CN201300421Y - 一种i型单自由度机器人关节模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种I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，其转轴与模块本身的中心轴线重合或平行，称为I型关节模块。它配以相应的控制***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、中心齿轮、过渡齿轮和内齿轮等。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中心齿轮固接，中心齿轮与对称分布的两个过渡齿轮啮合，后者再与内齿轮啮合，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***。

Description

一种I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***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***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***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***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***构建时的灵活性和弹性，正成为***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***时极具柔性，可以自由地构建多自由度的***，在太空机器人***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)，而难以满足搭建常规尺寸的任意机器人的广泛需求。因此，有必要开发结构紧凑的常规大小的单自由度关节模块。

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***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I型单自由度机器人关节模块。

为实现本实用新型的目的，采用如下的技术方案：

关节模块的转轴与模块本身的中心轴线重合或平行，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中心直齿轮，而中心齿轮通过两个对称分布的过渡齿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，输出运动和动力。具体结构包括：伺服电机及光电编码器组件1、关节套筒2、电机轴套3、电机座4、关节基座5、轴承端盖6、轴承座7、角接触球轴承及外轴套8、轴承端盖9、内齿轮10、关节输出端连接件11、过渡齿轮轴12、过渡齿轮13、谐波减速器输出轴14、中心齿轮15、小轴承端盖16、轴套17、角接触球轴承18、谐波减速器输出过渡盘19、盘式谐波减速器组件20。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4通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套3与盘式谐波减速器组件20的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件20的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与电机座4和谐波减速器输出过渡圆盘19紧固连接，而后者(19)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴14紧固连接；关节套筒2套在电机座4上并沿圆周方向用径向螺钉紧固；电机座4通过轴向螺钉与关节基座5紧固连接；轴承座7通过角接触球轴承及外轴套8支承于关节基座5上；角接触球轴承及外轴套8通过轴承端盖6定位和施加预紧力；谐波减速器输出轴14通过两个键与中心齿轮15连接，而中心齿轮15又与对称分布的两个过渡齿轮13啮合；两个过渡齿轮轴12通过其上的螺纹与关节基座5紧固连接，并通过轴承与过渡齿轮13连接；两个过渡齿轮13与内齿轮10啮合；内齿轮10、关节输出端连接件11和轴承座7三者通过轴向螺钉紧固连接。电机及光电编码器组件1、关节套筒2、电机座4、关节基座5、盘式谐波减速器组件20、谐波减速器输出轴14中心齿轮15、内齿轮10、轴承座7和关节输出端连接件11的所有轴线重合，象一个I字，故称为I型关节。

所述关节能作整周转动(±180°)，关节零位采用霍尔开关检测。霍尔开关由霍尔元件21和作为触发用的小磁铁块22组成。霍尔元件21用胶粘在关节基座5轴肩上的一个径向凹槽中，小磁铁块22镶嵌在轴承端盖6的一个孔中。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中心齿轮固接，中心齿轮与对称分布的两个过渡齿轮啮合，后者再与内齿轮啮合，最终实现运动和动力的传输。

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.能作整周转动，无转动范围限制；

4.零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是本关节模块的外观图；

图2是本关节模块的剖面图；

图3是本关节模块的端面视图；

图4是本关节模块零位开关的安装示意图(局部剖面图)。

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所示为本关节模块的外观图。图中的关节套筒2、电机座4、关节基座5固连在一起，而轴承端盖6、轴承座7和关节输出端连接件11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，I型关节模块的转轴与模块本身的中心轴线重合。零部件包括：伺服电机及光电编码器组件1、关节套筒2、电机轴套3、电机座4、关节基座5、轴承端盖6、轴承座7、角接触球轴承及外轴套8、轴承端盖9、内齿轮10、关节输出端连接件11、过渡齿轮轴12、过渡齿轮13、谐波减速器输出轴14、中心齿轮15、小轴承端盖16、轴套17、角接触球轴承18、谐波减速器输出过渡盘19和盘式谐波减速器组件20(其中的三大件没有在图中单独示出)。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4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4上，并沿圆周方向与电机座4用螺钉(沿径向)相连接。电机座4与关节基座5也用螺钉沿轴向紧固。电机的输出轴与电机轴套3相连接，用两个顶丝径向紧固。电机轴套3与谐波减速器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20，其中的输入刚轮与电机座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19紧固连接，过渡圆盘19再通过螺钉与谐波减速器输出轴14连接。波减速器输出轴14通过一对角接触轴承18支承于关节基座5中，两个轴承之间有内圈套筒17，一端用轴承套16定位和预紧。波减速器输出轴14的输出端上安装一个直齿轮作为中心齿轮15，通过对称的两个直键传递运动和动力。中心齿轮15与两个对称分布的过渡齿轮13啮合。每个过渡直齿轮13通过内孔中的轴承支承在其齿轮轴12上，而后者(12)通过其上的螺纹固定安装在关节基座5上。过渡齿轮13与内齿轮10啮合。内齿轮10、轴承座7和关节输出端连接件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。这个输出部件通过一对角接触球轴承及外轴套8支承在关节基座5上。轴承端盖6对这对角接触球轴承进行轴向定位和预紧。

如图3所示为关节模块的端面视图，显示了齿轮之间的位置关系。位于中心的小齿轮是中心齿轮15，在其外侧对称分布的两个齿轮是过渡齿轮13，与过渡齿轮13啮合的内齿轮10为关节输出端连接件11所遮盖而在图中不可见。

如图4所示为关节零位检测开关的安装示意图(局部剖面图，沿关节轴向剖切)。霍尔元件21用胶粘贴在关节基座5轴肩上的一个径向凹槽中，而触发用的小磁铁块22则镶嵌在轴承端盖6的一个孔中。

Claims (2)

1.一种I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)、电机轴套(3)、电机座(4)、关节基座(5)、轴承端盖(6)、轴承座(7)、角接触球轴承及外轴套(8)、轴承端盖(9)、内齿轮(10)、关节输出端连接件(11)、过渡齿轮轴(12)、过渡齿轮(13)、谐波减速器输出轴(14)、中心齿轮(15)、小轴承端盖(16)、轴套(17)、角接触球轴承(18)、谐波减速器输出过渡盘(19)和盘式谐波减速器组件(20)；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(4)通过轴向螺钉紧固；电机轴通过电机轴套(3)与盘式谐波减速器组件(20)的波发生器间接相连；盘式谐波减速器组件(20)的输入和输出刚轮通过轴向螺钉分别与电机座(4)和谐波减速器输出过渡盘(19)紧固连接，而谐波减速器输出过渡盘(19)再用轴向螺钉与谐波减速器输出轴(14)紧固连接；关节套筒(2)套在电机座(4)上并沿圆周方向用径向螺钉紧固；电机座(4)通过轴向螺钉与关节基座(5)紧固连接；轴承座(7)通过角接触球轴承及外轴套(8)支承于关节基座(5)上；角接触球轴承及外轴套(8)通过轴承端盖(6)进行轴向定位和施加预紧力；谐波减速器输出轴(14)通过两个键与中心齿轮(15)连接，而中心齿轮(15)又与对称分布的两个过渡齿轮(13)啮合；过渡齿轮轴(12)通过其上的螺纹与关节基座(5)紧固连接，并通过轴承与过渡齿轮(13)连接；两个过渡齿轮(13)与内齿轮(10)啮合；内齿轮(10)、关节输出端连接件(11)和轴承座(7)三者通过轴向螺钉紧固连接；电机及光电编码器组件(1)、关节套筒(2)、电机座(4)、关节基座(5)、盘式谐波减速器组件(20)、谐波减速器输出轴(14)、中心齿轮(15)、内齿轮(10)、轴承座(7)和关节输出端连接件(11)的所有轴线重合，形成I型关节。

2.根据权利要求1所述的I型单自由度机器人关节模块，其特征在于：关节零位采用霍尔开关检测，霍尔开关由霍尔元件(21)和作为触发用的小磁铁块(22)组成；霍尔元件(21)用胶粘在关节基座(5)轴肩上的一个径向凹槽中，小磁铁块(22)镶嵌在轴承端盖(6)的一个孔中。

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