CN103341864A - 具有自锁功能的机器人关节模块及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种具有自锁功能的模块化关节机器人。机器人关节中采用蜗轮蜗杆的传动方式，机构可实现反向自锁功能。与传统方法相比，本发明具有的显著优点包括传动比大、承载能力强、传动平稳、结构紧凑，不需额外抱闸装置、成本降低；由于采用了模块化设计，系统的柔性、可扩展性、可交换性较高。本发明适合需要动静态位姿保持或者对定位精度、可靠性、安全性要求较高的场合。

Description

具有自锁功能的机器人关节模块及机器人

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，尤其是一种机器人的关节模块及使用该关节模块的机器人。

背景技术

机器人在工业发达国家发展迅速，我国的工业机器人在可靠性、应用领域、产品质量稳定性等方面与发达国家有很大的差距。关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。关节机器人主要由底座、大臂、小臂、手腕、执行机构等几部分组成，对应着腰回转、大臂回转、小臂回转、手腕回转、手腕摆动、腕旋转这几个自由度，具有工作空间大、动作灵活、壁障性好等优点。

结构设计是机器人研究中一项很重要的内容，关系到其自身的性能以及为人类服务的本领，对于关节机器人，关节设计是最关键的环节。申请号为201110194977.8的中国专利申请公开了一种三轴齿轮齿条复合欠驱动双关节机器人手指，关节由电机、多轴多路相异传动比的齿轮传动机构及弹簧组成，具有控制简单、结构紧凑，成本低等优点。实际工作时，电机接通电源，同时电磁抱闸线圈得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电机正常运转；断开接触器，电机失电，同时电磁抱闸线圈也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电机被制动而停转。电磁抱闸的缺点是体积较大、制动器磨损严重且在快速制动时伴随有振动。申请号为200610038946.2的中国专利申请公布了一种自锁型高精度旋转驱动马达，其实施方式为：首先，给伸缩元件施加负电场，调整伸缩元件与摩擦圆盘的间距，使它们刚好接触；然后，固定伸缩元件，撤除负电场使伸缩元件恢复原长，推动摩擦片在摩擦圆盘上产生足够的压紧力。这种自锁方式是在静摩擦力的作用下实现的，存在结构复杂、功耗高等缺陷。

针对上述现状，有必要在不以增加结构复杂度和系统功耗为代价的前提下提出新的方法实现机器人关节的自锁功能，起到简化控制逻辑、安全保护以及精确定位的作用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有自锁功能的机器人关节模块及使用该具有自锁功能的机器人关节模块的机器人，该具有自锁功能的机器人关节模块具有结构简单、功耗低、传动平稳的效果。

为达到上述目的，本发明具有自锁功能的机器人关节模块可采用如下技术方案：

一种具有自锁功能的机器人关节模块，包括蜗杆、连接蜗杆并驱动蜗杆转动的电机、与蜗杆啮合的蜗轮、以及连接蜗轮的输出轴的支撑柱，所述支撑柱上固定有输出法兰盘；所述蜗杆的导程角小于蜗轮蜗杆啮合轮齿间的当量摩擦角。

本发明具有自锁功能的机器人关节模块的自锁结构采用蜗轮蜗杆的传动方式，结构简单；可以得到很大的传动比、功耗低；更重要的是不需主动控制自锁行为，该自锁结构可以在需要自锁的情况下自动自锁，而不需要现有技术中需要加装抱闸电机的复杂部件，使得本发明结构简化的同时也无需复杂的控制；并且蜗轮蜗杆加工简单，成本低。由于蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，因此这种关节机器人传动平稳、噪声很小。

本发明的机器人可采用如下技术方案：

一种机器人，包括若干相互连接的机器人关节模块及末端执行器，所述机器人关节模块包括外壳、蜗杆、连接蜗杆并驱动蜗杆转动的电机、与蜗杆啮合的蜗轮、以及连接蜗轮的输出轴的支撑柱，所述支撑柱上固定有输出法兰盘；所述外壳上设有输入法兰盘；所述蜗杆的导程角小于蜗轮蜗杆啮合轮齿间的当量摩擦角。

本发明的机器人由于采用了具有自锁功能的机器人关节模块，整个机器人能够体现出上述结构简单、功耗低、传动平稳的效果，并且该机器人采用模块化设计，可提高整个机器人的柔性、可扩展性、可维护性和可交换性。

附图说明

图1是本发明具有自锁功能的机器人关节模块第一种实施方式的结构示意图。

图2是本发明具有自锁功能的机器人关节模块第二种实施方式的结构示意图。

图3是本发明机器人的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种具有自锁功能的机器人关节模块。

请参阅图1所示，为本发明具有自锁功能的机器人关节模块的第一种实施方式。该具有自锁功能的机器人关节模块100包括外壳13、安装于外壳13上的输入法兰盘1、蜗杆4、连接蜗杆4并驱动蜗杆4转动的电机2、与蜗杆4啮合的蜗轮5、以及连接蜗轮5的输出轴7的支撑柱8。所述蜗杆4与电机轴之间通过联轴器3连接。所述支撑柱8上固定有输出法兰盘10。所述支撑柱8设置于外壳13外侧，支撑柱8包括承载输出法兰盘10的承载部11及自承载部11延伸并与蜗轮5的输出轴7连接的支撑部12。所述蜗杆4的导程角小于蜗轮蜗杆啮合轮齿间的当量摩擦角，以使蜗轮蜗杆实现反向自锁，即只能由蜗杆4带动蜗轮5，而不能由蜗轮5带动蜗杆4。这种特性特别适用于安全性、可靠性要求很高的场合，在意外失去电力的情形下，即使机器人关节模块100的蜗轮5所带动的输出法兰盘10上安装有较重的负载，也由于具有自锁能力可以保持原有的位姿，而不会造成驱动装置失稳和负载的突然摔落。在该第一种实施方式中，所述输出法兰盘10的安装面与蜗轮5的传动轴的轴线平行

请参阅图2所示，为本发明具有自锁功能的机器人关节模块的第二种实施方式。该具有自锁功能的机器人关节模块100’结构大致与第一种实施方式一样，唯一不同的是输出法兰盘10的安装面与蜗轮5的传动轴的轴线垂直。两种实施方式的机器人关节模块的输出法兰盘所对应的自由度不同，在具体使用中根据需要选择采用不同的实施方式。

请参阅图3所示，为一种使用上述具有自锁功能的机器人关节模块的机器人200。该机器人包括若干相互连接的机器人关节模块及末端执行器9，机器人关节模块可选用上述的具有自锁功能的机器人关节模块100或100’，所述相邻两个机器人关节模块的输出法兰盘10与输入法兰盘1固定连接。。该具有自锁功能的机器人关节模块100或100’可相互连接或者与其他普通的机器人关节模块混合使用。如对自锁没有要求的机器人关节模块可以采用普通的机器人关节模块，有自锁要求的可以采用具有自锁功能的机器人关节模块100或100’。末端执行器9用以完成机器人的相关功能。

Claims (6)

1.一种具有自锁功能的机器人关节模块，其特征在于：包括蜗杆、连接蜗杆并驱动蜗杆转动的电机、与蜗杆啮合的蜗轮、以及连接蜗轮的输出轴的支撑柱，所述支撑柱上固定有输出法兰盘；所述蜗杆的导程角小于蜗轮蜗杆啮合轮齿间的当量摩擦角。

2.根据权利要求1所述的具有自锁功能的机器人关节模块，其特征在于：所述输出法兰盘的安装面与蜗轮的传动轴的轴线平行。

3.根据权利要求1所述的具有自锁功能的机器人关节模块，其特征在于：所述输出法兰盘的安装面与蜗轮的传动轴的轴线垂直。

4.根据权利要求2或3所述的具有自锁功能的机器人关节模块，其特征在于：进一步包括外壳，所述外壳上设有输入法兰盘，所述支撑柱设置于外壳外侧，支撑柱包括承载输出法兰盘的承载部及自承载部延伸并与蜗轮的输出轴连接的支撑部。

5.一种机器人，其特征在于：包括若干相互连接的机器人关节模块及末端执行器，所述机器人关节模块包括外壳、蜗杆、连接蜗杆并驱动蜗杆转动的电机、与蜗杆啮合的蜗轮、以及连接蜗轮的输出轴的支撑柱，所述支撑柱上固定有输出法兰盘；所述外壳上设有输入法兰盘；所述蜗杆的导程角小于蜗轮蜗杆啮合轮齿间的当量摩擦角。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于：所述相邻两个机器人关节模块的输出法兰盘与输入法兰盘固定连接。

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