一种双自由度机器人模块的制作方法

本发明涉及机器人模块的技术领域，尤其涉及一种双自由度机器人模块。

背景技术：

随着经济和科技的发展，机器人在工业、服务等各个领域都得到了广泛的应用。机器人多应用于一些具体固定的应用场合，虽然相对传统机械设备已经具有很大的柔性，但整体而言，功能依然比较单一，缺乏可重构、可扩展性。模块化方法用于机器人技术，使得机器人可以根据具体任务的不同以及工作环境的不同重组构型，以期提高机器人的环境适应能力。

由于机器人模块化具有诸多优点，越来越多的注意力集中在可重构模块化机器人系统的研究与开发上，同时也出现了一些商品化的机器人模块，在国内，在2007年，哈尔滨工业大学就已研制出空间机械臂垂直式模块化关节(申请号：200710072712.4)，常州先进制造技术研究所研制的一种中空结构的双臂机器人模块化关节(申请号：201410594998.2)，通过连杆模块将多个关节模块相连，从而构成模块化机器人，上述关节模块均为单自由度模块；广东工业大学近来研制出一种内走线的机器人回转关节模块(申请号：201610196241.7)和一种内走线的机器人摆转关节模块(申请号：201610196244.0)，内走的方式使得机器人外观简洁美观，通过将多个不同的模块首位相连便可组装成模块化机器人系统，但同样为单自由度模块。

综上所述，现有已研制模块化机器人大都是由多个单自由度模块组装而成，然而，实际应用所需机器人通常包括多个自由度，若一个自由度对应一个关节模块，则会导致模块化机器人整体结构尺寸加大、结构不紧凑，其可靠性也会随之下降。简单的将两个单自由度模块组装而成的双自由度机器人模块，大多不能兼顾机器人可靠性、结构紧凑型、以及与多种机器人模块的兼容性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种双自由度机器人模块，该机器人模块结构紧凑、可靠性高、便于更换、维修和扩展，且具有两个自由度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双自由度机器人模块，包括回转模块和摆转模块；

回转模块包括回转机壳，固定在回转机壳上的第一电机，固定在第一电机的输出轴上的回转主动齿轮，固定在回转机壳上的第一减速器，固定在第一减速器输入端上的回转被动齿轮，固定在第一减速器输出端上的回转输出组件；回转主动齿轮和回转被动齿轮相啮合；

摆转模块包括与回转机壳相对固定的摆转机壳，固定在摆转机壳上的第二电机，固定在第二电机的输出轴上的摆转主动齿轮，固定在摆转机壳上的第二减速器，固定在第二减速器输入端上的摆转被动齿轮，固定在第二减速器输出端上的主动锥齿轮，固定在摆转机壳上的摆转基座，转动式安装在摆转基座上的输出轴，固定在输出轴上的摆转输出组件，固定在输出轴上的被动锥齿轮；摆转主动齿轮和摆转被动齿轮相啮合，主动锥齿轮和被动锥齿轮相啮合。

进一步的是：回转机壳呈阶梯圆筒状，第一电机固定在回转机壳的端板上，回转主动齿轮通过螺钉固定在第一电机的输出轴上，回转主动齿轮位于回转机壳的内部；回转机壳的内部形成有台阶面，第一减速器固定在回转机壳内部的台阶面上，回转被动齿轮通过螺钉固定在第一减速器的输入端上，回转被动齿轮位于回转机壳的内部。合理地将第一电机、回转主动齿轮、回转被动齿轮、第一减速器设置在回转机壳上，并实现第一电机通过一对齿轮驱动第一减速器旋转。

进一步的是：回转输出组件包括回转输出壳和回转电路板，回转电路板安装在回转输出壳上，回转输出壳的内部形成有环状凸块，环状凸块固定在第一减速器的输出端上，第一减速器位于回转机壳和回转输出壳围成的空腔内。合理地设置了回转输出壳的结构，第一减速器的输出端直接驱动回转输出壳旋转。

进一步的是：摆转机壳呈阶梯圆筒状，第二电机固定在摆转机壳的端板上，摆转主动齿轮通过螺钉固定在第二电机的输出轴上，摆转主动齿轮位于摆转机壳的内部；第二减速器固定在摆转机壳的端面上，摆转被动齿轮通过螺钉固定在第二减速器的输入端上，摆转被动齿轮位于摆转机壳的内部。合理地将第二电机、摆转主动齿轮、摆转被动齿轮、第二减速器设置在摆转机壳上，并实现第二电机通过一对齿轮驱动第二减速器旋转。

进一步的是：摆转机壳的外部形成有台阶面，摆转基座固定在摆转机壳外部的台阶面上；摆转基座的端部设有对称布置的第一延伸臂和第二延伸臂，输出轴转动式地安装在第一延伸臂和第二延伸臂上，主动锥齿轮位于第一延伸臂和第二延伸臂之间，第二减速器位于摆转机壳和摆转基座围成的空腔内。合理地设置了摆转基座，能方便将摆转基座、第二减速器、主动锥齿轮组装在一起。

进一步的是：输出轴上设有第一轴肩和第二轴肩，第一延伸臂内置有第一轴承，第一延伸臂的端面设有第一轴承端盖，第一轴承套装在输出轴上，第一轴承的一端挨着第一轴肩，第一轴承的另一端挨着第一轴承端盖；被动锥齿轮通过销轴固定在输出轴上，被动锥齿轮的端面挨着第二轴肩，第二延伸臂内置有第二轴承，第二延伸臂的端面设有第二轴承端盖，第二轴承挨着第二轴承端盖，第二轴承套装在输出轴上，第二轴承和被动锥齿轮之间设有轴套，轴套套装在输出轴上。合理地将轴承端盖、轴套、轴承、被动锥齿轮组装在输出轴上，被动锥齿轮的旋转直接带动输出轴的旋转。

进一步的是：摆转输出组件包括摆转电路板，摆转关节板，输出块，连接块；摆转电路板安装在摆转关节板上，摆转关节板上设有对称布置的两个摆转关节臂，连接块固定在摆转关节臂上，输出块与连接块通过螺栓连接，输出块固定在输出轴上。两个摆转关节臂安装在输出轴的前后两端，输出轴的正转和反转带动摆转关节臂摆转。

进一步的是：回转机壳和摆转机壳上均设有呈中空状的滑环。能让电气设备的电线穿过，保护相关电线。

进一步的是：摆转模块还包括两个防尘罩，两个防尘罩对应安装在第一延伸臂和第二延伸臂上。能保护防尘罩里面的零部件。

进一步的是：机器人模块还包括连接筒，连接筒的一端通过螺钉固定在回转机壳上，连接筒的另一端通过螺钉固定在摆转机壳上，第一电机和第二电机位于连接筒的内部。将摆转模块和回转模块连接在一起。

总的说来，本发明具有如下优点：

本机器人模块结构紧凑、设计简洁、合理、可靠性高，采用简单可靠的机械连接和电气连接，就可以将本机器人模块应用到机器人上，模块之间拆装方便，便于快速更换、维修和扩展。此外，本机器人模块采用的连接结构合理，便于加工和组装，降低了机器人模块生产成本的同时，更有利于机器人的维护。

附图说明

图1是机器人模块主视方向的剖视图。

图2是回转模块的剖视图。

图3是摆转模块的剖视图。

图4是机器人模块的左视图，摆转机壳和回转机壳处绘制有局部剖视图。

图5是机器人模块的爆炸图。

图6是回转模块的爆炸图。

图7是摆转模块的爆炸图。

其中，1为第一固定件，2为第一驱动电路板，3为第一电机，4为回转主动齿轮，5为回转被动齿轮，6为第一减速器的输入端，7为第一减速器，8为第一减速器的输出端，9为回转机壳，10为回转机壳的端板，11为回转输出壳，12为环状凸块，13为回转电路板，14为第二电机，15为摆转主动齿轮，16为摆转被动齿轮，17为摆转机壳，18为摆转机壳的端板，19为摆转机壳外轮廓的台阶面，20为第二减速器的输入端，21为第二减速器，22为第二减速器的输出端，23为主动锥齿轮，24为主动锥齿轮上的法兰，25为连接主动锥齿轮和第二减速器输出端的螺钉，26为连接第二减速器和摆转机壳的螺钉，27为摆转基座，28为第一延伸臂，29为第一轴承，30为第一轴承端盖，31为第一轴肩，32为第一摆转关节臂，33为第一连接块，34为第一输出块，35为第二延伸臂，36为第二轴承，37为第二轴承端盖，38为轴套，39为被动锥齿轮，40为销轴，41为第二轴肩，42为第二摆转关节臂，43为第二连接块，44为第二输出块，45为输出轴，46为摆转电路板，47为摆转关节板，48为防尘罩，49为滑环，50为连接筒，51为连接摆转基座和摆转机壳的螺钉。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的左右方向与图1本身的上下方向一致，下文所说的前后方向与图1本身的左右方向一致。

结合图1至图7所示，一种双自由度机器人模块，包括回转模块和摆转模块。回转模块包括回转机壳，固定在回转机壳上的第一电机，固定在第一电机的输出轴上的回转主动齿轮，固定在回转机壳上的第一减速器，固定在第一减速器输入端上的回转被动齿轮，固定在第一减速器输出端上的回转输出组件；回转主动齿轮和回转被动齿轮相啮合。

摆转模块包括与回转机壳相对固定的摆转机壳，固定在摆转机壳上的第二电机，固定在第二电机的输出轴上的摆转主动齿轮，固定在摆转机壳上的第二减速器，固定在第二减速器输入端上的摆转被动齿轮，固定在第二减速器输出端上的主动锥齿轮，固定在摆转机壳上的摆转基座，转动式安装在摆转基座上的输出轴，固定在输出轴上的摆转输出组件，固定在输出轴上的被动锥齿轮；摆转主动齿轮和摆转被动齿轮相啮合，主动锥齿轮和被动锥齿轮相啮合。

回转机壳呈阶梯圆筒状，回转机壳的外轮廓为圆形，且呈阶梯状，回转机壳的内腔也为圆形，且呈阶梯状；回转机壳是固定的，不会转动的。回转机壳外轮廓的某一段外径尺寸大，回转机壳外轮廓的某一段外径尺寸小，在外径尺寸变化的地方会形成台阶面；同理，回转机壳的内腔也会形成台阶面。回转机壳的左端有一块端板，回转机壳的右端是开口的，端板和回转机壳是一体成型，一体的结构。第一电机固定在回转机壳的端板上，第一电机位于端板的左边，第一电机通过螺钉固定在端板上。第一电机的输出轴穿过端板，回转主动齿轮通过螺钉固定在第一电机的输出轴上，回转主动齿轮位于回转机壳的内部。回转机壳的内部形成有台阶面，第一减速器通过螺钉固定在回转机壳内部的台阶面上，第一减速器的外轮廓是固定的，第一减速器的输入端和输出端是可以旋转的，回转被动齿轮通过螺钉固定在第一减速器的输入端上，回转被动齿轮位于第一减速器的左端，回转被动齿轮位于端板的右边，回转被动齿轮位于回转机壳的内部，回转主动齿轮和回转被动齿轮相啮合。

回转输出组件包括回转输出壳和回转电路板，回转电路板安装在回转输出壳的右端上，回转输出壳的内部形成有环状凸块，环状凸块通过螺钉固定在第一减速器的输出端上，第一减速器位于回转机壳和回转输出壳围成的空腔内。回转输出壳大体上也呈阶梯圆筒状，回转输出壳的左端面和回转机壳的右端面相接触，回转机壳的内壁和回转输出壳的内壁围成了一个空腔。第一减速器输出端的旋转会带动回转输出壳旋转。

摆转机壳呈阶梯圆筒状，摆转机壳的外轮廓为圆形，且呈阶梯状，摆转机壳的内腔也为圆形的内壁；摆转机壳是固定的，不会转动的。摆转机壳外轮廓的某一段外径尺寸大，摆转机壳外轮廓的某一段外径尺寸小，在外径尺寸变化的地方会形成台阶面。摆转机壳的右端也有一块端板，摆转机壳的左端是开口的，端板和摆转机壳是一体成型，一体的结构。第二电机固定在摆转机壳的端板上，第二电机位于端板的右边，第二电机通过螺钉固定在端板上。第二电机的输出轴穿过端板，摆转主动齿轮通过螺钉固定在第二电机的输出轴上，摆转主动齿轮位于摆转机壳的内部。第二减速器通过螺钉固定在摆转机壳的左端面上，第二减速器的外轮廓是固定的，第二减速器的输入端和输出端是可以旋转的，摆转被动齿轮通过螺钉固定在第二减速器的输入端上，摆转被动齿轮位于第二减速器的右端，摆转被动齿轮位于端板的左边，摆转被动齿轮位于摆转机壳的内部，摆转主动齿轮和摆转被动齿轮相啮合。

摆转机壳的外部形成有台阶面，摆转基座通过螺钉固定在摆转机壳外部的台阶面上；摆转基座的左端部设有对称布置的第一延伸臂和第二延伸臂，即第一延伸臂和第二延伸臂设置在摆转基座的左端，且第一延伸臂和第二延伸臂前后对称布置，第一延伸臂和第二延伸臂均与摆转基座一体成型，是一体的结构。输出轴转动式地安装在第一延伸臂和第二延伸臂上，输出轴沿着前后方向设置，主动锥齿轮位于第一延伸臂和第二延伸臂之间，主动锥齿轮通过螺钉固定在第二减速器的输出端上，主动锥齿轮上设有法兰，该法兰固定在第二减速器的输出端上。主动锥齿轮和被动锥齿轮相啮合，主动锥齿轮和被动锥齿轮两轴的交角为90°，使得沿前后方向布置的输出轴转动。第二减速器位于摆转机壳和摆转基座围成的空腔内，摆转机壳的内壁和摆转基座的内壁围成了一个空腔。

输出轴上设有第一轴肩和第二轴肩，第一轴肩位于第二轴肩的后边，第一延伸臂位于第二延伸臂的后边，第一延伸臂内置有第一轴承，第一延伸臂内有一个通孔，将第一轴承安装在第一延伸臂的通孔内。第一延伸臂的后端面设有第一轴承端盖，即第一轴承端盖安装在第一延伸臂的后端面上，第一轴承套装在输出轴上，第一轴承的前端挨着第一轴肩，第一轴承的后端挨着第一轴承端盖，第一轴肩和第一轴承端盖将第一轴承进行轴向限定，使得第一轴承在输出轴的轴向方向上不能移动。被动锥齿轮通过销轴固定在输出轴上，被动锥齿轮的后端面挨着第二轴肩，第二延伸臂内置有第二轴承，第二延伸臂内有一个通孔，将第二轴承安装在第二延伸臂的通孔内。第二延伸臂的前端面设有第二轴承端盖，即第二轴承端盖安装在第二延伸臂的前端面上，第二轴承的前端挨着第二轴承端盖，第二轴承的后端挨着轴套，轴套和第二轴承端盖将第二轴承进行轴向限定，使得第二轴承在输出轴的轴向方向上不能移动。第二轴承套装在输出轴上，第二轴承和被动锥齿轮之间设有轴套，轴套套装在输出轴上，轴套的后端紧靠在被动锥齿轮上，轴套的前端紧靠着第二轴承。被动锥齿轮、轴套、第二轴承、第二轴承端盖从后往前依次挨着且套装在输出轴上。第二轴肩和第二轴承端盖将它们之间的零件进行轴向限定，且被动锥齿轮通过销轴固定在输出轴上。输出轴贯穿第一轴承端盖和第二轴承端盖。

摆转输出组件包括摆转电路板，摆转关节板，输出块，连接块；摆转电路板安装在摆转关节板上，摆转关节板上设有对称布置的两个摆转关节臂，对应的，输出块和连接块也设置有两个；两个摆转关节臂、两个输出块、两个连接块依次称为第一摆转关节臂、第二摆转关节臂、第一输出块、第二输出块、第一连接块、第二连接块。摆转关节臂和摆转关节板是一体成型，一体的结构。连接块固定在摆转关节臂上，输出块与连接块通过螺栓连接，输出块固定在输出轴上。对于后面的第一摆转关节臂、第一输出块和第一连接块来说，第一摆转关节臂位于第一延伸臂的后面，第一连接块嵌入并固定在第一摆转关节臂上，第一输出块和第一连接块通过螺栓固定，且第一输出块从输出轴的后端面嵌入并固定在输出轴上。对于前面的第二摆转关节臂、第二输出块和第二连接块来说，第二摆转关节臂位于第二延伸臂的前面，第二连接块嵌入并固定在第二摆转关节臂上，第二输出块和第二连接块通过螺栓固定，且第二输出块从输出轴的前端面嵌入并固定在输出轴上。输出轴的转动会带动摆转输出组件转动，而第一延伸臂、第二延伸臂并不会转动。

回转机壳和摆转机壳上均设有呈中空状的滑环。设置滑环可以让电气设备的电线穿过，如果电气设备的线设置在机器人模块的内壁，当模块内的零部件转动时，容易损伤电线。

摆转模块还包括两个防尘罩，两个防尘罩对应安装在第一延伸臂和第二延伸臂上。一个防尘罩盖住第一延伸臂处的那部分结构，另一个防尘罩盖住第二延伸臂处的结构，从而让两个延伸臂、轴承、轴套等不显露在外面。

机器人模块还包括连接筒，连接筒的一端通过螺钉固定在回转机壳上，连接筒的另一端通过螺钉固定在摆转机壳上，第一电机和第二电机位于连接筒的内部。

机器人模块还包括第一驱动电路板、第一固定件、第二驱动电路板、第二固定件。第一固定件通过螺钉固定在回转机壳的端板上，第一固定件和第一驱动电路板都位于回转机壳的左边，第一驱动电路板固定在第一固定件上，第一驱动电路板和第一电机信号连接。第二固定件通过螺钉固定在摆转机壳的端板上，第二固定件和第二驱动电路板都位于摆转机壳的右边，第二驱动电路板固定在第二固定件上，第二驱动电路板和第二电机信号连接。

本机器人模块的工作原理：第一驱动电路板发送指令信号给第一电机，第一电机的输出轴带动回转主动齿轮旋转，回转主动齿轮带动回转被动齿轮旋转，回转被动齿轮驱动第一减速器的输入端，第一减速器的输出端驱动回转输出壳和回转电路板旋转，从而实现旋转的功能，即第一个自由度。第二驱动电路板发送指令信号给第二电机，第二电机可以正转和反转，第二电机的输出轴带动摆转主动齿轮旋转，摆转主动齿轮旋转带动摆转被动齿轮旋转，摆转被动齿轮驱动第二减速器的输入端，第二减速器的输出端带动主动锥齿轮旋转，主动锥齿轮带动被动锥齿轮旋转，被动锥齿轮带动输出轴旋转，输出轴通过输出块、连接块带动摆转关节臂旋转，由于第二电机可以正转和反转，因此可以驱动摆转关节臂在一定角度范围的摆转，从而实现摆转的功能，即第二个自由度。

回转电路板和摆转电路板可与现有技术中的其他机器人模块实现电气连接。第一减速器和第二减速器为超扁平中空轴型谐波齿轮减速器，简称为shd减速器，是一个标准件，shd减速器由于是标准件，在图1中并未剖视，只是在第二减速器与主动锥齿轮的连接处、第二减速器与摆转机壳的连接处作了局部剖视。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。