一种主机器人单自由度摆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摆转关节模块，包括有第一摆动基座、第二摆动基座、第一关节轴、第二关节轴，第一关节轴和第二关节轴的一端分别与第二摆动基座固连，实现轴向定位，第一关节轴和第二关节轴的另一端与第一摆动基座通过轴承做相对转动，第一摆动基座与第二摆动基座能绕关节轴线作相对转动。本发明关节模块结构简单紧凑，装配便捷，与其它模块连接方便，可构建成示教用的主机器人。是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的主机器人单自由度摆转关节模块。
【专利说明】一种主机器人单自由度摆转关节模块
【技术领域】
[0001]本发明是一种主机器人单自由度摆转关节模块，属于主机器人单自由度摆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。
[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。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】
[0004]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。本发明可以简化主从控制系统，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。
[0005]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，包括有第一摆动基座、第二摆动基座、第一关节轴、第二关节轴，第一关节轴和第二关节轴的一端分别与第二摆动基座固连，实现轴向定位，第一关节轴和第二关节轴的另一端与第一摆动基座通过轴承做相对转动，第一摆动基座与第二摆动基座能绕关节轴线作相对转动。
[0006]本发明的关节轴线与模块本身的中心轴线垂直，由外力矩驱动能作摆转运动并对关节转角检测。第二关节轴的一端与编码器中的码盘固连。编码器固定在第一摆动基座上，对关节转角进行采样，处理器对采样信号进行处理。配重安装臂可与第二摆动基座或第一摆动基座固定。调节配重块在配重安装臂上的位置可以使模块在不同负载下保持随遇平衡。信号线从转动基座的内腔穿过，因而实现内走线。与现有技术相比，具有如下优点:
I)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。
[0007]2)本发明相对转动的两个部件采用滑动轴承(法兰轴承)，实现定位的同时又能灵活转动，结构简单、装配便捷；且采用第二摆动基座与关节轴分离的方式，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、关节轴向尺寸小、安装和拆卸便捷。
[0008]3)本发明采用配重的方式实现随遇平衡，结构简单，操作简单舒适。
[0009]4)本发明处理器集成到模块内，实现了电气与控制的模块化。通过内部走线与外界的总线连接可靠、快速和方便，且有利于操作和美观。
[0010]5)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。
[0011]本发明关节模块结构简单紧凑，装配便捷，与其它模块连接方便，可构建成示教用的主机器人。是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的主机器人单自由度摆转关节模块。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明关节模块的外观图；
图2是本发明关节模块的剖面图。
【具体实施方式】
[0013]实施例:
本发明的外观图如图1所示，本发明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摆转关节模块，包括有第一摆动基座09、第二摆动基座01、第一关节轴03、第二关节轴14，第一关节轴03和第二关节轴14的一端分别与第二摆动基座01固连，实现轴向定位，第一关节轴03和第二关节轴14的另一端与第一摆动基座09通过轴承做相对转动，第一摆动基座09与第二摆动基座01能绕关节轴线作相对转动。
[0014]根据模块组成主机器人后关节负载的情况，上述第一摆动基座09或第二摆动基座01上设置有配重块11，配重块11固定在配重安装臂12上，配重安装臂12固定在第一摆动基座09或第二摆动基座01上，移动配重安装臂12及配重块11的安装位置可以使配重块11与负载平衡，实现关节的随遇平衡。
[0015]本实施例中，上述第一关节轴03和第二关节轴14的一端分别通过四个紧定螺钉02与第二摆动基座01固连；上述该端为第一关节轴03和第二关节轴14的大端；上述配重块11通过紧定螺母10与端面的螺柱固定在配重安装臂12上，配重安装臂12通过三个螺钉16悬挂固定在第一摆动基座09或第二摆动基座01上。
[0016]本实施例中，上述第一关节轴03和第二关节轴14的另一端与第一摆动基座09通过法兰轴承04做相对转动。本实施例中，上述法兰轴承04为滑动轴承。上述法兰轴承04以间隙配合套在关节轴上，法兰轴承04的外径与第一摆动基座09的轴承孔紧配合，其法兰把第二摆动基座Ol与第一摆动基座09隔开，防止两个转动部件直接接触造成摩擦。
[0017]为了便于控制，上述第一摆动基座09上还装设有处理器08，处理器08固定到处理器安装板06上，处理器安装板06固定在第一摆动基座09上。本实施例中，上述处理器08通过锁紧螺钉和螺栓07固定到处理器安装板06上，处理器安装板06由圆头螺钉05固定在第一摆动基座09上。
[0018]此外，上述第一摆动基座09上还装设有编码器13，编码器13由四个对角螺钉15固连到第一摆动基座09 —侧支耳的内侧面上，第二关节轴14的末端插入编码器13的中心孔中与编码器13的码盘固连，实现编码器13的角度检测的功能。
[0019]本实施例中，上述第一摆动基座09为中空结构，编码器13的走线通过这个空腔连接到处理器8上。
[0020]本实施例中，上述第二摆动基座01、第一关节轴03、第二关节轴14、法兰轴承04及编码器13的轴线重合，并与第一摆动基座09和第二摆动基座01的轴线同时垂直。第一摆动基座09与第二摆动基座01的轴线一般既不垂直，也不平行，当关节伸直时重合。
[0021]本实施例中，上述第一摆动基座09设计有两个支耳，用于支撑固定其他转动部件；第一关节轴03和第二关节轴14分别从模块的两侧依次装配到第二摆动基座01。
[0022]本实施例中，上述处理器08的上下端设计有电气接口用于与编码器13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。
[0023]本实施例中，上述第一摆动基座09和第二摆动基座01的外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。
[0024]本发明的工作原理如下:第一摆动基座09与第二摆动基座01能绕关节轴线作相对转动，相对转动角通过编码器13检测。配重块11及配重安装臂12悬挂固定在第二摆动基座01或第一摆动基座09的侧边。当用这些模块构成主机器人时，从末端的摆转关节开始，通过增减摆转关节上配重块11的数量和(松紧螺钉、沿滑槽移动)调节它们在配重安装臂12的紧固位置逐个调节摆转关节的平衡。
【权利要求】
1.一种主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于包括有第一摆动基座(09)、第二摆动基座(01)、第一关节轴(03)、第二关节轴(14)，第一关节轴(03)和第二关节轴(14)的一端分别与第二摆动基座(01)固连，实现轴向定位，第一关节轴(03)和第二关节轴(14)的另一端与第一摆动基座(09)通过轴承做相对转动，第一摆动基座(09)与第二摆动基座(01)能绕关节轴线作相对转动。
2.根据权利要求1所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一摆动基座(09 )或第二摆动基座(01)上设置有配重块(11)，配重块(11)固定在配重安装臂(12)上，配重安装臂(12 )固定在第一摆动基座(09 )或第二摆动基座(OI)上。
3.根据权利要求2所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一关节轴(03)和第二关节轴(14)的大端分别通过紧定螺钉(02)与第二摆动基座(01)固连；上述配重块(11)通过紧定螺母(10)与端面的螺柱固定在配重安装臂(12)上，配重安装臂(12)通过三个螺钉(16)悬挂固定在第一摆动基座(09)或第二摆动基座(01)上。
4.根据权利要求1所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一关节轴(03)和第二关节轴(14)的另一端与第一摆动基座(09)通过法兰轴承(04)做相对转动。
5.根据权利要求4所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述法兰轴承(04)为滑动轴承；上述法兰轴承(04)以间隙配合套在关节轴上，法兰轴承(04)的外径与第一摆动基座(09)的轴承孔紧配合，其法兰把第二摆动基座(01)与第一摆动基座(09)隔开，防止两个转动部件直接接触造成摩擦。
6.根据权利要求1至5任一项所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一摆动基座(09 )上还装设有处理器(08 )，处理器(08 )固定到处理器安装板(06 )上，处理器安装板(06)固定在第一摆动基座(09)上。
7.根据权利要求6所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述处理器(08)通过锁紧螺钉和螺栓(07)固定到处理器安装板(06)上，处理器安装板(06)由圆头螺钉(05)固定在第一摆动基座(09)上。
8.根据权利要求7所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一摆动基座(09)上还装设有编码器(13)，编码器(13)由四个对角螺钉(15)固连到第一摆动基座(09)—侧支耳的内侧面上，第二关节轴(14)的末端插入编码器(13)的中心孔中与编码器(13)的码盘固连，实现编码器(13)的角度检测的功能。
9.根据权利要求8所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一摆动基座(09)为中空结构，编码器(13)的走线通过这个空腔连接到处理器(08)上；上述第二摆动基座(01)、第一关节轴(03)、第二关节轴(14)、法兰轴承(04)及编码器(13)的轴线重合，并与第一摆动基座(09)和第二摆动基座(01)的轴线同时垂直，第一摆动基座(09)的轴线与第二摆动基座(01)的轴线当关节伸直时重合。
10.根据权利要求9所述的主机器人单自由度摆转关节模块，其特征在于上述第一摆动基座(09)设计有两个支耳，用于支撑固定其他转动部件；第一关节轴(03)和第二关节轴(14)分别从模块的两侧依次装配到第二摆动基座(01);上述处理器(08)的上下端设计有电气接口用于与编码器(13)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；上述第一摆动基座(09)和第二摆动基座(01)的外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连接。
【文档编号】B25J17/00GK104139397SQ201410364262
【公开日】2014年11月12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, 苏满佳, 胡杰 申请人:广东工业大学