集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块的制作方法
【专利说明】集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块 所属技术领域
[0001] 本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种集成了两自由度的紧凑型机械臂关节 模块。
【背景技术】
[0002] 近年来，机器人技术取得了长足的进展，机械臂在机器人领域中得到最广泛实际 的应用，已应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等各种生产领域中，它的应用加快了 生产的自动化和现代化，大幅度的提高了生产效率。
[0003] 然而现有机械臂多数功能单一，例如轻工业流水线上的机械臂仅能重复同一动 作，焊接机器人只能执行焊接功能，浇注机器人只能执行浇注功能，无法满足一机多用。现 阶段的机械臂通常具有多个转动关节，每个关节的转动均是通过步进电机或伺服电机实 现，由于步进电机或伺服电机的体积通常较大，这就需要机械臂每个关节部分具有较大的 体积，以便于安装步进电机或伺服电机，而且机械臂自由度越多，其结构也越复杂，因而常 规的工业机械臂存在以下缺点：结构臃肿、占用空间大、功能单一。由于这些缺点，使得普通 工业机器人不能或者不适于对机器人体积和功能有严格控制的场合比如教学实验、娱乐及 家庭服务等特殊行业。造成上述缺陷的基本原因是：其机械臂没有采用模块化设计思想、机 械臂的机械机构没有进行优化设计、驱动和位置检测单元是相互独立的，机械臂机械结构 相似，不同功能的实现严重依赖软件，为了解决上述问题，本发明提出了一种集成两自由度 的紧凑型机械臂关节模块，它将机械臂的伸缩运动和旋转运动集成在一个关节中，利用机 械臂关节伸缩运动的导轨作为机械臂关节旋转运动的传动装置，减小了机械臂关节的体积 与质量，增加了机械臂关节运动的灵活性，为机械臂的小型化和多功能通用化打下基础。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种可以实现机械臂关节伸缩与旋转两个自由度的机械臂关节模 块，具有结构紧凑、适应性强、易于实现和维护、体积小、质量小与运动灵活等特点。
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块包括电机减速器导轨单元、齿轮齿条传动 单元、箱体支撑单元、驱动控制单元与外部连接单元。
[0007] 所述电机减速器导轨单元，在伺服电机的带动下经过谐波减速器带动导轨单元转 动，从而带动齿轮齿条结构转动，完成本发明集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块转动 结构设计；齿轮齿条单元在电机减速器导轨单元提供的支撑下，在直驱电机的带动下可沿 导轨单元做直线运动，从而完成本发明集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块伸缩长运动 结构设计；箱体支撑单元完成了对上述结构的定位支撑与发明模块的封装；外部连接单元 为关节模块与关节外结构固定连接件，方便关节模块与外界结合；驱动控制单元负责传感 器信息的采集处理、系统信号传递及电机控制，完成关节的旋转与伸缩运动。
[0008] 进一步，所述电机减速器导轨单元包括伺服电机、谐波减速器、第二滚动轴承、联 轴器、第一滚动轴承、导轨、轴承支撑件、支承轴承与支撑轴承轴，其中伺服电机安装在主箱 体的主箱体第一支撑板上，主箱体第一支撑板上安装有第二滚动轴承用以支撑和伺服电机 轴相连的联轴器，联轴器的另一端连接到谐波减速器的波发生器上，谐波减速器的刚性齿 轮与支撑板固连，支撑板通过长方形槽固连到主箱体上，谐波减速器的柔性齿轮法兰与在 第一滚动轴承支撑下的导轨相连，导轨另一端设有螺纹孔并安装有轴承支撑件，轴承支撑 件上通过支撑轴承轴安装有支撑轴承，为了安装支撑轴承，轴承支撑件上加工有支撑轴承 安装孔、光孔以及螺纹孔，为了保证支撑轴承安装的位置，支撑轴承轴上设有螺纹端、第一 轴肩、支撑轴承固定端、第二轴肩以及光轴端，支撑轴承与支撑轴承轴的支撑轴承端过盈配 合，其一端紧密贴合在支撑轴承轴的第一轴肩上，从而确定其位置，支撑轴承轴的螺纹端与 轴承支撑件的螺纹孔配合，其第二轴肩和轴承支撑件的支撑轴承安装孔的光孔端配合，其 光轴端与轴承支撑件的光孔配合。其中谐波减速器当刚性齿轮固定，波发生器主动，柔性
[0009] 进一步齿轮齿条传动单元包括直驱电机、第三滚动轴承、第一锥齿轮、第二锥齿 轮、第四滚动轴承、齿轮、圆柱齿条与滚珠花键，其中直驱电机安装在锥齿轮结构支撑板上， 直驱电机的电机轴与安装在第三滚动轴承内的第一锥齿轮连接，第一锥齿轮与安装在第四 滚动轴承上的第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮另一端安装有与之同轴的齿轮，第四滚动轴承 通过第二锥齿轮安装板固定在锥齿轮结构支撑板上，齿轮与圆柱齿轮啮合，圆柱齿轮靠近 谐波减速器的一端安装有滚珠花键，滚珠花键与导轨配合，在支撑圆柱齿条运动的同时，传 递电机减速器导轨单元的扭矩，使得圆柱齿轮跟随上述单元的旋转运动，直驱电机通过第 一锥齿轮、第二锥齿轮与齿轮带动圆柱齿条做直线运动，圆柱齿轮的另一端安装有外接法 兰，外接法兰在电机减速器导轨单元及齿轮齿条传动单元的作用下可旋转及直线运动。
[0010] 进一步箱体支撑单元包括主箱体、上端箱体、直驱电机箱体、主箱体下端盖、主箱 体盖、支撑板、锥齿轮结构支撑板与第二锥齿轮安装板，主箱体上设有主箱体第一支撑板、 主箱体第二支撑板以及支撑板槽，主箱体第一支撑板用以固定伺服电机及第二滚动轴承， 主箱体第二支撑板用以固定第一滚动轴承，支撑板通过主箱体的支撑板槽安装在主箱体上 用以固定谐波减速器的刚性齿轮，主箱体上端安装有主箱体盖，主箱体靠近伺服电机的一 端安装有主箱体下端盖，与之相对应的另一端安装有锥齿轮结构支撑板，锥齿轮结构支撑 板上安装有第二锥齿轮安装板及上端箱体，另一端安装有直驱电机箱体。
[0011] 进一步驱动控制单元包括驱动控制器、伺服电机接线、直驱电机接线、霍尔传感器 与电路外接端，直驱电机接线通过直驱电机箱体的侧面孔、主箱体侧面孔进入主箱体，依次 穿过主箱体第二支撑板、支撑板与主箱体第一支撑板连接到驱动控制器上，伺服电机接线 也连接到驱动控制器上，驱动控制器一端连接有电路外接端用于与外界通信，驱动控制器 安装在主箱体下端盖上。
[0012] 进一步外部连接单元包括外接法兰，外接法兰为整个关节模块的执行器用以向外 接输出旋转运动与直线运动。
[0013] 根据上述的结构和控制系统，其集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块工作原理 为在伺服电机的作用下经过谐波减速器、导轨、滚珠花键和轴承支撑件上的支撑轴承将伺 服电机的扭矩传递给圆柱齿条，从而带动安装在圆柱齿条的外接法兰旋转运动；在直驱电 机的带动下经过第一锥齿轮和第二锥齿轮的传动从而带动齿轮转动，带动与齿轮啮合的圆 柱齿条直线运动，从而带动安装圆柱齿条上的外接法兰直线运动，从而完成外接法兰对外 的旋转运动与直线运动，电机减速器导轨单元和齿轮齿条传动单元由箱体支撑单元完成定 位和支撑，其传感器和电机接线经过合理布局连接到驱动控制器上，由驱动控制单元负责 传感器信号的采集处理与电机的控制。
[0014] 本发明对比已有技术具有如下特点：
[0015] 1、结构紧凑、体积质量小；
[0016] 2、通过巧妙的设计将伸缩运动的导轨作为旋转运动的动力传动装置，集成程度 尚；
[0017] 3、设计采用模块化的思想，便于不同的组装；
[0018] 4、关节通用性强，相对于其他同样的大小的机械臂，采用本模块设计的机械臂可 具有更多的自由度。
【附图说明】
[0019] 图1集成两自由度的紧凑型机械臂关节模块整体图
[0020] 图中标号：
[0021] 31 :主箱体，34 :直驱电机箱体，35 :锥齿轮结构支撑板，30 :上端箱体，20 :圆柱齿 条，50 :外接法兰。