[实用新型]一种精细机械模块化关节结构

说明书

本实用新型公开了一种精细机械模块化关节结构，包括谐波减速器、力矩电机、编码器、动力系统、空腔管，谐波减速器安装在关节结构的一侧，在谐波减速器的内侧安装有底座，在底座内部设置有电机安装腔，力矩电机安装在底座的电机安装腔内部，在底座与编码器之间设置有轴端盖，谐波发生器由刚性齿轮、柔性齿轮、波发生器组成，波发生器内部为中空结构，空腔管设置在波发生器的中空结构位置，在空腔管内部设置有电源线和信号线，特殊设计谐波减速器波发生轴使得编码器、电机转子、制动器衔铁可以直接安装到传动系统内，力矩电机采用无框结构，使得关节模块结构极致紧致、精简，关节传动精度大大提高，关节功率密度大大提高。

技术领域

本实用新型涉及机械臂部件，尤其是一种适用于精细操作的模块化机械臂关节。

背景技术

模块化的设计方法在现代机器人的设计和研发过程中被广泛的应用，特别是在一些蛇形机器人，履带式移动机器人和一些自重构机器人中。国外在控制系统模块和机械系统模块的研发技术都已经比较成熟了，但仍然存在以下问题：1）模块种类单一，需额外的连杆模块。此外高端模块的技术对中国进行封锁。2）价格极其昂贵。因此，设计和开发合适的关节模块仍然开发机器人中的一个技术重点。

模块化关节设计的难点在于保证关节的精度的同时结构尺寸尽可能紧凑，关节的精度直接影响整体机器人的末端负载的精度，影响工作质量；而结构尺寸则直接关系到机器人关节质量、结构，甚至影响整体方案；电气设计的难点是如何降低干扰的影响。

结构设计的难点在于要求结构紧凑、尺寸小、重量轻，绝不仅仅是几个零部件的堆砌。为保证结构设计的紧凑，选用的电机为无框力矩电机，外壳为航空铝7075，谐波减速器进行定制（力矩电机的电机轴和谐波减速器的输入轴做成一体）以及其他零部件的选型充分考虑小而精的特点。

电气设计的难点是如何降低干扰的影响。为了消除电机电力线的干扰，把电机动力线远离模拟弱电路,直流电源加LC滤波。高频通讯线缆用屏蔽线缆，屏蔽线缆的屏蔽层单端接地。采取设计多层印制板的方案，并且把模拟弱电路周围铺地。制动器是感性负载，为了消除感性负载开合瞬间产生的电压冲击，增加瞬态吸收电路。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种精细机械模块化关节结构，使得系统由若干类型相同或者类型不同的模块连接而成。模块彼此之间是完全独立的，并且拆卸非常方便，使得机器人拥有较高的容错率，便于维护。

一种精细机械模块化关节结构，包括：谐波减速器、力矩电机、编码器、动力系统、空腔管；其中，谐波减速器安装在关节结构的一侧，在谐波减速器的内侧安装有底座，在底座内部设置有电机安装腔，力矩电机安装在底座的电机安装腔内部；在底座与编码器之间设置有轴端盖，谐波发生器由刚性齿轮、柔性齿轮、波发生器组成，波发生器内部为中空结构，空腔管设置在波发生器的中空结构位置，在空腔管内部设置有电源线和信号线。

进一步的，动力系统包括制动器、驱动器和驱动板，制动器外侧设置有制动器支架。

在模块化关节的精度时，通常是考虑在电机端加编码器同时在输出端（谐波减速器输出端）加编码器或者力矩传感器。本模块关节设计时在电机端加多圈绝对编码器，编码器精度±90″（±0.025度），谐波减速器的传动比是160，故电机端误差传递到谐波减速器端的误差为 0.000156度；考虑谐波减速器的精度，谐波减速器的角度传达精度1.5×10-4rad(0.008度),综合精度为0.008度。此精度等级满足国际先进水平，同时减少谐波减速器端的编码器/力矩传感器，降低结构复杂性，确保结构紧凑。

本实用新型提供了一种精细机械模块化关节结构，驱动器和驱动板集合在关节结构件上，每个模块化关节之间，仅需一组电源线、一条通讯线连接，并且采用关节内部走线，外形简洁美观，安全性和可靠性高。特殊设计谐波减速器波发生轴使得编码器、电机转子、制动器衔铁可以直接安装到传动系统内，力矩电机采用无框结构，使得关节模块结构极致紧致、精简，关节传动精度大大提高，关节功率密度大大提高。