CN109927071A - 一种主机器人单自由度回转关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主机器人单自由度回转关节，包括固定基座、转动基座和设于固定基座内的处理器、编码器、传动轴和滑环，固定基座的内部设有第一容腔和第二容腔，传动轴的一端与编码器的码盘固定连接，另一端与转动基座固定连接；滑环的定子固定安装于固定基座上，滑环的转子固定套设于传动轴上；编码器检测传动轴的转动角度并发送到处理器，处理器输出控制信号到滑环的定子上的接线端，滑环的转子的接线端连接到与转动基座相连接的下一模块。本发明利用双向阻尼实现主机器人的随行随止，提高了主机器人的通用性和操作舒适性，同时实现完全内走线，提高主机器人的安全性和简化了布线结构，且实现回转角度无限制的功能，从而提高主机器人的通用性。

Description

一种主机器人单自由度回转关节

技术领域

本发明涉及一种回转关节，尤其是指一种主机器人单自由度回转关节。

背景技术

随着人类社会的发展和科技的进步，机器人技术也得到了空前的发展，近些年，机器人被广泛的应用于现代社会的许多领域，例如辐射物质处理，深海或太空作业，微创手术操作，排雷作业等等，人类越来越需要能在危险或未知环境中工作的机器人。然而，受人工智能技术、机构、控制和传感技术等方面的限制，研制出能在未知环境中自主工作的智能机器人还需要很长一段时间。因此目前依赖人的智能，工作在人机交互下的主从控制机器人是一种现实可行的选择。主从控制机器人使得操作者和被操作物分离，防止人类受到辐射、感染、爆炸等的伤害，同时又能拓展人类的操作力大小和操作距离远近等。操作者对主机器人进行操作，处理器根据主机器人的位姿信息把操作者的控制意图转化为从机器人可以理解的命令，并以此控制从机器人运动以实现相应的任务，同时通过视觉或力觉将其状态信息反馈给操作者，操作者据此修改自己的控制行为。

国内外对于主机器人的研制取得一定进展，但是目前的主机器人仍然存在一些缺点：1、通用性和灵活性差。目前主机器人的构型是固定的，不能根据任务要求或从机器人的变化相应地改换构型，而且自由度也固定不变，不能根据需要进行增减，主机器人难以适应各种不同的从机器人；2、操作性能较差。现有主机器人系统都是穿戴型或落式大型式的，穿戴型一般具有随遇平衡问题，操作者容易产生疲劳，落式大型式的主机器人要求操作者直立，长时间操作后也会疲劳；3、控制复杂。现有主机器人系统与从机器人之间大多是异构的，主从机器人之间的映射较复杂，计算量大，影响主从控制的稳定性；4、成本高，由于缺乏通用性，不同的从机器人往往需要相应的主机器人，这样主机器人的研制和使用成本高；

因此需要开发一种能控制多种从机器人并且结构简单、操作性强、成本低廉的主机器人。模块化的设计方法能够解决主机器人的通用性差以及结构和控制复杂等问题。模块化主机器人能够通过改变自身仅有的几种模块的连接顺序或方式而获得多种不同构型，以满足不同的从机器人构型或者任务要求，容易实现主从机器人之间的同构映射。相比传统主机器人，模块化主机器人具有良好的适应性、灵活性、和容错性以及成本低等优点，同时模块化结构简单，易于加工，各模块之间可以相互替换，实现快速组装。

专利号“CN104139397B”公开了一种配重式主机器人，其关节模块用配重块实现模块间位置的保持，此结构占用空间且配重值确定，不能随主机器人的构型和自由度的不同而改变。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、使用方便和回转角度无限的主机器人单自由度回转关节。该关节利用双向阻尼实现主机器人的随行随止，提高了主机器人的通用性和操作舒适性，同时实现完全内走线，提高主机器人的安全性和简化了布线结构，并且实现回转角度无限制的功能，从而提高主机器人的通用性。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种主机器人单自由度回转关节，包括固定基座、转动基座和设于固定基座内的处理器、编码器、传动轴和滑环，所述固定基座的内部设有用于安装处理器和编码器的第一容腔，以及用于安装传动轴和滑环的第二容腔；所述传动轴可旋转安装于第二容腔内，且传动轴的一端伸入第一容腔内与编码器的码盘固定连接，传动轴的另一端伸出第二容腔与转动基座固定连接；所述滑环的定子固定安装于固定基座上，且滑环的转子固定套设于传动轴上；所述编码器检测传动轴的转动角度并发送到处理器，处理器接收到编码器发送的转动角度信息并输出控制信号到滑环的定子上的接线端，滑环的转子的接线端连接到与转动基座相连接的下一模块。

作为一种优选的方案，所述滑环的定子上设有凹槽，所述第二容腔的内壁上设有突起，所述突起卡接于凹槽内而将滑环的定子固定安装于固定基座上。

作为一种优选的方案，所述传动轴通过轴承可旋转安装于固定基座上。

作为一种优选的方案，所述轴承与滑环之间的传动轴上开有环形槽，所述环形槽内设有卡环，卡环顶压所述轴承的内圈；所述转动基座与轴承之间设有阻尼器固定板，所述阻尼器固定板顶压所述轴承的外圈。

作为一种优选的方案，所述阻尼器固定板与轴承之间的传动轴上设有垫片，所述垫片顶压所述轴承的内圈。

作为一种优选的方案，所述阻尼器固定板与转动基座之间的传动轴上设有弹性垫片。

作为一种优选的方案，所述转动基座的中心开有通孔，所述通孔可滑动套设于传动轴上且通过螺母固定于传动轴上。

作为一种优选的方案，所述第一容腔内设有安装架，所述编码器和处理器固定安装于安装架上。

作为一种优选的方案，所述固定基座和转动基座的一端设有第二环形槽，所述第二环形槽的轴向截面为梯形槽。

作为一种优选的方案，所述轴承为角接触球轴承。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明的回转关节的处理器和编码器都内置在固定基座内。编码器码盘与传动轴同步运动，使得编码器能获取此转动基座的转动角度，并通过电气线路传输至处理器。处理器接收并处理后产生从机器人的控制信号并输入到滑环的定子上的接线端。滑环的转子的接线端通过电线连接到与转动基座相连接的下一模块。本结构通过滑环可实现的任意角度的单自由度的回转角度，并且滑环的定子与处理器的电气线路连接保持静止状态，同时滑环的转子与转动基座相连接的下一模块也为相对静止状态，避免了关节单向转动时电气线路绕线的问题，从实现电气线路内走线，既起到了保护元气件安全，又保护了电气线路的安全和可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明主机器人单自由度回转关节的结构示意图；

图2是图1沿轴线方向的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1和图2，本实施例涉及主机器人单自由度回转关节，包括固定基座1、转动基座2和设于固定基座1内的处理器3、编码器4、传动轴5和滑环6，所述固定基座1的内部设有用于安装处理器3和编码器4的第一容腔11，以及用于安装传动轴5和滑环6的第二容腔12；所述传动轴5可旋转安装于第二容腔12内，且传动轴5的一端伸入第一容腔11内与编码器4的码盘固定连接，传动轴5的另一端伸出第二容腔12与转动基座2固定连接；所述滑环6的定子61固定安装于固定基座1上，且滑环6的转子62固定套设于传动轴5上；所述编码器4检测传动轴5的转动角度并发送到处理器3，处理器3接收到编码器4发送的转动角度信息并输出控制信号到滑环6的定子上的接线端，滑环6的转子的接线端连接到与转动基座2相连接的下一模块。滑环为旋转体连通、输送能源与信号的电气部件。滑环安装在设备的旋转中心，主要由旋转与静止两大部分组成。旋转部分连接设备的旋转结构并随之旋转运动，称为“转子”，静止部分连接设备的固定结构的能源，称为“定子”。

本结构的回转关节的处理器3和编码器4都内置在固定基座1内。编码器4码盘与传动轴5同步运动，使得编码器4能获取此转动基座2(即回转关节模块)的转动角度，并通过电气线路传输至处理器3。处理器3接收并处理后产生从机器人的控制信号并输入到滑环6的定子上的接线端。滑环6的转子的接线端通过电线连接到与转动基座2相连接的下一模块。本结构通过滑环6可实现的任意角度的单自由度的回转角度，并且滑环6的定子与处理器3的电气线路连接保持静止状态，同时滑环6的转子与与转动基座2相连接的下一模块也为相对静止状态，避免了关节单向转动时电气线路绕线的问题，从实现电气线路内走线，既起到了保护元气件安全，又保护了电气线路的安全和可靠运行。

所述滑环6的定子上设有凹槽，所述第二容腔12的内壁上设有突起，所述突起卡接于凹槽内而将滑环6的定子固定安装于固定基座1上。滑环6的定子上设有两个凹槽，且两个凹槽分别与固定基座1内壁上的两个小凸台相配合，使得滑环6的定子固定连接到固定基座1上。而滑环6的转子与传动轴5过渡配合，使得传动轴5在转动时能驱动滑环6的转子同步转动。

所述传动轴5通过轴承10可旋转安装于固定基座1上。所述轴承10与滑环6之间的传动轴5上开有环形槽，所述环形槽内设有卡环7，卡环7顶压所述轴承10的内圈；所述转动基座2与轴承10之间设有阻尼器固定板8，所述阻尼器固定板8顶压所述轴承10的外圈。所述轴承10为角接触球轴承。轴承10采用角接触球轴承10，可承受双向轴向力和径向力，一端通过卡环7实现内圈定位，且固定基座1的轴肩实现该端的轴承10外圈的定位，另一端的轴承10外圈利用阻尼器固定板8定位，保证传动轴5承受的轴向和径向力可以传递到固定基座1上，从而降低传动轴5的载荷。

所述阻尼器固定板8与轴承10之间的传动轴5上设有垫片9，所述垫片9顶压所述轴承10的内圈。垫片9置于轴承10和阻尼器固定板8之间，保证传动轴5与固定基座1轴向位置保持不变。

所述阻尼器固定板8与转动基座2之间的传动轴5上设有弹性垫片91。所述转动基座2的中心开有通孔，所述通孔可滑动套设于传动轴5上且通过螺母92固定于传动轴5上。两个弹性垫片91相背向安装于转动基座2和阻尼器固定板8之间。螺母92拧紧在带有外螺纹的传动轴5的端部。通过调整螺母92在传动轴5上的位置，转动基座2与阻尼器固定板8之间相互挤压而产生摩擦力，从而根据需要调节本结构与下一连接模块保持相对的位置，以满足串联主机器人对不同关节实现随性随止不同力矩的要求，提高操作者的舒适性。

固定基座1和转动基座2的一端设有第二环形槽13，所述第二环形槽13的轴向截面为梯形槽，使得本结构的关节能快速与相邻模块快速连接。关节之间通过卡箍实现快速连接和锁紧，在轴向固定两个模块的同时又避免模块绕轴向转动。

所述第一容腔11内设有安装架14，所述编码器4和处理器3固定安装于安装架14上。处理器3用于获取编码器4测得的传动轴5的回转角度和方向，实现CAN总线信号传输和电源信号供应。安装架上设有穿孔，滑环6的定子的电气线通过穿孔与处理器3电连接。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，包括固定基座、转动基座和设于固定基座内的处理器、编码器、传动轴和滑环，所述固定基座的内部设有用于安装处理器和编码器的第一容腔，以及用于安装传动轴和滑环的第二容腔；所述传动轴可旋转安装于第二容腔内，且传动轴的一端伸入第一容腔内与编码器的码盘固定连接，传动轴的另一端伸出第二容腔与转动基座固定连接；所述滑环的定子固定安装于固定基座上，且滑环的转子固定套设于传动轴上；所述编码器检测传动轴的转动角度并发送到处理器，处理器接收到编码器发送的转动角度信息并输出控制信号到滑环的定子上的接线端，滑环的转子的接线端连接到与转动基座相连接的下一模块。

2.根据权利要求1所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述滑环的定子上设有凹槽，所述第二容腔的内壁上设有突起，所述突起卡接于凹槽内而将滑环的定子固定安装于固定基座上。

3.根据权利要求1所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述传动轴通过轴承可旋转安装于固定基座上。

4.根据权利要求3所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述轴承与滑环之间的传动轴上开有环形槽，所述环形槽内设有卡环，卡环顶压所述轴承的内圈；所述转动基座与轴承之间设有阻尼器固定板，所述阻尼器固定板顶压所述轴承的外圈。

5.根据权利要求4所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述阻尼器固定板与轴承之间的传动轴上设有垫片，所述垫片顶压所述轴承的内圈。

6.根据权利要求4所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述阻尼器固定板与转动基座之间的传动轴上设有弹性垫片。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述转动基座的中心开有通孔，所述通孔可滑动套设于传动轴上且通过螺母固定于传动轴上。

8.根据权利要求1所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述固定基座和转动基座的一端设有第二环形槽，所述第二环形槽的轴向截面为梯形槽。

9.根据权利要求1所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述第一容腔内设有安装架，所述编码器和处理器固定安装于安装架上。

10.根据权利要求1至6任一所述的一种主机器人单自由度回转关节，其特征在于，所述轴承为角接触球轴承。