CN106826906A - 一种无力矩传感器的机械臂模块化关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，包括壳体及制动机构、传动机构、与传动机构连接的输出轴及控制机构，其特征在于：所述传动机构包括转轴，所述转轴两端分别刚性连接有制动机构和谐波减速器，所述谐波减速器与所述输出轴刚性连接，所述转轴套装有电机，所述控制机构包括控制器及用以检测输出轴相对壳体位移的第一传感器和用以检测转轴转速的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器和电机均与控制器电连接。本发明通过采样电流来估算力矩，省去了力矩传感器的机构，减轻了关节质量，且本发明采用直线型传动线路，传动结构简单，缩短了输出轴的长度，输出轴仅需要一个交叉滚子轴承的支承，进一步简化了关节的结构。

Description

一种无力矩传感器的机械臂模块化关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种无力矩传感器的机械臂模块化关节。

背景技术

机器人手臂是机器人系统实现大范围操作的重要工具，对机器人系统的作业能力、作业水平具有重要影响。特别是近年来发展迅速的服务机器人、特种机器人等，对操作手臂提出了更高的要求。目前市场上成熟的机械臂，传动结构较为复杂，且一般设置有力矩传感器配合控制机构来控制输出力矩，由于力矩传感器尺寸、重量较大，导致整个关节重量和体积偏大。例如专利号为201110134811.7、专利名称为“具有力位感知功能的机械臂模块化环节”的发明专利，其电机定子固装在固定外壳上，第二端盖装在输出外壳内，谐波减速器刚轮设置在第二端盖内，第二端盖与谐波减速器刚轮和固定外壳连接，中心孔走线轴设置在电机定子和谐波减速器刚轮内，输出外壳与固定外壳之间装有十字交叉滚子轴承，输出外壳与力矩传感器的外环连接，力矩传感器的内环与连接螺母之间装有谐波减速器柔轮，第三端盖装在输出外壳上，限位挡块装在第三端盖上，转动轴固装在电机转子内，相对位移传感器的转动磁环固套在转动轴上，谐波减速器波发生器与转动轴连接，连接结构较为复杂，且设置有重量、体积相对较大的力矩传感器，增大了关节的重量和体积。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一，提供一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，采用控制器通过采样电流来估算力矩，省去了力矩传感器的机构，减轻了关节质量，且传动路线简单，缩短了输出轴的长度，输出轴仅需要一个交叉滚子轴承的支承，进一步简化了关节的结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，包括壳体及设置于壳体内的制动机构、传动机构、与传动机构连接的输出轴及控制机构，其特征在于：所述传动机构包括转轴，所述转轴两端分别刚性连接有制动机构和谐波减速器，所述谐波减速器与所述输出轴刚性连接，所述转轴套装有电机，所述控制机构包括控制器及用以检测输出轴相对壳体位移的第一传感器和用以检测转轴转速的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器和电机均与控制器电连接。

进一步的，所述电机包括套装于转轴上的转子和设置于转子外围的定子，所述定子套装有用以电机周向定位的定子套筒，所述转轴设置有用以抵接转子一端面的轴肩，转轴上还设置有用以抵接转子另一端面的第一挡圈。

作为上述技术方案的进一步限定，所述壳体上设置有用以抵接定子套筒侧面和一端面的限位部，所述定子套筒的另一端面抵接有第二挡圈。

进一步的，所述转轴外侧还套装有用以转轴周向定位的第一轴承和第二轴承，所述第一轴承的外圈抵接壳体，第一轴承的内圈一端面抵接第一挡圈，另一端面抵接有第三挡圈，所述第二轴承的外圈抵接定子套筒，所述定子套筒设置有用以抵接第二轴承的外圈的一端面和侧面的限位部，所述第二轴承的外圈的另一端面抵接第二挡圈，所述转轴设置有抵接第二轴承内圈的一端面的轴肩，所述第二轴承内圈的另一端面抵接有第四挡圈，所述第四挡圈与转轴刚性连接。

进一步的，所述谐波减速器从里向外依次设置有波发生器、柔轮和刚轮，所述转轴为阶梯轴，所述波发生器与阶梯轴的直径较小的一端刚性连接，所述刚轮固定于壳体上，所述柔轮通过第二转接头与输出轴刚性连接。

进一步的，所述输出轴套装有第三轴承，所述第三轴承的外圈抵接壳体，所述壳体上设置有抵接第三轴承外圈的一端面和侧面的限位部，所述第三轴承的外圈的另一端面采用固定螺母定位，所述输出轴上设置有用以抵接第三轴承的内圈的一端面的轴肩，所述第三轴承的内圈的另一端面抵接有第五挡圈，所述第五挡圈与输出轴刚性连接。

进一步的，所述制动机构包括制动器和与其相对设置的衔铁，所述衔铁与转轴通过第一转接头刚性连接，所述衔铁与制动器间设置有制动间隙。

进一步的，所述第一传感器为绝对式编码器，所述绝对式编码器包括绝对式磁栅和绝对式读数头，所述绝对式磁栅抵接壳体，所述壳体上设置有抵接所述绝对式磁栅侧面和一端面的限位部，所述绝对式磁栅的另一端面抵接第五挡圈，所述第二传感器为增量式编码器，所述增量式编码器包括增量式磁栅和增量式读数头，所述增量式磁栅套装于转轴上，所述转轴上设置有抵接增量式磁栅一端面的轴肩，所述增量式磁栅另一端面抵接第一转接头。

进一步的，所述输出轴未与第二转接头连接的一端设置有若干周向螺孔，所述关节还设置有用以和另一关节相连接的连接部，所述连接部设置有若干与所述周向螺钉孔配合的螺栓，关节与关节之间通过所述螺栓与周向螺孔实现连接。

本发明的有益效果是：本发明提供一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，设置有控制器，控制器通过采样电流来估算力矩，省去了力矩传感器的机构，减轻了关节质量，且本发明采用直线型传动线路，传动结构简单，缩短了输出轴的长度，输出轴仅需要一个交叉滚子轴承的支承，进一步简化了关节的结构。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的安装结构的剖面示意图；

图2是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，包括壳体1、与壳体固定连接的后盖19及设置于壳体1内的制动机构、传动机构、与传动机构连接的输出轴2及控制机构。

所述传动机构包括转轴3、设置于转轴3上的电机7、与转轴3一端刚性连接的谐波减速器5、与转轴3另一端刚性连接的第一转接头4及与谐波减速器5刚性连接的第二转接头6。进一步的，通过以下结构实现电机7的定位：所述电机7包括套装于转轴3上的转子7-1和设置于转子7-1外围的定子7-2，所述定子7-2套装有用以电机7周向定位的定子套筒9，所述转轴3设置有用以抵接转子7-1一端面的轴肩，转轴3上还设置有用以抵接转子7-1另一端面的第一挡圈10-1。更进一步的，通过以下结构实现套筒的定位：所述壳体1上设置有用以抵接定子套筒9侧面和一端面的限位部，所述定子套筒9的另一端面抵接有第二挡圈10-2，所述第二挡圈10-2抵接增量式读数头16-2实现定位。进一步的，通过以下结构实现转轴3的定位：所述转轴3外侧套装有用以转轴3周向定位的第一轴承11和第二轴承12，所述第一轴承11的外圈抵接壳体1，第一轴承11的内圈一端面抵接第一挡圈10-1，另一端面抵接有第三挡圈10-3，所述第二轴承12的外圈抵接定子套筒9，所述定子套筒9设置有用以抵接第二轴承12的外圈的一端面和侧面的限位部，所述第二轴承12的外圈的另一端面抵接第二挡圈10-2，所述转轴3设置有抵接第二轴承12内圈的一端面的轴肩，所述第二轴承12内圈的另一端面抵接有第四挡圈10-4，所述第四挡圈10-4与转轴3刚性连接。进一步的，所述谐波减速器5从里向外依次设置有波发生器5-1、柔轮5-2和刚轮5-3，所述波发生器5-1与阶梯轴的直径较小的一端刚性连接，所述刚轮5-3固定于壳体1上，所述柔轮5-2刚性连接有第二转接头6。所述传动机构的主要作用就是为输出轴2提供并传递动力：电机7转动提供动力，动力通过转轴3传至波发生器5-1，通过谐波减速器5减速增矩，柔轮5-2进行输出，而柔轮5-2通过第二转接头6与输出轴2刚性连接，从而将动力传递给输出轴2进行输出动作。作为本实施例的一种优选方案，所述电机7采用永磁同步电机7，所述第一轴承11选用型号为“61806”的深沟球轴承，第二轴承12选用型号为“61809”的深沟球轴承，电机7直接套装于转轴3上，转轴3直接与谐波减速器5刚性连接，谐波减速器5将动力传给输出轴2，整个传动线路为直线型传动线路，传动结构简单，缩短了输出轴2的长度，输出轴2仅需要一个交叉滚子轴承的支承，进一步简化了关节的结构。具体的，所述电机7的转子7-1通过胶水与转轴3紧固粘结在一起，定子套筒9末端开口设计方便电机7的动力线和霍尔信号线穿过。

所述制动机构包括制动器14-1和与其相对设置的衔铁14-2，所述衔铁14-2与第一转接头4刚性连接，所述衔铁14-2与制动器14-1间设置有0.2mm的制动间隙。本发明采用的是失电制动，当电机7转动时，制动器14-1通电，对固定于第一转接头4上的衔铁14-2不产生制动力矩，当失电时，对衔铁14-2产生制动力矩，实现转轴3的制动，通电状态与电机7一致，便于控制。

所述控制机构包括控制器8及用以检测输出轴2相对壳体1位移的第一传感器和用以检测转轴3转速的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器和电机7与控制器8电连接。作为本实施例的一种优选实施方案，所述第一传感器为绝对式编码器，所述绝对式编码器包括绝对式磁栅15-1和绝对式读数头15-2，所述绝对式磁栅15-1抵接壳体1，所述壳体1上设置有抵接所述绝对式磁栅15-1侧面和一端面的限位部，所述第二传感器为增量式编码器，所述增量式编码器包括增量式磁栅16-1和增量式读数头16-2，所述增量式磁栅16-1嵌装于转轴3上。

所述输出轴2套装有第三轴承13，所述第三轴承13的外圈抵接壳体1，所述壳体1上设置有抵接第三轴承13外圈的一端面和侧面的限位部，所述第三轴承13的外圈的另一端面采用固定螺母18定位，所述输出轴2上设置有用以抵接第三轴承13的内圈的一端面的轴肩，所述第三轴承13的内圈的另一端面抵接有第五挡圈10-5，所述第五挡圈10-5与输出轴2刚性连接。进一步的，所述输出轴2未与第二转接头6连接的一端设置有若干周向螺孔，所述关节还设置有用以和另一关节相连接的连接部17，所述连接部17设置有若干与所述周向螺钉孔配合的螺栓，关节与关节之间通过所述螺栓与周向螺孔实现连接，工作时，多个关节串联实现整个机械臂的动作。

具体实施时，电机7提供动力，动力经转轴3传递给谐波减速器5，经过谐波减速器5的减速增距作用后传递给输出轴2，输出轴2连接负载进行输出，本发明省去了重量和体积相对较大的力矩传感器，通过与电机7电连接的控制器8采取电机7中的电流，来判断输出轴2所输出的力矩，配合用以检测输出轴2相对壳体1位移的绝对式编码器的设置，可实时调整并最终实现目的位移，实现关节的动作，且整个过程中，设置有用以检测转轴3转速的增量式编码器，可控制整个过程中不发生较大的振动，保证精度。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，包括壳体（1）及设置于壳体（1）内的制动机构、传动机构、与传动机构连接的输出轴（2）及控制机构，其特征在于：所述传动机构包括转轴（3），所述转轴（3）两端分别刚性连接有制动机构和谐波减速器（5），所述谐波减速器（5）与所述输出轴（2）刚性连接，所述转轴（3）套装有电机（7），所述控制机构包括控制器（8）及用以检测输出轴（2）相对壳体（1）位移的第一传感器和用以检测转轴（3）转速的第二传感器，所述第一传感器、第二传感器和电机（7）均与控制器（8）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述电机（7）包括套装于转轴（3）上的转子（7-1）和设置于转子（7-1）外围的定子（7-2），所述定子（7-2）套装有用以电机（7）周向定位的定子套筒（9），所述转轴（3）设置有用以抵接转子（7-1）一端面的轴肩，转轴（3）上还设置有用以抵接转子（7-1）另一端面的第一挡圈（10-1）。

3.根据权利要求2所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述壳体（1）上设置有用以抵接定子套筒（9）侧面和一端面的限位部，所述定子套筒（9）的另一端面抵接有第二挡圈（10-2）。

4.根据权利要求2所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述转轴（3）外侧还套装有用以转轴（3）周向定位的第一轴承（11）和第二轴承（12），所述第一轴承（11）的外圈抵接壳体（1），第一轴承（11）的内圈一端面抵接第一挡圈（10-1），另一端面抵接有第三挡圈（10-3），所述第二轴承（12）的外圈抵接定子套筒（9），所述定子套筒（9）设置有用以抵接第二轴承（12）的外圈的一端面和侧面的限位部，所述第二轴承（12）的外圈的另一端面抵接第二挡圈（10-2），所述转轴（3）设置有抵接第二轴承（12）内圈的一端面的轴肩，所述第二轴承（12）内圈的另一端面抵接有第四挡圈（10-4），所述第四挡圈（10-4）与转轴（3）刚性连接。

5.根据权利要求1所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述谐波减速器（5）从里向外依次设置有波发生器（5-1）、柔轮（5-2）和刚轮（5-3），所述转轴（3）为阶梯轴，所述波发生器（5-1）与阶梯轴的直径较小的一端刚性连接，所述刚轮（5-3）固定于壳体（1）上，所述柔轮（5-2）通过第二转接头（6）与输出轴（2）刚性连接。

6.根据权利要求1所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述输出轴（2）套装有第三轴承（13），所述第三轴承（13）的外圈抵接壳体（1），所述壳体（1）上设置有抵接第三轴承（13）外圈的一端面和侧面的限位部，所述第三轴承（13）的外圈的另一端面采用固定螺母（18）定位，所述输出轴（2）上设置有用以抵接第三轴承（13）的内圈的一端面的轴肩，所述第三轴承（13）的内圈的另一端面抵接有第五挡圈（10-5），所述第五挡圈（10-5）与输出轴（2）刚性连接。

7.根据权利要求1所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述制动机构包括制动器（14-1）和与其相对设置的衔铁（14-2），所述衔铁（14-2）与转轴（3）通过第一转接头（4）刚性连接，所述衔铁（14-2）与制动器（14-1）间设置有制动间隙。

8.根据权利要求7所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述第一传感器为绝对式编码器，所述绝对式编码器包括绝对式磁栅（15-1）和绝对式读数头（15-2），所述绝对式磁栅（15-1）抵接壳体（1），所述壳体（1）上设置有抵接所述绝对式磁栅（15-1）侧面和一端面的限位部，所述绝对式磁栅（15-1）的另一端面抵接第五挡圈（10-5），所述第二传感器为增量式编码器，所述增量式编码器包括增量式磁栅（16-1）和增量式读数头（16-2），所述增量式磁栅（16-1）套装于转轴（3）上，所述转轴上（3）设置有抵接增量式磁栅（16-1）一端面的轴肩，所述增量式磁栅（16-1）另一端面抵接第一转接头（4）。

9.根据权利要求1所述的一种无力矩传感器的机械臂模块化关节，其特征在于：所述输出轴（2）远离谐波减速器（5）的一端设置有若干周向螺孔，所述关节还设置有用以和另一关节相连接的连接部（17），所述连接部（17）设置有若干与所述周向螺钉孔配合的螺栓，关节与关节之间通过所述螺栓与周向螺孔实现连接。