基於諧波減速器的機器人關節的製作方法

2023-05-04 19:45:46

專利名稱：基於諧波減速器的機器人關節的製作方法
基於諧波減速器的機器人關節(一) 技術領域 本發明涉及的是一種機器人關節。(二) 背景技術目前機器人關節的傳動方式主要有繩索滑輪驅傳動、連杆機構傳動、帶 傳動、鏈傳動、齒輪傳動等等。相關這方面的報導也很多。中國專利文獻中也 有一些相關的報導，其中包含關於繩索滑輪驅傳動、連杆機構傳動、帶傳動、 鏈傳動傳動方式等，但沒有發現關於應用諧波減速器的機器人關節結構的技術 方案。繩索滑輪驅傳動方式是常用於仿生機器人關節的驅傳動方式。這種傳動方 式可以很方便地實現運動和動力的遠距離傳送，也能較好的滿足仿生機器人關 節結構上的要求。繩輪傳動方式其機構比較複雜且可靠性不高，因此，在短距 離狹小空間內難以使用這種傳動方式，導致這種傳動方式不適於應用在微小型 機器人中。連杆傳動機構對於仿生機器人這類短距離的運動和動力傳送也是一種可行 的方案。對於像多足仿生機器人這樣的三關節機構，其機構主體是一個開環串 聯三連杆機構，若在此開環機構上添加一些零自由度的杆組，就可以構造出閉 環連杆機構，通過這些杆組就可以將各個關節根部的動力傳送到各個關節。帶傳動通常由主動帶輪、從動帶輪和張緊在兩輪上的環形傳動帶三部分組 成。目前很多機械臂式機器人採用帶傳動，這種傳動方式強度較低，疲勞壽命 較短，並且存在一定的間隙，使其在控制上存在不便。帶傳動一般應用於中、 小功率電動機與工作機械臂之間的動力傳遞，例如拖拉機、大理石切割機、車 身衝壓機、轎車發動機等等。鏈傳動是由裝在平行軸上的主、從動鏈輪和繞在鏈輪上的環形鏈條所組成， 這種傳動方式以鏈作為中間撓性件，依靠鏈與鏈輪輪齒的嚙合來傳遞運動和動 力。在鏈傳動中，按鏈條結構的不同可以分為滾子鏈傳動和齒形鏈傳動兩種類 型。在這種傳動方式中，鏈條和齒輪摩擦容易使鏈條鬆弛，齒輪磨損，噪聲高。因此，這種傳動方式不適於應用在微小型機器人中。齒輪傳動用來傳遞任意兩軸間的運動和動力，在齒輪傳動中，主要有諧波 齒輪傳動、行星齒輪傳動和蝸輪蝸杆傳動。目前哈爾濱工程大學的多足機器人 採用的就是齒輪傳動中的渦輪蝸杆方式。綜合比較各種傳動方式的特點，由此引出它們存在的缺點繩索傳動方式的缺點1、有張力，容易變形，會引起傳動的滯後現象，一 旦使用時間過長，繩索會變鬆弛，同時將會帶來較大的運動傳遞誤差。2、繩索 只能受拉而不能受壓，因此，很難實現回程，控制力一旦超調，便難於消除， 但超調現象又是在實際中不可避免的。連杆傳動方式的缺點會使仿生機器人的結構變得複雜，使得機械本體結 構的設計和加工比較困難，難以實現。帶傳動傳動方式的缺點這種傳動方式在微小型機器人應用方面存在很大 的局限性，具體表現為彈性滑動是帶傳動固有的特性，帶傳動不能保持準確的 傳動比，傳動效率較低；傳遞同樣大的圓周力時，輪廓尺寸和軸上的壓力較大； 帶受到交變應力的作用，容易發生疲勞破壞，帶的壽命較短；需要張緊裝置； 傳動外廓尺寸較大。錐齒輪傳動的微小型機器人樣機在結構上存在以下不足其間隙比較大， 電機軸與齒輪及套筒軸之間的連接不夠緊密，當承受較大扭矩時甚至會出現相 對的圓周方向運動，大大降低了步行足的運動性能；採用錐齒輪傳動方式，自 身沒有自鎖功能，只要機器人維持某一姿態，所有關節處電機便均需供電，因 此，能量消耗較大。渦輪蝸杆傳動方式雖然具有自鎖功能但是需要將蝸杆與電機軸相固定，這 一特點使得電機軸承受相當大的軸向力，這個力無論是在電機正轉反轉的時候 對電機的壽命和正常的使用都存在破壞性。另外使用蝸輪蝸杆傳動的微小型機 器人關節只能使用非標準設計，這樣一是增加了設計難度，二是增加了加工的 難度，增加了製作費用，三是減速比比較大，使得其外部需要有合適的減速器 與其配合傳動。綜上所述，上述傳遞方式不能滿足微小型多足機器人和微操作機器人方面 的需求。因此，亟需要找到一種能夠滿足傳動比大、可靠性高、結構緊湊的傳動方式。
發明內容本發明的目的在於提供一種傳動比大、可靠性高、結構緊湊的基於諧波減 速器的機器人關節。本發明的目的是這樣實現的其組成包括電機、與電機相連的編碼器、與電機的轉子相連的諧波減速器、 與諧波減速器相連傳動機構；所述的諧波減速器是由波發生器、位于波發生器 外的柔輪、位於柔輪外的固定鋼輪、旋轉鋼輪組成的；所述的傳動機構包括兩 部分， 一部分是與諧波減速器的固定鋼輪相固聯的殼體，另一部分是與諧波減 速器的旋轉鋼輪相固聯的端蓋，殼體與端蓋之間設置有軸承。本發明還可以包括1、 所述的殼體和端蓋上都連接有聯結臂。2、 殼體與端蓋之間的軸承是深溝球軸承。3、 諧波減速器的波發生器與電機轉子之間通過聯軸器相連。 本發明是由諧波減速器作為傳動機構的多足機器人關節結構，在現有的機器人研究成果下，找出了一種新的機器人傳動結構，從而可建立一個具有很強 應用性的機器人關節結構形式。它可以替換現有機器人的關節，並且隨著諧波 減速器的尺寸不斷減小，這種新型傳動方式更適合應用在微小型機器人的關節 傳動中，具有廣闊的應用前景。本發明的機器人關節結構的優點是1、單級傳動比大且範圍寬；2、同時 嚙合的齒數多，承載能力高；3、傳動平穩，傳動精度高，磨損小；4、在大傳 動比下，仍有較高的傳動效率；零件數少，重量輕，結構緊湊；具有通過密封 壁傳遞運動的能力等。5、傳動選擇不唯一剛輪與柔輪中可任意固定一個，其 餘兩個一為主動、 一為從動，即可實現減速或增速。6、通用型(適合各種機器 人)，7、具有自鎖性。8、對電機起到保護作用，電機軸不再像渦輪蝸杆傳動方 式受力，電機壽命得到保護並且工作平穩。原有的傳遞方式不能滿足微小型多足機器人和微操作機器人方面的需求。 因此，亟需要找到一種能夠滿足傳動比大、可靠性高、結構緊湊的傳動方式。 諧波減速器具有傳動效率高、自鎖性、承載能力強、傳動比大且選擇不唯一等優點，正好滿足了這一要求。(四)


圖l是本發明的拋面結構裝配圖；圖2是包含本發明的機器人關節的單個步行足結構示意圖；圖3是包含本發明的機器人關節的多足機器人整體結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖l，基於諧波減速器的機器人關節的組成主要包括聯軸器l、電機擋板2、柔輪3、波發生器4、固定鋼輪5、旋轉鋼輪6，軸承套7、殼體8、深 溝球軸承9、軸承支架10、端蓋11、內六角頭圓柱螺釘12、聯結臂13、內六 角頭圓柱螺釘14、內六角頭圓柱螺釘15、十字槽沉頭螺釘16、內六角頭圓柱 螺釘17、輔助聯結臂18、深溝球軸承19、內六角頭圓柱螺釘20、電機軸連接 銷21、電機22和光電編碼器23。詳細裝配方式用一個聯軸器l通過電機軸連接銷21將電機22聯上，聯 軸器的另一端與諧波減速器(柔輪3、波發生器4、固定鋼輪5、旋轉鋼輪6) 通過十字槽沉頭螺釘16相連，電機22連接電機擋板2並與殼體8固定(通過 內六角頭圓柱螺釘20),同時，光電編碼器23和電機22相連，再用內六角圓 柱頭螺釘17將固定鋼輪5與殼體8連接，通過以上的步驟就完成了諧波減速器 與電機、聯軸器的固定。隨後將軸承套7與深溝球軸承9壓入殼體2並用內六 角頭圓柱螺釘15固定，再用裝入端蓋11，用內六角頭圓柱螺釘14將端蓋11 與旋轉鋼輪6固定，最後通過內六角頭圓柱螺釘12將聯結臂13固定在端蓋11 上，壓上深溝球軸承19與輔助聯結臂18既完成裝配，其中輔助聯結臂18的固 定可以通過連接聯結臂13完成。關節結構工作原理可以將整個關節看成兩個部分，光電編碼器23連接電 機22，測量電機角度參數，電機22帶動諧波減速器(柔輪3、波發生器4、固 定鋼輪5、旋轉鋼輪6)提供力矩，另一個部分是諧波減速器通過傳動機構帶動 關節轉動。本發明可以應用於多種結構的機械人，下面舉例說明本發明的應用 由諧波齒輪作為傳動關節的多足機器人實例結合圖2，圖2所示為用諧波減速關節組成的具有三個運動關節的機器人 步行足，它包括三個如圖l本發明的關節(關節27，關節30關節32)，連 杆25，連接塊26，連接板31和三維力傳感器24，輔助聯結臂28，連接聯結臂 29。裝配方式如下關節30與關節32通過焊接殼體的方式固定，輔助聯結臂 18與連接聯結臂13將關節30與關節27連接，連接塊26通過焊接方式固定在 關節27上，連杆25與連接塊26通過螺栓連接，最後在連杆25的末端連接上 三維力傳感器24，關節32和連接板31通過螺栓固定。運動原理是每條步行 足足尖安裝有三維力傳感器24，用來檢測步行足的落地時受力和障礙物情況。 關節32通過箱體實現水平旋轉，同時和關節30固定，關節30通過(輔助聯結 臂28，連接聯結臂29)垂直旋轉帶動關節27，關節27通過殼體帶動連接塊26， 連杆25，三維力傳感器24。結合圖3，它是多足機器人整體結構。它包括八條步行足(關節33、關節 34、關節35、關節36、關節37、關節38、關節39、關節40)和機器人機體底 板41。機器人整體由八條步行足並聯構成，八條步行足完全成軸對稱布置，軀 幹上安裝有控制器和遙控裝置，每個步行足都是由三個傳動關節串聯構成，每 個傳動關節由圖1所示各步行足與機體底板41相連接。
權利要求
1. 一種基於諧波減速器的機器人關節，其組成包括電機、與電機相連的編碼器、與電機的轉子相連的諧波減速器、與諧波減速器相連傳動機構；所述的諧波減速器是由波發生器、位于波發生器外的柔輪、位於柔輪外的固定鋼輪、旋轉鋼輪組成的；其特徵是所述的傳動機構包括兩部分，一部分是與諧波減速器的固定鋼輪相固聯的殼體，另一部分是與諧波減速器的旋轉鋼輪相固聯的端蓋，殼體與端蓋之間設置有軸承。
2、 根據權利要求1所述的基於諧波減速器的機器人關節，其特徵是所述 的殼體和端蓋上都連接有聯結臂。
3、 根據權利要求1或2所述的基於諧波減速器的機器人關節，其特徵是 殼體與端蓋之間的軸承是深溝球軸承。
4、 根據權利要求1或2所述的基於諧波減速器的機器人關節，其特徵是 諧波減速器的波發生器與電機轉子之間通過聯軸器相連。
5、 根據權利要求3所述的基於諧波減速器的機器人關節，其特徵是諧波 減速器的波發生器與電機轉子之間通過聯軸器相連。
全文摘要
本發明提供的是一種基於諧波減速器的機器人關節。其組成包括電機、與電機相連的編碼器、與電機的轉子相連的諧波減速器、與諧波減速器相連傳動機構；所述的諧波減速器是由波發生器、位于波發生器外的柔輪、位於柔輪外的固定鋼輪、旋轉鋼輪組成的；所述的傳動機構包括兩部分，一部分是與諧波減速器的固定鋼輪相固聯的殼體，另一部分是與諧波減速器的旋轉鋼輪相固聯的端蓋，殼體與端蓋之間設置有軸承。本發明具有傳動比大、可靠性高、結構緊湊的優點。它可以替換現有機器人的關節，並且隨著諧波減速器的尺寸不斷減小，這種新型傳動方式更適合應用在微小型機器人的關節傳動中，具有廣闊的應用前景。
文檔編號F16H57/02GK101264603SQ20081006420
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月31日 優先權日2008年3月31日
發明者劉德峰, 季寶鋒, 剛 王, 王立權, 鄧輝峰, 曦 陳, 陳東良 申請人:哈爾濱工程大學