CN102431038A - 多自由度机械臂模块化关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度机械臂模块化关节，包括两个以上模块化关节串联且同轴旋转，模块化关节包括关节一和关节二连接为一体，其中，关节一包括传递动力输入轴、该动力输入轴上设有都第一谐波减速器和第一离合器；关节二包括与所述关节一输入轴连接的传动轴，该传动轴与第一离合器相连，第二离合器衔铁与分动传动机构相连接，该分动传动机构分别与第二谐波减速器。本发明采用了模块化关节的结构方式，构成的机械臂开发周期短、较容易构成多自由度的；本发明的模块化关节，通过分动与传动的方式让多个模块化关节可以共用一个动力源，从而能够减少伺服电机、编码器、驱动器的使用数量，有利于降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械臂的模块化关节。
背景技术
机器人关节是机器人的基础部件，其性能优劣直接影响机器人的性能。随着机电技术的不断发展，机器人关节呈现出大力矩、高精度、反应灵敏、小型化、光机电一体化、标准化和模块化的发展趋势。
各类模块化关节的主要结构有平行式模块化关节、垂直式模块化关节、皇冠齿轮式模块化关节等。
由于模块化机器人关节具有冗余程度高、结构简单可靠、维护方便、负载/承重比高的一系列优点。模块化关节的典型应用领域是空间机械臂，加拿大空间局（CSA）的空间机器人Canadarm2是唯一在实际工作中应用的空间机器人手臂。日本宇宙开发事业团（NSADA）的ETS-V2是世界上第一个装有机械臂的卫星***。美国国家航空航天局（NASA）已经为宇航员开发了一个称之为“Robonaut”的机器人助手，其双臂采用模块化关节。德国宇航中心（DLR）已经开发了三代轻型机器人，其采用与人手臂类似的结构，肩关节、肘关节、腕关节均采用了模块化设计方案。美国敏捷机器人***研究公司（AGILE SYSTEMS Robotics Research Corporation）按模块化的原则研制了一系列共18种不同规格的模块化关节，可以通过自由组合，适用于空间、工业等多种领域。
近年来，工业机器人机械臂也逐渐向模块化趋势发展，日本安川电机的MOTOMAN-DA20”和“MOTOMAN-IA20”采用局部模块化设计，配备有两个6轴驱动的机械臂，可以全面代替人类完成组装及搬运作业的需求。瑞士ABB集团的最新概念工业机器人FRIDA采用了垂直式模块化关节、平行是模块化关节共同构成双臂12自由度的工业机器人***，能够完全适应人类工作空间的要求。
随着我国空间技术的进步，在不久的将来，我国将探索月球、火星甚至其它星体，这些前沿探索离不开空间机械臂，模块化关节是空间机械臂的重要组成部分。我国研究机构开发出了一系列单马达驱动单自由度的模块化关节***，例如502所、哈尔滨工业大学等。
如何减小体积、简化结构、提高可靠性是模块化机械臂的主要难点。目前，上述所有机械臂均采用一个伺服电机通过传动机构驱动一个关节的设计方案，当所需要的机械臂关节数量增加时，则驱动电机、电机编码器、电机驱动器及控制器均同比例增加，所带来的直接影响是：机械臂的总重量增加、结构复杂、元器件增多、电缆及管线数量增加不利于机械臂关节位置的密封，影响了机械臂在太空、水下等恶劣条件下的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多自由度机械臂模块化关节集成度高、可靠性高、结构紧凑、多自由度集成后总质量轻，并且能够适应多种环境的机械臂模块化关节。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种多自由度机械臂模块化关节，包括两个以上模块化关节串联且同轴旋转，模块化关节包括关节一和关节二连接为一体，其中，关节一包括传递动力输入轴、该动力输入轴上设有都第一谐波减速器和第一离合器；关节二包括与所述关节一输入轴连接的传动轴，该传动轴与第一离合器相连，第二离合器衔铁与分动传动机构相连接，该分动传动机构分别与第二谐波减速器。
进一步，该分动传动机构包括一组30度锥齿轮与60度锥齿轮啮合以及一组传动惰轮与两个45度锥齿轮啮合。
进一步，所述关节一还包括有外壳一，该外壳固定第一谐波减速器的钢轮。
进一步，所述关节二还包括有外壳二，外壳二连接有输出法兰，该输出法兰的一端固定第二谐波减速器，另一端固定有输出连杆。
本发明达到的技术效果如下：
1、本发明采用了模块化关节的结构方式，构成的机械臂开发周期短、较容易构成多自由度的；
2、本发明的模块化关节，通过分动与传动的方式让多个模块化关节可以共用1个动力源，从而能够减少伺服电机、编码器、驱动器的使用数量，有利于降低成本；
3、由于伺服电机、编码器、驱动器等元器件的数量较少，电缆得到简化，使得外部走线减少，避免和太空辐射、海水腐蚀、温度变化等造成的损坏；
4、本发明的模块化关节适用于空间、水下环境，同样也弯曲适用于地面的普通工业应用中。
附图说明
图1为本发明模块化关节的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为两个模块化关节连接的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为模块化关节的纵向结构剖视图；
图6为两个模块化关节的连接示意图。
具体实施方式
如图1-图6所示，为本发明多自由度机械臂模块化关节的结构，包括两个以上模块化关节串联且同轴旋转，模块化关节包括关节一1和关节二2连接为一体，其中，
关节一1包括传递动力输入轴1-1、该动力输入轴1-1上设有都第一谐波减速器1-3和第一离合器；
关节二2包括与关节一1输入轴1-1连接的传动轴2-5，该传动轴2-5与第一离合器相连，第二离合器衔铁2-3与分动传动机构相连接，该分动传动机构分别与第二谐波减速器。
该分动传动机构包括一组30度锥齿轮与60度锥齿轮啮合，为分动齿轮一2-6将动力传递至分动锥齿轮四2-10，以及一组传动惰轮与两个45度锥齿轮啮合，为分动锥齿轮二2-7经过传动惰轮2-8将动力传递至分动锥齿轮三2-9。
关节一1还包括有外壳一1-4和壳体1-5，该外壳一1-4固定第一谐波减速器1-3的钢轮。
关节二2还包括有外壳二2-15，外壳二2-15连接有输出法兰2-13，该输出法兰2-13的一端固定第二谐波减速器2-12，另一端固定有输出连杆2-14。
动力传递过程如下：动力从关节一1输入轴1-1输入，经过联轴器2-1传递至传动轴2-5。传动轴2-5与分动锥齿轮二2-7连接，经过传动惰轮2-8将动力传递至分动锥齿轮三2-9，分动锥齿轮三2-9可以和下一个模块化关节的的关节一1输入轴1-1相互连接。
模块化关节一的运动过程：动力从关节一1输入轴1-1输入，第一谐波减速器1-3的刚轮1-10和外壳一1-4固定连接，刚轮1-11和关节一1的输出法兰1-2固定连接。关节一1输入轴1-1和第一离合器转轴1-8相连，当离合器线圈1-6通电时，离合器衔铁1-7和离合器转轴1-8连接，离合器衔铁1-7和波形发生器1-9连接，波形发生器1-9是第一谐波减速器1-3的输入，1-2关节一输出法兰完成模块化关节第一个关节的旋转运动。
模块化关节二2的运动过程：动力从关节一1输入轴1-1输入，经过联轴器2-1传递至2-5传动轴。传动轴2-5和第二离合器转轴2-4相连，当离合器线圈2-2通电时，离合器衔铁2-3和离合器转轴2-4连接，离合器衔铁2-3和分动齿轮一2-6相连分动齿轮一，2-6将动力传递至分动锥齿轮四2-10，分动锥齿轮四2-10和第二谐波减速器2-12的波形发生器相连，第二谐波减速器2-12的输出法兰2-13与关节二输出连杆2-14相连，从而完成模块化关节的第二个关节的旋转运动。
多个模块化关节的串联过程如下：
两个以上的本模块化关节可以串联在一起，形成2×N自由度的机械臂（2是每个模块的自由度数量，N是上述模块化关节的个数）。
连接方法是将关节一1的输入轴1-1和关节二2的分动锥齿轮三2-9连接，同时将关节一的外壳一1-4和关节二2的输出连杆2-14连接即可。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种多自由度机械臂模块化关节，其特征在于，包括两个以上模块化关节串联且同轴旋转，模块化关节包括关节一和关节二连接为一体，其中，
关节一包括传递动力输入轴、该动力输入轴上设有都第一谐波减速器和第一离合器；
关节二包括与所述关节一输入轴连接的传动轴，该传动轴与第一离合器相连，第二离合器衔铁与分动传动机构相连接，该分动传动机构分别与第二谐波减速器。
2.如权利要求1所述的多自由度机械臂模块化关节，其特征在于，该分动传动机构包括一组30度锥齿轮与60度锥齿轮啮合以及一组传动惰轮与两个45度锥齿轮啮合。
3.如权利要求1所述的多自由度机械臂模块化关节，其特征在于，所述关节一还包括有外壳一，该外壳固定第一谐波减速器的钢轮。
4.如权利要求1所述的多自由度机械臂模块化关节，其特征在于，所述关节二还包括有外壳二，外壳二连接有输出法兰，该输出法兰的一端固定第二谐波减速器，另一端固定有输出连杆。
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