一种大扭矩紧凑型机械臂关节的制作方法

本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种大扭矩紧凑型机械臂关节。

背景技术：

机械臂是一种自动化机械装置，其能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域具有广泛应用。

机械臂的种类众多，形态各有不同，其中，串联机械臂由于灵活性强，应用最为广泛。串联机械臂可以分为空间串联机械臂和地面串联机械臂。机械臂是实现机械臂运动的关键技术，一方面，机械臂关节的输出力矩决定着一条机械臂的最大工作载荷，另一方面，在地面串联机械臂中，过大的自重，会使得机械臂关节的输出扭矩被自重消耗，导致机械臂的有效载荷减小；在空间串联机械臂中，过大的自重会占用有限的发射载荷，增加发射的成本。因此，机械臂旋转关节的设计要尽可能的使关节小型化或者输出力矩最大化。

现有技术中的机械臂关节，均是将减速器和关节旋转轴同轴布置，为了实现机械臂关节的最小化，通常的方案是增大减速比，采用大减速比的减速器或者多个小减速器串联布置。然而，采用大减速比减速器或者多个小减速比减速器串联，又会产生关节长度过长的问题。因此，如果能够保证关节输出力矩不变的情况下，尽可能的使关节结构最小化、紧凑化，同时使关节长度基本不改变，将具有十分重要的工程意义。

目前，现有技术中还没有同时具备大输出扭矩、大减速比、小关节长度的机械臂关节。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何提供一种能够同时具备大输出扭矩、大减速比、小关节长度的机械臂关节。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下。

大扭矩紧凑型机械臂关节，包括关节外壳、控制电箱、电机、高速级减速器、低速级减速器、同步带轮、输出轴、关节连接轴、第二连接板、第一连接板、轴承座、第一轴承、光栅尺、读数头和第二轴承；

所述关节外壳上设有第一通孔和圆形凸台；

所述控制电箱和电机设置在关节外壳内，控制电箱包括电源、电路板和驱动器，电源和电路板之间通过电源线连接，电路板控制驱动器工作，驱动器通过位置、速度和力矩三种方式对电机进行控制；

所述高速级减速器和电机同轴串联装配，高速级减速器和低速级减速器呈平行轴固定在关节外壳内，高速级减速器的输出轴与同步带轮的一个带轮连接，端部固定在轴承座内，低速级减速器的输入轴与同步带轮的另一个带轮连接，端部与第一轴承连接，高速级减速器和低速级减速器的轴线与关节连接轴的轴线互相垂直；

所述轴承座固定在关节外壳的内壁上；

所述第一轴承的端面顶紧在关节外壳的内壁上；

所述输出轴为中空轴，一端与低速级减速器的输出端同轴连接，另一端穿过第一通孔伸出关节外壳，第一通孔的内壁和输出轴的外壁间设有第二轴承；

所述光栅尺与低速级减速器同轴连接，在低速级减速器的带动下同步转动；

所述读数头固定在关节外壳内，读取光栅尺的角位移，并将数据传输至电路板中；

所述第二连接板和第一连接板固定在关节外壳上，前一个机械臂关节的第二连接板通过第三轴承与后一个机械臂关节的圆形凸台转动连接，前一个机械臂关节的第一连接板套装在后一个机械臂关节的输出轴上，并通过关节连接轴将两者固定连接，且关节连接轴的轴线垂直于输出轴的轴线。

进一步的，所述关节外壳包括上壳、中壳和下壳，中壳由一体成型的连接板和固定板组成，上壳的边缘与连接板的上边缘固定连接，连接板的下边缘与下壳的边缘固定连接，上壳、连接板和下壳形成一个一端开口的腔体，固定板设置在连接板与下壳的连接处，将腔体分割为两部分；

控制电箱固定在上壳上，第一通孔设置在上壳上，沿第一通孔的圆周边缘向上壳内侧设有第一圆环形凸台，第一圆环形凸台的外壁与上壳内壁间设有加强筋；

高速级减速器和低速级减速器固定在固定板的上表面上，同步带轮设置在固定板的下方；

所述下壳的内表面上设有第一凸台和第二凸台，第一凸台和第二凸台均设有凹槽，轴承座固定在第一凸台内，第一轴承设置在第二凸台的凹槽内，且通过顶丝顶紧垫片来压紧轴承外环，第二凸台与下壳之间设有加强筋，圆形凸台设置在下壳的外表面上。

进一步的，所述关节外壳内设有风扇，关节外壳上设散热孔。

进一步的，所述关节外壳的一端的两侧设有上平台和下平台，前一机械臂关节的上平台和下平台与后一机械臂关节的第一连接板和第二连接板配合。

进一步的，所述关节外壳与第二连接板和第一连接板的接触处分别设有第一圆环形凹槽，第一圆环形凹槽内设有滚针轴承，第二连接板和第一连接板的相应位置分别设有与第一圆环形凹槽配合的第二圆环形凹槽。

进一步的，该机械臂关节还包括中间连接板，所述中间连接板固定在关节外壳的端面上，与关节外壳组合在一起形成一个封闭的壳体，中间连接板与第二连接板和第一连接板分别固定连接，第二连接板和中间连接板之间设有第一双面加强筋肋板，第二连接板和中间连接板之间设有第二双面加强筋肋板。

进一步的，所述第二连接板和第一连接板固定在关节外壳的外壁上，平行于关节外壳轴线且分别位于关节外壳轴线的两侧。

进一步的，所述第二连接板、第一连接板和圆形凸台均采用减重设计。

进一步的，所述第一连接板的外壁上设有走线槽，走线槽的端部设有第一走线孔，第一连接板和关节外壳的连接处设有第二走线孔，前一个机械臂关节的电源线和信号线，从控制电箱内的电路板接出，通过输出轴的内部中空结构穿出，沿后一个机械臂关节的第一连接板的走线槽进入第一走线孔，再沿第二走线孔进入到关节外壳内，与关节外壳内的控制电箱连接。

进一步的，所述第二连接板和第一连接板与关节外壳的接触处分别设有第二连接板垫片和第一连接板垫片。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节在不减小关节输出力矩的情况下，通过增大减速比，采用小型电机，减小了整个关节的质量，实现了关节紧凑化的设计；

2、本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节采用两个减速器平行布置，中间采用同步带轮连接和传递扭矩，避免了减速器同轴串联结构而导致关节长度过长的弊端，从而可以进一步减小关节的尺寸，实现关节紧凑化；

3、本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节采用中空轴结构走线，避免了外部走线而导致关节导线缠绕的问题，也使得关节看上去更加整洁美观；

4、本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节通过大量的仿真分析和精准的结构优化设计，在有限的结构尺寸限制下，实现了较大的传动力矩的输出；

5、本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节相较现有技术中的关节，具有更好的一体化和系统关节匹配性，多个关节可以完美匹配成多自由度的串联机械臂，以满足不同场合的实际需求。

附图说明

图1为本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节的效果图；

图2为本发明的大扭矩紧凑型机械臂关节的效果图(图中隐藏上壳与下壳)；

图3为图1的剖面图(图中隐藏固定板)；

图4为图1的俯视图；

图5为图1的左视图；

图6中，a为第二连接板的正面立体图，b为a的立体图，c为第一连接板的背面立体图；

图7中，a为第一连接板的正面立体图，b为a的立体图，c为第二连接板的背面立体图；

图8中，a为上壳的正面立体图，b为上壳的背面立体图；

图9为中壳的立体图；

图10中，a为上壳的正面立体图，b为上壳的背面立体图；

图中，1、关节外壳，1-1、上壳，1-2、中壳，1-3、下壳，1-4、第一通孔，1-5圆形凸台，1-6、第一圆环形凸台，1-7、第一凸台，1-8、第二凸台，1-9、第一圆环形凹槽，1-10、第二圆环形凹槽，1-11、散热孔，2、控制电箱，3、电机，4、高速级减速器，5、低速级减速器，6、同步带轮，7、输出轴，8、关节连接轴，9、第二连接板，9-1、第二连接板垫片，10、第一连接板，10-1、走线槽，10-2、走线孔，10-3、第一连接板垫片，11、轴承座，12、第一轴承，13、光栅尺，14、读数头，14-1、读数头固定架，15第二轴承，16、中间连接板，17、散热风扇。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1-3所示，一种大扭矩紧凑型机械臂关节，包括：关节外壳1、控制电箱2、电机3、高速级减速器4、低速级减速器5、同步带轮6、输出轴7、关节连接轴8、第二连接板9、第一连接板10、轴承座11、第一轴承12、光栅尺13、读数头14、第二轴承15和中间连接板16。

其中，关节外壳1为近似圆柱形的中空结构，为了方便拆装，关节外壳1可以由多部分组合而成，具体组合方式根据实际需要确定即可。通常关节外壳1包括上壳1-1、中壳1-2和下壳1-3，中壳1-2由一体成型的连接板和固定板组成，上壳1-1的边缘与连接板的上边缘固定连接，连接板的下边缘与下壳1-3的边缘固定连接，上壳1-1、连接板和下壳1-3形成一个一端开口的腔体，固定板设置在连接板与下壳1-3的连接处，将腔体分割为两部分，固定方式均采用螺钉固定。

上壳1-1设有第一通孔1-4，沿第一通孔1-4的圆周边缘向上壳1-1内侧设有第一圆环形凸台1-6，第一圆环形凸台1-6的外壁与上壳1-1内壁间设有加强筋；下壳1-3的内表面上设有第一凸台1-7和第二凸台1-8，第一凸台1-7和第二凸台1-8均设有凹槽，轴承座11固定在第一凸台1-7内，第一轴承12设置在第二凸台1-8的凹槽内，且通过顶丝顶紧垫片来压紧轴承外环，第一轴承12为深沟球轴承，第二凸台1-8与下壳1-3之间设有加强筋，下壳1-3的外表面上设有圆形凸台1-5，圆形凸台1-5采用减重设计，且一般圆形凸台1-5与输出轴7同轴。上壳1-1和下壳1-3上分别设有上平台和下平台，且上平台和下平台的垂直距离小于关节外壳1的直径。

控制电箱2位于关节外壳1内，一般固定在上壳1-1上。控制电箱2包括电源、电路板和驱动器，电源和电路板之间通过电源线连接，电路板控制驱动器工作，驱动器通过位置、速度和力矩三种方式对电机3进行控制。

电机3与控制电箱2连接，在控制电箱2的控制下工作。

高速级减速器4和低速级减速器5采用螺钉固定在中壳1-2的固定板的上表面上，高速级减速器4和电机3同轴串联装配，高速级减速器4和低速级减速器5呈平行轴固定在关节外壳1内，高速级减速器4的输出轴与同步带轮6的一个带轮连接，端部固定在轴承座11内，低速级减速器5的输入轴与同步带轮6的另一个带轮连接，端部与第一轴承12连接，两个减速器的轴线与关节连接轴8的轴线互相垂直。

同步带轮6同步传动高速级减速器4和低速级减速器5，该设置能最大程度减少力矩损失，并保证力矩从高速级减速器4的输出端轴和低速级减速器5输入端轴的同步过渡，克服了现有技术中减速器同轴串联布置的超长结构，有效减小整个机械臂关节的长度。

输出轴7为中空轴，一端与低速级减速器5的输出端同轴连接，另一端穿过第一通孔1-4伸出关节外壳1，第一通孔1-4的内壁和输出轴7的外壁间设有第二轴承15，第二轴承15为滚针轴承。

光栅尺13与低速级减速器5同轴连接，在低速级减速器5的带动下同步转动。

读数头14通过读数头固定架14-1固定在关节外壳1内，读取光栅尺13的角位移，并将数据传输至电路板中。

中间连接板16固定在关节外壳1的端面上，与关节外壳1形成封闭的壳体。

第二连接板9和第一连接板10固定在关节外壳1的左端外壁上，与关节外壳1的接触处分别设有第二连接板垫片9-1和第一连接板垫片10-3，且分别位于关节外壳1轴线的两侧，垂直于输出轴7的轴线。第一连接板10和第二连接板9连接两个不同的机械臂关节，并将电机3输出轴的扭矩通过关节连接轴8从一个关节传递到下一个关节。一般，第一连接板10和第二连接板9的外壁上均采用减重设计，且左端分别设有通孔。第二连接板9内表面能够与下平台配合，前一个机械臂关节的第二连接板9通过第三轴承16与后一个机械臂关节的圆形凸台1-5转动连接，第一连接板10的内表面能够与上平台配合，前一个机械臂关节的第一连接板10套装在后一个机械臂关节的输出轴7上，并通过关节连接轴8将两者固定连接，且关节连接轴8的轴线垂直于输出轴7的轴线。第一连接板10和中间连接板16之间设有第一双面加强筋肋板，第二连接板9和中间连接板16之间设有第二双面加强筋肋板，中间连接板16、第一双面加强筋肋板和第二双面加强筋肋板构成一个整体结构，既起连接作用，也有效增强多个机械臂关节之间的连接刚度和稳定。

第一连接板1的外壁上设有与其通孔连通的U形走线槽10-1，走线槽10-1的端部设有第一走线孔10-2，第一连接板10和关节外壳1连接处设有第二走线孔。当多个机械臂关节联用时，前一个关节的电源线和信号线，从控制电箱2内的电路板接出，通过输出轴7的内部中空结构穿出，沿后一个关节的走线槽10-1，进入第一走线孔10-2，再沿第二走线孔进入到关节外壳1内，与关节外壳1内的控制电箱2连接。

本发明的机械臂关节还可以设有散热风扇17，散热风扇7固定在中壳1-2上，中壳1-2外壁上设散热孔1-11。

在工作时，电机3将力矩传递给高速级减速器4减速，高速级减速器4将输出力矩通过同步带轮6传递给低速级减速器5，低速级减速器5再次进行减速，增大扭矩，然后低速级减速器5将输出力矩传输给输出轴7，通过关节连接轴8，将前一个关节的输出力矩传递给后一个关节，从而将电机的输出扭矩传递到后一个关节，实现由一个关节带动并控制后一个关节目的。