一種雙自由度圓柱關節模塊的制作方法

本發明涉及機器人控制
技術領域：
，特別涉及一種雙自由度圓柱關節模塊。
背景技術：
：現今，機器人技術已經取到極大的發展，機器人具有高度靈活性，因此被廣泛應用于各個行業以及各種場景中。但是現有技術的機器人系統主要針對特定的使用環境和場合，因此缺乏功能的擴展性和結構的重構性。另外，對于產品線的快速更新換代，往往需要更換其他相應的機器人系統，才能滿足生產需求，因此容易導致嚴重浪費生產資源并且制約機器人的推廣應用。多功能、易構建和低成本是機器人新系統開發中的重要原則，而模塊化機器人是行之有效的解決方案。機器人關節模塊是模塊化機器人的組成機構，能夠簡化設計制造以及維護的成本、縮短研制周期，降低研制成本。其中，直線移動關節模組在國內外早已出現，已成為常見且標準化產品。機器人轉動關節模塊已被國內外不少科研院所和企業研制開發。例如德國amtec公司、schunk公司、國內哈爾濱工業大學、中科院沈陽自動化研究所、深圳先進技術研究院以及廣東工業大學仿生與智能機器人實驗室(birl)等機構也相繼開發出旋轉關節模塊，但是現有技術中已經開發出的轉動關節模塊結構較為復雜，模塊之間的連接需要特制連桿，因此國內外的機器人關節模塊絕大多數只有單一自由度(如直線移動或者回旋)，如使用到兩個自由度，需要將兩個模塊串聯以進行使用，但是這樣方式使得結構比較松散并且體積較大。技術實現要素：本發明的主要目的是提出一種結構緊湊合理和控制方式簡單可靠的雙自由度圓柱關節模塊，旨在降低機器人關節模塊的體積以及提高控制自由度以及更好的控制靈活性。為實現上述目的，本發明技術方案通過以下技術方案進行實現：雙自由度圓柱關節模塊，包括內部設有空腔的外殼，所述外殼表面設有若干個開口，所述外殼內部一側安裝伺服驅動控制器，所述伺服驅動控制器端部通過所述外殼側面開口與其他外接的模塊連接，所述雙自由度圓柱關節模塊還設有豎直穿過所述外殼上下豎直相對開口且垂直移動和/或旋轉的絲桿，所述外殼內部安裝有傳動機構配合傳動所述絲桿，所述傳動機構與所述伺服驅動控制器電連接。本發明技術方案中，通過在帶有空腔的外殼內部安裝有伺服驅動控制器，并且伺服驅動控制器端部可通過外殼側面開口與其他外接的模塊連接，同時外殼內部設有傳動機構與伺服驅動控制器電連接從而被驅動，而傳動機構對絲桿進行驅動旋轉，從而使得絲桿可以繞自身中心軸線旋轉，或沿自身中心軸線直線移動、或繞自身中心軸線旋轉和沿自身中心軸線直線移動復合的螺旋運動。本發明技術方案，外殼頂端邊沿卡合相連有外殼頂蓋，外殼底端邊沿卡合相連有外殼底蓋，外殼頂蓋和外殼底蓋均設有避讓孔，絲桿穿過避讓孔以上下軸向移動。通過在外殼的頂端和底端分別卡合相連有外殼頂蓋和外殼底蓋，以防止外界的灰塵進入外殼內部而影響雙自由度圓柱關節模塊的工作可靠性。通過在外殼內部集成安裝伺服驅動控制器以及傳動機構，絲桿方便地以不同的控制方式進行工作，以滿足本發明的雙自由度圓柱關節模塊應用于不同的控制方式和應用場景中。相對于現有技術，本發明技術方案具有結構緊湊合理、控制方式簡單以及工作可靠等優點。所述傳動機構包括固定于所述外殼內部上法蘭盤且與所述伺服驅動控制器電連接的第一伺服電機，所述第一伺服電機的動力輸出軸端穿過所述上法蘭盤且與第一主同步輪相連；所述上法蘭盤另一側與絲桿螺母固定部相連，所述絲桿螺母轉動部與第一從同步輪相連，所述第一主同步輪和所述第一從同步輪以同步帶相連傳動；所述傳動機構還包括固定于所述外殼內部下法蘭盤且與所述伺服驅動控制器電連接的第二伺服電機，所述第二伺服電機的動力輸出端穿過所述下法蘭盤與第二主同步輪相連，所述下法蘭盤另一側與花鍵螺母固定部相連，所述花鍵螺母轉動部與第二從同步輪相連，所述第二主同步輪和所述第二從同步輪以同步帶相連傳動，所述絲桿同時穿過所述絲桿螺母轉動部中心以及所述花鍵螺母轉動部中心以豎向上下移動。本發明技術方案中，通過伺服驅動控制器分別控制第一伺服電機以及第二伺服電機向外驅動旋轉，并且第一伺服電機驅動第一主同步輪，第一主同步輪通過同步帶傳動第一從同步輪，第一從同步輪驅動絲桿螺母轉動部，而第二伺服電機驅動第二主同步輪，第二主同步輪通過同步帶傳動第二從同步輪，第二從同步輪驅動花鍵螺母轉動部。通過絲桿螺母和花鍵螺母以不同的驅動方式相互配合作用，從而驅動絲桿以不同的運動方式進行工作。相對于現有技術，本發明的雙自由度圓柱關節模塊中，絲桿可便捷地以不同方式進行工作，既能減少雙自由度圓柱關節模塊體積，也能使得雙自由度圓柱關節模塊具有更多的自由度，從而擴大雙自由度圓柱關節模塊的應用性能。本發明技術方案中，第一主同步輪和第一從同步輪以同步帶相連傳動，第二主同步輪和第二從同步輪以同步輪相連傳動，可提高第一主同步輪和第一從同步輪之間以及第二主同步輪和第二從同步輪之間的傳動可靠性和傳動精度。作為優選方案，所述第一伺服電機和所述第二伺服電機的傳動軸端方向相反。本發明技術方案中，第一伺服電機和第二伺服電機的傳動軸端方向相反，這樣使得第一伺服電機和第二伺服電機可并排設置，以使得外殼內部結構更加緊湊，以進一步降低雙自由度圓柱關節模塊的體積。所述絲桿螺母固定部與所述上法蘭盤、所述絲桿螺母轉動部與所述第一從同步輪、所述花鍵螺母固定部與所述下法蘭盤、所述花鍵螺母轉動部與所述第二從同步輪以螺栓或螺釘相連。所述第一伺服電機和所述第二伺服電機分別與用于檢測角位移和角速度的光電編碼器連接。本發明技術方案中，第一伺服電機和第二伺服電機分別與用于檢測位移和角速度的光電編碼器進行相連，以使得光電編碼器實時監控第一伺服電機和第二伺服電機的工作狀態，從而使得伺服驅動控制器對第一伺服電機和第二伺服電機以更加精準的方式進行控制，以進一步提高絲桿工作過程的精度。所述第一伺服電機和所述第二伺服電機分別與用于減速增力的減速器相連。通過減速器降低第一伺服電機和第二伺服電機的轉速并提高工作扭矩，從而提高雙自由度圓柱關節模塊工作性能。所述絲桿的上部和/或下部固定連接有限位環。通過設置限位環以控制絲桿豎直上下運動時避免從絲桿螺母或者花鍵螺母脫落，以保證雙自由度圓柱關節模塊的使用可靠性。所述外殼頂端邊沿卡合相連有外殼頂蓋，所述外殼底端邊沿卡合相連有外殼底蓋，所述外殼頂蓋和所述外殼底蓋均設有避讓孔，所述絲桿穿過所述避讓孔以上下軸向移動。本發明技術方案中，外殼頂端邊沿卡合相連有外殼頂蓋，外殼底端邊沿卡合相連有外殼底蓋，外殼頂蓋和外殼底蓋均設有避讓孔，絲桿穿過避讓孔以上下軸向移動。通過在外殼的頂端和底端分別卡合相連有外殼頂蓋和外殼底蓋，以防止外界的灰塵進入外殼內部而影響雙自由度圓柱關節模塊的工作可靠性。相對于現有技術，本發明技術方案具有以下優點：1)結構緊湊合理。通過在外殼內部設置伺服驅動控制器、第一伺服電機、第二伺服電機以及驅動絲桿運動的相應結構，從而使得雙自由度圓柱關節模塊相對現有技術具有更加緊湊的結構，相應的體積則變小。另外，通過第一伺服電機和第二伺服電機的傳動方向相反設置，使得外殼內部結構進一步更加緊湊。2)控制方式簡單可靠。本發明技術方案通過第一伺服電機驅動第一主同步輪，第一主同步輪同步帶傳動第一從同步輪，第一從同步輪驅動絲桿螺母轉動部。另外第二伺服電機驅動第二主同步輪，第二主同步輪同步帶傳動第二從同步輪，第二從同步輪驅動絲桿螺母轉動部。只需通過絲桿螺母轉動部和花鍵螺母轉動部配合傳動絲桿，從而使得絲桿可以繞自身中心軸線旋轉、沿自身中心軸線直線移動、繞自身中心軸線旋轉和沿自身中心軸線直線移動復合的螺旋運動。相對現有技術，本發明技術方案的雙自由度圓柱關節模塊具有更多的控制自由度以及更好的控制靈活性。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。圖1為本發明雙自由度圓柱關節模塊的結構示意圖；圖2為本發明雙自由度圓柱關節模塊的剖視圖。附圖標號說明：標號名稱標號名稱1外殼7同步帶101外殼頂蓋8第一從同步輪102外殼底蓋9絲桿螺母固定部103上法蘭盤10絲桿螺母轉動部104下法蘭盤11第二伺服電機2伺服驅動控制器12第二主同步輪3絲桿13第二從同步輪4限位環14花鍵螺母固定部5第一伺服電機15花鍵螺母轉動部6第一主同步輪本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)，則該方向性指示僅用于解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。另外，若本發明實施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，則該“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護范圍之內。本發明提出一種雙自由度圓柱關節模塊。請參見圖1和圖2，本發明實施例的雙自由度圓柱關節模塊，包括內部設有空腔的外殼1，外殼1表面設有若干個開口，外殼1內部一側安裝有伺服驅動控制器2，伺服驅動控制器2端部通過外殼1側面開口與其他外接的模塊連接。本實施例的雙自由度圓柱關節模塊還設有豎直穿過外殼1上下豎直相對開口且垂直移動和/或旋轉的絲桿3，外殼1內部安裝有傳動機構配合傳動絲桿3，傳動結構同時與伺服驅動控制器2電連接。本發明實施例中，傳動機構包括固定于外殼1內部上法蘭盤103且與伺服驅動控制器2電連接的第一伺服電機5，第一伺服電機5的動力輸出端穿過上法蘭盤103且與第一主同步輪6相連，上法蘭盤103另一側與絲桿螺母固定部9相連，絲桿螺母轉動部10與第二從同步輪13相連，第一主同步輪6和第一從同步輪8以同步帶7相連傳動。本發明實施例中，傳動機構還包括固定于外殼1內部下法蘭盤104且與伺服驅動控制器2電連接的第二伺服電機11，第二伺服電機11的動力輸出端穿過下法蘭盤104與第二主同步輪12相連，下法蘭盤104的另一側與花鍵螺母固定部14相連，花鍵螺母轉動部15與第二從同步輪13相連，第二主同步輪12和第二從同步輪13以同步帶7相連傳動，絲桿3同時穿過絲桿螺母轉動部10中心和花鍵螺母轉動部15中心以豎向上下移動。本發明實施例中，第一伺服電機5和第二伺服電機11的傳動軸端方向相反。本發明實施例中，絲桿螺母固定部9與上法蘭盤103、絲桿螺母轉動部10與第一從同步輪8、花鍵螺母固定部14與下法蘭盤104、花鍵螺母轉動部15與第二同步輪13以螺栓或者螺釘相連。本發明實施例中，第一伺服電機5和第二伺服電機11分別與用于檢測角位移和角速度的光電編碼器連接。本發明實施例中，第一伺服電機5和第二伺服電機11分別與用于減速增力的減速器相連。本發明實施例中，絲桿3的上部和下部固定連接有限位環4。本發明實施例中，外殼1頂端邊沿卡合相連有外殼頂蓋101，外殼1底端邊沿卡合相連有外殼底蓋102，外殼頂蓋101和外殼底蓋102均設有避讓孔，絲桿3穿過避讓孔以上下軸向移動。請參見圖1和圖2，本發明實施例的雙自由度圓柱關節模塊的工作原理為：本發明實施例的雙自由度圓柱關節模塊的絲桿3工作方式包括繞自身中心軸線旋轉、沿自身中心軸線直線移動、繞自身中心軸線旋轉和沿自身中心軸線直線移動復合的螺旋運動。當本發明實施例的絲桿3進行繞自身中心軸線旋轉時，伺服驅動控制器2控制第一伺服電機5向外輸出動力從而驅動第一主同步輪6旋轉，第一主同步輪6通過同步帶7驅動第一從同步輪8旋轉。因為第一從同步輪6與絲桿螺母轉動部10相連，從而使得第一從同步輪8驅動絲桿螺母轉動部10進行旋轉。同理，作為伺服驅動控制器2控制第二伺服電機11向外輸出動力從而驅動第二主同步輪12進行旋轉，第二主同步輪12通過同步帶7驅動第二從同步輪13旋轉。因為第二從同步輪13與花鍵螺母轉動部15相連，從而使得第二從同步輪13驅動花鍵螺母轉動部15進行旋轉。當絲桿螺母轉動部10和花鍵螺母轉動部15以相同大小和相同方向的轉速進行旋轉從而驅動絲桿3繞自身的中心線進行旋轉。另外，伺服驅動控制器2控制第一伺服電機5和第二伺服電機11同時反向旋轉，即可實現絲桿3以相反旋轉方向繞自身中心軸線旋轉。當本發明實施例的絲桿3需要沿自身中心軸線直線移動時，伺服驅動控制器2控制第一伺服電機5驅動第一主同步輪6進行旋轉，第一主同步輪6通過同步帶7傳動第一從同步輪8旋轉，進而使得第一從同步輪8帶動絲桿螺母轉動部10旋轉。與此同時，伺服驅動控制器2控制第二伺服電機11處于靜止狀態，最終使得花鍵螺母轉動部15也處于靜止狀態，使得絲桿3在花鍵螺母轉動部15的約束作用下僅做沿自身中心軸線直線移動。另外，伺服電機控制器2控制第一伺服電機5進行逆向旋轉，通過相應的傳動結構即可實現絲桿3以相反方向沿自身中心軸線軸向移動。當本發明實施例的絲桿3需要進行繞自身中心軸線旋轉和沿自身中心軸線直線移動復合的螺旋運動時，伺服驅動控制器2控制第一伺服電機5驅動第一主同步輪6進行旋轉，第一主同步輪6通過同步帶7驅動第二從同步輪8旋轉，進而使得第二從同步輪8帶動絲桿螺母轉動部10旋轉，與此同時，伺服驅動控制器2控制第二伺服電機11驅動第二主同步輪12旋轉，第二主同步輪12通過同步帶7驅動第二從同步輪13旋轉，進而使得第二從同步輪13帶動花鍵螺母轉動部15旋轉，但是為了實現絲桿3以螺旋運動方式運動時，需要伺服驅動控制器2分別控制第一伺服電機5以及第二伺服電機11分別以不同轉速但相同旋轉方向進行旋轉，從而使得絲桿3的上部和下部分別受到不同大小的旋轉驅動作用力，從而使得絲桿3以繞自身中心軸線旋轉以及沿自身中心軸線直線移動復合的螺旋運動方式進行工作。本發明實施例中，通過在帶有空腔的外殼1內部安裝有伺服驅動控制器2，并且伺服驅動控制器2端部可通過外殼1側面開口與其他外接的模塊連接，同時外殼1內部設有傳動機構與伺服驅動控制器2電連接從而被驅動，而傳動機構對絲桿3進行驅動旋轉，從而使得絲桿3可以繞自身中心軸線旋轉，或沿自身中心軸線直線移動、或繞自身中心軸線旋轉和沿自身中心軸線直線移動復合的螺旋運動。本發明實施例通過在外殼1內部集成安裝伺服驅動控制器2以及傳動機構，絲桿3方便地以不同的控制方式進行工作，以滿足本發明實施例的雙自由度圓柱關節模塊應用于不同的控制方式和應用場景中。相對于現有技術，本發明技術方案具有結構緊湊合理、控制方式簡單以及工作可靠等優點。本發明實施例中，通過伺服驅動控制器2分別控制第一伺服電機5以及第二伺服電機11向外驅動旋轉，并且第一伺服電機5驅動第一主同步輪6，第一主同步輪6同步帶傳動第一從同步輪8，第一從同步輪8驅動絲桿螺母轉動部10，而第二伺服電機11驅動第二主同步輪12，第二主同步輪12同步帶傳動第二從同步輪13，第二從同步輪13驅動花鍵螺母轉動部15。通過絲桿螺母轉動部10和花鍵螺母轉動部15以不同的驅動方式相互配合作用，從而驅動絲桿3以不同的運動方式進行工作。相對于現有技術，本發明實施例的雙自由度圓柱關節模塊中，絲桿3可便捷地以不同方式進行工作，既能減少雙自由度圓柱關節模塊體積，也能使得雙自由度圓柱關節模塊具有更多的自由度，從而擴大雙自由度圓柱關節模塊的應用性能。本發明實施例中，第一主同步輪6和第一從同步輪8以同步帶7相連傳動，第二主同步輪12和第二從同步輪13以同步帶7相連傳動，可提高第一主同步輪6和第一從同步輪8之間以及第二主同步輪12和第二從同步輪13之間的傳動可靠性。本發明實施例中，第一伺服電機5和第二伺服電機11的傳動軸端方向相反，這樣使得第一伺服電機5和第二伺服電機11可并排設置，以使得外殼1內部結構更加緊湊，以進一步降低雙自由度圓柱關節模塊的體積。本發明實施例中，絲桿螺母固定部9與上法蘭盤103、絲桿螺母轉動部10與第一從同步輪8、花鍵螺母固定部14與下法蘭盤104、花鍵螺母轉動部15與第二從同步輪13以螺栓或螺釘相連。通過螺栓或螺釘進行緊固，保證結構連接以及傳動過程的可靠性。本發明實施例中，第一伺服電機5和第二伺服電機11分別與用于檢測位移和角速度的光電編碼器進行相連，以使得光電編碼器實時監控第一伺服電機5和第二伺服電機11的工作狀態，從而使得伺服驅動控制器2對第一伺服電機5和第二伺服電機11以更加精準的方式進行控制，以進一步提高絲桿3工作過程的精度。本發明實施例中，第一伺服電機5和第二伺服電11機分別與用于減速增力的減速器相連，可使得雙自由度圓柱關節模塊在某些工況下，通過減速器降低第一伺服電機5和第二伺服電機11的轉速并提高工作扭矩，從而提高雙自由度圓柱關節模塊工作性能。本發明實施例中，絲桿3的上部和下部固定連接有限位環4，通過設置限位環4以控制絲桿3豎直上下運動時避免從絲桿螺母或者花鍵螺母脫落，以保證雙自由度圓柱關節模塊的使用可靠性。本發明實施例中，外殼1頂端邊沿卡合相連有外殼頂蓋101，外殼1底端邊沿卡合相連有外殼底蓋102，外殼頂蓋101和外殼底蓋102均設有避讓孔，絲桿3穿過避讓孔以上下軸向移動。通過在外殼1的頂端和底端分別卡合相連有外殼頂蓋101和外殼底蓋102，以防止外界的灰塵進入外殼1內部而影響雙自由度圓柱關節模塊的工作可靠性。以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是在本發明的構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的
技術領域：
均包括在本發明的專利保護范圍內。當前第1頁12