一种可变自由度模块化协作机器人的制作方法

本实用新型涉及一种机器人，尤其涉及一种可变自由度模块化协作机器人。

背景技术：

在传统的工业机器人逐渐取代单调、重复性高、危险性强的工作之时，协作机器人慢慢渗入各个工业领域，与人共同工作。协作机器人作为工业机器人中的轻型机器人，以往工业机器人是以机械代替人工并且降低人力成本，而协作机器人主要是协助人类并且与人类一同作业，且不需要使用安全围栏进行隔离，解决了人类较难以达成的精确度或让人类远离危险的环境和工作。根据应用场合需求，需要不用自由度的协作机器人完成任务。

现有协作型机械臂自由度不方便拓展，关节结构不够紧凑，制动、力反馈功能存在很多不足；且国内现有机械臂如六自由度或者四自由度机械臂的结构单一，各关节互换性不好，且自由度拓展性不方便。

如专利(CN201510181154.X)所描述一种可变自由度的模块化机械臂关节，其刹车原理是通过通断电时电磁推杆伸缩来阻挡刹车挡片达到刹车的功能，此原理制动效果电磁推杆发热量大，对电磁推杆的动态响应要求很高，容易出现推杆在刹车挡片正上方现象，推杆缩回时，刹车挡片未能及时制动，还需继续旋转一定角度才可以制动，制动力主要由电磁铁杆和刹车挡片强度决定，在制动力较大时，推杆容易折弯或者折断，且存在很大的制动背隙。

另外，现有协作机器人无力反馈功能或者通过电流监测方式反馈力矩，这样的方式性能不稳定且力反馈灵敏度不够好，且对电机性能要求比较高，而且还需要对电流进行信号处理分辨，增加了力控制难度；因协作机器人使用时不需要使用安全围栏进行隔离，所以对其力反馈敏感度、精度都有很高的要求，现有的协作机器人不能满足这些要求。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的可变自由度模块化协作机器人，使其更具有产业上的利用价值。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种协作机械臂结构为模块化串联结构，紧凑、灵巧、扩展性好且可自由扩展组合成4-7自由度的可变自由度模块化协作机器人。

本实用新型的可变自由度模块化协作机器人，通过4-7个关节串联而成，具有4-7个自由度，所述关节包括关节壳体以及置于其内的中空电机、谐波减速器、输入轴、输出轴、力矩传感器、制动器、绝对值编码器、驱动器，所述谐波减速器、中空电机、制动器、绝对值编码器与驱动器依次串联在所述输入轴上，其中

-所述关节壳体内设有支撑输入轴的前法兰和后法兰，输入轴与前法兰和后法兰之间通过滚动轴承连接；

-所述中空电机的定子与关节壳体连接、转子与输入轴连接；

-所述谐波减速器的输入端与输入轴连接、输出端与输出轴连接；

-所述输出轴连接谐波减速器的一端连接所述力矩传感器、另一端通过滑动轴承与所述输入轴连接；

-所述制动器为电磁制动器，包括制动器磁轭、弹簧片、衔铁、法兰，其中制动器磁轭安装在所述后法兰上，弹簧片、衔铁通过法兰与所述输入轴连接；

-所述绝对值编码器的内圈与所述输入轴连接、外圈安装在所述后法兰上；

-所述驱动器安装在所述后法兰上，用于对所述中空电机、制动器、绝对值编码器、力矩传感器供电，并对所述中空电机与制动器进行控制，同时对绝对值编码器与力矩传感器进行信号处理；

在通过4个所述关节形成4自由度的机器人时，第1所述关节的侧壁与第2所述关节的力矩传感器连接，第2所述关节的侧壁通过大臂连杆与第3所述关节的侧壁连接，第3所述关节的力矩传感器连接有弧形的过渡连杆，所述过渡连杆通过小臂连杆连接第4所述关节的侧壁；

在通过5-7个所述关节形成5-7自由度的机器人时，第5-7关节依次串联，且第5所述关节的侧壁与第4所述关节的力矩传感器连接。

进一步的，所述大臂连杆、小臂连杆与过渡连杆上均设有定位孔和螺钉孔。

进一步的，还包括支撑所述机器人的基座，所述基座包括底板、与底板垂直连接的支柱和设置在支柱端部的支撑板，所述底板与支柱之间及支撑板与支柱之间均设有加强筋；所述支撑板与第1关节的力矩传感器连接。

进一步的，所述输入轴上还设有与所述中空电机配合的霍尔传感器。

进一步的，所述前法兰与所述输入轴之间还设有密封装置。

进一步的，所述关节壳体侧壁上设有用于连接所述关节的输出法兰。

进一步的，所述关节壳体远离所述力矩传感器的端部上设有后盖。

进一步的，所述力传感器为应变梁法兰式结构，其内圈固定螺钉孔与外圈法兰固定螺钉孔之间均匀分布四个应变片传感器。

进一步的，所述关节壳体、中空电机、谐波减速器、制动器、编码器、驱动器为中孔结构。

进一步的，所述输入轴与输出轴均为空心轴。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：

1、将模块化结构设计理念引入协作机器人，使用串联关节组合结构特点，可通过不同数量的关节，自由组合成4～7自由度的协作机器人，各关节之间可自由拼接和互换；

2、通过模块化设计特点，各关节可以根据负载、自由度需求，使用连杆连接，具有模块化、柔性化、集成化、灵巧、安全等优点，各关节之间具有可互换性，其结构更加多元化、更加灵巧，能适应更多复杂环境的应用；

3、关节使用电磁制动器，利用通、断电产生的磁力，弹簧片被吸合和开合，利用摩擦产生的力矩锁死输入轴，达到制动的效果，制动力大，无制动背隙，可360°全角度位置制动，制动响应快，结构紧凑，安装方便；

4、关节在输出轴的末端连接用于与下一关节输出法兰连接的力矩传感器，时刻反馈关节负载力矩，结构紧凑，精度高，反馈灵敏，提高协作机器人安全防护性能；

5、关节结构为模块化串联结构，紧凑、灵巧、可靠性好，可自由拓展，组合成4～7自由度机械臂，结构更加灵活，更加适应复杂工作环境需求；

6、将力矩传感器、谐波减速器、中空电机、制动器、编码器、驱动器依次串联，采用中空走线布置，极大限度的减小外径尺寸和长度尺寸，在应用中更加灵巧，更能适应复杂环境；

7、关节中力矩传感器为法兰式应变梁结构，四个应变片传感器均匀分布在应变梁上，当法兰受力时，应变梁变形，应变片传感器检测变形量，反馈到控制系统，计算出扭矩大小，扭矩检测稳定、灵敏、响应快，可通过不同应变梁的结构强度设计和不同型号的应变片传感器检测不同范围力矩和扭矩。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本实用新型中关节的立体结构示意图；

图2是本实用新型中关节的剖视图；

图3是本实用新型中大臂连杆的结构示意图；

图4是本实用新型中小臂连杆的结构示意图；

图5是本实用新型中过渡连杆的结构示意图；

图6是本实用新型中基座的结构示意图；

图7是七自由度协作机器人结构示意图；

图8是六自由度协作机器人结构示意图；

图9是五自由度协作机器人结构示意图；

图10是四自由度协作机器人结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图7至图10，本实用新型一较佳实施例所述的一种可变自由度模块化协作机器人，通过4-7个关节101串联而成，具有4-7个自由度。

具体的，如图1和图2所示，关节101包括关节壳体2以及置于其内的中空电机1、谐波减速器4、输入轴18、输出轴8、力矩传感器5、制动器17、绝对值编码器15、驱动器14，且谐波减速器4、中空电机1、制动器17、绝对值编码器15与驱动器14依次串联在输入轴18上。其中关节壳体2内设有支撑输入轴18的前法兰3和后法兰11，输入轴18与前法兰3和后法兰11之间通过滚动轴承6、12连接；中空电机1的定子与关节壳体2连接、转子与输入轴18连接；谐波减速器4的输入端与输入轴18连接、输出端与输出轴8连接；输出轴8连接谐波减速器4的一端连接力矩传感器5、另一端通过滑动轴承13与输入轴18连接；制动器17为电磁制动器，包括制动器磁轭、弹簧片、衔铁、法兰，其中制动器磁轭安装在后法兰11上，弹簧片、衔铁通过法兰与输入轴18连接；绝对值编码器15的内圈与输入轴18连接、外圈安装在后法兰11上；驱动器14安装在后法兰11上，用于对中空电机1、制动器17、绝对值编码器15、力矩传感器5供电，并对中空电机1与制动器17进行控制，同时对绝对值编码器15与力矩传感器5进行信号处理。

为进一步提高响应灵敏度，本实用新型的输入轴18上还设有与中空电机1配合的霍尔传感器9。

为提高本实用新型的串联关节的使用寿命，本实用新型在前法兰3与输入轴18之间还设有密封装置7。

为使得本实用新型的串联关节可自由拓展，组合成多个自由度机械臂，本实用新型在关节壳体2侧壁上设有用于连接下一个关节的输出法兰10。

为使得本实用新型的关节外观更加美观，本实用新型在关节壳体2远离力矩传感器5的端部上设有后盖16。

本实用新型由中空电机1提供驱动力，输入轴18连接谐波减速器4，经过谐波减速器4减速后，通过输出轴8、力矩传感器5输出到下一个关节。整体关节位置信息、速度信息、精度由绝对值编码器15反馈。整体关节结构前端设计力矩传感器5，具有力反馈功能，反馈关节扭矩大小，力反馈性能灵敏且精度高，充分保证了关节使用过程中的安全性。当关节停止或者遇到紧急情况时，电磁制动器17提供保持和刹车功能。

本实用新型的协作机器人模块化串联关节，采用模块化设计，串联的结构，将中空电机1、谐波减速器4、制动器17、绝对值编码器15、驱动器14串联，使用中孔内部走线的结构，关节结构更加紧凑、重量更轻、性能更加稳定可靠、扩展性更好。

本实用新型通过将中空电机1的定子与关节壳体2固定、转子与输入轴18固定，结构紧凑，输出力矩大，动态响应高；输入轴18与谐波减速器4输入端相连，经过减速后输出到输出轴8，输出轴8上安装力矩传感器5，力矩传感器5与输下一关节输出法兰连接，时刻反馈关节负载力矩，结构紧凑，精度高，反馈灵敏。当遇到超载或者紧急情况，驱动器发送信号紧急制动，提高协作机器人安全防护性能。

制动器17在中空电机1工作时通电时，制动器17的弹簧卡片吸合，输入轴18自由转动，断电时，制动器17的弹簧卡片压合，提供制动保持力，输入轴18锁死，使得法兰和输入轴18产生摩擦力矩，输入轴18不可以自由转动，达到制动的功能。

本实用新型中绝对值编码器15为中空磁编码器，输出信号为A、B、Z差分信号，具有一个绝对位置，用于反馈输出轴8的速度信息与位置信息，绝对值编码器15内圈与输入轴18连接，外圈固定安装在后法兰11上。

本实用新型中驱动器14为伺服驱动集成电路，内置于关节壳体2内，通过螺钉安装在后法兰11和后盖16之间，用来供电和信号数据处理，分别对中空电机1供电、制动器17供电、绝对值编码器15供电、力矩传感器5供电，及控制中空1电机与制动器17并对绝对值编码器15与力矩传感器5进行信号处理。

本实用新型中空电机1为大中空轴电机，谐波减速器4中孔为中空结构，制动器17、绝对值编码器15及驱动器14为中孔结构，关节内部走线可通过关节内中孔，避免了关节外部接线问题，使得整体结构更加紧凑，外观更加美观。

上述谐波减速器4为超薄型形状、中空结构，具有紧凑简洁、高转矩容量、高刚性、无齿隙以及优良的定位精度和旋转精度有点。谐波减速器的刚轮通过螺钉固定于关节壳体上，波发生器通过螺钉连接输入轴，柔轮输出，通过螺钉和输出轴连接，谐波减速器将高速转动的中空电机1的输入轴减速后输出到输出轴。

上述力矩传感器5为应变梁法兰式结构，内圈固定螺钉孔与外圈法兰固定螺钉孔之间均匀分布四个应变片传感器，通过应变片传感器检测应变变形，反馈关节扭矩大小，经过驱动器进行数据处理，判断状态是否安全。

上述制动器为电磁制动器，通电时，其法兰可自由转动，断电时，法兰在弹簧片的压力下，摩擦力矩变大，法兰被固定，不可以转动。当断电或紧急制动时，输入轴18在电磁制动器的作用下，不可自由转动；当通电时，输入轴可自由转动。此电磁制动器结构简单，安装方便，性能可靠，成本低，寿命长。

上述绝对值编码器15为多圈绝对值编码器，由机械位置决定的每一个位置都是唯一的，它无需记忆，无需找到参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。因此，该绝对值编码器的抗干扰性、数据可靠性较高。

上述中空电机1为大中孔电机，包括定子和转子，定子通过环氧胶与关节壳体粘结，转子通过环氧胶与输入轴粘结。该中孔结构方式可进行关节内部中孔走线，解决了走线问题。此电机负载密度与重量比较大，结构紧凑。且该中空电机配有霍尔传感器，减少了成本，而且结构更加紧凑。

上述输出轴8为空心轴，用于传递输出力，通过螺钉与谐波减速器输出端连接，输出驱动力，空心走线。

上述输入轴18为空心轴，通过环氧胶与电机转子连接，输入轴前段通过螺钉与谐波减速器波发生器连接，传递动力，末端连接绝对值编码器，反馈位置信息、速度信息。

上述密封装置7为骨架式密封结构，密封性好，使用寿命长，成本低。安装于前法兰和输入轴之间。

本实用新型的关节整体结构灵巧、模块化、集成化，关节与外部连接结构有输出端和输入端，输入端为力矩传感器5的法兰盘，连接下一关节，提供动力输出，输出端为输出法兰10，连接上一关节。可通过多组关节和连杆，组成不同自由度协作机器人。

在通过4个关节101形成4自由度的机器人时，第1关节的侧壁上的输出法兰与第2关节的力矩传感器连接，第2关节的侧壁上的输出法兰通过大臂连杆102与第3关节的侧壁上的输出法兰连接且第2与第3关节的轴线相平行，第3关节的力矩传感器连接有弧形的过渡连杆104，过渡连杆104通过小臂连杆103连接第4关节的侧壁上的输出法兰，且第3与第4关节的轴线相平行；

在通过5-7个关节101形成5-7自由的机器人时，第5-7关节依次串联，且第5所述关节的侧壁上的输出法兰与第4关节的力矩传感器连接。

具体的，如图3至图5所示，大臂连杆102、小臂连杆103与过渡连杆104上均设有定位孔201和螺钉孔202，小臂连杆103通过内六角螺钉穿入螺钉孔202与第3关节和第4关节连接，定位孔201用于连接时进行定位，通过定位孔201保证关节处于零位，使第3关节与第4关节的轴线相平行。大臂连杆102通过内六角螺钉与第2关节和第3关节连接，定位孔201用于连接时进行定位，通过定位孔201保证关节处于零位，第2关节与3关节的轴线相平行。

使用时，可通过基座105支撑机器人，如图6所示，基座105包括底板203、与底板203垂直连接的支柱204和设置在支柱204端部的支撑板205，底板203与支柱204之间及支撑板205与支柱204之间均设有加强筋206；支撑板用于与第1关节的力矩传感器连接。

本实用新型采用模块化串联结构，结构紧凑、灵巧，解决了协作机器人自由度不可变、关节笨重、互换性不好、集成度不高、结构不够紧凑等缺点；关节采用用电磁制动器，解决制动响应慢、发热量大、制动位置保持精度不足、制动力不足问题；关节末端设计力矩传感器，解决力反馈精度不足、响应慢等缺点。

本实用新型的协作机器人采用模块化设计，各关节之间具有可互换性，可通过自由组合组成4～7自由度机械臂，其结构更加多元化、更加灵巧，适应更多复杂环境的应用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。