一种单自由度机器人回转关节模块

摘要

本发明涉及一种单自由度机器人回转关节模块。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，形成回转运动。它配以相应的控制系统即可实现运动或力矩控制，零位用霍尔开关检测。该关节模块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、谐波减速器输出盘、关节基座、输出套筒和轴承及相应的端盖。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，而谐波减速器输出刚轮与输出盘通过螺钉固接，后者再通过花键与输出套筒连接，最终实现运动和动力的传输。本模块结构简单而紧凑，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。

权利要求

1.一种单自由度机器人回转关节模块，其特征在于：包括伺服电机及光电编码器组件、关节基座、输出套筒、滚针单向推力轴承、端盖轴承座、深沟球轴承、谐波减速器输出盘、轴套和盘式谐波减速器组件；各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件与关节基座用螺钉紧固，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的输入刚轮用螺钉与关节基座紧固连接，而输出刚轮则与谐波减速器输出盘连接；

该输出盘通过轴承支撑于端盖轴承座上，一端通过花键与输出套筒连接以传递运动和扭矩；端盖轴承座与关节基座用螺钉轴向固连；控制器通过安装架固定于关节基座内；伺服电机及光电编码器组件、关节基座、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出盘、端盖轴承座和输出套筒的所有轴线重合；模块的关节零位采用霍尔开关检测；霍尔开关由霍尔元件和作为触发用的小磁铁块组成；霍尔元件用胶固定于端盖轴承座的一个径向凹槽中，小磁铁块镶嵌在作相对转动的输出套筒的一个孔中，霍尔元件和小磁铁块对齐时关节基座与输出套筒的相对位置定义为模块的关节零位。

说明书

一种单自由度机器人回转关节模块

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人技术领域，具体而言涉及一种单自由度机器人关节模块。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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回转关节模块(专利号：ZL200820203560.7)，但其结构较复杂、重量力矩比不太理想。总之，虽然目前已有若干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)，或者模块本身简易但有针对性(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

[0004] 本发明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，增加机器人系统构建的灵活性和快速性而提供一种结构简单而紧凑、连接和使用方便的单自由度机器人回转关节模块。

[0005] 为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

[0006] 一种单自由度机器人回转关节模块，包括伺服电机及光电编码器组件、关节基座、输出套筒、滚针单向推力轴承、端盖轴承座、深沟球轴承、谐波减速器输出盘、轴套和盘式谐波减速器组件。各零部件的连接方式为：伺服电机及光电编码器组件与关节基座用螺钉紧固，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；该组件中的输入刚轮用螺钉与关节基座紧固连接，而输出刚轮则与谐波减速器输出盘连接；该输出盘通过轴承支撑于端盖轴承座上，其一端通过花键与输出套筒连接以传递运动和扭矩；端盖轴承座与关节基座用螺钉轴向固连，其承受着输出套筒通过推力轴承和深沟球轴承的作用力；控制器通过安装架固定于关节基座内。伺服电机及光电编码器组件、关节基座、盘式谐波减速器组件、谐波减速器输出盘、端盖轴承座和输出套筒等的所有轴线重合。

[0007] 关节零位采用霍尔开关检测。霍尔开关由霍尔元件和作为触发用的小磁铁块组成。霍尔元件用胶固定于端盖轴承座的一个径向凹槽中，小磁铁块镶嵌在输出套筒的一个孔中。定义两者对齐时关节基座与输出套筒的相对位置为模块的零位。

[0008] 本发明的关节模块的转轴与模块本身的中心轴线重合或平行，形成回转运动，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，其输出钢轮与输出盘及输出套筒连接。

[0009] 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的相对转动的作用。

[0010] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0011] 1.由于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，且将滚针单向推力轴承与角接触球轴承在径向重叠布置，因而本发明重量相对较轻，结构简单紧凑、轴向尺寸小。

[0012] 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；

[0013] 3.能作整周回转运动，无转动范围限制；

[0014] 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

[0015] 图1是本关节模块的外观图；

[0016] 图2是本关节模块的剖面图；

[0017] 图3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

[0018] 为了更好地理解本发明，下面结合附图对型作进一步地描述。

[0019] 如图1所示为本关节模块的外观图。图中的关节基座02与输出套筒07之间并无直接连接，但两者通过其它零件能绕中心轴线作相对转动。

[0020] 如图2所示为本关节模块的剖面图。在图2中，关节模块的相对转动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01、关节基座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、输出套筒07、滚针单向推力轴承08、端盖轴承座09、深沟球轴承10、谐波减速器输出盘11、轴套12、外六角螺母13、卡簧14、盘式谐波减速器组件15(其中的三大件没有在图中单独示出)、键16、锁紧螺钉17、控制器安装架18、控制器19、霍尔元件20、小磁铁块21。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；电机轴通过轴套12与盘式谐波减速器组件15的波发生器间接相连，轴套12与电机轴由四个锁紧螺钉17径向固定，与盘式谐波减速器组件15的波发生器通过键16来传递扭矩，并由卡簧14防止轴向移动；为了得到较小的关节模块长度，减速器采用扁平盘状的谐波减速器三大件15，其输入刚轮通过轴向固定螺钉04与关节基座02紧固连接，而输出刚轮则通过轴向连接螺钉05与谐波减速器输出盘11紧固连接；谐波减速器输出盘11通过深沟球轴承10支撑于端盖轴承座09上，端盖轴承座09与关节基座02由六根内六角螺钉06在轴向固连，其背对谐波减速器组件15的一侧紧靠着滚针单向推力轴承08的固定圈；输出套筒07通过花键与谐波减速器输出盘连接以传递运动和扭矩，其一端面紧靠滚针单向推力轴承08的动圈，将所受压力卸于端盖轴承座上，另一端面由两个外六角螺母13锁紧和防松；控制器19通过安装架18固定于关节基座02内，与电机相邻。伺服电机及光电编码器组件01、关节基座02、盘式谐波减速器组件15、谐波减速器输出盘11、端盖轴承座09和输出套筒07等的所有轴线重合。

[0021] 如图3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)。霍尔开关由霍尔元件20和作为触发用的小磁铁块21组成。霍尔元件20用胶固定于端盖轴承座09的一个径向凹槽中，小磁铁块21镶嵌在输出套筒07的一个孔中。两者对齐时关节基座与输出套筒的相对位置定义为模块的零位。由于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，且将滚针单向推力轴承与角接触球轴承在径向重叠布置，因而本发明重量相对较轻，结构简单紧凑、轴向尺寸小。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。