双关节模块和使用该双关节模块的手臂的制作方法

本公开涉及机器人关节和使用该关节的机器人手臂，具体涉及具有双自由度且具有大致l形的双关节模块以及使用该模块的机器人手臂。

背景技术

机器人手臂中使用的双自由度(twodegree-of-freedom，2-dof)关节模块由于诸如尺寸紧凑、重量轻以及成本低的几个优点而变得越来越普遍。关节模块设计成满足某些要求和约束，并且这些要求和约束转化成设计规范。对于工业应用，对有效载荷范围、速度、准确度、可靠性、寿命、安全性、易于组装和维护的要求非常重要。

有一种称为powerballerb^tm的双自由度关节模块，其由schunkgmbh&co.kg设计。该关节模块容纳于球形围护件中，该球形围护件容纳控制关节所需的所有部件：伺服电机、编码器、电机驱动、谐波驱动、保持制动器和用于内部布线的空心轴。由于需要通风来消散由诸如电机、电机驱动和制动器等的电子部件产生的热量，所以关节模块不密封。该模块重量轻、结构紧凑并且高度集成。然而，这种设计具有局限性。

第一，powerballerb^tm关节模块包括许多机械和电子部件，这提高了结构复杂性，同时还引起散热问题。由于所有电气和控制部件都集成在模块外壳中，所以这些部件产生的热量需要相对较大的空间才能散发。然而，由于该关节设计成紧凑关节，所以电子部件消耗的功率受到其产生热量的限制。这转而限制了关节模块的输出功率。因此，这种类型的关节模块在有效载荷范围方面的应用受限。

第二，为了解决散热问题，在外壳上制造开口或槽。这限制了关节模块在诸如多尘环境、潮湿环境和爆炸性环境的某些恶劣工业环境下的应用。这些关节不能在用于涂覆、涂布和焊接的机器手臂中使用。例如，这种工业应用中可能存在的爆炸性气体和火花会进入关节模块并导致爆炸。

第三，powerballerb^tm可用于构建机器人手臂lwa-4p^tm。lwa-4p手臂包括三个powerball关节模块和两个连接件。由于关节模块对散热和功率封顶问题有限制，所以手臂不能在一些恶劣工业环境下工作，并且手臂的有效载荷受限。

还有另一双自由度关节模块，由工程服务公司(engineeringservicesinc.,esi)通过专利号us9,044,865设计。该关节模块设计用于大扭矩和低速应用。关节模块包括模块外壳和两个关节。另外，关节中的一个具有空心轴齿轮头、离轴驱动件、伺服电机、以及延伸穿过空心轴齿轮头的内部电缆。由于关节模块设计成与连接件连接，所以关节模块具有主动侧和带有电子连接器的被动侧。主动侧机械地连接至连接件，以及被动侧的电子连接器可操作地连接至连接件电缆。该关节用于构建机器人手臂。该设计存在如下所述的局限性。

第一，由于控制关节运动所需的所有部件都集成到该模块中，所以该模块具有与powerballebr^tm中提到的相同的散热问题。

第二，由于关节模块的内部结构，模块内的电缆布线复杂。关节中的一个使用非空心轴电机和齿轮头来提供扭矩。由于关节的内部结构，所以电缆进入模块的一个端部，在模块内部转90度，并从另一侧离开模块。在这种情况下，电缆在外壳内会受到挤压。这可能导致电缆上的扭转力很大。

还有另一种类型的双自由度关节模块，由fanucroboticsnorthamerica设计，如专利us5,293,107所示。每个模块外壳都容纳两个空心轴旋转致动器、其它电子部件和内部电缆。该关节用于构建机器人手臂。然而，这种设计也具有局限性。

第一，旋转致动器和电子部件的安装过程很复杂，因为该安装过程需要过多组装步骤。两个致动器组安装在外壳内部，两个致动器组的输出轴面向外部，并且电机面向外壳的内部。两个致动器会通过螺栓和螺钉固定至外壳壁。为了将两个致动器安装在外壳中，两个致动器不能从外部放入外壳内部。相反，致动器必须从内部安装。所以整个外壳都必须拆开。一旦安装了致动器，就用螺钉和螺栓将外壳重新组装成一体。因此，安装过程复杂。

第二，fanuc的关节模块外壳不是一体制成的。外壳箱由数个零件制成，并且这些零件通过螺钉和螺栓固定以形成外壳。因而，外壳的结构并不像一体式外壳那么坚固。

第三，该关节模块的维护过程复杂。为了接近致动器和其它电子部件，用户需要拆卸外壳壳体，执行维护，以及在维护完成后重新组装外壳。

所有上述用于模块化关节的方法对工业应用都有限制。会有利的是设计新型双自由度关节模块，该双自由度关节模块具有诸如紧凑、低发热、密封和刚性外壳、大载荷、安装和维护过程简单和易于组装的特征。

技术实现要素：

本公开涉及一种双关节模块。该双关节模块包括外壳和一对空心旋转致动器组件。每个致动器组件都具有轴线和空心轴，以及轴线彼此成角度地布置。该对空心旋转致动器组件背对背地布置，并附接至外壳，使得电缆可从该对空心旋转致动器组件中的一个的外部供给至其内部，并进入该对空心旋转致动器组件中的另一个的内部再至其外部。

该对空心旋转致动器组件的轴线可正交布置。

每个空心旋转致动器组件均可包括具有空心的中心部分的无刷直流伺服电机、具有空心的中心部分的制动器以及具有空心的中心部分的编码器。每个空心旋转致动器组件均可为组合致动器。

外壳可包括外壳主体和可释放地附接至外壳主体的外壳盖。外壳主体可包括一对大体圆柱形的隔室，用于容纳该对空心旋转致动器组件。外壳主体还可包括在两个大体圆柱形的隔室之间的中央隔室。

该对空心旋转致动器组件的轴线可在该对空心旋转致动器组件之间成钝角布置。

该对空心旋转致动器组件的功率、速度和扭矩可相同。可替代地，该对空心旋转致动器组件的功率、速度和扭矩可不同。

双关节模块可包括可操作地附接至该对空心旋转致动器组件的一对电机驱动件，并且该对电机驱动件位于外壳外部。

本公开还涉及机器人手臂。机器人包括至少两个双关节模块和至少第一连接件，其中每个双关节模块均如上所述。

机器人手臂可包括第三双关节模块和第二连接件，其中双关节模块是肩部模块、肘部模块和腕部模块。肩部模块和肘部模块可操作地附接至第一连接件的相对端部，并且肘部模块和腕部模块附接至第二连接件的相对端部。

第一连接件可为肩部连接件。肩部连接件可包括主体和空心盖，并且具有第一端口和第二端口。肩部连接件的第一端口和第二端口通常在同一平面内。

第二连接件可为腕部连接件。腕部连接件可具有彼此大致正交的第一端口和第二端口。

机器人手臂可包括可操作地附接至空心旋转致动器组件中的每个的电机驱动件，并且电机驱动件位于外壳外部。

其它特征将在以下详细描述的过程中进行描述或变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式来描述实施方式，在附图中：

图1是大致l形的双自由度双关节模块的立体图；

图2是用于图1的双自由度l形双关节模块的外壳的剖视图；

图3是图2的双自由度l形双关节模块的外壳的前视图；

图4是有中心轴向孔穿过且用于与图1的双自由度l形双关节模块一起使用的空心旋转致动器组件的实施方式的立体图；

图5是图4的空心旋转致动器组件的侧视图；

图6是图4和图5的空心旋转致动器组件的剖视图；

图7是图1的双自由度l形双关节模块的前视图；

图8是图1和图7的双自由度l形双关节模块的侧视图；

图9是图1、图7和图8的双自由度l形双关节模块的俯视图；

图10是图1、图7、图8和图9的双自由度l形双关节模块的分解立体图；

图11是图1和图7至图10的双自由度l形双关节模块的剖视图，并示出了电缆布线；

图12是使用图1和图7至图11的双自由度l形双关节模块的手臂的实施方式的分解立体图；以及

图13是以不同定向示出的图17的手臂的侧视图；

图14是图12和图13的手臂中所示的肩部连接件的从肩部连接件的一侧观察的分解图；

图15是图14的手臂的肩部连接件的分解图，但从肩部连接件的另一侧观察；

图16是如图12和图13的手臂中所示的从肘部连接件的一侧观察的肘部连接件的分解侧视图；

图17是图16的肘部连接件的立体图；

图18是图16和图17的肘部连接件的剖视图；

图19是图1和图7至图11所示的l形双关节模块的替代实施方式的立体图，但具有不同尺寸的空心旋转致动器组件；

图20是图18的l形双关节模块的侧视图；

图21是图1和图7至图11和图18和图19所示的l形双关节模块的又一替代实施例的立体图，但所述l形双关节模块具有与图18和图19所示的那些尺寸不同的尺寸的空心旋转致动器组件；

图22是图21的l形关节模块的侧视图；

图23是类似于图1和图7至图11和图19至图22所示的那些双关节模块的另一替代实施方式的立体图，但两个空心旋转致动器组件之间具有钝角；

图24是类似于图18所示的手臂的替代实施方式的侧视图，但是所述手臂具有不同尺寸的连接件；以及

图25是使用图1和图7至图11和图19至图22的l形关节的手臂的俯视图，但示出偏移。

具体实施方式

参见图1，大体呈l形的双自由度双关节模块总体以10表示。l形双关节模块10包括外壳12、正交地布置在外壳12中的一对空心旋转致动器组件14。

如在图2和图3中最佳可见，外壳12由两部分构成：外壳主体16和可拆卸地附接至外壳主体的外壳角盖18。外壳主体16含有三个隔室：两个大体圆柱形的隔室20和隔室22，用于容纳该对空心旋转致动器组件14，该对空心旋转致动器组件14可为转架致动器和肩部致动器；中央隔室24位于隔室20与隔室22之间，并且用于容纳电子部件。隔室20和隔室22各自分别具有中心轴线26和中心轴线28。中心轴线26和中心轴线28彼此正交。角盖18可从外壳主体16上拆下。外壳主体16包括凸缘36。

图3示出了l形双关节模块外壳12的前视图。外壳主体16允许两个空心旋转致动器组件14利用隔室20和隔室22而具有正交的轴线。多个孔或孔隙26围绕通向隔室20和隔室22的开口形成在外壳主体16中，从而允许用螺钉将空心旋转致动器组件安装在外壳主体16中。腔或隔室20在其内部具有用于电子连接至空心旋转致动器组件14(未示出)的孔30。类似地，腔或隔室22在其内部具有用于电子连接至空心旋转致动器组件14(未示出)的孔32。图4至图6中示出了用于在l形双关节模块10中使用的空心旋转致动器组件的示例。空心旋转致动器组件14具有沿其中心轴线的空心轴。空心旋转致动器组件14包括无刷直流伺服电机40、编码器42、制动器44和齿轮头46。空心旋转致动器组件14具有用于将其附接至外壳12的输出轴48。空心旋转致动器组件14的元件中的每个均大致为环形，使得空心旋转致动器组件具有空心的中心轴。更具体地，伺服电机40具有空心的中心部分。编码器42是绝对编码器并具有空心的中心部分。制动器44具有空心的中心部分。齿轮头46具有空心的中心部分。优选地，空心旋转致动器组件14是组合致动器，并且各个元件连接在一起以形成单个组合致动器。每个元件均可操作地连接至电缆47。组合致动器或空心旋转致动器组件14具有尺寸紧凑的优点，并且空心轴特征允许电缆从中穿过。交叉滚子轴承43嵌入凸缘45中，如图6最佳所示。交叉滚子轴承43用在安装凸缘45上，以简化组合致动器14的组装，并且减小组合致动器14的重量和尺寸。

参见图1和图7至图11，l形双关节模块总体以10表示。模块10包括两个空心旋转致动器组件14和关节外壳12，该关节外壳12具有外壳主体16和外壳角盖18。关节外壳12在图2和图3中示出。组合致动器14具有空心轴50。两个组合致动器14的空心轴的轴线与外壳12的隔室20和隔室22的中心轴线26和中心轴线28共线，如图2所示。多个螺钉孔52形成于组合致动器14的输出轴48中。螺钉孔54形成于凸缘板中。交叉滚子轴承43形成凸缘板45的一部分，并且螺钉孔54仅穿过凸缘板45。交叉滚子轴承43在弯曲时向输出轴48提供支承。输出轴48提供输出转矩。

孔52用于将关节模块10连接至机器人手臂连接件102，如下面关于图12和图13所述。多个螺钉54用于将组合致动器14安装至外壳12。圆形凸缘36可用作下面更详细描述的机器人手臂机械硬止挡件的一部分。多个螺钉孔56是用于将盖18固定至关节外壳主体16的螺钉孔。旋转电机14具有由输出轴48限定的输出侧和内部49。

图10示出了双自由度l形双关节模块10的分解图。模块10包括两个组合致动器14和一个模块外壳12，该外壳包括外壳主体16和外壳盖18。隔室20和隔室22的轴线26和轴线28与两个关节14的轴线共线。轴线26和轴线28彼此正交。两个关节14由图4至图6所示的组合致动器制成。两个组合致动器14通过从外壳隔室20和隔室22的外部插入到外壳隔室20和隔室22的内部(如图10中最佳所示)而安装至外壳12。然后，用螺钉54将致动器14固定至外壳12。垫圈62位于螺钉54和致动器14之间。可使用内部电缆保持器来稳定电缆66(如图11所示)。电缆束66从一个端部到另一端部穿过外壳12。更具体地说，电缆从由一个旋转电机14的输出轴48限定的外部侧行进至其内部49，穿过中央隔室24到另一个旋转电机14的内部49，再到由输出轴48限定的其外部。电缆束66可通过电缆保持器保持在适当的位置，其中电缆保持器附接至模块外壳主体16的内部。电子部件72可安装在盖18的内部上。如果存在电子部件72，则电子部件72用于分配诸如分压器的信号。可替代地，这可无线地进行。组合致动器14的电缆47可操作地连接至电缆66。类似地，电子部件72可操作地连接至电缆66。图11示出了通过关节模块10的电缆布线。通过关节模块的结构设计简化了电缆布线过程。电缆束66设计成从一个端部到另一端部穿过关节模块10。顺序如下：电缆束66穿过位于外壳隔室22中的关节14，从一个端部到另一端部穿过组合致动器的空心轴50。然后，电缆束到达隔室24。之后，电缆束66穿过位于外壳隔室20中的另一关节14，从一个端部到另一端部穿过组合致动器的空心轴50。

另外，如图11所示，关节模块10的维护过程非常简单。对于电缆连接和电气部件的维护，用户可简单地打开外壳盖18以接近放置在外壳隔室24中的电子部件。对于机械部件维护，用户可将组合致动器14从外壳隔室20和外壳隔室22中取出。

如图12和图13所示，机器人手臂100使用多个双自由度关节模块10。关节模块10可分别用作转架-肩部模块104、肘部模块106和腕部模块108。这些模块可分别与两个连接件102和110一起使用以形成六自由度机器人手臂100。手臂100的转架肩部模块104附接至底座112。电子盒114附接至底座112。电子箱114或控制柜包括多个驱动器件124，其中一个驱动器件124用于空心旋转致动器组件14中的每个(如图13所示)。每个空心旋转致动器组件14均可操作地附接至电机驱动件124。转架肩部模块104在其一个端部处附接至肩部连接件102。肘部模块106的一侧附接至肩部连接件102的另一端部。肘部-腕部模块106的另一侧附接至肘部连接件110的一侧。肘部连接件110的另一侧附接至腕部模块108。

内部电缆束66进入手臂100，并电子连接至电子箱114。电缆束116穿过以下部件：转架底座112、转架肩部模块104、肩部连接件102、肘部-腕部模块106、肘部连接件110和腕部模块108，如图12所示。

参见图14和图15，肩部连接件102包括连接件底座126和与多个螺钉130附接在一起的连接件盖128。肩部连接件102提供第一端口132和在其相对端的第二端口134，所述第一端口132和第二端口134可附接至关节。第一端口132和第二端口134通常在同一平面内。连接件底座126基本上是板，以及连接件盖128基本上是空心盖。本领域技术人员应理解的是，本文所示的设计既易于使用又易于缩放。改变肩部连接件102的长度会相对便宜。如图所示，电缆束66可容易地穿过肩部连接件102。

参见图16至图18，肘部连接件110具有大致管状的空心主体136和盖138。肘部连接件110包括第一端口140和第二端口142。第一端口140和第二端口142大致正交。肘部连接件110可容易地伸长以增加连接件的长度。如图所示，由于连接件是空心的，所以电缆束66可容易地穿过肘部连接件110。

通过使用组合致动器并将电机驱动件124放置在关节模块外部，双自由度关节模块10更紧凑且重量轻。

另外，由于电机驱动件124在关节模块10的外部，来自电机驱动件中的电机的热量影响对关节模块是外在的，所以这允许能够以紧凑方式设计关节模块。这些特征使得该新型关节模块能够由在工业环境中工作的机器人手臂使用。该设计克服了上面讨论的现有技术关节中的上述散热问题，具体为powerballerb^tm和us9,044,865b2。

本领域技术人员应理解的是，为了使关节实现更大的功率、转矩和更高的速度，为了诸如为了适应较大的部件和散热的不同目的而成比例增加关节模块的尺寸。然而，一旦关节模块外壳内的发热减少，则在原始模块空间内，每个关节均可设计成实现更大的功率、转矩和更高的速度。如表1所示，与schunk公司的powerball^tm关节相比，本文所述的l形双自由度关节模块10的每个关节都设计成具有较大的电机功率、扭矩和较高的速度。

另外，关节模块10可针对具体目的而定尺寸。如本文所示，转架-肩部模块104、肘部模块106和手腕模块108针对其具体目的而定尺寸。例如，腕部模块108具有较小的有效载荷，因而腕部模块可较小。同样，可针对具体目的来选择空心旋转致动器组件的功率、速度和扭矩。在双自由度关节模块10中的一个的功率、速度和转矩特征可不同。如表1所示，在转架肩部模块104中，用于转架关节和肩部关节的空心旋转致动器组件14的功率、速度和扭矩相同。相反，在肘部模块106中，空心旋转致动器组件14的功率、速度和扭矩是不同的。如图19和图20所示，肘部模块106的外壳12与图1至图11所示的相同，但是空心旋转致动器组件14的特征是不同的。相反，在图21和图22所示的腕部模块108中，l形外壳的不同手臂是不同的。具体地，一个手臂150小于手臂152，并且空心旋转致动器组件14的特征是不同的。

表1关节模块10和schunk关节之间的规格比较

如图23所示，可通过改变两个空心旋转致动器组件14之间的角度来改变双自由度关节模块10。本文所示的模块160类似于模块10、模块104、模块106和模块108，但是组件14手臂162与手臂164之间的角度是钝角。本领域技术人员应理解的是，这里所示的角度仅作为示例，并且用户可选择适合其具体目的的任何角度。如果关节用于常规直角不是最优解决方案的特别不合适的位置，则可选择角度。

如上所述，连接件的长度可根据用户的需要而变化。该情况的一个示例在图24中示出，图24示出了替代手臂170。该手臂类似于图13所示的手臂，但是具有长型肩部连接件172和长型腕部连接件174。在本文示出的示例中，肩部模块104、肘部模块106和腕部模块108的尺寸与图13所示的那些尺寸相同，然而，本领域技术人员应理解的是，关节的尺寸可根据用户的需求和预期的有效载荷而变化。

在图25所示的配置中，滚动关节肘部模块106的轴线118不沿腕部模块108的扭转关节的轴线120对齐。轴线118从轴线120偏移适当量。即使当这些现有技术的机器人手臂在其设计中使用双自由度关节模块时，在现有技术的机器人手臂中也尚未出现过这种偏移结构。

新型关节模块的结构为“l形”，这在现有技术中尚未出现过。“l形”双关节模块10包括中心轴线彼此正交的两个圆柱形管，“l形”双关节模块10制造成一体，因而其机械结构非常坚固。如所讨论的，圆柱形管的尺寸可相同或可取决于其中使用的组合致动器14的尺寸而变化。

由于模块外壳的“l形”结构，每个模块的关节的安装方法均比现有技术简单。安装方法在图10中示出。两个组合致动器14从外部向内部方向插入“l形”外壳主体16的管中，其中致动器头/(轴端部或输出轴48)面向外部且尾部/(制动器端部44)面向内部。两个致动器的旋转轴线与彼此正交的管轴线26和管轴线28对齐，并且致动器的尾部彼此背对背。一旦将两个致动器14插入到外壳主体16的管中，则用螺钉将两个致动器14固定至外壳。

该安装方法至少具有两个优点。首先，当将组合致动器14安装至外壳12时，整个外壳不会被拆开且模块保持一体。因此，结构的坚固性和稳定性会保持不变。该特征克服了上述fanuc设计的缺点，上述fanuc设计的致动器从内部到外部安装，并且整个关节必须拆开以安装或维护。第二，由于两个致动器14是背对背的，所以空心轴结构允许简单的电缆布线和电缆管理。如图11所示，电缆从第一关节或组合致动器14的头端部进入，并从后端穿过致动器14，然后朝向第二关节或组合致动器14转动90度。然后，电缆从第二致动器14的后端进入，并且一直从致动器14的头端出来。

由于模块外壳12的结构和关节模块10的简单安装方法，所以关节和手臂的维护过程相对容易。如图11所示，在“l形”外壳中，两个致动器彼此背对背，因而两个致动器的电子部件都聚集并放置在外壳的中央角隔室中。用户可通过卸下盖板来轻松接近中央隔室中的电子部件，而无需拆开整个关节模块。因此，该设计降低了维护的复杂性。如图12所示，双自由度关节模块104、双自由度关节模块106和双自由度关节模块108可用在机器人手臂100中。关节模块104、关节模块106和关节模块108分别代表转架-肩部模块、肘部-腕部模块以及肘部-俯仰和腕部-滚动模块。肩部模块104和肘部模块106附接至第一连接件或肩部连接件102的相对端部，以及肘部模块106和腕部模块108附接至第二连接件或肘部连接件110的相对端部。机器人手臂的这种设计具有优势。

机器人手臂100具有与现有技术中使用单关节模块或双自由度关节模块的机器人手臂不同的结构。如图12所示，机器人手臂100配置成使得肘部关节104的肘部滚动的旋转轴线与腕部关节108的腕部扭转的旋转轴线不对齐或者偏移。该配置解决了腕部关节模块的奇异点问题，从而扩大了手臂的工作空间。

另外，大大简化了机械人手臂100的制造和组装过程。手臂使用相同类型的关节模块，关节模块和连接件之间的组装可通过较少的步骤完成。部件的数量比使用模块化关节的其他机器手臂少。

一般而言，本文描述的系统涉及双自由度关节模块和使用该双自由度关节模块的机器人手臂。参照所讨论的细节来描述本公开的各种实施方式和各方面。描述和附图是对本公开内容的说明，而不应被解释为限制本公开。描述了许多具体细节以提供对本公开的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下未描述公知的或常规的细节，以便提供对本公开的实施方式的简明讨论。

如本文所使用，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)应被解释为包含性的和开放式的，而不是排他性的。具体来说，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)及其变型意味着包括指定的特征、步骤或部件。这些术语不被解释为排除存在其他特征、步骤或部件。

如本文所使用，“可操作地连接”或“可操作地附接”是指两个元件直接或间接地连接或附接。因此，物品不需要直接连接或附接，而是可在其间连接有或附接有其他物品。