CN109551513B - 一种多功能高度集成模块化机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能高度集成模块化机器人关节，包括电机驱动机构、减速器机构和关节输出机构，电机驱动机构包括电机、电机固定法兰、与电机法兰固定连接的关节外壳、控制器以及固定连接在电机输出轴上的夹紧轴套，在电机内部设有霍尔传感器和光电编码器；减速器机构采用谐波减速器；关节输出机构包括力矩传感器、输出法兰、十字交叉滚子轴承、两轴承定位环、薄壁深沟球轴承、薄壁深沟球轴承固定环、输出外壳以及输出内端盖。本发明设计合理，实现了采用一个编码器进行关节位置采集，减速器及力矩传感器结构设计灵活，方便拆卸与安装，具有结构紧凑、体积小、集成度高、制造成本低等特点。

Description

一种多功能高度集成模块化机器人关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其是一种多功能高度集成模块化机器人关节。

背景技术

模块化机器人凭借其特有的可重构和便于维修等优点正逐步成为人们的研究热点。机器人的模块化就是将机器人的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，再将这个子系统作为通用性的模块与其他子系统进行组合，构成一个完整的机器人，甚至产生多种不同功能或相同功能、不同性能的机器人。

用于科研和教学的桌面化小型机器人需要整机设计的尺寸小巧精致，而关节尺寸的大小是影响机器人整机尺寸的关键因素，但是目前已商业化的机械臂产品，模块化关节需要两个编码器，导致模块化关节的成本高、重量大，结构复杂，无法满足桌面化小型机器人的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种结构简单、集成度高、体积小且易于控制的多功能高度集成模块化机器人关节,解决现有技术中采用两个编码器导致模块化关节结构复杂、成本高的技术问题，从而满足结构简单合理、尺寸更紧凑、维护方便、成本更低的桌面化小型机器人模块化关节的需求。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种多功能高度集成模块化机器人关节，包括沿电机的轴向方向依次设置的电机驱动机构、减速器机构和关节输出机构，其中，

所述电机驱动机构包括电机、电机固定法兰、与电机法兰固定连接的关节外壳、控制器以及固定连接在电机输出轴上的夹紧轴套，在电机内部设有霍尔传感器和光电编码器；

所述减速器机构采用谐波减速器，该谐波减速器包括套装在电机输出轴上的谐波发生器、套装在谐波发生器外部的柔轮以及与柔轮啮合的刚轮；

所述关节输出机构包括与柔轮固定连接的力矩传感器、同心固定连接在力矩传感器上的输出法兰、套装在刚轮上的十字交叉滚子轴承、固定连接在刚轮上的两轴承定位环、套装在两轴承定位环上的薄壁深沟球轴承、固定连接在两轴承定位环上的薄壁深沟球轴承固定环、与输出法兰固定连接的输出外壳以及与输出外壳固定连接的输出内端盖；

所述控制器与力矩传感器、光电编码器及电机相连接，控制器分别采集力矩传感器、光电编码器扭矩信号和角度信号并对电机进行控制。

进一步，所述夹紧轴套一端为中空结构并套装在谐波发生器上，该夹紧轴套的另一端套装固定在电机输出轴上并且由螺栓夹紧固定。

进一步，所述谐波减速器的减速为50、80、100或150。

进一步，关节输出机构的具体连接关系为：所述力矩传感器通过螺纹连接固定在谐波减速器柔轮上，所述输出法兰通过螺纹连接固定在力矩传感器上，所述两轴承定位环通过刚轮定位并通过螺纹连接固定在刚轮上；所述薄壁深沟球轴承的内环紧固套装在两轴承定位环上，薄壁深沟球轴承的外环与输出法兰一起转动；所述薄壁深沟球轴承固定环通过螺纹连接固定在两轴承定位环上并实现对薄壁深沟球轴承内环的固定；所述十字交叉滚子轴承内环紧固套装在刚轮上，通过电机固定法兰和两轴承定位环实现定位；所述输出外壳通过螺纹连接固定在输出法兰上，与薄壁深沟球轴承外环和十字交叉滚子轴承外环接触并实现一起转动；所述输出内端盖通过螺纹连接固定在输出外壳上并与十字交叉滚子轴承外环接触。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明只在电机上安装编码器进行电机旋转角度的采集，采用力矩传感器代替安装在减速器输出端上的编码器，通过力矩传感器采集谐波减速器的扭矩，控制器能够接收力矩传感器的扭矩信号以及编码器的角度信号，为实现关节位置的计算提供硬件基础。

2、本发明在电机内部集成霍尔传感器和光电编码器，并且为非中空电机，采用外部走线形式，减小电机的体积。

3、本发明可以根据不同减速比的需求直接更换谐波减速器，谐波减速器的外形尺寸体积相同。当谐波减速器的减速比分别是50、80、100和150时，可根据具体应用需求输出不同大小力矩。

4、本发明将十字交叉滚子轴承压紧固定在刚轮上，十字交叉滚子轴承可以承受径向和轴向力，当本发明受到外力时，可以通过十字交叉滚子轴承将外力传递给输出外壳和输出内端盖上，实现对外力的卸载，使力矩传感器受外力影响减小，保证数值采集更加精确。

5、本发明采用模块化设计原则和可拆卸连接，所有部件的拆装灵活，安装法兰的布置合理，可快速配置成多轴机器人，且具较高的成本控制优势。

6、本发明通过控制器采集力矩传感器、光电编码器扭矩信号和角度信号对电机进行控制，并且具有硬件或软件具有开放性，可应用于科学研究和教学的桌面化小型机器人，方便机器人技术开发人员的技术交流及二次开发。

7、本发明设计合理，具有结构紧凑、体积小、集成度高、制造成本低等特点，能够实现机器人所需要的关节多个自由度运动，方便拆卸与安装，减速器及力矩传感器结构设计灵活，以满足不同使用要求。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的主视剖面图；

图4是采用本发明的多关节装配示意图；

图中：1-关节外壳；2-电机；21-霍尔传感器；22-光电编码器；3-电机固定法兰；4-谐波减速器；41-谐波发生器；42-柔轮；43-刚轮；5-两轴承定位环；6-薄壁深沟球轴承固定环；7-输出法兰；8-力矩传感器；9-薄壁深沟球轴承；10-输出外壳；11-十字交叉滚子轴承；12-输出内端盖；13-夹紧轴套；14-控制器；51-机械臂基座；52-关节连接件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种多功能高度集成模块化机器人关节，如图1至图3所示，包括电机驱动机构、减速器机构和关节输出机构，所述电机驱动机构、减速器机构和关节输出机构沿电机2的轴向方向依次设置。

所述电机驱动机构包括电机2、电机固定法兰3、与电机固定法兰3固定连接的关节外壳1、控制器14以及固定连接在电机2输出轴上的夹紧轴套13，其中，电机2内部设有霍尔传感器21和光电编码器22。电机2内部集成霍尔传感器21和光电编码器22，并且为非中空电机，采用外部走线，减小了电机的体积，只在电机2上安装光电编码器22进行电机2的旋转角度的采集，采用力矩传感器8代替安装在减速器输出端上的编码器，通过力矩传感器8采集谐波减速器4的扭矩。控制器14能够接收力矩传感器8的扭矩信号以及光电编码器22的角度信号，为实现关节位置的计算提供硬件基础。夹紧轴套13一端为中空结构并套装在谐波发生器41上，另一端套装固定在电机2的输出轴上。

所述减速器机构采用谐波减速器4，该谐波减速器4包括套装在电机2输出轴上的谐波发生器41、套装在谐波发生器41外部的柔轮42以及与柔轮42啮合的刚轮43，该谐波减速器4减速比分别是50、80、100和150时，谐波减速器4的外形尺寸一样，可以根据不同减速比的需求直接更换谐波减速器4，可快速配置成多种不同要求的关节。

所述关节输出机构包括力矩传感器8、输出法兰7、十字交叉滚子轴承11、两轴承定位环5、薄壁深沟球轴承9、深沟球轴承固定环6、输出外壳10和输出内端盖12。所述力矩传感器8通过螺纹连接固定在谐波减速器柔轮42上，所述输出法兰7通过螺纹连接固定在力矩传感器8上，该谐波减速器柔轮42输出时可以带动力矩传感器8和输出法兰7一起转动；两轴承定位环5通过谐波减速器刚轮43定位并通过螺纹连接固定在谐波减速器刚轮43上；所述薄壁深沟球轴承9内环紧固套装在两轴承定位环5上，外环与输出法兰7一起转动；薄壁深沟球轴承固定环6通过螺纹连接固定在两轴承定位环5上，并且实现对薄壁深沟球轴承9内环的固定；所述十字交叉滚子轴承11内环紧固套装在谐波减速器刚轮43上，通过电机固定法兰3和两轴承定位环5实现定位；所述输出外壳10通过螺纹连接固定在输出法兰7上，与薄壁深沟球轴承9外环和十字交叉滚子轴承11外环接触，实现一起转动；所述输出内端盖12通过螺纹连接固定在输出外壳10上，与十字交叉滚子轴承11外环接触。

所述十字交叉滚子轴承11内环压紧固定在谐波减速器刚轮43上，十字交叉滚子轴承11外环与输出外壳10接触，十字交叉滚子轴承11可以承受径向和轴向力，单编码器模块化机器人关节受到外力时，可以通过十字交叉滚子轴承11将外力传递给输出外壳10和输出内端盖12，实现对外力的卸载，使力矩传感器8受外力影响减小，保证数值采集更加精确。

两轴承定位环5和薄壁深沟球轴承固定环6、输出法兰7和输出外壳10、输出外壳10和输出内端盖12的连接方式为螺纹连接。

所述模块化关节进一步可组装成多自由度串联机械臂，如图4所示。在电机功率、扭矩承载范围内，其自由度可根据应用需要进行拼接。所述关节外壳1通过螺纹紧固连接在机械臂基座51上；所述输出法兰7输出端面通过螺纹与关节连接件52输入端紧固连接；所述关节连接件52为一直角形连接转换零件，关节连接件52的输出端通过螺纹连接下一个关节外壳1，进而重复上述装配步骤实现多关节机械臂灵活组装；所述关节连接件52为一直角转换件，实现笛卡尔空间下关节旋转轴的转换。

所述关键连接件均采用集中应力分析设计，为避免多关节装配时驱动装置、力矩传感器与连接件发生冲突，部分零件采用镂空设计。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种多功能高度集成模块化机器人关节，包括沿电机的轴向方向依次设置的电机驱动机构、减速器机构和关节输出机构，其特征在于：

所述电机驱动机构包括电机、电机固定法兰、与电机法兰固定连接的关节外壳、控制器以及固定连接在电机输出轴上的夹紧轴套，在电机内部设有霍尔传感器和光电编码器；

所述减速器机构采用谐波减速器，该谐波减速器包括套装在电机输出轴上的谐波发生器、套装在谐波发生器外部的柔轮以及与柔轮啮合的刚轮；

所述关节输出机构包括与柔轮固定连接的力矩传感器、同心固定连接在力矩传感器上的输出法兰、套装在刚轮上的十字交叉滚子轴承、固定连接在刚轮上的两轴承定位环、套装在两轴承定位环上的薄壁深沟球轴承、固定连接在两轴承定位环上的薄壁深沟球轴承固定环、与输出法兰固定连接的输出外壳以及与输出外壳固定连接的输出内端盖；

所述控制器与力矩传感器、光电编码器及电机相连接，控制器分别采集力矩传感器、光电编码器扭矩信号和角度信号并对电机进行控制；

所述夹紧轴套一端为中空结构并套装在谐波发生器上，该夹紧轴套的另一端套装固定在电机输出轴上并且由螺栓夹紧固定；

所述关节输出机构的具体连接关系为：所述力矩传感器通过螺纹连接固定在谐波减速器柔轮上，所述输出法兰通过螺纹连接固定在力矩传感器上，所述两轴承定位环通过刚轮定位并通过螺纹连接固定在刚轮上；所述薄壁深沟球轴承的内环紧固套装在两轴承定位环上，薄壁深沟球轴承的外环与输出法兰一起转动；所述薄壁深沟球轴承固定环通过螺纹连接固定在两轴承定位环上并实现对薄壁深沟球轴承内环的固定；所述十字交叉滚子轴承内环紧固套装在刚轮上，通过电机固定法兰和两轴承定位环实现定位；所述输出外壳通过螺纹连接固定在输出法兰上，与薄壁深沟球轴承外环和十字交叉滚子轴承外环接触并实现一起转动；所述输出内端盖通过螺纹连接固定在输出外壳上并与十字交叉滚子轴承外环接触。

2.根据权利要求1所述的一种多功能高度集成模块化机器人关节，其特征在于：所述谐波减速器的减速为50、80、100或150。