一种可变自由度的模块化机械臂关节的制作方法
【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关节，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关节，采用模块化的设计思想，将一个或多个本发明中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。
[0006]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]本发明的优点在于:
[0010]1、本发明模块化机械臂关节，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；
[0011]2、本发明模块化机械臂关节，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；
[0012]3、本发明模块化机械臂关节，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。
[0013]4、本发明模块化机械臂关节，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；
[0014]5、本发明模块化机械臂关节中，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；
[0015]6、本发明模块化机械臂关节中，整体结构设计紧凑，全铝合金的外壳，质量和体积都比较小。
【附图说明】
[0016]图1为本发明模块化机械臂关节整体结构示意图；
[0017]图2为本发明模块化机械臂关节中输出法兰轴结构示意图；
[0018]图3为本发明模块化机械臂关节中空心轴电机结构示意图；
[0019]图4为本发明模块化机械臂关节中刹车装置结构示意图；
[0020]图5为刹车装置中三波峰垫圈、刹车挡片、定位卡环三者安装方式示意图；
[0021]图6为本发明模块化机械臂关节中双码盘定位机构机构示意图；
[0022]图7为本发明模块化机械臂关节中伺服驱动电路结构框图；
[0023]图8为本发明模块化机械臂关节中输出法兰与连接法兰位置示意图；
[0024]图9为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的四自由度机械臂示意图；
[0025]图10为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的五自由度机械臂示意图；
[0026]图11为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的六自由度机械臂示意图；
[0027]图12为利用本发明模块化机械臂关节拼接成的七自由度机械臂示意图。
[0028]图中:
[0029]1-输出法兰轴2-谐波减速器3-中空轴电机
[0030]4-刹车装置5-双码盘定位机构6-外壳
[0031]7-伺服驱动电路8-连接法兰101-输出法兰
[0032]102-输出轴301-电机定子302-电机转子
[0033]303-中空轴401-电磁铁402-刹车挡片
[0034]403-定位卡环404-三波峰垫片405-遮挡片
[0035]501-驱动电路板502-速度增量编码器503-位置增量编码器
[0036]504-编码器安装座505-铜柱701-主控模块
[0037]702-信号转换模块703-刹车控制模块704-电机驱动模块
[0038]705-电源模块706-温度传感器707-霍尔电流传感器
[0039]708-输入电压检测模块
【具体实施方式】
[0040]下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0041]本发明可变自由度的模块化机械臂关节，包括输出法兰轴1、谐波减速器2、中空轴电机3、刹车装置4、双码盘定位机构5与外壳6，如图1所示。
[0042]所述输出法兰轴I为输出法兰101和输出轴102两部分构成的一体结构，如图2所示，输出法兰101与输出轴102前端同轴相接。其中，输出轴102上由前至后依次同轴套有谐波减速器2、中空轴电机3、刹车装置4与双码盘定位机构5。上述谐波减速器2、中空轴电机3、刹车装置4、双码盘定位机构5均位于全销合金的外壳6内，通过外壳6进行保护；为了便于刹车装置4与双码盘定位机构5的更换与维护，将外壳6设计为具有后盖的结构。外壳6上还设计有连接法兰，通过连接法兰与上述输出法兰，实现本发明机械臂关节在应用时，实现多个机械臂关节间的连接，以及机械臂关节与机械臂连杆间的连接。上述谐波减速器2通过螺钉固定于输出法兰101上。
[0043]中空轴电机3为中空轴无刷直流电机，如图3所示，具有电机定子301、电机转子302与中空轴303，如图2所示。中空轴电机3通过热套配合与外壳6固定，电机定子301前后两端通过外壳6内壁周向上设计的轴肩定位。中空轴303前端通过螺钉连接在谐波减速器2的输入端，实现中空轴电机3的轴向定位。中空轴303的前后两端上分别套有前端盖304与后端盖305 ;如图1所示，前端盖304、谐波减速器2与外壳6三者间通过螺钉固定；后端盖305直接通过螺钉与外壳6间固定；并使前端盖304与后端盖305分别和电机定子301前后两端间具有一定间隙，为电机定子301提供一个加工裕度。同时前端盖304和后端盖305上分别通过深沟球轴承与中空轴303前端和后端相连，保证中空轴303能够平稳顺畅的转动。同时在前端盖304与中空轴303间还安装有油封，防止谐波减速器2中的油液进入到其他部分中。通过上述结构，中空轴电机3工作，中空轴303转动，通过谐波减速器2减速后，带动输出法兰101转动。
[0044]所述刹车装置4安装于后端盖305上，包括电磁铁401、刹车挡片402、定位卡环403与三波峰垫片404，如图4所示。其中，电磁铁401通过L型支架安装在后端盖305外缘处，定位卡环403与三波峰垫圈404均为2个，刹车挡片402为I个，采用周向上具有四个限位档杆的十字形结构。2个三波峰垫圈404与刹车挡片402按照定位卡环403-三波峰垫圈404-刹车挡片402-三波峰垫圈404-定位卡环403的顺序套在中空轴303上，如图5所示，且在靠近中空轴303轴端的三波峰垫圈404与定位卡环403间还设置有遮挡片405，对2个定位卡环间的结构进行遮挡。其中，2个定位卡环403固定于中空轴303周向上设计的凹槽内，且将2个三波峰垫圈404与I个刹车挡片402三者间压紧固定。由此通过刹车装置4可保证在本发明机械臂关节在未上电或者发生突发状况时，能够紧急通过机械方式制动从而保证人身安全的装置。正常工作时，电磁铁401上电吸合，刹车挡片402可以自由旋转；当发生故障掉电时，电磁铁401释放，至刹车挡片的限位档杆与电磁铁杆接触后，受电磁铁杆阻挡，进而将刹车挡片402锁死，使其不能自由转动，从而使中空轴303停转，达到刹车的目的。刹车装置4对保证机械臂关节的安全起到很重要的作用。
[0045]所述双码盘定位机构5包括驱动电路板501、速度增量编码器502和位置增量编码器503，如图6所示。其中，速度增量编码器502与位置增量编码器503均为中空结构的光栅编码器。速度增量编码器502具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号；速度编码器502的中空部分周向上具有三个中心角不同的扇形槽，分别与中空轴303上周向设计的三个扇形键配合定位后，通过螺钉同轴固定于中空轴303后端端部，使速度增量编码器502与中空轴303具有唯一确定的位置关系，且在速度编码器502安装完毕后，需保证速度增量编码器502的Z相停止位与电机转子302的一相对齐，此时，电机转子302相对于电机定子301的位置为速度编码器502的零位。由此，本发明中速度增量编码器502可代替霍尔传感器，当确定了电机转子302相对于电机定子301的初始位置时，速度增量编码器502上电复位，不断读取速度编码器502的差分信号，当速度增量编码器502