一种协作机器人模块化球关节的制作方法

本发明涉及机械臂关节，尤其涉及一种协作机器人模块化球关节。

背景技术：

协作机器人作为轻型机器人，安全可靠性高，在不需要安全围栏的基础上，能够实现与人类的共同操作，解决了人类较难以达成的精确度或让人类远离危险的环境和工作。协作机器人关节结构作为协作机器人的核心组成部件，它的性能在整个协作机器人运动过程中起到关键作用。目前协作机器人多采用串联关节结构，该结构只能实现单自由度转动，无法实现同一关节的二自由度运行，增加了关节数量，致使采用该种关节形式的机器人的整机紧凑性、运动空间以及稳定性受到关节之间连接臂的较大影响。若能利用球关节内部驱动结构的合理设置并实现同一关节的二自由度运行，则可以解决传统模块化串联关节协作机器人在应用过程中存在的上述问题。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是如何克服现有技术的不足，提供一种协作机器人模块化球关节。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种协作机器人模块化球关节，包括壳体和球关节驱动模块，所述壳体上固定安装有模块支撑件，所述壳体上还安装有球形壳盖，所述模块支撑件上设有第一安装位和第二安装位，所述第一安装位和第二安装位上均固定安装有所述球关节驱动模块，所述球关节驱动模块通过球形壳盖封装在所述壳体内部，所述球关节驱动模块的输出端均设在所述壳体外部，各球关节驱动模块可在控制系统作用下独立运行。

进一步，所述球关节驱动模块包括驱动支架、中空电机、中空传动机构、减速装置、输出机构和制动装置，所述驱动支架为壳体式结构，所述中空电机和减速装置相邻固定安装在驱动支架内，所述中空传动机构与中空电机连接，减速装置输入端和输出端分别与中空传动机构和输出机构连接，制动装置安装在驱动支架外侧。

进一步，所述制动装置包括抱闸支架、抱闸轴和无励磁型制动器，所述抱闸支架固定连接在驱动支架上，所述抱闸支架为安装有无励磁型制动器的壳体式结构，所述抱闸轴通过滚动轴承安装在抱闸支架内，所述无励磁型制动器安装抱闸轴上，所述抱闸轴的一端通过同步带与所述中空传动机构端部连接，抱闸轴另一端连接有位置检测装置。

进一步，所述减速装置包括谐波减速器。

进一步，所述输出机构包括输出法兰轴和关节端部法兰，所述输出法兰轴连接在所述减速装置的输出端，所述关节端部法兰通过螺栓固定安装在输出法兰轴外端。

进一步，所述驱动支架上还设有密封装置。

进一步，所述位置检测装置为绝对式编码器。

本发明的优点在于在驱动方面采用中空电机驱动并通过谐波减速器减速，实现了高转矩传动，且保证了传动精度，结构紧凑轻巧；在制动方面利用同步带轮传动，使得驱动部分和制动部分隔离，节省了空间，保证了制动性能，降低了关节内部安装的难度；球关节驱动模块在同一关节内交错布置，节省了安装空间，缩小了关节体积；在功能方面，通过合理布置驱动模块的安装方式，实现了单一关节具有二自由度的功能；在结构方面，减少了协作机器人的关节数目，实现了协作机器人小型化，并增大了整机的运行范围；球关节驱动模块的中空结构实现了中孔走线的线缆布置方式，使布线方便合理，能够避免线路外漏，提高了整机的稳定性与可靠性。本发明采用具有二自由度的关节结构，结构紧凑，成本低，安装简单方便，安全可靠，整个关节内部结构模块化、系统化、集成化程度高，对促进协作机器人关节技术的进一步发展具有重要意义。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明的整体外观示意图；

图2是本发明除去球形壳盖12的结构示意图；

图3是图1的内部结构剖视图。

具体实施方式

图1～3所示，一种协作机器人模块化球关节，包括壳体1和球关节驱动模块2，所述壳体1上固定安装有模块支撑件11，所述壳体1上还安装有球形壳盖12，所述模块支撑件11上设有第一安装位111和第二安装位112，所述第一安装位111和第二安装位112上均固定安装有所述球关节驱动模块2，所述球关节驱动模块2通过球形壳盖12封装在所述壳体1内部，所述球关节驱动模块2的输出端均设在所述壳体1外部，各球关节驱动模块2可在控制系统作用下独立运行。本发明采用具有二自由度的关节结构，且整个关节内部结构可根据关节所需实现的功能和性能进行随意组装，只需要改变模块支撑件11的结构即可，即在实际的使用过程过程中，所述第一安装位111和第二安装位112的位置和姿态可以任意调整和选取，以适应球关节整体的运动需要。

所述球关节驱动模块2包括驱动支架21、中空电机22、中空传动机构23、减速装置24、输出机构25和制动装置26，所述驱动支架21为壳体式结构，所述中空电机22和减速装置24相邻固定安装在驱动支架21内，所述中空传动机构23与中空电机22连接，减速装置24输入端和输出端分别与中空传动机构23和输出机构25连接，制动装置26安装在驱动支架21外侧。所述制动装置26包括抱闸支架261、抱闸轴262和无励磁型制动器263，所述抱闸支架261固定连接在驱动支架21上，所述抱闸支架261为安装有无励磁型制动器263的壳体式结构，所述抱闸轴262通过滚动轴承安装在抱闸支架261内，所述无励磁型制动器263安装抱闸轴262上，所述抱闸轴262的一端通过同步带与所述中空传动机构23端部连接，抱闸轴262另一端连接有位置检测装置264。所述减速装置24包括谐波减速器。所述输出机构25包括输出法兰轴和关节端部法兰，所述输出法兰轴连接在所述减速装置24的输出端，所述关节端部法兰通过螺栓固定安装在输出法兰轴外端。所述驱动支架21上还设有密封装置。所述位置检测装置264为绝对式编码器。绝对式编码器由机械位置决定的每一个位置都是唯一的，它无需记忆，无需找到参考点，而且不用一直计数，系统可在任意时间读取位置状态，抗干扰性强、数据可靠性高。

实际运行时，分别为两组球关节驱动模块2输入运动角度指令，两组球关节驱动模块2可在控制系统作用下分被独立运行而互不影响，形成叠加运动。单个球关节驱动模块2接收到运动角度指令后，中空电机22通电并驱动中空传动机构23运行，中空传动机构23的一端通过与谐波减速器的波发生器相连而带动与谐波减速器输出柔轮连接的输出机构25运动，并最终通过输出机构25外部的关节端部法兰对外输出转动；中空传动机构23的另一端通过同步带与制动装置26中的抱闸轴262连接，制动装置26上的位置检测装置264可在检测到的运动角度达到指定要求后输出信号，从而使无励磁型制动器263失电，实现抱闸轴262的紧急制动。在外部信号作用下，由于两组球关节驱动模块2分别安装在模块支撑件1上，其运动不存在相互的干扰，可实现同一球关节不同输出端的不同输出运动。

本发明中所述中空电机22的定子与驱动支架21固定，中空电机22转子与中空传动机构23连接，结构紧凑，输出力矩大，动态响应高；中空传动机构23与谐波减速器输入端相连，经过减速后将运动输出到输出机构25上，而传递到关节端部法兰。可在输出机构25的关节端部法兰上安装力矩传感器，时刻反馈关节负载力矩，结构紧凑，精度高，反馈灵敏。当遇到超载或者紧急情况，可实现紧急制动，提高协作机器人安全防护性能。由于中空电机22、中空电机22及输出机构25均为中空结构，球关节内部的线缆可依次穿过空心结构而实现中空走线，可有效节省空间，得布线更加合理、走线更加方便。

本发明采用模块化球关节，结构紧凑、灵巧，解决了协作机器人关节笨重、互换性不好、集成度不高、结构不够紧凑等问题；解决了制动响应慢、发热量大、制动位置保持精度不足、制动力不足问题；解决了协作机器人单关节只能输出单自由度的难题，实现了单关节输出二自由度；解决了传统六自由度协作机器人只能采用六个关节，生产成本高，无法小型化的难题。因此，本发明的关节布局结构更加紧凑，创新性的提出了一种协作机器人球关节，实现了协作机器人采用三个关节输出六个自由度的功能，成本低，安全可靠性更高，模块化，集成化程度高；制动结构简易，便于安装，制动性能可靠稳定。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。