一种基于中空一体电机的两自由度模块化关节组件的制作方法

本发明属于工业自动化技术领域，具体而言，本发明涉及一种基于中空一体电机的两自由度模块化关节组件。

背景技术：

在机器人领域，设计人员在设计机器人本体结构时，通常需要花费大量时间去设计电机、减速器、连杆的具体结构与连接方式，并需要反复安装调试，但根据经验，在众多的多关节机器人中，同一级别类型的多关节机器人结构差异其实较小，所以很多设计人员在结构设计方面所做的工作存在着重复性，在一定程度上浪费了设计人员的精力。并且由于这类零部件未被标准化和模块化，所以每个设计师所设计的结构的集成度并不会太高，会增大占用空间和重量，还可能由于不同的加工、装配过程，会出现的多种不可控因素使整个机构的可靠性与稳定性降低，延长了调试期与维护期，增加了时间上和经济上的成本。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于中空一体电机的两自由度模块化关节组件，其包括：x轴运动单元、连接单元和中空y轴运动单元；所述x轴运动单元为可绕其轴线转动的x轴运动单元；所述y轴运动单元为可绕其轴线转动的y轴运动单元；所述弯头一端与所述x轴运动单元的转动输出端连接，所述弯头的另一端与所述y轴运动单元的固定端连接；其中，所述x轴运动单元的轴线与所述y轴运动单元的轴线垂直。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述x轴运动单元和y轴运动单元均包括：电机套筒、中空一体电机、前端盖和后端盖；所述电机套筒套接于所述中空一体电机的外表面；在所述中空一体电机的转轴上沿轴线方向开有第一通孔，所述中空一体电机的转动输出端与所述前端盖连接；所述前端盖位于所述电机套筒的前端的上方，且开有第二通孔；所述后端盖与所述电机套筒的后端连接，在所述后端盖上开有第三通孔，所述第三通孔、所述第一通孔和所述第二通孔依次连通以形成容纳所述中空一体电机用线路的空间；所述x轴运动单元的前端盖为所述x轴运动单元的转动输出端，所述y轴运动单元的后端盖为所述y轴运动单元的固定端。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述x轴运动单元和y轴运动单元均还包括：通线套管和轴承；所述通线套管的中部设置于所述转轴的第一通孔内，且外径小于所述第一通孔的内径，所述通线套管的后端与所述后端盖的第三通孔过盈配合，所述通线套管的前端通过所述轴承设置于所述前端盖的第二通孔内。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，在所述x轴运动单元的通线套管的后端外表面上形成有第一挡片，所述第一挡片与所述x轴运动单元的后端盖的后端面接触；所述x轴运动单元还包括：呈环形的第二挡片，所述第二挡片套接于所述x轴运动单元的通线套管的后端，且固定于所述x轴运动单元的后端盖的后端面上，在所述x轴运动单元的轴线方向上，依次为所述第二挡片、所述第一挡片和所述x轴运动单元的后端盖。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，在所述y轴运动单元的通线套管的后端外表面上形成有第三挡片，所述第三挡片与所述y轴运动单元的后端盖的后端面接触；所述两自由度模块化关节组件还包括：连接块，所述连接块的一端的边缘区域固定在所述y轴运动单元的后端盖上，所述连接块的一端的中心区域抵顶在所述第三挡片上，所述中心区域开有与所述y轴运动单元的通线套管过盈配合的第五通孔，在所述y轴运动单元的轴线方向上，依次为所述连接块、所述第三挡片和所述y轴运动单元的后端盖，所述连接块的另一端与所述x轴运动单元的前端盖连接。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述连接块的的另一端的边缘区域与所述x轴运动单元的前端盖连接，所述连接块的另一端的中心区域开有与所述x轴运动单元的通线套管相对的第六通孔。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述连接块的一端所形成的平面与所述连接块的另一端所形成的平面相互垂直。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述x轴运动单元和y轴运动单元均还包括：旋转密封圈，所述旋转密封圈的外圈与所述电机套筒的前端过盈配合，所述旋转密封圈的内圈与所述前端盖的阶梯部过盈配合。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述x轴运动单元和y轴运动单元的中空一体电机均包括：中空电机、制动器、谐波减速器、增量式编码器和接近传感器；所述中空电机为动力源；所述制动器用于在断电时抱闸，所述制动器与所述中空电机的后端连接；所述谐波减速器与所述中空电机的前端连接，所述谐波减速器的钢轮作为所述x轴运动单元或所述y轴运动单元的转动输出端；所述增量式编码器用于反馈转角以便于对所述中空电机进行控制；所述接近传感器用于在所述中空电机每次上电后识别零位点，固定在所述前端盖的下端面上，在所述电机套筒的前端的顶面上开设有定位孔，所述前端盖的下端面与所述电机套筒的前端的顶面相对。

在如上所述的两自由度模块化关节组件中，优选地，所述x轴运动单元的通线套管内布设有所述x轴运动单元的接近传感器线路与所述y轴运动单元的电机动力线、电机编码器线和接近传感器线路；所述y轴运动单元的通线套管内布设有所述y轴运动单元的接近传感器线路。

本发明实施例通过上述技术方案带来的有益效果如下：

可靠性高。将多关节机器人关节进行了标准化和模块化，可用于批量生产，提高了其可靠性和稳定性。

节约设计成本。减少设计人员对类似结构的重复设计工作。

节约空间、互换性强。由于使用了中空一体电机，集成度高，在占用空间上做到了很大程度的优化，拆卸更换方便。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于中空一体电机的两自由度模块化关节组件的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于中空一体电机的两自由度模块化关节组件的立体结构示意图(相对于图1所示结构旋转一定角度)；

图3为本发明实施例提供的一种中空一体电机的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种x轴运动单元的分解结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种x轴运动单元的分解结构示意图(相对于图3所示结构旋转一定角度)；

图6为本发明实施例提供的一种连接块的立体结构(从侧面看)示意图；

图7为本发明实施例提供的一种连接块的立体结构(从正面看)示意图；

图中标记说明如下：

1-x轴运动单元、2-连接块、3-y轴运动单元、4-外壳、5-中空电机、6-制动器、7-谐波减速器、8-增量式编码器、9-电机动力线、10-电机编码器线、11-中空一体电机、110-中空一体电机的固定端面、12-电机套筒、13-旋转密封圈、14-前端盖、15-后端盖、150-后端盖的后端面、16-通线套管、17-第二挡片、18-轴承、19-接近传感器、20-接近传感器线路、21-第五通孔、22-第六通孔、f1-第一分支轴线方向、f2-第二分支轴线方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

参见图1～7，本发明实施例提供了一种基于中空一体电机的两自由度模块化关节组件，其包括：x轴运动单元1、弯头4和y轴运动单元3。x轴运动单元1为可绕其轴线转动的x轴运动单元，即x轴运动单元1可以沿自己的轴线转动。y轴运动单元3为可绕其轴线转动的y轴运动单元，即y轴运动单元3可以沿自己的轴线转动。x轴运动单元1的轴线与y轴运动单元3的轴线相互垂直。弯头4(或称外壳)的一端与x轴运动单元1的转动输出端连接，另一端与y轴运动单元3的固定端连接，如此可以使弯头4在x轴运动单元1的带动下，绕x轴运动单元1的轴线转动，进而带动y轴运动单元3绕x轴运动单元1的轴线转动。

通过弯头4将x轴运动单元1和y轴运动单元3连接在一起，形成两自由度模块化关节组件，实现了将多关节机器人关节进行标准化和模块化，利于批量生产，提高了多关节机器人关节的可靠性和稳定性。

为了节约空间，省去布置外部线路的不便，x轴运动单元1和y轴运动单元3均包括：电机套筒12、中空一体电机11、前端盖14和后端盖15。电机套筒12呈筒状，套接于中空一体电机11的外表面，具体地，电机套筒12的内径大于中空一体电机11的外径，即电机套筒12的内表面不与中空一体电机11的外表面接触，但是在电机套筒12的内表面形成有环形凸止口，其与中空一体电机11的固定端面110接触，并通过螺钉连接，从而使中空一体电机11在与电机套筒12连接的同时，实现在电机套筒12内定心。中空一体电机11的转轴为中空转轴，即在该转轴上沿其轴线方向开有第一通孔，此时x轴运动单元1可称为中空x轴运动单元，y轴运动单元3可称为中空y轴运动单元，中空一体电机11的转动输出端与前端盖14连接以使在中空一体电机11的转轴转动后，各运动单元通过前端盖13向外输出转动动力，即前端盖作为各运动单元的转动输出端，在前端盖14上开有第二通孔。电机套筒12的后部与后端盖15连接。在后端盖15上开有第三通孔，第二通孔、第一通孔和第三通孔相互连通以形成容纳中空一体电机用线路的空间，如此可使中空一体电机用线路布设于前述三个通孔内，而非布设于各运动单元的外部，避免了线路外露。

在实际应用中，转轴会长时间发生转动，为了防止因转轴长时间转动而产生线路磨损，x轴运动单元1和y轴运动3均还包括：通线套管16和轴承18，通线套管16的中部布设于转轴的第一通孔内，且通线套管16的外径小于第一通孔的内径，从而使通线套管16穿过第一通孔，而不与第一通孔发生接触，避免磨损，通线套管16的后端与后端盖15的第三通孔紧配合，通线套管16的前端通过轴承18与前端盖14连接，轴承18设置于前端盖14的第二通孔内。

为了避免x轴运动单元1的通线套管16发生沿x轴运动单元的轴线方向上的窜动，在x轴运动单元1的通线套管16的后端外表面上形成有第一挡片，且x轴运动单元1还包括：第二挡片17。第一挡片与x轴运动单元的后端盖15的后端面150接触，从而可以限制通线套管16发生第一分支轴线方向f1上的窜动。第一挡片在通线套管16上的形成方式可以是一体形成，还可以是焊接，本实施例对此不进行限定。第一挡片的形状可以为环形，即第一挡片为一个连续的整体，此时第一挡片相当于一个没有螺钉孔的法兰，相对于通线套管的外表面为一个阶梯，在其他的实施例中，第一挡片还可以由多个挡块形成，相邻两个挡块之间留有间隔。在第二挡片17上开设有第四通孔以使第二挡片17呈环形，并套接于通线套管16的后端，且固定于后端盖15的后端面上，第一挡片位于第二挡片和后端盖之间，第四通孔的内径小于通线套管16的外径，也小于通线套管16上的第一挡片的外径，使得通线套管16无法穿过第二挡片17，从而可以压住通线套管16，防止发生第二分支轴线方向f2上的窜动。轴线方向分为第一分支轴线方向和第二分支轴线方向。第一分支轴线方向的指向为向前，第二分支轴线方向的指向为向后，在图5中分别为向右和向左。

为了避免y轴运动单元3的通线套管16发生沿y轴运动单元3的轴线方向的窜动，在y轴运动单元3的通线套管16的后端外表面上形成有第三挡片，且两自由度模块化关节组件还包括：连接块2。第三挡片与y轴运动单元的后端盖15的后端面150接触，从而可以限制y轴运动单元3的通线套管16发生第一分支轴线方向f1上的窜动。第三挡片的形状和形成方式与第一挡片的形状和形成方式相同，此处不再一一赘述。连接块2的一端的边缘区域固定在y轴运动单元3的后端盖15上，连接块2的一端的中心区域抵顶在第三挡片上，第三挡片位于连接块2和y轴运动单元3的后端盖15之间，该中心区域上形成有第五通孔21，第五通孔21的内径小于通线套管16的外径，也小于通线套管16上的第三挡片的外径，使得通线套管16无法穿过连接块2，从而可以通过连接块2压住第三挡片，进而压住通线套管16，防止发生第二分支轴线方向f2上的窜动。通线套管16的后端位于第五通孔21中。

为了便于内部布线，连接块2的的另一端的边缘区域与x轴运动单元1的前端盖连接，连接块2的另一端的中心区域开有第六通孔22。优选地，连接块2的一端所形成的平面与连接块2的另一端所形成的平面相互垂直以便于牢固地连接x轴运动单元1和y轴运动单元3。

两自由度模块化关节组件的工作环境多样，为了防止异物进入中空一体电机内部造成电机损坏，或者防止在易燃易爆工作环境下，该电机内部的电火花会引燃可燃物，x轴运动单元1和y轴运动单元3还包括：旋转密封圈13，旋转密封圈13的外圈与电机套筒12的前端紧配合，旋转密封圈13的内圈与前端盖14的阶梯部紧配合，即在转轴的朝外的径向上，依次为阶梯部、旋转密封圈13和电机套筒12的前端，需要说明的是，上述紧配合指的是过盈配合。

x轴运动单元1和y轴运动单元3的中空一体电机11均包括：中空电机5、制动器6、谐波减速器7、增量式编码器8、接近传感器19。中空电机5的后端连接制动器6，制动器6的后端连接增量式编码器7，中空电机5的前端连接谐波减速器7，谐波减速器7的钢轮作为x轴运动单元1或y轴运动单元3的转动输出端。中空电机5为动力源，制动器6用于在断电时抱闸，即使中空电机5的转轴停止转动，增量式编码器7用于反馈转角以便于对中空电机5进行控制，接近传感器19用于在中空电机5每次上电后识别零位点，其固定在前端盖14的下端面上，在电机套筒12的前端的顶面上开设有定位孔，前端盖14的下端面与电机套筒12的前端的顶面相对。接近传感器19的工作原理为：接近传感器19的感应头与电机套筒12的前端的顶面一直处于接近触发状态，当前端盖14转动时，带动接近传感器19的感应头转动到定位孔处，感应头可检测到其大于触发距离，即停止触发，输出低电平，控制系统检测到此信号可认为两自由度模块化组件转动到零位点。电机动力线9和电机编码器线10从增量式编码器7的后部穿出，并经后端盖15上的第七通孔和第八通孔引出，x轴运动单元1上的接近传感器线路20通过x轴运动单元1中的通线套管16引于x轴运动单元1的后部，y轴运动单元3上的电机动力线9、电机编码器线10和接近传感器线路20通过连接块2的第五通孔和第六通孔、x轴运动单元1中的通线套管16引于x轴运动单元1的后部，这样所有线路都可集中于一处，便于布置与连接。这样y轴运动单元3中的电机动力线9和电机编码器线10以及接近传感器线路20都可通过连接块2的第五通孔和第六通孔和x轴运动单元1的电机动力线9和电机编码器线10、接近传感器线路20引于一处，不必将线路外露，省去布置外部线路的麻烦。

下面以x轴运动单元1为例对x轴运动单元1的运动过程进行说明：中空电机5启动，其转轴带动谐波减速器7的柔轮转动，进而带动谐波减速器7的钢轮转动，继而在钢轮的带动下前端盖14发生转动，从而实现x轴运动单元1的转动。y轴运动单元3的运动过程与x轴运动单元1的运动过程一样，此处不再一一赘述。x轴运动单元1的后端盖13和y轴运动单元3的前端盖12可任意连接其他转接件。

综上所述，本发明实施例带来的有益效果如下：

可靠性高。将多关节机器人关节进行了标准化和模块化，可用于批量生产，提高了其可靠性和稳定性。

节约设计成本。减少设计人员对类似结构的重复设计工作。

节约空间、互换性强。由于使用了中空一体电机，集成度高，在占用空间上做到了很大程度的优化，拆卸更换方便。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。