本發(fā)明涉及機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

當(dāng)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(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域外，還應(yīng)用于資源勘探開發(fā)、救災(zāi)排險、醫(yī)療服務(wù)、家庭娛樂、軍事和航天等其他領(lǐng)域。機器人是工業(yè)及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。

隨著科技的發(fā)展，人們對機器人的要求也越來越高。對于一臺普通機器人而言，其應(yīng)用領(lǐng)域受到了其自身機械結(jié)構(gòu)的極大限制。機器人的柔性已經(jīng)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(fā)模塊化機器人系統(tǒng)。

傳統(tǒng)機械臂各個關(guān)節(jié)不同，構(gòu)型也相對固定，而模塊化機械臂是由若干個結(jié)構(gòu)相同的模塊組成，各個模塊都是集機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、控制和通信等于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(xiàn)更加復(fù)雜多樣的功能。隨著工作環(huán)境和任務(wù)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(yīng)的構(gòu)型。但是，目前市面上常見的模塊化機械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝卸繁瑣、成本較高。

因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)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(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是：提供一種輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便、成本低廉，具有極強的靈活性和適應(yīng)性。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)，包括諧波減速器、輸入模塊、輸出模塊和驅(qū)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(qū)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(qū)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于所述機殼上，所述機殼與所述端蓋連接。

上述的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)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(fā)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(guān)節(jié)中，所述輸入軸上由前至后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后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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)中，所述電機包括電機定子和電機轉(zhuǎn)子，所述電機轉(zhuǎn)子通過導(dǎo)熱膠與所述輸入軸固定連接，所述電機定子通過導(dǎo)熱膠與所述機殼固定連接。

上述的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)中，還包括中空軸，所述中空軸貫穿于機械臂關(guān)節(jié)的中間，且所述中空軸的孔徑不小于5mm，且不大于15mm。

上述的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)中，所述機殼的側(cè)面設(shè)有螺紋孔。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

1、本發(fā)明的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)，包括諧波減速器、輸入模塊、輸出模塊和驅(qū)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(qū)動模塊電連接，通過采用模塊化的設(shè)計，每個關(guān)節(jié)既可以獨立地完成一些簡單的功能，也可以與其它關(guān)節(jié)模塊進行組合和通信，實現(xiàn)在機械臂層面上的更加復(fù)雜多樣的功能。

2、本發(fā)明的機械臂關(guān)節(jié)集成了力矩傳感器，使用力矩傳感器測量力矩然后用于反饋控制，并采取直驅(qū)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(guān)節(jié)控制精度，結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便。

3、本發(fā)明的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)，采用了輸出端編碼器與電機端編碼器的雙編碼器結(jié)構(gòu)，雙編碼器反饋形成速度、位置全閉環(huán)控制，提高了控制精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)的剖視圖；

圖2是本發(fā)明實施例輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)中諧波減速器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)中機殼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)中電機端編碼器、輸入軸、軸承位置示意圖；

圖5為本發(fā)明輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)中輸出端編碼器、輸出軸、力矩傳感器位置示意圖。

其中，本發(fā)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(zhuǎn)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(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例一：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的一種輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)，包括諧波減速器1、輸入模塊、輸出模塊和驅(qū)動模塊，諧波減速器1、輸入模塊和輸出模塊分別與驅(qū)動模塊電連接。本發(fā)明所述的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)，通過采用模塊化的設(shè)計，每個關(guān)節(jié)既可以獨立地完成一些簡單的功能，也可以與其它關(guān)節(jié)模塊進行組合和通信，實現(xiàn)在機械臂層面上的更加復(fù)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(qū)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，電機端編碼器固定于機殼5上，機殼5與端蓋6連接。該機械臂關(guān)節(jié)集成了力矩傳感器4，使用力矩傳感器4測量力矩然后用于反饋控制，并采取直驅(qū)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(guān)節(jié)控制精度，結(jié)構(gòu)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，并且，輸出端編碼器和電機端編碼器均為自組裝型單圈編碼器。采用輸出端編碼器與電機端編碼器的雙編碼器結(jié)構(gòu)，雙編碼器反饋形成速度、位置全閉環(huán)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(huán)形作為探測器感應(yīng)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。由于輸出端編碼器是絕對值編碼器，當(dāng)諧波減速器1的柔輪帶動輸出端編碼器的動盤9轉(zhuǎn)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(rèn)址技術(shù)，實現(xiàn)編碼器上電就可以輸出一周內(nèi)任意角度值，從而可用于測定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(fā)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(dāng)諧波減速器1的波發(fā)生器帶動電機端編碼器的動盤7轉(zhuǎn)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，由于該編碼器是增量式編碼器，因此，可測量出電機轉(zhuǎn)動的速度。

如圖3所示，機殼5的側(cè)面設(shè)有螺紋孔，作為機械臂關(guān)節(jié)的輸入端。

如圖4所示，輸入軸2上由前至后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上由前至后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(zhuǎn)子15兩大部件，具有高功率、質(zhì)量比、微小體積等特點。其中，電機轉(zhuǎn)子15通過導(dǎo)熱膠與輸入軸2固定連接，電機定子14通過導(dǎo)熱膠與機殼5固定連接。

導(dǎo)熱膠，又稱導(dǎo)熱硅膠，是以有機硅膠為主體，添加填充料、導(dǎo)熱材料等高分子材料，混煉而成的硅膠。導(dǎo)熱膠具有以下優(yōu)點：1、優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(散熱性能)，固化后的導(dǎo)熱系數(shù)達到1.1～1.5，為電子產(chǎn)品提供了高保障的散熱系數(shù)，為電子產(chǎn)品(尤其是需要高散熱產(chǎn)品)在使用過程中的穩(wěn)定起到保障作用，提高了產(chǎn)品的使用性能及壽命。2、優(yōu)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(wěn)定性，增加了電子產(chǎn)品在使用過程中的安全系數(shù)。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(yōu)異的密封性、又具有優(yōu)異的粘接和導(dǎo)熱作用。4、固化速度快，易于擠出，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(huán)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、無污染、更安全環(huán)保。6、優(yōu)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(fā)明所述的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)中，為了便于走線，在機械臂關(guān)節(jié)的中間部分設(shè)有非標(biāo)準(zhǔn)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的孔徑不小于5mm，且不大于15mm。其中，軸承定位器17可以用于軸承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采用開槽式設(shè)計，既減輕了重量，又解決了諧波減速器1的波發(fā)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(guān)節(jié)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(fā)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(zhuǎn)子15以粘膠的裝配方式相固定。當(dāng)驅(qū)動信號傳輸?shù)诫姍C上時，電機轉(zhuǎn)子15帶動輸入軸2轉(zhuǎn)動，與輸入軸2相固定的諧波減速器1的波發(fā)生器也跟著轉(zhuǎn)動，經(jīng)過諧波減速器1的減速作用后，由其柔輪帶動力矩傳感器4轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)由電機的轉(zhuǎn)動控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。

綜上所述，本發(fā)明所述的輕型模塊化機械臂關(guān)節(jié)采用直線疊加型設(shè)計，中空走線，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕、體積小、通用性強、結(jié)構(gòu)簡單，有利于關(guān)節(jié)小型化。同時，使用力矩傳感器測量力矩，然后用于反饋控制，提高了控制精度，有利于提高協(xié)作型機器人的感應(yīng)靈敏度和完善各種基于力的控制策略。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。