專利名稱：一種模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模塊化可重構(gòu)機(jī)器人。
背景技術(shù)：
模塊化可重構(gòu)機(jī)器人是由一系列具有不同尺寸和功能特征的關(guān)節(jié)、連桿等模塊組 成的，能以搭積木的方式通過模塊之間簡單、快速的組裝和拆卸來改變整體結(jié)構(gòu)，重新組合 構(gòu)型的機(jī)器人。相對于傳統(tǒng)的固定構(gòu)型機(jī)器人而言，模塊化可重構(gòu)機(jī)器人可實現(xiàn)“一套構(gòu) 件、多種構(gòu)型”，能根據(jù)任務(wù)要求選擇最佳的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，因而對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和作業(yè) 能力更強。體現(xiàn)模塊化可重構(gòu)機(jī)器人優(yōu)勢特點的一個關(guān)鍵技術(shù)就是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊設(shè)計。在目 前研制的各類型轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊中，大部分采用直流電機(jī)加行星減速的傳動方案，回差較大、 精度不高；機(jī)械接口沒有定位設(shè)計，連接安裝復(fù)雜；電氣接口走線暴露在外，機(jī)器人運動時 易導(dǎo)致電線纏繞；沒有考慮制動和機(jī)械限位，忽略了使用過程中的安全性；普遍采用增量 式碼盤，意外掉電時無法保留位置信息，重新上電時造成機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)缺失，無法繼續(xù)運 行。上述問題的存在，直接影響了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊的運動控制性能，降低了模塊化可重構(gòu)機(jī)器 人的靈活性、可靠性和實用性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單合 理、安裝定位方便、精度高、內(nèi)走線、使用安全可靠的集機(jī)構(gòu)、驅(qū)動、控制、感知、通信等于一 體的用于模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，包括籠形支座、上端蓋、下端蓋、直流 無刷電機(jī)、行星減速器、電磁制動器、碼盤，還包括諧波減速器，所述上端蓋安裝在諧波減速 器的輸出端，所述諧波減速器安裝在籠形支座上，所述行星減速器的輸出軸安裝在諧波減 速器的輸入端，所述行星減速器的外殼安裝在籠形支座上，所述直流無刷電機(jī)的前輸出軸 安裝在行星減速器的輸入端，所述直流無刷電機(jī)的定子與所述行星減速器的外殼固接，所 述電磁制動器的轉(zhuǎn)子安裝在所述直流無刷電機(jī)的后輸出軸上，所述電磁制動器的定子安裝 在所述制動器安裝座上，所述制動器安裝座與籠形支座固接，所述碼盤的光柵盤安裝在所 述直流無刷電機(jī)的后輸出軸上，所述碼盤的外殼安裝在碼盤安裝座上，所述碼盤安裝座與 所述制動器安裝座固接，所述下端蓋安裝在籠形支座上。為保證意外掉電后當(dāng)前運動信息的保存，本發(fā)明還包括旋轉(zhuǎn)電位計、小齒輪、齒 圈，所述旋轉(zhuǎn)電位計安裝在籠形支座上，所述小齒輪設(shè)置在旋轉(zhuǎn)電位計的轉(zhuǎn)軸上，所述齒圈 與上端蓋固接，所述小齒輪與所述齒圈嚙合；所述碼盤為增量式碼盤。為達(dá)到機(jī)械限位及電氣限位和零位作用，本發(fā)明還包括機(jī)械限位裝置和電氣限位 裝置，所述機(jī)械限位裝置為兩塊限位擋塊，一個限位擋塊與齒圈固接，另一個限位擋塊和籠
3形支座固接；所述電氣限位裝置包括霍爾傳感器、磁塊，所述霍爾傳感器貼裝在限位擋塊 上，所述磁塊貼裝在齒圈上。本發(fā)明還包括DSP控制電路板、驅(qū)動電路板、電源轉(zhuǎn)換電路板、D型連接器，所述 DSP控制電路板、驅(qū)動電路板和電源轉(zhuǎn)換電路板安裝在碼盤安裝座上，所述D型連接器分別 安裝在上端蓋和下端蓋上。為避免組裝成機(jī)器人后發(fā)生電線運動纏繞問題，本發(fā)明還包括外罩，所述外罩與 下端蓋連接。為保證在組裝機(jī)器人的過程中，模塊連接和定位十分準(zhǔn)確、方便，所述籠形支座、 制動器安裝座和碼盤安裝座均設(shè)有與驅(qū)動傳動元器件安裝配合的定位止口 ；所述上端蓋和 下端蓋均設(shè)有便于模塊相互連接的定位止口和定位銷孔。本發(fā)明的原理是DSP控制電路板是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊的控制核心，負(fù)責(zé)程序存儲、實時計算、伺服控制、 信號處理和通信等功能；驅(qū)動電路板接收DSP控制電路板發(fā)送的指令，對直流無刷電機(jī)進(jìn) 行驅(qū)動控制；直流無刷電機(jī)的前輸出軸經(jīng)行星和諧波兩級減速后將旋轉(zhuǎn)運動輸出至上端 蓋；安裝在上端蓋上的齒圈通過小齒輪將運動傳至電位計，利用電位計記錄轉(zhuǎn)動角度信息， 并保證意外掉電后當(dāng)前運動信息的保存；分別安裝在齒圈和籠形支座上的限位擋塊起到機(jī) 械限位的作用，霍爾傳感器和磁塊配合起到電氣限位和零位作用；安裝在直流無刷電機(jī)后 輸出軸的電磁制動器在DSP控制電路板的控制下實現(xiàn)主動制動或意外掉電制動；安裝在直 流無刷電機(jī)后輸出軸的增量式碼盤將電機(jī)轉(zhuǎn)動的位置信息實時反饋給DSP控制電路板；電 源轉(zhuǎn)換電路板負(fù)責(zé)整個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊各種元器件的供電。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在以下幾方面1.電機(jī)輸出在行星減速的基礎(chǔ)上又增加了一級諧波減速，不僅提高了減速比，增 加了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊的輸出力矩，而且由于諧波減速器回差小、精度高，因此也提高了整個模 塊的傳動精度。2.上、下端蓋作為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊的輸出、輸入接口，均采用帶止口和定位銷孔的法 蘭式設(shè)計，因此在組裝機(jī)器人的過程中，模塊連接和定位十分準(zhǔn)確、方便。3.所有電線均布置在籠形支座和上、下端蓋的內(nèi)部，并用外罩加以隔離保護(hù)，因此 整個模塊外觀干凈利索，無線路暴露在外，避免組裝成機(jī)器人后發(fā)生電線運動纏繞問題。4.采用限位擋塊作為機(jī)械限位，并在機(jī)械限位之前利用霍爾傳感器實現(xiàn)電氣限 位；同時，采用電磁制動器實現(xiàn)掉電時刻的制動保護(hù)；以上設(shè)計大大增加了模塊使用過程 中的安全性。5.在采用增量式碼盤的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)電位計設(shè)計，以此實現(xiàn)模塊運動的輔助 位置測量，并保證意外掉電情況下對絕對位置信息的記錄，使得系統(tǒng)重新上電后依然可繼 續(xù)工作。


圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖1 ；圖2為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖2 ；圖3為圖1安裝上外罩的結(jié)構(gòu)示意圖4為傳動鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為籠形支座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為上端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為電位計安裝座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為限位擋塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為下端蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為制動器安裝座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為外罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為碼盤安裝座的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為齒圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為小齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1為上端蓋，2為下端蓋，3為籠形支座，4為限位擋塊，5為齒圈，6為電位計 安裝座，7為旋轉(zhuǎn)電位計，8為D型連接器，9為諧波減速器，10為驅(qū)動電路板，11為DSP控制 電路板，12為電源轉(zhuǎn)換電路板，13為制動器安裝座，14為碼盤安裝座，15為小齒輪，16為外 罩，17為行星減速器，18為直流無刷電機(jī)，19為電磁制動器，20為增量式碼盤。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1 圖14，本發(fā)明包括籠形支座3、上端蓋1、下端蓋2、直流無刷電機(jī)18、 行星減速器17、電磁制動器19、增量式碼盤20，還包括諧波減速器9、旋轉(zhuǎn)電位計7、小齒輪 15、齒圈5、包括機(jī)械限位裝置和電氣限位裝置、DSP控制電路板、驅(qū)動電路板、電源轉(zhuǎn)換電 路板、D型連接器、外罩，所述上端蓋1安裝在諧波減速器9的輸出端，所述諧波減速器9安 裝在籠形支座3上，所述行星減速器17的輸出軸安裝在諧波減速器9的輸入端，所述行星 減速器17的外殼安裝在籠形支座3上，所述直流無刷電機(jī)18的前輸出軸安裝在行星減速 器17的輸入端，所述直流無刷電機(jī)18的定子與所述行星減速器17的外殼固接，所述電磁 制動器19的轉(zhuǎn)子安裝在所述直流無刷電機(jī)18的后輸出軸上，所述電磁制動器19的定子安 裝在所述制動器安裝座13上，所述制動器安裝座13與籠形支座3固接，增量式碼盤20的 光柵盤安裝在所述直流無刷電機(jī)18的后輸出軸上，所述增量式碼盤20的外殼安裝在碼盤 安裝座14上，所述碼盤安裝座14與所述制動器安裝座13固接，所述下端蓋2安裝在籠形 支座上3 ；所述旋轉(zhuǎn)電位計7安裝在籠形支座3上，所述小齒輪15設(shè)置在旋轉(zhuǎn)電位計7的轉(zhuǎn) 軸上，所述齒圈5與上端蓋1固接，所述小齒輪15與所述齒圈5嚙合；所述機(jī)械限位裝置為兩塊限位擋塊4，一個限位擋塊4與齒圈5固接，另一個限位 擋塊4和籠形支座3固接；所述電氣限位裝置包括霍爾傳感器、磁塊，所述霍爾傳感器貼裝 在限位擋塊4上，所述磁塊貼裝在齒圈5上；所述DSP控制電路板、驅(qū)動電路板和電源轉(zhuǎn)換電路板安裝在碼盤安裝座14上，所 述D型連接器分別安裝在上端蓋1和下端蓋2上。所述外罩與下端蓋2連接；所述籠形支座3、制動器安裝座13和碼盤安裝座14均設(shè)有與驅(qū)動傳動元器件安裝配合的定位止口；所述上端蓋1和下端蓋2均設(shè)有便于模塊相互連接的定位止口和定位銷孔。另外，霍爾傳感器和磁塊配合使用，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊的電氣限位；可根據(jù)轉(zhuǎn)動 的極限位置和零位置任意調(diào)整磁塊在齒圈上的貼裝位置。所述DSP控制電路板的DSP芯片單元可采用型號為TMS320F2812，其一信號輸入端 通過CAN通信模塊與電源轉(zhuǎn)換電路板的電源轉(zhuǎn)換模塊連接；其另一信號輸入端通過模擬信號模塊與驅(qū)動電路板的驅(qū)動場效應(yīng)管模塊輸出端 連接；其另一信號輸入端與旋轉(zhuǎn)電位計7的接口模塊連接；其另一信號輸入端通過光電編碼器接口模塊與直流無刷電機(jī)18的接口模塊連 接；其另一信號輸入端通過霍爾傳感器接口模塊與直流無刷電機(jī)18的接口模塊連 接；其另三個信號輸入端分別通過連接順序辨識接口模塊、零極位開關(guān)模塊和光電編 碼器接口模塊與靜電保護(hù)芯片模塊輸出端連接；所述DSP芯片單元其一信號輸出端與制動器控制模塊信號輸入端連接；其另一信號輸出端依次通過光耦隔離芯片模塊和驅(qū)動邏輯芯片模塊與驅(qū)動場效 應(yīng)管模塊信號輸入端連接；所述電源轉(zhuǎn)換模塊的輸入端和制動器控制模塊的輸入端與直流電源接口模塊的 輸出端連接；所述電源轉(zhuǎn)換模塊輸入端分別與CAN通信模塊、光耦隔離芯片模塊、驅(qū)動邏輯芯 片模塊、制動器控制模塊和零極位開關(guān)模塊連接；所述直流電源接口模塊輸出端通過采樣電阻模塊與驅(qū)動場效應(yīng)管模塊連接；所述驅(qū)動場效應(yīng)管模塊分別與模擬信號模塊和直流無刷電機(jī)接口模塊輸入端連 接。
權(quán)利要求
1.一種模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，包括籠形支座、上端蓋、下端蓋、直流無 刷電機(jī)、行星減速器、電磁制動器、碼盤，其特征在于還包括諧波減速器，所述上端蓋安裝 在諧波減速器的輸出端，所述諧波減速器安裝在籠形支座上，所述行星減速器的輸出軸安 裝在諧波減速器的輸入端，所述行星減速器的外殼安裝在籠形支座上，所述直流無刷電機(jī) 的前輸出軸安裝在行星減速器的輸入端，所述直流無刷電機(jī)的定子與所述行星減速器的外 殼固接，所述電磁制動器的轉(zhuǎn)子安裝在所述直流無刷電機(jī)的后輸出軸上，所述電磁制動器 的定子安裝在所述制動器安裝座上，所述制動器安裝座與籠形支座固接，所述碼盤的光柵 盤安裝在所述直流無刷電機(jī)的后輸出軸上，所述碼盤的外殼安裝在碼盤安裝座上，所述碼 盤安裝座與所述制動器安裝座固接，所述下端蓋安裝在籠形支座上。
2.如權(quán)利要求1所述的模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，其特征在于還包括旋 轉(zhuǎn)電位計、小齒輪、齒圈，所述旋轉(zhuǎn)電位計安裝在籠形支座上，所述小齒輪設(shè)置在旋轉(zhuǎn)電位 計的轉(zhuǎn)軸上，所述齒圈與上端蓋固接，所述小齒輪與所述齒圈嚙合；所述碼盤為增量式碼ο
3.如權(quán)利要求1所述的模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，其特征在于還包括機(jī) 械限位裝置和電氣限位裝置，所述機(jī)械限位裝置為兩塊限位擋塊，一個限位擋塊與齒圈固 接，另一個限位擋塊和籠形支座固接；所述電氣限位裝置包括霍爾傳感器、磁塊，所述霍爾 傳感器貼裝在限位擋塊上，所述磁塊貼裝在齒圈上。
4.如權(quán)利要求1所述的模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，其特征在于還包括DSP 控制電路板、驅(qū)動電路板、電源轉(zhuǎn)換電路板、D型連接器，所述DSP控制電路板、驅(qū)動電路板 和電源轉(zhuǎn)換電路板安裝在碼盤安裝座上，所述D型連接器分別安裝在上端蓋和下端蓋上。
5.如權(quán)利要求1所述的模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，其特征在于還包括外 罩，所述外罩與下端蓋連接。
6.如權(quán)利要求1 5任一權(quán)利要求所述的模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，其特 征在于所述籠形支座、制動器安裝座和碼盤安裝座均設(shè)有與驅(qū)動傳動元器件安裝配合的 定位止口。
7.如權(quán)利要求1 5任一權(quán)利要求所述的模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，其特 征在于所述上端蓋和下端蓋均設(shè)有便于模塊相互連接的定位止口和定位銷孔。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模塊化可重構(gòu)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊，電機(jī)輸出在行星減速的基礎(chǔ)上增加一級諧波減速，提高了減速比，增加了輸出力矩，提高了模塊的傳動精度。上、下端蓋作為安裝接口，均采用帶定位止口和銷孔的法蘭式設(shè)計，模塊連接和定位準(zhǔn)確、方便。所有電線均布置在籠形支座和上、下端蓋的內(nèi)部，并用外罩加以隔離保護(hù)，避免機(jī)器人運動時發(fā)生電線纏繞問題。模塊內(nèi)部設(shè)有機(jī)械限位和電氣限位。在采用增量式碼盤的基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)電位計設(shè)計，實現(xiàn)模塊運動的輔助位置測量，并保證意外掉電情況下對絕對位置信息的記錄，使系統(tǒng)重新上電后依然可繼續(xù)工作。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單合理、安裝定位方便、精度高、內(nèi)走線、使用安全可靠。
文檔編號B25J17/00GK102101298SQ20091024857
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者何能, 佘岑, 姜勇, 潘新安, 王洪光 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所