一种中空式模块化关节的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种中空式模块化关节。

背景技术：

模块化技术已广泛应用于机器人领域的产品研发和设计中。可变形和可重构的机器人的核心思想就是模块化，整个机器人就是若干模块的有效组合。作为当前机器人研究的一个热点，与传统的机器人相比，可重构模块化机器人对任务和环境的适应能力更强，更具有柔性，同时能简化设计制造和维护、缩短研制周期降低研制成本，大大增强系统构建时的灵活性和弹性。

模块化关节是可重构模块化机械臂的核心部件，模块化关节按照走线方式主要可分为两类：外走线式和中空内走线式。外走线式整体不够模块化，导线数量多、容易缠线，不够美观，因此近些年模块化关节都朝着中空内走线方向发展，但是，目前市面上的常见的中空式模块化关节都需要定制硬件，成本高；其余采用标准硬件的模块化关节，结构复杂、体积大、装卸繁琐、负载能力差。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种中空式模块化关节，包括谐波减速器、外壳、中空轴、中空电机、中空走线装置；所述谐波减速器和所述外壳固定连接，所述中空轴、所述中空电机和所述中空走线装置均设置在所述外壳内，所述中空轴的端部与所述谐波减速器连接，所述中空电机对应所述中空轴设置，以带动所述中空轴转动，所述谐波减速器对所述中空轴的转动实现减速输出，所述中空走线装置实现导线在所述中空式模块化关节内部的中空走线。

较佳的，所述外壳包括沿所述中空轴轴线延伸方向依次设置的第一台阶、第二台阶、第三台阶，所述第一台阶固定安装所述谐波减速器，所述第二台阶上固定设置有电机法兰，所述第三台阶上固定设置有输入法兰。

较佳的，所述中空轴包括第二轴肩、第四轴肩、卡簧槽，所述电机法兰上设置有中空轴轴承，所述中空轴一端固定在所述谐波减速器上，并通过所述第二轴肩定位，另一端通过所述第四轴肩固定在所述中空轴轴承上；所述中空轴轴承的一侧通过所述电机法兰的台阶定位，另一侧通过设置于所述卡簧槽内的卡簧定位。

较佳的，所述中空走线装置包括中空走线管、上端盖、下端盖、输出插头、输入插头，所述中空轴套设在所述中空走线管上；所述下端盖和所述上端盖分别设置在所述中空走线管两端，所述下端盖固定在所述输入法兰上，所述上端盖固定在所述中空走线管上，所述输出插头固定在所述上端盖上，所述输入插头固定在所述输入法兰上。

较佳的，所述中空走线管和所述中空轴之间设置有走线管轴承；所述走线管轴承一端面通过所述中空轴内的第五轴肩进行台阶限位，另一端面通过轴承端盖限位，所述轴承端盖固定在所述中空轴的端面上。

较佳的，固定在所述下端盖上的所述中空走线管端部设置有豁口，且与所述豁口对应的所述输入法兰处设置有走线槽，导线经所述走线槽穿过所述豁口进入所述中空走线管内。

较佳的，对应所述中空轴设置有增量编码器，所述增量编码器包括磁环、读数头、读数头法兰；所述磁环固定在所述中空轴外端面对应设置的磁环槽内，所述读数头固定在所述读数头法兰上，所述读数头法兰通过所述第一台阶上开有的读数头法兰槽定位固定。

较佳的，所述读数头与所述磁环的对应端面与所述磁环平行，且所述读数头与所述磁环的对应端面位于所述磁环正上方0.5mm处。

较佳的，所述谐波减速器上设置有回零装置，所述回零装置包括磁铁安装装置、霍尔安装装置；所述磁铁安装装置包括第一磁铁、限位凸起、零位凹槽、第二磁铁，所述零位凹槽设置在所述限位凸起上，所述第一磁铁、所述第二磁铁分别对称设置在所述限位凸起的两侧，所述磁铁安装装置固定设置在所述谐波减速器的柔轮上，所述霍尔安装装置包括第一限位霍尔、第二限位霍尔、回零霍尔、回零凸起，所述第一限位霍尔、所述第二限位霍尔、所述回零霍尔分别对应所述回零装置的正向电子限位、负向电子限位和回零操作，且所述第一限位霍尔、所述第二限位霍尔、所述回零霍尔对应所述第一磁铁和所述第二磁铁设置，所述霍尔安装装置固定设置在所述谐波减速器的钢轮上。

较佳的，所述外壳内还设置有控制装置，所述控制装置与所述中空走线装置、所述中空电机、所述制动装置、所述增量编码器、所述回零装置连接；所述控制装置包括伺服驱动器、驱动器法兰、电源转换模块；所述伺服驱动器固定在所述驱动器法兰上，所述驱动器法兰固定在所述输入法兰上，所述电源转换模块固定在所述输入法兰上，所述伺服驱动器对应所述中空电机设置，所述电源转换模块与所述输入插头、所述伺服驱动器、所述制动器连接。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明通过设置所述中空走线装置解决中空走线缠绕和布线困难问题；关节两端通过输入插头和输出插头实现电气连接，使该关节电气装置可以快速、可靠的与下一关节连接。

附图说明

图1为所述中空式模块化关节的正视剖面图；

图2为所述中空式模块化关节的侧视剖面图；

图3为所述中空式模块化关节的立体视图；

图4为所述外壳的结构视图；

图5为所述谐波减速器的结构视图；

图6为所述中空轴的结构视图；

图7为所述中空轴的剖面图；

图8为所述电机法兰的结构视图；

图9为所述输入法兰的结构视图；

图10为所述制动装置的结构视图；

图11为所述磁铁安装装置的结构视图；

图12为所述霍尔安装装置的结构视图；

图13为所述中空走线管的结构视图。

图中数字表示：

1-谐波减速器；2-磁铁安装装置；3-霍尔安装装置；4-外壳；5-中空轴；6-转子；7-定子；8-伺服驱动器；9-驱动器法兰；10-中空走线管；11-电机法兰；12-输入插头；13-中空轴轴承；14-输入法兰；15-下端盖；16-制动器；17-转子毂；18-电源转换模块；19-磁环；20-读数头；21-读数头法兰；22-走线管轴承；23-轴承端盖；24-输出插头；25-上端盖；0101-波发生器；0102-钢轮；0103-柔轮；0104-磁铁安装装置定位槽；0201-第一磁铁；0202-限位凸起；0203-零位凹槽；0204-第二磁铁；0301-第一限位霍尔；0302-第二限位霍尔；0303-回零霍尔；0304-回零凸起；0401-第一台阶；0402-第二台阶；0403-第三台阶；0501-第一轴肩；0502-第二轴肩；0503-第三轴肩；0505-第四轴肩；0506-卡簧槽；0507-第五轴肩；1701-圆形轴肩；1702-矩形轴肩。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1、图2、图3所示，图1为所述中空式模块化关节的正视剖面图；图2为所述中空式模块化关节的侧视剖面图；图3为所述中空式模块化关节的立体视图；本发明所述中空式模块化关节包括谐波减速器1、外壳4、中空轴5、中空电机、中空走线装置；所述谐波减速器1和所述外壳4固定连接，所述中空轴5、所述中空电机和所述中空走线装置均设置在所述外壳4内，所述中空轴5的端部与所述谐波减速器1连接，所述中空电机对应所述中空轴5设置，以带动所述中空轴5转动，所述谐波减速器1对所述中空轴5的转动实现减速输出，所述中空走线装置实现导线在所述中空式模块化关节内部的中空走线。

较佳的，所述谐波减速器1上还设置有回零装置，所述回零装置用于实现所述中空式模块化关节的回零操作；对应所述中空轴5还设置有增量编码器，所述增量编码器用于所述中空电机速度和位置的反馈；所述中空轴5端部还设置有制动装置，所述制动装置用于将所述中空轴强制减速止动。

一般的，所述外壳4内还设置有控制装置，所述控制装置与所述中空走线装置、所述中空电机、所述制动装置、所述增量编码器、所述回零装置连接，通过将所述中空走线装置提供的电源转化为所述中空电机、所述制动装置、所述增量编码器、所述回零装置供电，并收集所述制动装置、所述增量编码器、所述回零装置的数据信息，以实现所述中空式模块化关节的整体控制。

实施例二

如图4所示，图4为所述外壳的结构视图；所述外壳4包括三级安装面，所述三级安装面为沿所述中空轴轴线延伸方向依次设置的第一台阶0401、第二台阶0402、第三台阶0403，每级台阶上均设有定位止口保证各安装零部件的同轴度；具体的，所述第一台阶0401用于固定安装所述谐波减速器1和所述增量编码器，所述第二台阶0402上固定有电机法兰11，所述第三台阶0403上固定设置有输入法兰14。

所述外壳4、所述谐波减速器1、所述中空轴5、所述中空电机、所述电机法兰11、所述制动装置、所述输入法兰14、所述中空走线装置依次安装在同一轴线上。

较佳的，所述外壳4所用材料为7075铝合金，其加工性能好，重量轻，强度高，并且采用一体化加工的方式，很好的保证了各个台阶止口间的同轴度及各加工表面的精度。

如图5所示，图5为所述谐波减速器的结构视图；所述谐波减速器1包括波发生器0101、钢轮0102、柔轮0103，所述谐波减速器1通过所述第一台阶0401的止口定位并固定连接在所述第一台阶0401上，从而保证所述谐波减速器1与所述外壳4的同轴度，所述柔轮0103上的柔轮法兰作为输出法兰传动，可使传动间隙小，传动紧凑。所述柔轮法兰上开有磁铁安装装置定位槽0104，所述磁铁安装装置定位槽0104用于固定所述回零装置。

如图6、图7所示，图6为所述中空轴的结构视图；图7为所述中空轴的剖面图；所述中空轴5包括四级外轴肩、一级内轴肩，所述四级外轴肩依次为第一轴肩0501、第二轴肩0502、第三轴肩0503、第四轴肩0505，所述一级内轴肩为第五轴肩0507。所述中空轴5一端通过顶丝固定在所述波发生器0101上，所述第一轴肩0501作为所述中空轴5和所述波发生器0101的定位面，所述第二轴肩0502固定所述中空轴5和所述谐波减速器1的位置关系，另一端通过所述第四轴肩0505固定在中空轴轴承13上。

如图8和图9所示，图8为所述电机法兰的结构视图；图9为所述输入法兰的结构视图；所述中空轴轴承13通过所述电机法兰11固定，所述电机法兰11为d型零件，通过所述第二台阶0402上的止口定位并固定连接在所述第二台阶0402上，保证所述电机法兰11与所述外壳4的同轴度；所述中空轴轴承13的一侧通过所述电机法兰11的台阶定位，另一侧通过卡簧定位；具体的，所述卡簧安装在所述中空轴5上的卡簧槽0506内，从而实现所述中空轴轴承13、所述电机法兰11和所述中空轴5相对位置的稳定。

所述中空电机包括定子7和转子6，所述转子6通过所述第三轴肩0503定位并固定在所述中空轴5上，所述定子7通过所述电机法兰11上的止口定位，并通过螺钉固定在所述电机法兰11上，以保证所述中空电机中所述转子6与所述定子7间的同轴度。

所述中空走线装置包括中空走线管10、走线管轴承22、轴承端盖23、上端盖25、下端盖15、输出插头24、输入插头12。所述中空走线管10设置于所述中空轴5内，即所述中空轴5套设在所述中空走线管10上；所述下端盖15和所述上端盖25分别设置在所述中空走线管10的两端，所述下端盖15通过螺钉固定在所述输入法兰14上，所述上端盖25通过螺钉固定在所述中空走线管10上。

所述走线管轴承22设置于所述中空走线管10和所述中空轴5之间；所述走线管轴承22一端面通过所述中空轴5内所述第五轴肩0507进行台阶限位，另一端面通过所述轴承端盖23限位，所述轴承端盖23通过螺钉固定在所述中空轴5的端面上。所述输出插头24通过其自带螺母固定在所述上端盖25上，所述输入插头12通过其自带螺母固定在所述输入法兰14上，所述输入插头12、所述输出插头24均采用镀金航空插头，插拔寿命次数在一万次以上。

固定在所述下端盖15上的所述中空走线管10端部设置有豁口，且与所述豁口对应的所述输入法兰14处设置有走线槽，导线可经所述走线槽穿过所述豁口进入所述中空走线管10内，从而实现导线从关节内部进入到所述中空走线管10内，即中空走线。

本发明的中空走线装置中中空走线管采用薄壁管件，采用一端用中空走线管轴肩定位，另一端用下端盖的锥型面胀紧固定，其下端盖通过螺钉固定在所述输入法兰上，中空走线管上开有90°的豁口，与之对应的输入法兰上开有走线槽，解决中空走线缠绕和布线困难问题；关节两端通过输入插头和输出插头实现电气连接，使该关节电气装置可以快速、可靠的与下一关节连接。

如图10所示，图10为所述制动装置的结构视图；所述制动装置包括转子毂17和制动器16。所述转子毂17的两端分别设置有圆形轴肩1701和矩形轴肩1702，所述圆形轴肩1701与所述中空轴5配合，通过顶丝固定在所述中空轴5上，所述矩形轴肩1702与所述制动器16配合，所述制动器16通过螺钉固定在所述输入法兰14上；所述输入法兰14通过所述第三台阶0403定位，并通过螺钉固定在所述外壳4上。具体的，所述制动器16的摩擦片与所述矩形轴肩1702配合设置。

本发明所选用的所述谐波减速器1、所述中空电机、所述制动器16、所述中空轴5、所述转子毂17均为大孔径中空器件。

如图11、图12、图13所示，图11为所述磁铁安装装置的结构视图；图12为所述霍尔安装装置的结构视图；图13为所述中空走线管的结构视图；所述增量编码器包括磁环19、读数头20、读数头法兰21。所述磁环19通过自带背胶粘在所述中空轴5上对应设置的磁环槽内，所述读数头20通过螺钉固定在所述读数头法兰21上，所述读数头法兰21通过所述第一台阶0401上开有的读数头法兰槽定位，并通过螺钉固定在所述第一台阶0401上，以保证所述读数头20下端面与所述磁环19平行且所述读数头20下端面位于所述磁环19正上方0.5mm处，从而实现所述读数头20的稳定读数。

所述回零装置包括磁铁安装装置2、霍尔安装装置3；如图10和图11所示，图10为所述磁铁安装装置的结构视图；图11为所述霍尔安装装置的结构视图；所述磁铁安装装置2包括第一磁铁0201、限位凸起0202、零位凹槽0203、第二磁铁0204，所述零位凹槽0203设置在所述限位凸起0202上，所述第一磁铁0201、所述第二磁铁0204分别对称设置在所述限位凸起0202的两侧，所述磁铁安装装置2通过螺钉安装在所述磁铁安装装置定位槽0104内，即所述第一磁铁0201和所述第二磁铁0204随所述柔轮0103转动。

所述霍尔安装装置3包括第一限位霍尔0301、第二限位霍尔0302、回零霍尔0303、回零凸起0304，所述第一限位霍尔0301、所述第二限位霍尔0302、所述回零霍尔0303分别对应所述回零装置的正向电子限位、负向电子限位和回零操作，且所述第一限位霍尔0301、所述第二限位霍尔0302、所述回零霍尔0303对应所述第一磁铁0201和所述第二磁铁0204设置，所述霍尔安装装置3通过螺钉固定在所述钢轮0102上。

所述磁铁安装装置2上设有限位凸起0202，其与安装霍尔安装装置3的螺钉组成机械限位装置；所述磁铁安装装置2上设有零位凹槽0203，所述霍尔安装装置3上设有回零凸起0304，两者相配合达到关节机械回零功能。

本发明的回零装置由磁铁安装装置、圆形磁铁、三个霍尔元件、霍尔安装装置组成。所述磁铁安装装置装有两个圆形磁铁，所述霍尔安装装置内装有三个霍尔元件，磁铁跟随霍尔安装装置在柔轮上转动，触发霍尔元件，来实现正向电子限位、负向电子限位和回零功能；所述磁铁安装装置上设有凸起，其与安装霍尔安装装置的螺钉组成机械限位装置；所述磁铁安装装置上设有凹槽，所述霍尔安装装置上设有凸起，两者相配合达到关节机械回零功能。

所述控制装置包括伺服驱动器8、驱动器法兰9、电源转换模块18。所述伺服驱动器8通过螺钉固定在所述驱动器法兰9上，所述驱动器法兰9通过螺钉固定在所述电机法兰10上，所述电源转换模块18通过螺钉固定在所述电机法兰10上，所述伺服驱动器8对应所述中空电机设置，所述电源转换模块18与所述输入插头12、所述伺服驱动器8、所述制动器16连接，以对所述输入插头12提供的电源进行转化并为所述伺服驱动器8、所述制动器16提供对应的电流。

本发明的工作原理：由外部pc给所述伺服驱动器8发送指令，通过所述伺服驱动器8控制所述中空电机工作，所述中空电机的转子6转动带动所述中空轴5转动，将转矩传递给所述谐波减速器1，所述谐波减速器1的所述钢轮0102固定且所述柔轮0103输出，将所述柔轮法兰直接作为输出法兰输出，所述柔轮法兰与连杆相连。所述增量编码器用于所述中空电机速度、位置反馈，将所述中空电机的速度和位置参数反馈给所述伺服驱动器8，从而在外部pc端显示和反馈。

本发明的具体工作过程如下：外部48v直流电源给本发明所述中空式模块化关节供电，直流电源通过所述输入插头12给所述电源转换模块18供电，所述电源转换模块18将48v电源分为2路：一路48v为所述伺服驱动器8供电、另一路24v为所述制动器16供电，所述伺服驱动器8通过三根u/v/w线给所述中空电机供电，通过自带i0为所述霍尔安装装置3与所述增量式编码器供电；外部pc给所述伺服驱动器8发送指令，所述中空电机进入伺服状态，同时所述制动器16、所述霍尔传感器、所述编码器通电；在每次关节正常工作前进行回零工作，所述中空电机运转到检测外部所述回零霍尔0303处停止运动，缓慢运动至机械零点处，定义此处零点为关节原点，编码器示数为0；接下来关节就可正常运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。