一种协作机器人的标准关节的制作方法

1.本实用新型涉及协作机器人领域，特别涉及一种协作机器人的标准关节。


背景技术：

2.目前，机器人的关节是机器人整体部件中非常重要组成部件，比如市面上大多数工业机器人有3～6个运动自由度，也就是3-6个关节组成。正是这些关节的运动来完成机器人需要完成的动作。
3.随着当前定制化协作型机器人的市场需求量的提高，各类厂家为了加快上市，需要尽可能地缩短研发的周期，因此在研发周期中，更多体现在系统高度集成和算法的高速迭代，对于机器人关节部分，会越来越多使用市面上已经开发好的关节模块作为集成的一部分，来缩短研发周期。对于协作机器人来说，由于用在非工业场合，并无大扭矩要求。所需要的关节需要灵巧，轻便，同时也需要有反馈信号便于开发者进行控制机器人。
4.但是如今的问题在于市面上目前的标准关节模块普遍存在各种缺陷难以满足定制化协作机器人的需求。
5.目前，机器人关节市场上常见的标准关节为两种，一种是直流无刷电机加减速齿轮组，另一种是伺服电机加减速齿轮组。通过直流无刷电机或伺服电机与一系列从动齿轮啮合以进行传动，使得机器人关节转动。以下为讨论着两种标准关节的优缺点。
6.其中一种标准关节由直流无刷电机加减速齿轮组组成，从体积重量和价格上，比较适用于协作机器人，但是此类关节没有额外的信号反馈装置，是属于一个开环的控制关节，因此用户一般会额外自行考虑设计和增加反馈装置，如编码器或电位器，加大了机器人产品研发的难度和周期。
7.另一种标准关节由伺服电机加减速齿轮组组成，此类关节可提供精确的反馈信号，提供大扭矩输出，常用于高精度和高扭矩的工业机器人，但缺点是伺服电机的价格高，同时体积重量大，对于协作机器人来讲，没有高精度和高扭矩的要求，并且伺服电机的大体积和大重量，无法满足协作机器人小体积，低重量的要求，故不适用与协作机器人。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种协作机器人的标准关节，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种协作机器人的标准关节，包括直流无刷电机，直流无刷电机通过第一齿轮传动组使得关节外轮转动，另外，直流无刷电机通过第二齿轮传动组使得电位器转动；即：
10.直流无刷电机输出轴连接的第一主轴齿轮一侧设有第一双重齿轮并与其啮合，与第一双重齿轮同轴的第二主轴齿轮与第二双重齿轮啮合，第二双重齿轮与第三双重齿轮啮合，第三双重齿轮与带轴的单层齿轮啮合，单层齿轮的输出轴通过轴承连接到关节外轮；
11.直流无刷电机输出轴连接的第一主轴齿轮另一侧设有第四双重齿轮并与其啮合，
第四双重齿轮与第五双重齿轮啮合，第五双重齿轮与电位器的输出轴连接。
12.本实用新型的进一步改进在于：第一主轴齿轮与第一双重齿轮的传动比为20:52。
13.本实用新型的进一步改进在于：第二主轴齿轮与第二双重齿轮的传动比为20:47。
14.本实用新型的进一步改进在于：第二双重齿轮与第三双重齿轮的传动比为12:59。
15.本实用新型的进一步改进在于：第三双重齿轮与单层齿轮的传动比为15:55。
16.本实用新型的进一步改进在于：第一主轴齿轮与第四双重齿轮的传动比为20:47。
17.本实用新型的进一步改进在于：第四双重齿轮与第五双重齿轮的传动比为12:59。
18.本实用新型的进一步改进在于：直流无刷电机输入和关节外轮输出的传动比为 i1*i2*i3*i4=110.15；根据公式转矩输出/转矩输入=传动比，得到关节外轮和直流无刷电机的转矩比为1/110.15；根据公式转速输入/转速输出=传动比，得到直流无刷电机输入和关节外轮转速比为110.15；因此关节外轮可以输出330.15kg/cm 的转矩， 以及0.85 rpm 的转速。
19.本实用新型的进一步改进在于：直流无刷电机输入和电位器输出的传动比为 i5*i6=11.55；根据公式转速输入/转速输出=传动比，得到直流无刷电机和电位器转速比为11.55。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
21.本实用新型体积小重量轻，并可输出大扭矩的标准机器人关节，方便了用户对于机器人关节的安装和使用，与此同时，增加了高精度的反馈系统，使得用户可以直接将此关节提供的接口进行闭环控制，大大加快了研发的速度，简化了调试的难度。
附图说明
22.图1为本实用新型的结构示意图；
23.图2为本实用新型的原理图；
24.图中标号：1-直流无刷电机、2-关节外轮、3-电位器、4-第一主轴齿轮、5-第一双重齿轮、6-第二主轴齿轮、7-第二双重齿轮、8-第三双重齿轮、9-单层齿轮、10-轴承、11-第四双重齿轮、12-第五双重齿轮。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
27.本实施例提供一种技术方案：标准关节中的齿轮传动系统分成两部分，第一部分传动系统中，直流无刷电机输出转矩到关节外轮，通过一系列齿轮传动使得关节外轮转动，第二部分传动系统中，直流无刷电机输出转矩到电位器，通过一系列齿轮传动使得电位器转动。其中，直流无刷电机的参数为负载转速93rpm/min，额定扭矩为3kg.cm。
28.在第一部分传动系统中（图2左部分）：
29.直流无刷电机可通过一组减速齿轮组，带动关节壳体输出低转速高扭矩的旋转运动。此部分可以让关节壳体输出330.15kg/cm 的转矩， 以及0.85 rpm 的转速。
30.具体的传动原理如下：
31.在此传动过程中，一共有四对齿轮互相啮合产生4个传动（比分别用i1,i2,i3,i4表示）最终产生一个直流无刷电机输入和关节外轮输出的转速比和转矩比。具体的产生原理如下：
32.第一对传动比i1为直流无刷电机1输出轴连接的第一主轴齿轮4（齿数20）和第一双重齿轮5大圈齿轮（齿数52）啮合，因此传动比为第一双重齿轮5大圈齿数与第一主轴齿轮4齿数的比值52/20。
33.第二对传动比i2为第二主轴齿轮6（齿数20）和 第二双重齿轮 7大圈齿轮（齿数47）啮合，因此传动比为第三双重齿轮7大圈齿数与第二主轴齿轮6齿数的比值47/20。
34.第三对传动比i3为第二双重齿轮7小圈（齿数12）和第三双重齿轮8大圈齿轮（齿数59）啮合，因此传动比为第三双重齿轮8大圈齿数与第二双重齿轮7小圈齿数的比值59/12。
35.第四对传动比为i4第三双重齿轮8小圈5（齿数15）和带轴的单层齿轮9（齿数55）啮合，因此传动比为单层齿轮9齿数与第三双重齿轮8小圈齿数的比值55/15. 其中单层齿轮9的输出轴会通过轴承10连接到关节外轮2。
36.因此第一部分中直流无刷电机1输入和关节外轮2输出的传动比为 i1*i2*i3*i4=110.15。根据公式转矩输出/转矩输入=传动比，得到关节外轮2和直流无刷电机1的转矩比为1/110.15。根据公式转速输入/转速输出=传动比，得到直流无刷电机1输入和关节外轮2转速比为110.15。直流无刷电机的因此关节外轮可以输出330.15kg/cm 的转矩， 以及0.85 rpm 的转速。
37.在第二部分传动系统中（图2右部分）：
38.直流无刷电机1通过另一组减速齿轮组带动电位器3进行低速转动，电位器3由于转动，输出其相应转动角度的电压值。因此此关节不但可以提供关节壳体的转动，还可以通过电位器3反馈得到关节壳体转动的角度。所以最终产生关节外轮2每转动一度对应电位器3输出电压值为0.2*(9.52/360) =0.0052 伏/度的分辨率。
39.具体的传动原理如下：
40.第一对传动比i5为直流无刷电机1输出轴连接的第一主轴齿轮4（齿数20）和第四双重齿轮11大圈齿轮（齿数47）啮合，因此传动比为第四双重齿轮11大圈齿数与第一主轴齿轮4齿数比值47/20。
41.第二对传动比i6为第四双重齿轮11小圈齿轮（齿数12）和第五双重齿轮12大圈齿轮（齿数59）啮合，因此传动比为第五双重齿轮12大圈齿数与第四双重齿轮11小圈齿数比值59/12. 其中第五双重齿轮12和电位器3输出轴连接，带动电位器3转动。
42.所以第二部分中直流无刷电机1输入和电位器3输出的传动比为 i5*i6=11.55；根据公式转速输入/转速输出=传动比，得到直流无刷电机1和电位器3转速比为11.55。
43.本实用新型通过两部分齿轮传动系统，可以得到电位器3相对于关节外轮2转动的分辨率，具体原理如下：
44.通过第一部分转速比110.15，即直流无刷电机1和关节外轮2的转速比。和第二部分转速比11.55 即直流无刷电机1和电位器3的转速比。 可以得到电位器3和关节外轮2的
转速比为110.15/11.55=9.52. 即电位器3转动9.52圈关节外轮2转动1圈。因此，电位器3的转动的范围为0-10圈，可以全部覆盖关节外轮2从0-360度旋转所产生的电压值。
45.另通过电位器2和关节外轮3的转速比，可以得到关节外轮2每转动1度，电位器3转9.52度。 由于电位器3选择的输出电压为0-5v,电位器3的转动范围为0-10圈，所以电位器3输出为0.2伏/圈。
46.因此最终产生关节外轮2每转动一度对应电位器3输出电压值为0.2*(9.52/360) =0.0052 伏/度 的分辨率。
47.在动力传输方面：
48.第一部分传动系统（图2左部分）可提供110.15的转速比，即输入马达的转速和关节外轮2转动的转速比比值为110.15。可提供 110.15 的转矩比，即关节外轮2转动的转矩和马达转矩的比值为110.15。可输出330.15kg/cm 的关节外轮2转矩， 以及0.85 rpm 的关节外轮2转速
49.在信号反馈方面：
50.在第二部分传动系统中（图2右部分），电位器3对于关节外轮2转动所输出的电压的分辨率为0.053伏特/每度。
51.本实用新型体积小重量轻，并可输出大扭矩的标准机器人关节，方便了用户对于机器人关节的安装和使用，与此同时，增加了高精度的反馈系统，使得用户可以直接将此关节提供的接口进行闭环控制，大大加快了研发的速度，简化了调试的难度。
52.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
53.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式，例如，能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
54.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、
ꢀ“
在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
55.现在，将参照附图更详细地描述根据本技术的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方
式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本技术的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
56.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。