五自由度可重构模块化服务机器人手臂的制作方法

专利名称：五自由度可重构模块化服务机器人手臂的制作方法
技术领域：
本发明属于一种机器人手臂，具体的说是一种五自由度可重构模块化服务机器人手臂。
背景技术：
近几年来，机器人在人们日常生活中的应用越来越广泛，比如在医疗、餐饮、娱乐 等领域，相对于一般的工业机器人来说，这类机器人统称为服务机器人，它们通常体积小 巧、结构简单、运动灵活、质量较低、功能多种多样，甚至有的具有一定的智能化，能够与人 交流，服务机器人的应用前景非常广阔。由于机器人在非制造领域的广泛应用，机器人在非结构环境下的作业情况也越来 越多，而在这种环境下机器人的任务事先很难确定、机器人的工作环境事先也很难完全已 知，这时就要求机器人具有适应环境和任务变化的能力，传统机器人明显不适用这种要求。 为了解决机器人的工作能力和性能与机器人的结构构形之间的矛盾，这就要求研究一种新 型机器人在完成不同的任务或在不同的环境下工作时有不同的构形，这种可以改变构形的 机器人称之为可重构模块化机器人。可重构机器人一般由若干个可以相互连接和分开的简 单模块组成，模块之间的不同组合可以使机器人系统具有不同的形态和功能。组成模块化 可重组机器人的模块可以具有不同的种类，模块的种类一般较少，而模块的数量却可以很 多。模块的结构和功能一般比较简单，但很多模块组合起来却可以组成很多的形态从而获 得很多的功能。可重构模块化机器人一般是根据任务和环境的需要而进行重组，与传统的 机器人相比，可重构模块化机器人有很多特点，主要包括适应性强、整机开发时间短、成本 低、高可靠性、高稳定性等。能适应不同的工作任务与工作环境可重构机器人的结构构型可 以根据工作任务而改变，不同的机器人构型有不同的工作空间，适用于不同的任务，因此对 任务与环境的适应性强。整机开发的时间短，效率高机器人的设计问题被分解为模块的设 计和机器人构型的设计。而模块的设计远较系统的设计简单，因此设计时间短。在机器人结 构要求变化时，主要任务是构型设计和少部分特殊模块的设计，这就大大提高了设计效率。服务机器人手臂设计的是服务机器人的关键技术之一。现有的机器人手臂结构较 复杂，体积较大，质量较大，成本较高。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种五自由度可重构模块化机器 人手臂。为达到上述目的，本发明的构思是本发明机器人手臂采用模块化独立设计方案， 由几个功能模块组成，各个模块可以批量生产、独立维修、便于组装、可重构性很强，可以通 过扩展组成不同性能的机器人手臂，结构灵活，能够有效的减轻质量，降低成本。具体的结 构上，它由五个模块化关节组成，关节的模块化程度很高，把用来做驱动系统的电机、减速 器、编码器等部件集成在关节内，各关节间通过连接架依次顺序相连接，连接架相对于一般 的连杆杆长更短，很大的减少了整个手臂的体积，独自设计的零件均采用铝合金制造而成，质量较一般的机器人手臂有很大降低。本发明的五自由度可重构模块化的服务机器人手臂，包括大臂和小臂两个部分， 大臂从基座开始，包含两个关节，第一个关节做回转运动，具有一个自由度，第二个关节做 摆动运动，具有一个自由度，两个关节是通过具有两个垂直面板的连接架连接在一起，连接 架的作用相当于连杆，两个关节的具体连接关系为所述第一关节的谐波减速器有螺纹孔 结构，与连接架一 1的其中一个面板外侧通过螺钉连接在一起，第一关节连接板上装有挡 块，对应连接架的撞块，来限制第一关节回转的角度，第一关节和第二关节的回转轴线垂直 相交。小臂包括第三关节、第四关节、第五关节，均做回转运动，一次通过连接架连接起 来，三个关节的运动相互独立，第三关节和第四关节分别用螺钉连接在连接架三的两块垂 直面板的外侧和内侧，两关节回转轴线相互垂直，第四关节和第五关节分别用螺钉连接在 连接架四的两块垂直面板的内侧和外侧，两关节回转轴线相互垂直。根据上述构思，本发明采用下述技术方案一种五自由度可重构模块化服务机器人手臂，包括大臂、小臂和控制系统，其特征 在于所述大臂为一个底座依次连接一个第一关节和一个第二关节构成，第一关节做回转 运动，具有一个自由度，第二关节做摆动运动，具有一个自由度；所述小臂为依次连接的一 个第三关节、一个第四关节和一个第五关节构成，该三个关节均做回转运动，各具有一个自 由度；所述五个关节均为模块化关节，通过四个连接架依次顺序连接成一个开链的空间机 构，具有五个自由度上述五个关节通过四个连接架依次顺序的结构底座上有螺纹孔通过螺钉固定在 移动平台上，第一关节有套筒一中的凸台与所述底座上的孔构成基孔制过渡配合并通过螺 钉固定在一起，第一关节和第二关节通过连接架一连接在一起，其中第一关节中有谐波减 速器一的输出端与连接架一中的一块垂直面板的外侧通过螺钉固定在一起，第二关节有套 筒二中的凸台与连接架一的另一块垂直面板的内侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通 过螺钉固定在一起，依次往后，第二关节中有谐波减速器二的输出端与一个连接架二中的 一块垂直面板的内侧通过螺钉固定在一起；第三关节有套筒三中的凸台与连接架二的另一 块垂直面板的外侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起；第三关节中有 谐波减速器三的输出端与一个连接架三中的一块垂直面板的外侧通过螺钉固定在一起，第 四关节的套筒四中有凸台与连接架三的另一块垂直面板的内侧面板中的孔构成基孔制过 渡配合并通过螺钉固定在一起，第四关节中的谐波减速器四的输出端与一个连接架四中的 一块垂直面板的内侧通过螺钉固定在一起，第五关节有套筒五中的凸台与连接架四的另一 块垂直面板的外侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起。上述第一模块化关节包括直流伺服电机一、直流伺服电机一、抱间、行星齿轮箱 一、驱动器一、传感器一、谐波减速器一、连接板一、套筒一，抱间上有接线孔，其连接关系 为抱间、直流伺服电机一与行星齿轮箱一封装在套筒一内，套筒一与连接板一通过螺钉连 接，谐波减速器一的输入端与连接板一通过螺钉连接，谐波减速器一的输出端与连接架一 通过螺钉连接，驱动器一用螺钉固定在底座上，传感器一固定在连接板一上，连接板一上装 有零位非接触片一和第一关节挡块一、第一关节挡块二，连接架一与谐波减速器一相连的 板上装有撞块一，用来限制关节一转动的角度；当第一关节绕中心轴转动时，转到撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感器一、而传感器一的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机一当前的位置信息反馈给控制系统进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个 驱动器一使关节向相反方向转动，关节转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至 所述控制系统，对其进行实时控制，驱动器一在整个控制环节中处于控制系统-驱动器-电 机的中间换节，其主要功能是接收来自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直 流伺服电机一，并且将电机的工作情况反馈至控制系统。上述第二模块化关节包括直流伺服电机二、行星齿轮箱二、谐波减速器二、驱动器 二、传感器二、连接板二、套筒二，其连接关系为直流伺服电机二与行星齿轮箱二封装在套 筒二内，套筒二与连接板二通过螺钉连接固定在一起，谐波减速器二的输入端与连接板二 通过螺钉连接，谐波减速器二的输出端与连接架二通过螺钉连接，驱动器二用螺钉固定在 连接架一上，传感器二固定在连接板二上，连接板二上装有接近开关和第二关节挡块一，第 二关节挡块二，连接架二与谐波减速器二相连的板上装有撞块二，可用来限制关节二转动 的角度；当第二关节绕中心轴转动时，转到两个撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感 器二、而传感器二的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机二当前的位置信息反馈给控 制系统进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器二使关节向相反方向转动， 关节转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制， 驱动器二在整个控制环节中处于控制系统_驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接收 来自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机二，并且将电机的工作 情况反馈至控制系统。上述第三模块化关节包括直流伺服电机三、谐波减速器三、驱动器三、传感器三、 连接板三、套筒三，其连接关系为直流伺服电机三装在套筒三内，直流伺服电机三与连接 板三通过螺钉连接，套筒三与连接板三通过螺钉连接固定在一起，谐波减速器三的输入端 与连接板三通过螺钉连接，谐波减速器三的输出端与连接架三通过螺钉连接，驱动器三用 螺钉固定在连接架二上，传感器三固定在连接板三上，连接板三上装有接近开关和第三关 节挡块一、第三关节挡块二，连接架三与谐波减速器三相连的板上装有撞块，可用来限制关 节三转动的角度；当第三关节绕中心轴转动时，转到两个撞块接触的位置，此信息会通过 传感器三、而传感器三的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机三当前的位置信息反馈 给控制系统进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器三使关节向相反方向转 动，关节转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控 制，驱动器三在整个控制环节中处于控制系统_驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接 收来自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机三，并且将电机的工 作情况反馈至控制系统。上述第四模块化关节包括直流伺服电机四、谐波减速器四、驱动器四、传感器四、 连接板四、套筒四，其连接关系为直流伺服电机四装在套筒四内，套筒四与连接板四通过 螺钉连接固定在一起，谐波减速器四的输入端与连接板四通过螺钉连接，谐波减速器四的 输出端与连接架四通过螺钉连接，驱动器四用螺钉固定在连接架三上，传感器四固定在连 接板四上，连接板四上装有接近开关和第四关节挡块一，第四关节挡块二连接架四与谐波 减速器四相连的板上装有撞块四，可用来限制关节四转动的角度；当第四关节绕中心轴转 动时，转到两个撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感器四、而传感器四的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机四当前的位置信息反馈给控制系统进行实时控制，再经由一 个控制系统作用于一个驱动器四使关节向相反方向转动，关节转过的角度通过一个编码器 转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱动器四在整个控制环节中处于 控制系统-驱动器-电机的中间换节，其主要功能是接收来自控制系统的信号，然后将信号 进行处理再转移至直流伺服电机四，并且将电机的工作情况反馈至控制系统。上述第五模块化关节包括直流伺服电机五、谐波减速器五、驱动器五、连接板五、 套筒五，其连接关系为直流伺服电机五装在套筒五内，套筒五与连接板五通过螺钉连接固 定在一起，谐波减速器五的输入端与连接板五通过螺钉连接，谐波减速器五的输出端与连 接架四通过螺钉连接。在上述手臂中，第一关节、第三关节和第五关节的回转轴线共线，第二关节和第四 关节的轴线与第一关节(第三关节、第五关节)的轴线相互垂直。上述第一关节的直流伺服电机一输出功率为200W-250W。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本 发明的服务机器人手臂在控制系统的作用下能完成各种特定的动作。本机器人手臂关节组 成在结构上具有模块化特点，并具有可重构特点，便于加工制造，易于调试、维护和更换，整 体结构紧凑，传动和驱动系统接口容易实现，封装性好，关节模块化程度高，安装简单，可达 的工作空间大。


图1是本发明一个实施例的整体结构示意图。图2是大臂的结构示意图。图3是小臂的结构示意图。图4是图3中A-A处剖视图。图5是图3中B-B处剖视图。图6是图1中C向局部视图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合

如下实施例一参见图1，本五自由度可重构模块化服务机器人手臂，包括大臂、小臂 和控制系统，所述大臂为一个底座依次连接一个第一关节和和一个第二关节构成，第一关 节做回转运动，具有一个自由度，第二关节做摆动运动，具有一个自由度；所述小臂为依次 连接的一个第三关节、一个第四关节和一个第五关节构成，该三个关节均做回转运动，各具 有一个自由度；所述五个关节均为模块化关节，通过四个连接架依次顺序连接成一个开链 的空间机构，具有五个自由度。实施例二 参见图1，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述五个关节 通过四个连接架依次顺序连接的结构是底座26上有螺纹孔62通过螺钉固定在移动平台 上，第一关节有套筒一 1中的凸台与所述底座26上的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固 定在一起，第一关节和第二关节通过连接架一 4连接在一起，其中第一关节中有谐波减速 器一 3的输出端与连接架一 4中的一块垂直面板的外侧通过螺钉固定在一起，第二关节有套筒二 5中的凸台与连接架一4的另一块垂直面板的内侧面板中的孔构成基孔制过渡配合 并通过螺钉固定在一起，依次往后，第二关节中有谐波减速器二6的输出端与一个连接架 二 8中的一块垂直面板的内侧通过螺钉固定在一起；第三关节有套筒三9中的凸台与连接 架二8的另一块垂直面板的外侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起； 第三关节中有谐波减速器三42的输出端与一个连接架三11中的一块垂直面板的外侧通 过螺钉固定在一起，第四关节的套筒四44中有凸台与连接架三11的另一块垂直面板的内 侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起，第四关节中的谐波减速器四47 的输出端与一个连接架四14中的一块垂直面板的内侧通过螺钉固定在一起，第五关节有 套筒五15中的凸台与连接架四14的另一块垂直面板的外侧面板中的孔构成基孔制过渡配 合并通过螺钉固定在一起。实施例三参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，本实施例与实施例二基本相同，特 别之处如下第一模块化关节包括直流伺服电机一 28、抱间27、行星齿轮箱一 29、驱动器 一 61、传感器一 40、谐波减速器一 3、连接板一 2、套筒一 1，抱间27上有接线孔41，其连接 关系为抱闸27、直流伺服电机一 28与行星齿轮箱一 29封装在套筒一 1内，套筒一 1与连 接板一 2通过螺钉连接，谐波减速器一 3的输入端与连接板一 2通过螺钉连接，谐波减速器 一 3的输出端与连接架一 2通过螺钉连接，驱动器一 61用螺钉固定在底座26上，传感器一 40固定在连接板一 20上，连接板一 2上装有零位非接触片一 25和第一关节挡块一 24、第一 关节挡块二 29，连接架一 4与谐波减速器一 3相连的板上装有撞块一 30，用来限制关节一 转动的角度；当第一关节绕中心轴转动时，转到撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感 器一 40、而传感器一 40的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机一 28当前的位置信息 反馈给控制系统进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器一 61使关节向相 反方向转动，关节转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进 行实时控制，驱动器一 61在整个控制环节中处于控制系统-驱动器-电机的中间换节，其 主要功能是接收来自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机一 28， 并且将电机的工作情况反馈至控制系统。第一关节具体运动过程为当机器人手臂驱动器一 61获得指令后，直流伺服电机 一 28开始转动，其转动通过行星齿轮箱29传递至谐波减速器一 3的输出端，谐波减速器一 3的输出端开始转动，与此相连接的连接架一 4同时转动，连接架一 4上的零位非接触片经 过传感器一 40上方时，传感器得到信号，使手臂处于零位置，即初始位置。当第一关节继续 做回转运动，连接架一 4装上的撞块一 30与连接板一 2上的第一关节挡块一 24、第一关节 挡块二 39发生碰撞时，电机向相反方向转动，由此可以限制第一关节在两个挡块确定的范 围内转动，第一关节转过的角度通过内置于直流伺服电机一 28的编码器转化为电信号，反 馈至控制系统，对直流伺服电机一 28进行实时控制。第二模块化关节包括直流伺服电机二 37、行星齿轮箱二 36、谐波减速器二 6、驱 动器二 23、传感器二 34、连接板二 32、套筒二 5，其连接关系为直流伺服电机二 36与行星 齿轮箱二 36封装在套筒二 5内，套筒二 5与连接板二 32通过螺钉连接固定在一起，谐波 减速器二 6的输入端与连接板二 32通过螺钉连接，驱动器二 23用螺钉固定在连接架一 4 上，传感器二 34固定在连接板二 32上，谐波减速器二 6的输出端与连接架二 8通过螺钉连 接，连接板二 32上装有接近开关33和第二关节挡块一 22，第二关节挡块二 35，连接架二 8与谐波减速器二 6相连的板上装有撞块二 31，可用来限制关节二转动的角度；当第二关节 绕中心轴转动时，转到两个撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感器二 34、而传感器二 34的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机二 37当前的位置信息反馈给控制系统进行 实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器二 23使关节向相反方向转动，关节转过 的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱动器二 23在整个控制环节中处于控制系统-驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接收来自控 制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机二 37，并且将电机的工作情况 反馈至控制系统。
第二关节具体运动过程为当机器人手臂驱动器二 23获得指令后，直流伺服电机 二 37开始转动，其转动通过行星齿轮箱二 36传递至谐波减速器二 6的输出端，谐波减速器 二 6的输出端开始转动，与此相连接的连接架二 8同时转动，连接架二 8上的零位非接触 片33经过传感器二 34上方时，传感器得到信号，使第二关节处于零位置，即初始位置。当 第二关节继续做回转运动，连接架二 8装上的撞块二 31与连接板二 8上的第二关节挡块一 22、第二关节挡块二 35发生碰撞时，电机向相反方向转动，由此可以限制第一关节在两个 挡块确定的范围内转动，第二关节转过的角度通过编码器二 38转化为电信号，反馈至控制 系统，对直流伺服电机二 37进行实时控制。第三模块化关节包括直流伺服电机三53、谐波减速器三42、驱动器三7、传感器 三60、连接板三10、套筒三9，其连接关系为直流伺服电机三53装在套筒三9内，直流伺 服电机三53与连接板三10通过螺钉连接，套筒三9与连接板三10通过螺钉连接固定在一 起，谐波减速器三42的输入端与连接板三10通过螺钉连接，谐波减速器三42的输出端与 连接架三11通过螺钉连接，驱动器三7用螺钉固定在连接架二 8上，传感器三60固定在连 接板三10上，连接板三10上装有接近开关59和第三关节挡块一 43、第三关节挡块二 52， 连接架三11与谐波减速器三42相连的板上装有撞块58，可用来限制关节三转动的角度； 当第三关节绕中心轴转动时，转到两个撞块接触的位置，此信息会通过传感器三60、而传感 器三60的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机三53当前的位置信息反馈给控制系统 进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器三7使关节向相反方向转动，关节 转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱动 器三7在整个控制环节中处于控制系统-驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接收来 自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机三53，并且将电机的工作 情况反馈至控制系统。第三关节具体运动过程为当机器人手臂驱动器三7获得指令后，直流伺服电机 三53开始转动，其转动传递至谐波减速器三42的输出端，谐波减速器三42的输出端开始 转动，与此相连接的连接架三11同时转动，连接架三11上的零位非接触片59经过传感器 三60上方时，传感器得到信号，使第三关节处于零位置，即初始位置。当第三关节继续做回 转运动，连接架三11装上的撞块三58与连接板三53上的第三关节挡块一 43、第三关节挡 块二 52发生碰撞时，电机向相反方向转动，由此可以限制第三关节在两个挡块确定的范围 内转动，第三关节转过的角度通过编码器三54转化为电信号，反馈至控制系统，对直流伺 服电机三53进行实时控制。第四模块化关节包括直流伺服电机四46、谐波减速器四47、驱动器四20、传感器四57、连接板四18、套筒四44，其连接关系为直流伺服电机四46装在套筒四44内，套筒 四44与连接板四18通过螺钉连接固定在一起，谐波减速器四47的输入端与连接板四18 通过螺钉连接，谐波减速器四47的输出端与连接架四14通过螺钉连接，驱动器四20用螺 钉固定在连接架三11上，传感器四(57)固定在连接板四18上，连接板四18上装有接近开 关56和第四关节挡块一 48，第四关节挡块二51连接架四14与谐波减速器四47相连的板 上装有撞块四55，可用来限制关节四转动的角度；当第四关节绕中心轴转动时，转到两个 撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感器四57、而传感器四57的作用在于通过控制系 统获取直流伺服电机四46当前的位置信息反馈给控制系统进行实时控制，再经由一个控 制系统作用于一个驱动器四20使关节向相反方向转动，关节转过的角度通过一个编码器 转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱动器四20在整个控制环节中 处于控制系统_驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接收来自控制系统的信号，然后将 信号进行处理再转移至直流伺服电机四46，并且将电机的工作情况反馈至控制系统。第四关节具体运动过程为当机器人手臂驱动器四20获得指令后，直流伺服电机 四46开始转动，其转动传递至谐波减速器四47的输出端，谐波减速器四47的输出端开始 转动，与此相连接的连接架四14同时转动，连接架四14上的零位非接触片四56经过传感 器四57上方时，传感器得到信号，使第四关节处于零位置，即初始位置。当第四关节继续做 回转运动，连接架四14装上的撞块四55与连接板四18上的第四关节挡块一 48、第四关节 挡块二 51发生碰撞时，电机向相反方向转动，由此可以限制第四关节在两个挡块确定的范 围内转动，第四关节转过的角度通过编码器四19转化为电信号，反馈至控制系统，对直流 伺服电机四46进行实时控制。第五模块化关节包括直流伺服电机五50、谐波减速器五17、驱动器五13、连接板 五16、套筒五15，其连接关系为直流伺服电机五50装在套筒五15内，套筒五15与连接板 五16通过螺钉连接固定在一起，驱动器五13用螺钉固定在连接架四14上，谐波减速器五 17的输入端与连接板五16通过螺钉连接，谐波减速器五17的输出端与连接架四14通过螺 钉连接。
权利要求
一种五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，包括大臂、小臂和控制系统，其特征在于所述大臂为一个底座依次连接一个第一关节和一个第二关节构成，第一关节做回转运动，具有一个自由度，第二关节做摆动运动，具有一个自由度；所述小臂为依次连接的一个第三关节、一个第四关节和一个第五关节构成，该三个关节均做回转运动，各具有一个自由度；所述五个关节均为模块化关节，通过四个连接架依次顺序连接成一个开链的空间机构，具有五个自由度。
2.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于所 述五个关节通过四个连接架依次顺序连接的结构是底座(26)上有螺纹孔(62)通过螺钉 固定在移动平台上，第一关节有套筒一(1)中的凸台与所述底座(26)上的孔构成基孔制过 渡配合并通过螺钉固定在一起，第一关节和第二关节通过连接架一(4)连接在一起，其中 第一关节中有谐波减速器一(3)的输出端与连接架一(4)中的一块垂直面板的外侧通过螺 钉固定在一起，第二关节有套筒二(5)中的凸台与连接架一(4)的另一块垂直面板的内侧 面板中的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起，依次往后，第二关节中有谐波减 速器二(6)的输出端与一个连接架二(8)中的一块垂直面板的内侧通过螺钉固定在一起； 第三关节有套筒三(9)中的凸台与连接架二(8)的另一块垂直面板的外侧面板中的孔构成 基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起；第三关节中有谐波减速器三(42)的输出端与一 个连接架三(11)中的一块垂直面板的外侧通过螺钉固定在一起，第四关节的套筒四(44) 中有凸台与连接架三(11)的另一块垂直面板的内侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通 过螺钉固定在一起，第四关节中的谐波减速器四(47)的输出端与一个连接架四(14)中的 一块垂直面板的内侧通过螺钉固定在一起，第五关节有套筒五(15)中的凸台与连接架四 (14)的另一块垂直面板的外侧面板中的孔构成基孔制过渡配合并通过螺钉固定在一起。
3.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于所 述第一模块化关节包括直流伺服电机一(28)、抱间(27)、行星齿轮箱一(29)、驱动器一 (61)、传感器一(40)、谐波减速器一(3)、连接板一(2)、套筒一(1)，抱闸(27)上有接线孔 (41)，其连接关系为抱闸(27)、直流伺服电机一(28)与行星齿轮箱一(29)封装在套筒 一 (1)内，套筒一(1)与连接板一(2)通过螺钉连接，谐波减速器一(3)的输入端与连接板 一 (2)通过螺钉连接，谐波减速器一(3)的输出端与连接架一(2)通过螺钉连接，驱动器 一 (61)用螺钉固定在底座(26)上，传感器一(40)固定在连接板一(20上，连接板一(2) 上装有零位非接触片一(25)和第一关节挡块一(24)、第一关节挡块二(29)，连接架一(4) 与谐波减速器一(3)相连的板上装有撞块一(30)，用来限制关节一转动的角度；当第一关 节绕中心轴转动时，转到撞块与挡块接触的位置，此信息会通过传感器一(40)、而传感器一 (40)的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机一(28)当前的位置信息反馈给控制系统 进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器一(61)使关节向相反方向转动，关 节转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱 动器一(61)在整个控制环节中处于控制系统-驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接 收来自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机一(28)，并且将电机 的工作情况反馈至控制系统。
4.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于所 述第二模块化关节包括直流伺服电机二(37)、行星齿轮箱二(36)、谐波减速器二(6)、驱动器二(23)、传感器二(34)、连接板二(32)、套筒二(5)，其连接关系为直流伺服电机二 (36)与行星齿轮箱二(36)封装在套筒二(5)内，套筒二(5)与连接板二(32)通过螺钉连 接固定在一起，谐波减速器二(6)的输入端与连接板二(32)通过螺钉连接，驱动器二(23) 用螺钉固定在连接架一(4)上，传感器二(34)固定在连接板二(32)上，谐波减速器二(6) 的输出端与连接架二(8)通过螺钉连接，连接板二(32)上装有接近开关(33)和第二关节 挡块一(22)，第二关节挡块二(35)，连接架二(8)与谐波减速器二(6)相连的板上装有撞 块二(31)，可用来限制关节二转动的角度；当第二关节绕中心轴转动时，转到两个撞块与 挡块接触的位置，此信息会通过传感器二(34)、而传感器二(34)的作用在于通过控制系统 获取直流伺服电机二(37)当前的位置信息反馈给控制系统进行实时控制，再经由一个控 制系统作用于一个驱动器二(23)使关节向相反方向转动，关节转过的角度通过一个编码 器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱动器二(23)在整个控制环 节中处于控制系统-驱动器-电机的中间换节，其主要功能是接收来自控制系统的信号， 然后将信号进行处理再转移至直流伺服电机二(37)，并且将电机的工作情况反馈至控制系 统。
5.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于所 述第三模块化关节包括直流伺服电机三(53)、谐波减速器三(42)、驱动器三(7)、传感器 三(60)、连接板三(10)、套筒三(9)，其连接关系为直流伺服电机三(53)装在套筒三(9) 内，直流伺服电机三(53)与连接板三(10)通过螺钉连接，套筒三(9)与连接板三(10)通过 螺钉连接固定在一起，谐波减速器三(42)的输入端与连接板三(10)通过螺钉连接，谐波减 速器三(42)的输出端与连接架三(11)通过螺钉连接，驱动器三(7)用螺钉固定在连接架 二(8)上，传感器三(60)固定在连接板三(10)上，连接板三(10)上装有接近开关(59)和 第三关节挡块一(43)、第三关节挡块二(52)，连接架三(11)与谐波减速器三(42)相连的 板上装有撞块(58)，可用来限制关节三转动的角度；当第三关节绕中心轴转动时，转到两 个撞块接触的位置，此信息会通过传感器三(60)、而传感器三(60)的作用在于通过控制系 统获取直流伺服电机三(53)当前的位置信息反馈给控制系统进行实时控制，再经由一个 控制系统作用于一个驱动器三(7)使关节向相反方向转动，关节转过的角度通过一个编码 器转化为电信号，反馈至所述控制系统，对其进行实时控制，驱动器三(7)在整个控制环节 中处于控制系统_驱动器_电机的中间换节，其主要功能是接收来自控制系统的信号，然后 将信号进行处理再转移至直流伺服电机三(53)，并且将电机的工作情况反馈至控制系统。
6.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于所 述第四模块化关节包括直流伺服电机四(46)、谐波减速器四(47)、驱动器四(20)、传感 器四(57)、连接板四(18)、套筒四(44)，其连接关系为直流伺服电机四(46)装在套筒四 (44)内，套筒四(44)与连接板四(18)通过螺钉连接固定在一起，谐波减速器四(47)的 输入端与连接板四(18)通过螺钉连接，谐波减速器四(47)的输出端与连接架四(14)通 过螺钉连接，驱动器四(20)用螺钉固定在连接架三(11)上，传感器四(57)固定在连接板 四(18)上，连接板四(18)上装有接近开关(56)和第四关节挡块一(48)，第四关节挡块二 (51)连接架四(14)与谐波减速器四(47)相连的板上装有撞块四(55)，可用来限制关节四 转动的角度；当第四关节绕中心轴转动时，转到两个撞块与挡块接触的位置，此信息会通过 传感器四(57)、而传感器四(57)的作用在于通过控制系统获取直流伺服电机四(46)当前的位置信息反馈给控制系统进行实时控制，再经由一个控制系统作用于一个驱动器四(20) 使关节向相反方向转动，关节转过的角度通过一个编码器转化为电信号，反馈至所述控制 系统，对其进行实时控制，驱动器四(20)在整个控制环节中处于控制系统-驱动器-电机 的中间换节，其主要功能是接收来自控制系统的信号，然后将信号进行处理再转移至直流 伺服电机四(46)，并且将电机的工作情况反馈至控制系统。
7.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于所 述第五模块化关节包括直流伺服电机五(50)、谐波减速器五(17)、驱动器五(13)、连接 板五(16)、套筒五(15)，其连接关系为直流伺服电机五(50)装在套筒五(15)内，套筒五 (15)与连接板五(16)通过螺钉连接固定在一起，驱动器五(13)用螺钉固定在连接架四 (14)上，谐波减速器五(17)的输入端与连接板五(16)通过螺钉连接，谐波减速器五(17) 的输出端与连接架四(14)通过螺钉连接。
8.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于第 一关节、第三关节和第五关节的回转轴线共线，第二关节和第四关节的轴线与第一关节、第 三关节、第五关节的轴线相互垂直。
9.根据权利要求1所述的五自由度可重构模块化服务机器人手臂装置，其特征在于直 流伺服电机一(28)输出功率为200W-250W。
全文摘要
本发明提供一种五自由度可重构模块化机器人手臂。它包括大臂、小臂和控制系统，大臂为一个底座依次连接第一关节和第二关节构成，第一关节做回转运动，第二关节做摆动运动，小臂为依次连接的第三关节、第四关节和第五关节构成，该三个关节均做回转运动；五个关节均为模块化关节，通过四个连接架依次顺序连接成一个开链的空间机构，具有五个自由度。本机器人手臂在控制系统的作用下完成各种特定的动作，本发明关节的组成在结构上具有模块化的特点，还具有可重构的特点，便于加工制造，易于调试、维护和更换，装置整体结构紧凑，传动和驱动系统接口容易实现，封装性好，关节的模块化程度高，安装简单，可达的工作空间大。
文档编号B25J18/00GK101804636SQ20101011991
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者何斌, 刘文珍, 李伟, 李明, 李桂琴, 韩立志 申请人:上海大学