雙關(guān)節(jié)模塊的制作方法
【專利摘要】雙關(guān)節(jié)模塊包括模塊殼體、第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)。模塊殼體具有結(jié)構(gòu)支承部分。第一關(guān)節(jié)具有第一馬達和第一馬達軸線以及第一關(guān)節(jié)軸線。第二關(guān)節(jié)具有第二馬達和第二馬達軸線以及第二關(guān)節(jié)軸線。第二關(guān)節(jié)軸線不平行于第一關(guān)節(jié)軸線。第一關(guān)節(jié)附接至結(jié)構(gòu)支承部分，并且第二關(guān)節(jié)附接至結(jié)構(gòu)支承部分。
【專利說明】雙關(guān)節(jié)模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及機器人關(guān)節(jié)，并且具體涉及雙關(guān)節(jié)模塊或二自由度機器人關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人臂中使用的機器人關(guān)節(jié)是眾所周知的。然而，在某些應(yīng)用場合，在對關(guān)節(jié)和臂的規(guī)范中引入了一般應(yīng)用中所沒有的限制。例如，在空間和星球上的應(yīng)用以及在移動機器人上的應(yīng)用有效負荷與臂的重量比率是非常重要的。同樣，尺寸限制在制造業(yè)和移動機器人應(yīng)用中可以是非常重要的。任何現(xiàn)代機器人的設(shè)計都需要考慮:低重量、高負載、長范圍、運動靈活性、高精確度和可重復(fù)性、以及低成本。
[0003]然而大部分上述要求可通過將兩個關(guān)節(jié)組合在單個模塊中來解決，該單個模塊優(yōu)于分開的第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)。組合雙關(guān)節(jié)模塊可提供緊湊尺寸、低重量、高負載、以及高精確度和可重復(fù)性方面的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]雙關(guān)節(jié)模塊包括模塊殼體、第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)。模塊殼體具有結(jié)構(gòu)支承部分。第一關(guān)節(jié)具有第一馬達和第一馬達軸線以及第一關(guān)節(jié)軸線。第二關(guān)節(jié)具有第二馬達和第二馬達軸線以及第二關(guān)節(jié)軸線。第二關(guān)節(jié)軸線與第一關(guān)節(jié)軸線成角度。第一關(guān)節(jié)附接至結(jié)構(gòu)支承部分，并且第二關(guān)節(jié)附接至結(jié)構(gòu)支承部分。
[0005]第一關(guān)節(jié)可以是俯仰關(guān)節(jié)。第二關(guān)節(jié)可以是滾動關(guān)節(jié)和偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中的一個。第二關(guān)節(jié)可以是棱柱關(guān)節(jié)。
[0006]第二馬達可以垂直于第二關(guān)節(jié)軸線。第一馬達軸線和第一軸線可以平行。
[0007]每個關(guān)節(jié)可以包括可操作地連接至各自馬達的減速機和傳動器。傳動器可以是諧波傳動器。每個馬達可包括絕對編碼器和增量編碼器。每個馬達可以能夠測量速度和電流。雙關(guān)節(jié)模塊可以包括扭矩傳感器。雙關(guān)節(jié)模塊的每個關(guān)節(jié)都可以是低功率、高扭矩關(guān)節(jié)。
[0008]第一馬達和第二馬達中的一個馬達可包括成角度的齒輪傳動裝置，使得第二關(guān)節(jié)軸線與第一關(guān)節(jié)軸線成角度。第一關(guān)節(jié)軸線可與第二關(guān)節(jié)軸線正交或與第二關(guān)節(jié)軸線成直角。直角齒輪傳動裝置可以是蝸輪和準雙曲面齒輪中的一個
[0009]模塊殼體可以充當電磁屏蔽。模塊殼體可以包括模塊殼體箱，并且每個馬達都可以在模塊殼體箱外部。模塊殼體可包括馬達殼體。
[0010]第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)可以配置成可反轉(zhuǎn)。
[0011]每個馬達都可以可操作地連接至在模塊殼體內(nèi)部的電纜。第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)中的一個可具有殼體的主動端和從動端，而第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)中的另一個可具有中空中心軸，并且電纜可穿過一個關(guān)節(jié)的殼體的從動端以及另一關(guān)節(jié)的中空中心軸。
[0012]雙關(guān)節(jié)模塊包括模塊殼體、第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)。第一關(guān)節(jié)具有從動端和主動端，并且具有第一馬達。第二關(guān)節(jié)具有中空中心軸和離軸傳動器，并且具有第二馬達。內(nèi)部布線穿過第一關(guān)節(jié)的從動端，并穿過第二關(guān)節(jié)的中空中心軸。[0013]每個關(guān)節(jié)都可包括電子設(shè)備，并且電子設(shè)備能夠串聯(lián)連接，而且電纜可操作地連接至電子設(shè)備且可操作地連接至馬達。
[0014]第一馬達和減速機可以是組合式的馬達和減速機。諧波傳動器可以在組合式馬達和減速機的內(nèi)部。
[0015]進一步的特征將在下面詳細描述的過程中進行描述或變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]先將僅通過示例的方式，參照附圖描述實施方式，在附圖中:
[0017]圖1是雙關(guān)節(jié)模塊的實施方式的立體圖，該雙關(guān)節(jié)模塊可用作腕關(guān)節(jié)；
[0018]圖2是圖1的雙關(guān)節(jié)模塊的分解圖；
[0019]圖3是圖1的雙關(guān)節(jié)模塊沿3-3線截取的剖視圖；
[0020]圖4是圖1的雙關(guān)節(jié)模塊沿4-4線截取的剖視圖；
[0021]圖5是雙關(guān)節(jié)模塊的替代實施方式的立體圖，該雙關(guān)節(jié)模塊可用作肘關(guān)節(jié)；
[0022]圖6是雙關(guān)節(jié)模塊的替代實施方式的立體圖，該雙關(guān)節(jié)模塊可用作肩關(guān)節(jié)；
[0023]圖7是雙關(guān)節(jié)模塊的替代實施方式的立體圖，該雙關(guān)節(jié)模塊類似于圖6中所示的模塊，但還包括叉式連接器；
[0024]圖8是包括圖1、圖5和圖7中所示二自由度關(guān)節(jié)的臂組件的立體圖；
[0025]圖9是雙關(guān)節(jié)模塊的替代實施方式的立體圖；
[0026]圖10是圖9的雙關(guān)節(jié)申旲塊的俯視圖；
[0027]圖11是圖9的雙關(guān)節(jié)模塊的側(cè)視圖；
[0028]圖12是圖9的雙關(guān)節(jié)I旲塊的主視圖；
[0029]圖13是圖9的雙關(guān)節(jié)模塊的分解圖；
[0030]圖14是圖9的雙關(guān)節(jié)模塊的剖視圖；
[0031]圖15是包括滾動關(guān)節(jié)和棱柱關(guān)節(jié)的雙關(guān)節(jié)模塊的分解圖；
[0032]圖16是包括圖9和圖15的雙關(guān)節(jié)模塊的臂的立體圖；以及
[0033]圖17是圖16的臂的立體分解圖。
【具體實施方式】
[0034]參照圖1至圖4，雙關(guān)節(jié)模塊一般以10示出。模塊10包括第一關(guān)節(jié)12、第二關(guān)節(jié)14和模塊殼體16。第一關(guān)節(jié)12具有第一關(guān)節(jié)軸線28，而第二關(guān)節(jié)14具有第二關(guān)節(jié)軸線46，并且第一軸線28通常與第二軸線46正交。然而，取決于設(shè)計約束，兩個關(guān)節(jié)之間的角度不必是正交，而是可以成另一角度。通常，第一關(guān)節(jié)是俯仰關(guān)節(jié)，而第二關(guān)節(jié)是滾動關(guān)節(jié)或偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
[0035]第一關(guān)節(jié)12包括第一馬達18、第一減速機20和第一傳動器22。例如,第一傳動器22是諧波傳動器。如本文所不，第一馬達18和第一減速機20可合并在同一單兀24中。第一馬達和減速機還可以包括增量編碼器。馬達減速機是減速裝置，用于減小操作第一模塊所需的扭矩。減速機和諧波傳動器的組合減速比為20584:1。大減速比的使用提供了使用更小、更輕和更低功率馬達的選項。增量編碼器測量馬達的相對旋轉(zhuǎn)位置，從而通過確定旋轉(zhuǎn)位置的變化率來確定馬達的速度。馬達的位置在減速機之前確定。第一傳動器22可包括集成的扭矩傳感器，該集成的扭矩傳感器測量在所有傳動之后所提供的輸出扭矩。第一關(guān)節(jié)還包括絕對編碼器26，絕對編碼器26確定所有傳動裝置之后的輸出的旋轉(zhuǎn)位置。絕對編碼器用于確定外連接裝置相對于內(nèi)連接裝置的相對旋轉(zhuǎn)位置。
[0036]第一關(guān)節(jié)12具有第一馬達軸線和第一關(guān)節(jié)軸線28。第一馬達20、第一減速機18、第一傳動器22和第一絕對編碼器26與第一關(guān)節(jié)軸線28同心。
[0037]第二關(guān)節(jié)14包括第二馬達32、第二減速機30和第二傳動器34。第二傳動器34可以是諧波傳動器。如本文所示，第二馬達32和第二減速機30可合并在同一單元36中。第二馬達和減速機可以還包括增量編碼器。增量編碼器測量馬達的相對旋轉(zhuǎn)位置，并且從相對旋轉(zhuǎn)位置的變化率確定馬達的速度。馬達的位置在減速機之前確定。第二傳動器34可包括集成的扭矩傳感器，該集成的扭矩傳感器測量在所有傳動之后所施加的輸出扭矩。第二關(guān)節(jié)還包括絕對編碼器38，編碼器38確定所有傳動裝置之后的輸出的旋轉(zhuǎn)位置。絕對編碼器用于確定連接裝置的旋轉(zhuǎn)位置。
[0038]第二關(guān)節(jié)14包括中空傳動軸40以及允許內(nèi)部布線41的角傳動裝置。蝸輪42和蝸桿44將第二馬達和減速機組合單元36連接至傳動器軸40。這允許將第二馬達32、第二馬達軸線和減速機組合單元36定位為與第二關(guān)節(jié)軸線46成角度。該角度可以是正交的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，取決于對關(guān)節(jié)的設(shè)計限制，可選擇不同的角度。馬達和減速機組合單元36以這種方式的定位允許緊湊的雙關(guān)節(jié)模塊。
[0039]第二關(guān)節(jié)14具有第二關(guān)節(jié)軸線46。第二傳動器34、第二絕對編碼器38和中空傳動軸40與第二軸線46同心。第二傳動器34可以是諧波傳動器。第二傳動器34、第二馬達軸線和減速機組合單元36垂直于第二關(guān)節(jié)軸線46。第二馬達和減速機組合單元36的第二馬達軸線平行于第一馬達和減速機組合單元24的第一馬達軸線。
[0040]電子模塊48可操作地連接至第一關(guān)節(jié)12和第二關(guān)節(jié)14中的每個。電子模塊48可操作地連接至控制單元(未示出)。電子模塊48從控制單元接收關(guān)于所需的關(guān)節(jié)運動的信息，并且相應(yīng)地控制第一馬達18和第二馬達30。每個電子模塊48都包括扭矩傳感器放大器，以提高來自扭矩傳感器的輸出信號的強度。每個電子模塊48都包括用于所有傳感器(諸如增量編碼器、絕對編碼器)以及來自扭矩傳感器放大器的輸出的接口，并且能夠數(shù)字化所有的傳感器信息。每個電子模塊48都包括電源連接裝置。
[0041]模塊殼體16包括具有電子連接裝置的第一殼體蓋52。第一輸出板50可操作地附接至第一傳動器50的輸出。輸出板50適于機械的外部連接裝置并可相對于模塊殼體16移動，并且輸出板50是殼體的主動端。具有電子連接裝置53的第一殼體蓋52用于電源和通信的關(guān)節(jié)模塊接口，并且用于定位附接至模塊10的連接裝置，并且第一殼體蓋是殼體的從動端。第二關(guān)節(jié)14具有結(jié)合的第二輸出板54和電子連接裝置55。主動端第一輸出板50、具有電子連接裝置的從動端第一殼體蓋52以及第二輸出板，連同第二關(guān)節(jié)14的中空傳動軸40允許內(nèi)部布線。然而，應(yīng)理解的是，第一關(guān)節(jié)可以具有中空傳動軸，并且第二關(guān)節(jié)可以具有主動端和從動端。模塊殼體16還包括殼體箱56。模塊殼體箱56足夠堅固以傳遞力和扭矩，模塊殼體箱是結(jié)構(gòu)支承部分，并且第一關(guān)節(jié)12和第二關(guān)節(jié)14附接至模塊殼體箱。同樣，模塊殼體16包圍電子設(shè)備和馬達并保護它們免受外部環(huán)境之害。模塊殼體16充當電磁屏蔽。模塊殼體16由金屬制成并導(dǎo)電。電子模塊48由殼體16封閉。殼體16提供電磁屏蔽。[0042]圖1至圖4中所示出的雙關(guān)節(jié)模塊10的實施方式用于相對于圖8中所示出的臂70中的其他關(guān)節(jié)小的關(guān)節(jié)，并且關(guān)節(jié)模塊10可用作腕模塊。圖5示出了雙關(guān)節(jié)模塊60的中等尺寸的實施方式，其類似于圖1至圖4示出的模塊，但略大，并且可用作肘模塊。由于肘關(guān)節(jié)60離負荷的距離更大，所以要求肘關(guān)節(jié)60產(chǎn)生更大的扭矩，并且從而需要更大的馬達和傳動器。圖6示出了雙關(guān)節(jié)模塊62的更大尺寸的實施方式，雙關(guān)節(jié)模塊62類似于模塊10和模塊60，但更大，并且可用作肩模塊。圖7是類似于圖6中示出的模塊的更大模塊，但是還包括叉式連接器64。關(guān)節(jié)模塊62包括比模塊10和模塊60的馬達和傳動器更大的馬達和傳動器，并且能產(chǎn)生更高的扭矩。電子設(shè)備進行配置以使得本文所描述的、具有內(nèi)部布線的關(guān)節(jié)能夠串聯(lián)連接。
[0043]僅作為示例，下表示出本文所示的具體關(guān)節(jié)可產(chǎn)生的扭矩。應(yīng)理解的是，馬達尺寸和傳動比可以變化，以實現(xiàn)具體應(yīng)用所需的扭矩。
[0044]
【權(quán)利要求】
1.一種雙關(guān)節(jié)模塊，其包括: 模塊殼體，具有結(jié)構(gòu)支承部分； 第一關(guān)節(jié)，具有第一馬達、第一馬達軸線和第一關(guān)節(jié)軸線；以及第二關(guān)節(jié)，具有第二馬達、第二馬達軸線和第二關(guān)節(jié)軸線，并且所述第二關(guān)節(jié)軸線與所述第一關(guān)節(jié)軸線成角度； 所述第一關(guān)節(jié)附接至所述結(jié)構(gòu)支承部分，并且所述第二關(guān)節(jié)附接至所述結(jié)構(gòu)支承部分。
2.如權(quán)利要求1所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)軸線與所述第二關(guān)節(jié)軸線正交。
3.如權(quán)利要求2所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)是俯仰關(guān)節(jié)。
4.如權(quán)利要求3所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第二關(guān)節(jié)是滾動關(guān)節(jié)和偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中的一個。
5.如權(quán)利要求3所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第二關(guān)節(jié)是棱柱關(guān)節(jié)。
6.如權(quán)利要求1所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的一個關(guān)節(jié)具有與其關(guān)節(jié)軸線成角度的馬達軸線。
7.如權(quán)利要求1所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的一個關(guān)節(jié)具有與其關(guān)節(jié)軸線正交的馬達軸線。
8.如權(quán)利要求7所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的另一關(guān)節(jié)具有與其關(guān)節(jié)軸線平行的馬達軸線。
9.如權(quán)利要求1所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個關(guān)節(jié)都還包括可操作地附接至各自馬達的傳動器和減速機。
10.如權(quán)利要求9所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述傳動器是諧波傳動器。
11.如權(quán)利要求9所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個所述馬達都還包括絕對編碼器和增量編碼器。
12.如權(quán)利要求11所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個馬達都能測量速度和電流。
13.如權(quán)利要求12所述的雙關(guān)節(jié)模塊，還包括扭矩傳感器。
14.如權(quán)利要求6所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一馬達和所述第二馬達中的一個馬達連接至角傳動裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述角傳動裝置是直角傳動裝置。
16.如權(quán)利要求14所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述直角傳動裝置是蝸輪和準雙曲面齒輪中的一個。
17.如權(quán)利要求1至16中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)配置成可反轉(zhuǎn)的。
18.如權(quán)利要求1至16中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個所述馬達都可操作地連接至在所述模塊殼體內(nèi)部的電纜。
19.如權(quán)利要求10至16中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的一個關(guān)節(jié)具有殼體主動端和殼體從動端，而所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的另一關(guān)節(jié)具有中空中心軸，并且所述電纜穿過所述一個關(guān)節(jié)的所述無源側(cè)部以及所述另一關(guān)節(jié)的中空中心軸。
20.如權(quán)利要求1至16中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述模塊殼體包括模塊殼體箱，并且每個馬達都在所述模塊殼體箱之外。
21.如權(quán)利要求20所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述模塊殼體還包括充當電磁屏蔽的模塊殼體和馬達殼體。
22.如權(quán)利要求1至16中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述模塊殼體充當電磁屏蔽。
23.如權(quán)利要求1至16中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個所述關(guān)節(jié)都是低功率、高扭矩關(guān)節(jié)。
24.一種雙關(guān)節(jié)模塊，其包括: 模塊殼體； 第一關(guān)節(jié)，具有從動端和主動端，并且具有第一馬達； 第二關(guān)節(jié)，具有中空中心軸以及離軸傳動器，并且具有第二馬達；以及 內(nèi)部布線，貫穿所述第一關(guān)節(jié)的所述無源側(cè)部且貫穿所述第二關(guān)節(jié)的所述中空中心軸。
25.如權(quán)利要求24所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個所述關(guān)節(jié)都還包括電子設(shè)備，并且所述電子設(shè)備能夠串聯(lián)連接，而且所述電纜可操作地連接至所述電子設(shè)備且可操作地連接至每個馬達。
26.如權(quán)利要求25所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個所述關(guān)節(jié)都還包括可操作地連接至所述馬達的傳動器和減速機。
27.如權(quán)利要求26所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述傳動器是諧波傳動器。
28.如權(quán)利要求26所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中每個關(guān)節(jié)都還包括可操作地連接至所述馬達的增量編碼器和絕對編碼器。
29.如權(quán)利要求28所述的雙關(guān)節(jié)模塊，還包括扭矩傳感器。
30.如權(quán)利要求26所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述模塊殼體包括結(jié)構(gòu)支承部分，所述第一關(guān)節(jié)附接至所述結(jié)構(gòu)支承部分，并且所述第二關(guān)節(jié)附接至所述結(jié)構(gòu)支承部分。
31.如權(quán)利要求26所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一馬達和所述減速機是組合馬達和減速機。
32.如權(quán)利要求31所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述傳動器在所述組合馬達和減速機內(nèi)部。
33.如權(quán)利要求24至32中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的一個關(guān)節(jié)具有關(guān)節(jié)軸線，所述馬達具有馬達軸線，并且所述馬達軸線與所述關(guān)節(jié)軸線成角度。
34.如權(quán)利要求24至32中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的一個關(guān)節(jié)具有關(guān)節(jié)軸線，所述馬達具有馬達軸線，并且所述馬達軸線垂直于所述關(guān)節(jié)軸線。
35.如權(quán)利要求24至32中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述第一關(guān)節(jié)和所述第二關(guān)節(jié)中的一個關(guān)節(jié)具有關(guān)節(jié)軸線，所述馬達具有馬達軸線，并且所述馬達軸線與所述關(guān)節(jié)軸線成角度，并且所述第一馬達和所述第二馬達中的另一馬達具有馬達軸線，并且其中所述一個馬達的軸線平行于所述另一馬達的軸線。
36.如權(quán)利要求24至32中任一項所述的雙關(guān)節(jié)模塊，每個所述關(guān)節(jié)都是低功率、高扭矩關(guān)節(jié)。
37.如權(quán)利要求24所述的雙關(guān)節(jié)模塊，其中所述模塊殼體包括充當電磁屏蔽的外部殼體 。
【文檔編號】B25J17/02GK104029213SQ201410082114
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月7日
【發(fā)明者】安德魯·A·戈登伯格, 布倫特·貝利, 馬修·格利尼弗斯基, 何曉佳, 楊毅 申請人:工程服務(wù)公司