專利名稱：一種單自由度機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種單自由度機器人關(guān)節(jié)模塊。
背景技術(shù)：
機器人技術(shù)迄今取得了很大的發(fā)展，但離在社會生產(chǎn)和人類生活中大量和普遍應(yīng) 用還有相當(dāng)大的距離。究其原因，重要因素包括機器人本身的功能、性能和智能以及系統(tǒng)的 復(fù)雜性和高昂成本。盡管機器人針對某種應(yīng)用具有很大的靈活性和彈性，但現(xiàn)有的多數(shù)機 器人系統(tǒng)往往針對特定的使用目的和場合只有一種主要功能和固定構(gòu)型，缺乏功能的擴展 性和構(gòu)型的重構(gòu)性。綜合和集成多種功能于一身是目前和未來機器人系統(tǒng)開發(fā)的一大重要 趨勢。此外，針對每一領(lǐng)域和每項應(yīng)用都開發(fā)特定的機器人所花費的代價很大，嚴重制約機 器人的推廣應(yīng)用。因此，多功能、易構(gòu)建和低成本是機器人新系統(tǒng)開發(fā)中的重要目標。為此， 模塊化是個有效方法，是當(dāng)前機器人研究和開發(fā)中的一個趨勢和特點。模塊化能簡化設(shè)計 制造和維護、縮短研制周期、降低研制成本，大大增強系統(tǒng)構(gòu)建時的靈活性和彈性，正成為 系統(tǒng)開發(fā)的重要設(shè)計方法?？勺冃魏涂芍貥?gòu)的機器人的核心思想就是模塊化，整個機器人 就是若干模塊的有效組合。由于機器人模塊化在組建系統(tǒng)時極具柔性，可以自由地構(gòu)建多 自由度的系統(tǒng)，其不僅在移動機器人、爬壁機器人、管內(nèi)爬行機器人和多指手研究開發(fā)中常 被采用，在太空機器人系統(tǒng)開發(fā)中也受到青睞，無論是加拿大的太空機器人Canadarm，還是 美國機器人研究公司開發(fā)的21自由度3機器人試驗床，都采用了模塊化設(shè)計方式?？v觀國內(nèi)外的設(shè)計與開發(fā)現(xiàn)狀，德國Amtec公司已開發(fā)出單自由度的機器人關(guān)節(jié) 模塊(德國專利號DE19939646.A1)并已商品化。然而，由于關(guān)節(jié)模塊類型單一，外形結(jié)構(gòu)為 方形，模塊之間的連接有的需要專用的連接塊，由它們搭建的操作機在機械構(gòu)型上不理想。 韓國也研制了機器人關(guān)節(jié)模塊(專利號KR2005113975-A)。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)已研 制了模塊化關(guān)節(jié)(專利號ZL1807032.A)，華南理工大學(xué)也已開發(fā)出了第一代機器人用回 轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊(專利號ZL200820203560.7)，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、重量力矩比不太理想?？傊?雖然目前已有若干關(guān)節(jié)模塊被開發(fā)出來，但它們要么種類單一(如Amtec的PowerCube)，或 者價格極其高昂(如Robotics Research的模塊)，或者模塊自由度偏多(如TODOM有兩個 自由度，只能構(gòu)成偶數(shù)自由度的機器人)，或者模塊本身簡易但有針對性(如各種面向可重 構(gòu)機器人或蛇形機器人的微小型關(guān)節(jié)模塊)，而難以滿足搭建常規(guī)尺寸的任意機器人的廣 泛需求。因此，有必要開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊的常規(guī)大小的單自由度關(guān)節(jié)模塊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為降低機器人設(shè)計、制造、調(diào)試、使用和維護的成本，增加機器 人系統(tǒng)構(gòu)建的靈活性和快速性而提供一種結(jié)構(gòu)簡單而緊湊、連接和使用方便的單自由度機 器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用如下技術(shù)方案一種單自由度機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，包括伺服電機及光電編碼器組件、關(guān)節(jié)基座、
3輸出套筒、滾針單向推力軸承、端蓋軸承座、深溝球軸承、諧波減速器輸出盤、軸套和盤式諧 波減速器組件。各零部件的連接方式為伺服電機及光電編碼器組件與關(guān)節(jié)基座用螺釘緊 固，電機軸通過軸套與盤式諧波減速器組件的波發(fā)生器間接相連；該組件中的輸入剛輪用 螺釘與關(guān)節(jié)基座緊固連接，而輸出剛輪則與諧波減速器輸出盤連接；該輸出盤通過軸承支 撐于端蓋軸承座上，其一端通過花鍵與輸出套筒連接以傳遞運動和扭矩；端蓋軸承座與關(guān) 節(jié)基座用螺釘軸向固連，其承受著輸出套筒通過推力軸承和深溝球軸承的作用力；控制器 通過安裝架固定于關(guān)節(jié)基座內(nèi)。伺服電機及光電編碼器組件、關(guān)節(jié)基座、盤式諧波減速器組 件、諧波減速器輸出盤、端蓋軸承座和輸出套筒等的所有軸線重合。關(guān)節(jié)零位采用霍爾開關(guān)檢測?；魻栭_關(guān)由霍爾元件和作為觸發(fā)用的小磁鐵塊組 成。霍爾元件用膠固定于端蓋軸承座的一個徑向凹槽中，小磁鐵塊鑲嵌在輸出套筒的一個 孔中。定義兩者對齊時關(guān)節(jié)基座與輸出套筒的相對位置為模塊的零位。本發(fā)明的關(guān)節(jié)模塊的轉(zhuǎn)軸與模塊本身的中心軸線重合或平行，形成回轉(zhuǎn)運動，由 伺服電機驅(qū)動。電機的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角位移和角速度的光電編碼器直接相聯(lián)，前端與 諧波減速器相連，進行減速增力。為控制關(guān)節(jié)的重量和軸向尺寸，減速器采用盤式諧波減速 器組件，其輸出鋼輪與輸出盤及輸出套筒連接。關(guān)節(jié)模塊的兩端均設(shè)計統(tǒng)一的機械接口，在軸剖面上有梯形槽。關(guān)節(jié)模塊之間通 過定位銷定位、用軸剖面為梯形的卡環(huán)實現(xiàn)快速連接和鎖緊。定位銷除了定位外，還有阻止 相連模塊繞軸線的相對轉(zhuǎn)動的作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.由于減速機構(gòu)采用盤式諧波減速器的三大件，其基座與關(guān)節(jié)座設(shè)計成為一體， 且將滾針單向推力軸承與角接觸球軸承在徑向重疊布置，因而本發(fā)明重量相對較輕，結(jié)構(gòu) 簡單緊湊、軸向尺寸小。2.由于采用卡環(huán)結(jié)構(gòu)與其它?？熘苯舆B接和鎖緊，不需要其它專用的過渡或換向 連接件，連接和拆卸簡單、方便和快捷；3.能作整周回轉(zhuǎn)運動，無轉(zhuǎn)動范圍限制；4.零位開關(guān)采用霍爾元件，尺寸小，容易嵌入其它零部件中，安裝簡單方便；無機 械接觸和磨損，可靠性好。


圖1是本關(guān)節(jié)模塊的外觀圖；圖2是本關(guān)節(jié)模塊的剖面圖；圖3是本關(guān)節(jié)模塊零位開關(guān)的安裝示意圖(局部剖面圖)。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對型作進一步地描述。如圖1所示為本關(guān)節(jié)模塊的外觀圖。圖中的關(guān)節(jié)基座02與輸出套筒07之間并無 直接連接，但兩者通過其它零件能繞中心軸線作相對轉(zhuǎn)動。如圖2所示為本關(guān)節(jié)模塊的剖面圖。在圖2中，關(guān)節(jié)模塊的相對轉(zhuǎn)動軸與模塊本 身的中心軸線重合。零部件包括伺服電機及光電編碼器組件01、關(guān)節(jié)基座02、電機固定螺釘03、諧波減速器輸入端軸向固定螺釘04、諧波減速器輸出端軸向連接螺釘05、內(nèi)六角螺 釘06、輸出套筒07、滾針單向推力軸承08、端蓋軸承座09、深溝球軸承10、諧波減速器輸出 盤11、軸套12、外六角螺母13、卡簧14、盤式諧波減速器組件15(其中的三大件沒有在圖中 單獨示出)、鍵16、鎖緊螺釘17、控制器安裝架18、控制器19、霍爾元件20、小磁鐵塊21。驅(qū) 動電機為直流伺服電機，電機與用于角位移和角速度檢測的光電編碼器集成，即電機軸后 端直接連接光電編碼器，成為伺服電機及光電編碼器組件01。電機的前端面與關(guān)節(jié)基座02 通過電機固定螺釘03緊固；電機軸通過軸套12與盤式諧波減速器組件15的波發(fā)生器間接 相連，軸套12與電機軸由四個鎖緊螺釘17徑向固定，與盤式諧波減速器組件15的波發(fā)生 器通過鍵16來傳遞扭矩，并由卡簧14防止軸向移動；為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度，減速 器采用扁平盤狀的諧波減速器三大件15，其輸入剛輪通過軸向固定螺釘04與關(guān)節(jié)基座02 緊固連接，而輸出剛輪則通過軸向連接螺釘05與諧波減速器輸出盤11緊固連接；諧波減速 器輸出盤11通過深溝球軸承10支撐于端蓋軸承座09上，端蓋軸承座09與關(guān)節(jié)基座02由 六根內(nèi)六角螺釘06在軸向固連，其背對諧波減速器組件15的一側(cè)緊靠著滾針單向推力軸 承08的固定圈；輸出套筒07通過花鍵與諧波減速器輸出盤連接以傳遞運動和扭矩，其一端 面緊靠滾針單向推力軸承08的動圈，將所受壓力卸于端蓋軸承座上，另一端面由兩個外六 角螺母13鎖緊和防松；控制器19通過安裝架18固定于關(guān)節(jié)基座02內(nèi)，與電機相鄰。伺服 電機及光電編碼器組件01、關(guān)節(jié)基座02、盤式諧波減速器組件15、諧波減速器輸出盤11、端 蓋軸承座09和輸出套筒07等的所有軸線重合。 如圖3所示為關(guān)節(jié)零位檢測開關(guān)的安裝示意圖(局部剖面圖，沿關(guān)節(jié)軸向剖切)。 霍爾開關(guān)由霍爾元件20和作為觸發(fā)用的小磁鐵塊21組成?；魻栐?0用膠固定于端蓋 軸承座09的一個徑向凹槽中，小磁鐵塊21鑲嵌在輸出套筒07的一個孔中。兩者對齊時關(guān) 節(jié)基座與輸出套筒的相對位置定義為模塊的零位。由于減速機構(gòu)采用盤式諧波減速器的三 大件，其基座與關(guān)節(jié)座設(shè)計成為一體，且將滾針單向推力軸承與角接觸球軸承在徑向重疊 布置，因而本發(fā)明重量相對較輕，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、軸向尺寸小。由于采用卡環(huán)結(jié)構(gòu)與其它模 快直接連接和鎖緊，不需要其它專用的過渡或換向連接件，連接和拆卸簡單、方便和快捷。
權(quán)利要求
一種單自由度機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，其特征在于包括伺服電機及光電編碼器組件、關(guān)節(jié)基座、輸出套筒、滾針單向推力軸承、端蓋軸承座、深溝球軸承、諧波減速器輸出盤、軸套和盤式諧波減速器組件；各零部件的連接方式為伺服電機及光電編碼器組件與關(guān)節(jié)基座用螺釘緊固，電機軸通過軸套與盤式諧波減速器組件的波發(fā)生器相連；盤式諧波減速器的輸入剛輪用螺釘與關(guān)節(jié)基座緊固連接，而輸出剛輪則與諧波減速器輸出盤連接；該輸出盤通過軸承支撐于端蓋軸承座上，一端通過花鍵與輸出套筒連接以傳遞運動和扭矩；端蓋軸承座與關(guān)節(jié)基座用螺釘軸向固連；控制器通過安裝架固定于關(guān)節(jié)基座內(nèi)；伺服電機及光電編碼器組件、關(guān)節(jié)基座、盤式諧波減速器組件、諧波減速器輸出盤、端蓋軸承座和輸出套筒的所有軸線重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單自由度機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊，其特征在于關(guān)節(jié)零位采用霍 爾開關(guān)檢測；霍爾開關(guān)由霍爾元件和作為觸發(fā)用的小磁鐵塊組成；霍爾元件用膠固定于端 蓋軸承座的一個徑向凹槽中，小磁鐵塊鑲嵌在作相對轉(zhuǎn)動的輸出套筒的一個孔中，霍爾元 件和小磁鐵塊對齊時關(guān)節(jié)基座與輸出套筒的相對位置定義為模塊的零位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單自由度機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊。該關(guān)節(jié)模塊具有一個轉(zhuǎn)動自由度，其轉(zhuǎn)軸與模塊本身的中心軸線重合或平行，形成回轉(zhuǎn)運動。它配以相應(yīng)的控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)運動或力矩控制，零位用霍爾開關(guān)檢測。該關(guān)節(jié)模塊主要包括伺服電機及光電編碼器組件、盤式諧波減速器組件、諧波減速器輸出盤、關(guān)節(jié)基座、輸出套筒和軸承及相應(yīng)的端蓋。伺服電機的輸出軸通過軸套與諧波減速器的波發(fā)生器連接，而諧波減速器輸出剛輪與輸出盤通過螺釘固接，后者再通過花鍵與輸出套筒連接，最終實現(xiàn)運動和動力的傳輸。本模塊結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，與其它模塊或零部件連接方便，可組合構(gòu)建多種機器人或其它機電系統(tǒng)。
文檔編號B25J17/00GK101913150SQ201010242208
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者張憲民, 朱海飛, 李湛初, 管貽生 申請人:華南理工大學(xué)