CN201511369U - 一种模块化的机器人操作臂 - Google Patents

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张宪民
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Abstract

本实用新型公开一种模块化的机器人操作臂。该种机器人由五或六个关节模块和一个末端操作器组成。每个关节模块具有一个转动自由度，由直流伺服电机驱动。关节模块有两种型式，其关节转轴分别与关节连杆轴线平行和垂直，各称为I型和T型。各模块按串联方式依次用卡环连接，五自由度机器人从基座到末端的关节模块顺序为：I型关节-T型关节-T型关节-I型关节-T型关节-末端操作器，前两个T型关节模块的转轴互相平行。六自由度机器人在前述基础上在末端操作器之前加装一个I型关节模块。该种机器人具有系统构建容易、构型改变方便、结构和控制简单、扩展性好等特点，可广泛用制造、搬运和服务等作业。

Description

一种模块化的机器人操作臂
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，具体而言涉及一种用模块化方法构建的具有多个自由度的串联式关节型机器人操作臂。
背景技术
机器人操作臂已广泛用于工业，在自动化生产中用于焊接、喷涂、装配、搬运等作业。操作臂也可作为执行系统加装在其它载体例如传送带上以增大工作范围，或移动机器人上执行排爆任务。尽管机器人操作臂针对某种应用具有很大的灵活性和弹性，但现有的多数操作臂往往针对特定的使用目的和场合，只有一种主要功能，自由度和构型都固定不变，缺乏功能的扩展性和构型的重构性。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，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。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有机器人操作臂构建复杂、构型固定不可改变等缺点，提供一种由若干独立模块组成的便于拆装、构型可改变的模块化的机器人操作臂。
为实现此目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种模块化的机器人操作臂，可以采用五个或六个自由度。相应地本模块化操作臂由五个或六个关节模块和一个末端功能模块组成，包括三个T型关节模块和两个或三个I型关节模块。各模块之间采用串联方式依次连接，从基座到末端顺序为：基座-I型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-I型关节模块-T型关节(-I型关节)-末端功能模块。前两个T型关节模块的转轴互相平行，并与两端的I型关节模块的转轴互相垂直。
所述I型关节模块是指只有一个转动自由度且关节转轴与连杆轴线重合或平行的关节模块。关节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。谐波减速器通过一个轴输出到一个中心直齿轮，而中心直齿轮通过两个对称分布的过渡轮驱动一个内齿直齿轮作进一步减速增力并保持传动方向，内齿轮带动关节模块的另一部分作相对转动，最后驱动关节的输出件。
所述T型关节模块只有一个转动自由度且关节转轴与连杆轴线垂直的关节模块。关节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。谐波减速器通过一个轴进行输出，再通过一对锥齿轮作进一步减速与增力并改变传动方向。大锥齿轮通过一根关节轴带动关节模块的另一部分作相对转动，进行速度和力的输出。
上述模块化的关节型机器人操作臂中，所述末端功能模块是指装在机器人末端能满足任务需要、执行某种作业的专用设备，例如夹持器、焊枪、喷漆头和吸盘等。以夹持器为例，模块由电机驱动，通过减速机构和平行四边形机构驱动两只夹具进行开闭运动。电机前端与谐波减速器相连，进行减速增力。谐波减速器再通过一个轴输出到蜗杆，而蜗杆与蜗轮主动杆啮合，作进一步减速增力。夹持器壳体、蜗轮主动杆、从动杆和夹具一起构成平行四边形机构，将蜗轮主动杆的圆周运动变为夹具的平动并输出动力。
本实用新型的机器人操作臂具有如下特点：
1)模块化：由五个或六个单自由度的关节模块和一个末端功能模块构成，包括三个T型关节模块和两个或三个I型关节模块。模块之间通过卡环实现连接和紧固。机器人的构建和拆装简单、方便和快速。
2)串联结构：各模块采用串联方式依次连接。
本实用新型与现有技术相比，还具有如下优点和效果：
(1)采用模块化方法构建机器人操作臂，主体只由两种单自由度关节模块组成，构建容易，设计、制造和维护简单，成本较低；
(2)根据任务的需要，通过加减一个关节模块即可改变机器人的自由度数目(例如在五自由度操作臂的基础上，在末端功能模块和T型关节模块之间前加装一个I型关节模块即成为六自由度操作臂)。
附图说明
图1是本实用新型五自由度机器人外观图；
图2是本实用新型五自由度机器人机构示意图；
图3是本实用新型I型关节模块外观图；
图4是本实用新型I型关节模块剖面图；
图5是本实用新型T型关节模块外观图；
图6是本实用新型T型关节模块剖面图；
图7是本实用新型夹持器外观图；
图8是本实用新型夹持器剖面图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合附图以带末端夹持器的五自由度机器人为例对本实用新型作进一步地描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
图1和图2分别示出了本实用新型构建的机器人的外观图和机构示意图。如图所示，该机器人操作臂具有五个自由度，共有六个模块。本体由五个单自由度模块0-2和0-3组成，一端连接法兰盘0-1并固定在操作台上，另一端连接末端功能模块即夹持器0-5。各模块依次以串联方式连接，顺序为：法兰盘-I型关节-T型关节-T型关节-I型关节-T型关节-夹持器。各关节模块之间用卡环0-4进行连接。卡环的内环纵截面为凹的梯形槽，卡环有个开口，开口部分穿过螺栓，拧紧卡环上的螺栓和螺母即可将相连的两个零件紧固连接。前两个T型关节模块0-3的关节转轴互相平行，并自然地与两端的I型关节模块0-2的关节轴垂直。通过改变三个T型关节和两个I形关节的角位移即可调整夹持器的位置和姿态。夹持器两个夹具闭合或张开即可对物体进行抓持或释放操作。
如图3和图4所示分别为I型关节模块的外观图和剖面图。I型关节模块的转轴与关节连杆的轴线重合或平行。零部件包括：伺服电机及光电编码器组件1-1、关节套筒1-2、电机轴套1-3、电机座1-4、关节基座1-5、轴承端盖1-6、轴承座1-7、角接触球轴承及外轴套1-8、轴承端盖1-9、内齿轮1-10、关节输出端连接件1-11、过渡齿轮轴1-12、过渡齿轮1-13、谐波减速器输出轴1-14、中心齿轮1-15、小轴承端盖1-16、轴套1-17、角接触球轴承1-18、谐波减速器输出过渡盘1-19和盘式谐波减速器组件1-20。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1-1。电机的前端面与电机座1-4用螺钉(沿轴向)相连接。电机外面的关节套筒1-2的一端套在电机座1-4上，并沿圆周方向与电机座1-4用螺钉(沿径向)相连接。电机座1-4与关节基座1-5也用螺钉沿轴向紧固。电机的输出轴与电机轴套1-3相连接，用两个径向顶丝紧固。电机轴套1-3与谐波减速器1-20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三大件1-2，其中的输入刚轮与电机座1-4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1-19紧固连接，过渡圆盘1-19再用通过螺钉与谐波减速器输出轴1-14连接。波减速器输出轴1-14通过一对角接触轴承1-18支承于关节基座1-5中，两个轴承之间有内圈套筒1-17，一端用轴承套1-16定位和预紧。波减速器输出轴1-14的输出端上安装一个直齿轮作为中心齿轮1-15，通过对称的两个直键传递运动和动力。中心齿轮1-15与两个对称分布的过渡直齿轮1-13啮合。每个过渡直齿轮1-13通过内孔中的轴承支承在其齿轮轴1-12上，而后者(1-12)通过其上的螺纹固定安装在关节基座1-5上。过渡直齿轮1-13与内齿轮1-10啮合。内齿轮1-10、轴承座1-7和关节输出端连接件1-11三者通过轴向螺钉连接紧固，成为关节模块的最后输出部件。这个输出输出部件通过一对角接触球轴承及外轴套1-8支承在关节基座1-5上。轴承端盖1-6对这对角接触球轴承进行轴向定位和预紧。该关节模块的工作过程和运动原理如下：电机的输出轴驱使电机轴套1-3转动，而电机轴套1-3又带动谐波减速器1-20的波发生器。谐波减速器1-20减速增力，通过输出轴1-14将运动和动力传递到中心齿轮1-15上。中心齿轮1-15驱动两个过渡齿轮1-13，进而驱动内齿轮1-10。内齿轮1-10与轴承座1-7和关节输出端连接件1-11紧固，完成整个关节模块的运动和动力的输出。
如图5和图6所示分别为T型关节模块的外观图和剖面图。T型关节模块的转轴与关节连杆的轴线互相垂直。零部件包括：伺服电机及光电编码器组件2-1、关节套筒2-2、电机座2-3、关节基座2-4、角接触球轴承2-5、轴承套环2-6、内轴套2-7、小锥齿轮2-8、齿轮端盖2-9、关节轴端盖2-10、关节轴2-11、关节盖2-12、大锥齿轮2-13、关节连接件2-14、关节轴角接触球轴承2-15、关节轴端盖2-16、轴承端盖2-17、轴承端盖2-18、谐波减速器输出轴2-19、谐波减速器输出过渡盘2-20、盘式谐波减速器组件2-21和电机轴套2-22。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2-1。电机的前端面与电机座2-3用螺钉(沿轴向)相连接。电机外面的关节套筒2-2的一端套在电机座2-3上，并沿圆周方向与电机座2-3用螺钉(沿径向)相连接。电机座2-3与关节基座2-4也用螺钉沿轴向紧固。电机的输出轴与电机轴套2-22相连接，用两个径向顶丝紧固。电机轴套2-22与谐波减速器组件2-21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三大组件2-21，其中的输入刚轮与电机座2-3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2-20紧固连接，过渡圆盘2-20再用通过螺钉与谐波减速器输出轴2-19连接。波减速器输出轴2-19通过一对角接触轴承2-5支承于关节基座2-4中，两个轴承之间有轴承套2-6，一端用轴承套2-18进行轴向定位和预紧。波减速器输出轴2-19的输出端上安装一个小锥齿轮2-8，通过对称的两个直键传递运动和动力，用齿轮端盖2-9作轴向锁紧。小锥齿轮2-8与角接触轴承2-5之间用内轴套2-7作轴向间隔。小锥齿轮2-8与大锥齿轮2-13啮合，而后者安装于关节轴2-11上，通过一对直键传递运动和动力。关节轴2-11用一对角接触球轴承2-15支承于关节基座2-4上，两个轴承端盖2-17对角接触球轴承2-15进行轴向定位和预紧。关节轴2-11两端通过两个端盖2-10与关节连接件2-14固连，并用端盖2-16进行轴向定位和锁紧。该关节模块的工作过程和运动原理如下：电机的输出轴驱使电机轴套2-22转动，而电机轴套2-22又带动谐波减速器组件2-21的波发生器。谐波减速器组件2-21减速增力，通过输出轴2-19将运动和动力传递到小锥齿轮2-8上。小锥齿轮2-8驱动大锥齿轮2-13，实现了运动方向的90度改变。大锥齿轮2-13将运动和动力传递到关节轴2-11，而后者与关节轴端盖2-10固接，将运动和动力传递到关节连接件2-14。整个关节模块的运动和动力通过关节连接件2-14输出。
如图7和图8所示为夹持器模块的外观图和剖面图。夹持器模块的零部件包括：驱动电机及检测组件3-1、端座3-2、电机轴套3-3、谐波减速器输出过渡盘3-4、夹持器壳体3-5、从动杆3-6、蜗轮主动杆3-7、夹具3-8、轴承外端盖3-9、轴承内端盖3-10、蜗杆轴角接触球轴承3-11、蜗轮轴角接触球轴承3-12、谐波减速器输出轴3-13、蜗杆3-14、盘式谐波减速器组件3-15、蜗轮轴端盖3-16和盖板3-17。驱动电机为盘式无刷直流电机，电机内有霍尔元件用于检测电机的角位移和角速度。电机的前端面与端座3-2用螺钉沿轴向相连接。端座3-2与夹持器壳体3-5也用螺钉沿轴向紧固。电机的输出轴与电机轴套3-3相连接，用两个径向顶丝紧固。电机轴套3-3与盘式谐波减速器组件3-15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3-15，其中的输入刚轮与端座3-2用螺钉沿轴向紧固，输出刚轮用螺钉沿轴向与谐波减速器输出过渡盘3-4紧固连接，过渡盘3-4再通过螺钉与谐波减速器输出轴3-13连接。谐波减速器输出轴3-13通过一对角接触轴承3-11支承于夹持器壳体3-5中，一端用轴承外端盖3-9和轴承内端盖3-10进行轴向定位和预紧。谐波减速器输出轴3-13又与蜗杆3-14相连接，并通过一个直键传递运动和动力。蜗轮主动杆3-7通过一对蜗轮轴角接触球轴承3-12分别支承于挟持器壳体3-5和盖板3-17内；而盖板3-17通过径向螺钉与夹持器壳体3-5紧固连接；蜗轮轴端盖3-16对蜗轮轴角接触球轴承3-12施加预紧力，并对蜗轮主动杆3-7进行定位；蜗杆3-14于蜗轮主动杆3-7啮合；而蜗轮主动杆3-7和从动杆3-6又通过销钉和夹具3-8铰接。该功能模块的工作过程和运动原理如下：电机的输出轴驱使电机轴套3-3转动，而电机轴套3-3又带动谐波减速器组件3-15的波发生器。谐波减速器3-15减速增力，通过输出轴3-13将运动和动力传递到蜗杆3-14上。蜗杆3-14驱动蜗轮主动杆3-7进行减速增力。而蜗轮主动杆3-7和从动杆3-6又通过销钉与夹具3-8铰接，形成一个平行四杆机构，将运动和动力传递到夹具3-8。这样电机的转动最终转换成两个夹具的直线运动，形成夹持器的开闭动作。

Claims (6)

1.一种模块化的机器人操作臂，其特征在于由六个独立模块构成，包括三个T型关节模块、两个I型关节模块和一个末端功能模块，该操作臂具有五个自由度；关节模块采用串联方式通过卡环依次连接，各模块从基座端到末端的顺序为：I型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-I型关节模块-T型关节模块-末端功能模块，两个相邻的T型关节模块的转轴互相平行。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的机器人操作臂，其特征在于由七个独立模块构成，包括三个T型关节模块、三个I型关节模块和一个末端功能模块，该操作臂具有六个自由度，各模块从基座端到末端的顺序为：I型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-I型关节模块-T型关节模块-I型关节模块-末端功能模块，两个相邻的T型关节模块的转轴互相平行。
3.根据权利要求1或2所述的一种模块化的机器人操作臂，其特征在于所述末端功能模块包括夹持器、焊枪、喷漆头或吸盘。
4.根据权利要求1或2所述的模块化的机器人操作臂，其特征在于所述I型关节模块包括伺服电机及光电编码器组件(1-1)、关节套筒(1-2)、电机轴套(1-3)、电机座(11-4)、关节基座(1-5)、轴承端盖(1-6)、轴承座(1-7)、角接触球轴承及外轴套(1-8)、轴承端盖(1-9)、内齿轮(1-10)、关节输出端连接件(1-11)、过渡齿轮轴(1-12)、过渡齿轮(1-13)、谐波减速器输出轴(1-14)、中心齿轮(1-15)、小轴承端盖(1-16)、轴套(1-17)、角接触球轴承(1-18)、谐波减速器输出过渡盘(1-19)和盘式谐波减速器组件(1-20)，各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件(1-1)与电机座(1-4)通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套(1-3)与盘式谐波减速器组件(1-20)的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件(1-20)的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与电机座(1-4)和谐波减速器输出过渡盘(1-19)紧固连接，而后者(1-19)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴(1-14)紧固连接；关节套筒(1-2)套在电机座(1-4)上并沿圆周方向用径向螺钉紧固；电机座(1-4)通过轴向螺钉与关节基座(1-5)紧固连接；轴承座(1-7)通过角接触球轴承及外轴套(1-8)支承于关节基座(1-5)上；角接触球轴承及外轴套(1-8)通过轴承端盖(1-6)定位和施加预紧力；谐波减速器输出轴(1-14)通过两个键与中心齿轮(1-15)连接，而中心齿轮(1-15)又与对称分布的两个过渡齿轮(1-13)啮合；两个过渡齿轮轴(1-12)通过其上的螺纹与关节基座(1-5)紧固连接，并通过轴承与过渡齿轮(1-13)连接；两个过渡齿轮(1-13)与内齿轮(1-10)啮合；内齿轮(1-10)、关节输出端连接件(1-11)和轴承座(1-7)三者通过轴向螺钉紧固连接。
5.根据权利要求1或2所述的模块化的机器人操作臂，其特征在于所述T型关节模块包括伺服电机及光电编码器组件(2-1)、关节套筒(2-2)、电机座(2-3)、关节基座(2-4)、角接触球轴承(2-5)、轴承套环(2-6)、内轴套(2-7)、小锥齿轮(2-8)、齿轮端盖(2-9)、关节轴端盖(2-10)、关节轴(2-11)、关节盖(2-12)、大锥齿轮(2-13)、关节连接件(2-14)、关节轴角接触球轴承(2-15)、关节轴端盖(2-16)、轴承端盖(2-17)、轴承端盖(2-18)、谐波减速器输出轴(2-19)、谐波减速器输出过渡盘(2-20)、盘式谐波减速器组件(2-21)和电机轴套(2-22)，各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件(2-1)与电机座(2-3)通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套(2-22)与盘式谐波减速器组件(2-21)的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件(2-21)的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与电机座(2-3)和谐波减速器输出过渡盘(2-20)紧固连接，而谐波减速器输出过渡盘(2-20)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴(2-19)紧固连接；关节套筒(2-2)套在电机座(2-3)上并沿圆周方向用径向螺钉紧固；电机座(2-3)通过轴向螺钉与关节基座(2-4)紧固连接；谐波减速器输出轴(2-19)通过角接触球轴承及轴承套环(2-5)和(2-6)支承于关节轴承座(2-4)内，输出端与小锥齿轮(2-8)连接，用齿轮端盖(2-9)紧固；小锥齿轮(2-8)与角接触球轴承(2-5)之间通过内轴套(2-7)作轴向间隔；小锥齿轮(2-8)与大锥齿轮(2-13)啮合，而后者安装于关节轴(2-11)上；关节轴(2-11)用角接触球轴承(2-15)支承于关节基座(2-4)上，两端通过关节轴端盖(2-10)与关节连接件(2-14)固连。
6.根据权利要求1或2所述的模块化的机器人操作臂，其特征在于所述夹持器模块包括驱动电机及检测组件(3-1)、端座(3-2)、电机轴套(3-3)、谐波减速器输出过渡盘(3-4)、夹持器壳体(3-5)、从动杆(3-6)、蜗轮主动杆(3-7)、夹具(3-8)、轴承外端盖(3-9)、轴承内端盖(3-10)、蜗杆轴角接触球轴承(3-11)、蜗轮轴角接触球轴承(3-12)、谐波减速器输出轴(3-13)、蜗杆(3-14)、盘式谐波减速器组件(3-15)、蜗轮轴端盖(3-16)和盖板(3-17),各零部件的连接方式为：驱动电机及检测组件(3-1)与端座(3-2)通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套(3-3)与盘式谐波减速器组件(3-15)的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件(3-15)的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与端座(3-2)和谐波减速器输出过渡盘(3-4)紧固连接，而后者(3-4)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴(3-13)紧固连接；端座(3-2)通过轴向螺钉与夹持器壳体(3-5)紧固连接；谐波减速器输出轴(3-13)通过一对蜗杆轴角接触球轴承(3-11)支承于夹持器壳体(3-5)内；蜗杆(3-14)通过一个平键与谐波减速器输出轴(3-13)相联；轴承外端盖(3-9)、轴承内端盖(3-10)对蜗杆轴角接触球轴承(3-11)施加预紧力并对蜗杆进行轴向定位；蜗轮主动杆(3-7)通过一对蜗轮轴角接触球轴承(3-12)分别支承于夹持器壳体(3-5)和盖板(3-17)内；而盖板(3-17)通过螺钉与夹持器壳体(3-5)紧固连接；蜗轮轴端盖(3-16)对蜗轮轴角接触球轴承(3-12)施加预紧力，并对蜗轮主动杆(3-7)进行轴向定位；蜗杆(3-14)与蜗轮主动杆(3-7)啮合；而蜗轮主动杆(3-7)和从动杆(3-6)又通过销钉与夹具(3-8)铰接。
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