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一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)
【申請公布號：CN109623801A；申請權(quán)利人：北京精密機電控制設(shè)備研究所;發(fā)明設(shè)計人： 程遠(yuǎn)超; 蔡赫; 李科; 孫光譜; 鄧松波; 王燕波; 王昊;】
摘要：
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，涉及機器人構(gòu)型及結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域；包括關(guān)節(jié)外殼、步進(jìn)電機、行星減速器、小帶輪、大帶輪、同步帶、第一關(guān)節(jié)軸承和大帶輪支架；步進(jìn)電機固定安裝在關(guān)節(jié)外殼的中部；行星減速器與步進(jìn)電機輸出軸對接；行星減速器的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼的側(cè)壁；小帶輪套裝在行星減速器的輸出軸外壁；大帶輪支架安裝在關(guān)節(jié)外殼的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在大帶輪支架與關(guān)節(jié)外殼下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架相對于關(guān)節(jié)外殼轉(zhuǎn)動；大帶輪套裝在大帶輪支架的外壁；同步帶套裝在小帶輪和大帶輪的外壁，實現(xiàn)傳動；本發(fā)明降低了關(guān)節(jié)成本，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案，同時實現(xiàn)了檢測關(guān)節(jié)零位位置。
主權(quán)項：
1.一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：包括關(guān)節(jié)外殼(1)、步進(jìn)電機(2)、行星減速器(3)、小帶輪(4)、大帶輪(5)、同步帶(6)、第一關(guān)節(jié)軸承(7)、第二關(guān)節(jié)軸承(8)、大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)；其中，關(guān)節(jié)外殼(1)為中空立方體外殼；步進(jìn)電機(2)固定安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的中部；行星減速器(3)與步進(jìn)電機(2)輸出軸對接；行星減速器(3)的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼(1)的側(cè)壁；小帶輪(4)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的上端側(cè)壁處，且小帶輪(4)套裝在行星減速器(3)的輸出軸外壁，行星減速器(3)帶動小帶輪(4)同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架(9)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承(7)設(shè)置在大帶輪支架(9)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架(9)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動；大帶輪(5)套裝在大帶輪支架(9)的外壁；同步帶(6)套裝在小帶輪(4)和大帶輪(5)的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架(10)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架(10)與大帶輪支架(9)相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承(8)設(shè)置在關(guān)節(jié)支架(10)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架(10)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動。
要求：
1.一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：包括關(guān)節(jié)外殼(1)、步進(jìn)電機(2)、行星減速器(3)、小帶輪(4)、大帶輪(5)、同步帶(6)、第一關(guān)節(jié)軸承(7)、第二關(guān)節(jié)軸承(8)、大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)；其中，關(guān)節(jié)外殼(1)為中空立方體外殼；步進(jìn)電機(2)固定安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的中部；行星減速器(3)與步進(jìn)電機(2)輸出軸對接；行星減速器(3)的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼(1)的側(cè)壁；小帶輪(4)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的上端側(cè)壁處，且小帶輪(4)套裝在行星減速器(3)的輸出軸外壁，行星減速器(3)帶動小帶輪(4)同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架(9)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承(7)設(shè)置在大帶輪支架(9)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架(9)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動；大帶輪(5)套裝在大帶輪支架(9)的外壁；同步帶(6)套裝在小帶輪(4)和大帶輪(5)的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架(10)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架(10)與大帶輪支架(9)相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承(8)設(shè)置在關(guān)節(jié)支架(10)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架(10)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)同軸設(shè)置；外部關(guān)節(jié)固定安裝在之間；隨大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)同步轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述的步進(jìn)電機(2)的額定轉(zhuǎn)速為300-500r/min；額定功率為50-200W；轉(zhuǎn)矩為1-3Nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述行星減速器(3)的減速比10：1～30：1；額定輸出轉(zhuǎn)矩為10-60Nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述關(guān)節(jié)外殼(1)采用鋁合金或鋼材料；第一關(guān)節(jié)軸承(7)和第二關(guān)節(jié)軸承(8)均采用深溝球軸承。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述小帶輪和大帶輪組成的傳動機構(gòu)的減速比為2：1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述同步帶的傳動扭矩大于50Nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述機械臂關(guān)節(jié)還包括光電開關(guān)(11)、光電開關(guān)擋板(12)和線纜壓板(13)；其中，光電開關(guān)擋板(12)和線纜壓板(13)均設(shè)置在關(guān)節(jié)支架(10)的軸向外側(cè)壁；光電開關(guān)(11)固定安裝在光電開關(guān)擋板(12)的徑向側(cè)壁處；線纜壓板(13)截面為L形結(jié)構(gòu)；線纜壓板(13)與光電開關(guān)擋板(12)之間設(shè)置有走線槽(14)；實現(xiàn)線纜的走線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述走線槽(14)為中空柱狀腔體；走線槽(14)的直徑為10-20mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述機械臂關(guān)節(jié)的運動過程為：
外部控制器下發(fā)運動指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(2)帶動行星減速器(3)朝著目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，行星減速器(3)帶動小帶輪(4)轉(zhuǎn)動，小帶輪(4)通過同步帶(6)帶動大帶輪(5)轉(zhuǎn)動，大帶輪(5)與大帶輪支架(9)固定，大帶輪支架(9)轉(zhuǎn)動帶動下一個關(guān)節(jié)的運動，完成關(guān)節(jié)運動的傳遞。
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種機器人構(gòu)型及結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別是一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)
機器人關(guān)節(jié)是機器人的基礎(chǔ)部件，其性能的好壞直接影響機器人的性能。機器人關(guān)節(jié)的種類有很多，根據(jù)機器人的功能不同，關(guān)節(jié)的配置和運動系統(tǒng)的形式也都各不相同。
機器人常見的關(guān)節(jié)形式有移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。應(yīng)用最多的機器人是多關(guān)節(jié)機器人，主要由多個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和連桿組成，模擬人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等的作用。
當(dāng)前主流的協(xié)作機器人都采用“模塊化”思想的關(guān)節(jié)設(shè)計，采用直驅(qū)電機+諧波減速器的方式，每個關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，只是大小不太一樣，以KUKA的協(xié)作機器人IIWA為例，其每一個關(guān)節(jié)中都包含了直流無刷伺服電機、伺服驅(qū)動、諧波減速器、電機端編碼器、關(guān)節(jié)端位置傳感器和力矩傳感器，電機和減速器采用直連。關(guān)節(jié)加工工藝復(fù)雜，零部件成本較高。。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，降低了關(guān)節(jié)成本，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案，同時實現(xiàn)了檢測關(guān)節(jié)零位位置。
本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)外殼、步進(jìn)電機、行星減速器、小帶輪、大帶輪、同步帶、第一關(guān)節(jié)軸承、第二關(guān)節(jié)軸承、大帶輪支架和關(guān)節(jié)支架；其中，關(guān)節(jié)外殼為中空立方體外殼；步進(jìn)電機固定安裝在關(guān)節(jié)外殼的中部；行星減速器與步進(jìn)電機輸出軸對接；行星減速器的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼的側(cè)壁；小帶輪安裝在關(guān)節(jié)外殼的上端側(cè)壁處，且小帶輪套裝在行星減速器的輸出軸外壁，行星減速器帶動小帶輪同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架安裝在關(guān)節(jié)外殼的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在大帶輪支架與關(guān)節(jié)外殼下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架相對于關(guān)節(jié)外殼轉(zhuǎn)動；大帶輪套裝在大帶輪支架的外壁；同步帶套裝在小帶輪和大帶輪的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架安裝在關(guān)節(jié)外殼的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架與大帶輪支架相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在關(guān)節(jié)支架與關(guān)節(jié)外殼下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架相對于關(guān)節(jié)外殼轉(zhuǎn)動。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述大帶輪支架和關(guān)節(jié)支架同軸設(shè)置；外部關(guān)節(jié)固定安裝在之間；隨大帶輪支架和關(guān)節(jié)支架同步轉(zhuǎn)動。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述的步進(jìn)電機的額定轉(zhuǎn)速為300-500r/min；額定功率為50-200W；轉(zhuǎn)矩為1-3Nm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述行星減速器的減速比10：1～30：1；額定輸出轉(zhuǎn)矩為10-60Nm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)外殼采用鋁合金或鋼材料；第一關(guān)節(jié)軸承和第二關(guān)節(jié)軸承均采用深溝球軸承。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述小帶輪和大帶輪組成的傳動機構(gòu)的減速比為2：1。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述同步帶的傳動扭矩大于50Nm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述機械臂關(guān)節(jié)還包括光電開關(guān)、光電開關(guān)擋板和線纜壓板；其中，光電開關(guān)擋板和線纜壓板均設(shè)置在關(guān)節(jié)支架的軸向外側(cè)壁；光電開關(guān)固定安裝在光電開關(guān)擋板的徑向側(cè)壁處；線纜壓板截面為L形結(jié)構(gòu)；線纜壓板與光電開關(guān)擋板之間設(shè)置有走線槽；實現(xiàn)線纜的走線。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述走線槽為中空柱狀腔體；走線槽的直徑為10-20mm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述機械臂關(guān)節(jié)的運動過程為：
外部控制器下發(fā)運動指令，驅(qū)動步進(jìn)電機帶動行星減速器朝著目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，行星減速器帶動小帶輪轉(zhuǎn)動，小帶輪通過同步帶帶動大帶輪轉(zhuǎn)動，大帶輪與大帶輪支架固定，大帶輪支架轉(zhuǎn)動帶動下一個關(guān)節(jié)的運動，完成關(guān)節(jié)運動的傳遞。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明采用步進(jìn)電機代替伺服電機作為機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置，降低關(guān)節(jié)成本；
(2)本發(fā)明采用行星減速器代替諧波減速器作為機器人關(guān)節(jié)的減速裝置，降低關(guān)節(jié)成本；
(3)本發(fā)明采用同步帶的方式將關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)動軸線與電機軸線偏置，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案；
(4)本發(fā)明采用光電開關(guān)作為關(guān)節(jié)的位置檢測傳感器，并設(shè)計了光電開關(guān)擋板，以檢測關(guān)節(jié)零位位置。
附圖說明
圖1為本發(fā)明機械臂關(guān)節(jié)主視圖；
圖2為本發(fā)明機械臂關(guān)節(jié)右視圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
本發(fā)明提供一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，采用步進(jìn)電機代替伺服電機作為機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置，降低關(guān)節(jié)成本；采用行星減速器代替諧波減速器作為機器人關(guān)節(jié)的減速裝置，降低關(guān)節(jié)成本；采用同步帶的方式將關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)動軸線與電機軸線偏置，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案；采用光電開關(guān)作為關(guān)節(jié)的位置檢測傳感器，并設(shè)計了光電開關(guān)擋板，以檢測關(guān)節(jié)零位位置。
如圖1所示為機械臂關(guān)節(jié)主視圖，由圖可知，一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)外殼1、步進(jìn)電機2、行星減速器3、小帶輪4、大帶輪5、同步帶6、第一關(guān)節(jié)軸承7、第二關(guān)節(jié)軸承8、大帶輪支架9和關(guān)節(jié)支架10；其中，關(guān)節(jié)外殼1為中空立方體外殼；步進(jìn)電機2固定安裝在關(guān)節(jié)外殼1的中部；行星減速器3與步進(jìn)電機2輸出軸對接；行星減速器3的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼1的側(cè)壁；小帶輪4安裝在關(guān)節(jié)外殼1的上端側(cè)壁處，且小帶輪4套裝在行星減速器3的輸出軸外壁，行星減速器3帶動小帶輪4同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架9安裝在關(guān)節(jié)外殼1的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承7設(shè)置在大帶輪支架9與關(guān)節(jié)外殼1下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架9相對于關(guān)節(jié)外殼1轉(zhuǎn)動；大帶輪5套裝在大帶輪支架9的外壁；同步帶6套裝在小帶輪4和大帶輪5的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架10安裝在關(guān)節(jié)外殼1的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架10與大帶輪支架9相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承8設(shè)置在關(guān)節(jié)支架10與關(guān)節(jié)外殼1下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架10相對于關(guān)節(jié)外殼1轉(zhuǎn)動。
大帶輪支架9和關(guān)節(jié)支架10同軸設(shè)置；外部關(guān)節(jié)固定安裝在之間；隨大帶輪支架9和關(guān)節(jié)支架10同步轉(zhuǎn)動。
步進(jìn)電機2的額定轉(zhuǎn)速為300-500r/min；額定功率為50-200W；轉(zhuǎn)矩為1-3Nm。行星減速器3的減速比10：1～30：1；額定輸出轉(zhuǎn)矩為10-60Nm。
關(guān)節(jié)外殼1采用鋁合金或鋼材料；第一關(guān)節(jié)軸承7和第二關(guān)節(jié)軸承8均采用深溝球軸承。
小帶輪和大帶輪組成的傳動機構(gòu)的減速比為2：1。同步帶的傳動扭矩大于50Nm。
如圖2所示為機械臂關(guān)節(jié)右視圖，由圖可知，所述機械臂關(guān)節(jié)還包括光電開關(guān)11、光電開關(guān)擋板12和線纜壓板13；其中，光電開關(guān)擋板12和線纜壓板13均設(shè)置在關(guān)節(jié)支架10的軸向外側(cè)壁；光電開關(guān)11固定安裝在光電開關(guān)擋板12的徑向側(cè)壁處；線纜壓板13截面為L形結(jié)構(gòu)；線纜壓板13與光電開關(guān)擋板12之間設(shè)置有走線槽14；實現(xiàn)線纜的走線。其中，走線槽14為中空柱狀腔體；走線槽14的直徑為10-20mm。
關(guān)節(jié)的中空走線方案：
前幾個關(guān)節(jié)的線纜通過關(guān)節(jié)支架的中空孔穿過，繼而穿過走線槽14，并利用線纜壓板13將線纜壓緊，之后線纜通過關(guān)節(jié)外殼1頂部中空孔穿過，達(dá)到下一個關(guān)節(jié)位置，完成關(guān)節(jié)走線方案。在各個關(guān)節(jié)的連接位置設(shè)置接插件，實現(xiàn)關(guān)節(jié)間線纜的快接快插，實現(xiàn)模塊化設(shè)計。
機械臂關(guān)節(jié)的運動過程為：
外部控制器下發(fā)運動指令，驅(qū)動步進(jìn)電機2帶動行星減速器3朝著目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，行星減速器3帶動小帶輪4轉(zhuǎn)動，小帶輪4通過同步帶6帶動大帶輪5轉(zhuǎn)動，大帶輪5與大帶輪支架9固定，大帶輪支架9轉(zhuǎn)動帶動下一個關(guān)節(jié)的運動，完成關(guān)節(jié)運動的傳遞。
本發(fā)明中所述的機械臂關(guān)節(jié)回零方案：
采用簡單的光電開關(guān)11作為回零方案的傳感器，采用該方案回零，可以在上電后即可以知道機械臂關(guān)節(jié)目前所處的大概區(qū)域，判讀出關(guān)節(jié)應(yīng)該往哪一個方向找零，以在回零過程中有效避免機械臂關(guān)節(jié)間相互干涉和碰撞的情況發(fā)生。而且以同樣的關(guān)節(jié)速度回零，采用該回零方案，可以大大節(jié)約找零時間，減少機械臂上電初始化時間。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
相關(guān)鏈接： 同步帶規(guī)格、同步帶輪參數(shù)、同步帶設(shè)計 雙面齒同步帶
【申請公布號：CN109623801A；申請權(quán)利人：北京精密機電控制設(shè)備研究所;發(fā)明設(shè)計人： 程遠(yuǎn)超; 蔡赫; 李科; 孫光譜; 鄧松波; 王燕波; 王昊;】
摘要：
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，涉及機器人構(gòu)型及結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域；包括關(guān)節(jié)外殼、步進(jìn)電機、行星減速器、小帶輪、大帶輪、同步帶、第一關(guān)節(jié)軸承和大帶輪支架；步進(jìn)電機固定安裝在關(guān)節(jié)外殼的中部；行星減速器與步進(jìn)電機輸出軸對接；行星減速器的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼的側(cè)壁；小帶輪套裝在行星減速器的輸出軸外壁；大帶輪支架安裝在關(guān)節(jié)外殼的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在大帶輪支架與關(guān)節(jié)外殼下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架相對于關(guān)節(jié)外殼轉(zhuǎn)動；大帶輪套裝在大帶輪支架的外壁；同步帶套裝在小帶輪和大帶輪的外壁，實現(xiàn)傳動；本發(fā)明降低了關(guān)節(jié)成本，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案，同時實現(xiàn)了檢測關(guān)節(jié)零位位置。
主權(quán)項：
1.一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：包括關(guān)節(jié)外殼(1)、步進(jìn)電機(2)、行星減速器(3)、小帶輪(4)、大帶輪(5)、同步帶(6)、第一關(guān)節(jié)軸承(7)、第二關(guān)節(jié)軸承(8)、大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)；其中，關(guān)節(jié)外殼(1)為中空立方體外殼；步進(jìn)電機(2)固定安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的中部；行星減速器(3)與步進(jìn)電機(2)輸出軸對接；行星減速器(3)的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼(1)的側(cè)壁；小帶輪(4)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的上端側(cè)壁處，且小帶輪(4)套裝在行星減速器(3)的輸出軸外壁，行星減速器(3)帶動小帶輪(4)同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架(9)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承(7)設(shè)置在大帶輪支架(9)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架(9)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動；大帶輪(5)套裝在大帶輪支架(9)的外壁；同步帶(6)套裝在小帶輪(4)和大帶輪(5)的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架(10)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架(10)與大帶輪支架(9)相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承(8)設(shè)置在關(guān)節(jié)支架(10)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架(10)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動。
要求：
1.一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：包括關(guān)節(jié)外殼(1)、步進(jìn)電機(2)、行星減速器(3)、小帶輪(4)、大帶輪(5)、同步帶(6)、第一關(guān)節(jié)軸承(7)、第二關(guān)節(jié)軸承(8)、大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)；其中，關(guān)節(jié)外殼(1)為中空立方體外殼；步進(jìn)電機(2)固定安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的中部；行星減速器(3)與步進(jìn)電機(2)輸出軸對接；行星減速器(3)的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼(1)的側(cè)壁；小帶輪(4)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的上端側(cè)壁處，且小帶輪(4)套裝在行星減速器(3)的輸出軸外壁，行星減速器(3)帶動小帶輪(4)同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架(9)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承(7)設(shè)置在大帶輪支架(9)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架(9)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動；大帶輪(5)套裝在大帶輪支架(9)的外壁；同步帶(6)套裝在小帶輪(4)和大帶輪(5)的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架(10)安裝在關(guān)節(jié)外殼(1)的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架(10)與大帶輪支架(9)相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承(8)設(shè)置在關(guān)節(jié)支架(10)與關(guān)節(jié)外殼(1)下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架(10)相對于關(guān)節(jié)外殼(1)轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)同軸設(shè)置；外部關(guān)節(jié)固定安裝在之間；隨大帶輪支架(9)和關(guān)節(jié)支架(10)同步轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述的步進(jìn)電機(2)的額定轉(zhuǎn)速為300-500r/min；額定功率為50-200W；轉(zhuǎn)矩為1-3Nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述行星減速器(3)的減速比10：1～30：1；額定輸出轉(zhuǎn)矩為10-60Nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述關(guān)節(jié)外殼(1)采用鋁合金或鋼材料；第一關(guān)節(jié)軸承(7)和第二關(guān)節(jié)軸承(8)均采用深溝球軸承。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述小帶輪和大帶輪組成的傳動機構(gòu)的減速比為2：1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述同步帶的傳動扭矩大于50Nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述機械臂關(guān)節(jié)還包括光電開關(guān)(11)、光電開關(guān)擋板(12)和線纜壓板(13)；其中，光電開關(guān)擋板(12)和線纜壓板(13)均設(shè)置在關(guān)節(jié)支架(10)的軸向外側(cè)壁；光電開關(guān)(11)固定安裝在光電開關(guān)擋板(12)的徑向側(cè)壁處；線纜壓板(13)截面為L形結(jié)構(gòu)；線纜壓板(13)與光電開關(guān)擋板(12)之間設(shè)置有走線槽(14)；實現(xiàn)線纜的走線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述走線槽(14)為中空柱狀腔體；走線槽(14)的直徑為10-20mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，其特征在于：所述機械臂關(guān)節(jié)的運動過程為：
外部控制器下發(fā)運動指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(2)帶動行星減速器(3)朝著目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，行星減速器(3)帶動小帶輪(4)轉(zhuǎn)動，小帶輪(4)通過同步帶(6)帶動大帶輪(5)轉(zhuǎn)動，大帶輪(5)與大帶輪支架(9)固定，大帶輪支架(9)轉(zhuǎn)動帶動下一個關(guān)節(jié)的運動，完成關(guān)節(jié)運動的傳遞。
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種機器人構(gòu)型及結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別是一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)
機器人關(guān)節(jié)是機器人的基礎(chǔ)部件，其性能的好壞直接影響機器人的性能。機器人關(guān)節(jié)的種類有很多，根據(jù)機器人的功能不同，關(guān)節(jié)的配置和運動系統(tǒng)的形式也都各不相同。
機器人常見的關(guān)節(jié)形式有移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。應(yīng)用最多的機器人是多關(guān)節(jié)機器人，主要由多個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和連桿組成，模擬人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等的作用。
當(dāng)前主流的協(xié)作機器人都采用“模塊化”思想的關(guān)節(jié)設(shè)計，采用直驅(qū)電機+諧波減速器的方式，每個關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，只是大小不太一樣，以KUKA的協(xié)作機器人IIWA為例，其每一個關(guān)節(jié)中都包含了直流無刷伺服電機、伺服驅(qū)動、諧波減速器、電機端編碼器、關(guān)節(jié)端位置傳感器和力矩傳感器，電機和減速器采用直連。關(guān)節(jié)加工工藝復(fù)雜，零部件成本較高。。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，降低了關(guān)節(jié)成本，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案，同時實現(xiàn)了檢測關(guān)節(jié)零位位置。
本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)外殼、步進(jìn)電機、行星減速器、小帶輪、大帶輪、同步帶、第一關(guān)節(jié)軸承、第二關(guān)節(jié)軸承、大帶輪支架和關(guān)節(jié)支架；其中，關(guān)節(jié)外殼為中空立方體外殼；步進(jìn)電機固定安裝在關(guān)節(jié)外殼的中部；行星減速器與步進(jìn)電機輸出軸對接；行星減速器的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼的側(cè)壁；小帶輪安裝在關(guān)節(jié)外殼的上端側(cè)壁處，且小帶輪套裝在行星減速器的輸出軸外壁，行星減速器帶動小帶輪同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架安裝在關(guān)節(jié)外殼的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在大帶輪支架與關(guān)節(jié)外殼下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架相對于關(guān)節(jié)外殼轉(zhuǎn)動；大帶輪套裝在大帶輪支架的外壁；同步帶套裝在小帶輪和大帶輪的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架安裝在關(guān)節(jié)外殼的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架與大帶輪支架相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承設(shè)置在關(guān)節(jié)支架與關(guān)節(jié)外殼下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架相對于關(guān)節(jié)外殼轉(zhuǎn)動。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述大帶輪支架和關(guān)節(jié)支架同軸設(shè)置；外部關(guān)節(jié)固定安裝在之間；隨大帶輪支架和關(guān)節(jié)支架同步轉(zhuǎn)動。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述的步進(jìn)電機的額定轉(zhuǎn)速為300-500r/min；額定功率為50-200W；轉(zhuǎn)矩為1-3Nm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述行星減速器的減速比10：1～30：1；額定輸出轉(zhuǎn)矩為10-60Nm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)外殼采用鋁合金或鋼材料；第一關(guān)節(jié)軸承和第二關(guān)節(jié)軸承均采用深溝球軸承。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述小帶輪和大帶輪組成的傳動機構(gòu)的減速比為2：1。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述同步帶的傳動扭矩大于50Nm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述機械臂關(guān)節(jié)還包括光電開關(guān)、光電開關(guān)擋板和線纜壓板；其中，光電開關(guān)擋板和線纜壓板均設(shè)置在關(guān)節(jié)支架的軸向外側(cè)壁；光電開關(guān)固定安裝在光電開關(guān)擋板的徑向側(cè)壁處；線纜壓板截面為L形結(jié)構(gòu)；線纜壓板與光電開關(guān)擋板之間設(shè)置有走線槽；實現(xiàn)線纜的走線。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述走線槽為中空柱狀腔體；走線槽的直徑為10-20mm。
在上述的一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，所述機械臂關(guān)節(jié)的運動過程為：
外部控制器下發(fā)運動指令，驅(qū)動步進(jìn)電機帶動行星減速器朝著目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，行星減速器帶動小帶輪轉(zhuǎn)動，小帶輪通過同步帶帶動大帶輪轉(zhuǎn)動，大帶輪與大帶輪支架固定，大帶輪支架轉(zhuǎn)動帶動下一個關(guān)節(jié)的運動，完成關(guān)節(jié)運動的傳遞。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明采用步進(jìn)電機代替伺服電機作為機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置，降低關(guān)節(jié)成本；
(2)本發(fā)明采用行星減速器代替諧波減速器作為機器人關(guān)節(jié)的減速裝置，降低關(guān)節(jié)成本；
(3)本發(fā)明采用同步帶的方式將關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)動軸線與電機軸線偏置，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案；
(4)本發(fā)明采用光電開關(guān)作為關(guān)節(jié)的位置檢測傳感器，并設(shè)計了光電開關(guān)擋板，以檢測關(guān)節(jié)零位位置。
附圖說明
圖1為本發(fā)明機械臂關(guān)節(jié)主視圖；
圖2為本發(fā)明機械臂關(guān)節(jié)右視圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
本發(fā)明提供一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，采用步進(jìn)電機代替伺服電機作為機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置，降低關(guān)節(jié)成本；采用行星減速器代替諧波減速器作為機器人關(guān)節(jié)的減速裝置，降低關(guān)節(jié)成本；采用同步帶的方式將關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)動軸線與電機軸線偏置，使得關(guān)節(jié)可以便捷的實現(xiàn)中空走線方案；采用光電開關(guān)作為關(guān)節(jié)的位置檢測傳感器，并設(shè)計了光電開關(guān)擋板，以檢測關(guān)節(jié)零位位置。
如圖1所示為機械臂關(guān)節(jié)主視圖，由圖可知，一種同步帶傳動型高精度機械臂關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)外殼1、步進(jìn)電機2、行星減速器3、小帶輪4、大帶輪5、同步帶6、第一關(guān)節(jié)軸承7、第二關(guān)節(jié)軸承8、大帶輪支架9和關(guān)節(jié)支架10；其中，關(guān)節(jié)外殼1為中空立方體外殼；步進(jìn)電機2固定安裝在關(guān)節(jié)外殼1的中部；行星減速器3與步進(jìn)電機2輸出軸對接；行星減速器3的輸出軸伸出關(guān)節(jié)外殼1的側(cè)壁；小帶輪4安裝在關(guān)節(jié)外殼1的上端側(cè)壁處，且小帶輪4套裝在行星減速器3的輸出軸外壁，行星減速器3帶動小帶輪4同步轉(zhuǎn)動；大帶輪支架9安裝在關(guān)節(jié)外殼1的下端側(cè)壁處；第一關(guān)節(jié)軸承7設(shè)置在大帶輪支架9與關(guān)節(jié)外殼1下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)大帶輪支架9相對于關(guān)節(jié)外殼1轉(zhuǎn)動；大帶輪5套裝在大帶輪支架9的外壁；同步帶6套裝在小帶輪4和大帶輪5的外壁，實現(xiàn)傳動；關(guān)節(jié)支架10安裝在關(guān)節(jié)外殼1的下端側(cè)壁處；且關(guān)節(jié)支架10與大帶輪支架9相對放置；第二關(guān)節(jié)軸承8設(shè)置在關(guān)節(jié)支架10與關(guān)節(jié)外殼1下端側(cè)壁之間，實現(xiàn)關(guān)節(jié)支架10相對于關(guān)節(jié)外殼1轉(zhuǎn)動。
大帶輪支架9和關(guān)節(jié)支架10同軸設(shè)置；外部關(guān)節(jié)固定安裝在之間；隨大帶輪支架9和關(guān)節(jié)支架10同步轉(zhuǎn)動。
步進(jìn)電機2的額定轉(zhuǎn)速為300-500r/min；額定功率為50-200W；轉(zhuǎn)矩為1-3Nm。行星減速器3的減速比10：1～30：1；額定輸出轉(zhuǎn)矩為10-60Nm。
關(guān)節(jié)外殼1采用鋁合金或鋼材料；第一關(guān)節(jié)軸承7和第二關(guān)節(jié)軸承8均采用深溝球軸承。
小帶輪和大帶輪組成的傳動機構(gòu)的減速比為2：1。同步帶的傳動扭矩大于50Nm。
如圖2所示為機械臂關(guān)節(jié)右視圖，由圖可知，所述機械臂關(guān)節(jié)還包括光電開關(guān)11、光電開關(guān)擋板12和線纜壓板13；其中，光電開關(guān)擋板12和線纜壓板13均設(shè)置在關(guān)節(jié)支架10的軸向外側(cè)壁；光電開關(guān)11固定安裝在光電開關(guān)擋板12的徑向側(cè)壁處；線纜壓板13截面為L形結(jié)構(gòu)；線纜壓板13與光電開關(guān)擋板12之間設(shè)置有走線槽14；實現(xiàn)線纜的走線。其中，走線槽14為中空柱狀腔體；走線槽14的直徑為10-20mm。
關(guān)節(jié)的中空走線方案：
前幾個關(guān)節(jié)的線纜通過關(guān)節(jié)支架的中空孔穿過，繼而穿過走線槽14，并利用線纜壓板13將線纜壓緊，之后線纜通過關(guān)節(jié)外殼1頂部中空孔穿過，達(dá)到下一個關(guān)節(jié)位置，完成關(guān)節(jié)走線方案。在各個關(guān)節(jié)的連接位置設(shè)置接插件，實現(xiàn)關(guān)節(jié)間線纜的快接快插，實現(xiàn)模塊化設(shè)計。
機械臂關(guān)節(jié)的運動過程為：
外部控制器下發(fā)運動指令，驅(qū)動步進(jìn)電機2帶動行星減速器3朝著目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動，行星減速器3帶動小帶輪4轉(zhuǎn)動，小帶輪4通過同步帶6帶動大帶輪5轉(zhuǎn)動，大帶輪5與大帶輪支架9固定，大帶輪支架9轉(zhuǎn)動帶動下一個關(guān)節(jié)的運動，完成關(guān)節(jié)運動的傳遞。
本發(fā)明中所述的機械臂關(guān)節(jié)回零方案：
采用簡單的光電開關(guān)11作為回零方案的傳感器，采用該方案回零，可以在上電后即可以知道機械臂關(guān)節(jié)目前所處的大概區(qū)域，判讀出關(guān)節(jié)應(yīng)該往哪一個方向找零，以在回零過程中有效避免機械臂關(guān)節(jié)間相互干涉和碰撞的情況發(fā)生。而且以同樣的關(guān)節(jié)速度回零，采用該回零方案，可以大大節(jié)約找零時間，減少機械臂上電初始化時間。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
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