CN101927497B

CN101927497B - 一种单自由度机器人摆转关节模块

Info

Publication number: CN101927497B
Application number: CN2010102421967A
Authority: CN
Inventors: 朱海飞; 李湛初; 管贻生; 张宪民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN101927497A

Abstract

本发明涉及一种单自由度机器人摆转关节模块。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，形成摆转运动。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、电机座、关节座、轴承及轴套和端盖、一对锥齿轮和关节转轴等。电机轴通过轴套与谐波减速器的波发生器连接，而谐波减速器的输出刚轮与输出盘固接。后者与关节转轴之间是一对锥齿轮。关节转轴通过梯形键与关节摆动件连接而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

一种单自由度机器人摆转关节模块

技术领域

本发明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。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，其不仅在移动机器人、爬壁机器人、管内爬行机器人和多指手研究开发中常被采用，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。

纵观国内外的设计与开发现状，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)。在国内，哈尔滨工业大学已研制了模块化关节(专利号：ZL1807032.A)，华南理工大学也已开发出了第一代机器人用摆转关节模块(专利号：ZL200820202740.3)，但其结构较复杂、重量力矩比不太理想。总之，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。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，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、连接和使用方便的单自由度机器人摆转关节模块。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

一种单自由度机器人摆转关节模块具体结构，包括伺服电机及光电编码器组件、电机座、关节座、摆转关节带键端盖、摆转关节过渡端盖、关节摆动件、锥齿轮、关节转轴、谐波减速器输出轴、盘式谐波减速器组件、轴套、控制器及其安装架。各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件与电机座通过螺钉轴向紧固，电机轴通过轴套与盘式谐波减速器组件的波发生器间接相连；谐波减速器组件中的输入刚轮通过螺钉与电机座紧固连接，而输出刚轮则通过螺钉与谐波减速器输出轴的盘形端连接；谐波减速器输出轴由一对角接触球轴承支承于关节座内；电机座与关节座用螺钉固定；谐波减速器输出轴的另一端与一个锥齿轮用锥销配打连接，该锥齿轮再与关节转轴上的锥齿轮啮合；关节转轴两端通过梯形键与摆转关节带键端盖配合，摆转关节带键端盖通过摆转关节过渡端盖间接地与关节摆动件固连，从而将电机轴的旋转运动转换为关节摆动件的摆转运动；控制器通过安装架固定于电机座内，用以采集零位和限位开关信息及控制伺服电机。电机及光电编码器组件、电机座、关节座、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出轴和输入锥齿轮的轴线重合，并与关节转轴垂直，关节转轴也与关节摆动件的轴线垂直。

上述的单自由度机器人摆转关节模块还包括零位开关和限位开关。这两类开关都由霍尔元件和作为触发用的小磁铁块组成；用于检测正负转向极限位置的两个限位开关的霍尔元件分别安装在关节座颈部上下两个小凹槽中，而对应的两个触发用的小磁铁块分别镶嵌在关节摆动件的连接端对应的上下两个小孔中；零位开关的霍尔元件安装在关节座颈部侧面的一个小槽中，而触发用的小磁铁块则镶嵌在关节摆动件支耳的一个小孔中，两者正面相对时关节摆动件和关节座的位置定义为零位。

本发明的单自由度机器人摆转关节模块的关节轴线与连杆的轴线垂直，由伺服电机驱动。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，减速器采用盘式谐波减速器组件。谐波减速器通过一个输出轴驱动一对锥齿轮，将传动方向改变90度。输出锥齿轮与关节转轴一体，而关节转轴又通过摆转关节带键端盖和过渡端盖间接与模块的摆动件固连，将关节的运动和动力输出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.由于减速机构采用盘式谐波减速器的三大件，其基座与电机座设计成为一体，因而本发明结构紧凑、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是本发明T型关节模块的外观图；

图2是本实验新型T型关节模块的剖面图；

图3是关节模块限位开关的安装示意图(局部剖面图)。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图作进一步地描述。

如图1所示为本发明摆转关节模块的外观图。图中的电机座02与关节座07通过螺钉固连在一起，作为整个关节模块的基础部分，而关节摆动件15和摆转关节过渡端盖13也通过螺钉固连在一起。这两个部件能作相对摆动。包盖20用螺钉14固定于关节座07上，将一对锥齿轮及其轴包住，既为安全也为密封防尘。

如图2所示为本发明T型关节模块的剖面图。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01、电机座02、电机固定螺钉03、谐波减速器输入端轴向固定螺钉04、谐波减速器输出端轴向连接螺钉05、内六角螺钉06、关节座07、轴向轴承端盖08、小磁铁块09、霍尔元件10、沉头螺钉11、摆转关节带键端盖12、摆转关节过渡端盖13、摆动关节包盖螺钉14、关节摆动件15、摆动关节角接触球轴承16、输出锥齿轮17、关节转轴18、输入锥齿轮19、摆动关节包盖20、摆动关节轴承端盖21、谐波减速器输出轴22、锥销23、角接触球轴承24、轴套25、卡簧26、键27、锁紧螺钉28、盘式谐波减速器组件29、轴套30、控制器32及其安装架31。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01，电机的前端面与关节基座02通过电机固定螺钉03紧固；电机轴通过电机输出连接套30与盘式谐波减速器组件29的波发生器间接相连，电机输出连接套30与电机轴由四个锁紧螺钉28由径向锁紧固定，与盘式谐波减速器组件29的波发生器通过键27来传递扭矩，并由卡簧26防止轴向移动；盘式谐波减速器组件29的输入刚轮通过轴向固定螺钉04与电机座02紧固连接，而输出刚轮则通过轴向连接螺钉05与谐波减速器输出轴22紧固连接；后者(22)通过一对角接触球轴承24及轴套25支承于关节座07内，并由轴向轴承端盖08调整间隙；关节座07则通过六个轴向螺钉与电机座02固定；谐波减速器输出轴22输出端与输入锥齿轮19用锥销配打连接，输入锥齿轮19与输出锥齿轮17啮合，而输出锥齿轮通过氩弧焊焊接固定于关节转轴18上，两者(17与18)以锥齿轮轴的形式存在；关节转轴18用摆动关节角接触球轴承16支承于关节座07上，并由两端的摆动关节轴承端盖21来调整轴承及一对锥齿轮之间的啮合间隙；关节转轴18两端开有可与摆转关节带键端盖12配合的梯形键，该梯形键一则可有效消除关节转轴18与端盖12之间的间隙，二则可传递运动和扭矩；摆转关节带键端盖12与摆转关节过渡端盖13通过四个均布的沉头螺钉11固连，摆转关节过渡端盖同样地通过螺钉与关节摆动件15固连，由此将电机的输出传递并变向作用于关节摆动件15上，形成摆转动作；控制器32通过控制器安装架31安装于电机座02的套筒内，与电机相邻，用以采集零位和限位开关信息及控制伺服电机。电机及光电编码器组件01、电机座02、关节座07、盘式谐波减速器组件29、谐波减速器输出轴22和输入锥齿轮19的轴线重合，并与关节转轴18的中心线垂直，形成一个T字型；关节转轴18的中心线与关节摆动件15的轴线垂直。

关节零位和关节限位均采用霍尔开关检测。霍尔开关由霍尔元件10和作为触发用的小磁铁块09组成。如图2所示，零位开关的霍尔元件10安装在关节座07颈部侧面的一个小槽中，用胶粘贴，而触发用的小磁铁块09则镶嵌在关节摆动件15支耳的一个小孔中。如图3所示，限位开关(用于检测正负转向极限位置)的两个霍尔元件10分别安装在关节座07颈部上下两个小凹槽中，用胶粘贴并塑料膜密封，而对应的两个触发用的小磁铁块09则分别镶嵌在关节摆动件15的连接端对应的上下两个小孔中。

关节模块的两端均设计统一的机械接口，在轴剖面上有梯形槽。关节模块之间通过定位销定位、用轴剖面为梯形的卡环实现快速连接和锁紧。定位销除了定位外，还有阻止相连模块绕轴线相对转动的作用。

Claims

1.一种单自由度机器人摆转关节模块，其特征在于：包括伺服电机及光电编码器组件、电机座、关节座、摆转关节带键端盖、摆转关节过渡端盖、关节摆动件、输入锥齿轮、输出锥齿轮、关节转轴、谐波减速器输出轴、盘式谐波减速器组件、轴套、控制器及控制器的安装架，各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件与电机座通过螺钉轴向紧固，电机轴通过轴套与盘式谐波减速器组件的波发生器相连；盘式谐波减速器组件中的输入刚轮通过螺钉与电机座紧固连接，而输出刚轮则通过螺钉与谐波减速器输出轴的盘形端连接；谐波减速器输出轴由一对角接触球轴承支承于关节座内；电机座与关节座用螺钉固定；谐波减速器输出轴的另一端与输入锥齿轮用锥销配打连接，该输入锥齿轮再与关节转轴上的输出锥齿轮啮合；关节转轴两端通过梯形键与摆转关节带键端盖配合，摆转关节带键端盖通过摆转关节过渡端盖间接地与关节摆动件固连，从而将电机轴的旋转运动转换为关节摆动件的摆转运动；控制器通过安装架固定于电机座内，用以采集零位开关和限位开关信息及控制伺服电机；伺服电机及光电编码器组件、电机座、关节座、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出轴和输入锥齿轮的轴线重合，并与关节转轴垂直，关节转轴也与关节摆动件的轴线垂直；所述摆转关节模块还包括零位开关和用于检测正负转向极限位置的两个限位开关，零位开关和限位开关均各自由霍尔元件和作为触发用的小磁铁块组成；用于检测正负转向极限位置的两个限位开关的霍尔元件分别安装在关节座颈部上下两个小凹槽中，而对应的两个作为触发用的小磁铁块分别镶嵌在关节摆动件的连接端对应的上下两个小孔中；零位开关的霍尔元件安装在关节座颈部侧面的一个小槽中，而触发用的小磁铁块则镶嵌在关节摆动件支耳的一个小孔中，两者正面相对时关节摆动件和关节座的位置为零位。