[发明专利]一种可变自由度的模块化机械臂

摘要

本发明公开一种可变自由度的模块化机械臂，将模块化设计思想引入到轻型机械臂的设计中，通过多个模块化的机械臂关节能够任意拼接成不同自由度的模块化机械臂；包括由输出法兰与输出轴构成输出法兰轴，以及输出轴上套有的谐波减速器、中空轴电机、刹车装置、双码盘定位机构。其中，谐波减速器与输出法兰固定，同时与中空轴电机的中空轴固定；中空轴转动通过谐波减速器减速后，带动输出法兰转动。刹车装置用来在突发状况时进行紧急制动。双码盘定位机构用来获取中空轴的速度信息与输出轴的位置信息。上述各部分的控制通过伺服驱动电路来实现。本发明的优点为可使机械臂具有更强的环境适应能力，具有强大的功能可扩展性、灵活性和适应性。

主权项

一种可变自由度的模块化机械臂，包括基座、机械臂连杆与机械臂关节；基座用来支撑机械臂，并实现机械臂的设置与安装；机械臂连杆之间、机械臂连杆与基座间以及机械臂连杆与末端执行器间均通过机械臂关节进行连接；其特征在于：所述机械臂关节包括输出法兰轴、谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构；所述输出法兰轴为输出法兰和输出轴两部分构成的一体结构；输出法兰与输出轴前端同轴相接；其中，输出轴上由前至后依次同轴套有谐波减速器、中空轴电机、刹车装置与双码盘定位机构；谐波减速器、中空轴电机、刹车装置、双码盘定位机构均位于外壳内；上述谐波减速器通过螺钉固定于输出法兰上；中空轴电机的中空轴前端通过螺钉连接在谐波减速器的输入端；中空轴电机工作，中空轴转动，通过谐波减速器减速后，带动输出法兰转动；刹车装置安装在中空轴电机的中空轴后端套有的后端盖上，后端盖与外壳固定；刹车装置用来实现中空轴电机中空轴的制动；所述双码盘定位机构包括驱动电路板、速度增量编码器和位置增量编码器；其中，速度增量编码器与位置增量编码器均为中空结构的光栅编码器；速度增量编码器具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号；速度增量编码器固定于中空轴后端端部，需保证速度增量编码器的Z相停止位与电机转子的一相对齐；位置增量编码器固定在输出轴后端端部；驱动电路板设置于速度增量编码器与位置增量编码器之间，通过铜柱固定支撑在后端盖上；驱动电路板的前后端面上分别安装有速度增量编码器读头与位置增量编码器读头，用来实时读取速度增量编码器与位置增量编码器产生的差分信号，进而确定得到中空轴的速度信息与输出轴的位置信息；驱动电路板上设计有伺服驱动电路，用来实现对中空轴电机、刹车装置的控制，以及速度增量编码器读头与位置增量编码器读头获取数据的处理；在连接时，将一个机械臂关节的输出法兰连接到另一个机械臂关节的连接法兰或机械臂连杆端部上，实现机械臂连杆间的连接，具体为：在输出法兰面的外缘周向上均匀设计有n个通孔，n≥2；通孔为由圆形螺帽穿孔与相连通的条形锁孔构成的一体通孔结构，条形锁孔的宽度小于螺帽穿孔的直径；连接法兰面的外缘周向上均匀螺纹连接有n个螺钉，使螺钉的螺帽与连接法兰面间具有大于连接法兰厚度的距离；在两个机械臂关节连接时，将连接法兰面上的n个螺钉分别对应连接法兰面上的n通孔，将螺钉的螺帽由圆形螺帽孔穿过后，经转动机械臂关节，使n个螺钉的螺杆分别沿n个通孔的条形锁孔移动；此时，将n个螺钉分别拧紧，使环形定位凸起和定位块分别插入环形定位槽与定位孔内，实现两个机械臂间的固定；同样，在机械臂关节的输出法兰与连杆端部相连时，将连杆端部设计为上述连接法兰的结构形式，进而实现机械臂关节与连杆间的连接；所述输出法兰面上还开有环形定位槽以及定位孔；在连接法兰面上还设计环形定位凸起以及定位块；在两个机械臂关节的输出法兰面与连接法兰面同轴时，环形定位槽与环形定位凸起位置对应；当螺钉的螺杆移动至条形锁孔末端时，定位孔与定位块位置对应。