[发明专利]双关节模块和使用该双关节模块的手臂

说明书

双关节模块包括外壳和一对空心旋转致动器组件。每个致动器组件均具有轴线和空心轴，并且轴线彼此成角度地布置。该对空心旋转致动器组件背对背地布置并附接至外壳，使得电缆可从该对空心旋转致动器组件中的一个的外部进给至其内部，并进给至该对空心旋转致动器组件中的另一个的内部再进给至其外部。本公开还涉及机器人手臂。机器人包括至少两个如上所述的双关节模块和至少第一连接件。

技术领域

本公开涉及机器人关节和使用该关节的机器人手臂，具体涉及具有双自由度且具有大致L形的双关节模块以及使用该模块的机器人手臂。

背景技术

机器人手臂中使用的双自由度(Two degree-of-freedom，2-DOF)关节模块由于诸如尺寸紧凑、重量轻以及成本低的几个优点而变得越来越普遍。关节模块设计成满足某些要求和约束，并且这些要求和约束转化成设计规范。对于工业应用，对有效载荷范围、速度、准确度、可靠性、寿命、安全性、易于组装和维护的要求非常重要。

有一种称为Powerball ERB^TM的双自由度关节模块，其由Schunk GmbH&Co.KG设计。该关节模块容纳于球形围护件中，该球形围护件容纳控制关节所需的所有部件：伺服电机、编码器、电机驱动、谐波驱动、保持制动器和用于内部布线的空心轴。由于需要通风来消散由诸如电机、电机驱动和制动器等的电子部件产生的热量，所以关节模块不密封。该模块重量轻、结构紧凑并且高度集成。然而，这种设计具有局限性。

第一，Powerball ERB^TM关节模块包括许多机械和电子部件，这提高了结构复杂性，同时还引起散热问题。由于所有电气和控制部件都集成在模块外壳中，所以这些部件产生的热量需要相对较大的空间才能散发。然而，由于该关节设计成紧凑关节，所以电子部件消耗的功率受到其产生热量的限制。这转而限制了关节模块的输出功率。因此，这种类型的关节模块在有效载荷范围方面的应用受限。

第二，为了解决散热问题，在外壳上制造开口或槽。这限制了关节模块在诸如多尘环境、潮湿环境和爆炸性环境的某些恶劣工业环境下的应用。这些关节不能在用于涂覆、涂布和焊接的机器手臂中使用。例如，这种工业应用中可能存在的爆炸性气体和火花会进入关节模块并导致爆炸。

第三，Powerball ERB^TM可用于构建机器人手臂LWA-4P^TM。LWA-4P手臂包括三个Powerball关节模块和两个连接件。由于关节模块对散热和功率封顶问题有限制，所以手臂不能在一些恶劣工业环境下工作，并且手臂的有效载荷受限。

还有另一双自由度关节模块，由工程服务公司(Engineering Services Inc.,ESI)通过专利号US 9,044,865设计。该关节模块设计用于大扭矩和低速应用。关节模块包括模块外壳和两个关节。另外，关节中的一个具有空心轴齿轮头、离轴驱动件、伺服电机、以及延伸穿过空心轴齿轮头的内部电缆。由于关节模块设计成与连接件连接，所以关节模块具有主动侧和带有电子连接器的被动侧。主动侧机械地连接至连接件，以及被动侧的电子连接器可操作地连接至连接件电缆。该关节用于构建机器人手臂。该设计存在如下所述的局限性。

第一，由于控制关节运动所需的所有部件都集成到该模块中，所以该模块具有与Powerball EBR^TM中提到的相同的散热问题。

第二，由于关节模块的内部结构，模块内的电缆布线复杂。关节中的一个使用非空心轴电机和齿轮头来提供扭矩。由于关节的内部结构，所以电缆进入模块的一个端部，在模块内部转90度，并从另一侧离开模块。在这种情况下，电缆在外壳内会受到挤压。这可能导致电缆上的扭转力很大。

还有另一种类型的双自由度关节模块，由Fanuc Robotics North America设计，如专利US 5,293,107所示。每个模块外壳都容纳两个空心轴旋转致动器、其它电子部件和内部电缆。该关节用于构建机器人手臂。然而，这种设计也具有局限性。