模块化串联式主机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种模块化串联式主机器人。包括法兰盘、三个摆转关节模块、两个回转关节模块和一个手柄模块，各模块依次以串联方式连接，从基座到末端的连接顺序为：法兰盘、第一回转关节模块、第一摆转关节模块、第二摆转关节模块、第二回转关节模块、第三摆转关节模块、手柄模块，俩俩之间通过卡环紧固连接，基座端通过法兰盘固定在操作台上，第一摆转关节模块和第二摆转关节模块的关节转轴互相平行，并自然地与两端的回转关节模块的关节轴垂直。本实用新型构建容易、构型可变、结构简单、扩展性好、通用性强，能够随遇平衡、操作灵便以及容易实现与从机器人的同构映射，可广泛应用于工业、医疗、建筑业、核工业和化工等领域从机器人的遥控。
【专利说明】模块化串联式主机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种模块化串联式主机器人，属于模块化串联式主机器人的改造技术。
【背景技术】
[0002]人类越来越需要能在危险或未知环境中工作的机器人。然而，受人工智能技术、机构、控制和传感技术等方面的限制，研制出能在未知环境中自主工作的智能机器人还需要很长一段时间。因此目前依赖人的智能，工作在人机交互下的主从控制机器人是一种现实可行的选择。这种主从控制将人的智能和机器人的执行结合起来，实现了人的感知能力和行为能力的延伸。操作者对主机器人进行操作，处理器根据主机器人的位姿信息把操作者的控制意图转化为从机器人可以理解的命令，并以此控制从机器人运动以实现相应的任务，同时通过视觉或力觉将其状态信息反馈给操作者，操作者据此修改自己的控制行为。作为人机交互的窗口和工具，能够把人的智能作用于机器人，实现人的感知能力和行为能力的延伸的主机器人便应运而生。
[0003]国内外学者已经研制了很多主机器人，并有很多商业化的系统，例如带力反馈的Phantom、外骨骼式的数据手套。但是目前的主机器人的构型都是固定的，不能根据任务要求或从机器人的变化相应地改换构型；而且自由度也固定不变，不能根据需要进行增减。这就导致了主机器人难以适应各种不同的从机器人。例如，当实际需要少自由度从机器人时造成主机器人自由度冗余，使得主从之间的映射复杂，计算量大，影响主从控制的实时性与稳定性。因此，主机器人的通用性和灵活性是目前研究主机器人面临的主要问题。模块化的设计方法能够解决主机器人的通用性差以及结构和控制复杂等问题。模块化主机器人能够通过改变自身仅有的几种模块的连接顺序或方式而获得多种不同构型，以满足不同的从机器人构型或者任务要求，容易实现主从机器人之间的同构映射。相比传统主机器人，模块化主机器人具有良好的适应性、灵活性、和容错性以及成本低等优点。模块化结构简单，易于加工，各模块之间可以相互替换，实现快速组装。
[0004]国内外已经研制了很多主机器人，并有很多商业化的系统，例如带力反馈的Phantom、外骨骼式的数据手套。但它们存在若干问题和不足，主要表现在:(I)通用性和灵活性差。目前的主机器人的构型都是固定的，不能根据任务要求或从机器人的变化相应地改换构型；而且自由度也固定不变，不能根据需要进行增减。这就导致了主机器人难以适应各种不同的从机器人。(2)成本高，由于缺乏通用性，不同的从机器人往往需要相应的主机器人，这样主机器人的研制和使用成本高；(3)控制复杂，现有主机器人系统与从机器人之间大多是异构的，主从机器人之间的映射较复杂，计算量大，影响主从控制的稳定性；
(3)操作性能较差，现有主机器人系统都是穿戴型或落式大型式的，前者一般具有随遇平衡问题，操作者容易产生疲劳；落式大型式的主机器人要求操作者直立，长时间操作后也会疲劳。
[0005]一般要求主机器人能够具有较高的通用性，能控制多种不同的从机器人系统，这样就可以降低主机器人的研制需要，从而降低主机器人的平均研制成本；另外要求主机器人结构简单合理，能够与多种从机器人进行简单的主从映射，从而简化主从控制，提高主从机器人系统的稳定性。因此，开发一种能控制多种从机器人并且结构简单、操作性强、成本低廉的主机器人符合机器人发展的趋势和社会生产生活的需要。
[0006]模块化的设计方法能够解决主机器人的通用性差以及结构和控制复杂等问题。模块化主机器人能够通过改变自身仅有的几种模块的连接顺序或方式而获得多种不同构型，以满足不同的从机器人构型或者任务要求，容易实现主从机器人之间的同构映射。相比传统主机器人，模块化主机器人具有良好的适应性、灵活性、和容错性以及成本低等优点。模块化结构简单，易于加工，各模块之间可以相互替换，实现快速组装。
[0007]现有一种阻尼式主机器人，其关节模块用阻尼器拟实现关节负载的平衡，每个关节模块用两个相同的阻尼器相向叠加组成双向阻尼器。这种平衡方式增加了结构的复杂性，也带来了正反方向转动的回差，降低了检测精度。另外，由于阻尼器的阻尼是恒定的，不能随主机器人的构型和自由度的不同而改变，不能实现随遇平衡，操作性也欠佳。因此，现有的阻尼式主机器人不理想，有必要开发其它的结构更简单、操作更方便、能实现随遇平衡的模块化主机器人。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种结构简单、操作方便、能实现随遇平衡的模块化串联式主机器人。本实用新型设计合理，方便使用。
[0009]本实用新型的技术方案是:本实用新型的模块化串联式主机器人，包括一个作为基座的法兰盘、三个摆转关节模块、两个回转关节模块和一个手柄模块，各模块依次以串联方式连接，从基座到末端的连接顺序为:法兰盘、第一回转关节模块、第一摆转关节模块、第二摆转关节模块、第二回转关节模块、第三摆转关节模块、手柄模块，俩俩之间通过卡环紧固连接，基座端通过法兰盘固定在操作台上，第一摆转关节模块和第二摆转关节模块的关节转轴互相平行，并自然地与两端的回转关节模块的关节轴垂直。
[0010]本实用新型的每个回转关节模块和摆转关节模块都只具有一个转动自由度，其转动轴线分别与关节模块本身的轴线重合和垂直。关节模块由外力或外力矩驱动，其编码器检测关节转角。各模块通过内部走线实现电源和信号的传输。调节摆转关节模块上配重块的数量和位置实现主机器人的随遇平衡。该主机器人由操作者手持末端的手柄模块牵引，各关节模块检测各自的关节转角，引导从机器人跟随，手柄模块上的按钮控制从机器人末端执行器的动作。本实用新型与现有技术相比，具有如下特点和优势:
[0011]I)模块化:本实用新型由两种单自由度的关节模块和一个手柄模块构成，模块之间通过卡环实现连接和紧固，机器人的构建和拆装简单、方便和快速。构型可变，自由度可变。
[0012]2)通用性强、灵活性好:本实用新型模块化的结构特点使得主机器人的构型和自由度根据从机器人的具体情况而可变，因而主机器人适应性强，具有良好的通用性和灵活性。
[0013]3)随遇平衡:本实用新型通过配重块的增减和安装位置的调节，很容易实现主机器人在没有外力作用下任何位姿的平衡，使操作轻松便捷。
[0014]4)内部走线、外观简洁:本实用新型模块之间的电气连接在内部实现，走线不外露，连接可靠，外观整洁。
[0015]5)结构简单、成本低廉:本实用新型主机器人只有三种模块组成，而每个模块本身结构很简单，这样其结构非常简单，研制、使用和维护成本低廉。
[0016]本实用新型具有构建容易、构型可变、结构简单、扩展性好、通用性强、能够随遇平衡、操作灵便以及容易实现与从机器人的同构映射等优点，可以广泛应用于工业、医疗、建筑业、核工业和化工等领域从机器人的遥控。是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的模块化串联式主机器人。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型的串联式主机器人外观图；
[0018]图2是本实用新型的串联式主机器人机构示意图；
[0019]图3是本实用新型的回转关节模块外观图；
[0020]图4是本实用新型的回转关节模块剖面图；
[0021]图5是本实用新型的摆转关节模块外观图；
[0022]图6是本实用新型的摆转关节模块剖面图；
[0023]图7是本实用新型的手柄模块外观图；
[0024]图8是本实用新型的手柄模块剖面图。
【具体实施方式】
[0025]为了更好地理解本实用新型，下面结合附图以五自由度主机器人为本实用新型作进一步地描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0026]图1和图2分别示出了本实用新型构建的五自由度串联式主机器人的外观图和机构示意图。如图所示，该模块化的主机器人本体包括一个作为基座的法兰盘001、三个摆转关节模块003、两个回转关节模块002和一个手柄模块005，各模块依次以串联方式连接，从基座到末端的连接顺序为:法兰盘、第一回转关节模块、第一摆转关节模块、第二摆转关节模块、第二回转关节模块、第三摆转关节模块、手柄模块，俩俩之间通过卡环004紧固连接，基座端通过法兰盘001固定在操作台上，第一摆转关节模块和第二摆转关节模块的关节转轴互相平行，并自然地与两端的回转关节模块002的关节轴垂直。操作者手握住手柄模块005运动时，改变手柄模块005的位置和姿态，摆转关节模块003和回转关节模块002自然转动，其转角自然发生变化，即整个主机器人的位形发生变化，将此位姿映射到从机器人即可控制从机器人的位形及其末端的位姿。本实施例中，上述基座端通过法兰盘001放置或通过螺钉固定在操作台上。模块之间用卡环004进行连接，卡环004的内环纵截面为凹的梯形槽，卡环有个开口，开口部分穿过螺栓，拧紧卡环上的螺栓和螺母即可将相连的两个模块紧固连接。在模块内部有快捷插拔的电气接口方便各模块之间的电气连接。操作者手握住手柄模块005运动时，可以改变摆转关节模块003和回转关节模块002的转角即可改变整个主机器人的位姿暨手柄模块005的位置和姿态，将此位姿映射到从机器人即可控制从机器人的位形及其末端的位姿。本实施例中，摆转关节模块003为T型关节，回转关节模块002为I形关节。
[0027]如图3和图4所示分别为回转关节模块002的外观图和剖面图。回转关节模块002的转轴与其自身的轴线重合。包括回转关节模块处理器101、编码器102、对角螺钉103、编码器安装板104、连接基座105、球轴承106、第一转动基座107、推力轴承108、第二转动基座109、插销110、压紧螺钉111、轴承套筒112、锁紧螺钉113、配合螺钉114、回转关节模块处理器安装板115和紧定螺钉及连接螺钉螺母116等。各零部件的连接方式为:轴承套筒112通过四个压紧螺钉111与第二转动基座109固连，并压紧球轴承106的内圈，实现球轴承106的轴向定位；第一转动基座107与第二转动基座109之间通过球轴承106和推力轴承108实现轴向定位和径向定位的同时，实现相对转动；第一转动基座107的凸台套入连接基座105中，并由两个对称的紧定螺钉117固连；第二转动基座109有中心孔，轴端侧孔与轴承套筒112的侧面相通，用作模块的电气线路通道；编码器安装板104通过两个对角螺钉103固连到第一转动基座107上；编码器102由四个锁紧螺钉113固连到编码器安装板104上；第二转动基座109的轴端伸入编码器102的中心孔中与编码器102的码盘固连；处理器安装板105通过一个配合螺钉114固连到连接基座105的凸台上；回转关节模块处理器101通过一对连接螺钉螺母116固定在回转关节模块处理器安装板115上；回转关节模块处理器101的上下端设计有电气接口用于与编码器102和两端的其他模块连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输；模块的两端设计有与其它模块的标准机械接口。
[0028]如图5、图6所示分别为摆转关节模块的外观图和剖面图。摆转关节模块003的转轴与其自身的轴线互相垂直，包括有第二摆动基座201、紧定螺钉202、第一转动轴203、法兰轴承204、圆头螺钉205、摆转关节模块处理器安装板206、锁紧螺钉和螺母207、摆转关节模块处理器208、第一摆动基座209、紧定螺母210、配重块211、配重安装臂212、编码器213、第二转动轴214、对角螺钉215、平头螺钉216，第一转动轴203和第二转动轴214分居模块的两侧，通过四个紧定螺钉202与第二摆动基座201连接；第一摆动基座209的支耳通过法兰轴承204及通过第一转动轴203和第二转动轴214间接与第二摆动基座201连接，实现摆动；法兰轴承204套在转动轴上，法兰轴承204的套筒的内径与第一转动轴203和第二转动轴214间隙配合，法兰轴承204的外径与第一摆动基座209的轴承孔紧配合；配重安装臂212通过两个平头螺钉216与第一摆动基座209或第二摆动基座201固连；配重块211通过紧定螺母219与端面的螺柱固定到配重安装臂212上的滑槽中；编码器213由四个对角螺钉215固连到第一摆动基座209 —侧支耳的内侧面上，第二转动轴214的轴端伸入编码器213的中心孔中与码盘固连，编码器走线通过第一摆动基座209的内腔连接到摆转关节模块处理器208上；摆转关节模块处理器安装板206由圆头螺钉205固定在第一摆动基座209上，摆转关节模块处理器208通过锁紧螺钉和螺栓207固定到摆转关节模块处理器安装板206上，摆转关节模块处理器208的上下端设计有电气接口用于与编码器213和两端的其他模块连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输；模块的两端设计有与其它模块的标准机械接口。
[0029]如图7和图8所示分别为手柄模块的外观图和剖面图。手柄模块(005)包括有手柄301、按钮开关305、第一按钮安装条307、第二按钮安装条308和手柄模块处理器302 ;第一按钮安装条307与第二按钮安装条308分别由两个螺钉304固定于手柄301底部的空腔内，第一按钮安装条307上安装有一个按钮开关305，第二按钮安装条308上安装有两个按钮开关305，如此操作者可以很方便地通过拇指和食指控制这三个按钮开关305，手柄模块处理器302通过双头螺柱303固定在手柄301的顶部空腔内。
[0030]上述第一按钮安装条307与第二按钮安装条308绕手柄301空腔的回转中心成90°分布；第一按钮安装条307上安装的一个按钮开关305及第二按钮安装条308上安装的两个按钮开关305均是自锁开关，通过排列组合产生8种不同的切换方便的工作模式；手柄模块处理器302通过两个双头螺柱303固定在手柄301的顶部空腔内；手柄模块处理器302的上设计有电气接口用于与其他模块连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输。手柄301的顶端有与其它模块的标准机械接口。
[0031]本实用新型的工作原理如下:主机器人固定在基座上，操作者握住另一端的手柄模块牵引主机器人，各关节模块上编码器检测关节的角位移，经处理器对检测到的关节信号进行处理，映射到从机器人引导从机器人跟随，并通过手柄上的按钮控制从机器人末端执行器的动作。本实用新型的模块化串联式主机器人在实际应用中，模块数量可增减，连接顺序可变，也就是说，从机器人的构型可以自由人工改变。
【权利要求】
1.一种模块化串联式主机器人,其特征在于包括一个作为基座的法兰盘(001)、三个摆转关节模块(003 )、两个回转关节模块(002 )和一个手柄模块(005 )，各模块依次以串联方式连接，从基座到末端的连接顺序为:法兰盘、第一回转关节模块、第一摆转关节模块、第二摆转关节模块、第二回转关节模块、第三摆转关节模块、手柄模块，俩俩之间通过卡环(004)紧固连接，基座端通过法兰盘(001)固定在操作台上，第一摆转关节模块和第二摆转关节模块的关节转轴互相平行，并自然地与两端的回转关节模块(002)的关节轴垂直。
2.根据权利要求1所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述卡环(004)的内环纵截面为凹的梯形槽，卡环有个开口，开口部分穿过螺栓，拧紧卡环上的螺栓和螺母即能将相连的两个模块紧固连接。
3.根据权利要求1所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述六个模块内部设有快捷插拔的电气接口方便各模块之间的电气连接。
4.根据权利要求1所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述回转关节模块(002)的转轴与其自身的轴线重合，包括有回转关节模块处理器(101)、编码器(102)、对角螺钉(103)、编码器安装板(104)、连接基座(105)、球轴承(106)、第一转动基座(107)、推力轴承(108)、第二转动基座(109)、插销(110)、压紧螺钉(111)、轴承套筒(112)、锁紧螺钉(113)、配合螺钉(114)、回转关节模块处理器安装板(115)和紧定螺钉及连接螺钉螺母(116)，轴承套筒(112)通过四个压紧螺钉(111)与第二转动基座(109)固连，并压紧球轴承(106)的内圈，实现球轴承(106)的轴向定位；第一转动基座(107)与第二转动基座(109)之间通过球轴承(106)和推力轴承(108)实现轴向定位和径向定位的同时，实现相对转动；第一转动基座(107)的凸台套入连接基座(105)中，并由两个对称的紧定螺钉(117)固连；第二转动基座(109)有中心孔，轴端侧孔与轴承套筒(112)的侧面相通，用作模块的电气线路通道；编码器安装板(104)通过两个对角螺钉(103)固连到第一转动基座(107)上；编码器(102)由四个锁紧螺钉(113)固连到编码器安装板(104)上；第二转动基座(109)的轴端伸入编码器(102)的中心孔中与编码器(102)的码盘固连；处理器安装板(105)通过一个配合螺钉(114)固连到连接基座(105)的凸台上；回转关节模块处理器(101)通过一对连接螺钉螺母(116)固定在处理器安装板(115)上；回转关节模块处理器(101)的上下端设计有电气接口用于与编码器(102)和两端的其他模块连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输。
5.根据权利要求1所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述回转关节模块(002)的两端设计有与其它模块的标准机械接口。
6.根据权利要求1至5任一项所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述摆转关节模块(003)的转轴与其自身的轴线互相垂直，包括有第二摆动基座(201)、紧定螺钉(202)、第一转动轴(203)、法兰轴承(204)、圆头螺钉(205)、摆转关节模块处理器安装板(206)、锁紧螺钉和螺母(207)、摆转关节模块处理器(208)、第一摆动基座(209)、紧定螺母(210)、配重块(211)、配重安装臂(212)、编码器(213)、第二转动轴(214)、对角螺钉(215)、平头螺钉(216)，第一转动轴(203)和第二转动轴(214)分居模块的两侧，通过四个紧定螺钉(202)与第二摆动基座(201)连接；第一摆动基座(209)的支耳通过法兰轴承(204)同通过第一转动轴(203)和第二转动轴(214)间接与第二摆动基座(201)连接，实现摆动；法兰轴承(204)套在转动轴上，法兰轴承(204)的套筒的内径与第一转动轴(203)和第二转动轴(214)间隙配合，法兰轴承(204)的外径与第一摆动基座(209)的轴承孔紧配合；配重安装臂(212)通过两个平头螺钉(216)与第一摆动基座(209)或第二摆动基座(201)固连；配重块(211)通过紧定螺母219与端面的螺柱固定到配重安装臂(212)上的滑槽中；编码器(213)由四个对角螺钉(215)固连到第一摆动基座(209)—侧支耳的内侧面上，第二转动轴(214)的轴端伸入编码器(213)的中心孔中与码盘固连，编码器走线通过第一摆动基座(209)的内腔连接到摆转关节模块处理器(208)上；摆转关节模块处理器安装板(206)由圆头螺钉(205 )固定在第一摆动基座(209 )上，摆转关节模块处理器(208 )通过锁紧螺钉和螺栓(207 )固定到摆转关节模块处理器安装板(206 )上，摆转关节模块处理器(208 )的上下端设计有电气接口用于与编码器(213)和两端的其他模块连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输。
7.根据权利要求6所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述摆转关节模块(003)的两端设计有与其它模块的标准机械接口。
8.根据权利要求7所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述手柄模块(005)包括有手柄(301)、按钮开关(305)、第一按钮安装条(307)、第二按钮安装条(308)和手柄模块处理器(302);第一按钮安装条(307)与第二按钮安装条(308)分别由两个螺钉(304)固定于手柄(301)底部的空腔内，第一按钮安装条(307)上安装有一个按钮开关(305)，第二按钮安装条(308)上安装有两个按钮开关(305)，如此操作者可以很方便地通过拇指和食指控制这三个按钮开关(305)，手柄模块处理器(302)通过双头螺柱(303)固定在手柄(301)的顶部空腔内。
9.根据权利要求8所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述第一按钮安装条(307)与第二按钮安装条(308)绕手柄(301)空腔的回转中心成90°分布；第一按钮安装条(307)上安装的一个按钮开关(305)及第二按钮安装条(308)上安装的两个按钮开关(305)均是自锁开关，通过排列组合产生8种不同的切换方便的工作模式；手柄模块处理器(302)通过两个双头螺柱(303)固定在手柄(301)的顶部空腔内；手柄模块处理器(302)的上设计有电气接口用于与其他模块连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输。
10.根据权利要求9所述的模块化串联式主机器人，其特征在于上述手柄(301)的顶端设有与其它模块的标准机械接口。
【文档编号】B25J9/08GK203945367SQ201420420519
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】管贻生, 郑志芳, 吴品弘 申请人:广东工业大学