一种机器人双自由度驱动模块的制作方法

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种机器人双自由度驱动模块。

背景技术：

近年来，随着社会经济的飞速发展以及机器人技术研究的不断进步深入，工厂依靠工人运送物料、装配作业等方式已经逐步开始朝向自动化方式发展，智能化的方向发展，这种方式不仅效率高，而且大大降低了工人在操作中存在的危险。然而，当今机器人领域的驱动模块存在结构复杂、成本高、应用范围狭窄、定位精度差等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种机器人双自由度驱动模块。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种机器人双自由度驱动模块，所述双自由度驱动模块具有两个正交的旋转自由度，分别为第一旋转自由度和第二旋转自由度，所述第一旋转自由度包括用于驱使所述双自由度驱动模块在第一旋转自由度上旋转的第一驱动机构，所述第二旋转自由度包括用于驱使所述双自由度驱动模块在第二旋转自由度上旋转的第二驱动机构；所述双自由度驱动模块包括由隔板隔开形成第一空间和第二空间的三角支架、设置在所述三角支架上并用于密封第一空间和第二空间的第一外壳、以及直角支架；所述第一驱动机构包括固定在第一空间内的第一电机支架、固定在第一电机支架上的第一伺服电机、用于驱动所述第一伺服电机的第一电机控制器、与第一伺服电机驱动轴相连接并由第一伺服电机驱动的第一同步轮、固定在第一空间内的锥齿轮支撑架、第二同步轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第一谐波减速器、第一限位板、第一定位板和供导线管穿过的第一导线管固定架；所述第二同步轮与第一锥齿轮通过轴连接整体通过轴承与锥齿轮支撑架相连接，并且第二同步轮与第一锥齿轮分别位于所述锥齿轮支撑架的两侧；所述第一同步轮通过第一同步带与所述第二同步轮联结在一起；第二锥齿轮位于所述第一空间内，第一谐波减速器与第一限位板均位于所述第二空间内，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮成直角啮合连接分布；所述第二锥齿轮与第一谐波减速器的输入端固定连接，所述第一导线管固定架固定在所述第一定位板中央，所述第一限位板固定在所述第一谐波减速器的输出端，所述第一导线管固定架顺次穿过第一限位板、第一谐波减速器、第二锥齿轮中央的通孔；所述三角支架开设有第一安装孔，所述第一谐波减速器输入端所在的一端部安装固定在第一安装孔周边的三角支架的隔板上；所述直角支架的水平面开有第二安装孔，所述第一谐波减速器输出端所在的一端部穿过该安装孔，并且所述直角支架的隔板夹持而固定在第一谐波减速器与第一限位板之间。第一伺服电机在第一电机控制器驱动下，带动第一同步轮、第二同步轮转动，从而带动第一锥齿轮啮合第二锥齿轮转动，第一减速器与第一限位板的作用下使得所夹持的直角支架绕第二锥齿轮与第一减速器的轴心为中心进行转动，从而实现一个自由度方向的转动。

所述第二驱动机构包括固定在所述第一空间内的第二电机支架、固定在第二电机支架上的第二伺服电机、用于驱动所述第二伺服电机的第二电机控制器、由第二伺服电机转轴驱动的第三同步轮、第四同步轮、与第四同步轮同轴固定的第二谐波减速器、第二限位板、第二定位板和供导线管穿过的第二导线管固定架；所述第三同步轮通过第二同步带与所述第四同步轮联结在一起；所述三角支架的侧面开设有供第四同步轮的转轴穿过的第三安装孔，所述第四同步轮的转轴与所述第二谐波减速器的输入端固定连接，所述第二谐波减速器输入端所在的一端部安装固定在与其相邻的一个双自由度驱动模块中的第三安装孔周边的三角支架的侧面上，所述第二导线管固定架固定在所述第二定位板中央，所述第二限位板固定在所述第二谐波减速器的输出端，所述第二导线管固定架顺次穿过第二限位板、第二谐波减速器、所述第四同步轮中央的通孔，并将三角支架的侧面夹持在第二谐波减速器与第二定位板之间。第二伺服电机在第二电机控制器驱动下，带动第三同步轮、第四同步轮转动，第二减速器与第二限位板的作用下，使得双自由度驱动模块绕第四同步轮与第二减速器的轴心所在为中心进行转动，从而实现其另一个自由度方向的转动。

相邻的双自由度驱动模块之间的三角支架的侧面上设置有用于盖住所述第二谐波减速器的第二外壳。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本装置灵活多变，适合完成诸如装配作业等复杂任务；其成本低，结构紧凑，自身结构在单位体积内的能量密度达到最大化；采用模块化结构，可保证较好的互换性，并且节省检修成本。

附图说明

图1为本发明实施例双臂机器人的立体图；

图2为本发明实施例双臂机器人的主视图；

图3为本发明实施例单边手臂去掉第一外壳后的立体图；

图4为本发明实施例单边手臂去掉第一外壳后的主视图；

图5为本发明实施例七自由度单臂的结构示意图；

图6为本发明实施例七自由度单臂内部的结构示意图；

图7为本发明实施例七自由度单臂的俯视图；

图8为本发明实施例七自由度单臂的主视图；

图9为本发明实施例七自由度分布模型图；

图10为本发明实施例双自由度驱动模块的主视图；

图11为本发明实施例双自由度驱动模块的俯视图；

图12为本发明实施例双自由度驱动模块的仰视图；

图13为本发明实施例双自由度驱动模块的右视图；

图14为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之一；

图15为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之二；

图16为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之三；

图17为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之四；

图18为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之五；

图19为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之六；

图20为本发明实施例双自由度驱动模块的结构示意图之七；

图21为本发明实施例单自由度驱动模块与双自由度驱动模块配合使用的主视图；

图22为本发明实施例单自由度驱动模块与双自由度驱动模块配合使用的结构示意图之一；

图23为本发明实施例单自由度驱动模块与双自由度驱动模块配合使用的结构示意图之二；

图24为本发明实施例单自由度驱动模块与双自由度驱动模块配合使用的结构示意图之三；

图25为本发明实施例单自由度驱动模块与双自由度驱动模块配合使用的结构示意图之四；

图26为本发明实施例的使用状态参考图之一；

图27为本发明实施例导线管固定架与定位板安装的立体图；

图28为本发明实施例导线管固定架与定位板安装的主视图；

图29为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于右限位状态的结构示意图；

图30为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于右下方0～45度状态的结构示意图；

图31为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于右下方45度状态的结构示意图；

图32为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于右下方45～90度状态的结构示意图；

图33为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于正下方90度状态的结构示意图；

图34为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于左下方45～90度状态的结构示意图；

图35为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于左下方45度状态的结构示意图；

图36为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于左下方0～45度状态的结构示意图；

图37为本发明实施例双自由度驱动模块中运动机构处于左限位状态的结构示意图；

图38为本发明实施例的使用状态参考图之二；

图39为本发明实施例的使用状态参考图之三；

图40为本发明实施例的使用状态参考图之四；

图41为本发明实施例的使用状态参考图之五。

图中附图标记含义：1、单自由度驱动模块；2、双自由度驱动模块；3、三角支架；4、第一空间；5、第二空间；6、第一外壳；7、直角支架；8、第一电机支架；9、第一伺服电机；10、第一电机控制器；11、第一同步轮；12、锥齿轮支撑架；13、第二同步轮；14、第一锥齿轮；15、第二锥齿轮；16、第一谐波减速器；17、第一限位板；18、第一导线管固定架；19、第一同步带；20、第二电机支架；21、第二伺服电机；22、第二电机控制器；23、第三同步轮；24、第四同步轮；25、第二谐波减速器；26、第二限位板；27、第二定位板；28、第二导线管固定架；29、第二同步带；30、第二外壳；31、第一安装板；32、第二安装板；33、第三电机支架；34、第三伺服电机；35、第五同步轮；36、第六同步轮；37、第三谐波减速器；38、第三限位板；39、第三定位板；40、第三导线管固定架；41、第三同步带；42、基座；43、夹具；44、走线管；45、线管导向支撑；46、缺位；47、凸位；48、第一传感器；49、第二传感器；50、第三传感器；51、第一定位板；A、B、C、D、E、F、G分别代表一个自由度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

本申请设计开发14自由度双臂机器人(单臂7自由度)本体，电机及减速器均采用市面上现有高功率密度伺服电机及谐波减速器。本案双臂机器人设计采用模块儿化结构设计，以保证较好的互换性。双臂机器人本体包括两个手臂如图所示，两臂结构形式一致。

参阅图1至图41，为一种多自由度驱动手臂，其包括位于内侧的单自由度驱动模块1、以及若干个设置在外侧且由内侧向外侧顺次相接的双自由度驱动模块2，单自由度驱动模块1与位于最内侧的双自由度驱动模块2相接；双自由度驱动模块2具有两个正交的旋转自由度，分别为第一旋转自由度和第二旋转自由度，第一旋转自由度包括用于驱使双自由度驱动模块2在第一旋转自由度上旋转的第一驱动机构，第二旋转自由度包括用于驱使双自由度驱动模块2在第二旋转自由度上旋转的第二驱动机构；位于外侧的双自由度驱动模块2的第一驱动机构设置在与其相邻并位于内侧的双自由度驱动模块2的第二驱动机构上。

单自由度驱动模块1与若干个双自由度驱动模块2组合，从而使得机器人手臂成为多自由度驱动手臂，更加灵活、多变、适应性强，可以减少对工装夹具43的依赖，适合完成诸如装配作业等复杂任务。

双自由度驱动模块2包括由隔板隔开形成第一空间4和第二空间5的三角支架3、设置在三角支架3上并用于密封第一空间4和第二空间5的第一外壳6、以及直角支架7；第一驱动机构包括固定在第一空间4内的第一电机支架8、固定在第一电机支架8上的第一伺服电机9、用于驱动第一伺服电机9的第一电机控制器10、与第一伺服电机9驱动轴相连接并由第一伺服电机9驱动的第一同步轮11、固定在第一空间4内的锥齿轮支撑架12、第二同步轮13、第一锥齿轮14、第二锥齿轮15、第一谐波减速器16、第一限位板17、第一定位板51和供导线管穿过的第一导线管固定架18；第二同步轮13与第一锥齿轮14通过轴连接整体通过轴承与锥齿轮支撑架12相连接，并且第二同步轮13与第一锥齿轮14分别位于锥齿轮支撑架12的两侧；第一同步轮11通过第一同步带19与第二同步轮13联结在一起；第二锥齿轮15位于第一空间4内，第一谐波减速器16与第一限位板17均位于第二空间5内，第一锥齿轮14与第二锥齿轮15成直角啮合连接分布；第二锥齿轮15与第一谐波减速器16的输入端固定连接，第一导线管固定架18固定在第一定位板51中央，第一限位板17固定在第一谐波减速器16的输出端，第一导线管固定架18顺次穿过第一限位板17、第一谐波减速器16、第二锥齿轮15中央的通孔；三角支架3开设有第一安装孔，第一谐波减速器16输入端所在的一端部安装固定在第一安装孔周边的三角支架3的隔板上；直角支架7的水平面开有第二安装孔，第一谐波减速器16输出端所在的一端部穿过该安装孔，并且直角支架7的隔板夹持而固定在第一谐波减速器16与第一限位板17之间。第一伺服电机9在第一电机控制器10驱动下，带动第一同步轮11、第二同步轮13转动，从而带动第一锥齿轮14啮合第二锥齿轮15转动，第一减速器与第一限位板17的作用下使得所夹持的直角支架7绕第二锥齿轮15与第一减速器的轴心为中心进行转动，从而实现一个自由度方向的转动。

第二驱动机构包括固定在第一空间4内的第二电机支架20、固定在第二电机支架20上的第二伺服电机21、用于驱动第二伺服电机21的第二电机控制器22、由第二伺服电机21转轴驱动的第三同步轮23、第四同步轮24、与第四同步轮24同轴固定的第二谐波减速器25、第二限位板26、第二定位板27和供导线管穿过的第二导线管固定架28；第三同步轮23通过第二同步带29与第四同步轮24联结在一起；三角支架3的侧面开设有供第四同步轮24的转轴穿过的第三安装孔，第四同步轮24的转轴与第二谐波减速器25的输入端固定连接，第二谐波减速器25输入端所在的一端部安装固定在与其相邻的一个双自由度驱动模块2中的第三安装孔周边的三角支架3的侧面上，第二导线管固定架28固定在第二定位板27中央，第二限位板26固定在第二谐波减速器25的输出端，第二导线管固定架28顺次穿过第二限位板26、第二谐波减速器25、第四同步轮24中央的通孔，并将三角支架3的侧面夹持在第二谐波减速器25与第二定位板27之间。第二伺服电机21在第二电机控制器22驱动下，带动第三同步轮23、第四同步轮24转动，第二减速器与第二限位板26的作用下，使得双自由度驱动模块2绕第四同步轮24与第二减速器的轴心所在为中心进行转动，从而实现其另一个自由度方向的转动。

相邻的双自由度驱动模块2之间的三角支架3的侧面上设置有用于盖住第二谐波减速器25的第二外壳30。

单自由度驱动模块1包括第一安装板31、与第一安装板31垂直安装的第二安装板32、设置在第一安装板31上的第三电机支架33、固定在第三电机支架33上的第三伺服电机34、与第三伺服电机34驱动轴相连接并由第三伺服电机34驱动的第五同步轮35、第六同步轮36、与第六同步轮36同轴固定的第三谐波减速器37、第三限位板38、第三定位板39和供导线管穿过的第三导线管固定架40；第五同步轮35通过第三同步带41与第六同步轮36联结在一起；第六同步轮36的转轴与第三谐波减速器37的输入端固定相接，且第二安装板32夹持在第六同步轮36与第三谐波减速器37之间，第三谐波减速器37输入端所在的一端部安装固定在第二安装板32上；第三谐波减速器37输入端所在的一端部安装固定在与其相邻的一个双自由度驱动模块2中的第三安装孔周边的三角支架3的侧面上；第三导线管固定架40固定在第三定位板39中央，第三限位板38固定在第三谐波减速器37的输出端，第三导线管固定架40顺次穿过与单自由度驱动模块1相邻的双自由度驱动模块2中的三角支架3的侧面、第三限位板38、第三谐波减速器37、第六同步轮36中央的通孔，并将该三角支架3的侧面夹持在第三谐波减速器37与第三定位板39之间。第三伺服电机34驱动第五同步轮35、第六同步轮36，第三谐波减速器37与第三限位板38的作用下带动与单自由度驱动模块1相邻而相接的双自由度驱动模块2绕第六同步轮36与第三谐波减速器37的轴心为中心进行转动，从而实现双自由度驱动模块2的一个自由度的转动。

所述第一限位板17周边局部朝内挖空形成间隔分布的缺位46与凸位47，所述第一谐波减速器16周边的隔板上设置有三个间隔呈45度分布的第一传感器48，所述第一限位板17随第二锥齿轮15转动时，所述第一传感器48对准所述第一限位板17上的缺位46或述凸位47；所述第二限位板26、第三限位板38的结构与所述第一限位板17的结构一致；所述第二谐波减速器25周边的三角支架3的侧面上设置有三个间隔呈45度分布的第二传感器49，所述第二限位板26随第四同步轮24转动时，所述第一传感器48对准所述第二限位板26上的缺位46或述凸位47；所述第三谐波减速器37周边的第二安装板32上设置有三个间隔呈45度分布的第三传感器50，所述第三限位板38随第六同步轮36转动时，所述第三传感器50对准所述第三限位板38上的缺位46或述凸位47。

双自由度驱动模块2设置有三个。双自由度驱动模块2设置有三个，配合一个单自由度驱动模块1，形成单臂七自由度的机器人手臂，使得手臂更灵活多变。

所述双臂机器人包括基座42、设置在基座42上的两组多自由度驱动手臂、设置在多自由度驱动手臂外端的夹具43；每组多自由度驱动手臂包括有内侧向外侧顺次相接的三个双自由度驱动模块2，位于内侧的双自由度驱动模块2连接有一连接在所述基座42上的单自由度驱动模块1，所述夹具43连接在位于外侧的双自由度驱动模块2上；所述第一伺服电机9的末端均设有用于控制第一传感器48、第一限位板17的限位信息的相对式编码器及抱闸，所述双臂机器人设有接收由相对式编码器传输而来的反馈信息并进行处理的处理模块；所述第二伺服电机21与第三伺服电机34的末端均与第一伺服电机9所采用相同结构的相对式编码器及抱闸。

参阅图7及图8，为七自由度单臂结构的俯视图与主视图，图中箭头所指为机构关节的回转中心；图9为七自由度分布模型，七个正交的转轴交替连接，涉及单臂结构绕回转中心的转动的具体状态请参阅图38至图41。

参阅图16及图17，单个双自由度驱动模块2具有两个正交的旋转自由度，每个自由度由一个伺服电机和一个谐波减速器实现回转驱动；机器人对手臂供电，通过导线传递给每一个驱动机构，导线包括走线管44及包覆在走线管44外周的线管导向支撑45，从而形成导线管；导线管穿过第一导线管固定架18、第二导线管固定架28、第三导线管固定架40，对三个伺服电机及电机控制器供电。

参阅图18，所示单个双自由度驱动模块2为图9中B、D、F自由度的驱动机构；参阅图19，所示单个双自由度驱动模块2为图9中C、E、G自由度的驱动机构。

参阅图20，所示为机构限位设计，本实施例中，第一传感器48、第二传感器49、第三传感器50，这三种传感器均采用反射式光电传感器，同种类似的传感器设有三个，以所在机构的谐波减速器的中轴为中心成间隔45度分布在谐波减速器周边。第一传感器48与第一导线管固定架18、第一限位板17组成第一谐波减速器16的限位开关；第二传感器49与第二导线管固定架28、第二限位板26组成第二谐波减速器25的限位开关；第三传感器50与第三导线管固定架40、第三限位板38组成第三谐波减速器37的限位开关。

限位原理：反射式光电传感器将信号光照射在限位板边缘时通过限位板边缘的形状可实现对光信号的遮挡反射或者通过，若为反射，则为传感器的光信号为凸位47遮挡而反射；若为通过，则为传感器的光信号通过了缺位46。通过设计限位板边缘的形状配合反射式光电传感器的相对位置可实现限位板8种不同的位置状态的检测。

以图20所示的限位设计为例进行分析，涉及到第一驱动机构的各部件。设置光信号被凸位47遮挡反射时为1，通过限位板的缺位46时为0则八种位置状态编号为：000、001、010 011、100、101、110、111。编号状态如图29至图37所示。

图29所示为右限位状态，光电传感器信号为100(排序最左侧传感器开始)。此位置为右转极限位置。

图30所示为运动机构处于右下方(0-45度)状态，光电传感器信号为011(排序最左侧传感器开始)。此位置为右转极限位置。

图31所示为运动机构处于右下方45度状态，光电传感器信号为110(排序最左侧传感器开始)。

图32所示为运动机构处于右下方(45-90度)状态，光电传感器信号为001(排序最左侧传感器开始)。

图33所示为运动机构处于正下方90度状态，光电传感器信号为000(排序最左侧传感器开始)。此位置为行程中间位置。

图34所示为运动机构处于左下方(45度-90度)状态指示，光电传感器信号为011(排序最左侧传感器开始)。

图35所示为运动机构处于左下方(45度)状态指示，光电传感器信号为100(排序最左侧传感器开始)。

图36所示为运动机构处于左下方(0度-45度)状态指示，光电传感器信号为110(排序最左侧传感器开始)。

图37所示为运动机构处于左方状态指示，光电传感器信号为001(排序最左侧传感器开始)。此位置为左转极限位置。

图12-1所示的限位设计与12-2所示限位设计原理一致。伺服电机末端装有相对式编码器及抱闸，通过限位信息及编码器的反馈信息即可实现准确的的绝对位置反馈。

第二传感器49的限位设计，涉及第二驱动机构的各部件，例如第二传感器49、第二谐波减速器25、第二限位板26等，其限位设计与第一驱动机构的限位设计的原理是一致的。关于单自由度驱动模块1的限位设计，涉及第三传感器50、第三谐波减速器37、第三限位板38等，其限位设计与第一驱动机构的限位设计的原理是一致的。本实施例中的限位设计，伺服电机末端装有相对式编码器及抱闸，通过限位信息及编码器的反馈信息即可实现准确的绝对位置反馈。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。