本发明公开一种模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人。该机器人由五个关节模块、两个轮子和一个万向轮组成。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I型和T型两种，其关节转轴分别与关节连杆轴线平行和垂直。各模块按串联方式依次连接：轮子-I型关节-T型关节-T型关节-T型关节-I型关节-轮子，万向轮安装在机器人中部下方。三个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直。I型关节驱动轮子转动，从而使整个机器人移动。改变T型关节的转角即可调节轮距和轮向。该机器人具有构型可变、轮距和轮向可调、结构简单、灵活性和机动性强、对环境的适应性好等特点，可用于搬运、探测和救灾等作业。
1.一种模块化的轮距和轮向可改变的双轮驱动移动机器人，其本体是一个五自由度机器人操作臂，其特征在于该机器人包括五个主动单自由度关节模块、两个轮子模块、一个连接套筒和一个万向轮；所述五个主动单自由度关节模块包括两个I型关节模块和三个T型关节模块，它们采用串联方式通过卡环依次连接，顺序从一端到另一端为：I型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-I型关节模块，其中两个T型关节模块之间用连接套筒调节连接距离，三个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，两个轮子模块位于机器人的两端，所述万向轮固定在中间的T型关节模块的关节轴处，两个I型关节模块能作整周转动，分别与两个轮子模块固连，使整个机器人移动，中间的三个T型关节模块用于改变机器人本体的构型、调节两个轮子模块之间的距离和两个轮子模块的方向；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，所述T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垂直的关节模块。
2.根据权利要求1所述的模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人，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(1-4)、关节基座(1-5)、第一轴承端盖(1-6)、轴承座(1-7)、第一角接触球轴承及外轴套(1-8)、第二轴承端盖(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)、第二角接触球轴承(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，而谐波减速器输出过渡盘(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)通过第一角接触球轴承及外轴套(1-8)支承于关节基座(1-5)上；第一角接触球轴承及外轴套(1-8)通过第一轴承端盖(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。
3.根据权利要求1所述的模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人，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)、第一轴承端盖(2-17)、第二轴承端盖(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(1-21)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(2-5)及轴承套环(2-6)支承于关节基座(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)用关节轴角接触球轴承(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。
4.根据权利要求1所述的模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人，其特征在于所述轮子模块由轮子(3-1)和轮轴(3-2)组成，轮轴(3-2)穿过轮子(3-1)的中心孔，在轴端用垫片和螺母紧固，另一端与I型关节模块通过卡环(3-3)实现连接和紧固。
一种模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人
技术领域
[0001] 本发明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本体构型、轮距和轮向均可变的双轮驱动三轮移动机器人。
背景技术
[0002] 移动机器人是国内外研究最早、应用最广的一类机器人，是机器人研究中一个经久不衰的热点。正是移动机器人的机动性使机器人的活动范围和应用领域大大扩展。移动机器人包括轮式、履带式和足式等多种移动形式的机器人。履带式移动机器人由履带驱动，接触面较大，特别适合于非结构化或松软的沙土等地面移动，其越障性和越野性良好。然而这种机器人所需的驱动力大、能耗高；结构复杂、体积和重量都较大。相对而言，轮式移动机器人的移动和转向灵活和轻巧，速度也较快，与人们的工作和生活最接近。轮式移动机器人轮子数目不等，有独轮、双轮、三轮至六轮，甚至八轮。一般而言，轮子越多，机器人越稳定，负载可以更大，但相应的机体也就越大，耗能越多，运动不灵活。独轮移动机器人(包括球形机器人)运动非常灵活轻便，但受驱动和结构的限制只适合在比较平的地面上滚动。而且这种机器人往往只能避障而难以越障，其作业能力很有限。双轮移动机器人不像自行车那样两轮前后分布而是左右同轴并列，这样的布局使其拐弯半径可以为零，在最近几年受到广泛关注。美国明尼苏达大学研制了一种微型双轮机器人，比手掌还小，可单独使用，也可作为子机先被较大的机器人母机运载，到达目的地后离开母机独立执行侦察任务。常规大小的最典型的双轮直立机器人产品是美国的Segway，已用于载人运送服务。日本玉川大学和产业技术综合研究院联合研制出的PMP也可以载人，美国斯坦福大学研制了Segbot。受Segway的启发并以之为参考，新加坡南洋理工大学、瑞士联邦工学院和台湾中央大学也开发了类似的系统，中国科技大学也研制出样机。这类机器人除了具有较大的实用价值外，其平衡控制象倒立摆一样在研究上饶有趣味性和挑战性。三轮机器人比之多轮机器人简单，而又具有独轮机器人和双轮机器人无法比拟的稳定性，容易实现全方位移动，因而得到了广泛应用(尤其是在室内)。四轮移动机器人研究最早、技术最成熟，安装Mecanum轮可以实现全方位移动，样机和产品不胜枚举。除了在地面上应用外，多轮移动机器人在星球表面探测上也广泛采用，例如日本东芝公司和原电子技术研究院研制的火星探测机器人有四个轮子，而美国宇航局NASA开发的“索杰纳”、“勇气号”和“机遇号”火星探测机器人，法国Cybernetix公司和CNES共同研制的火星探测机器人则都有六个轮子。日本东京工业大学开发了多种移动机器人。其极具创意的SMC Rover机器人系统使用母体时，可以作为多轮移动车辆使用，因为其每个轮子单元(Uni-Rover)可以自由地卸下和脱离母体，而每个Uni-Rover又是一个独立的小型独轮移动机器人，其与母体连接用的部件则有三个平行转动轴，因而可以作为Uni-Rover的三自由度带夹持器的操作臂！通过这个操作臂和夹持器还可以将若干个Uni-Rover依次连接而组成串联式多节多轮移动机器人。由于SMC Rover的母体上安装有太阳能电池，该系统可望用于星球表面探测。虽然到目前为止，有多种多样的轮式移动机器人被开发出来，但其机动灵活性还未令人满足。如果机器人轮子之间的距离和方向能够改变，必定增强机器人的机动灵活性和对各种地面的适应性。认识到这点后，北京航空航天大学机器人研究所研制了一种由平行六边形机构为机架的变结构轮腿复合式四轮移动机器人，并已获得中国专利(专利号：ZL 200310117170.X)。增加变轮距功能，提高移动机器人的机动性和灵活性是移动机器人的发展方向之一。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服目前轮式移动机器人的本体构型固定、轮距不能变等缺点，为提高移动机器人的机动性和灵活性、增强对环境的适应性而提供一一种模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人，其本体结构是一个五自由度机器人操作臂。整个机器人由五个关节模块、两个车轮模块、一个连接套筒和一个万向轮组成。所述五个关节模块包括两个I型关节模块和三个T型关节模块。所有模块采用串联方式通过卡环依次连接，连接顺序从一端到另一端为：车轮模块-I型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-T型关节模块-I型关节模块-车轮模块。三个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。所述万向轮固定在中间T型关节模块的关节转轴处。两个I型关节能作整周转动，分别与两个轮子固连，驱动两个轮子使整个机器人移动；中间的三个T型关节用于改变机器人本体的构型、调节两个车轮之间的距离和两个车轮的方向。
[0006] 上述模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人中，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。具体结构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、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圆盘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。
[0007] 上述模块化的轮距和轮向可变的双轮驱动移动机器人中，所述T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。具体结构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、关节输出连接件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、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，而后者(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。
[0008] 所述车轮模块由轮子3-1和轮轴3-2组成。轮轴3-2穿过轮子3-1的中心孔，在轴端用垫片和螺母紧固；另一头通过卡环0-4(也即图3中3-3)实现与关节模块的连接和紧固。
[0009] 本发明的机器人具有以下特点：
[0010] 1)与传统的车辆式移动机器人不同，该机器人为双轮驱动的三轮机器人，其本体结构实质上是一个五自由度机器人操作臂，具有五个关节，包括两个I型关节和三个T型关节。关节采用串联方式依次连接，顺序为：I型关节-T型关节-T型关节-T型关节-I型关节，即中间为三个T型关节，两端各为一个I型关节。三个T型关节的转轴互相平行，并与两端的I型关节的转轴互相垂直。两端的I型关节各与一个轮子紧固连接，起着驱动机器人移动的作用。
[0011] 2)通过改变中间三个T型关节的转角可以调整本体的构型、两轮之间的距离和两轮的方向。机器人直线行驶时，两轮平行、方向相同；机器人转弯时，轮子方向通过临近的T型关节进行改变。这样机器人即可实现前进、后退和转向，具有很强的移动功能和很好的机动性。由于机器人本体是一个五自由度操作臂，该机器人还具有潜在的操作功能。
[0012] 3)主要由七个模块组成，包括两个I型关节模块、三个T型关节模块和两个车轮模块。模块之间的连接和紧固通过在其两端用卡环实现。随动的万向轮固定在中间T型关节模块的关节轴处。机器人的构建简单、方便和快速。
[0013] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：
[0014] (1)机器人的构型、轮距和轮向可改变和调节，因而具有很好的灵活性和机动性；
[0015] (2)本发明采用模块化方法构建机器人系统，主体只由两种关节模块组成，构建容易，设计、制造和维护简单，成本较低；
[0016] (3)本发明创建的移动机器人稳定性好，而且不怕翻倒(翻倒后可通过调节构型恢复过来，也可以上下对称安装两个万向轮，翻倒后依然是构型相同的移动机器人)，因而具有很强的环境适应性；
[0017] (4)本发明所创建的机器人本体实际上是个五自由度的机械臂，一端固定后另一端在其工作空间中可实现各种位姿，因而具有一定的操作功能。
附图说明
[0018] 图1是本发明的机器人外观图；
[0019] 图2是本发明的机器人机构示意图；
[0020] 图3是本发明的车轮模块及其连接的外观图；
[0021] 图4是本发明的I型关节模块的外观图；
[0022] 图5是本发明的I型关节模块的剖面图；
[0023] 图6是本发明的T型关节模块的外观图；
[0024] 图7是本发明的T型关节模块的剖面图。
具体实施方式
[0025] 为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0026] 本发明的机器人采用五个关节，包括两个I型关节和三个T型关节，两端是两个轮子。各部分采用串联方式依次连接，顺序为：轮子-I型关节-T型关节-T型关节-T型关节-I型关节-轮子，即中间为三个T型关节，两端各为一个I型关节。三个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴互相垂直。机器人的具体组成包括：两个I型关节模块、三个T型关节模块、两个车轮模块、一个连接套筒和一个万向轮。万向轮通过连接件固定在机器人中部的连接套筒上。两个I型关节能作整周转动，分别与两个轮子固连，驱动它们使整个机器人移动。中间的三个T型关节用于改变机器人本体的构型、调节两个轮子之间的距离和它们的方向。
[0027] 图1和图2分别示出了本发明所构建的移动机器人的外观图和机构示意图。如图所示，机器人有五个自由度，共有七个模块。本体由五个关节模块0-2和0-3组成，两端各接一个车轮模块0-1。各模块依次以串联方式连接，顺序为：车轮—I型关节—T型关节—T型关节—T型关节—I型关节—车轮。中间为三个T型关节模块0-3，其中两个用一个过渡套筒0-5调整连接距离。各关节模块之间用卡环0-4(图3中的零件3-3)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。三个T型关节模块0-3的关节转轴互相平行，并与两端的I型关节模块0-2的关节轴垂直。如图1和图2所示，机器人的构型象个V字或倒立的V字。转动T0关节即改变其角位移时，V字的开口大小也随之改变(开口最大时拉成一直线)，关节T1和T2之间的距离发生变化，进而两轮的中心距和轮向也就改变。转动关节T1或/和T2时，相应轮子的方向发生变化(两轮中心之间的距离也随之变化)。同时转动三个T型关节就可以实现期望的轮距和轮向。这样通过改变三个T型关节的角位移即可调整机器人的构型、两个驱动轮之间的距离和它们的方向。
[0028] 如图3所示为车轮模块及其连接部分的外观图。车轮模块包括轮子3-1和轮轴3-2。轮轴3-2穿过轮子3-1轮毂的中心孔，在轴端用垫片和螺母紧固；另一头与其它模块用卡环3-3连接。实际上可用童车的轮子作为本机器人的车轮。
[0029] 如图4和图5所示分别为I型关节模块的外观图和剖面图。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。
[0030] 如图6和图7所示分别为T型关节模块的外观图和剖面图。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2-21的波发生器。谐波减速器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。
