一種輕型模塊化機械臂關節的製作方法

2023-08-04 22:25:56 1

本發明涉及機器人技術領域，特別是涉及一種輕型模塊化機械臂關節。

背景技術：

當今社會，凡是枯燥的、危險的、有毒的、有害的工作，都可以看到機器人的身影。機器人除了廣泛應用於製造業領域外，還應用於資源勘探開發、救災排險、醫療服務、家庭娛樂、軍事和航天等其他領域。機器人是工業及非產業界的重要生產和服務性設備，也是先進位造技術領域不可缺少的自動化設備。

隨著科技的發展，人們對機器人的要求也越來越高。對於一臺普通機器人而言，其應用領域受到了其自身機械結構的極大限制。機器人的柔性已經越來越不能滿足市場變化的需求。而目前市場上解決這一問題的主要方法之一就是開發模塊化機器人系統。

傳統機械臂各個關節不同，構型也相對固定，而模塊化機械臂是由若干個結構相同的模塊組成，各個模塊都是集機械結構、驅動、控制和通信等於一體的相對完整且獨立的單元實體。這些模塊既能獨立地完成一些簡單的功能，也可以與其它模塊進行組合、通信，從而實現更加複雜多樣的功能。隨著工作環境和任務要求的變化，模塊化機械臂通過改變自身模塊的連接方式可以達到與所需功能相適應的構型。但是，目前市面上常見的模塊化機械臂結構複雜、裝卸繁瑣、成本較高。

因此，設計一種結構簡單、裝卸方便、成本低廉的輕型模塊化機械臂是具有重要意義的。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是：提供一種輕型模塊化機械臂關節，結構簡單、裝卸方便、成本低廉，具有極強的靈活性和適應性。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種輕型模塊化機械臂關節，包括諧波減速器、輸入模塊、輸出模塊和驅動模塊，所述諧波減速器、所述輸入模塊和所述輸出模塊分別與所述驅動模塊電連接；

所述輸入模塊包括輸入軸，所述輸入軸與所述諧波減速器連接；

所述輸出模塊包括輸出軸、輸出端編碼器和力矩傳感器，所述輸出端編碼器與所述諧波減速器連接，所述力矩傳感器通過所述輸出軸與所述諧波減速器連接；

所述驅動模塊包括電機、機殼、端蓋和電機端編碼器，所述電機端編碼器與所述諧波減速器連接，所述電機端編碼器固定於所述機殼上，所述機殼與所述端蓋連接。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述電機端編碼器和所述輸出端編碼器均包括動盤和靜盤，所述輸出端編碼器的動盤通過所述輸出軸與所述諧波減速器的柔輪相連接，所述輸出端編碼器的靜盤與所述諧波減速器的剛輪固定連接；

所述電機端編碼器的動盤與所述諧波減速器的波發生器連接，所述電機端編碼器的靜盤固定在所述機殼上。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述輸入軸上由前至後依次同軸套有諧波減速器、電機端編碼器的動盤固定件、電機端編碼器的動盤、電機端編碼器的靜盤和軸承。

所述輸出軸上由前至後依次同軸套有力矩傳感器、輸出端編碼器的靜盤、輸出端編碼器的動盤、輸出端編碼器的靜盤定位件和諧波減速器。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述輸出端編碼器為絕對值編碼器，所述電機端編碼器為增量式編碼器。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述電機包括電機定子和電機轉子，所述電機轉子通過導熱膠與所述輸入軸固定連接，所述電機定子通過導熱膠與所述機殼固定連接。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，還包括中空軸，所述中空軸貫穿於機械臂關節的中間，且所述中空軸的孔徑不小於5mm，且不大於15mm。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述中空軸的末端通過緊固件連接有軸承定位器。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述輸入軸通過滾珠軸承分別與所述機殼、所述端蓋連接。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述中空軸通過所述軸承定位器與所述端蓋固定連接。

上述的輕型模塊化機械臂關節中，所述機殼的側面設有螺紋孔。

本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果：

1、本發明的輕型模塊化機械臂關節，包括諧波減速器、輸入模塊、輸出模塊和驅動模塊，所述諧波減速器、所述輸入模塊和所述輸出模塊分別與所述驅動模塊電連接，通過採用模塊化的設計，每個關節既可以獨立地完成一些簡單的功能，也可以與其它關節模塊進行組合和通信，實現在機械臂層面上的更加複雜多樣的功能。

2、本發明的機械臂關節集成了力矩傳感器，使用力矩傳感器測量力矩然後用於反饋控制，並採取直驅力矩電機直接加諧波減速器減速，減少了齒輪帶來的誤差和損耗，提高了關節控制精度，結構簡單、裝卸方便。

3、本發明的輕型模塊化機械臂關節，採用了輸出端編碼器與電機端編碼器的雙編碼器結構，雙編碼器反饋形成速度、位置全閉環控制，提高了控制精度。

附圖說明

圖1是本發明實施例輕型模塊化機械臂關節的剖視圖；

圖2是本發明實施例輕型模塊化機械臂關節中諧波減速器的結構示意圖；

圖3是本發明實施例輕型模塊化機械臂關節中機殼的結構示意圖；

圖4是本發明實施例輕型模塊化機械臂關節中電機端編碼器、輸入軸、軸承位置示意圖；

圖5為本發明輕型模塊化機械臂關節中輸出端編碼器、輸出軸、力矩傳感器位置示意圖。

其中，本發明實施例中：1、諧波減速器；2、輸入軸；3、輸出軸；4、力矩傳感器；5、機殼；6、端蓋；7、電機端編碼器的動盤；8、電機端編碼器的靜盤；9、輸出端編碼器的動盤；10、輸出端編碼器的靜盤；11、電機端編碼器的動盤固定件；12、輸出端編碼器的靜盤定位件；13、軸承；14、電機定子；15、電機轉子；16、中空軸；17、軸承定位器；18、滾珠軸承；19、銅柱。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。

實施例一：

如圖1和圖2所示，本發明優選實施例的一種輕型模塊化機械臂關節，包括諧波減速器1、輸入模塊、輸出模塊和驅動模塊，諧波減速器1、輸入模塊和輸出模塊分別與驅動模塊電連接。本發明所述的輕型模塊化機械臂關節，通過採用模塊化的設計，每個關節既可以獨立地完成一些簡單的功能，也可以與其它關節模塊進行組合和通信，實現在機械臂層面上的更加複雜多樣的功能。

具體的，輸入模塊包括輸入軸2，輸入軸2與諧波減速器1連接。輸出模塊包括輸出軸3、輸出端編碼器和力矩傳感器4，輸出端編碼器與諧波減速器1連接，力矩傳感器4通過輸出軸3與諧波減速器1連接。驅動模塊包括電機、機殼5、端蓋6和電機端編碼器，電機端編碼器與諧波減速器1連接，電機端編碼器固定於機殼5上，機殼5與端蓋6連接。該機械臂關節集成了力矩傳感器4，使用力矩傳感器4測量力矩然後用於反饋控制，並採取直驅力矩電機直接加諧波減速器1減速，減少了齒輪帶來的誤差和損耗，提供了關節控制精度，結構簡單、裝卸方便。

在本實施中，輸出端編碼器為絕對值編碼器，電機端編碼器為增量式編碼器，並且，輸出端編碼器和電機端編碼器均為自組裝型單圈編碼器。採用輸出端編碼器與電機端編碼器的雙編碼器結構，雙編碼器反饋形成速度、位置全閉環控制，提高了控制精度。

電機端編碼器和輸出端編碼器均包括動盤和靜盤兩大部件，使用360度環形作為探測器感應面，可以減少偏心及其它安裝造成的誤差。其中，輸出端編碼器的動盤9通過輸出軸3與諧波減速器1的柔輪相連接，輸出端編碼器的靜盤10通過銅柱19、輸出端編碼器的靜盤定位件12與諧波減速器1的剛輪固定連接。輸出端編碼器的靜盤定位件12、諧波減速器1的剛輪和機殼5通過長螺釘固定連接。由於輸出端編碼器是絕對值編碼器，當諧波減速器1的柔輪帶動輸出端編碼器的動盤9轉動時，與諧波減速器1的剛輪相固定的輸出端編碼器的靜盤10保持原來的位置，通過該編碼器的絕對位置認址技術，實現編碼器上電就可以輸出一周內任意角度值，從而可用於測定關節轉動的位置。

此外，電機端編碼器的動盤7通過電機端編碼器的動盤固定件11與諧波減速器1的波發生器同軸固定連接，電機端編碼器的靜盤8通過螺釘安裝在機殼5上。當諧波減速器1的波發生器帶動電機端編碼器的動盤7轉動時，與機殼5相固定的電機端編碼器的靜盤8保持原來的位置，由於該編碼器是增量式編碼器，因此，可測量出電機轉動的速度。

如圖3所示，機殼5的側面設有螺紋孔，作為機械臂關節的輸入端。

如圖4所示，輸入軸2上由前至後依次同軸套有諧波減速器1、電機端編碼器的動盤固定件11、電機端編碼器的動盤7、電機端編碼器的靜盤8和軸承13。

如圖5所示，輸出軸3上由前至後依次同軸套有力矩傳感器4、輸出端編碼器的靜盤10、輸出端編碼器的動盤9、輸出端編碼器的靜盤定位件12和諧波減速器1。

其中，電機包括電機定子14和電機轉子15兩大部件，具有高功率、質量比、微小體積等特點。其中，電機轉子15通過導熱膠與輸入軸2固定連接，電機定子14通過導熱膠與機殼5固定連接。

導熱膠，又稱導熱矽膠，是以有機矽膠為主體，添加填充料、導熱材料等高分子材料，混煉而成的矽膠。導熱膠具有以下優點：1、優異的導熱性能(散熱性能)，固化後的導熱係數達到1.1～1.5，為電子產品提供了高保障的散熱係數，為電子產品(尤其是需要高散熱產品)在使用過程中的穩定起到保障作用，提高了產品的使用性能及壽命。2、優越的電氣性，耐老化、抗冷熱交變性能、防潮不溶脹、電絕緣性能，功率衰退率、防震、防水、吸振性及穩定性，增加了電子產品在使用過程中的安全係數。3、卓越的粘接強度，尤其對電子元器件、鋁、pvc、pbt等塑料等具有良好的附著力，同時起到既具有優異的密封性、又具有優異的粘接和導熱作用。4、固化速度快，易於擠出，但不流淌，操作方便，可手動施膠也可機械施膠，不漏膠，滿足任何工作環境及工況場所，具有簡易、方便施膠的好處。5、無毒、無刺激性氣體釋放、無溶劑、無腐蝕、無汙染、更安全環保。6、優異的耐高低溫性能，短期耐300度高溫，長期耐高溫280度，耐低溫零下60度。

在本發明所述的輕型模塊化機械臂關節中，為了便於走線，在機械臂關節的中間部分設有非標準件的中空軸16。該中空軸16通過軸承定位器17跟端蓋6固定在一起，中空軸16的孔徑不小於5mm，且不大於15mm。其中，軸承定位器17可以用於軸承13的定位與固定。

另外，輸入軸2通過滾珠軸承18分別與機殼5、端蓋6連接。而機殼5採用開槽式設計，既減輕了重量，又解決了諧波減速器1的波發生器與輸入軸2之間的裝配問題。

力矩傳感器4帶有該機械臂關節的輸出接口，且力矩傳感器4通過螺釘和輸出軸3連接在一起。輸出軸3又與諧波減速器1的柔輪同軸相接，諧波減速器1的波發生器通過頂針的裝配方式與輸入軸2同軸固定，輸入軸2與電機轉子15以粘膠的裝配方式相固定。當驅動信號傳輸到電機上時，電機轉子15帶動輸入軸2轉動，與輸入軸2相固定的諧波減速器1的波發生器也跟著轉動，經過諧波減速器1的減速作用後，由其柔輪帶動力矩傳感器4轉動，從而實現由電機的轉動控制關節的轉動。

綜上所述，本發明所述的輕型模塊化機械臂關節採用直線疊加型設計，中空走線，結構緊湊，質量輕、體積小、通用性強、結構簡單，有利於關節小型化。同時，使用力矩傳感器測量力矩，然後用於反饋控制，提高了控制精度，有利於提高協作型機器人的感應靈敏度和完善各種基於力的控制策略。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。