CN201291458Y

CN201291458Y - 一种t型单自由度机器人关节模块

Info

Publication number: CN201291458Y
Application number: CNU2008202027403U
Authority: CN
Inventors: 管贻生; 江励; 张宪民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2018-10-31

Abstract

本实用新型涉及一种T型单自由度机器人关节模块。该关节模块具有一个转动自由度，其关节转轴与模块连接轴线垂直，称为T型关节模块。它配以相应的控制系统即可实现运动或力矩控制，关节零位和极限位置用霍尔开关检测。主要包括伺服电机及光电编码器组件、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出轴、关节套筒、电机座、关节基座、轴承及轴套和端盖、一对锥齿轮和关节轴等。电机的输出轴通过轴套与谐波减速器的波发生器连接，而谐波减速器输出轴与小锥齿轮固接，小锥齿轮与大锥齿轮啮合，后者再与关节轴连接，关节轴与输出连接件固连，最终实现运动和动力的传输。本模块结构紧凑，与其它模块或零部件连接方便，可组合构建多种机器人或其它机电系统。

Description

一种T型单自由度机器人关节模块

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体而言涉及一种单自由度机器人关节模块。

背景技术

机器人技术迄今取得了很大的发展，但离在社会生产和人类生活中大量和普遍应用还有相当大的距离。究其原因，重要因素包括机器人本身的功能、性能和智能以及系统的复杂性和高昂成本。尽管机器人针对某种应用具有很大的灵活性和弹性，但现有的多数机器人系统往往针对特定的使用目的和场合只有一种主要功能和固定构型，缺乏功能的扩展性和构型的重构性。综合和集成多种功能于一身是目前和未来机器人系统开发的一大重要趋势。此外，针对每一领域和每项应用都开发特定的机器人所花费的代价很大，严重制约机器人的推广应用。因此，多功能、易构建和低成本是机器人新系统开发中的重要目标。为此，模块化是个有效方法，是当前机器人研究和开发中的一个趋势和特点。模块化能简化设计制造和维护、缩短研制周期、降低研制成本，大大增强系统构建时的灵活性和弹性，正成为系统开发的重要设计方法。可变形和可重构的机器人的核心思想就是模块化，整个机器人就是若干模块的有效组合。类似地，蛇形机器人无一例外也由若干个关节模块依次串接而成，例如沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人即由很多单自由度关节模块组成(中国专利号：ZL01248525.X)。在工业机器人方面，德国Amtec公司已开发出单自由度的机器人关节模块(德国专利号DE19939646.A1)并已商品化。然而，由于关节模块类型单一，外形结构为方形，模块之间的连接有的需要专用的连接块，由它们搭建的操作机在机械构型上不理想。韩国也研制了机器人关节模块(专利号：KR2005113975-A)。由于机器人模块化在组建系统时极具柔性，可以自由地构建多自由度的系统，在太空机器人系统开发中也受到青睐，无论是加拿大的太空机器人Canadarm，还是美国机器人研究公司开发的21自由度3机器人试验床，都采用了模块化设计方式。在国内，针对太空机器人的需要，北航和北京邮电大学在开发双自由度关节模块，哈工大也已研制了模块化关节(专利号：ZL1807032.A)。模块化设计在移动机器人、爬壁机器人、管内爬行机器人和多指手研究开发中也很常用。虽然目前已有不少关节模块被开发出来，但它们要么种类单一(如Amtec的PowerCube)，或者价格极其高昂(如Robotics Research的模块)，或者模块自由度偏多(如TODOM有两个自由度，只能构成偶数自由度的机器人)，或者模块本身简易而有针对性(如各种面向可重构机器人或蛇形机器人的微小型关节模块)，难以满足搭建常规尺寸的任意机器人的广泛需求。转动关节型机器人中有两种关节类型，其关节轴线分别与关节连杆共线或垂直(这里分别称为I型关节和T型关节)，而在现有的常规尺寸单自由度关节模块中，只有I型关节模块而没发现有T型关节模块。用I型关节模块来搭建机器人有时需要根据构型设计和制造专用的模块连接件，没有充分实现机器人构建的灵活性和快捷性。如果有对应的T型关节模块就能弥补这个不足和缺陷。因此，有必要开发结构紧凑的常规大小的单自由度T型关节模块。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为降低机器人设计、制造、调试、使用和维护的成本，增加机器人系统构建的灵活性和快速性而提供一种结构紧凑、连接和使用方便的T型单自由度机器人关节模块。该关节模块具有一个转动自由度，其转轴与模块的轴线垂直，称为T型关节模块。它配以相应的控制系统即可实现运动或力矩控制，零位用霍尔开关检测。主要包括伺服电机及光电编码器组件、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出轴、关节套筒、电机座、关节基座、轴承及相应的轴套和端盖、小锥齿轮、大锥齿轮和关节轴等。伺服电机的输出轴通过轴套与谐波减速器的波发生器连接，而谐波减速器输出轴与小锥齿轮固接，小锥齿轮与大锥齿轮啮合，后者再与关节轴连接，关节轴与输出连接件固连，最终实现运动和动力的传输。

为实现本实用新型的目的，采用如下的技术方案：

模块的关节轴线与连杆的轴线垂直，由直流伺服电机驱动。电机的后端与用于检测转角位移和角速度的光电编码器直接相联，前端与谐波减速器相连，进行减速增力。为控制关节的重量和轴向尺寸，一级减速器采用盘式谐波减速器组件。谐波减速器通过一个轴输出到一个小锥齿轮，而小锥齿轮与一个大锥齿轮啮合，作进一步减速增力和将传动方向改变90度。大锥齿轮与关节轴固连，而关节轴又与模块的输出连接件固连，将关节的运动和动力输出。具体结构包括：伺服电机及光电编码器组件1、关节套筒2、电机座3、关节基座4、角接触球轴承及轴承套环5和6、内轴套7、小锥齿轮8、齿轮端盖9、关节轴端盖10、关节轴11、关节盖12、大锥齿轮13、关节输出连接件14、关节轴角接触球轴承15、关节轴固定片16、轴承端盖17、轴承端盖18、谐波减速器输出轴19、谐波减速器输出过渡盘20、盘式谐波减速器组件21和电机轴套22。各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件1与电机座3通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套22与盘式谐波减速器组件21的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件21的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与电机座3和谐波减速器输出过渡盘20紧固连接，而后者(20)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴19紧固连接；关节套筒2套在电机座3上并沿圆周方向用径向螺钉紧固；电机座3通过轴向螺钉与关节基座4紧固连接；谐波减速器输出轴19通过角接触球轴承及轴承套环5和6支承于关节轴承座4内，输出端与小锥齿轮8连接，用齿轮端盖9紧固；小锥齿轮8与角接触球轴承5之间通过内轴套7作轴向间隔；小锥齿轮8与大锥齿轮13啮合，而后者安装于关节轴11上；关节轴11用角接触球轴承15支承于关节基座4上，两端通过关节轴端盖10与关节输出连接件14固连。电机及光电编码器组件(1)、关节套筒(2)、电机座(3)、关节基座(4)、盘式谐波减速器组件(21)、谐波减速器输出轴(19)和小锥齿轮(8)的轴线重合，并与关节轴(11)的中心线垂直，形成一个T字型。关节轴(11)的中心线与关节输出连接件(14)的轴线垂直，也形成一个T字型。

关节零位和关节限位采用霍尔开关检测。霍尔开关由霍尔元件23和作为触发用的小磁铁块24组成。限位开关(检测正负转向的极限位置)的霍尔元件23分别安装在关节基座4颈部上下两个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块24分别镶嵌在关节输出连接件14的连接端对应的上下两个小孔中。零位开关的霍尔元件23安装在关节基座4颈部侧面的一个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块镶嵌24在关节输出连接件14关节轴支耳的一个小孔中。

本实用新型具有如下优点：

1.由于主减速机构采用盘式谐波减速器的三大件，其基座与关节座设计成为一体，因而本实用新型结构紧凑、轴向尺寸较小。

2.由于采用卡环结构与其它模快直接连接和锁紧，不需要其它专用的过渡或换向连接件，连接和拆卸简单、方便和快捷；

3.限位开关和零位开关采用霍尔元件，尺寸小，容易嵌入其它零部件中，安装简单方便；无机械接触和磨损，可靠性好。

附图说明

图1是本实用新型实施方式中T型单自由度机器人关节模块的外观图；

图2是图1所示关节模块的剖面图；

图3是关节模块限位开关的安装示意图(局部剖面图)。

图4是关节模块零位开关的安装示意图(图1的A-A局部剖面)。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述，但其实施方式不限于此。

如图1所示为本实施方式关节模块的外观图。图中的关节套筒2、电机座3、关节基座4固连在一起，而关节轴端盖10、关节轴11和关节轴固定片16以及关节输出连接件14也固连成一体，这两部分能作相对转动。

如图2所示为本关节模块的剖面图。在图2中，模块的关节轴线与连杆中心线垂直。零部件包括：伺服电机及光电编码器组件1、关节套筒2、电机座3、关节基座4、角接触球轴承及轴承套环5和6、内轴套7、小锥齿轮8、齿轮端盖9、关节轴端盖10、关节轴11、关节盖12、大锥齿轮13、关节输出连接件14、关节轴角接触球轴承15、关节轴固定片16、轴承端盖17、轴承端盖18、谐波减速器输出轴19、谐波减速器输出过渡盘20、盘式谐波减速器组件21和电机轴套22。驱动电机为直流伺服电机，电机与用于角位移和角速度检测的光电编码器集成，即电机轴后端直接连接光电编码器，成为伺服电机及光电编码器组件1。电机的前端面与电机座3用螺钉(沿轴向)相连接。电机外面的关节套筒2的一端套在电机座3上，并沿圆周方向与电机座3用螺钉(沿径向)相连接。电机座3与关节基座4也用螺钉沿轴向紧固。电机的输出轴与电机轴套22相连接，用两个径向顶丝紧固。电机轴套22与谐波减速器21的波发生器相连接，通过一个直键传递运动和动力。为了得到较小的关节模块长度，一级减速采用扁平盘状的谐波减速器组件21(其中的三大件没有在图中单独示出)，其中的输入刚轮与电机座3用螺钉沿轴向紧固，输出刚轮用螺钉沿轴向与谐波减速器过渡圆盘20紧固连接，过渡圆盘20再用通过螺钉与谐波减速器输出轴19连接。波减速器输出轴19通过一对角接触轴承5支承于关节基座4中，两个轴承之间有轴承套6，一端用轴承套18进行轴向定位和预紧。波减速器输出轴19的输出端上安装一个小锥齿轮8，通过对称的两个直键传递运动和动力，用齿轮端盖9作轴向锁紧。小锥齿轮8与角接触轴承5之间用内轴套7作轴向间隔。小锥齿轮8与大锥齿轮13啮合，而后者安装于关节轴11上，通过一对直键传递运动和动力。关节轴11用一对角接触球轴承15支承于关节基座4上，两个轴承端盖17对角接触球轴承15进行轴向定位和预紧。关节轴11两端通过两个端盖10与关节输出连接件14固连，并用端盖16进行轴向定位和锁紧。

如图3和图4所示分别为关节限位开关和零位开关的安装示意图(局部剖面图)。它们由霍尔元件23和作为触发用的小磁铁块24组成。图3中，限位开关(检测正负转向的极限位置)的霍尔元件23分别安装在关节基座4颈部上下两个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块24分别镶嵌在关节输出连接件14的连接端对应的上下两个小孔中。图4中，零位开关霍尔元件23安装在关节基座4颈部侧面的一个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块24镶嵌在关节输出连接件14关节轴支耳的一个小孔中。

Claims

1.一种T型单自由度机器人关节模块，其特征在于：包括伺服电机及光电编码器组件(1)、关节套筒(2)、电机座(3)、关节基座(4)、角接触球轴承(5)及轴承套环(6)、内轴套(7)、小锥齿轮(8)、齿轮端盖(9)、关节轴端盖(10)、关节轴(11)、关节盖(12)、大锥齿轮(13)、关节输出连接件(14)、关节轴角接触球轴承(15)、关节轴固定片(16)、轴承端盖(17)、轴承端盖(18)、谐波减速器输出轴(19)、谐波减速器输出过渡盘(20)、盘式谐波减速器组件(21)和电机轴套(22)，各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件(1)与电机座(3)通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套(22)与盘式谐波减速器组件(21)的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件(21)的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与电机座(3)和谐波减速器输出过渡盘(20)紧固连接，谐波减速器输出过渡盘(20)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴(19)紧固连接；关节套筒(2)套在电机座(3)上并沿圆周方向用径向螺钉紧固；电机座(3)通过轴向螺钉与关节基座(4)紧固连接；谐波减速器输出轴(19)通过角接触球轴承(5)及轴承套环(6)支承于关节轴承座(4)内，输出端与小锥齿轮(8)连接，用齿轮端盖(9)紧固；小锥齿轮(8)与角接触球轴承(5)之间通过内轴套(7)作轴向间隔；小锥齿轮(8)与大锥齿轮(13)啮合，而后者安装于关节轴(11)上；关节轴(11)用角接触球轴承(15)支承于关节基座(4)上，两端通过关节轴端盖(10)与关节输出连接件(14)固连；所述电机及光电编码器组件(1)、关节套筒(2)、电机座(3)、关节基座(4)、盘式谐波减速器组件(21)、谐波减速器输出轴(19)和小锥齿轮(8)的轴线重合，并与关节轴(11)的中心线垂直，形成一个T字型，关节轴(11)的中心线与关节输出连接件(14)的轴线垂直，也形成一个T字型。

2.根据权利要求1所述的T型单自由度机器人关节模块，其特征还包括：零位开关和限位开关，该两开关都由霍尔元件(23)和作为触发用的小磁铁块(24)组成；用于检测正负转向极限位置的限位开关的霍尔元件(23)分别安装在关节基座(4)颈部上下两个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块(24)分别镶嵌在关节输出连接件(14)的连接端对应的上下两个小孔中；零位开关的霍尔元件(23)安装在关节基座(4)颈部侧面的一个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块24镶嵌在关节输出连接件(14)关节轴支耳的一个小孔中。