一种可变自由度的模块化机械臂的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机械臂，具体来说，是一种可变自由度的模块化机械臂，通过多个独立的模块单体和连接件组成的，具有典型的模块化特点。
【背景技术】
[0002]随着机电一体化技术的发展，工业产品朝着智能化、系统化、微型化与模块化的方向发展。尤其是在轻型机械臂领域，机械臂有着高精化、模块化、轻量化和多轴化的发展趋势。而对于传统机械臂来说，由于其构型的较为固定，各个自由度之间结构形式都不相同，不具有可替换性，组成方式较为单一，受到自身结构的限制，决定了其功能的单一化，无法适应复杂多变的环境和任务。
[0003]现有的传统机械臂是模拟人的上臂构成的，为了保证机械臂具有六个空间自由度，其主动关节数目一般为6，一般情况下全为转动关节，而且其前三个关节集中在腕部，每个关节的结构形式都不大相同，这种结构形式的优点是结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间大。但是由于其各个关节结构形式都不大相同，各个关节无法完成任意组合和替换，灵活性较差。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提出一种可变自由度的模块化机械臂，采用一个或多个模块化设计的机械臂关节进行拼接，组成任意自由度的机械臂，具有更强的环境适应能力，具有强大的功能可扩展性、灵活性和适应性。
[0005]一种可变自由度的模块化机械臂，包括基座、机械臂连杆与机械臂关节；基座用来支撑机械臂，并实现机械臂的设置与安装；机械臂连杆之间、机械臂连杆与基座间以及机械臂连杆与末端执行器间均通过机械臂关节进行连接。
[0006]所述机械臂关节包括输出法兰轴、谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构。所述输出法兰轴为输出法兰和输出轴两部分构成的一体结构；输出法兰与输出轴前端同轴相接。其中，输出轴上由前至后依次同轴套有谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构；谐波减速器、中空轴电机、刹车装置、双码盘定位机构均位于外壳内。
[0007]上述谐波减速器通过螺钉固定于输出法兰上；中空轴电机的中空轴前端通过螺钉连接在谐波减速器的输入端；中空轴电机工作，中空轴转动，通过谐波减速器减速后，带动输出法兰转动。刹车装置安装在中空轴电机的中空轴后端套有的后端盖上，后端盖与外壳固定；刹车装置用来实现中空轴电机中空轴的制动。
[0008]所述双码盘定位机构包括驱动电路板、速度增量编码器和位置增量编码器。其中，速度增量编码器与位置增量编码器均为中空结构的光栅编码器；速度增量编码器具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号。速度增量编码器固定于中空轴后端端部，需保证速度增量编码器的Z相停止位与电机转子的一相对齐；位置增量编码器固定在输出轴后端端部。驱动电路板设置于速度增量编码器与位置增量编码器之间，通过的铜柱固定支撑在后端盖上。驱动电路板的前后端面上分别安装有速度增量编码器读头与位置增量编码器读头，用来实时读取速度增量编码器与位置增量编码器产生的差分信号，进而确定得到中空轴的速度信息与输出轴的位置信息；驱动电路板上设计有伺服驱动电路，用来实现对中空轴电机、刹车装置的控制，以及速度增量编码器读头与位置增量编码器读头获取数据的处理。
[0009]在连接时，将一个机械臂关节的输出法兰连接到另一个机械臂关节的连接法兰或机械臂连杆端部上，实现机械臂连杆间的连接，具体为:
[0010]在输出法兰面的外缘周向上均匀设计由η个通孔，n ^ 2 ;通孔为由圆形螺帽穿孔与相连通的条形锁孔构成的一体通孔结构，条形锁孔的宽度小于螺帽穿孔的直径；连接法兰面的外缘周向上均匀螺纹连接有η个螺钉，使螺钉的螺帽与连接法兰面间具有大于连接法兰厚度的距离；在两个机械臂关节连接时，将连接法兰面上的η个螺钉分别对应连接法兰面上的η通孔，将螺钉的螺帽由圆形螺帽孔穿过后，经转动机械臂关节，使η个螺钉的螺杆分别沿η个通孔的条形锁孔移动；此时，将η个螺钉分别拧紧，使环形定位凸起和定位块分别插入环形定位槽与定位孔内，实现两个机械臂间的固定；同样，在机械臂关节的输出法兰与连杆端部相连时，将连杆端部设计为上述连接法兰的结构形式，进而实现机械臂关节与连杆间的连接。
[0011]本发明的优点在于:
[0012]1、本发明可变自由度的模块化机械臂，将模块化设计思想引入到轻型机械臂的设计中，通过多个机械臂关节能够任意拼接成不同自由度的模块化机械臂；
[0013]2、本发明可变自由度的模块化机械臂，整体设计采用中空结构，结构简单，方便内部布线，便于与减速器等其他部件集成；
[0014]3、本发明可变自由度的模块化机械臂，采用模块化设计思想，模块的结构简单，成本低廉，对各种复杂环境和应用要求都有较强的适应性和扩展性；
[0015]4、本发明可变自由度的模块化机械臂，速度增量编码器和中空电机轴的相对位置具有唯一确定的关系，使得编码器具有霍尔传感器的作用，省去了无刷直流电机的霍尔传感器，节省空间、减少成本、提高使用寿命；
[0016]5、本发明可变自由度的模块化机械臂，独特的刹车装置设计，原理简单，保证了整体机械臂的安全性；
[0017]6、本发明可变自由度的模块化机械臂，整体结构设计紧凑，全铝合金的外壳，质量和体积都比较小；
[0018]7、本发明模块化机械臂关节中，两个机械臂关节间，以及机械臂关节与机械臂连杆间采用内部连接的方案，连接完成后所有的连接点都安装在内部，不影响整体外观的美观；
[0019]8、本发明模块化机械臂关节中，两个机械臂关节间，以及机械臂关节与机械臂连杆间采用螺钉阵列锁死结构，多个螺钉均布在整个圆周上，每个螺钉的受力均匀，连接完成后具有很高的强度和刚度；使机械臂整体结构具有较好的稳定性和可靠性。
【附图说明】
[0020]图1为本发明机械臂(四自由度)结构示意图；
[0021]图2为本发明机械臂中机械臂关节结构示意图；
[0022]图3为机械臂关节中输出法兰轴结构示意图；
[0023]图4为机械臂关节中空心轴电机结构示意图；
[0024]图5为机械臂关节中刹车装置结构示意图；
[0025]图6为刹车装置中三波峰垫片、刹车挡片、定位卡环三者安装方式示意图；
[0026]图7为机械臂关节中双码盘定位机构机构示意图；
[0027]图8为机械臂关节中伺服驱动电路结构框图；
[0028]图9为利用机械臂关节拼接成的四自由度机械臂示意图；
[0029]图10为利用机械臂关节拼接成的五自由度机械臂示意图；
[0030]图11为利用机械臂关节拼接成的六自由度机械臂示意图；
[0031]图12为利用机械臂关节拼接成的七自由度机械臂示意图；
[0032]图13为机械臂关节的输出法兰面连接结构示意图；
[0033]图14为机械臂关节的连接法兰面连接结构示意图；
[0034]图15为两个机械臂关节间连接方式示意图。
[0035]图中:
[0036]1-基座2-机械臂连杆3-机械臂关节
[0037]301-输出法兰轴302-谐波减速器303-中空轴电机
[0038]304-刹车装置305-双码盘定位机构 306-外壳
[0039]307-连接法兰308-伺服驱动电路309-通孔
[0040]310-环形定位槽311-定位孔312-螺钉
[0041]313-环形定位凸起 314-定位块301a_输出法兰
[0042]301b-输出轴303a-电机定子303b_电机转子
[0043]303c-中空轴303d-前端盖303e_后端盖
[0044]304a_电磁铁304b_刹车挡片304c_定位卡环
[0045]304d-三波峰垫片 304e_遮挡片305a_驱动电路板
[0046]305b-速度增量编码器305c-位置增量编码器 305d_编码器安装座
[0047]305e_铜柱305f-速度增量编码器读头305g-位置增量编码器读头
[0048]308a-主控模块308b_信号转换模块308c_刹车控制模块
[0049]308d-电机驱动模块 308e-电源模块308f-温度传感器
[0050]308g_霍尔电流传感器308h_输入电压检测模块 309a_螺帽穿孔
[0051]309b-条形锁孔