CN104416579B - 一种中空式智能模块化关节 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体地说是一种中空式智能模块化关节。包括电机、制动器、增量式编码器、谐波减速器、绝对编码器、力矩传感器、中空走线管及末端输出轴，其中制动器和增量式编码器设置于电机后端盖上并分别通过传动装置与电机输出轴的后端传动连接，电机输出轴前端与谐波减速器连接，谐波减速器与末端输出轴的一端连接，末端输出轴的另一端与力矩传感器连接，绝对编码器安装于末端输出轴上；电机输出轴和末端输出轴均为中空结构，中空走线管依次穿过末端输出轴、谐波减速器及电机输出轴，中空走线管的一端与电机后端盖连接，另一端与末端输出轴转动连接。本发明按照模块化设计，应用于机器人关节，且各组成部分均具有可替换性。

Description

一种中空式智能模块化关节
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体地说是一种中空式智能模块化关节。
背景技术
近些年来，随着机器人技术的发展，医疗服务、航空航天、工业等对机器人的要求越来越高，而决定机器人性能的核心部件就是关节。在目前，大多的机器人关节设计是与机器人设计同时进行的，使得设计流程较复杂，设计周期较长；关节之间的走线十分复杂，绕线问题较难解决；关节输出一定转矩时，体积与重量大，无法满足轻量化的发展要求；关节的集中程度较低，感知能力较差；关节本身装配复杂，不容易实现关节的模块化替换。上述问题直接影响了关节模块的性能，阻碍的关节技术的发展。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种中空式智能模块化关节。该中空式智能模块化关节解决走线困难、质量与体积大、感知能力差、关节模块化程度差等问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种中空式智能模块化关节，包括电机、制动器、增量式编码器、谐波减速器、绝对编码器、力矩传感器、中空走线管及末端输出轴，其中制动器和增量式编码器设置于所述电机的电机后端盖上并分别通过传动装置与电机输出轴的后端传动连接，所述电机输出轴的前端与谐波减速器连接，所述谐波减速器与末端输出轴的一端连接，所述末端输出轴的另一端与力矩传感器连接，所述绝对编码器安装于末端输出轴上；所述电机输出轴和末端输出轴均为中空结构，所述中空走线管依次穿过末端输出轴、谐波减速器及电机输出轴，中空走线管的一端与电机后端盖连接，另一端与末端输出轴转动连接。
所述绝对编码器的转轴安装在末端输出轴上，绝对编码器的外壳通过绝对编码器安装架与所述谐波减速器的柔轮连接。所述绝对编码器安装架的外侧设有末端轴承，所述末端轴承的外侧设有与所述力矩传感器连接的末端轴承支撑架，所述末端轴承的两端分别通过末端轴承压紧端盖和弹簧卡圈轴向限位。
所述绝对编码器安装架上沿圆周方向设有多个凹槽，所述弹簧卡圈内壁上沿圆周方向设有多个凸起，所述弹簧卡圈套设于绝对编码器安装架上、并多个凸起卡接于绝对编码器安装架上相对应的多个凹槽内。
所述绝对编码器安装架和末端轴承压紧端盖上设有机械限位与电气限位，所述电气限位包括霍尔传感器和磁铁，所述磁铁安装在末端轴承压紧端盖上，所述霍尔传感器安装在绝对编码器安装架上，所述霍尔传感器的引出线，经过绝对编码器安装架、电机外壳上的走线孔及电机后端盖上走线孔，再与安装在所述电机后端盖上的电路板连接。
所述制动器的制动轴与电机后端盖转动连接、并位于电机后端盖内侧的一端上设有抱闸用小齿轮，所述抱闸用小齿轮与设置在电机输出轴后端上的大齿轮啮合传动，所述制动器外壳与电机后端盖固接。
所述增量式编码器通过增量式编码器用小齿轮与电机输出轴后端设有的大齿轮啮合，所述制动器和增量式编码器外侧设有笼形保护罩，所述中空走线管与笼形保护罩连接。
所述谐波减速器的谐波发生器安装在电机输出轴上，所述谐波减速器的刚轮与末端输出轴连接，所述谐波减速器的交叉滚子轴承外壳安装在电机外壳上。
所述力矩传感器包括一个保护梁、四个承受并传递关节转矩的应变梁和八个应变片，所述八个应变片分别贴在每个应变梁的两侧，所述保护梁采用切微缝设计，实现过载而出现过大变形的保护。
所述电机后端盖上设有电路板，所述力矩传感器的引出线，由中空走线管穿出、并与所述电路板连接；所述绝对编码器的引出线经过绝对编码器安装架、电机外壳及电机后端盖上的走线孔与所述电路板连接；所述电机的引出线经由电机后端盖的走线孔与所述电路板连接；所述增量式编码器和制动器的引出线直接与所述电路板连接。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明是一种轻质、大转矩、集成多种传感器的机电一体化关节，以更小的体积实现更完备的功能。
2.本发明采用了力矩由电机经谐波减速器输出，保证在低速时能够输出较大且平稳的转矩。
3.本发明输出端安装绝对位置编码器和一维力矩传感器，实现对关节力位信息的检测。
4.本发明采用增量式编码器，实现对电机的速度的测量与控制。
5.本发明采用制动与保持两用制动器，可以实现掉电电机抱死，能够在电机失控状态下进行刹车制动，保证关节安全可靠运转。
6.本发明具备机械限位与电气限位，保证关节的运动范围。
7.本发明按照模块化设计，应用于机器人关节，且各组成部分均具有可替换性，方便进行改造。
8.本发明可以实现中空走线，解决布线的问题，进而缩小机械臂的设计尺寸。中间孔采用薄壁筒，其固定在笼形保护罩上，且采用支撑，使其有效、可靠的与运动件分离，最大程度减少所布线的损坏。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的立体结构示意图；
图3为本发明的走线示意图；
图4为本发明中力矩传感器的结构示意图；
图5为本发明中末端轴承的轴用弹簧卡圈的结构示意图；
图6为绝对编码器安装架的结构示意图。
其中：1为驱动电机，1-1为电机输出轴，1-2为电机转子，1-3为电机定子，1-4为电机外壳，1-5为电机后端盖，1-6为大齿轮，2-1为制动器，2-2为制动轴，2-3为抱闸用小齿轮，3-1为增量式编码器，3-2为增量式编码器用小齿轮，4-1为谐波减速器，4-2为谐波保护外罩，5为绝对式编码器，6-1为力矩传感器，6-2为力矩传感器电路，7-1为电源模块、控制模块、通讯协议转换模块，7-2为驱动模块，8为笼形保护罩，9-1为中空走线管，9-2为走线管密封与支撑，10为末端输出轴，11为绝对编码器安装架，11-1为弹簧卡圈，12为末端轴承支撑架，13为末端轴承压紧端盖，14为机械与电气限位。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1-3所示，本发明包括电机1、制动器2-1、增量式编码器3-1、谐波减速器4-1、绝对编码器5、力矩传感器6-1、中空走线管9-1及末端输出轴10，其中电机1包括电机输出轴1-1、电机转子1-2、电机定子1-3、电机外壳1-4及电机后端盖1-5，所述电机后端盖1-5固接于电机外壳1-4的后端，所述电机输出轴1-1设置于电机外壳1-4内，并电机输出轴后端与电机外壳1-4转动连接，所述电机转子1-2套装于电机输出轴1-1上。所述电机定子1-3安装于电机外壳1-4的内壁上、并与电机转子1-2相对应。所述制动器2-1和增量式编码器3-1设置于电机后端盖1-5上并分别通过传动装置与电机输出轴1-1的后端传动连接。所述电机输出轴1-1的前端与谐波减速器4-1连接，所述谐波减速器4-1与末端输出轴10的一端连接，谐波减速器4-1的外侧设有谐波保护罩4-2，保护谐波减速器4-1及所布的线。所述末端输出轴10的另一端与力矩传感器6-1连接。所述绝对编码器5的转轴安装在末端输出轴10上，绝对编码器5的外壳通过绝对编码器安装架11与所述谐波减速器4-1的柔轮连接。所述绝对编码器安装架11的外侧设有末端轴承，所述末端轴承的外侧设有末端轴承支撑架12，所述末端轴承支撑架12与所述力矩传感器6-1连接，所述末端轴承的两端分别通过末端轴承压紧端盖13和弹簧卡圈11-1轴向限位。所述末端轴承抵消施加在关节末端的外载产生的除转矩以外的力和力矩，减少力矩传感器6-1在非测量方向变形，提高转矩测量精度。所述电机输出轴1-1和末端输出轴10均为中空结构，所述中空走线管9-1依次穿过末端输出轴10、谐波减速器4-1及电机输出轴1-1，中空走线管9-1的一端与电机后端盖1-5密封连接，另一端与末端输出轴10转动连接。
如图5、图6所示，所述绝对编码器安装架11上沿圆周方向设有多个凹槽，所述弹簧卡圈11-1内壁上沿圆周方向设有多个凸起，所述弹簧卡圈11-1套设于绝对编码器安装架11上、并多个凸起卡接于绝对编码器安装架11上相对应的多个凹槽内。
所述绝对编码器安装架11和末端轴承压紧端盖13上设有机械限位与电气限位14，所述电气限位包括霍尔传感器和磁铁，所述磁铁安装在末端轴承压紧端盖13上，所述霍尔传感器安装在绝对编码器安装架11上。所述霍尔传感器的引出线，经过绝对编码器安装架11、电机外壳1-4上的走线孔及电机后端盖1-5上走线孔，再与安装在所述电机后端盖1-5上的电路板连接。
所述制动器2-1的制动轴2-2通过深沟球轴承与电机后端盖1-5转动连接、并位于电机后端盖1-5内侧的一端上设有抱闸用小齿轮2-3，所述抱闸用小齿轮2-3与设置在电机输出轴1-1后端设有的大齿轮1-6啮合传动，所述制动器2-1外壳通过螺栓与电机后端盖1-5固接。所述增量式编码器3-1通过增量式编码器用小齿轮3-2与电机输出轴1-1后端设有的大齿轮1-6啮合。所述制动器2-1和增量式编码器3-1的外侧设有笼形保护罩8，所述中空走线管9-1与笼形保护罩8连接。制动器2-1为制动与保持两用制动器，制动与保持两用制动器，在关节突然掉电时，可实现平稳快速有效的制动将电机1抱死。另外可以在电机1失控的状态下进行刹车保护，提高关节安全性。
如图4所示，所述力矩传感器6-1包括四个应变梁，八个应变片，一个保护梁。力矩传感器6-1的四个应变梁均布，承受并传递关节转矩。八个应变片分别贴在每个应变梁的两侧，引出来的线接在安装于力矩传感器6-1的上的PCB板6-2上，信号处理后，经由中空走线管9-1的中心通孔连接到后端信号处理与控制电路。设置一个保护梁，采用切微缝设计，实现过载而出现过大变形的保护。
所述电机后端盖1-5上设有电路板，所述电路板包括电源模块、控制模块、通讯协议转换模块7-1，驱动模块7-2等，还包括各模块直接的电气接口。所述力矩传感器6-1的引出线由中空走线管9-1穿出、并与电源模块、控制模块、通讯协议转换模块7-1连接；所述绝对编码器5的引出线，经过绝对编码器安装架11、电机外壳1-4及电机后端盖1-5上设有的走线孔与电源模块、控制模块、通讯协议转换模块7-1连接；所述电机1的引出线经由电机后端盖1-5的走线孔与驱动模块7-2连接；所述增量式编码器3-1和制动器2-1的引出线直接与电源模块、控制模块、通讯协议转换模块7-1连接。
本发明的工作原理是：
电源模块为整个关节供电，通讯协议转换模块实现不同串口协议、CAN等之间的转换与通讯，控制模块实现关节的智能控制，驱动模块为驱动电机；电机1的后输出轴经齿轮传动连接增量式编码器3-1，实现对电机1转角和转速的反馈；电机1的后输出轴经齿轮连接制动器2-1，实现电机1掉电制动和防飞车保护；电机1的输出轴连接谐波减速器4-1，然后通过末端输出轴10连接到力矩传感器6-1，力矩传感器6-1将关节的转矩信号反馈给控制器，可以实现力阻抗控制等；末端输出轴10上安装绝对编码器5，绝对编码器5输出信号反馈给控制器，精确控制关节转角；安装在绝对编码器安装架11上和末端轴承压紧端盖13上的机械和电气限位，可以实现限位保护作用。

Claims (8)

1.一种中空式智能模块化关节，其特征在于：包括电机(1)、制动器(2-1)、增量式编码器(3-1)、谐波减速器(4-1)、绝对编码器(5)、力矩传感器(6-1)、中空走线管(9-1)及末端输出轴(10)，其中制动器(2-1)和增量式编码器(3-1)设置于所述电机(1)的电机后端盖(1-5)上并分别通过传动装置与电机输出轴(1-1)的后端传动连接，所述电机输出轴(1-1)的前端与谐波减速器(4-1)连接，所述谐波减速器(4-1)与末端输出轴(10)的一端连接，所述末端输出轴(10)的另一端与力矩传感器(6-1)连接，所述绝对编码器(5)安装于末端输出轴(10)上；所述电机输出轴(1-1)和末端输出轴(10)均为中空结构，所述中空走线管(9-1)依次穿过末端输出轴(10)、谐波减速器(4-1)及电机输出轴(1-1)，中空走线管(9-1)的一端与电机后端盖(1-5)连接，另一端与末端输出轴(10)转动连接；
所述绝对编码器(5)的转轴安装在末端输出轴(10)上，绝对编码器(5)的外壳通过绝对编码器安装架(11)与所述谐波减速器(4-1)的柔轮连接；
所述绝对编码器安装架(11)的外侧设有末端轴承，所述末端轴承的外侧设有与所述力矩传感器(6-1)连接的末端轴承支撑架(12)，所述末端轴承的两端分别通过末端轴承压紧端盖(13)和弹簧卡圈(11-1)轴向限位。
2.按权利要求1所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述绝对编码器安装架(11)上沿圆周方向设有多个凹槽，所述弹簧卡圈(11-1)内壁上沿圆周方向设有多个凸起，所述弹簧卡圈(11-1)套设于绝对编码器安装架(11)上、并多个凸起卡接于绝对编码器安装架(11)上相对应的多个凹槽内。
3.按权利要求1所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述绝对编码器安装架(11)和末端轴承压紧端盖(13)上设有机械限位与电气限位(14)，所述电气限位包括霍尔传感器和磁铁，所述磁铁安装在末端轴承压紧端盖(13)上，所述霍尔传感器安装在绝对编码器安装架(11)上，所述霍尔传感器的引出线，经过绝对编码器安装架(11)、电机外壳(1-4)上的走线孔及电机后端盖(1-5)上走线孔，再与安装在所述电机后端盖(1-5)上的电路板连接。
4.按权利要求1所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述制动器(2-1)的制动轴(2-2)与电机后端盖(1-5)转动连接、并位于电机后端盖(1-5)内侧的一端上设有抱闸用小齿轮(2-3)，所述抱闸用小齿轮(2-3)与设置在电机输出轴(1-1)后端上的大齿轮(1-6)啮合传动，所述制动器(2-1)外壳与电机后端盖(1-5)固接。
5.按权利要求1所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述增量式编码器(3-1)通过增量式编码器用小齿轮(3-2)与电机输出轴(1-1)后端设有的大齿轮(1-6)啮合，所述制动器(2-1)和增量式编码器(3-1)外侧设有笼形保护罩(8)，所述中空走线管(9-1)与笼形保护罩(8)连接。
6.按权利要求1所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述谐波减速器(4-1)的谐波发生器安装在电机输出轴(1-1)上，所述谐波减速器(4-1)的刚轮与末端输出轴(10)连接，所述谐波减速器(4-1)的交叉滚子轴承外壳安装在电机外壳(1-4)上。
7.按权利要求1所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述力矩传感器(6-1)包括一个保护梁、四个承受并传递关节转矩的应变梁和八个应变片，所述八个应变片分别贴在每个应变梁的两侧，所述保护梁采用切微缝设计，实现过载而出现过大变形的保护。
8.按权利要求1-7任一项所述的中空式智能模块化关节，其特征在于：所述电机后端盖(1-5)上设有电路板，所述力矩传感器(6-1)的引出线，由中空走线管(9-1)穿出、并与所述电路板连接；所述绝对编码器(5)的引出线经过绝对编码器安装架(11)、电机外壳(1-4)及电机后端盖(1-5)上的走线孔与所述电路板连接；所述电机(1)的引出线经由电机后端盖(1-5)的走线孔与所述电路板连接；所述增量式编码器(3-1)和制动器(2-1)的引出线直接与所述电路板连接。
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