CN109623801B - 一种同步带传动型高精度机械臂关节 - Google Patents
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Abstract
一种同步带传动型高精度机械臂关节，涉及机器人构型及结构设计领域；包括关节外壳、步进电机、行星减速器、小带轮、大带轮、同步带、第一关节轴承和大带轮支架；步进电机固定安装在关节外壳的中部；行星减速器与步进电机输出轴对接；行星减速器的输出轴伸出关节外壳的侧壁；小带轮套装在行星减速器的输出轴外壁；大带轮支架安装在关节外壳的下端侧壁处；第一关节轴承设置在大带轮支架与关节外壳下端侧壁之间，实现大带轮支架相对于关节外壳转动；大带轮套装在大带轮支架的外壁；同步带套装在小带轮和大带轮的外壁，实现传动；本发明降低了关节成本，使得关节可以便捷的实现中空走线方案，同时实现了检测关节零位位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人构型及结构设计领域，特别是一种同步带传动型高精度机械臂关节。
背景技术
机器人关节是机器人的基础部件，其性能的好坏直接影响机器人的性能。机器人关节的种类有很多，根据机器人的功能不同，关节的配置和运动系统的形式也都各不相同。
机器人常见的关节形式有移动关节和转动关节。应用最多的机器人是多关节机器人，主要由多个回转关节和连杆组成，模拟人的肩关节、肘关节和腕关节等的作用。
当前主流的协作机器人都采用“模块化”思想的关节设计，采用直驱电机+谐波减速器的方式，每个关节的内部结构基本一致，只是大小不太一样，以KUKA的协作机器人IIWA为例，其每一个关节中都包含了直流无刷伺服电机、伺服驱动、谐波减速器、电机端编码器、关节端位置传感器和力矩传感器，电机和减速器采用直连。关节加工工艺复杂，零部件成本较高。。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种同步带传动型高精度机械臂关节，降低了关节成本，使得关节可以便捷的实现中空走线方案，同时实现了检测关节零位位置。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种同步带传动型高精度机械臂关节，包括关节外壳、步进电机、行星减速器、小带轮、大带轮、同步带、第一关节轴承、第二关节轴承、大带轮支架和关节支架；其中，关节外壳为中空立方体外壳；步进电机固定安装在关节外壳的中部；行星减速器与步进电机输出轴对接；行星减速器的输出轴伸出关节外壳的侧壁；小带轮安装在关节外壳的上端侧壁处，且小带轮套装在行星减速器的输出轴外壁，行星减速器带动小带轮同步转动；大带轮支架安装在关节外壳的下端侧壁处；第一关节轴承设置在大带轮支架与关节外壳下端侧壁之间，实现大带轮支架相对于关节外壳转动；大带轮套装在大带轮支架的外壁；同步带套装在小带轮和大带轮的外壁，实现传动；关节支架安装在关节外壳的下端侧壁处；且关节支架与大带轮支架相对放置；第二关节轴承设置在关节支架与关节外壳下端侧壁之间，实现关节支架相对于关节外壳转动。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述大带轮支架和关节支架同轴设置；外部关节固定安装在之间；随大带轮支架和关节支架同步转动。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述的步进电机的额定转速为300-500r/min；额定功率为50-200W；转矩为1-3Nm。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述行星减速器的减速比10：1～30：1；额定输出转矩为10-60Nm。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述关节外壳采用铝合金或钢材料；第一关节轴承和第二关节轴承均采用深沟球轴承。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述小带轮和大带轮组成的传动机构的减速比为2：1。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述同步带的传动扭矩大于50Nm。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述机械臂关节还包括光电开关、光电开关挡板和线缆压板；其中，光电开关挡板和线缆压板均设置在关节支架的轴向外侧壁；光电开关固定安装在光电开关挡板的径向侧壁处；线缆压板截面为L形结构；线缆压板与光电开关挡板之间设置有走线槽；实现线缆的走线。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述走线槽为中空柱状腔体；走线槽的直径为10-20mm。
在上述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，所述机械臂关节的运动过程为：
外部控制器下发运动指令，驱动步进电机带动行星减速器朝着目标位置转动，行星减速器带动小带轮转动，小带轮通过同步带带动大带轮转动，大带轮与大带轮支架固定，大带轮支架转动带动下一个关节的运动，完成关节运动的传递。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用步进电机代替伺服电机作为机器人关节的驱动装置，降低关节成本；
(2)本发明采用行星减速器代替谐波减速器作为机器人关节的减速装置，降低关节成本；
(3)本发明采用同步带的方式将关节输出转动轴线与电机轴线偏置，使得关节可以便捷的实现中空走线方案；
(4)本发明采用光电开关作为关节的位置检测传感器，并设计了光电开关挡板，以检测关节零位位置。
附图说明
图1为本发明机械臂关节主视图；
图2为本发明机械臂关节右视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供一种同步带传动型高精度机械臂关节，采用步进电机代替伺服电机作为机器人关节的驱动装置，降低关节成本；采用行星减速器代替谐波减速器作为机器人关节的减速装置，降低关节成本；采用同步带的方式将关节输出转动轴线与电机轴线偏置，使得关节可以便捷的实现中空走线方案；采用光电开关作为关节的位置检测传感器，并设计了光电开关挡板，以检测关节零位位置。
如图1所示为机械臂关节主视图，由图可知，一种同步带传动型高精度机械臂关节，包括关节外壳1、步进电机2、行星减速器3、小带轮4、大带轮5、同步带6、第一关节轴承7、第二关节轴承8、大带轮支架9和关节支架10；其中，关节外壳1为中空立方体外壳；步进电机2固定安装在关节外壳1的中部；行星减速器3与步进电机2输出轴对接；行星减速器3的输出轴伸出关节外壳1的侧壁；小带轮4安装在关节外壳1的上端侧壁处，且小带轮4套装在行星减速器3的输出轴外壁，行星减速器3带动小带轮4同步转动；大带轮支架9安装在关节外壳1的下端侧壁处；第一关节轴承7设置在大带轮支架9与关节外壳1下端侧壁之间，实现大带轮支架9相对于关节外壳1转动；大带轮5套装在大带轮支架9的外壁；同步带6套装在小带轮4和大带轮5的外壁，实现传动；关节支架10安装在关节外壳1的下端侧壁处；且关节支架10与大带轮支架9相对放置；第二关节轴承8设置在关节支架10与关节外壳1下端侧壁之间，实现关节支架10相对于关节外壳1转动。
大带轮支架9和关节支架10同轴设置；外部关节固定安装在之间；随大带轮支架9和关节支架10同步转动。
步进电机2的额定转速为300-500r/min；额定功率为50-200W；转矩为1-3Nm。行星减速器3的减速比10：1～30：1；额定输出转矩为10-60Nm。
关节外壳1采用铝合金或钢材料；第一关节轴承7和第二关节轴承8均采用深沟球轴承。
小带轮和大带轮组成的传动机构的减速比为2：1。同步带的传动扭矩大于50Nm。
如图2所示为机械臂关节右视图，由图可知，所述机械臂关节还包括光电开关11、光电开关挡板12和线缆压板13；其中，光电开关挡板12和线缆压板13均设置在关节支架10的轴向外侧壁；光电开关11固定安装在光电开关挡板12的径向侧壁处；线缆压板13截面为L形结构；线缆压板13与光电开关挡板12之间设置有走线槽14；实现线缆的走线。其中，走线槽14为中空柱状腔体；走线槽14的直径为10-20mm。
关节的中空走线方案：
前几个关节的线缆通过关节支架的中空孔穿过，继而穿过走线槽14，并利用线缆压板13将线缆压紧，之后线缆通过关节外壳1顶部中空孔穿过，达到下一个关节位置，完成关节走线方案。在各个关节的连接位置设置接插件，实现关节间线缆的快接快插，实现模块化设计。
机械臂关节的运动过程为：
外部控制器下发运动指令，驱动步进电机2带动行星减速器3朝着目标位置转动，行星减速器3带动小带轮4转动，小带轮4通过同步带6带动大带轮5转动，大带轮5与大带轮支架9固定，大带轮支架9转动带动下一个关节的运动，完成关节运动的传递。
本发明中所述的机械臂关节回零方案：
采用简单的光电开关11作为回零方案的传感器，采用该方案回零，可以在上电后即可以知道机械臂关节目前所处的大概区域，判读出关节应该往哪一个方向找零，以在回零过程中有效避免机械臂关节间相互干涉和碰撞的情况发生。而且以同样的关节速度回零，采用该回零方案，可以大大节约找零时间，减少机械臂上电初始化时间。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种同步带传动型高精度机械臂关节，其特征在于：包括关节外壳(1)、步进电机(2)、行星减速器(3)、小带轮(4)、大带轮(5)、同步带(6)、第一关节轴承(7)、第二关节轴承(8)、大带轮支架(9)和关节支架(10)；其中，关节外壳(1)为中空立方体外壳；步进电机(2)固定安装在关节外壳(1)的中部；行星减速器(3)与步进电机(2)输出轴对接；行星减速器(3)的输出轴伸出关节外壳(1)的侧壁；小带轮(4)安装在关节外壳(1)的上端侧壁处，且小带轮(4)套装在行星减速器(3)的输出轴外壁，行星减速器(3)带动小带轮(4)同步转动；大带轮支架(9)安装在关节外壳(1)的下端侧壁处；第一关节轴承(7)设置在大带轮支架(9)与关节外壳(1)下端侧壁之间，实现大带轮支架(9)相对于关节外壳(1)转动；大带轮(5)套装在大带轮支架(9)的外壁；同步带(6)套装在小带轮(4)和大带轮(5)的外壁，实现传动；关节支架(10)安装在关节外壳(1)的下端侧壁处；且关节支架(10)与大带轮支架(9)相对放置；第二关节轴承(8)设置在关节支架(10)与关节外壳(1)下端侧壁之间，实现关节支架(10)相对于关节外壳(1)转动；
所述大带轮支架(9)和关节支架(10)同轴设置；外部关节固定安装在大带轮支架(9)和关节支架(10)之间；随大带轮支架(9)和关节支架(10)同步转动；
所述的步进电机(2)的额定转速为300-500r/min；额定功率为50-200W；转矩为1-3Nm；
所述行星减速器(3)的减速比10：1～30：1；额定输出转矩为10-60Nm；
所述关节外壳(1)采用铝合金或钢材料；第一关节轴承(7)和第二关节轴承(8)均采用深沟球轴承；
所述小带轮和大带轮组成的传动机构的减速比为2：1；
所述同步带的传动扭矩大于50Nm；
所述机械臂关节还包括光电开关(11)、光电开关挡板(12)和线缆压板(13)；其中，光电开关挡板(12)和线缆压板(13)均设置在关节支架(10)的轴向外侧壁；光电开关(11)固定安装在光电开关挡板(12)的径向侧壁处；线缆压板(13)截面为L形结构；线缆压板(13)与光电开关挡板(12)之间设置有走线槽(14)；实现线缆的走线。
2.根据权利要求1所述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，其特征在于：所述走线槽(14)为中空柱状腔体；走线槽(14)的直径为10-20mm。
3.根据权利要求2所述的一种同步带传动型高精度机械臂关节，其特征在于：所述机械臂关节的运动过程为：
外部控制器下发运动指令，驱动步进电机(2)带动行星减速器(3)朝着目标位置转动，行星减速器(3)带动小带轮(4)转动，小带轮(4)通过同步带(6)带动大带轮(5)转动，大带轮(5)与大带轮支架(9)固定，大带轮支架(9)转动带动下一个关节的运动，完成关节运动的传递。
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