一种主机器人单自由度回转关节模块的制作方法
【专利摘要】本发明是一种主机器人单自由度回转关节模块。包括有第一转动基座、第二转动基座、处理器、编码器、连接基座，第一转动基座与连接基座连接，第二转动基座与第一转动基座之间能相对转动，第二转动基座的一端伸入到编码器的中心孔中与其码盘固连，编码器固定于第一转动基座上，编码器对关节角位移进行检测，处理器与编码器连接，处理器对编码器检测到的信号进行处理。本发明结构简单紧凑,连接和使用方便的主机器人单自由度回转关节模块。本发明简化主从控制系统，提高主机器人的通用性和适应性，降低主机器人的研制和使用成本。
【专利说明】一种主机器人单自由度回转关节模块
【技术领域】
[0001]本发明是一种主机器人单自由度回转关节模块，属于主机器人单自由度回转关节模块的创新技术。
【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。
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。模块化主机器人并不是简单的机械装配，而是模块之间的有机连接。作为组成单元的各个模块都是一种集通信、控制和传动为一体的独立和完整的机电系统。因此，有必要开发方便连接、易于操作和控制的主机器人单自由度关节模块。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种结构简单紧凑，连接和使用方便的主机器人单自由度回转关节模块。本发明简化主从控制系统，提高主机器人的通用性和适应性，降低主机器人的研制和使用成本。
本发明的技术方案是:本发明的主机器人单自由度回转关节模块，包括有第一转动基座、第二转动基座、处理器、编码器、连接基座，第一转动基座与连接基座连接，第二转动基座与第一转动基座之间能相对转动，第二转动基座的一端伸入到编码器的中心孔中与其码盘固连，编码器固定于第一转动基座上，编码器对关节角位移进行检测，处理器与编码器连接，处理器对编码器检测到的信号进行处理。 本发明与现有技术相比，具有如下优点:
1)本发明一个模块就是一个基本的单元系统，具有独立性和完整性，能感知单关节的回转运动，便于与其它模块构成主机器人系统。
2)本发明由于相对转动的两个部件采用推力轴承和球轴承配合实现定位的同时又能灵活转动，各个部件之间紧密且可靠地连接布置，因而模块结构简单紧凑、轴向尺寸小、安装和拆卸便捷。
3)本发明处理器集成到模块内，便于实现电气与控制的模块化。同时实现了内部走线，与外界的总线连接可靠，且有利于操作。由于走线不外露，整个模块的看起来简洁美观。
4)本发明采用卡环结构与其他模块直接连接和锁紧，不需要其它专用的过渡或换向连接件，连接和拆卸简单、方便和快捷。
5)本发明有限位结构设计，避免了操作过程中绕线的问题。
本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的主机器人单自由度回转关节模块。
【专利附图】
【附图说明】
图1为本发明的外观图；
图2为本发明的剖面图。
【具体实施方式】
实施例:
本发明关节模块的外观图如图1所示，本关节模块的剖面图如图2所示，本发明的主机器人单自由度回转关节模块，包括有第一转动基座07、第二转动基座09、处理器01、编码器
02、连接基座05，第一转动基座07与连接基座05连接，第二转动基座09与第一转动基座07之间能相对转动，第二转动基座09的一端伸入到编码器02的中心孔中与其码盘固连，编码器02固定于第一转动基座07上，编码器02对关节角位移进行检测，处理器01与编码器02连接，处理器01对编码器02检测到的信号进行处理。本发明主机器人单自由度回转关节模块的关节转动轴线与模块本身的中心轴线重合，具有回转运动并能对关节转角进行检测。
本实施例中，上述编码器02通过编码器安装板04固定于第一转动基座07上。上述第一转动基座07与第二转动基座09通过推力轴承08和球轴承06实现定位与相对转动，第二转动基座09的大端通过推力轴承08与第一转动基座06的端面连接，实现轴向定位，其轴端通过球轴承06与第一转动基座06的轴承孔配合，实现径向定位和转动；第一转动基座07的凸台套入连接基座05中，并由两个对称的紧定螺钉17固连，轴承套筒12通过四个压紧螺钉11与第二转动基座09固连，并压紧球轴承06的内圈。
本实施例中，上述第二转动基座09设有一个中心孔，中心孔的一端开口在第二转动基座09的大端面，另一端在第二转动基座09轴端底部从侧面通出。该通孔用于模块的电气线路通道，实现模块的内部走线；本实施例中，中心孔的另一端在第二转动基座09轴端底部从侧面沿圆周开孔30°，轴承套筒(12)的侧面也有与第二转动基座(09)相对应的30°的开孔。
本实施例中，上述第一转动基座07、第二转动基座09、推力轴承08、球轴承06和编码器02的所有轴线重合。上述编码器02由四个锁紧螺钉13固连到编码器安装板04上。 本实施例中，上述转动轴的末端插入编码器02的中心孔中与其码盘固连，编码器安装板04与第一转动基座07通过两个对角螺钉03固连；编码器安装板04除锁紧螺钉03固定处外，与第一转动基座07的内壁留有足够的间隙用于走线通道，并保证模块在转动过程中走线不会被卡死。
本实施例中，上述处理器01通过连接螺钉及螺母16固定在控制器安装板15上；控制器安装板15通过一个配合螺钉14固连到连接基座05的凸台上；第一转动基座07的入口端面的内壁有三个扩孔，作为控制器安装板15安装时的扳手通道和处理器01的装配进入通道；处理器01的上下端设计有电气接口用于与编码器02和两端其他模块的信号连接，实现电源信号的供应和CAN总线信号传输。
本实施例中，上述第一转动基座07中放置推力轴承08凹槽的内沿设计有一个小凸柱，与之相对的第二转动基座09同样直径处设计有光孔，有插销10与之紧配合，小凸柱与插销10的相互配合把第一转动基座07和第二转动基座09的相对转动角度限制在一圆周之内。
本实施例中，上述分别在连接基座05和第二转动基座09的一端设计统一的机械接口，在轴剖面上有梯形槽，使得关节模块能与相邻的模块快速便捷地连接；关节模块之间通过螺钉、用轴剖面为梯形的卡环实现快速连接和锁紧，这种连接方式不但可以阻止相连模块绕轴线的相对转动的作用，而且可以使两个模块在轴向上固连。
本发明的工作原理如下:第一转动基座07、连接基座05、编码器安装板04和编码器02等零件通过螺钉固定成一体，它们与第二转动基座09通过推力轴承08和球轴承06可以相对转动。当模块的两端与其它零部件连接并发生相对转动时，这种转动通过编码器02进行检测，得到的信号经过处理器01处理后输出转动角和转动速度。
【权利要求】
1.一种主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于包括有第一转动基座(07)、第二转动基座(09)、处理器(01)、编码器(02)、连接基座(05)，第一转动基座(07)与连接基座(05)连接，第二转动基座(09)与第一转动基座(07)之间能相对转动，第二转动基座(09)的一端伸入到编码器(02)的中心孔中与其码盘固连，编码器(02)固定于第一转动基座(07)上，编码器(02)对关节角位移进行检测，处理器(01)与编码器(02)连接，处理器(01)对编码器(02)检测到的信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述编码器(02)通过编码器安装板(04)固定于第一转动基座(07)上。
3.根据权利要求1所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述第一转动基座(07)与第二转动基座(09)通过推力轴承(08)和球轴承(06)实现定位与相对转动，第二转动基座(09)的大端通过推力轴承(08)与第一转动基座(06)的端面连接，实现轴向定位，其轴端通过球轴承(06)与第一转动基座(06)的轴承孔配合，实现径向定位和转动；，第一转动基座(07)的凸台套入连接基座(05)中，并由两个对称的紧定螺钉(17)固连，轴承套筒(12)通过四个压紧螺钉(11)与第二转动基座(09)固连，并压紧球轴承(06)的内圈。
4.根据权利要求1所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述第二转动基座(09)设有一个中心孔，中心孔的一端开口在第二转动基座(09)的大端面，另一端在第二转动基座(09)轴端底部从侧面通出。
5.根据权利要求1至4任一项所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述第一转动基座(07)、第二转动基座(09)、推力轴承(08)、球轴承(06)和编码器(02)的所有轴线重合。
6.根据权利要求5所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述编码器(02)由四个锁紧螺钉(13)固连到编码器安装板(04)上。
7.根据权利要求5所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述转动轴的末端插入编码器(02)的中心孔中与其码盘固连，编码器安装板(04)与第一转动基座(07)通过两个对角螺钉(03)固连；编码器安装板(04)除锁紧螺钉(03)固定处外，与第一转动基座(07)的内壁留有间隙用于走线通道。
8.根据权利要求5所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述处理器(01)通过连接螺钉及螺母(16)固定在控制器安装板(15)上；控制器安装板(15)通过一个配合螺钉(14)固连到连接基座(05)的凸台上；第一转动基座(07)的入口端面的内壁有三个扩孔，作为控制器安装板(15)安装时的扳手通道和处理器(01)的装配进入通道；处理器(01)的上下端设计有电气接口用于与编码器(02)和两端其他模块的信号连接。
9.根据权利要求5所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述第一转动基座(07)中放置推力轴承(08)凹槽的内沿设计有一个小凸柱，与之相对的第二转动基座(09)同样直径处设计有光孔，有插销(10)与之紧配合，小凸柱与插销(10)的相互配合把第一转动基座(07)和第二转动基座(09)的相对转动角度限制在一圆周之内。
10.根据权利要求5所述的主机器人单自由度回转关节模块，其特征在于上述分别在连接基座(05)和第二转动基座(09)的一端设计统一的机械接口，在轴剖面上有梯形槽，使得关节模块能与相邻的模块快速便捷地连接；关节模块之间通过螺钉、用轴剖面为梯形的卡环实现快速连接和锁紧。
【文档编号】B25J17/00GK104308856SQ201410364226
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】郑志芳, 管贻生, 吴品弘, 苏满佳, 胡杰 申请人:广东工业大学