一種協作機器人模塊化串聯關節的制作方法

本實用新型涉及一種械臂關節結構，尤其涉及一種協作機器人模塊化串聯關節。

背景技術：

在傳統的工業機器人逐漸取代單調、重復性高、危險性強的工作之時，協作機器人慢慢滲入各個工業領域，與人共同工作。協作機器人作為工業機器人中的輕型機器人，以往工業機器人是以機械代替人工并且降低人力成本，而協作機器人主要是協助人類并且與人類一同作業，且不需要使用安全圍欄進行隔離，解決了人類較難以達成的精確度或讓人類遠離危險的環境和工作。協作機器人關節結構作為協作機器人的核心組成部件，它的性能在整個協作機器人運動過程中顯得至關重要。其主要特點有模塊化、柔性化、集成化、靈巧、安全和可負擔。想比傳統工業機器人的結構比較單一、固定、笨重，此種協作機器人關節結構采用模塊化理念設計，各關節之間具有可替換性，可通過自由組合組成4～7自由度機械臂，其結構更加多元化、更加靈巧，適應更多復雜環境的應用。目前全球協作機器人代表主要有ABB、庫卡、UR等。

專利(CN201510181154.X)描述一種可變自由度的模塊化機械臂關節，如圖1所示。其原理為：所述剎車裝置4安裝于后端蓋305上，包括電磁鐵401、剎車擋片402、定位卡環403與三波峰墊片404。其中，電磁鐵401通過L型支架安裝在后端蓋305外緣處，定位卡環403與三波峰墊圈404均為2個，剎車擋片402為1個，采用周向上具有四個限位檔桿的十字形結構。2個三波峰墊圈 404與剎車擋片402按照定位卡環403-三波峰墊圈404-剎車擋片402-三波峰墊圈404-定位卡環403的順序套在中空軸303上，如圖5所示，且在靠近中空軸303軸端的三波峰墊圈404與定位卡環403間還設置有遮擋片405，對2個定位卡環間的結構進行遮擋。其中，2個定位卡環403固定于中空軸303周向上設計的凹槽內，且將2個三波峰墊圈404與1個剎車擋片402三者間壓緊固定。由此通過剎車裝置4可保證在本實用新型機械臂關節在未上電或者發生突發狀況時，能夠緊急通過機械方式制動從而保證人身安全的裝置。正常工作時，電磁鐵401上電吸合，剎車擋片402可以自由旋轉；當發生故障掉電時，電磁鐵401釋放，至剎車擋片的限位檔桿與電磁鐵桿接觸后，受電磁鐵桿阻擋，進而將剎車擋片402鎖死，使其不能自由轉動，從而使中空軸303停轉，達到剎車的目的。因剎車原理是通過通斷電時電磁推桿伸縮來阻擋剎車擋片達到剎車的功能，制動時電磁推桿發熱量大，對電磁推桿的動態響應要求很高，容易出現推桿在剎車擋片正上方現象，推桿縮回時，剎車擋片未能及時制動，還需繼續旋轉一定角度才可以制動。且制動力主要由電磁鐵桿和剎車擋片強度決定，制動力受限。對電磁推桿的推桿強度有一定要求，在制動力較大時，推桿容易折彎或者折斷。此制動原理，是用電磁鐵鐵桿與剎車擋片接觸，達到制動功能。制動位置不是360°全方向的，有很大的間隙。

另外，無力反饋功能或者通過電流監測方式反饋力矩，作為協作機器人不需要使用安全圍欄進行隔離，所以對其力反饋敏感度、精度都有很高的要求。在現有的產品技術中，鮮有成熟方案。

有鑒于上述的缺陷，本設計人，積極加以研究創新，以期創設一種新型結構的協作機器人模塊化串聯關節，使其更具有產業上的利用價值。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本實用新型的目的是提供一種關節位置制動精度足、制動力足以及力反饋靈敏度高、結構緊湊的協作機器人模塊化串聯關節。

本實用新型的協作機器人模塊化串聯關節，包括關節殼體以及置于其內的中空電機、諧波減速器、輸入軸、輸出軸、力矩傳感器、制動器、絕對值編碼器、驅動器，所述諧波減速器、中空電機、制動器、絕對值編碼器與驅動器依次串聯在所述輸入軸上，其中

-所述關節殼體內設有支撐輸入軸的前法蘭和后法蘭，輸入軸與前法蘭和后法蘭之間通過滾動軸承連接；

-所述中空電機的定子與關節殼體連接、轉子與輸入軸連接；

-所述諧波減速器的輸入端與輸入軸連接、輸出端與輸出軸連接；

-所述輸出軸連接諧波減速器的一端連接所述力矩傳感器、另一端通過滑動軸承與所述輸入軸連接；

-所述制動器為電磁制動器，包括制動器磁軛、彈簧片、銜鐵、法蘭，其中制動器磁軛安裝在所述后法蘭上，彈簧片、銜鐵通過法蘭與所述輸入軸連接；

-所述絕對值編碼器的內圈與所述輸入軸連接、外圈安裝在所述后法蘭上；

-所述驅動器安裝在所述后法蘭上，用于對所述中空電機、制動器、絕對值編碼器、力矩傳感器供電，并對所述中空電機與制動器進行控制，同時對絕對值編碼器與力矩傳感器進行信號處理。

進一步的，所述輸入軸上還設有與所述中空電機配合的霍爾傳感器。

進一步的，所述前法蘭與所述輸入軸之間還設有密封裝置。

進一步的，所述關節殼體側壁上設有用于連接所述關節的輸出法蘭。

進一步的，所述關節殼體遠離所述力矩傳感器的端部上設有后蓋。

進一步的，所述力矩傳感器為應變梁法蘭式結構，其內圈固定螺釘孔與外圈法蘭固定螺釘孔之間均勻分布四個應變片傳感器。

進一步的，所述關節殼體、中空電機、諧波減速器、制動器、編碼器、驅動器為中孔結構。

進一步的，所述輸入軸與輸出軸均為空心軸。

借由上述方案，本實用新型至少具有以下優點：

1、使用電磁制動器，利用通、斷電產生的磁力，彈簧片被吸合和開合，利用摩擦產生的力矩鎖死輸入軸，達到制動的效果，制動力大，無制動背隙，可360°全角度位置制動，制動響應快，結構緊湊，安裝方便；

2、在輸出軸的末端連接用于與下一關節輸出法蘭連接的力矩傳感器，時刻反饋關節負載力矩，結構緊湊，精度高，反饋靈敏，提高協作機器人安全防護性能；

3、關節結構為模塊化串聯結構，緊湊、靈巧、可靠性好，可自由拓展，組合成4～7自由度機械臂，結構更加靈活，更加適應復雜工作環境需求；

4、將力矩傳感器、諧波減速器、中空電機、制動器、編碼器、驅動器依次串聯，采用中空走線布置，極大限度的減小外徑尺寸和長度尺寸，在應用中更加靈巧，更能適應復雜環境。

上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。

附圖說明

圖1是傳統的機械臂關節結構示意圖；

圖2是本實用新型的立體結構示意圖；

圖3是本實用新型的剖視圖；

圖4是是本實用新型中關節殼體結構示意圖；

圖5是本實用新型中后蓋結構示意圖；

圖6是本實用新型中后法蘭結構示意圖；

圖7是本實用新型中前法蘭結構示意圖；

圖8是本實用新型中力矩傳感器結構示意圖；

圖9是本實用新型中輸出軸結構示意圖；

圖10是本實用新型中輸入軸結構示意圖；

圖11是3個關節拼接示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

參見圖2至圖10，本實用新型一較佳實施例所述的一種協作機器人模塊化串聯關節，包括關節殼體2以及置于其內的中空電機1、諧波減速器4、輸入軸18、輸出軸8、力矩傳感器5、制動器17、絕對值編碼器15、驅動器14，且諧波減速器4、中空電機1、制動器17、絕對值編碼器15與驅動器14依次串聯在輸入軸18上。其中關節殼體2內設有支撐輸入軸18的前法蘭3和后法蘭11，輸入軸18與前法蘭3和后法蘭11之間通過滾動軸承6、12連接；中空電機1的定子與關節殼體2連接、轉子與輸入軸18連接；諧波減速器4的輸入端與輸入軸18連接、輸出端與輸出軸8連接；輸出軸8連接諧波減速器4的一端連接力矩傳感器5、另一端通過滑動軸承13與輸入軸18連接；制動器17為電磁制動器，包括制動器磁軛、彈簧片、銜鐵、法蘭，其中制動器磁軛安裝在后法蘭 11上，彈簧片、銜鐵通過法蘭與輸入軸18連接；絕對值編碼器15的內圈與輸入軸18連接、外圈安裝在后法蘭11上；驅動器14安裝在后法蘭11上，用于對中空電機1、制動器17、絕對值編碼器15、力矩傳感器5供電，并對中空電機1與制動器17進行控制，同時對絕對值編碼器15與力矩傳感器5進行信號處理。

為進一步提高響應靈敏度，本實用新型的輸入軸18上還設有與中空電機1配合的霍爾傳感器9。

為提高本實用新型的串聯關節的使用壽命，本實用新型在前法蘭3與輸入軸18之間還設有密封裝置7。

為使得本實用新型的串聯關節可自由拓展，組合成多個自由度機械臂，本實用新型在關節殼體2側壁上設有用于連接下一個關節的輸出法蘭10。

為使得本實用新型的關節外觀更加美觀，本實用新型在關節殼體2遠離力矩傳感器5的端部上設有后蓋16。

本實用新型由中空電機1提供驅動力，輸入軸18連接諧波減速器4，經過諧波減速器4減速后，通過輸出軸8、力矩傳感器5輸出到下一個關節。整體關節位置信息、速度信息、精度由絕對值編碼器15反饋。整體關節結構前端設計力矩傳感器5，具有力反饋功能，反饋關節扭矩大小，力反饋性能靈敏且精度高，充分保證了關節使用過程中的安全性。當關節停止或者遇到緊急情況時，電磁制動器17提供保持和剎車功能。

本實用新型的協作機器人模塊化串聯關節，采用模塊化設計，串聯的結構，將中空電機1、諧波減速器4、制動器17、絕對值編碼器15、驅動器14串聯，使用中孔內部走線的結構，關節結構更加緊湊、重量更輕、性能更加穩定可靠、擴展性更好。

本實用新型通過將中空電機1的定子與關節殼體2固定、轉子與輸入軸18固定，結構緊湊，輸出力矩大，動態響應高；輸入軸18與諧波減速器4輸入端相連，經過減速后輸出到輸出軸8，輸出軸8上安裝力矩傳感器5，力矩傳感器5與輸下一關節輸出法蘭連接，時刻反饋關節負載力矩，結構緊湊，精度高，反饋靈敏。當遇到超載或者緊急情況，驅動器發送信號緊急制動，提高協作機器人安全防護性能。

制動器17在中空電機1工作時通電時，制動器17的彈簧卡片吸合，輸入軸18自由轉動，斷電時，制動器17的彈簧卡片壓合，提供制動保持力，輸入軸18鎖死，使得法蘭和輸入軸18產生摩擦力矩，輸入軸18不可以自由轉動，達到制動的功能。

本實用新型中絕對值編碼器15為中空磁編碼器，輸出信號為A、B、Z差分信號，具有一個絕對位置，用于反饋輸出軸8的速度信息與位置信息，絕對值編碼器15內圈與輸入軸18連接，外圈固定安裝在后法蘭11上。

本實用新型中驅動器14為伺服驅動集成電路，內置于關節殼體2內，通過螺釘安裝在后法蘭11和后蓋16之間，用來供電和信號數據處理，分別對中空電機1供電、制動器17供電、絕對值編碼器15供電、力矩傳感器5供電，及控制中空1電機與制動器17并對絕對值編碼器15與力矩傳感器5進行信號處理。

本實用新型中空電機1為大中空軸電機，諧波減速器4中孔為中空結構，制動器17、絕對值編碼器15及驅動器14為中孔結構，關節內部走線可通過關節內中孔，避免了關節外部接線問題，使得整體結構更加緊湊，外觀更加美觀。

上述諧波減速器4為超薄型形狀、中空結構，具有緊湊簡潔、高轉矩容量、高剛性、無齒隙以及優良的定位精度和旋轉精度有點。諧波減速器的剛輪通過 螺釘固定于關節殼體上，波發生器通過螺釘連接輸入軸，柔輪輸出，通過螺釘和輸出軸連接，諧波減速器將高速轉動的中空電機1的輸入軸減速后輸出到輸出軸。

上述力矩傳感器5為應變梁法蘭式結構，內圈固定螺釘孔與外圈法蘭固定螺釘孔之間均勻分布四個應變片傳感器，通過應變片傳感器檢測應變變形，反饋關節扭矩大小，經過驅動器進行數據處理，判斷狀態是否安全。

上述制動器為電磁制動器，通電時，其法蘭可自由轉動，斷電時，法蘭在彈簧片的壓力下，摩擦力矩變大，法蘭被固定，不可以轉動。當斷電或緊急制動時，輸入軸18在電磁制動器的作用下，不可自由轉動；當通電時，輸入軸可自由轉動。此電磁制動器結構簡單，安裝方便，性能可靠，成本低，壽命長。

上述絕對值編碼器15為多圈絕對值編碼器，由機械位置決定的每一個位置都是唯一的，它無需記憶，無需找到參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。因此，該絕對值編碼器的抗干擾性、數據可靠性較高。

上述中空電機1為大中孔電機，包括定子和轉子，定子通過環氧膠與關節殼體粘結，轉子通過環氧膠與輸入軸粘結。該中孔結構方式可進行關節內部中孔走線，解決了走線問題。此電機負載密度與重量比較大，結構緊湊。且該中空電機配有霍爾傳感器，減少了成本，而且結構更加緊湊。

上述輸出軸8為空心軸，用于傳遞輸出力，通過螺釘與諧波減速器輸出端連接，輸出驅動力，空心走線。

上述輸入軸18為空心軸，通過環氧膠與電機轉子連接，輸入軸前段通過螺釘與諧波減速器波發生器連接，傳遞動力，末端連接絕對值編碼器，反饋位置信息、速度信息。

上述密封裝置7為骨架式密封結構，密封性好，使用壽命長，成本低。安裝于前法蘭和輸入軸之間。

本實用新型的關節整體結構靈巧、模塊化、集成化，關節與外部連接結構有輸出端和輸入端，輸入端為力矩傳感器5的法蘭盤，連接下一關節，提供動力輸出，輸出端為輸出法蘭10，連接上一關節。可通過多組關節和連桿，組成不同自由度協作機器人，如圖11所示。

可見，本實用新型采用模塊化串聯結構，結構緊湊、靈巧，解決了協作機器人關節笨重、互換性不好、集成度不高、結構不夠緊湊等問題；通過采用電磁制動器，解決制動響應慢、發熱量大、制動位置保持精度不足、制動力不足問題；通過在關節末端設計力矩傳感器，解決力反饋精度不足、響應慢等缺點。因此，本實用新型的關節結構更加緊湊，成本低，安全可靠性更高，靈巧，模塊化，集成化；制動結構簡易，便于安裝，制動性能可靠，穩定；力反饋系統性能靈敏、穩定、可靠性高；另外，走線布置采用中孔走線，使得布線更加合理、走線更加方便。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，并不用于限制本實用新型，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本實用新型的保護范圍。