CN101585190B - 一种机器人关节及其辅助设计方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节及其辅助设计方法和装置，属于机器人领域。机器人关节包括：共轴的关节轴系和电机转子轴系；关节轴系包括主动关节、从动关节和关节轴承；电机转子轴系包括电机主轴、电机轴承、主动关节旋转变压器、永磁同步电机、谐波齿轮减速器和从动关节旋转变压器。方法包括：根据设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻，计算设计的机器人关节的总的热容量；根据计算出的设计的机器人关节的总的热容量、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的功率损耗，模拟计算设计的机器人关节在预设的环境下的工作温度；根据计算出的设计的机器人关节的工作温度，验证设计的机器人关节的合理性。

Description

一种机器人关节及其辅助设计方法和装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种机器人关节及其辅助设计方法和装置。

背景技术

机器人关节是机器人的重要组成部分，是机器人的执行部件，主要完成位置、速度和力的输出。机器人关节是涉及机械、电子、传感器和控制等多重技术的机电系统。机器人关节通常包括机械结构、传动系统以及驱动系统，其中传动系统可以是直齿轮减速器和谐波齿轮减速器等，驱动系统可以是直流电机和交流电机等。

目前，构建机器人关节的部件大多采用分立元件或模块化的设计。基于分立元件设计的机器人关节中，每个元件都具有独立的封装外壳和安装表面。基于模块化设计的机器人关节中，将传感系统、驱动系统、控制系统和电源系统等电气系统都集成在关节的内腔，并采用大中心孔的方法在关节的内腔布线。

在实现本发明的过程中，发明人发现现在技术至少存在以下缺点：

对于采用分立元件设计的机器人关节，由于要为每个元件设置独立的封装外壳与安装表面，导致关节的体积和重量较大和关节的集成度较低，关节的寿命也较短等。对于采用模块化设计的机器人关节，仅仅是各个分立系统的综合，传动系统、驱动系统的各个部件依旧是分立的元件，结构设计上的整体性较差，关节的集成度较低。

发明内容

为了降低机器人关节的体积和重量，提高结构设计上的整体性以及集成度，以及保证设计的机器人关节的合理性，本发明实施例提供了一种机器人关节及其辅助设计方法和装置。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种机器人关节，所述机器人关节包括：共轴的关节轴系和电机转子轴系；

所述关节轴系包括主动关节、从动关节和关节轴承；所述主动关节和所述从动关节通过所述关节轴承相连形成中空的内腔；

所述电机转子轴系位于关节轴系的内腔，所述电机转子轴系包括电机主轴、电机轴承、主动关节旋转变压器、永磁同步电机、谐波齿轮减速器和从动关节旋转变压器；所述主动关节旋转变压器包括主动关节旋转变压器的定子和主动关节旋转变压器的转子；所述永磁同步电机包括永磁同步电机的定子和永磁同步电机的转子；所述谐波齿轮减速器包括谐波齿轮减速器的刚轮、谐波齿轮减速器的波发生器和谐波齿轮减速器的柔轮；所述从动关节旋转变压器包括从动关节旋转变压器的定子和从动关节旋转变压器的转子；

所述电机主轴是所述关节轴系和所述电机转子轴系的轴心，所述电机主轴通过所述电机轴承与所述主动关节和所述从动关节相连；

所述电机主轴上沿所述主动关节至所述从动关节的方向依次安装有所述主动关节旋转变压器的转子、所述永磁同步电机的转子和所述从动关节旋转变压器的转子；

所述主动关节旋转变压器的转子上安装有所述主动关节旋转变压器的定子；

所述永磁同步电机的转子上沿所述主动关节至所述从动关节的方向依次安装有所述永磁同步电机的定子和所述谐波齿轮减速器的波发生器；

所述从动关节旋转变压器的转子上安装有所述从动关节旋转变压器的定子；

所述谐波齿轮减速器的波发生器上沿所述主动关节至所述从动关节的方向依次安装有所述谐波齿轮减速器的刚轮和所述谐波齿轮减速器的柔轮；

将所述主动关节作为所述主动关节旋转变压器的定子和所述永磁同步电机的定子的外壳；

将所述从动关节作为所述从动关节旋转变压器的定子、谐波齿轮减速器的刚轮和谐波齿轮减速器的波发生器的外壳。

进一步地，所述电机主轴的内腔为中空。

进一步地，所述主动关节旋转变压器的左侧设有安装控制电路的空间。

另一方面，本发明实施例提供了一种机器人关节辅助设计方法，所述方法包括：

根据设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻，计算所述设计的机器人关节的总的热容量；

根据计算出的所述设计的机器人关节的总的热容量、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的功率损耗，模拟计算所述设计的机器人关节在预设的环境下的工作温度；

根据计算出的所述设计的机器人关节的工作温度，验证所述设计的机器人关节的合理性。

进一步地，所述根据计算出的所述设计的机器人关节的工作温度，验证所述设计的机器人关节的合理性包括：

根据计算出的所述设计的机器人关节的工作温度，判断所述设计的机器人关节的工作温度是否在机器人关节正常工作的温度范围内；

如果所述设计的机器人关节的工作温度在所述机器人关节正常工作的温度范围内，则所述设计的机器人关节合理；否则，所述设计的机器人关节不合理。

另一方面，本发明实施例提供了一种机器人关节辅助设计装置，所述装置包括：

热容量获取模块，用于根据设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻，计算所述设计的机器人关节的总的热容量；

温度获取模块，用于在所述热容量获取模块计算出所述设计的机器人关节的总的热容量后，根据计算出的所述设计的机器人关节的总的热容量、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的功率损耗，模拟计算所述设计的机器人关节在预设的环境下的工作温度；

验证模块，用于在所述温度获取模块计算出所述设计的机器人关节的工作温度后，根据计算出的所述设计的机器人关节的工作温度，验证所述设计的机器人关节的合理性。

进一步地，所述验证模块具体包括：

判断单元，用于在所述温度获取模块计算出所述设计的机器人关节的工作温度后，根据计算出的所述设计的机器人关节的工作温度，判断所述设计的机器人关节的工作温度是否在机器人关节正常工作的温度范围内；

处理单元，用于在所述判断单元的判断结果是所述设计的机器人关节的工作温度在所述机器人关节正常工作的温度范围内时，所述设计的机器人关节合理；否则，所述设计的机器人关节不合理。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过将主动关节和从动关节作为永磁同步电机、主和从动关节旋转变压器和整个机器人关节的外壳，避免了使用多余的外壳，可以降低机器人关节的体积和重量；并且将永磁同步电机的转子以及主和从动关节旋转变压器的转子全部直接集成在电机主轴上，将主动关节旋转变压器的定子安装在主动关节旋转变压器的转子上，将永磁同步电机的定子和谐波齿轮减速器的波发生器安装在永磁同步电机的转子上，将从动关节旋转变压器的定子安装在从动关节旋转变压器的转子上，将谐波齿轮减速器的刚轮和谐波齿轮减速器的柔轮安装在谐波齿轮减速器的波发生器上，从而使得各个部件的接触面可以互为安装表面，避免了使用多余的安装表面，进一步降低了机器人关节的体积和重量，提高了结构设计上的整体性以及集成度。在设计机器人关节的过程中，通过设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的损耗，模拟计算出设计的机器人关节的工作温度，根据设计的机器人关节的工作温度可以验证设计的机器人关节的合理性，从而保证了机器人关节可以正常工作，避免了机器人关节的温度过高造成的机器人关节无法正常工作的缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种机器人关节的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的一种机器人关节的热容模型示意图；

图3是本发明实施例2提供的一种机器人关节辅助设计方法流程图；

图4是本发明实施例3提供的一种机器人关节辅助设计装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例提供了一种机器人关节，机器人关节包括关节轴系和电机转子轴系，关节轴系和电机转子轴系共轴。其中，关节轴系包括主动关节1、从动关节6和关节轴承17，主动关节1和从动关节6通过关节轴承17相连，主动关节1和从动关节6相连形成中空的内腔。电机转子轴系位于关节轴系的内腔，电机转子轴系包括电机主轴16、电机轴承14、主动关节旋转变压器(包括主动关节旋转变压器的定子2和主动关节旋转变压器的转子3)、永磁同步电机(包括永磁同步电机的定子4和永磁同步电机的转子5)、谐波齿轮减速器(包括谐波齿轮减速器的刚轮7、谐波齿轮减速器的波发生器8和谐波齿轮减速器的柔轮9)和从动关节旋转变压器(包括从动关节旋转变压器的定子10和从动关节旋转变压器的转子11)。电机主轴16通过电机轴承14与主动关节1和从动关节6相连，电机主轴16是关节轴系和电机转子轴系的轴心。电机主轴16上沿主动关节1至从动关节6的方向依次安装有主动关节旋转变压器的转子3、永磁同步电机的转子5和从动关节旋转变压器的转子11。主动关节旋转变压器的转子3位于主动关节1内腔，其上安装有主动关节旋转变压器的定子2。永磁同步电机的转子5的一部分位于主动关节1内腔，永磁同步电机的转子5的另一部分位于从动关节6内腔，位于主动关节1内腔的永磁同步电机的转子5上安装有永磁同步电机的定子4，位于从动关节6内腔的永磁同步电机的转子5上安装有谐波齿轮减速器的波发生器8。从动关节旋转变压器的转子11位于从动关节6内腔，其上安装有从动关节旋转变压器的定子10。谐波齿轮减速器的波发生器8上沿主动关节1至从动关节6的方向依次安装有谐波齿轮减速器的刚轮7和谐波齿轮减速器的柔轮9。将主动关节1作为主动关节旋转变压器的定子2和永磁同步电机的定子4的外壳，将从动关节6作为从动关节旋转变压器的定子10、谐波齿轮减速器的刚轮7和谐波齿轮减速器的波发生器8的外壳，并且，将主动关节1和从动关节6作为整个机器人关节的外壳。

需要说明的是，主动关节1和从动关节6相连形成中空的内腔，其中，主动关节1下的空间为主动关节1内腔，从动关节6下的空间为从动关节6内腔。并且，关节轴系由谐波齿轮减速器驱动，电机主轴16由永磁同步电机的转子5驱动。将主动关节1作为主动关节旋转变压器的定子2和永磁同步电机的定子4的外壳，将从动关节6作为从动关节旋转变压器的定子10的外壳，可以使得永磁同步电机的定子以及主和从动关节旋转变压器的定子仅保留定子铁心和线圈，从而可以消除永磁同步电机及主和从动关节旋转变压器多余的外壳，避免使用多余的外壳，并且，将主动关节1和从动关节6作为整个机器人关节的外壳，可以进一步地避免使用多余的外壳。将主动关节旋转变压器的转子3、永磁同步电机的转子5和从动关节旋转变压器的转子11全部直接集成在电机主轴16上，将主动关节旋转变压器的定子2安装在主动关节旋转变压器的转子3上，将永磁同步电机的定子4和谐波齿轮减速器的波发生器8安装在永磁同步电机的转子5上，将从动关节旋转变压器的定子10安装在从动关节旋转变压器的转子11上，将谐波齿轮减速器的刚轮7和谐波齿轮减速器的柔轮9安装在谐波齿轮减速器的波发生器8上，各个部件的接触面可以互为安装表面，可以消除多余的安装表面。

本发明实施例中，电机主轴16可以通过中空轴定位销13固定在关节右挡盖12上。

本发明实施例中，电机主轴16的内腔为中空，以作为电缆的通道，方便机器人关节走线。

本发明实施例中，在主动关节旋转变压器的左侧可以设有安装控制电路的空间。

本发明实施例中，通过轴承安装座15固定电机轴承14。

可以将本发明在上述技术方案涉及的机器人关节应用于具体的机器人。

本发明实施例所述的机器人关节，通过将主动关节和从动关节作为永磁同步电机、主和从动关节旋转变压器和整个机器人关节的外壳，避免了使用多余的外壳，可以降低机器人关节的体积和重量；并且将永磁同步电机的转子以及主和从动关节旋转变压器的转子全部直接集成在电机主轴上，将主动关节旋转变压器的定子安装在主动关节旋转变压器的转子上，将永磁同步电机的定子和谐波齿轮减速器的波发生器安装在永磁同步电机的转子上，将从动关节旋转变压器的定子安装在从动关节旋转变压器的转子上，将谐波齿轮减速器的刚轮和谐波齿轮减速器的柔轮安装在谐波齿轮减速器的波发生器上，从而使得各个部件的接触面可以互为安装表面，避免了使用多余的安装表面，进一步降低了机器人关节的体积和重量，提高了结构设计上的整体性以及集成度。

实施例2

由于机器人关节的集成度非常高，而且机器人关节内腔是封闭的结构体，机器人关节靠自身耗散热量，散热比较困难，因此机器人关节的温度不可以太高，否则机器人关节会因温度太高而无法正常工作。为此在设计机器人关节的过程中，应该验证设计的机器人关节的工作温度是否在机器关节正常工作的温度范围内，确保设计的机器人关节的合理性，从而保证制造出的机器人关节可以正常工作。为此，参见图2，本发明实施例建立了如图2所示的机器人关节的热容模型；基于机器人关节的热容模型，参见图3，本发明实施例提供了一种机器人关节辅助设计方法，该方法包括：

101：根据设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻，计算设计的机器人关节的总的热容量。

其中，根据材料热特性和热阻计算热容量的具体过程与现有技术相同，此处不再赘述。

具体地，本发明实施例中，机器人关节的各个组成部件为主动关节、从动关节、关节轴承、电机主轴、电机轴承、主动关节旋转变压器、永磁同步电机、谐波齿轮减速器和从动关节旋转变压器等，并且各个组成部件可以是钢、铝等材料。本发明实施例中，各个组成部件之间的接触面的热阻是：主动关节旋转变压器的定子2与主动关节旋转变压器的转子3的接触面的热阻、永磁同步电机的定子4和谐波齿轮减速器的波发生器8与永磁同步电机的转子5的接触面的热阻、从动关节旋转变压器的定子10与从动关节旋转变压器的转子11的接触面的热阻，谐波齿轮减速器的刚轮7和谐波齿轮减速器的柔轮9与谐波齿轮减速器的波发生器8的接触面的热阻等。

102：根据计算出的设计的机器人关节的总的热容量、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的功率损耗，模拟计算设计的机器人关节在预设的环境下的工作温度。

其中，预设的环境温度可以根据机器人实际的工作环境进行设置；预设的机器人关节的总的功率损耗可以根据机器人关节实际的工作功率要求进行设置。需要说明的是，可以将预设的环境温度设置为大于实际的工作环境温度，将机器人关节的总的功率损耗设置为大于实际的机器人关节的总的损耗，使得可以保留一定的安全裕度。

具体地，将机器人关节的总的热容量换算为温度，将预设的机器人关节的总的功率损耗换算为温度，然后与预设的环境温度相加得到机器人关节的工作温度。将机器人关节的总的热容量换算为温度，将预设的机器人关节的总的功率损耗换算为温度与现有技术相同此处不再赘述。

103：根据设计的机器人关节的工作温度，验证设计的机器人关节的合理性。

具体地，判断设计的机器人关节的工作温度是否在机器人关节正常工作的温度范围内，如果设计的机器人关节的工作温度在机器人关节正常工作的温度范围内，则设计的机器人关节合理，可以满足实际需要，可以进行制造；否则，设计的机器人关节不合理，需要对设计的机器人关节进行调整，直到设计的机器人关节的工作温度在机器人关节正常工作的温度范围内。对设计的机器人关节进行调整，可以是增加机器人关节各个组成部件的尺寸或更换机器人关节各个组成部件的材料为热容量更大的材料等。

在设计机器人关节的过程中，按照上述方法对设计的机器人关节进行验证，可以确保设计的机器人关节的合理性，从而保证了实际的机器人关节可以正常工作。

本发明实施例所述的机器人关节辅助设计方法，在设计机器人关节的过程中，通过设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的损耗，计算出设计的机器人关节的工作温度，根据设计的机器人关节的工作温度可以判断出设计的机器人关节的合理性，从而保证了机器人关节可以正常工作，避免了机器人关节的温度过高造成的机器人关节无法正常工作的缺陷。

实施例3

参见图4，本发明实施例提供了一种机器人关节辅助设计装置，该装置包括：

热容量获取模块201，用于根据设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻，计算设计的机器人关节的总的热容量；

温度获取模块202，用于在热容量获取模块201计算出设计的机器人关节的总的热容量后，根据计算出的设计的机器人关节的总的热容量、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的功率损耗，计算设计的机器人关节的工作温度；

验证模块203，用于在温度获取模块202计算出设计的机器人关节的工作温度后，根据计算出的设计的机器人关节的工作温度，验证设计的机器人关节的合理性。

进一步地，验证模块203具体包括：

判断单元，用于在温度获取模块计算出设计的机器人关节的工作温度后，根据计算出的设计的机器人关节的工作温度，判断设计的机器人关节的工作温度是否在机器人关节正常工作的温度范围内；

处理单元，用于在判断单元的判断结果是设计的机器人关节的工作温度在机器人关节正常工作的温度范围内时，设计的机器人关节合理；否则，设计的机器人关节不合理。

本发明实施例所述的机器人关节辅助设计装置，在设计机器人关节的过程中，通过设计的机器人关节的各个组成部件的材料热特性、各个组成部件之间的接触面的热阻、预设的环境温度和预设的机器人关节的总的损耗，计算出设计的机器人关节的工作温度，根据设计的机器人关节的工作温度可以判断出设计的机器人关节的合理性，从而保证了机器人关节可以正常工作，避免了机器人关节的温度过高造成的机器人关节无法正常工作的缺陷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机器人关节，其特征在于，所述机器人关节包括：共轴的关节轴系和电机转子轴系；

所述关节轴系包括主动关节、从动关节和关节轴承；所述主动关节和所述从动关节通过所述关节轴承相连形成中空的内腔；

所述电机转子轴系位于所述关节轴系的内腔，所述电机转子轴系包括电机主轴、电机轴承、主动关节旋转变压器、永磁同步电机、谐波齿轮减速器和从动关节旋转变压器；所述主动关节旋转变压器包括主动关节旋转变压器的定子和主动关节旋转变压器的转子；所述永磁同步电机包括永磁同步电机的定子和永磁同步电机的转子；所述谐波齿轮减速器包括谐波齿轮减速器的刚轮、谐波齿轮减速器的波发生器和谐波齿轮减速器的柔轮；所述从动关节旋转变压器包括从动关节旋转变压器的定子和从动关节旋转变压器的转子；

所述电机主轴通过所述电机轴承与所述主动关节和所述从动关节相连，所述电机主轴是所述关节轴系和所述电机转子轴系的轴心；

所述电机主轴上沿所述主动关节至所述从动关节的方向依次安装有所述主动关节旋转变压器的转子、所述永磁同步电机的转子和所述从动关节旋转变压器的转子；

所述主动关节旋转变压器的转子上安装有所述主动关节旋转变压器的定子；

所述永磁同步电机的转子上沿所述主动关节至所述从动关节的方向依次安装有所述永磁同步电机的定子和所述谐波齿轮减速器的波发生器；

所述从动关节旋转变压器的转子上安装有所述从动关节旋转变压器的定子；

所述谐波齿轮减速器的波发生器上沿所述主动关节至所述从动关节的方向依次安装有所述谐波齿轮减速器的刚轮和所述谐波齿轮减速器的柔轮；

将所述主动关节作为所述主动关节旋转变压器的定子和所述永磁同步电机的定子的外壳；

将所述从动关节作为所述从动关节旋转变压器的定子、所述谐波齿轮减速器的刚轮和所述谐波齿轮减速器的波发生器的外壳。

2.根据权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述电机主轴的内腔为中空。

3.根据权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述主动关节旋转变压器的左侧设有安装控制电路的空间。

4.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1至3任一权利要求所述机器人关节。

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