 2、十二个模块化关节连接件3、两个手爪连接件4和两个机械手爪5；所述任意七个模块化关节2与任意六个模块化关节连接件3组成一个模块化机械臂，所述剩下的模块化关节与模块化关节连接件组成另外一个模块化机械臂；所述两个模块化机械臂结构相同，对称的安装在固定底座1的两侧；所述两个机械手爪5分别安装在两个模块化机械臂的末端；

所述固定底座1两侧设有统一化连接接口，接口为凹槽式，上面设置有若干个连接孔，从而与模块化关节2连接时实现模块化关节2的轴向与周向定位；所述固定底座1采用筋板连接结构，中间采用镂空结构，底部和两侧均设有中空管道101，用来进行走线，既方便了走线又减轻了整体的重量。

所述模块化关节2包括左端端盖206、右端端盖203、外壳、关节驱动器207、增量式编码器、绝对值编码器、制动器、谐波减速器214、中空无框力矩电机216、电机传动轴215 和输出法兰227；所述增量式编码器包括增量式编码器电刷211、增量式编码器码盘212；所述谐波减速器214包括谐波减速器柔轮223、谐波减速器刚轮224与波发生器222；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子226与绝对值编码器转子225；所述制动器包括推移式电磁铁210与制动盘229；所述中空无框力矩电机包括电机定子219、电机转子220与霍尔传感器218；

所述外壳包括左端外壳205与右端外壳204；所述左端端盖206、左端外壳205、关节驱动器207、增量式码器、中空无框力矩电机216、制动器与电机传动轴215组成输入端空间；

所述谐波减速器214、右端端盖203、绝对值编码器、右端外壳204与输出法兰227组成输出端空间，所述外壳内具有壳内凸起230；所述模块化关节2内关节驱动器207所在方位为左，谐波减速器214所在方位为右；

所述电机传动轴215包括三级阶梯轴，从左往右依次为第一阶梯轴1501、第二阶梯轴 1502和第三阶梯轴1503(参考图6中所示方位)；所述输出法兰227包括二级阶梯轴，从左往右依次为第四阶梯轴2701和第五阶梯轴2702；

所述左端外壳205上设有第一固定连接板217与第一活动连接板208，所述右端外壳上设有第二固定连接板221和第二活动连接板213，所述第一固定连接板217、第二固定连接板221通过螺钉安装在壳内凸起230上；所述第一活动连接板208、第二活动连接板213和第二固定连接板221是镂空的，可以减轻关节重量且能够进行内部走线；所述关节驱动器207通过螺钉安装于第一活动连接板208上的凹槽233内；所述推移式电磁铁210通过直角支撑架209安装在第一活动连接板208上，在通电时推移式电磁铁210的铜柱处于缩回状态，在断电的情况下，推移式电磁铁210的铜柱处于伸出状态，形成机械限位，从而达到制动效果；所述制动盘229通过螺钉安装在第一阶梯轴1501上；所述电机传动轴215左端通过滚动轴承228支撑，滚动轴承安装在第二阶梯轴1502上，通过第一固定连接板217与第二阶梯轴1502进行轴向与周向定位；所述增量式编码器的码盘212通过顶丝安装在第一阶梯轴 1501上，所述增量式编码器的电刷211通过螺钉安装在第一固定连接板217上；

所述中空无框力矩电机216位于输入端空间，中空无框力矩电机216通过第一固定连接板217以及第三阶梯轴1503固定，所述电机定子219位于电机转子220的内部，所述霍尔传感器218安装于电机定子219上，所述电机转子220卡在第三阶梯轴1503与第一固定连接板217之间；所述电机定子219的一侧通过第一固定连接板217进行轴向定位；

所述谐波减速器刚轮224通过螺钉连接在第二固定连接板221上，所述谐波减速器柔轮 223通过螺钉直接与输出法兰227相连接，有效的减少了输出间隙；所述右端端盖203通过螺钉与输出法兰227相连接；

所述左端端盖206、右端端盖203均为阶梯式，与外壳相连时可实现轴向与周向定位；所述左端端盖206、右端端盖203上设有连接耳板201，所述连接耳板201为凹槽式，可有效对模块化关节连接件3进行轴向与周向定位；所述模块化关节连接件3通过连接耳板201上的螺钉孔202与左端端盖206或右端端盖203直接相连，提高了传动精度；

所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子226、绝对值编码器转子225，绝对值编码器设置在输出法兰227上，绝对值编码器定子226、绝对值编码器转子225之间的距离通过第二活动连接板213与输出法兰227之间的距离调节。

所述制动盘229为栅栏式结构，所述制动盘229包括固定基座234和六个相同结构的柱体栅栏235，柱体栅栏235能够有效且稳定实现阻挡作用；六个柱体栅栏235以固定基座234 为中心均匀分布在六个侧面上，每个柱形栅栏235的末端两侧对称设置有凹槽；所述固定基座234为底端封盖的圆筒型，固定基座234底端通过顶丝安装在电机传动轴215的左端；在制动时，推移式电磁铁210的铜柱恰好能卡在柱形栅栏235的末端凹槽内，防止推移式电磁铁210的铜柱末端相对于柱形栅栏235发生径向滑移而导致制动失效；

所述模块化关节连接件3整体构型为S型，结构为中空薄壳式，所述模块化关节连接件 3两端为圆孔型接口，圆孔型接口上均匀设有多个凹槽302，凹槽内设有凸起，凸起上设有螺钉孔301，整体材料采用铝合金，质量轻；

所述机械手爪5为两个自由度，两个机械手爪5通过手爪连接件4分别连接在两个模块化机械臂末端的模块化关节2的右端端盖203上；所述机械手爪5包括手爪支撑架501、舵机503、舵机支撑架502、舵机连接件512、蜗轮506、蜗杆511、步进电机504、步进电机固定架505、摇杆507、摇杆固定架513、夹块509、力传感器510、手爪驱动器以及挡板508；所述手爪连接件4为圆盘式，上面设有与模块化关节连接件3结构相同的凹槽402，凹槽内凸起上设有螺钉孔401，用于与模块化关节2的右端端盖203相连，实现轴向与周向固定。所述手爪连接件4上还设有螺栓孔403，用以连接手爪支撑架501；

所述舵机503安装在舵机支撑架502上，舵机支撑架502通过螺栓安装在手爪支撑架 501上；所述舵机连接件512设计为“T”型，下端通过螺栓固定在舵机支撑架502上，上端通过螺栓连接到步进电机固定架505上，舵机连接件512的上表面与中部之间设置有一个上端开口的步进电机盛放器5122，步进电机504设置在步进电机盛放器5122内，步进电机盛放器5122的外周设置有散热与走线孔5121，用以步进电机512的散热与走线；步进电机 504的上端与步进电机固定架505连接，步进电机504的轴向与周向固定通过舵机连接件512 上的步进电机盛放器5122与步进电机固定架505来实现；安装时首先将步进电机504放到舵机连接件512上的步进电机盛放器5122内，然后通过螺栓将舵机连接件512与步进电机固定架505相连接，从而实现了步进电机512的轴向与周向固定；

所述步进电机固定架505设计为U型，底端设有安装孔及通孔，安装孔用以安装舵机连接件512，所述蜗杆511与蜗轮506安装在步进电机固定架505上；蜗杆511通过步进电机固定架505底端的通孔与步进电机512的输出轴连接；手爪驱动器固定在步进电机固定架505上，并与舵机503、步进电机504、力传感器510电连接。

所述摇杆507共有四个，分两组分别安装在步进电机固定架505的两侧，同一组的两个摇杆507并列且不接触；每一个摇杆507的下端与步进电机固定架505铰接，其上端横向两侧设置有安装孔；摇杆固定架513为两侧面上均设置有安装孔的“n”型连接片，摇杆固定架513开口朝下的安装在同一组的两个摇杆507上，且其上的安装孔与两个摇杆507上两侧的安装孔位置对齐；两个挡板508分别安装在两组摇杆507一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架513、摇杆507紧固在一起。两个夹块509分别安装在两组摇杆507另一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架513、摇杆507紧固在一起，其中一个夹块509上安装有力传感器510。摇杆507的下端设置有凹槽，凹槽内部设置有连接孔，两组蜗轮506的一端均与蜗杆511连接，其另一端分别与两组摇杆507下端凹槽内部的连接孔铰接。

所述摇杆构型结合步进电机固定架505以及摇杆固定架513刚好组成两个平行四边形，从而使夹块509一直处于竖直方向，保证了夹持功能的稳定性；所述夹块509上安装有力传感器510，从而保证了机械手爪的柔性抓取。

所述模块化关节、模块化关节连接件以及机械手爪均采用铝合金材质。

所述工业用智能模块化机械臂具体走线方式为：总执行设备输出线缆通过固定底座上的中空管道101分成两路分别连接到固定底座1两侧的模块化关节2内的关节驱动器207对应接口上，同时线缆经过模块化关节2内部的中心通孔232连接到模块化关节连接件3内，再经模块化关节连接件3连接到下一模块化关节2内的关节驱动器207，最终通过手爪连接件 4连接到机械手爪5的手爪驱动器上，从而实现模块化机械双臂的串联通信；所述模块化关节2内部走线为关节驱动器207输出线缆经过第一固定连接板217上的镂空孔231连接到推移式电磁铁210与增量式编码器上，同时经过第一活动连接板208上的镂空孔231连接到电机定子219与霍尔传感器218上，再经过第二活动连接板213连接到绝对值编码器的SSI信号接口上。

所述一个模块化机械臂可以为多个自由度，灵活度高，可操作性强；所述各模块化关节结构相同，所述各模块化关节连接件结构相同，可实现工件之间任意的替换与连接。

所述工业用智能模块化机械臂的工作原理是：由外部总执行设备通过中空管道101连接到每一个模块化关节2内部的关节驱动器207上，关节驱动器207连接增量式编码器，增量式编码器用来进行速度闭环反馈，作用是将中空无框力矩电机216所产生的速度参数反馈给关节驱动器207，关节驱动器207反馈给电脑，从而在电脑上进行显示与控制；同时关节驱动器207通过第一活动连接板208、第二活动连接板213、第一固定连接板217和第二固定连接板221上的镂空孔231连接到绝对值编码器上，绝对值编码器用来进行位置闭环反馈，作用是将输出法兰227所达到的输出位置反馈给关节驱动器207，关节驱动器207反馈给电脑，从而在电脑上进行显示与控制；同时关节驱动器207连接中空无框力矩电机216，控制中空无框力矩电机216工作。中空无框力矩电机216连接谐波减速器214，谐波减速器214 用于中空无框力矩电机216的减速，谐波减速器214连接并控制输出法兰227，输出法兰227 通过模块化关节连接件3连接到下一个模块化关节2，最终传输信号给机械手爪5上的手爪驱动器，控制舵机503以及步进电机504，完成指定的工作内容，从而指挥双臂的协调工作。

具体工作过程如下：外部总执行设备通过USB-CAN模块经过固定底座上1的中空管道 101、每个模块化关节连接件3与模块化关节2上的中心通孔232连接到每一个模块化关节 2与机械手爪5的驱动器上，从而外部总执行设备通过CANOpen通讯协议发出指令，每一个模块化关节2与机械手爪5中的驱动器接受指令，驱动器由48V直流电压进行供电，进而控制中空无框力矩电机216与机械手爪5协调进行工作，中空无框力矩电机216通过电机传动轴215连接到谐波减速器214上，谐波减速器214可以起到增大输出扭矩以及高减速比减速的作用，谐波减速器214连接并控制下一个模块化关节连接件3，模块化关节连接件3 连接下一个模块化关节2，最终将输出信号传给机械手爪5上的手爪驱动器，控制舵机503 以及步进电机504，完成指定工作。

增量式编码器所需电流与电压通过关节驱动器207提供，增量式编码器主要用于伺服控制系统的速度闭环反馈，能够将中空无框力矩电机216所产生的实时速度参数反馈给关节驱动器207，关节驱动器207将速度数据上传给总执行设备，从而在总执行设备上显示中空无框力矩电机216的运动情况，进而进行判断，并做出决策，运用PID控制原理，对中空无框力矩电机216运动情况进行实时控制，从而提高了速度精度。

绝对值编码器所需电流与电压通过关节驱动器207提供，绝对值编码器主要用于伺服控制系统的位置闭环反馈，能够将输出法兰227所达到的输出角度位置参数反馈给关节驱动器 207，关节驱动器207将位置数据上传给总执行设备，从而在总执行设备上显示输出法兰227 即负载端的位置情况，进而进行判断，并做出决策，对输出法兰227的位置情况进行控制，从而提高了位置精度。

利用绝对值编码器和增量式编码器相互配合，通过这样的位置布置以及根据中空无框力矩电机216的电流变化情况，可以对机械臂末端所输出的情况进行及时的感知以及反馈，这样的组合能够在一定程度上代替力矩传感器的作用，实现机械臂末端力的感知，使得机械臂能够进行力、位混合控制。

所述工业用智能模块化机械臂的模块化关节2为驱控一体化关节，并且每一个模块化关节2具有同样的机械连接接口，能够实现模块化机械臂的任意组合，此关节中同时配有驱动装置与控制装置,其中驱动装置主要包括中空无框力矩电机216，控制装置主要为关节驱动器 207；所述模块化关节连接件3具有相同的机械连接接口；所述机械手爪5具有抓取、拖取以及勾取功能；所述工业用智能模块化机械臂可根据不同作业环境自行搭配，突破了环境以及机械臂结构对机械臂的限制，很大程度上提高了机械臂的通用性，降低了机械臂的使用成本，推动了机器人事业的发展。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，包括固定底座、模块化关节、模块化关节连接件、手爪连接件和机械手爪；所述N个模块化关节与N-1个模块化关节连接件组成一个模块化机械臂，所述模块化机械臂安装在固定底座的侧面；所述机械手爪安装在模块化机械臂的末端；

所述固定底座两侧设有统一化连接接口，接口为凹槽式，上面设置有若干个连接孔，从而与模块化关节连接时实现模块化关节的轴向与周向定位；所述固定底座采用筋板连接结构，中间采用镂空结构，底部和两侧均设有中空管道，用来进行走线；

所述模块化关节包括左端端盖、右端端盖、外壳、关节驱动器、增量式编码器、绝对值编码器、制动器、谐波减速器、中空无框力矩电机、电机传动轴和输出法兰；所述增量式编码器包括增量式编码器电刷、增量式编码器码盘；所述谐波减速器包括谐波减速器柔轮、谐波减速器刚轮与波发生器；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子与绝对值编码器转子；所述制动器包括推移式电磁铁与制动盘；所述中空无框力矩电机包括电机定子、电机转子与霍尔传感器；所述外壳包括左端外壳与右端外壳；所述左端端盖、左端外壳、关节驱动器、增量式码器、中空无框力矩电机、制动器与电机传动轴组成输入端空间；所述谐波减速器、右端端盖、绝对值编码器、右端外壳与输出法兰组成输出端空间，所述外壳内具有壳内凸起；所述模块化关节内关节驱动器所在方位为左，谐波减速器所在方位为右；所述电机传动轴包括三级阶梯轴，从左往右依次为第一阶梯轴、第二阶梯轴和第三阶梯轴；所述输出法兰包括二级阶梯轴，从左往右依次为第四阶梯轴和第五阶梯轴；

所述左端外壳上设有第一固定连接板与第一活动连接板，所述右端外壳上设有第二固定连接板和第二活动连接板，所述第一固定连接板、第二固定连接板通过螺钉安装在壳内凸起上；所述第一活动连接板、第二活动连接板和第二固定连接板是镂空的，可以减轻关节重量且能够进行内部走线；所述关节驱动器通过螺钉安装于第一活动连接板上的凹槽内；所述推移式电磁铁通过直角支撑架安装在第一活动连接板上，在通电时推移式电磁铁的铜柱处于缩回状态，在断电的情况下，推移式电磁铁的铜柱处于伸出状态，形成机械限位，从而达到制动效果；所述制动盘通过螺钉安装在第一阶梯轴上；所述电机传动轴左端通过滚动轴承支撑，滚动轴承安装在第二阶梯轴上，通过第一固定连接板与第二阶梯轴进行轴向与周向定位；所述增量式编码器的码盘通过顶丝安装在第一阶梯轴上，所述增量式编码器的电刷通过螺钉安装在第一固定连接板上；

所述中空无框力矩电机位于输入端空间，中空无框力矩电机通过第一固定连接板以及第三阶梯轴固定，所述电机定子位于电机转子的内部，所述霍尔传感器安装于电机定子上，所述电机转子卡在第三阶梯轴与第一固定连接板之间；所述电机定子的一侧通过第一固定连接板进行轴向定位；所述谐波减速器刚轮通过螺钉连接在第二固定连接板上，所述谐波减速器柔轮通过螺钉直接与输出法兰相连接，有效的减少了输出间隙；所述右端端盖通过螺钉与输出法兰相连接；所述左端端盖、右端端盖均为阶梯式，与外壳相连时可实现轴向与周向定位；所述左端端盖、右端端盖上设有连接耳板，所述连接耳板为凹槽式，可有效对模块化关节连接件进行轴向与周向定位；所述模块化关节连接件通过连接耳板上的螺钉孔与左端端盖或右端端盖直接相连，提高了传动精度；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子、绝对值编码器转子，绝对值编码器设置在输出法兰上，绝对值编码器定子、绝对值编码器转子之间的距离通过第二活动连接板与输出法兰之间的距离调节；

所述模块化关节连接件整体构型为S型，结构为中空薄壳式，所述模块化关节连接件两端为圆孔型接口，圆孔型接口上均匀设有多个凹槽，凹槽内设有凸起，凸起上设有螺钉孔；

所述机械手爪为两个自由度，机械手爪通过手爪连接件连接在模块化机械臂末端的模块化关节的右端端盖上；所述机械手爪包括手爪支撑架、舵机、舵机支撑架、舵机连接件、蜗轮、蜗杆、步进电机、步进电机固定架、摇杆、摇杆固定架、夹块、力传感器、手爪驱动器以及挡板；所述手爪连接件为圆盘式，上面设有与模块化关节连接件结构相同的凹槽，凹槽内凸起上设有螺钉孔，用于与模块化关节的右端端盖相连，实现轴向与周向固定；所述手爪连接件上还设有螺栓孔，用以连接手爪支撑架；

所述舵机安装在舵机支撑架上，舵机支撑架通过螺栓安装在手爪支撑架上；所述舵机连接件设计为“T”型，下端通过螺栓固定在舵机支撑架上，上端通过螺栓连接到步进电机固定架上，舵机连接件的上表面与中部之间设置有一个上端开口的步进电机盛放器，步进电机设置在步进电机盛放器内，步进电机盛放器的外周设置有散热与走线孔，用以步进电机的散热与走线；步进电机的上端与步进电机固定架连接，步进电机的轴向与周向固定通过舵机连接件上的步进电机盛放器与步进电机固定架来实现；所述步进电机固定架设计为U型，底端设有安装孔及通孔，安装孔用以安装舵机连接件，所述蜗杆与蜗轮安装在步进电机固定架上；蜗杆通过步进电机固定架底端的通孔与步进电机的输出轴连接；手爪驱动器固定在步进电机固定架上，并与舵机、步进电机、力传感器电连接；

所述摇杆共有四个，分两组分别安装在步进电机固定架的两侧，同一组的两个摇杆并列且不接触；每一个摇杆的下端与步进电机固定架铰接，其上端横向两侧设置有安装孔；摇杆固定架为两侧面上均设置有安装孔的“n”型连接片，摇杆固定架开口朝下的安装在同一组的两个摇杆上，且其上的安装孔与两个摇杆上两侧的安装孔位置对齐；两个挡板分别安装在两组摇杆一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架、摇杆紧固在一起；两个夹块分别安装在两组摇杆另一面的同一侧，通过螺钉依次与摇杆固定架、摇杆紧固在一起，其中一个夹块上安装有力传感器；摇杆的下端设置有凹槽，凹槽内部设置有连接孔，两组蜗轮的一端均与蜗杆连接，其另一端分别与两组摇杆下端凹槽内部的连接孔铰接。

2.根据权利要求1所述的一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，所述工业用智能模块化机械臂具体走线方式为：总执行设备输出线缆通过固定底座上的中空管道连接到固定底座两侧的模块化关节内的关节驱动器对应接口上，同时线缆经过模块化关节内部的中心通孔连接到模块化关节连接件内，再经模块化关节连接件连接到下一模块化关节内的关节驱动器，最终通过手爪连接件连接到机械手爪的手爪驱动器上，从而实现模块化机械双臂的串联通信；所述模块化关节内部走线为关节驱动器输出线缆经过第一固定连接板上的镂空孔连接到推移式电磁铁与增量式编码器上，同时经过第一活动连接板上的镂空孔连接到电机定子与霍尔传感器上，再经过第二活动连接板连接到绝对值编码器的SSI信号接口上。

3.根据权利要求1所述的一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，包括一个固定底座、十四个模块化关节、十二个模块化关节连接件、两个手爪连接件和两个机械手爪；所述任意七个模块化关节与任意六个模块化关节连接件组成一个模块化机械臂，所述剩下的模块化关节与模块化关节连接件组成另外一个模块化机械臂；所述两个模块化机械臂结构相同，对称的安装在固定底座的两侧；所述两个机械手爪分别安装在两个模块化机械臂的末端。

4.根据权利要求1所述的一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，所述制动盘为栅栏式结构，所述制动盘包括固定基座和六个相同结构的柱体栅栏，柱体栅栏能够有效且稳定实现阻挡作用；六个柱体栅栏以固定基座为中心均匀分布在六个侧面上，每个柱形栅栏的末端两侧对称设置有凹槽；所述固定基座为底端封盖的圆筒型，固定基座底端通过顶丝安装在电机传动轴的左端；在制动时，推移式电磁铁的铜柱恰好能卡在柱形栅栏的末端凹槽内，防止推移式电磁铁的铜柱末端相对于柱形栅栏发生径向滑移而导致制动失效。

5.根据权利要求1或2任一项所述的一种工业用智能模块化机械臂，其特征在于，所述模块化关节、模块化关节连接件以及机械手爪均采用铝合金材质。