本發(fā)明屬于機器人技術領域，可用于輕質關節(jié)型工業(yè)機械臂、服務機器人機械臂的研究及開發(fā)。

技術背景

目前大部分的關節(jié)型工業(yè)機器人的運動都是將六個關節(jié)由連桿等連接并通過旋轉運動產(chǎn)生的，結構復雜、體積較大，導致重量/負載比較大、能源利用率較低、拆裝困難、價格昂貴。

在給定任務復雜多變或工作環(huán)境未知的情況下，傳統(tǒng)工業(yè)機器人由于自身構型的限制，難以滿足工作的需要。模塊化機器人改變了傳統(tǒng)工業(yè)機械臂的局限性，可以適應復雜多變的工作環(huán)境和給定任務，擴大了機器人的應用領域、降低機械臂的重量負載比、縮短機械臂設計周期并降低成本，可滿足未來多變化和小批量的柔性生產(chǎn)需求，逐步成為了機器人研究的熱點。

目前針對機器人關節(jié)模塊的研究主要圍繞單自由度關節(jié)模塊進行，獲得了大量的研究成果，開發(fā)出單自由度關節(jié)模塊和相應的輕質機械臂；但是，關于二自由度關節(jié)模塊，迄今還沒有相關技術的公開報導。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足，提供一種二自由度正交式機器人關節(jié)模塊及六自由度機械臂，將兩個方向的驅動、傳感以及控制部件集成在一起，單個關節(jié)提供兩個方向的動力輸出，獲得更好的結構和性能。

本發(fā)明二自由度正交式機器人關節(jié)模塊的結構特點是：在由基座和殼體構成的中空腔內(nèi)，獨立設置第一動力單元和第二動力單元，所述第一動力單元和第二動力單元是結構相同的單自由度動力單元，第一動力單元和第二動力單元的動力輸出軸相互垂直。

本發(fā)明二自由度正交式機器人關節(jié)模塊的結構特點也在于：所述單自由度動力單元的結構設置是：法蘭連接在諧波減速裝置上；直流電機組件套裝在中空軸上，并能夠驅動所述中空軸旋轉；利用所述諧波減速器連接中空軸和法蘭；抱閘裝置通過齒輪副對中空軸進行制動。

本發(fā)明利用二自由度正交式機器人關節(jié)模塊構成的六自由度機械臂的結構特點是：包括安裝在固定位置上的底座、第一連桿、第二連桿，以及三只本發(fā)明關節(jié)模塊，所述關節(jié)模塊分別第一關節(jié)、第二關節(jié)和第三關節(jié)；

所述第一關節(jié)中的一個動力單元的法蘭與底座固定連接，另一動力單元的法蘭與第一連桿的下端固定連接；

所述第二關節(jié)中的一個動力單元的法蘭與第一連桿的上端連接，另一動力單元的法蘭與第二連桿的下端連接；

所述第三關節(jié)中的一個動力單元的法蘭與第二連桿的上端相連接，另一動力單元的法蘭用于連接機械手爪等末端執(zhí)行器。

與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

相比于單自由度關節(jié)模塊，本發(fā)明中二自由度關節(jié)模塊將兩個方向的驅動、傳感和控制等部件集成，單個關節(jié)能夠提供兩個方向的動力輸出，其結構緊湊、集成度高、綜合能耗更低，將為輕質高效工業(yè)機器人和服務機器人機械臂的開發(fā)提供關鍵部件，極大地有利于促進工業(yè)機器人的升級換代和服務機器人的應用推廣。

附圖說明

圖1本發(fā)明內(nèi)部結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中單自由度動力單元結構圖；

圖3為本發(fā)明中六自由度機械臂結構示意圖；

圖中標號：1基座，2外殼，3第一動力單元，4第二動力單元，5第一驅動板，6第二驅動板，31法蘭，32諧波減速裝置，33直流電機組件，34中空軸，35齒輪副，36傳動軸，37抱閘裝置，38編碼器，71第一連桿，72第二連桿，81第一關節(jié)，82第二關節(jié)，83第三關節(jié)，9底座。

具體實施方式

參見圖1和圖2，本實施例中二自由度正交式機器人關節(jié)模塊的結構形式是：在由基座1和殼體2構成的中空腔內(nèi)，獨立設置第一動力單元3和第二動力單元4，第一動力單元3和第二動力單元4是結構相同的單自由度動力單元，第一動力單元3和第二動力單元4的動力輸出軸相互垂直。第一驅動板5和第二驅動板6分別是第一動力單元3、第二動力單元4的控制電路板，安裝在外殼2的內(nèi)部，用來控制動力單元的輸出速度及力矩。

單自由度動力單元的結構設置是：法蘭31連接在諧波減速裝置32上，用于連接機器人連桿；直流電機組件33套裝在中空軸34上，并能夠驅動中空軸34旋轉；利用諧波減速裝置32連接中空軸34和法蘭31；抱閘裝置37通過齒輪副35對中空軸34進行制動。

由直流電機組件33驅動中空軸34轉動，經(jīng)過連接在中空軸34上的諧波減速裝置32減速而輸出扭矩至法蘭31；中空軸34的旋轉經(jīng)過齒輪副35的減速傳輸?shù)絺鲃虞S36上，抱閘裝置37通過施加反向力矩阻止傳動軸36的運動，對中空軸34進行制動；編碼器38安裝在抱閘裝置37的后端，用于計算中空軸34旋轉的圈數(shù)。

傳統(tǒng)的六自由度機械臂，除了底座之外，至少需要四跟連桿，才能實現(xiàn)六軸的運動輸出。使用本發(fā)明的二自由度正交式機器人關節(jié)模塊，可以構建如圖3所示的六自由度機械臂，包括底座9、第一連桿71、第二連桿72以及三個關節(jié)模塊，圖中所示三個關節(jié)模分別是連接在第一連桿71與底座之間的第一關節(jié)81，連接在第一連桿71和第二連桿72之間的第二關節(jié)82，以及連接在第二連桿另一端的第三關節(jié)83，使機器人的構型簡單化和輕質化。

圖3所示的六自由度機械臂，其底座9安裝在固定位置上，第一關節(jié)81中的一個動力單元的法蘭與底座9固定連接，另一動力單元的法蘭與第一連桿71的下端固定連接；第二關節(jié)82中的一個動力單元的法蘭與第一連桿71的上端連接，另一動力單元的法蘭與第二連桿72的下端連接；第三關節(jié)83中的一個動力單元的法蘭與第二連桿72的上端相連接，另一動力單元的法蘭用于連接機械手爪等末端執(zhí)行器。

在動力單元的驅動下，第一關節(jié)81中與底座9相連的動力單元用于驅動第一關節(jié)81、第一連桿71、第二關節(jié)82、第二連桿72以及第三關節(jié)83等構件整體繞底座的軸線旋轉；第一關節(jié)81中與第一連桿71相連的動力單元用于驅動第一連桿繞該動力單元的軸線旋轉；第二關節(jié)82與第一連桿相連的動力單元用于驅動第二關節(jié)82、第二連桿72以及第三關節(jié)83繞該動力單元的軸線旋轉；第二關節(jié)82與第二連桿72相連的動力單元用于驅動第二連桿71以及第三關節(jié)83繞該動力單元的軸線旋轉；第三關節(jié)83與第二連桿72相連的動力單元用于驅動第三關節(jié)82繞該動力單元的軸線旋轉。

本發(fā)明中將殼體做成球狀，首先在外殼表面積相同的情況下，內(nèi)部體積為最大，能夠容納關節(jié)模塊的各零部件；其次為了使各連桿和關節(jié)模塊組成的機械臂，工作空間最大，避免在工作空間內(nèi)連桿運動和關節(jié)模塊產(chǎn)干涉。

本發(fā)明可以為機器人行業(yè)提供一種高集成度的關節(jié)模塊，為機器人向輕質化、模塊發(fā)的發(fā)展提供關鍵核心部件，引導機器人的設計與制造方法向輕質化、模塊化方向發(fā)展。