CN105313132A - 一种高集成度机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高集成度机器人关节。包括机械系统、关节电气系统、传感器系统；机械系统、关节电气系统、传感器系统集成于所述关节内部；机械系统包括失电制动器；所述关节采用大中空轴结构，关节内部走线均设置于中空的内部空间。本发明的有益效果为：本发明的高集成度机器人关节具有体积小、自重小、负载能力大、集成度的高的特点，通过谐波减速器的大减速比实现输出力矩的提升的同时减小对电机输出性能需求，同时利用电机编码器实现电机的平滑控制，利用绝对式关节编码器保证关节的输出的高精度特性，失电制动器实现机器人在掉电的情况下的位置保持，从而提升机器人的运动时的安全性。

Description

一种高集成度机器人关节

技术领域

本发明涉及一种机械臂关节,具体涉及一种高集成度机器人关节。

技术背景

关节是构成机器人尤其是机械臂的重要核心部件，其整体结构、运动性能以及感知能力直接影响到机器人的整体的操作空间、负载能力以及任务执行能力。近年来，面向电子工业的小型操作型机械臂、家庭服务机器人、特种服务机器人以及空间机器人得到了迅速的发展，而这些应用场合和应用背景对机器人的操作性能提出了更高的要求，需要机器人能够在较小的自重和自身体积的情况下，完成更为复杂的操作，具有更大的负载能力。同时，现有的需求周期也要求机器人的从设计到交付的周期不断缩短，对机器人的集成速度也提出更高的要求。

现有的用于搭建机械臂关节普遍存在重量大、负载小，体积大、集成度低的问题，从而限制了机械臂以及机器人的推广和应用。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种高集成度的机器人关节，集驱动、感知、控制于一体，解决现有的机械臂关节普遍存在重量大、负载小，体积大、集成度低的问题，同时，提供通用的电气与机械接口，进而为实现机械臂以及机器人的快速设计与搭建提供一种思路。

技术方案

本发明是一种高集成度机器人关节，其中，包括：机械系统、关节电气系统、传感器系统；机械系统、关节电气系统、传感器系统集成于所述关节内部；机械系统包括失电制动器；所述关节采用大中空轴结构，关节内部走线均设置于中空的内部空间。

如上所述的一种高集成度机器人关节，其中，所述机械系统还包括：输出端外壳、输出端法兰端盖、关节输出轴、关节编码器安装盘、谐波减速器柔轮、轴端螺母、谐波减速器波发生器、电机输出轴轴承、挡圈、电机光电编码器、电机输出轴、中空轴、关节底座、关节制动器固定部分、电机转子、电机定子、电机外壳、刚轮连接件、输出端轴承、谐波减速器刚轮、电机端盖、制动器安装盘；

谐波减速器刚轮通过刚轮连接件实现与电机外壳的固连；输出端法兰端盖通过柔轮连接件与谐波减速器的谐波减速器柔轮相连，实现动力输出；输出法兰外部连接输出端外壳；输出端外壳通过输出端轴承与刚轮连接件实现轴向固定，同时绕中心轴旋转；关节编码器安装盘固定于刚轮连接件上端，实现传感器系统的关节编码器读数头的固定；电机外壳通过刚轮连接件固定，电机定子固定于电机外壳内部，电机转子通过电机输出轴连接谐波减速器波发生器；电机输出轴通过电机输出轴轴承、电机端盖、挡圈实现电机转子的轴向定位；电机输出轴通过键连接实现与谐波减速器的波发生器连接，同时利用轴端螺母实现上部轴向定位；电机外壳、制动器安装盘相连；电机输出轴通过电机输出轴轴承与制动器安装盘实现下端轴向定位；关节制动器固定部分安装于制动器安装盘下底面，转动部分利用紧固螺钉连接于电机输出轴；中空轴外径小于电机轴内径，通过下端法兰固定于关节底座。

如上所述的一种高集成度机器人关节，其中，所述传感器系统包括：关节输出端绝对式的关节光电编码器、电机输出端增量式的电机光电编码器；关节输出端绝对式关节光电编码器的读数头通过所述关节编码器安装盘固定于刚轮连接件上，旋转码盘固定于柔轮连接件上；电机光电编码器的码盘底面安装于电机输出轴的突出盘上，电机光电编码器的读数头安装于制动器安装盘顶面。

如上所述的一种高集成度机器人关节，其中，所述关节电气系统包括：关节控制电路板，关节控制电路板上的电路包括电源转换模块、电机驱动模块、通信模块、中央处理器以及信号采集与AD转换模块；电源转换模块为传感器、电机、电路板进行供电；电机驱动模块用于电机的驱动信号的产生，结合功放驱动电机按照控制指令进行旋转；中央处理器作为控制单元，接收上位机的控制指令，结合信号采集与AD转换模块获取的传感器的信息，完成对于电机运动的伺服控制；通信模块利用CAN总线实现与上位机的通信，完成指控制令的接收和反馈信息的发送；

关节控制电路板固定于关节底座内部；关节内部走线通道使用大中空轴的空心部分；制动器连接线在关节底座内部直接连接于关节电路板；电机编码器线、电机驱动线通过制动器安装盘的电路孔连接于下层电路板；关节编码器连接线通过中空轴实现关节输出端绝对式光电编码器向电路板的走线；外部电源线以及外部通信串行总线实现关节的供电与通信。

有益效果

本发明的有益效果为：本发明的高集成度机器人关节具有体积小、自重小、负载能力大、集成度的高的特点，通过谐波减速器的大减速比实现输出力矩的提升的同时减小对电机输出性能需求，同时利用电机编码器实现电机的平滑控制，利用绝对式关节编码器保证关节的输出的高精度特性，失电制动器实现机器人在掉电的情况下的位置保持，从而提升机器人的运动时的安全性。

附图说明

图1是一种高集成度关节整体内部结构主剖视图；

图2是一种高集成度关节结构整体结构外观轴侧图；

图3是一种高集成度关节内部走线剖视图；

图4是一种高集成度关节控制系统电气原理图。

其中，输出端外壳1、输出端法兰端盖2、关节输出轴3、关节光电编码器4、关节编码器安装盘5、谐波减速器柔轮6、轴端螺母7、波发生器内圈8、谐波减速器波发生器9、电机输出轴轴承10、挡圈11、电机光电编码器12、电机输出轴13、中空轴14、关节控制电路板15、关节底座16、关节制动器固定部分17、电机转子18、电机定子19、电机外壳20、刚轮连接件21、输出端轴承22、谐波减速器刚轮23、电机端盖24、制动器安装盘25、电机驱动线26、电机编码器线27、制动器连接线28、关节编码器连接线29、外部电源线30、外部通信串行总线31。

具体实施方式

以下，结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

结合图1-图4说明，本实施方式的高集成度关节主要包括机械系统、关节电气系统、传感器系统；机械系统、关节电气系统、传感器系统集成于一个关节内部，通过标准化机械接口实现与外部的机械结构连接，通过标准化电气接口与外部实现电气连接；从而通过总线与上位机控制器进行通信，从而实现相应关节的位置和速度控制。

其机械系统主要由机械外壳、驱动电机、传动装置以及作为失电制动器的抱闸装置构成；机械外壳外部具有通用的机械接口以及电气接口，从而完成于外部的机械臂的连接杆件的固连，其内部为电机、电路板、传感器等部件提供安装位置和安装接口，机械外壳的设计影响的最终的机械结构的外形，并且对于结构的紧凑性具有一定的影响。无刷直流电机为整套伺服关节的动力输出来源，其主要的运动性能决定了最终的伺服关节表现出的运动能力，选择无刷直流电机作为其动力输出部分。传动及减速器将驱动器的运动传递至相应的位置，同时增加其输出力矩并且改变输出速度，为了保证一体化伺服关节结构的紧凑性，选择谐波减速器作为其主要的减速机构。掉电抱闸装置保证在掉电情况下，由于惯性以及重力作用导致关节被动旋转从而造成机械伤害以及人员伤害，掉电抱闸装置在掉电情况下对电机轴抱死，从而避免此类伤害的发生。

具体而言，机械系统包括：输出端外壳1、输出端法兰端盖2、关节输出轴3、关节编码器安装盘5、谐波减速器柔轮6、轴端螺母7、谐波减速器波发生器9、电机输出轴轴承10、挡圈11、电机光电编码器12、电机输出轴13、中空轴14、关节底座16、关节制动器固定部分17、电机转子18、电机定子19、电机外壳20、刚轮连接件21、输出端轴承22、谐波减速器刚轮23、电机端盖24、制动器安装盘25；

利用谐波减速器实现减速与传动，主要包括谐波减速器波发生器9、谐波减速器刚轮23、谐波减速器柔轮6；谐波减速器刚轮6通过刚轮连接件21实现与电机外壳20的固连；输出端法兰2通过柔轮连接件3与谐波减速器的谐波减速器柔轮6相连，实现动力输出；输出法兰3外部连接输出端外壳1；输出端外壳1通过输出端轴承22与刚轮连接件21实现轴向固定，同时绕中心轴旋转；关节编码器安装盘5固定于刚轮连接件21上端，实现关节编码器4的读数头的固定；电机外壳20通过刚轮连接固定，电机定子19固定于电机外壳内部，电机转子18通过电机输出轴13连接谐波减速器的波发生器9；电机输出轴通过电机输出轴轴承(深沟球轴承)10、电机端盖24、挡圈11实现电机转子的轴向定位；电机输出轴13通过键连接实现与谐波减速器的波发生器9连接，同时利用轴端螺母7实现上部轴向定位；电机外壳20、制动器安装盘25相连；电机输出轴13通过深沟球轴承10与制动器安装盘25实现下端轴向定位；关节制动器固定部分17安装于制动器安装盘下底面，转动部分利用紧固螺钉连接与电机输出轴；中空轴14外径略小于电机轴13内径，通过下端法兰固定于关节底座；

传感器系统主要由关节力矩传感器、电机编码器、关节位置传感器、传感器电路部分组成。与上位机的通信利用总线通信模式，可以实现位置控制、速度控制以及力矩控制三种模式。

具体而言，传感器系统包括关节输出端绝对式光电编码器4、电机输出端增量式光电编码器12；关节输出端绝对式光电编码器4读数头件通过关节编码器安装盘固定于刚轮连接件上，旋转码盘固定于柔轮连接件上；电机编码器12码盘底面安装于电机输出轴的突出盘上，读数头安装于制动器安装盘25顶面。

控制系统主要由电源模块、电机驱动电路、关节运动控制电路以及通信接口电路组成。电源供电模块主要为传感器、电机、电路板等进行供电。电机驱动模块用于电机的驱动信号的产生，结合功放驱动电机按照指令进行旋转。关节控制器其作为控制单元，接收上位机的控制指令，结合传感器的信息，完成对于电机运动的伺服控制。通信接口电路利用CAN总线实现与上位机的通信，完成指令的接收和反馈信息的发送。

具体而言，关节控制电路板15固定于关节底座16内部；关节控制电路包括电源转换模块、电机驱动模块、通信模块、中央处理器以及信号采集与AD转换模块；电源转换模块实现外接电源的电平转换、光电隔离以及实时监控，输出电压需要供给电机驱动模块、中央处理器、关节编码器、电机编码器、制动器以及AD转换模块；通信模块接收外界控制信号，输出中央处理器；反馈状态信息给上位机；中央控制器结合控制指令以及传感器反馈信号，完成对关节的位置伺服控制。

关节采用大中空轴结构，实现关节内部走线；制动器连接线28在关节底座内部直接连接于关节电路板15；电机编码器线27、电机驱动线26通过制动器安装盘25的电路孔连接于下层电路板；关节编码器连接线29通过中空轴实现关节输出端绝对式光电编码器4到电路板的走线；外部电源线30以及外部通信串行总线31实现关节的供电与通信。

本发明的高集成度关节的工作原理为：电机转子在电机定子的作用下，实现电机输出的旋转，利用谐波减速器的波发生器向谐波减速器传递力矩，谐波减速器的柔轮输出力矩至输出端法兰安装盘，利用机械接口将力矩输出；关节掉电时，失电制动器的为电机输出轴相对于制动器安装盘之间的制动力矩，阻止两者的相对运动；关节输出端与关键固定端之间利用迷宫密封方式，实现关节的整体密封；

本发明中所用的电机为直流无刷电机，利用大中空轴实现关节走线，实现关节内部的电气连接以及关节外部的电气连接；整个关节具有结构紧凑、位置伺服控制，负载能力强、失电制动、关节控制电路小型化等优点，本发明适用于轻量化、高精度、高负载的串联型机械臂、移动式机器人。

虽然通过上述实施例对本发明所述的一种高集成度机器人关节进行了详细的说明，但是上述说明并不是对本发明的限定，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种变形和变更，例如，最优化的方法可以在现有技术的各种方法中选择。

Claims (4)

1.一种高集成度机器人关节，其特征在于，包括：机械系统、关节电气系统、传感器系统；机械系统、关节电气系统、传感器系统集成于所述关节内部；机械系统包括失电制动器；所述关节采用大中空轴结构，关节内部走线均设置于中空的内部空间。

2.如权利要求1所述的一种高集成度机器人关节，其特征在于，所述机械系统还包括：输出端外壳(1)、输出端法兰端盖(2)、关节输出轴(3)、关节编码器安装盘(5)、谐波减速器柔轮(6)、轴端螺母(7)、谐波减速器波发生器(9)、电机输出轴轴承(10)、挡圈(11)、电机光电编码器(12)、电机输出轴(13)、中空轴(14)、关节底座(16)、关节制动器固定部分(17)、电机转子(18)、电机定子(19)、电机外壳(20)、刚轮连接件(21)、输出端轴承(22)、谐波减速器刚轮(23)、电机端盖(24)、制动器安装盘(25)；

谐波减速器刚轮(23)通过刚轮连接件(21)实现与电机外壳(20)的固连；输出端法兰端盖(2)通过柔轮连接件(3)与谐波减速器的谐波减速器柔轮(6)相连，实现动力输出；输出法兰(3)外部连接输出端外壳(1)；输出端外壳(1)通过输出端轴承(22)与刚轮连接件(21)实现轴向固定，同时绕中心轴旋转；关节编码器安装盘(5)固定于刚轮连接件(21)上端，实现传感器系统的关节编码器读数头(4)的固定；电机外壳(20)通过刚轮连接件(21)固定，电机定子(19)固定于电机外壳(20)内部，电机转子(18)通过电机输出轴(13)连接谐波减速器波发生器(9)；电机输出轴(13)通过电机输出轴轴承(10)、电机端盖(24)、挡圈(11)实现电机转子的轴向定位；电机输出轴(13)通过键连接实现与谐波减速器的波发生器(9)连接，同时利用轴端螺母(7)实现上部轴向定位；电机外壳(20)、制动器安装盘(25)相连；电机输出轴(13)通过电机输出轴轴承(10)与制动器安装盘(25)实现下端轴向定位；关节制动器固定部分(17)安装于制动器安装盘(25)下底面，转动部分利用紧固螺钉连接于电机输出轴；中空轴(14)外径小于电机轴(13)内径，通过下端法兰固定于关节底座。

3.如权利要求2所述的一种高集成度机器人关节，其特征在于，所述传感器系统包括：关节输出端绝对式的关节光电编码器(4)、电机输出端增量式的电机光电编码器(12)；关节输出端绝对式关节光电编码器(4)的读数头通过所述关节编码器安装盘(5)固定于刚轮连接件(21)上，旋转码盘固定于柔轮连接件(3)上；电机光电编码器(12)的码盘底面安装于电机输出轴的突出盘上，电机光电编码器(12)的读数头安装于制动器安装盘(25)顶面。

4.如权利要求3所述的一种高集成度机器人关节，其特征在于，所述关节电气系统包括：关节控制电路板(15)，关节控制电路板(15)上的电路包括电源转换模块、电机驱动模块、通信模块、中央处理器以及信号采集与AD转换模块；电源转换模块为传感器、电机、电路板进行供电；电机驱动模块用于电机的驱动信号的产生，结合功放驱动电机按照控制指令进行旋转；中央处理器作为控制单元，接收上位机的控制指令，结合信号采集与AD转换模块获取的传感器的信息，完成对于电机运动的伺服控制；通信模块利用CAN总线实现与上位机的通信，完成指控制令的接收和反馈信息的发送；

关节控制电路板(15)固定于关节底座(16)内部；关节内部走线通道使用大中空轴的空心部分；制动器连接线(28)在关节底座内部直接连接于关节电路板(15)；电机编码器线(27)、电机驱动线(26)通过制动器安装盘(25)的电路孔连接于下层电路板；关节编码器连接线(29)通过中空轴实现关节输出端绝对式光电编码器(4)向电路板的走线；外部电源线(30)以及外部通信串行总线(31)实现关节的供电与通信。