[發(fā)明專利]一種機(jī)器人關(guān)節(jié)及其輔助設(shè)計(jì)方法和裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910087735.1
• 申請(qǐng)日: 2009-06-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101585190A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃強(qiáng);蔣志宏;賈宏亮;李輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J17/00
• 分類號(hào): B25J17/00;G06F17/50
• 代理公司: 北京三高永信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 何文彬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)及其輔助設(shè)計(jì)方法和裝置。

背景技術(shù)

機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人的重要組成部分，是機(jī)器人的執(zhí)行部件，主要完成位置、速度和力的輸出。機(jī)器人關(guān)節(jié)是涉及機(jī)械、電子、傳感器和控制等多重技術(shù)的機(jī)電系統(tǒng)。機(jī)器人關(guān)節(jié)通常包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中傳動(dòng)系統(tǒng)可以是直齒輪減速器和諧波齒輪減速器等，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是直流電機(jī)和交流電機(jī)等。

目前，構(gòu)建機(jī)器人關(guān)節(jié)的部件大多采用分立元件或模塊化的設(shè)計(jì)。基于分立元件設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)中，每個(gè)元件都具有獨(dú)立的封裝外殼和安裝表面。基于模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)中，將傳感系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等電氣系統(tǒng)都集成在關(guān)節(jié)的內(nèi)腔，并采用大中心孔的方法在關(guān)節(jié)的內(nèi)腔布線。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)：

對(duì)于采用分立元件設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，由于要為每個(gè)元件設(shè)置獨(dú)立的封裝外殼與安裝表面，導(dǎo)致關(guān)節(jié)的體積和重量較大和關(guān)節(jié)的集成度較低，關(guān)節(jié)的壽命也較短等。對(duì)于采用模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，僅僅是各個(gè)分立系統(tǒng)的綜合，傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件依舊是分立的元件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的整體性較差，關(guān)節(jié)的集成度較低。

發(fā)明內(nèi)容

為了降低機(jī)器人關(guān)節(jié)的體積和重量，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的整體性以及集成度，以及保證設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的合理性，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)及其輔助設(shè)計(jì)方法和裝置。所述技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)，所述機(jī)器人關(guān)節(jié)包括：共軸的關(guān)節(jié)軸系和電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系；

所述關(guān)節(jié)軸系包括主動(dòng)關(guān)節(jié)、從動(dòng)關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)軸承；所述主動(dòng)關(guān)節(jié)和所述從動(dòng)關(guān)節(jié)通過(guò)所述關(guān)節(jié)軸承相連形成中空的內(nèi)腔；

所述電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系位于關(guān)節(jié)軸系的內(nèi)腔，所述電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系包括電機(jī)主軸、電機(jī)軸承、主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器、永磁同步電機(jī)、諧波齒輪減速器和從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器；所述主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器包括主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子；所述永磁同步電機(jī)包括永磁同步電機(jī)的定子和永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子；所述諧波齒輪減速器包括諧波齒輪減速器的剛輪、諧波齒輪減速器的波發(fā)生器和諧波齒輪減速器的柔輪；所述從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器包括從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子；

所述電機(jī)主軸是所述關(guān)節(jié)軸系和所述電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的軸心，所述電機(jī)主軸通過(guò)所述電機(jī)軸承與所述主動(dòng)關(guān)節(jié)和所述從動(dòng)關(guān)節(jié)相連；

所述電機(jī)主軸上沿所述主動(dòng)關(guān)節(jié)至所述從動(dòng)關(guān)節(jié)的方向依次安裝有所述主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子、所述永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和所述從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子；

所述主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子上安裝有所述主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子；

所述永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沿所述主動(dòng)關(guān)節(jié)至所述從動(dòng)關(guān)節(jié)的方向依次安裝有所述永磁同步電機(jī)的定子和所述諧波齒輪減速器的波發(fā)生器；

所述從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子上安裝有所述從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子；

所述諧波齒輪減速器的波發(fā)生器上沿所述主動(dòng)關(guān)節(jié)至所述從動(dòng)關(guān)節(jié)的方向依次安裝有所述諧波齒輪減速器的剛輪和所述諧波齒輪減速器的柔輪；

將所述主動(dòng)關(guān)節(jié)作為所述主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和所述永磁同步電機(jī)的定子的外殼；

將所述從動(dòng)關(guān)節(jié)作為所述從動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的定子、諧波齒輪減速器的剛輪和諧波齒輪減速器的波發(fā)生器的外殼。

進(jìn)一步地，所述電機(jī)主軸的內(nèi)腔為中空。

進(jìn)一步地，所述主動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器的左側(cè)設(shè)有安裝控制電路的空間。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)輔助設(shè)計(jì)方法，所述方法包括：

根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的各個(gè)組成部件的材料熱特性、各個(gè)組成部件之間的接觸面的熱阻，計(jì)算所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的總的熱容量；

根據(jù)計(jì)算出的所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的總的熱容量、預(yù)設(shè)的環(huán)境溫度和預(yù)設(shè)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的總的功率損耗，模擬計(jì)算所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)在預(yù)設(shè)的環(huán)境下的工作溫度；

根據(jù)計(jì)算出的所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的工作溫度，驗(yàn)證所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的合理性。

進(jìn)一步地，所述根據(jù)計(jì)算出的所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的工作溫度，驗(yàn)證所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的合理性包括：

根據(jù)計(jì)算出的所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的工作溫度，判斷所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的工作溫度是否在機(jī)器人關(guān)節(jié)正常工作的溫度范圍內(nèi)；

如果所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的工作溫度在所述機(jī)器人關(guān)節(jié)正常工作的溫度范圍內(nèi)，則所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)合理；否則，所述設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)節(jié)不合理。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)輔助設(shè)計(jì)裝置，所述裝置包括：