CN110154078B - 一种刚柔耦合模块化机器人关节及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种刚柔耦合模块化机器人关节及其应用，所述刚柔耦合模块化机器人关节包括：第一关机件、第二关节件、轴承、电机和刚柔耦合传动轴；所述刚柔耦合传动轴分别与所述电机和所述第二关节件连接，所述电机通过所述刚柔耦合传动轴带动所述第二关节件转动；所述轴承分别设置在所述刚柔耦合传动轴的两端，所述刚柔耦合传动轴通过所述轴承与所述第一关节件连接；所述刚柔耦合传动轴包括：轴部、外筒和柔性部，所述轴部通过所述柔性部与所述外筒连接。模块之间可以实现快速的连接和分离，每个模块都是一个集驱动、传动为一体的单元，通过不同基座和关节的组装，可以搭建适用于不同工况的机械臂。

Description

一种刚柔耦合模块化机器人关节及其应用
技术领域
本发明涉及工业机器人的技术领域，更具体地，涉及一种刚柔耦合模块化机器人关节及其应用。
背景技术
随着工业机器人的应用领域不断扩大，工业机器人的工作环境和工作环境变化也越来越广，传统工业机器人已经跟不上市场和工业生产的发展步伐。传统工业机器人是基于单一任务设计的，一旦设计定型后，其自身机械结构的限制，使它的工作应用领域有很大的局限性，严重制约了工业机器人的应用。传统工业机器人在设计之初，其工作环境和给定任务已知，对人类未知的不可预测的环境，传统工业机器人难以适应，无法满足未知工作环境的需要；在市场竞争的日益激烈的情况，传统工业机器人的设计周期长、定位精度低以及成本高等缺点都使其难以适应市场竞争的需要。
与工业机器人的精度(通常100微米)要求不同，电子制造机器人精度要求更高(20～30微米)，并且随着芯片朝高密度、窄间距、微型化发展，封装精度要求进一步提高。由于机器人关节运动副间隙和摩擦的影响，精度提升困难。现有技术中有一种无间隙的机器人关节轴承，然而，通过调紧后，间隙虽然小了，但是摩擦力增大后，摩擦死区难于克服，依旧难于提高精度。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种刚柔耦合模块化机器人关节及其应用，本发明采用的技术方案是：
一种刚柔耦合模块化机器人关节，所述刚柔耦合模块化机器人关节包括：第一关机件、第二关节件、轴承、电机和刚柔耦合传动轴；所述刚柔耦合传动轴分别与所述电机和所述第二关节件连接，所述电机通过所述刚柔耦合传动轴带动所述第二关节件转动；所述轴承分别设置在所述刚柔耦合传动轴的两端，所述刚柔耦合传动轴通过所述轴承与所述第一关节件连接；所述刚柔耦合传动轴包括：轴部、外筒和柔性部，所述轴部通过所述柔性部与所述外筒连接。
一种刚柔耦合模块化机器人关节，所述刚柔耦合模块化机器人关节包括：第一关机件、第二关节件、刚柔耦合轴承、电机和传动轴；所述传动轴分别与所述电机和所述第二关节件连接，所述电机通过所述传动轴带动所述第二关节件转动；所述刚柔耦合轴承分别设置在所述传动轴的两端，所述传动轴通过所述刚柔耦合轴承与所述第一关节件连接；所述刚柔耦合轴承包括：轴承部、外筒和柔性部，所述轴承部通过所述柔性部与所述外筒连接。
进一步，所述刚柔耦合模块化机器人关节还包括支撑件；所述支撑件设置于所述第一关节件上，用于支撑所述轴承。
进一步，所述刚柔耦合模块化机器人关节还包括：减速器；所述电机通过所述减速器带动所述传动轴。
进一步，所述第一关机件和所述第二关节件采用轻型高强度的铝合金材料。
一种机械臂，所述机械臂包括：基座和前面所述的刚柔耦合模块化机器人关节；其中，所述基座与所述第一关节件连接。
进一步，所述基座与所述第一关节件之间设置有支撑件。
与现有技术相比，有益效果是：模块之间可以实现快速的连接和分离，每个模块都是一个集驱动、传动为一体的单元，通过不同基座和关节的组装，可以搭建适用于不同工况的机械臂。另外，通过柔性铰链弹性变形克服运动副摩擦死区，实现关节的快速启动和精确定位，以改善现有工业机械臂互换性差，启动速度慢，定位精度低的问题。
附图说明
图1为本发明用于第一类机械臂示意图。
图2是本发明用于第二类机械臂示意图。
图3是本发明用于第二类机械臂的装配示意图。
图4是本发明实施方案a模块化关节装配示意图。
图5是本发明实施方案b模块化关节装配示意图。
图6是本发明所述刚柔耦合传动轴侧视图。
图7是本发明所述刚柔耦合轴承内圈侧视图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明公开了一种刚柔耦合模块化机器人关节，该刚柔耦合模块化机器人关节可以用于如图1所示的只有基座9的用于第一类机械臂，也可以用于如图 2、3所示的设置基座10，基座10与滚珠丝杠刚柔耦合运动平台11连接固定在平台安装壁12的第二类机械臂。当然，这只展示了比较典型的机械臂应用场景，本领域技术人员可以根据实际需要，把本发明的刚柔耦合模块化机器人关节应用到其他场景。
本发明的刚柔耦合模块化机器人关节包括如图4所示的实施方案a和如图 5所示的实施方案b两种实施方案。
实施方案a中的刚柔耦合模块化机器人关节包括：第一关机件5、第二关节件1、上端轴承201、下端轴承401、电机3和刚柔耦合传动轴301；刚柔耦合传动轴301分别与电机3和第二关节件1连接，电机3通过刚柔耦合传动轴 301带动第二关节件1转动；上端轴承201和下端轴承401分别设置在刚柔耦合传动轴301的两端，刚柔耦合传动轴301通过上端轴承201和下端轴承401 与第一关节件5连接。如图6所示，刚柔耦合传动轴301包括：轴部3011、外筒3013和柔性部3012，轴部3011通过柔性部3012与外筒3013连接。柔性部 3012优选地采用柔性铰链，但也可以按照实际需要，选用其他的柔性材料。
在一个实施例中，刚柔耦合模块化机器人关节还包括上支撑件2和下支撑件4，上支撑件2和下支撑件4均设置于第一关节件5上，上支撑件2用于支撑上端轴承201，下支撑件4用于支撑下端轴承401。
在一个实施例中，电机3通过减速器带动刚柔耦合传动轴301。
实施方案b中的刚柔耦合模块化机器人关节包括：第一关节件5、第二关节件1、上刚柔耦合轴承202、下刚柔耦合轴承402、电机3和传动轴302；传动轴302分别与电机3和第二关节件1连接，电机3通过传动轴302带动第二关节件1转动，上刚柔耦合轴承202和下刚柔耦合轴承402分别设置在传动轴3的两端，传动轴3通过两个刚柔耦合轴承与第一关节件5连接。如图7所示，刚柔耦合轴承包括：轴承部2011、外筒2013和柔性部2012，轴承部2011通过柔性部2012与外筒2013连接。柔性部2012优选地采用柔性铰链，但也可以按照实际需要，选用其他的柔性材料。
在一个实施例中，刚柔耦合模块化机器人关节还包括上支撑件2和下支撑件4，上支撑件2和下支撑件4均设置于第一关节件5上，上支撑件2用于支撑上刚柔耦合轴承202，下支撑件4用于支撑下刚柔耦合轴承402。
在一个实施例中，电机3通过减速器带动传动轴302。
如图1所示，在第一类机械臂中，基座9与外部连接定位，第一关节件5 通过支撑件6和支撑件8与基座9连接。工作时，第一类机械臂中基座9固定后，第一关节件5可绕电机7的轴线做水平旋转运动，第二关节件1可绕电机 3的轴线做水平旋转运动，方案a中柔性铰链发生弹性变形，方案b中刚柔耦合轴承柔性铰链3012发生弹性变形。上述关节的组合实现机械臂的精密运动。
如图2、3所示，在第二类机械臂中，基座10与刚柔耦合直线运动平台11 连接，刚柔耦合直线运动平台11与壁12连接定位。第一关节件5通过支撑件 6和支撑件8与基座10连接。第二类机械臂中基座10与滚珠丝杠刚柔耦合运动平台11连接固定在平台安装壁12后，第一关节件5可绕电机7的轴线做水平旋转运动，第二关节件1可绕电机3的轴线做水平旋转运动，方案a中柔性铰链3012发生弹性变形，方案b中刚柔耦合轴承柔性铰链发生弹性变形。上述关节的组合实现机械臂的精密运动。
其机械系统主要由模块化关节、支撑件、驱动和传动件构成；模块化关节的设计影响最终的机械结构的外形，对于结构的紧凑性具有一定的影响。电机为机械臂关节的动力输出来源，其运动性能决定了最终的机械臂关节表现出的运动能力，减速器增加其输出力矩并且改变输出速度。
工作原理：关节启动时柔性铰链发生弹性变形，克服摩擦死区实现快速启动；快到位时柔性铰链再次发生弹性变形，补偿定位误差实现精确定位，实现机械臂的精密运动。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种刚柔耦合模块化机器人关节，其特征在于，所述刚柔耦合模块化机器人关节包括：第一关节件 、第二关节件、轴承、电机和刚柔耦合传动轴；
所述刚柔耦合传动轴分别与所述电机和所述第二关节件连接，所述电机通过所述刚柔耦合传动轴带动所述第二关节件转动；
所述轴承分别设置在所述刚柔耦合传动轴的两端，所述刚柔耦合传动轴通过所述轴承与所述第一关节件连接；
所述刚柔耦合传动轴包括：轴部、外筒和柔性部，所述轴部通过所述柔性部与所述外筒连接；
所述电机与所述外筒连接，所述第二关节件与所述外筒连接；
所述轴承与所述轴部连接。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合模块化机器人关节，其特征在于，所述刚柔耦合模块化机器人关节还包括支撑件；
所述支撑件设置于所述第一关节件上，用于支撑所述轴承。
3.根据权利要求1所述的刚柔耦合模块化机器人关节，其特征在于，所述刚柔耦合模块化机器人关节还包括：减速器；
所述电机通过所述减速器带动所述传动轴。
4.根据权利要求1所述的刚柔耦合模块化机器人关节，其特征在于，所述第一关节件和所述第二关节件采用轻型高强度的铝合金材料。
5.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：基座和权利要求1-4任一项所述的刚柔耦合模块化机器人关节；其中，所述基座与所述第一关节件连接。
6.根据权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述基座与所述第一关节件之间设置有支撑件。
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