一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块制造技术

一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接，传动轴的一端通过谐波减速器传递到变刚度模块一端，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出件固定连接；第一编码器用于测量关节输出件的角位移信息，第二编码器用于测量转子的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。本发明专利技术实现关节模块的刚度控制和力矩输出控制。

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块
本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块。
技术介绍
随着现代工业技术的高速发展，机器人已经广泛应用于各行各业中。如汽车领域的焊接、喷涂、热处理、运输、自动装配、上下料和检测等，其次在运输、码头、食物和药物以及电子制造等领域机器人也正在逐步替代人工从事沉重乏味的包装、运输、搬运等重复性作业。但是在精密装配、修刮或磨削工件表面、抛光和擦洗等工作任务中应用很少，因为在类似的任务中需要机器人末端执行器与环境接触并保持一定的接触力，这就需要机器人具有外力感知和力控制功能。目前具有力控制功能的成熟机器人产品不多，或者其价格很高，一般是普通工业机器人的几倍以上。同时随着机器人的应用范围扩大，有些任务需要机器人与人协作共同完成，这就对机器人的安全性能提出了很高的要求。目前机器人的安全性能一般采用两种方案来解决，一种是通过改变机器人机械结构的刚度保证与人交互时的安全；另一种是通过软件层面的控制算法策略来实现机器人与环境中的物体接触时的柔顺性。目前也有一些解决方案被大家提出，如河北工业大学的一种旋转型柔性关节(申请号：201410653785.2)，该柔性关节包括电机、电机架、安装板，第一连接板、第一同步带轮、第一同步带轮盖板、同步带、减速器、减速器法兰、弹簧安装架、弹簧输出架，输出盘、第二连接板、同步带端盖、第三连接板、交叉滚子轴承、轴承外圈盖板、轴承内圈盖板、第一平键、减速器法兰端盖、弹簧、第二平键、第三平键、第二同步带轮和第二同步带轮盖板。该专利技术专利虽然解决了机器人关节柔性问题，但整个关节的结构不够紧凑、外观上不是很美观且不能真正应用于机器人关节中，也做不到力矩控制的全闭环反馈。因此能开发出集成度高、性价比高的可力控制机器人关节模块对于扩大机器人的应用范围将产生巨大的意义，同时也能大大提高机器人的安全性能。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，可以实现机器人关节的力矩检测与控制从而实现整个串联机器人的力控制；该机器人摆转关节模块结构简单紧凑，关节传动精度高，力矩输出精度高，并且采用内走线方式，外观简洁美观，从本质上提高了机器人的安全性与可靠性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接且传动轴两端通过轴承支撑在传动腔内，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出件固定连接；驱动控制器设在安装部上，第一编码器用于测量关节输出件或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。由上可知，本专利技术在关节运动的过程中通过第一编码器读取关节输出件或力矩传感器的角位移信息，通过第二编码器获得转子的角位移信息，通过力矩传感器测量关节输出件所受外力矩，然后驱动控制器根据转子的角位移信息、关节输出件的角位移信息和所受外力矩，利用驱动控制器预设的控制算法控制无框电机转动。驱动控制器通过获得无框电机转子的角位移信息和关节输出件的角位移信息，得到无框电机转子的偏转角度与关节输出件的偏转角度，以及通过力矩传感器获得外界对关节模块施加的外力矩，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，因此可实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度。另外加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高人机交互的安全性。作为本专利技术的一种改进，所述谐波减速器和传动轴均设有中空孔，所述中空孔用于走内线。作为本专利技术的一种改进，所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环和读数头，所述力矩传感器为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环固定在力矩传感器的外环上，传动腔内设有第一支架，绝对式编码器读数头固定在第一支架上且与绝对式编码器磁环的位置相对应；力矩传感器的外环与关节输出件通过螺钉固定连接，力矩传感器的内环与变刚度模块另一端通过螺钉固定连接。作为本专利技术的一种改进，所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环和读数头，增量式编码器磁环通过第一安装座固定在传动轴另一端端面上，传动腔内设有第二支架，增量式编码器读数头固定在第二支架上且与增量式编码器磁环的位置相对应。作为本专利技术的一种改进，所述传动轴另一端设有防止传动轴随意转动的止动机构，当摆转关节模块通电时，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时，传动轴被止动机构卡住不能自由转动。作为本专利技术的一种改进，所述止动机构包括电磁铁、复位弹簧、衔铁和止动卡环，止动卡环固定套在传动轴另一端上，电磁铁和衔铁固定在传动腔内，当摆转关节模块通电时电磁铁通电，电磁铁和衔铁相吸合，衔铁处于吸合位置，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时电磁铁失电，衔铁在复位弹簧作用下回复至止动位置，止动卡环被衔铁卡住，传动轴不能自由转动。作为本专利技术的一种改进，所述传动轴两端上的轴承通过轴承座支撑在传动腔内，所述传动轴另一端上还设有轴套，所述止动机构还包括波形垫圈和限位凸肩，限位凸肩固定设在传动轴另一端上，波形垫圈和止动卡环套在传动轴另一端上并依次位于轴套与限位凸肩之间，止动卡环被波形垫圈和限位凸肩挤压夹紧而套在传动轴另一端上。进一步地，所述限位凸肩为C型定位环，传动轴另一端上设有卡槽，C型定位环卡扣在卡槽上。作为本专利技术的一种改进，所述基座的传动部在传动轴另一端侧设有基座端盖，所述关节输出件设有关节输出件端盖。进一步地，所述基座的安装部和传动部之间设有分隔板，所述驱动控制器通过散热板固定在分隔板上。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术在关节模块中加入力矩传感器，使得由该模块组装成的机器人可以感知环境中的力信息，实现力控制，因此提高了机器人的安全性、自我保护性，此关节模块可以应用到高精度装配、抛光、擦洗等需要机器人末端与环境接触并控制输出力的工作环境中；2、本专利技术加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高了人机交互的安全性；3、驱动控制器通过编码器获得无框电机转子的偏转角度与关节输出件的偏转角度，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度；4、通过采用增量式与绝对式双编码器的组合，并且绝对编码器安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接且传动轴两端通过轴承支撑在传动腔内，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出件固定连接；驱动控制器设在安装部上，第一编码器用于测量关节输出件或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。

【技术特征摘要】
1.一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接且传动轴两端通过轴承支撑在传动腔内，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出件固定连接；驱动控制器设在安装部上，第一编码器用于测量关节输出件或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。2.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述谐波减速器和传动轴均设有中空孔，所述中空孔用于走内线。3.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环和读数头，所述力矩传感器为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环固定在力矩传感器的外环上，传动腔内设有第一支架，绝对式编码器读数头固定在第一支架上且与绝对式编码器磁环的位置相对应；力矩传感器的外环与关节输出件通过螺钉固定连接，力矩传感器的内环与变刚度模块另一端通过螺钉固定连接。4.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环和读数头，增量式编码器磁环通过第一安装座固定在传动轴另一端端面上，传动腔内设有第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：管贻生，赵波，钟玉，谷世超，朱海飞，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44