一种模块化蛇形机器人关节的制作方法

本发明涉及一种机器人关节，属于蛇形机器人领域。

背景技术：

相对于传统的工业机器人，蛇形机器人具有狭小空间的穿越能力、多障碍物等复杂环境中的越障能力、超冗余自由度的灵巧操作能力及危险环境下的可重构能力，因此最近成为了机器人研究领域的一个热点问题，也越来越受到研究人员的重视。蛇形机器人通常用于管道检测、灾难救援、宇航空间的行星表面探测及其他工作。蛇形机器人最为关键的研究难点在于蛇形机器人的执行机构设计，即蛇形机器人的关节。

根据查询已公开的专利得知，舵机驱动的蛇形机器人较多，例如专利zl02144565.6、cn102353804a和cn103991089a均基于舵机驱动，舵机驱动的蛇形机器人的优点是结构紧凑且价格低廉。但缺点也是十分明显且不可避免的，舵机驱动的蛇形机器人的缺点是存在反向齿隙、无力矩感知和驱动力小。现有舵机驱动的蛇形机器人的控制周期在20毫秒左右。专利cn104742151a和cn105539619a采用蜗轮传动或齿轮传动等方式，虽然增大了驱动力矩，但是仍然存在结构不紧凑、反向齿隙大以及控制周期长的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种模块化蛇形机器人关节，以解决现有的蛇形关节因采用舵机驱动和齿轮传动的配合方式导致反向齿隙大、控制周期长、精度低以及位置镇定能力差的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种模块化蛇形机器人关节，它包括关节输入件、关节输出件、中间轴节、电机组件和谐波减速器，所述中间轴节的两端分别设置有关节输入件和关节输出件，所述电机组件和谐波减速器并列设置在中间轴节的内部，电机组件的输出端与谐波减速器相连接，电机组件带动谐波减速器转动，谐波减速器带动关节输出件执行以中间轴节为轴心的摆动运动。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：电机组件包括电机外壳、电机定子、电机转子、电机轴和电机端盖，电机外壳设置在中间轴节的内部，电机轴设置在电机外壳的内部且其与电机端盖相连接，电机转子套装在电机轴上，电机定子套装电机转子外且其固定安装在电机外壳的内壁上。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：关节输入件包括力矩传感器弹性体、过载保护块、关节输入端端盖、关节输入端第一外壳、电机驱动板、关节输入端第二外壳和两个圆柱销，所述关节输入端第一外壳和关节输入端第二外壳可拆卸连接在关节输入端端盖上且三者的内部形成有第一腔体，力矩传感器弹性体、过载保护块和电机驱动板设置在第一内腔，过载保护块设置在力矩传感器弹性体的内部，力矩传感器弹性体的一端与电机外壳相连接，力矩传感器弹性体的另一端与关节输入端端盖相连接。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：传感器弹性体的两侧各设置有一个应变片。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：关节输入端端盖为圆形盖体，关节输入端端盖上设置有两个圆柱销，两个圆柱销均沿关节输入端端盖的轴向方向设置，每个圆柱销的底部固定连接在关节输入端端盖上，每个圆柱销的顶部穿过关节输入端连接件，两个圆柱销的中心轴线在关节输入端端盖上的投影分别为a点和b点，a点和b点所在半径在关节输入端端盖上形成的圆心角为α，圆心角α为90°。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：谐波减速器包括刚轮用固定壳、刚轮、波发生器、柔轮、柔轮用转接轴和输出端端盖，所述刚轮用固定壳设置在电机外壳的一侧且二者相连通，刚轮和波发生器均设置在刚轮用固定壳内，波发生器套装在电机轴上，刚轮套装在波发生器外且二者间隙设置，刚轮的外端面固定连接在刚轮用固定壳上，所述柔轮的一端设置在刚轮和波发生器之间的间隙内，柔轮的另一端通过柔轮用转接轴与输出端端盖相连接，输出端端盖与关节输出件相连接。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：关节输出端位置传感器包括磁环和位置传感器电路板，磁环为阶梯形圆环，磁环的小圆柱外表面设置在刚轮用固定壳内且磁环的大圆柱端面与刚轮用固定壳的外端面相贴紧，位置传感器电路板固定安装在输出端端盖上，磁环和位置传感器电路板之间留有间隙。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：关节输出件包括关节输出端壳体、连接立柱、关节输出端第一外壳、关节输出端端盖、关节输出端螺柱、关节控制板、柔性pcb线缆和关节输出端第二外壳，所述关节输出端第一外壳和关节输出端第二外壳可拆卸连接在关节输出端壳体上且三者的内部形成有第二腔体，所述关节输出端螺柱位于关节输出端端盖的外端面上且其与关节输出端端盖螺纹连接，连接立柱设置竖直设置在关节输出端端盖和输出端端盖之间，关节控制板和柔性pcb线缆均设置在第二腔体内，柔性pcb线缆的一端穿过中间轴节与电机驱动板相连接，柔性pcb线缆的另一端与关节控制板相连接。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：中间轴节包括关节第一护线罩和关节第二护线罩，关节第一护线罩和关节第二护线罩均为圆弧形罩体，关节第一护线罩和关节第二护线罩水平并列设置，关节第一护线罩一端和关节第二护线罩一端之间形成有第一通过口，第一通过口朝向关节输入件设置，关节第一护线罩另一端和关节第二护线罩另一端之间形成有第二通过口，第二通过口朝向关节输出件设置。

一种模块化蛇形机器人关节，进一步优选方案为：关节输入件靠近中间轴节的一端加工有与中间轴节外形相配合的两个第一圆弧端角，第一圆弧端角与中间轴节间隙设置，关节输出件靠近中间轴节的一端加工有与中间轴节外形相配合的两个第二圆弧端角，第二圆弧端角与中间轴节间隙设置。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的结构设计合理且紧凑，占用空间小。通过关节输入件、关节输出件、中间轴节、电机组件和谐波减速器之间相互配合具有输出力矩大、精度高、控制周期短、反向间隙小的优点，通过样机试验可知，本发明的控制周期能够缩短至2毫秒内，精度高。

二、本发明中通过力矩传感器弹性体和过载保护块形成具有过载保护的力矩传感器，使本发明具有力检测能力，用于测量蛇形机器人关节的输出力矩，增加了机器人的力矩感知功能，便于机器人的力控制，同时可以避免传感器因受到较大的作用力而损坏。

三、本发明通过磁环、带有感应芯片的磁编码用电路板及两者形成的间隙构成关节位置输出端传感器，本发明基于磁环和感应芯片间的霍尔效应实现关节位置的检测，该传感器结构紧凑、精度高，增加了机器人的位置感知能力，便于机器人的位置控制。

四、本发明为一种模块化蛇形机器人关节，其首尾两端采用圆柱销以便于不同模块首尾间连接时的定位，两个圆柱销呈90°间隔分布保证不同模块首尾连接时的唯一固定位置，通过螺母方式实现不同模块首尾间连接时的锁紧功能。

五、本发明通过电机组件和谐波减速器之间相互配合使本发明在换向时具有噪声低且使用寿命长的优点。

六、本发明的灵活性强，本发明的极限摆动范围为±90°。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的第一主视结构剖面示意图；

图3是本发明的第一主视结构剖面示意图；

图4是两个圆柱销15设置在关节输入端端盖10上的主视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括关节输入件、关节输出件、中间轴节、电机组件和谐波减速器，所述中间轴节的两端分别设置有关节输入件和关节输出件，所述电机组件和谐波减速器并列设置在中间轴节的内部，电机组件的输出端与谐波减速器相连接，电机组件带动谐波减速器转动，谐波减速器带动关节输出件执行以中间轴节为轴心的摆动运动。

本发明中谐波减速器带动关节输出件执行以中间轴节为轴心的摆动运动指的是谐波减速器带动关节输出件作出以中间轴节为轴心的摆动运动。

本发明的中间轴节为圆筒形轴节，图2是沿圆筒形轴节的径向方向剖开的结构示意图，图3是沿圆筒形轴节的轴向方向剖开的结构示意图。

本发明中的电机组件为直流无刷电机组件。

具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中电机组件包括电机外壳1、电机定子2、电机转子3、电机轴4和电机端盖7，电机外壳1设置在中间轴节的内部，电机轴4设置在电机外壳1的内部且其与电机端盖7相连接，电机转子3套装在电机轴4上，电机定子2套装电机转子3外且其固定安装在电机外壳1的内壁上。

本实施方式中电机轴4的一端通过第一深沟球轴承5与电机外壳1相连接，电机轴4的另一端通过第二深沟球轴承5与电机端盖7相连接，第二深沟球轴承5与电机端盖7之间设置有垫片6。电机端盖7设置在中间轴节的内壁上。

本实施方式中电机外壳1和电机定子2之间设置有隔套37。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中关节输入件包括力矩传感器弹性体8、过载保护块9、关节输入端端盖10、关节输入端第一外壳11、电机驱动板14、关节输入端第二外壳16和两个圆柱销15，所述关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16可拆卸连接在关节输入端端盖10上且三者的内部形成有第一腔体，力矩传感器弹性体8、过载保护块9和电机驱动板14设置在第一内腔，过载保护块9设置在力矩传感器弹性体8的内部，力矩传感器弹性体8的一端与电机外壳1相连接，力矩传感器弹性体8的另一端与关节输入端端盖10相连接。

本实施方式中通过螺钉把过载保护块9安装于力矩传感器弹性体8的通孔中，过载保护块9与力矩传感器弹性体8的弹性梁之间留有间隙，这样设置的目的是当关节受力超过额定值时，过载保护块9和力矩传感器弹性体8的弹性梁发生接触，此时作用力通过过载保护块9进行传递，从而保证了力矩传感器弹性体8的弹性梁不会因为受力过大而发生损坏，提高了安全性及可靠性。

本实施方式中关节输入件还包括关节输入端螺母12和关节输入端连接件13，关节输入端连接件13为套体结构，其通过螺纹连接的方式旋拧在关节输入端端盖10上，关节输入端螺母12通过螺纹连接的方式旋拧在输入端连接件13上，通过螺母方式实现不同模块首尾间连接时的锁紧功能。

本实施方式中关节输入端连接件13为电机驱动板14、关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16提供支撑位置，电机驱动板14、关节输入端第一外壳11和关节输入端第二外壳16均固定安装在关节输入端连接件13上。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中传感器弹性体8的两侧各设置有一个应变片40。

本实施方式中传感器弹性体8竖直设置，传感器弹性体8的两侧粘贴有一个应变片40。两个应变片40组成一个惠斯通半桥。惠斯通半桥是通过导线与桥路连接，以达到补偿的效果。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中关节输入端端盖10为圆形盖体，关节输入端端盖10上设置有两个圆柱销15，两个圆柱销15均沿关节输入端端盖10的轴向方向设置，每个圆柱销15的底部固定连接在关节输入端端盖10上，每个圆柱销15的顶部穿过关节输入端连接件13，两个圆柱销15的中心轴线在关节输入端端盖10上的投影分别为a点和b点，a点和b点所在半径在关节输入端端盖10上形成的圆心角为α，圆心角α为90°。

本实施方式中关节输入端连接件13和关节输入端端盖10均为圆形盖体且二者同轴设置。两个圆柱销15在关节输入端连接件13上的投影形成的圆心角也为90°。两个圆柱销15的位置设置能够确保两个相邻的关节之间的有效且相对稳定的机械连接，二者呈90°间隔分布能够保证多个关节首尾连接时的唯一固定位置。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中谐波减速器包括刚轮用固定壳17、刚轮18、波发生器19、柔轮20、柔轮用转接轴21和输出端端盖22，所述刚轮用固定壳17设置在电机外壳1的一侧且二者相连通，刚轮18和波发生器19均设置在刚轮用固定壳17内，波发生器19套装在电机轴4上，刚轮18套装在波发生器19外且二者间隙设置，刚轮18的外端面固定连接在刚轮用固定壳17上，所述柔轮20的一端设置在刚轮18和波发生器19之间的间隙内，柔轮20的另一端通过柔轮用转接轴21与输出端端盖22相连接，输出端端盖22与关节输出件相连接。本实施方式中波发生器19套装在电机轴4远离电机端盖7的一端。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式二或五相同。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式六的进一步限定，本实施方式中关节输出端位置传感器包括磁环23和位置传感器电路板28，磁环23为阶梯形圆环，磁环23的小圆柱外表面设置在刚轮用固定壳17内且磁环23的大圆柱端面与刚轮用固定壳17的外端面相贴紧，位置传感器电路板28固定安装在输出端端盖22上，磁环23和位置传感器电路板28之间留有间隙。

本实施方式中的关节输出端位置传感器包括磁环23和位置传感器电路板28，磁环23为阶梯圆环式盘体，其阶梯圆环的小圆柱外表面用来实现与刚轮固定壳17相连接，同时磁环23的大圆柱端面与刚轮用固定壳17的外端面相贴紧，从而实现对刚轮用固定壳17的轴向及径向的多重固定方式，磁环23与刚轮固定壳17之间通过胶粘接的方式连接，磁环23和位置传感器电路板28之间留有间隙，位置传感器电路板28上设置有感应芯片，利用磁环23和感应芯片间的霍尔效应能够实现关节输出端位置的检测。

本实施方式中谐波减速器带动关节输出件执行以中间轴节为轴心的摆动运动。本发明通过设置力矩传感器弹性体8和关节输出端位置传感器，以测量蛇形机器人关节的力位信息，增加机器人的感知功能，便于机器人的控制。

具体实施方式八：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式中关节输出件包括关节输出端壳体27、连接立柱30、关节输出端第一外壳31、关节输出端端盖32、关节输出端螺柱33、关节控制板34、柔性pcb线缆35和关节输出端第二外壳36，所述关节输出端第一外壳31和关节输出端第二外壳36可拆卸连接在关节输出端壳体27上且三者的内部形成有第二腔体，所述关节输出端螺柱33位于关节输出端端盖32的外端面上且其与关节输出端端盖32螺纹连接，连接立柱30设置竖直设置在关节输出端端盖32和输出端端盖22之间，关节控制板34和柔性pcb线缆35均设置在第二腔体内，柔性pcb线缆35的一端穿过中间轴节与电机驱动板14相连接，柔性pcb线缆35的另一端与关节控制板34相连接。

本实施方式中关节输出端壳体27和刚轮固定壳17之间通过锁紧螺母26、第三深沟球轴承24和相连接，锁紧螺母26和第三深沟球轴承24依次套装在刚轮固定壳17外，刚轮固定壳17通过锁紧螺母26和第三深沟球轴承24与关节输出端壳体27相连接。第三深沟球轴承24为双轴承，隔圈25设置在双轴承的外圈之间，隔圈25的外端面与关节输出端壳体27相贴紧。

具体实施方式九：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的中间轴节包括关节第一护线罩38和关节第二护线罩39，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39均为圆弧形罩体，关节第一护线罩38和关节第二护线罩39水平并列设置，关节第一护线罩38一端和关节第二护线罩39一端之间形成有第一通过口，第一通过口朝向关节输入件设置，关节第一护线罩38另一端和关节第二护线罩39另一端之间形成有第二通过口，第二通过口朝向关节输出件设置。

本实施方式中第一通过口和第二通过口的设置是为了确保中间轴节分别与关节输入件和关节输出件相连通，从而确保为内部线路提供便利的通道。

具体实施方式十：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式关节输入件靠近中间轴节的一端加工有与中间轴节外形相配合的两个第一圆弧端角41，第一圆弧端角41与中间轴节间隙设置，关节输出件靠近中间轴节的一端加工有与中间轴节外形相配合的两个第二圆弧端角42，第二圆弧端角42与中间轴节间隙设置。

本实施方式中关节输入件的外形和关节输出件的外形设置是为了更好配合中间轴节实现中间轴节为轴心的±90°的摆动运动。从而增强本发明的运动灵活性。

工作原理：

电机定子2通过胶粘接的方式固定连接在电机外壳1上，电机转子3也通过胶粘接的方式固定连接在电机轴4上，电机轴4和第一深沟球轴承5的内圈紧密配合，当对电机转子3通电时，由于电机定子2磁场的作用使得电机转子3实现旋转运动。

谐波减速器包括刚轮18、波发生器19和柔轮20。刚轮18通过胶粘接的方式固定连接在刚轮固定壳17上，刚轮固定壳17和电机外壳1通过螺钉进行连接，通过螺母将波发生器19固定在电机轴4上，柔轮20通过柔轮转接轴21和输出端端盖22采用螺钉进行连接。

关节输出端壳体27通过螺钉连接的方式与输出端端盖22固定连接，关节输出端壳体27和第三深沟球轴承24的外圈配合，刚轮固定壳17和第三深沟球轴承24的内圈配合，通过锁紧螺母26和隔圈25把刚轮固定壳17、第三沟球轴承24和关节输出端壳体27固定连接制为一体。

当电机转子3转动时，电机轴4转动，从而带动波发生器19转动，由于刚轮18固定，柔轮20作为从动轮，使得柔轮转接轴21、输出端端盖22和关节输出端壳体27同步运动，从而实现关节的旋转运动，极限运动范围为±90°。