CN106217405A - 一种协作机器人模块化串联关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协作机器人模块化串联关节，包括关节壳体以及置于其内的中空电机、谐波减速器、输入轴、输出轴、力矩传感器、制动器、绝对值编码器、驱动器，且谐波减速器、中空电机、制动器、绝对值编码器与驱动器依次串联在输入轴上。本发明的关节结构更加紧凑，成本低，安全可靠性更高，灵巧，模块化，集成化；制动结构简易，便于安装，制动性能可靠，稳定；力反馈系统性能灵敏、稳定、可靠性高；另外，走线布置采用中孔走线，使得布线更加合理、走线更加方便。

Description

一种协作机器人模块化串联关节

技术领域

本发明涉及一种械臂关节结构，尤其涉及一种协作机器人模块化串联关节。

背景技术

在传统的工业机器人逐渐取代单调、重复性高、危险性强的工作之时，协作机器人慢慢渗入各个工业领域，与人共同工作。协作机器人作为工业机器人中的轻型机器人，以往工业机器人是以机械代替人工并且降低人力成本，而协作机器人主要是协助人类并且与人类一同作业，且不需要使用安全围栏进行隔离，解决了人类较难以达成的精确度或让人类远离危险的环境和工作。协作机器人关节结构作为协作机器人的核心组成部件，它的性能在整个协作机器人运动过程中显得至关重要。其主要特点有模块化、柔性化、集成化、灵巧、安全和可负担。想比传统工业机器人的结构比较单一、固定、笨重，此种协作机器人关节结构采用模块化理念设计，各关节之间具有可替换性，可通过自由组合组成4～7自由度机械臂，其结构更加多元化、更加灵巧，适应更多复杂环境的应用。目前全球协作机器人代表主要有ABB、库卡、UR等。

专利(CN201510181154.X)描述一种可变自由度的模块化机械臂关节，如图1所示。其原理为：所述刹车装置4安装于后端盖305上，包括电磁铁401、刹车挡片402、定位卡环403与三波峰垫片404。其中，电磁铁401通过L型支架安装在后端盖305外缘处，定位卡环403与三波峰垫圈404均为2个，刹车挡片402为1个，采用周向上具有四个限位档杆的十字形结构。2个三波峰垫圈404与刹车挡片402按照定位卡环403-三波峰垫圈404-刹车挡片402-三波峰垫圈404-定位卡环403的顺序套在中空轴303上，如图5所示，且在靠近中空轴303轴端的三波峰垫圈404与定位卡环403间还设置有遮挡片405，对2个定位卡环间的结构进行遮挡。其中，2个定位卡环403固定于中空轴303周向上设计的凹槽内，且将2个三波峰垫圈404与1个刹车挡片402三者间压紧固定。由此通过刹车装置4可保证在本发明机械臂关节在未上电或者发生突发状况时，能够紧急通过机械方式制动从而保证人身安全的装置。正常工作时，电磁铁401上电吸合，刹车挡片402可以自由旋转；当发生故障掉电时，电磁铁401释放，至刹车挡片的限位档杆与电磁铁杆接触后，受电磁铁杆阻挡，进而将刹车挡片402锁死，使其不能自由转动，从而使中空轴303停转，达到刹车的目的。因刹车原理是通过通断电时电磁推杆伸缩来阻挡刹车挡片达到刹车的功能，制动时电磁推杆发热量大，对电磁推杆的动态响应要求很高，容易出现推杆在刹车挡片正上方现象，推杆缩回时，刹车挡片未能及时制动，还需继续旋转一定角度才可以制动。且制动力主要由电磁铁杆和刹车挡片强度决定，制动力受限。对电磁推杆的推杆强度有一定要求，在制动力较大时，推杆容易折弯或者折断。此制动原理，是用电磁铁铁杆与刹车挡片接触，达到制动功能。制动位置不是360°全方向的，有很大的间隙。

另外，无力反馈功能或者通过电流监测方式反馈力矩，作为协作机器人不需要使用安全围栏进行隔离，所以对其力反馈敏感度、精度都有很高的要求。在现有的产品技术中，鲜有成熟方案。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的协作机器人模块化串联关节，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种关节位置制动精度足、制动力足以及力反馈灵敏度高、结构紧凑的协作机器人模块化串联关节。

本发明的协作机器人模块化串联关节，包括关节壳体以及置于其内的中空电机、谐波减速器、输入轴、输出轴、力矩传感器、制动器、绝对值编码器、驱动器，所述谐波减速器、中空电机、制动器、绝对值编码器与驱动器依次串联在所述输入轴上，其中

-所述关节壳体内设有支撑输入轴的前法兰和后法兰，输入轴与前法兰和后法兰之间通过滚动轴承连接；

-所述中空电机的定子与关节壳体连接、转子与输入轴连接；

-所述谐波减速器的输入端与输入轴连接、输出端与输出轴连接；

-所述输出轴连接谐波减速器的一端连接所述力矩传感器、另一端通过滑动轴承与所述输入轴连接；

-所述制动器为电磁制动器，包括制动器磁轭、弹簧片、衔铁、法兰，其中制动器磁轭安装在所述后法兰上，弹簧片、衔铁通过法兰与所述输入轴连接；

-所述绝对值编码器的内圈与所述输入轴连接、外圈安装在所述后法兰上；

-所述驱动器安装在所述后法兰上，用于对所述中空电机、制动器、绝对值编码器、力矩传感器供电，并对所述中空电机与制动器进行控制，同时对绝对值编码器与力矩传感器进行信号处理。

进一步的，所述输入轴上还设有与所述中空电机配合的霍尔传感器。

进一步的，所述前法兰与所述输入轴之间还设有密封装置。

进一步的，所述关节壳体侧壁上设有用于连接所述关节的输出法兰。

进一步的，所述关节壳体远离所述力矩传感器的端部上设有后盖。

进一步的，所述力传感器为应变梁法兰式结构，其内圈固定螺钉孔与外圈法兰固定螺钉孔之间均匀分布四个应变片传感器。

进一步的，所述关节壳体、中空电机、谐波减速器、制动器、编码器、驱动器为中孔结构。

进一步的，所述输入轴与输出轴均为空心轴。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、使用电磁制动器，利用通、断电产生的磁力，弹簧片被吸合和开合，利用摩擦产生的力矩锁死输入轴，达到制动的效果，制动力大，无制动背隙，可360°全角度位置制动，制动响应快，结构紧凑，安装方便；

2、在输出轴的末端连接用于与下一关节输出法兰连接的力矩传感器，时刻反馈关节负载力矩，结构紧凑，精度高，反馈灵敏，提高协作机器人安全防护性能；

3、关节结构为模块化串联结构，紧凑、灵巧、可靠性好，可自由拓展，组合成4～7自由度机械臂，结构更加灵活，更加适应复杂工作环境需求；

4、将力矩传感器、谐波减速器、中空电机、制动器、编码器、驱动器依次串联，采用中空走线布置，极大限度的减小外径尺寸和长度尺寸，在应用中更加灵巧，更能适应复杂环境。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是传统的机械臂关节结构示意图；

图2是本发明的立体结构示意图；

图3是本发明的剖视图；

图4是是本发明中关节壳体结构示意图；

图5是本发明中后盖结构示意图；

图6是本发明中后法兰结构示意图；

图7是本发明中前法兰结构示意图；

图8是本发明中力矩传感器结构示意图；

图9是本发明中输出轴结构示意图；

图10是本发明中输入轴结构示意图；

图11是3个关节拼接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图2至图10，本发明一较佳实施例所述的一种协作机器人模块化串联关节，包括关节壳体2以及置于其内的中空电机1、谐波减速器4、输入轴18、输出轴8、力矩传感器5、制动器17、绝对值编码器15、驱动器14，且谐波减速器4、中空电机1、制动器17、绝对值编码器15与驱动器14依次串联在输入轴18上。其中关节壳体2内设有支撑输入轴18的前法兰3和后法兰11，输入轴18与前法兰3和后法兰11之间通过滚动轴承6、12连接；中空电机1的定子与关节壳体2连接、转子与输入轴18连接；谐波减速器4的输入端与输入轴18连接、输出端与输出轴8连接；输出轴8连接谐波减速器4的一端连接力矩传感器5、另一端通过滑动轴承13与输入轴18连接；制动器17为电磁制动器，包括制动器磁轭、弹簧片、衔铁、法兰，其中制动器磁轭安装在后法兰11上，弹簧片、衔铁通过法兰与输入轴18连接；绝对值编码器15的内圈与输入轴18连接、外圈安装在后法兰11上；驱动器14安装在后法兰11上，用于对中空电机1、制动器17、绝对值编码器15、力矩传感器5供电，并对中空电机1与制动器17进行控制，同时对绝对值编码器15与力矩传感器5进行信号处理。

为进一步提高响应灵敏度，本发明的输入轴18上还设有与中空电机1配合的霍尔传感器9。

为提高本发明的串联关节的使用寿命，本发明在前法兰3与输入轴18之间还设有密封装置7。

为使得本发明的串联关节可自由拓展，组合成多个自由度机械臂，本发明在关节壳体2侧壁上设有用于连接下一个关节的输出法兰10。

为使得本发明的关节外观更加美观，本发明在关节壳体2远离力矩传感器5的端部上设有后盖16。

本发明由中空电机1提供驱动力，输入轴18连接谐波减速器4，经过谐波减速器4减速后，通过输出轴8、力矩传感器5输出到下一个关节。整体关节位置信息、速度信息、精度由绝对值编码器15反馈。整体关节结构前端设计力矩传感器5，具有力反馈功能，反馈关节扭矩大小，力反馈性能灵敏且精度高，充分保证了关节使用过程中的安全性。当关节停止或者遇到紧急情况时，电磁制动器17提供保持和刹车功能。

本发明的协作机器人模块化串联关节，采用模块化设计，串联的结构，将中空电机1、谐波减速器4、制动器17、绝对值编码器15、驱动器14串联，使用中孔内部走线的结构，关节结构更加紧凑、重量更轻、性能更加稳定可靠、扩展性更好。

本发明通过将中空电机1的定子与关节壳体2固定、转子与输入轴18固定，结构紧凑，输出力矩大，动态响应高；输入轴18与谐波减速器4输入端相连，经过减速后输出到输出轴8，输出轴8上安装力矩传感器5，力矩传感器5与输下一关节输出法兰连接，时刻反馈关节负载力矩，结构紧凑，精度高，反馈灵敏。当遇到超载或者紧急情况，驱动器发送信号紧急制动，提高协作机器人安全防护性能。

制动器17在中空电机1工作时通电时，制动器17的弹簧卡片吸合，输入轴18自由转动，断电时，制动器17的弹簧卡片压合，提供制动保持力，输入轴18锁死，使得法兰和输入轴18产生摩擦力矩，输入轴18不可以自由转动，达到制动的功能。

本发明中绝对值编码器15为中空磁编码器，输出信号为A、B、Z差分信号，具有一个绝对位置，用于反馈输出轴8的速度信息与位置信息，绝对值编码器15内圈与输入轴18连接，外圈固定安装在后法兰11上。

本发明中驱动器14为伺服驱动集成电路，内置于关节壳体2内，通过螺钉安装在后法兰11和后盖16之间，用来供电和信号数据处理，分别对中空电机1供电、制动器17供电、绝对值编码器15供电、力矩传感器5供电，及控制中空1电机与制动器17并对绝对值编码器15与力矩传感器5进行信号处理。

本发明中空电机1为大中空轴电机，谐波减速器4中孔为中空结构，制动器17、绝对值编码器15及驱动器14为中孔结构，关节内部走线可通过关节内中孔，避免了关节外部接线问题，使得整体结构更加紧凑，外观更加美观。

上述谐波减速器4为超薄型形状、中空结构，具有紧凑简洁、高转矩容量、高刚性、无齿隙以及优良的定位精度和旋转精度有点。谐波减速器的刚轮通过螺钉固定于关节壳体上，波发生器通过螺钉连接输入轴，柔轮输出，通过螺钉和输出轴连接，谐波减速器将高速转动的中空电机1的输入轴减速后输出到输出轴。

上述力矩传感器5为应变梁法兰式结构，内圈固定螺钉孔与外圈法兰固定螺钉孔之间均匀分布四个应变片传感器，通过应变片传感器检测应变变形，反馈关节扭矩大小，经过驱动器进行数据处理，判断状态是否安全。

上述制动器为电磁制动器，通电时，其法兰可自由转动，断电时，法兰在弹簧片的压力下，摩擦力矩变大，法兰被固定，不可以转动。当断电或紧急制动时，输入轴18在电磁制动器的作用下，不可自由转动；当通电时，输入轴可自由转动。此电磁制动器结构简单，安装方便，性能可靠，成本低，寿命长。

上述绝对值编码器15为多圈绝对值编码器，由机械位置决定的每一个位置都是唯一的，它无需记忆，无需找到参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。因此，该绝对值编码器的抗干扰性、数据可靠性较高。

上述中空电机1为大中孔电机，包括定子和转子，定子通过环氧胶与关节壳体粘结，转子通过环氧胶与输入轴粘结。该中孔结构方式可进行关节内部中孔走线，解决了走线问题。此电机负载密度与重量比较大，结构紧凑。且该中空电机配有霍尔传感器，减少了成本，而且结构更加紧凑。

上述输出轴8为空心轴，用于传递输出力，通过螺钉与谐波减速器输出端连接，输出驱动力，空心走线。

上述输入轴18为空心轴，通过环氧胶与电机转子连接，输入轴前段通过螺钉与谐波减速器波发生器连接，传递动力，末端连接绝对值编码器，反馈位置信息、速度信息。

上述密封装置7为骨架式密封结构，密封性好，使用寿命长，成本低。安装于前法兰和输入轴之间。

本发明的关节整体结构灵巧、模块化、集成化，关节与外部连接结构有输出端和输入端，输入端为力矩传感器5的法兰盘，连接下一关节，提供动力输出，输出端为输出法兰10，连接上一关节。可通过多组关节和连杆，组成不同自由度协作机器人，如图11所示。

可见，本发明采用模块化串联结构，结构紧凑、灵巧，解决了协作机器人关节笨重、互换性不好、集成度不高、结构不够紧凑等问题；通过采用电磁制动器，解决制动响应慢、发热量大、制动位置保持精度不足、制动力不足问题；通过在关节末端设计力矩传感器，解决力反馈精度不足、响应慢等缺点。因此，本发明的关节结构更加紧凑，成本低，安全可靠性更高，灵巧，模块化，集成化；制动结构简易，便于安装，制动性能可靠，稳定；力反馈系统性能灵敏、稳定、可靠性高；另外，走线布置采用中孔走线，使得布线更加合理、走线更加方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种协作机器人模块化串联关节，其特征在于：包括关节壳体以及置于其内的中空电机、谐波减速器、输入轴、输出轴、力矩传感器、制动器、绝对值编码器、驱动器，所述谐波减速器、中空电机、制动器、绝对值编码器与驱动器依次串联在所述输入轴上，其中

-所述关节壳体内设有支撑输入轴的前法兰和后法兰，输入轴与前法兰和后法兰之间通过滚动轴承连接；

-所述中空电机的定子与关节壳体连接、转子与输入轴连接；

-所述谐波减速器的输入端与输入轴连接、输出端与输出轴连接；

-所述输出轴连接谐波减速器的一端连接所述力矩传感器、另一端通过滑动轴承与所述输入轴连接；

-所述制动器为电磁制动器，包括制动器磁轭、弹簧片、衔铁、法兰，其中制动器磁轭安装在所述后法兰上，弹簧片、衔铁通过法兰与所述输入轴连接；

-所述绝对值编码器的内圈与所述输入轴连接、外圈安装在所述后法兰上；

-所述驱动器安装在所述后法兰上，用于对所述中空电机、制动器、绝对值编码器、力矩传感器供电，并对所述中空电机与制动器进行控制，同时对绝对值编码器与力矩传感器进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述输入轴上还设有与所述中空电机配合的霍尔传感器。

3.根据权利要求1所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述前法兰与所述输入轴之间还设有密封装置。

4.根据权利要求1所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述关节壳体侧壁上设有用于连接所述关节的输出法兰。

5.根据权利要求1所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述关节壳体远离所述力矩传感器的端部上设有后盖。

6.根据权利要求1所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述力传感器为应变梁法兰式结构，其内圈固定螺钉孔与外圈法兰固定螺钉孔之间均匀分布四个应变片传感器。

7.根据权利要求1-6任一项所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述关节壳体、中空电机、谐波减速器、制动器、编码器、驱动器为中孔结构。

8.根据权利要求7所述的协作机器人模块化串联关节，其特征在于：所述输入轴与输出轴均为空心轴。