模块化关节的制作方法

本发明涉及一种模块化关节。

背景技术

随着智能制造和新兴服务行业应用的爆发式增长，安全正成为机器人和自动化系统的关键设计要求。由于力柔顺控制的模块化关节具有本质柔顺和力传感特性，其组装而成的机器人被认为可以满足安全性要求。为实现模块化关节的力柔顺控制，通常在关节中加入橡胶弹簧或金属弹簧，但是橡胶弹簧存在迟滞性、非线性和易老化等缺陷，而金属弹簧存在结构复杂和难加工等缺陷。并且，目前已有的模块化关节还存在自重高、体积大、集成度低、精度低和可替换性差等问题，限制了其在机器人市场的应用和推广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术为实现模块化关节的力柔顺控制，通常在模块化关节中加入橡胶弹簧或金属弹簧，但是橡胶弹簧存在迟滞性、非线性和易老化的缺陷，而金属弹簧存在结构复杂和难加工的缺陷，提供一种模块化关节。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种模块化关节，所述模块化关节包括输出端齿轮，其特点在于，所述输出端齿轮的一端面设有凹槽，所述凹槽沿所述输出端齿轮的轴向凹陷；所述模块化关节还包括金属复合弹性件，所述金属复合弹性件嵌设于所述凹槽中，且所述金属复合弹性件的中心轴线与所述输出端齿轮的中心轴线重合，所述金属复合弹性件包括：

金属框架，所述金属框架的一端与中空输出轴固定连接，所述金属框架的另一端沿所述输出端齿轮的径向向外延伸，且抵靠于所述凹槽的内表面；及

弹性单元，所述弹性单元填充于所述金属框架内，且与所述输出端齿轮的凹槽的内表面固定连接。

在本技术方案中，通过设置金属复合弹性件，降低了模块化关节的刚性，使得模块化关节具有本质柔顺性，增加了模块化关节的安全性，同时能够提供机械振动保护，减少了齿轮的磨损和出现故障的概率；与现有技术中的橡胶弹簧相比，金属复合弹性件质量更轻；与橡胶弹簧相比，金属复合弹性件具有更好的力学性能，也能一定程度上克服由于橡胶老化使得关节精度下降的缺陷。同时，通过将金属复合弹性件设置于输出端齿轮的凹槽中，使得模块化关节结构更加的紧凑。

较佳地，所述金属框架沿所述金属框架的径向由内至外依次包括底座和框架主体，所述底座与所述框架主体固定连接，所述底座通过固定件与所述中空输出轴固定连接，所述弹性单元填充于所述框架主体内。

较佳地，所述框架主体为涡轮状结构，所述框架主体包括多个金属弹片，多个所述金属弹片均沿所述底座的径向设置，且沿所述底座的周向等距间隔分布。

较佳地，所述框架主体为六边形蜂窝状结构。

较佳地，所述凹槽的内表面涂覆有粘合涂层，所述粘合涂层用于粘合所述弹性单元与所述输出端齿轮。

在本技术方案中，通过在凹槽的内表面涂覆粘合涂层，使所述弹性单元与所述输出端齿轮粘合在一起，固定地更为牢固。

较佳地，所述模块化关节还包括壳体，所述壳体包括相对设置且连接的关节输出端外壳和关节输入端外壳，且所述关节输出端外壳和所述关节输入端外壳环绕形成有一容置腔，所述关节输出端外壳设有输出端盘，所述输出端盘与所述关节输出端外壳活动连接，所述中空输出轴位于所述容置腔内，且所述中空输出轴的一端与所述输出端盘固定连接，所述中空输出轴的另一端穿设于所述关节输入端外壳，所述关节输入端外壳上开设有输入端连接孔，所述输出端盘上开设有输出端连接孔。

在本技术方案中，通过设置中空输出轴的一端与输出端盘固定连接，中空输出轴的另一端穿设于关节输入端外壳，即实现了中空输出轴对穿关节输出端外壳和关节输入端外壳，形成中空走线轴的方式，解决了线路缠绕和磨损问题，增大机械臂的运动范围。

较佳地，所述模块化关节还包括：

扁平式电机，所述扁平式电机固定于所述关节输出端外壳的内表面；

谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述扁平式电机的输出轴上；

输入端齿轮，所述输入端齿轮固定于所述谐波减速器的输出轴上，所述输入端齿轮与所述输出端齿轮啮合，且所述输入端齿轮的中心轴线平行于所述输出端齿轮的中心轴线；

其中，所述扁平式电机、所述谐波减速器、所述输入端齿轮、所述输出端齿轮均位于所述容置腔内。

在本技术方案中，通过设置谐波减速器加齿轮副实现大减速比的传动，使得关节可以采用小力矩的电机作为驱动；同一系列不同减速比的谐波减速器可以相互替换，因此可以实现关节的系列化设计。同时，通过设置输入端齿轮的中心轴线平行于所述输出端齿轮的中心轴线，即平行轴传动的方式，实现了关节结构的扁平化设计。

较佳地，所述模块化关节还包括：

绝对式角度编码器，所述绝对式角度编码器包括绝对式角度编码器磁环和绝对式角度编码器读数头，所述绝对式角度编码器读数头固定于所述关节输出端外壳的内表面，所述绝对式角度编码器磁环固定于定位轴肩上，所述定位轴肩与所述中空输出轴固定连接；

增量式角度编码器，所述增量式角度编码器设于所述谐波减速器的输出轴上；

其中，所述绝对式角度编码器与所述增量式角度编码器均与集成电路板连接，且所述绝对式角度编码器、所述增量式角度编码器、所述集成电路板均位于所述容置腔内。

在本技术方案中，通过设置绝对式角度编码器、增量式角度编码器和集成电路板，实现了双角度编码器进行闭环反馈控制，将力矩控制问题转化为角度控制问题，通过检测金属复合弹性件的变形量来实现精确的力矩控制，同时减少了力矩传感器，降低了关节的成本。

较佳地，所述模块化关节还包括输出轴承，所述输出轴承位于所述容置腔内，所述中空输出轴安装于所述输出轴承的内圈，所述输出端齿轮安装于所述输出轴承的外圈。

较佳地，所述中空输出轴的中心轴线与所述输出端齿轮的中心轴线重合，所述中空输出轴沿所述输出端齿轮的径向向外延伸有连接凸起，所述固定件沿所述中空输出轴的轴向穿设于所述连接凸起与所述金属复合弹性件的金属框架，并固定所述连接凸起与所述金属复合弹性件的金属框架；

所述连接凸起与所述金属复合弹性件之间还设有挡片，所述挡片覆盖于所述金属复合弹性件的端面。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的模块化关节通过设置金属复合弹性件，降低了模块化关节的刚性，使得模块化关节具有本质柔顺性，增加了模块化关节的安全性，同时能够提供机械振动保护，减少了齿轮的磨损和出现故障的概率。

附图说明

图1为本发明的实施例1的模块化关节的立体结构示意图。

图2为图1中a方向的立体结构示意图。

图3为图1中b-b方向的剖面结构示意图。

图4为本发明的实施例的1模块化关节的金属复合弹性件、固定件、挡片和输出端齿轮的立体结构示意图。

图5为图4的剖面结构示意图。

图6为本发明的实施例的2模块化关节的金属复合弹性件、固定件、挡片和输出端齿轮的立体结构示意图。

图7为图6的剖面结构示意图。

附图标记说明

壳体10

关节输出端外壳11

关节输入端外壳12

输入端连接孔121

容置腔13

扁平式电机21

扁平式电机的输出轴211

谐波减速器22

谐波减速器的输出轴221

输入端齿轮23

输出端齿轮31

凹槽311

金属复合弹性件32

金属框架321

弹性单元322

底座323

框架主体324

金属弹片325

中空输出轴33

连接凸起331

输出轴承34

绝对式角度编码器41

绝对式角度编码器读数头411

绝对式角度编码器磁环412

增量式角度编码器42

集成电路板43

输出端盘51

输出端连接孔511

挡片52

弹簧压紧端盖53

定位轴肩54

固定件61

定位螺栓62

定位螺母63

肩定位销64

输出端齿轮的中心轴线l

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

实施例1

请结合图1-图5予以理解，本实施案例提供一种模块化关节，模块化关节包括：壳体10、扁平式电机21、谐波减速器22、输入端齿轮23、输出端齿轮31、金属复合弹性件32、中空输出轴33、输出轴承34、绝对式角度编码器41、增量式角度编码器42、集成电路板43。

输出端齿轮31的一端面设有凹槽311，凹槽311沿输出端齿轮31的轴向凹陷；金属复合弹性件32嵌设于凹槽311中，且金属复合弹性件32的中心轴线与输出端齿轮的中心轴线l重合。这样，通过将金属复合弹性件32设置于输出端齿轮31的凹槽311中，使得模块化关节结构更加的紧凑。

金属复合弹性件32包括：金属框架321和弹性单元322。金属框架321的一端与中空输出轴33固定连接，金属框架321的另一端沿输出端齿轮31的径向向外延伸，且抵靠于凹槽311的内表面；弹性单元322填充于金属框架321内，且与输出端齿轮31的凹槽311的内表面固定连接。

这样，通过设置金属复合弹性件32，降低了模块化关节的刚性，使得模块化关节具有本质柔顺性，增加了模块化关节的安全性，同时能够提供机械振动保护，减少了齿轮的磨损和出现故障的概率；与现有技术中的橡胶弹簧相比，金属复合弹性件32质量更轻；与橡胶弹簧相比，金属复合弹性件32具有更好的力学性能，也能一定程度上克服由于橡胶老化使得关节精度下降的缺陷。

具体地，如图5中所示，金属框架321沿金属框架321的径向由内至外依次包括底座323和框架主体324，底座323与框架主体324固定连接，底座323通过固定件61与中空输出轴33固定连接，弹性单元322填充于框架主体324内。框架主体324为六边形蜂窝状结构。六边形蜂窝状结构的框架主体324采用3d打印一体成型，在六边形蜂窝状结构内部填充的弹性单元322的材质为天然橡胶或者合成橡胶。通过直接在六边形蜂窝状结构内注塑弹性单元322，使弹性单元322能够直接固定于输出端齿轮31的凹槽311的内表面。采用六边形蜂窝状结构的金属复合弹性件32，具有比橡胶弹簧更好的力学性能，同时也能克服由于橡胶老化而使得关节控制精度下降的缺陷。在本实施例中，底座323的形状为圆环形状。

在本实施例中，凹槽311的内表面涂覆有粘合涂层(图中未标示)，粘合涂层用于粘合弹性单元322与输出端齿轮31。这样，通过在凹槽311的内表面涂覆粘合涂层，使弹性单元322与输出端齿轮31粘合在一起，固定地更为牢固。具体地，粘合涂层为微晶钙改性涂层，微晶钙改性涂层的材料为微晶钙改性涂料，为市售产品。

壳体10包括相对设置且连接的关节输出端外壳11和关节输入端外壳12，且关节输出端外壳11和关节输入端外壳12环绕形成有一容置腔13，关节输出端外壳11设有输出端盘51，输出端盘51与关节输出端外壳11活动连接，中空输出轴33位于容置腔13内，且中空输出轴33的一端与输出端盘51固定连接，中空输出轴33的另一端穿设于关节输入端外壳12，关节输入端外壳12上开设有输入端连接孔121，输出端盘51上开设有输出端连接孔511。具体地，输出端盘51通过周向均布的螺钉安装于中空输出轴33的一端，输出端连接孔511沿输出端盘51的周向均匀分布。通过输出端连接孔511与其他关节或零件连接，从而实现输出；通过输入端连接孔121与其他关节或零件连接，从而实现输入。

这样，通过设置中空输出轴33的一端与输出端盘51固定连接，中空输出轴33的另一端穿设于关节输入端外壳12，即实现了中空输出轴33对穿关节输出端外壳11和关节输入端外壳12，形成中空走线轴的方式，解决了线路缠绕和磨损问题，增大机械臂的运动范围。

扁平式电机21固定于关节输出端外壳11的内表面。谐波减速器22连接于扁平式电机的输出轴211上。输入端齿轮23固定于谐波减速器的输出轴221上，输入端齿轮23与输出端齿轮31啮合，且输入端齿轮23的中心轴线平行于输出端齿轮的中心轴线l。这样，通过设置谐波减速器22加齿轮副实现大减速比的传动，使得关节可以采用小力矩的电机作为驱动；同一系列不同减速比的谐波减速器22可以相互替换，因此可以实现关节的系列化设计。同时，通过设置输入端齿轮23的中心轴线平行于输出端齿轮的中心轴线l，即平行轴传动的方式，实现了关节结构的扁平化设计。在本实施例中，输出端齿轮31的直径大于输入端齿轮23的直径。

绝对式角度编码器41包括绝对式角度编码器磁环412和绝对式角度编码器读数头411，绝对式角度编码器读数头411固定于关节输出端外壳11的内表面，绝对式角度编码器磁环412固定于定位轴肩54上，定位轴肩54与中空输出轴33固定连接。增量式角度编码器42设于谐波减速器的输出轴221上。增量式角度编码器42用于测量输入端齿轮23转动的角位移量。集成电路板43通过螺钉固定于关节输出端外壳11上。其中，绝对式角度编码器41与增量式角度编码器42均与集成电路板43连接。扁平式电机21也与集成电路板43连接，即扁平式电机21、增量式角度编码器42和绝对式角度编码器读数头411的引线均连接在集成电路板43，从而实现模块化关节的集成化设计。扁平式电机21、绝对式角度编码器41和增量式角度编码器42均为市售产品。

这样，通过设置绝对式角度编码器41、增量式角度编码器42和集成电路板43，实现了双角度编码器进行闭环反馈控制，将力矩控制问题转化为角度控制问题，通过检测金属复合弹性件32的变形量来实现精确的力矩控制，同时减少了力矩传感器，降低了关节的成本。在本实施例中，绝对式角度编码器读数头411通过定位螺栓62和定位螺母63固定于关节输出端外壳11的内表面；绝对式角度编码器磁环412通过周向均布的螺钉安装于定位轴肩54上；定位轴肩54通过轴肩定位销64安装于中空输出轴33上。

输出端齿轮31、金属复合弹性件32、扁平式电机21、谐波减速器22、输入端齿轮23、输出端齿轮31均位于容置腔13内。且绝对式角度编码器41、增量式角度编码器42、集成电路板43、输出轴承34均位于容置腔13内。即，各部件均集成于壳体10内。

中空输出轴33安装于输出轴承34的内圈，输出端齿轮31安装于输出轴承34的外圈。

在本实施例中，中空输出轴33的中心轴线与输出端齿轮的中心轴线l重合，中空输出轴33沿输出端齿轮31的径向向外延伸有连接凸起331，固定件61沿中空输出轴33的轴向穿设于连接凸起331与金属复合弹性件32的金属框架321，并固定连接凸起331与金属复合弹性件32的金属框架321。连接凸起331与金属复合弹性件32之间还设有挡片52，挡片52覆盖于金属复合弹性件32的端面。在本实施例中，固定件61为连接销。

为了更好地对金属复合弹性件32进行限位，在挡片52上方还设弹簧压紧端盖53。同时，谐波减速器22的下端分别与弹簧压紧端盖53和关节输入端外壳12相抵接，以对谐波减速器22进行固定，从而减少谐波减速器22的固定部件，使模块化关节的整体结构更为简洁。

本实施例的工作原理是：扁平式电机21作为整个模块化关节的输入，通过谐波减速器22实现减速和放大扭矩。输入端齿轮23通过与输出端齿轮31啮合，从而带动串联弹性驱动机构运动，串联弹性驱动机构包括输出端齿轮31、金属复合弹性件32、挡片52和中空输出轴33。输出端齿轮31和金属复合弹性件32同步转动，金属复合弹性件32会产生扭转变形并通过连接销带动中空输出轴33转动，从而实现柔顺输出。通过增量式角度编码器42和绝对式角度编码器41分别测量金属复合弹性件32输入和输出的角度，再乘以金属复合弹性件32的扭转弹性系数得到输出力矩，为模块化关节的力矩控制提供反馈信号，实现模块化关节精确的力矩控制。

也就是说，本发明采用双角度编码器进行闭环反馈控制，将力矩控制问题转化为角度控制问题，通过角度编码器测量金属复合弹性件32两端的角度差，乘以金属复合弹性件32的扭转弹性系数，得到模块化关节的扭矩，实现模块化关节的力矩控制。金属复合弹性件32的引入使模块化关节具有本质柔顺性，提高了机器人的安全性，从而使模块化关节具有力柔顺控制效果，该力柔顺控制的模块化关节解决体积大、集成度低、可替换性差和结构复杂等问题。

在现有技术中，通常机械臂有六个自由度，而根据不同的设计要求要安装不同的关节，而本发明的模块化关节的结构实现了用一种关节即能满足六个自由度的设计要求，仅需调节模块化关节中部分部件的参数设置，从而实现了模块化生产，简化了机器人的设计过程，缩短了机器人的研发周期，降低了研发成本，便于开发新的机器人；同时，与传统的整体式机器人结构相比，模块化设计提高了机器人的可维护性。

实施例2

如图6和图7所示，本实施例的模块化关节的整体结构基本和实施例1中的结构相同，其不同的之处在于，在金属复合弹性件32中的框架主体324为涡轮状结构，框架主体324包括多个金属弹片325，多个金属弹片325均沿底座323的径向设置，且沿底座323的周向等距间隔分布。也就是说金属弹片325沿底座323的圆周方向均匀分布，采用线切割的方法制造。在本实施例中，金属弹片325的厚度为0.7mm～2mm，从而具有较佳的变形性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。