CN113386116B - 一种集成磁编码器的绳驱柔性机械臂双自由度十字轴关节 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种绳驱柔性机械臂关节，包括关节支撑模块、两个第一支撑轴套、两个第二支撑轴套和两个角度传感设备，关节支撑模块内部中空，外侧设置有四个相互垂直的安装面；两个第一支撑轴套均固接有转轴，并通过转轴可转动地连接于安装面；第二支撑轴套均可转动地连接于安装面；两个角度传感设备设置于关节支撑模块内，两个角度传感设备分别测量两个转轴的转动角度；第一支撑轴套和第二支撑轴套位于相对的两个安装面；两个第一支撑轴套位于相邻的两个安装面；两个第二支撑轴套位于相邻的两个安装面。角度传感设备用以分别测量两个转轴的转动角度，从而计算出关节所连接的两个机械臂转动的角度，便于操控人员提高对机械臂的控制精度。

Description

一种集成磁编码器的绳驱柔性机械臂双自由度十字轴关节

技术领域

本发明涉及一种绳驱柔性机械臂关节，属于机械手相关的机械结构领域。

背景技术

目前，传统工业机器臂在取得了广泛的应用，但是传统的工业机器臂不适合在环境局限，障碍物多，结构复杂的狭小环境下工作。与传统刚性机器臂相比，超冗余度特性绳驱柔性机械臂关节参数多，运动灵活，环境适应性强，能够在狭小有限的环境内进行工作。但是目前绳驱柔性机械臂的关节模块功能单一，尤其是在狭小空间内难以安装合适的编码器，不能提供关节角度的测量功能，实现关节空间的闭环控制，难以提高控制的精度。

发明内容

本发明提供一种绳驱柔性机械臂关节，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。此外，本发明还提供了一种基于绳驱柔性机械臂关节的安装方法。

本发明的第一方面的技术方案为一种绳驱柔性机械臂关节，包括关节支撑模块、两个第一支撑轴套、两个第二支撑轴套和两个角度传感设备，关节支撑模块的内部中空设置，外侧设置有四个相互垂直的安装面；两个第一支撑轴套均固接有转轴，并通过所述的转轴可转动地连接于所述的安装面；第二支撑轴套均可转动地连接于所述的安装面；两个角度传感设备设置于所述的关节支撑模块内，两个所述的角度传感设备分别测量两个所述的转轴的转动角度；其中，所述的第一支撑轴套和所述的第二支撑轴套位于相对的两个所述的安装面；两个所述的第一支撑轴套位于相邻的两个所述的安装面；两个所述的第二支撑轴套位于相邻的两个所述的安装面；其中，所述的第一支撑轴套设置有同步连杆，所述同步连杆的一端和所述的第一支撑轴套固定连接，另一端和所述的转轴固定连接。。

进一步，所述的角度传感设备包括芯片板和测量磁头，芯片板设置于所述的关节支撑模块的内部，所述的芯片板设置有霍尔元件；测量磁头固定于所述的转轴，至少部分所述的测量磁头和所述的霍尔元件对应设置；其中，所述的转轴转动，并通过所述测量磁头改变所述的芯片板的电流。

进一步，所述的测量磁头包括永磁体和非磁轴套，永磁体和所述的芯片板对应设置，所述永磁体呈扇形；非磁轴套套设于所述的转轴并随所述的转轴转动，所述永磁体和所述非磁轴套固定连接。

进一步，所述的关节支撑模块包括两个呈L型的关节支撑中心块，两个所述的关节支撑中心块首尾相连，以组成所述的关节支撑模块。

进一步，所述的关节支撑模块的内部设置有安装凸台，所述芯片板固定在所述安装凸台上。

进一步，所述的安装凸台设置有安装槽，所述芯片板嵌设于所述安装槽内。

进一步，所述的安装面设置有凸缘，所述的第一支撑轴套和所述的第二支撑轴套均设置有第一限位轴承，所述的第一限位轴承和所述的凸缘过盈配合。

进一步，和所述的第一支撑轴套配合的所述凸缘设置有通孔，所述的转轴设置有至少一个第二限位轴承，所述的转轴穿设于所述的通孔，且所述的通孔和所述的第二限位轴承过盈配合。

进一步，所述的关节支撑模块的内壁固定有压紧装置，所述的压紧装置设置有台阶；

所述的第一支撑轴套设置有轴肩；

其中，通过所述的第一限位轴承和所述的轴肩配合，以及所述的第二限位轴承和所述的台阶配合，以约束所述的转轴的轴向位置。

本发明的第一方面的技术方案的有益效果为：在用于连接机械臂的关节中固定角度传感设备，用以分别测量两个转轴的转动角度，从而实时计算出关节所连接的两个机械臂转动的角度，便于操控人员提高对机械臂的控制精度。

本发明的第二方面的技术方案为一种基于第一方面的绳驱柔性机械臂关节的安装方法，

其中，关节支撑中心块的首端设置有连接凸起，的连接凸起设置有第一螺孔，关节支撑中心块的尾端设置有第二螺孔，在同一个的关节支撑中心块中的的第一螺孔和的第二螺孔的设置方向相互垂直；

安装方法包括：

在每个呈L型的关节支撑中心块内侧固定芯片板；

在每个关节支撑中心块上插设转轴；

将非磁轴套套设于转轴上以固定测量磁头；

将两个关节支撑中心块首尾相连，以在关节支撑模块的构造出空间；

在两个关节支撑中心块的第一螺孔和第二螺孔中插入螺纹紧固件进行固定，从而实现将两个关节支撑中心块组合成关节支撑模块；

在每个转轴伸出关节支撑模块的一端通过同步连杆与第一支撑轴套固定连接。

本发明的第二方面的技术方案的有益效果为：在用于连接机械臂的关节中固定角度传感设备，用以分别测量两个转轴的转动角度，从而实时计算出关节所连接的两个机械臂转动的角度，便于操控人员提高对机械臂的控制精度。

附图说明

图1是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节和机械臂的组装示意图；

图2是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节的装配示意图；

图3是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节的其中一个关节支撑中心块和第一支撑轴套以及第二支撑轴套的装配示意图；

图4是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节的关节支撑中心块的示意图；

图5是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节中的第一支撑轴套、转轴、压紧装置和角度传感设备之间的装配示意图；

图6是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节中的第一支撑轴套的示意图；

图7是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节中的测量磁头的示意图；

图8是本发明实施例的绳驱柔性机械臂关节中的压紧装置的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1和图2，本发明的实施例的一种绳驱柔性机械臂关节10，包括关节支撑模块100、两个第一支撑轴套200、两个第二支撑轴套300和两个角度传感设备400，关节支撑模块100的内部中空设置，外侧设置有四个相互垂直的安装面110；两个第一支撑轴套200均固接有转轴210，并通过转轴210可转动地连接于安装面110；第二支撑轴套300均可转动地连接于安装面110；两个角度传感设备400设置于关节支撑模块100内，两个角度传感设备400分别测量两个转轴210的转动角度；其中，第一支撑轴套200和第二支撑轴套300位于相对的两个安装面110；两个第一支撑轴套200位于相邻的两个安装面110；两个第二支撑轴套300位于相邻的两个安装面110。

具体而言，参照图1，第一支撑轴套200和第二支撑轴套300位于相对的两个安装面110；两个第一支撑轴套200位于相邻的两个安装面110；两个第二支撑轴套300位于相邻的两个安装面110，指的是第一支撑轴套200和第二支撑轴套300位于相对独立的两个相对的安装面110上，第一支撑轴套200和第二支撑轴套300用于连接机械臂20，并使机械臂20能绕关节转动。

需要提及的是，参照图1，关节的两端分别连接两个机械臂20，通过第一支撑轴套200和第二支撑轴套300分别带动两个机械臂20进行转动，机械臂20在转动时，和第一支撑轴套200固定的转轴210也同时转动，当转轴210转动时，设置在转轴210上的角度传感设备400会检测转轴210转动的角度，从而间接地检测出和第一支撑轴套200连接的机械臂20的转动角度，并把检测出的角度数据传输给操控人员，从而便于操控人员精准调整机械臂20的转动角度。

在用于连接机械臂20的关节中固定角度传感设备400，用以分别测量两个转轴210的转动角度，从而实时计算出关节所连接的两个机械臂20转动的角度，便于操控人员提高对机械臂20的控制精度。

其中，关节支撑模块100的内部中，而转轴210是插装在关机支撑模块上，并插入至关节支撑模块100内部，将角度传感设备400内置于关节支撑模块100中，在转轴210转动的过程中，角度传感设备400从关节支撑模块100的内部即可检测转轴210转动的角度，分体式的编码器内嵌于关节中，使整个关节趋于小型化，使整个关节的结构更加紧凑，减少关节乃至整个绳驱机械臂20的结构尺寸。

进一步，参照图3和图5，角度传感设备400包括芯片板410和测量磁头420，芯片板410设置于关节支撑模块100的内部，芯片板410设置有霍尔元件；测量磁头420固定于转轴210，至少部分测量磁头420和芯片板410的霍尔元件对应设置；其中，转轴210转动，并通过测量磁头420改变芯片板410的电流。

在使用中，测量磁头420和芯片板410之间通过霍尔效应原理产生电磁感应，从而实时测出转轴210转动的角度。具体而言，转轴210在转动的时候，固定在转轴210上的测量磁头420随着转动，在测量磁头420转动时，会改变整体的磁场分布，根据霍尔效应，芯片板410上的载流体电流将会产生霍尔电动势，根据电压信号的改变，计算出测量磁头420的转动角度，也即转轴210、第一支撑轴套200以及和第一支撑轴套200连接的机械臂20的转动角度。

进一步，参照图7，测量磁头420包括永磁体421和非磁轴套422，永磁体421和芯片板410对应设置，所述永磁体421呈扇形；非磁轴套422套设于转轴210并随转轴210转动，所述永磁体421和所述非磁轴套422固定连接。

在实际操控中，非磁轴套422固定于转轴210上，使整个测量磁头420能随着转轴210转动，而永磁体421具有磁性，用于和霍尔元件产生霍尔效应，以在芯片板410的电路内产生电压信号。具体而言，转轴210在转动时，呈扇形的永磁体421会改变整个磁场的强弱分布，从而通过霍尔元件改变芯片板410上的载流体电流将产生霍尔电动势。根据此电压信号，可以计算出永磁体421转动的角度，也即转轴210、第一支撑轴套200以及和第一支撑轴套200连接的机械臂20的转动角度。

具体而言，上述的实施例中所提及的转轴210转动，是转轴210连接的第一支撑轴套200所连接的臂段被驱动用的绳索所牵引，而实现绕关节的转动，而绳索则可以通过通过电机转动来牵引，此时，和第一支撑轴套200固连的转轴210转动，并带着整个测量磁头420进行转动。

在本发明的实施例的绳驱柔性机械臂关节10中，关节支撑模块100是中空的，而角度传感设备400是内置于关节支撑模块100的中空部分中，从而使整个关节的尺寸更加紧凑，但是一体化的关节支撑模块100不便于安装，因此，参照图4，进一步，关节支撑模块100包括两个呈L型的关节支撑中心块120，两个关节支撑中心块120首尾相连，以组成关节支撑模块100。

具体安装过程如下：

1.先将芯片板410固定于呈L型的关节支撑中心块120的内侧；

2.把转轴210插设于关节支撑中心块120上；

3.将非磁轴套422套设于转轴210上以固定测量磁头420；

4.把两个关节支撑中心块120首尾相连，以在关节支撑模块100的构造出空间；

5.在每个转轴210伸出关节支撑模块100的一端通过同步连杆500与第一支撑轴套200固定连接。

其中，关节支撑中心块120的其中一端设置有连接凸起，连接凸起设置有第一螺孔，关节支撑中心块120的另一端设置有第二螺孔，在同一个关节支撑中心块120中，第一螺孔和第二螺孔的方向是相互垂直，当两个关节支撑中心块120连接时，是通过在两个关节支撑中心块120的第一螺孔和第二螺孔中插入螺纹紧固件来进行固定，从而实现将两个关节支撑中心块120组合成关节支撑模块100。其中，螺纹紧固件可以是螺钉或螺栓等零件。

进一步，关节支撑模块100的内部设置有安装凸台121，所述芯片板410固定在所述安装凸台121上。具体而言，该安装凸台121是位于关节支撑模块100的中空位置中，用于固定芯片板410。其中，设置安装凸台121可以为芯片板410提供安装位置，还能维持芯片板410和测量磁头420之间的距离，避免两者之间的距离发生变化，影响测量出的角度的精准度。

进一步，安装凸台121设置有安装槽122，所述芯片板410嵌设于所述安装槽122内。具体地，将芯片板410嵌设于安装槽122内，能使芯片板410和安装凸台121趋于一个整体，能减少芯片板410安装时所需要的空间，则可以缩小关节支撑模块100的中空部分的空间体积，进一步地，缩小整个关节支撑模块100的体积尺寸，使整个关节的结构更加紧凑。

进一步，安装面110设置有凸缘111，第一支撑轴套200和第二支撑轴套300均设置有第一限位轴承220，第一限位轴承220和凸缘111过盈配合。

凸缘111和第一限位轴承220过盈配合，具有以下的作用：

1.使第一支撑轴套200和第二支撑轴套300套能绕凸缘111的轴心做枢转；

2.约束第一支撑轴套200的径向位置和轴向定位，避免第一支撑轴套200的位置，避免第一支撑轴套200在径向或轴向上发生跳动，影响测量出的角度数据的精确度。

进一步，和第一支撑轴套200配合的所述凸缘111设置有通孔1111，转轴210设置有至少一个第二限位轴承211，转轴210穿设于通孔1111，且通孔1111和第二限位轴承211过盈配合。转轴210通过第二限位轴承211来约束其径向位置，避免转轴210在转动的过程在那个发生跳动，从而避免固定在转轴210上的测量磁头420的位置发生偏移，保证由测量磁头420所改变的电压信号不会发生偏差，保证计算出的角度变化更加准确，提高精准度。

需要提及的是，参照图3、图6和图8，整个的用于转动的结构包括有转轴210、第一限位轴承220、第二限位轴承211和第一支撑轴套200，其中，第二限位轴承211套设于转轴210上，并随着转轴210插设于关节支撑模块100的安装面110上，具体而言，是在上述的凸缘111中设置通孔1111，通孔1111和第二限位轴承211过盈配合，以使转轴210能在关节支撑模块100中转动。其中，为了对整个的转动的结构进行限位，进一步地，关节支撑模块100的内壁固定有压紧装置130，压紧装置130设置有台阶131；第一支撑轴套200设置有轴肩230；其中，通过第一限位轴承220和轴肩230配合，以及第二限位轴承211和台阶131配合，以约束转轴210的轴向位置。

具体而言，在整体的结构中，转轴210和第一支撑轴套200固定连接，转轴210通过第二轴承和通孔1111之间的过盈配合来约束转轴210的径向位置，同时，第一限位轴承220和凸缘111形成过盈配合，从而约束第一支撑轴套200的径向位置，两个约束共同对固定连接的转轴210和第一支撑轴套200提供径向的约束，避免转轴210和第一支撑轴套200在转动的过程中发生径向的跳动。结合图3和图5，第二限位轴承211随着转轴210插设于关节支撑模块100一并伸入到关节支撑模块100的内部，并和压紧装置130相抵的台阶131相抵，从转轴210的A端对转轴210的位置进行约束，同时，第一限位轴承220和轴肩230相抵，从转轴210的B端对转轴210的位置进行约束，A端和B端分别从转轴210相对的两端对转轴210进行限位，从而在轴向上对转轴210进行限位，避免转轴210和第一支撑轴套200在转动轴偏移，保证由测量磁头420所改变的电压信号不会发生偏差，保证计算出的角度变化更加准确，提高精准度。可以理解到，芯片板410和测量磁头420安装到关节支撑模块100的内部，组建了通过电磁感应来测试偏转角度的磁编码器，且在整个关节的内部集成，利用了关节内部的空间，使整体结构更加紧凑且小型化。

进一步，第一支撑轴套200设置有同步连杆500，所述同步连杆500的一端和第一支撑轴套200固定连接，另一端和转轴210固定连接。具体而言，同步连杆500是用于连接第一支撑轴套200和转轴210，将第一支撑轴套200的传动趋势传递给转轴210，而臂杆20和第一支撑轴套200固连，使得转轴210在不承受外力的作用下和臂杆20转动相同角度，减小了轴210受力而引发的轴向和径向跳动，使第一支撑轴套200和转轴210能同步转动，以此来实现通过测量转轴210转动的角度来测量整个第一支撑轴套200以及臂杆20的转动角度，便于操控人员精准调整机械臂20的转动角度。

附图标记列表

10 绳驱柔性机械臂关节

20 机械臂

100 关节支撑模块

110 安装面

111 凸缘

1111 通孔

120 关节支撑中心块

121 安装凸台

122 安装槽

130 压紧装置

131 台阶

200 第一支撑轴套

210 转轴

211 第二限位轴承

220 第一限位轴承

230 轴肩

300 第二支撑轴套

400 角度传感设备

410 芯片板

420 测量磁头

421 永磁体

422 非磁轴套

500 同步连杆

Claims (8)

1.一种绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，包括：

关节支撑模块(100)，内部中空设置，外侧设置有四个相互垂直的安装面(110)；

两个第一支撑轴套(200)，固接有转轴(210)，并通过所述的转轴(210)可转动地连接于所述的安装面(110)；

两个第二支撑轴套(300)，可转动地连接于所述的安装面(110)；

两个角度传感设备(400)，设置于所述的关节支撑模块(100)内，两个所述的角度传感设备(400)分别测量两个所述的转轴(210)的转动角度；

其中，所述的第一支撑轴套(200)和所述的第二支撑轴套(300)位于相对的两个所述的安装面(110)；两个所述的第一支撑轴套(200)位于相邻的两个所述的安装面(110)；两个所述的第二支撑轴套(300)位于相邻的两个所述的安装面(110)；

其中，所述的第一支撑轴套(200)设置有同步连杆(500)，所述同步连杆(500)的一端和所述的第一支撑轴套(200)固定连接，另一端和所述的转轴(210)固定连接；

所述的安装面(110)设置有凸缘(111)，所述的第一支撑轴套(200)和所述的第二支撑轴套(300)均设置有第一限位轴承(220)，所述的第一限位轴承(220)和所述的凸缘(111)过盈配合；

和所述的第一支撑轴套(200)配合的所述凸缘(111)设置有通孔(1111)，所述的转轴(210)设置有至少一个第二限位轴承(211)，所述的转轴(210)穿设于所述的通孔(1111)，且所述的通孔(1111)和所述的第二限位轴承(211)过盈配合。

2.根据权利要求1所述的绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，所述的角度传感设备(400)包括：

芯片板(410)，设置于所述的关节支撑模块(100)的内部，所述的芯片板(410)设置有霍尔元件；

测量磁头(420)，固定于所述的转轴(210)，至少部分所述的测量磁头(420)和所述的霍尔元件对应设置；

其中，所述的转轴(210)转动，并通过所述测量磁头(420)改变所述的芯片板(410)的电流。

3.根据权利要求2所述的绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，所述的测量磁头(420)包括：

永磁体(421)，和所述的芯片板(410)对应设置，所述永磁体(421)呈扇形；

非磁轴套(422)，套设于所述的转轴(210)并随所述的转轴(210)转动，所述永磁体(421)和所述非磁轴套(422)固定连接。

4.根据权利要求3所述的绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，所述的关节支撑模块(100)包括两个呈L型的关节支撑中心块(120)，两个所述的关节支撑中心块(120)首尾相连，以组成所述的关节支撑模块(100)。

5.根据权利要求4所述的绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，所述的关节支撑模块(100)的内部设置有安装凸台(121)，所述芯片板(410)固定在所述安装凸台(121)上。

6.根据权利要求5所述的绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，所述的安装凸台(121)设置有安装槽(122)，所述芯片板(410)嵌设于所述安装槽(122)内。

7.根据权利要求1所述的绳驱柔性机械臂关节(10)，其特征在于，所述的关节支撑模块(100)的内壁固定有压紧装置(130)，所述的压紧装置(130)设置有台阶(131)；

所述的第一支撑轴套(200)设置有轴肩(230)；

其中，通过所述的第一限位轴承(220)和所述的轴肩(230)配合，以及所述的第二限位轴承(211)和所述的台阶(131)配合，以约束所述的转轴(210)的轴向位置。

8.一种基于权利要求4至6中任一项所述的绳驱柔性机械臂关节(10)的安装方法，

其中，关节支撑中心块(120)的首端设置有连接凸起，所述的连接凸起设置有第一螺孔，所述关节支撑中心块(120)的尾端设置有第二螺孔，在同一个所述的关节支撑中心块(120)中的所述的第一螺孔和所述的第二螺孔的设置方向相互垂直；

其特征在于，所述安装方法包括：

在每个呈L型的关节支撑中心块(120)内侧固定芯片板(410)；

在每个关节支撑中心块(120)上插设转轴(210)；

将非磁轴套(422)套设于转轴(210)上以固定测量磁头(420)；

将两个关节支撑中心块(120)首尾相连，以在关节支撑模块(100)的构造出空间；

在两个关节支撑中心块(120)的第一螺孔和第二螺孔中插入螺纹紧固件进行固定，从而实现将两个关节支撑中心块(120)组合成关节支撑模块(100)；

在每个转轴(210)伸出关节支撑模块(100)的一端通过同步连杆(500)与第一支撑轴套(200)固定连接。

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