一種模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的制作方法

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模塊化機(jī)器臂柔性關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的軌跡跟蹤和力控制。工業(yè)機(jī)器人的適用場(chǎng)合比較簡單，部分生產(chǎn)線人機(jī)交互程度低，對(duì)安全性的要求比較低。近幾年，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人成為機(jī)器人的主要研究方向之一。學(xué)者圍繞機(jī)器人怎么直接和人類進(jìn)行人機(jī)交互，一起協(xié)作完成一定任務(wù)而展開了大量的研究。限制協(xié)作機(jī)器人發(fā)展的主要因素是場(chǎng)合多變性，安全性能難以保證。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境下的可靠性和安全性，國內(nèi)外提出柔性機(jī)器人的概念，其中串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器就是柔性機(jī)器人的重要組成。

對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，要求驅(qū)動(dòng)器剛性越大越好，響應(yīng)速度越快越好。但是對(duì)于人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，對(duì)安全性又提出了新的要求。現(xiàn)階段人機(jī)協(xié)作機(jī)器人一部分是采用一定的控制算法使得提高機(jī)器人的安全性，還有一部分是在機(jī)械結(jié)構(gòu)中引入彈簧，在發(fā)生碰撞時(shí)，不僅保護(hù)了機(jī)器人本身，還同時(shí)保護(hù)了操作者的安全。同時(shí)，柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)也體現(xiàn)出來很多優(yōu)勢(shì)，如能量消耗低、輸出響應(yīng)快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。上述優(yōu)點(diǎn)使得柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)研究的機(jī)械臂，由于各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)都大不相同，各關(guān)節(jié)無法完成組合和替換，靈活性較差，機(jī)械臂采用剛性連接，使得安全性低，環(huán)境適應(yīng)性低，同時(shí)對(duì)電機(jī)輸出端力矩測(cè)量大多采用力矩傳感器，價(jià)格昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，解決了現(xiàn)有機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)都大不相同，各關(guān)節(jié)無法完成組合和替換，靈活性較差，機(jī)械臂采用剛性連接，使得安全性低，環(huán)境適應(yīng)性低，同時(shí)對(duì)電機(jī)輸出端力矩測(cè)量大多采用力矩傳感器，價(jià)格昂貴的問題。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)輸入裝置1、減速裝置2、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3、關(guān)節(jié)輸出裝置4、關(guān)節(jié)外殼5及底座6；所述關(guān)節(jié)輸入裝置1的一端與減速裝置2相連，另一端與底座6相連，所述減速裝置2與串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3相連，所述串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3與關(guān)節(jié)輸出裝置4相連，所述關(guān)節(jié)輸出裝置4與關(guān)節(jié)外殼5相連；

所述關(guān)節(jié)輸入裝置1包括無框中空電機(jī)轉(zhuǎn)子111、無框中空電機(jī)定子112、電機(jī)輸出軸113、無框中空電機(jī)固定套114、電機(jī)定子壓板套115、電機(jī)轉(zhuǎn)子壓板116、磁編碼器感應(yīng)齒輪固定架121、磁編碼器感應(yīng)齒輪122、磁編碼器感應(yīng)頭123、磁編碼器感應(yīng)頭固定架124、連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133；

所述減速裝置2包括諧波減速器波發(fā)生器21、諧波減速器柔輪22及諧波減速器剛輪23；

所述串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3包括諧波減速器墊板31、圓盤式彈簧32、直滑式位移傳感器連接架331、直滑式位移傳感器調(diào)整塊332、直滑式位移傳感器333及直滑式位移傳感器固定架334；

所述關(guān)節(jié)輸出裝置4包括關(guān)節(jié)輸出軸41、輸出法蘭盤42及十字交叉軸承43；

所述關(guān)節(jié)外殼5包括關(guān)節(jié)外殼一51及關(guān)節(jié)外殼二52。

優(yōu)選地，所述磁編碼器感應(yīng)齒輪122通過螺釘安裝于磁編碼器感應(yīng)齒輪固定架121，磁編碼器感應(yīng)齒輪固定架121和電機(jī)輸出軸113通過緊定螺釘進(jìn)行周向固定，磁編碼器感應(yīng)頭123通過螺釘安裝于磁編碼器感應(yīng)頭固定架124，磁編碼器感應(yīng)頭固定架124黏貼于電機(jī)定子壓板套115，無框中空電機(jī)轉(zhuǎn)子111一端通過電機(jī)輸出軸113軸肩軸向固定，另一端通過電機(jī)轉(zhuǎn)子壓板116壓緊，無框中空電機(jī)定子112一端通過無框中空電機(jī)固定套114軸肩軸向固定，另一端通過電機(jī)定子壓板套115壓緊；所述電機(jī)定子壓板套115與連接盤一131通過螺栓連接，連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133依次連接用于連接關(guān)節(jié)輸入裝置1和底座6。

優(yōu)選地，所述諧波減速器波發(fā)生器21通過螺釘和電機(jī)輸出軸113固定，諧波減速器柔輪22通過螺釘和無框電機(jī)固定套114固定。

優(yōu)選地，所述圓盤式彈簧32、諧波減速器剛輪23、減速器墊板31三者通過螺釘固定在一起，直滑式位移傳感器固定架334一端和減速器墊板31黏貼在一起，另一端和直滑式位移傳感器333黏貼在一起，直滑式位移傳感器調(diào)整塊332和直滑式位移傳感器333黏貼在一起，直滑式位移傳感器連接架331和關(guān)節(jié)輸出軸41通過緊定螺釘進(jìn)行周向固定。

優(yōu)選地，所述關(guān)節(jié)輸出軸41通過螺釘和圓盤式彈簧32固定在一起，關(guān)節(jié)輸出軸41通過螺釘和輸出法蘭盤42固定在一起，輸出法蘭盤42通過螺釘和關(guān)節(jié)外殼一51固定在一起，關(guān)節(jié)外殼一51通過螺栓和關(guān)節(jié)外殼二52固定在一起，十字交叉軸承43內(nèi)圈分別采用無框中空電機(jī)固定套114軸肩和電機(jī)定子壓板套115軸肩進(jìn)行軸向固定，十字交叉軸承43外圈分別采用關(guān)節(jié)外殼一51軸肩和關(guān)節(jié)外殼二52軸肩進(jìn)行軸向固定。

優(yōu)選地，所述關(guān)節(jié)輸入裝置1采用無框中空電機(jī)作為動(dòng)力源，采用磁編碼器對(duì)關(guān)節(jié)位置進(jìn)行測(cè)量，磁編碼器、無框中空電機(jī)、電機(jī)輸出軸113三者聯(lián)動(dòng)，均采用中空式結(jié)構(gòu)；所述關(guān)節(jié)輸入裝置1、減速裝置2、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3和關(guān)節(jié)輸出裝置4均為同軸度。

優(yōu)選地，所述減速裝置2中諧波減速器波發(fā)生器21通過螺釘和電機(jī)輸出軸113固定作為諧波減速器的輸入端，諧波減速器柔輪22通過螺釘和無框中空電機(jī)固定套114固定作為諧波減速器的固定端，諧波減速器剛輪23、減速器墊板31、圓盤式彈簧32三者通過螺釘固定在一起作為諧波減速器的輸出端。

優(yōu)選地，所述圓盤式彈簧32內(nèi)外圈角度差是通過轉(zhuǎn)化為直線位移進(jìn)行計(jì)算，其直線位移是通過直滑式位移傳感器333進(jìn)行測(cè)量，通過圓盤式彈簧內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度差對(duì)電機(jī)輸出端的力矩進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。

優(yōu)選地，所述直滑式位移傳感器333始終相切于圓盤式彈簧32的外圈光孔位置。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)，將模塊化思想融入到新型機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，使得能夠任意的拼接成不同自由度的模塊化機(jī)械臂。合理的設(shè)計(jì)思路，將關(guān)節(jié)所有部件均集成在關(guān)節(jié)內(nèi)部，將編碼器和傳感器布置在剩余的空間里，使空間得到合理的利用。在電機(jī)減速器輸出端引入串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，降低了機(jī)械臂的剛性，使得人機(jī)協(xié)作的安全性得到了提高。

2、本發(fā)明整體采用中空結(jié)構(gòu)，如編碼器、電機(jī)、減速器均采用中空型結(jié)構(gòu)，方便內(nèi)部走線。

3、本發(fā)明采用了測(cè)量圓盤式彈簧內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度差估計(jì)電機(jī)輸出端力矩，圓盤式彈簧內(nèi)外圈位置信息是通過將旋轉(zhuǎn)信息轉(zhuǎn)化為直線位移信息，在利用直滑式位移傳感器進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，這樣使得測(cè)量精度得到提升，也更方便對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行力控制，同時(shí)采用直滑式位移傳感器，比力矩傳感器價(jià)格更便宜。相比于Universal Robots公司的機(jī)械臂，我們的優(yōu)勢(shì)是采用了在柔性關(guān)節(jié)處引入圓盤式彈簧，使得機(jī)械臂具有機(jī)械上的柔性，而UR機(jī)械臂采用控制電流的方控制關(guān)節(jié)末端力矩大小，電流本身帶有不穩(wěn)定因素，精度相對(duì)較差，魯棒性差。

4、本發(fā)明采用直滑式位移傳感器固定架和減速器墊板采用膠黏的方式，裝配簡單。

5、本發(fā)明采用特殊結(jié)構(gòu)的法蘭盤輸出，方便拆卸和裝配。

6、本發(fā)明采用密封圈材質(zhì)為橡膠材料，富有彈性和回彈性，易加工成型，性能穩(wěn)定。

7、本發(fā)明采用整體結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，外殼采用硬鋁，質(zhì)量體積小。

8、本發(fā)明采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無需外接氣缸等大體積設(shè)備來提供動(dòng)力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)整體剖視圖；

圖2是本發(fā)明模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)整體軸側(cè)圖；

圖3是本發(fā)明模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)中圓盤式彈簧結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)中直滑式位移傳感器安裝示意圖；

圖5是本發(fā)明模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)中直滑式位移傳感器測(cè)試原理圖；

圖6是本發(fā)明模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)中連接盤三結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4及圖6，一種模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)輸入裝置1、減速裝置2、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3、關(guān)節(jié)輸出裝置4、關(guān)節(jié)外殼5及底座6；所述關(guān)節(jié)輸入裝置1的一端與減速裝置2相連，另一端與底座6相連，所述減速裝置2與串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3相連，所述串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3與關(guān)節(jié)輸出裝置4相連，所述關(guān)節(jié)輸出裝置4與關(guān)節(jié)外殼5相連；

所述關(guān)節(jié)輸入裝置1包括無框中空電機(jī)轉(zhuǎn)子111、無框中空電機(jī)定子112、電機(jī)輸出軸113、無框中空電機(jī)固定套114、電機(jī)定子壓板套115、電機(jī)轉(zhuǎn)子壓板116、磁編碼器感應(yīng)齒輪固定架121、磁編碼器感應(yīng)齒輪122、磁編碼器感應(yīng)頭123、磁編碼器感應(yīng)頭固定架124、連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133；

所述減速裝置2包括諧波減速器波發(fā)生器21、諧波減速器柔輪22及諧波減速器剛輪23；

所述串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3包括諧波減速器墊板31、圓盤式彈簧32、直滑式位移傳感器連接架331、直滑式位移傳感器調(diào)整塊332、直滑式位移傳感器333及直滑式位移傳感器固定架334；

所述關(guān)節(jié)輸出裝置4包括關(guān)節(jié)輸出軸41、輸出法蘭盤42及十字交叉軸承43；

所述關(guān)節(jié)外殼5包括關(guān)節(jié)外殼一51及關(guān)節(jié)外殼二52。

所述磁編碼器感應(yīng)齒輪122通過螺釘安裝于磁編碼器感應(yīng)齒輪固定架121，磁編碼器感應(yīng)齒輪固定架121和電機(jī)輸出軸113通過緊定螺釘進(jìn)行周向固定，磁編碼器感應(yīng)頭123通過螺釘安裝于磁編碼器感應(yīng)頭固定架114，磁編碼器感應(yīng)頭固定架114黏貼于電機(jī)定子壓板套115，無框中空電機(jī)轉(zhuǎn)子111一端通過電機(jī)輸出軸113軸肩軸向固定，另一端通過電機(jī)轉(zhuǎn)子壓板116壓緊，無框中空電機(jī)定子112一端通過無框中空電機(jī)固定套114軸肩軸向固定，另一端通過電機(jī)定子壓板套115壓緊；所述電機(jī)定子壓板套115與連接盤一131通過螺栓連接，連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133依次連接用于連接關(guān)節(jié)輸入裝置1和底座6；連接盤一131、連接盤二132及連接盤三133三者之間通過螺栓連接，連接盤三133與底座6連接。

所述諧波減速器波發(fā)生器21通過螺釘和電機(jī)輸出軸113固定，諧波減速器柔輪22通過螺釘和無框電機(jī)固定套114固定。

所述圓盤式彈簧32、諧波減速器剛輪23、減速器墊板31三者通過螺釘固定在一起，直滑式位移傳感器固定架334一端和減速器墊板31黏貼在一起，另一端和直滑式位移傳感器333黏貼在一起，直滑式位移傳感器調(diào)整塊332和直滑式位移傳感器333黏貼在一起，直滑式位移傳感器連接架331和關(guān)節(jié)輸出軸41通過緊定螺釘進(jìn)行周向固定。

所述關(guān)節(jié)輸出軸41通過螺釘和圓盤式彈簧32固定在一起，關(guān)節(jié)輸出軸41通過螺釘和輸出法蘭盤42固定在一起，輸出法蘭盤42通過螺釘和關(guān)節(jié)外殼一51固定在一起，關(guān)節(jié)外殼一51通過螺栓和關(guān)節(jié)外殼二52固定在一起，十字交叉軸承43內(nèi)圈分別采用無框中空電機(jī)固定套114軸肩和電機(jī)定子壓板套115軸肩進(jìn)行軸向固定，十字交叉軸承43外圈分別采用關(guān)節(jié)外殼一51軸肩和關(guān)節(jié)外殼二52軸肩進(jìn)行軸向固定。

所述關(guān)節(jié)輸入裝置1采用無框中空電機(jī)作為動(dòng)力源，采用磁編碼器對(duì)關(guān)節(jié)位置進(jìn)行測(cè)量，磁編碼器、無框中空電機(jī)、電機(jī)輸出軸113三者聯(lián)動(dòng)，均采用中空式結(jié)構(gòu)；所述關(guān)節(jié)輸入裝置1、減速裝置2、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器3和關(guān)節(jié)輸出裝置4均為同軸度。

所述減速裝置2中諧波減速器波發(fā)生器21通過螺釘和電機(jī)輸出軸113固定作為諧波減速器的輸入端，諧波減速器柔輪22通過螺釘和無框中空電機(jī)固定套114固定作為諧波減速器的固定端，諧波減速器剛輪23、減速器墊板31、圓盤式彈簧32三者通過螺釘固定在一起作為諧波減速器的輸出端。

所述圓盤式彈簧32內(nèi)外圈角度差是通過轉(zhuǎn)化為直線位移進(jìn)行計(jì)算，其直線位移是通過直滑式位移傳感器333進(jìn)行測(cè)量，通過圓盤式彈簧內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度差對(duì)電機(jī)輸出端的力矩進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。

所述直滑式位移傳感器333始終相切于圓盤式彈簧32的外圈光孔位置。

上述安裝連接關(guān)系均可通過螺栓連接進(jìn)行固定。

本發(fā)明的原理為：

無框中空電機(jī)和電機(jī)末端的磁編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)末端位置的控制。磁編碼器感應(yīng)齒輪122通過螺釘和磁編碼器固定架121固定在一起，磁編碼器感應(yīng)頭123通過螺釘和磁編碼器感應(yīng)頭固定架124固定在一起，電機(jī)輸出軸113通過緊定螺釘和磁編碼器固定架121固定在一起，無框電機(jī)轉(zhuǎn)子111通過螺釘使得電機(jī)轉(zhuǎn)子壓板116和電機(jī)輸出軸113軸肩壓緊在一起，無框電機(jī)定子112通過螺釘電機(jī)固定套114和電機(jī)定子壓板套115軸肩壓緊在一起，當(dāng)無框電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，無框中空電機(jī)轉(zhuǎn)子111帶動(dòng)電機(jī)輸出軸113運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)輸出軸113通過螺釘和諧波減速器波發(fā)生器21固定在一起，作為諧波減速器的輸入端，諧波減速器柔輪22通過螺栓和無框中空電機(jī)固定套114固定在一起，作為諧波減速器的固定端，諧波減速器剛輪23通過螺釘和減速器墊片31、圓盤式彈簧32外圈三者安裝在一起，作為諧波減速器的輸出端。無框電機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息和力矩信息傳遞給了諧波減速器剛輪23輸出，如圖5所示，dy代表直滑式位移傳感器333測(cè)量的直線位移，dx代表直滑式位移傳感器連接架331在半徑為r的圓上的圓弧長度，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)角dθ，由于圓盤式彈簧32旋轉(zhuǎn)角度極小，所以就有dx＝dy、dθ＝dy/r。圓盤式彈簧32內(nèi)圈通過螺釘和關(guān)節(jié)輸出軸41固定在一起，輸出法蘭盤42通過螺釘和關(guān)節(jié)輸出軸41固定在一起，輸出法蘭盤42通過螺釘和關(guān)節(jié)外殼一51固定在一起，關(guān)節(jié)外殼一51和關(guān)節(jié)外殼二52通過螺釘固定在一起，作為關(guān)節(jié)輸出，將動(dòng)力傳遞給下一關(guān)節(jié)。

為了更好的對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行力控制，所以必須得到關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，這就是引入圓盤式彈簧32的原因，一方面能夠根據(jù)圓盤式彈簧32內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度差估計(jì)出關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，另一方面當(dāng)外界受到?jīng)_擊時(shí)，能夠更好的減緩對(duì)電機(jī)、減速器的外界沖擊。引入彈簧使得整個(gè)關(guān)節(jié)具有一定柔順性，但彈簧的彈性系數(shù)在運(yùn)動(dòng)過程中是不變的，是最開始根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算出來的。關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩即是圓盤式彈簧32的剛度乘以圓盤式彈簧的內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度差，圓盤式彈簧32內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度由于彈簧自身剛度值較大，導(dǎo)致內(nèi)圈變化小，所以通過旋轉(zhuǎn)類編碼器無法進(jìn)行精確地測(cè)量，這里我們轉(zhuǎn)化為直滑式位移傳感器333進(jìn)行測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)角度小時(shí)，弧長就可以看成直線，即弧長等于弧度乘以半徑。直滑式位移傳感器333黏貼在直滑式位移傳感器固定架334上，直滑式位移傳感器固定架334黏貼在減速器墊板31上，關(guān)節(jié)輸出軸41通過緊定螺釘和直滑式位移傳感器連接件331固定在一起，關(guān)節(jié)輸出軸41運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)直滑式位移傳感器連接架331運(yùn)動(dòng)，撥動(dòng)直滑式位移傳感器333，使得估計(jì)計(jì)算出圓盤式彈簧內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)角度值。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種模塊化機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)，進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。