CN107263527A - 一种用于关节机器人的关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于关节机器人的关节装置，包括本体、电机、中心护线轴、第一轴承、第二轴承、第一压板、交叉滚子轴承、上夹板、下夹板、输出法兰和谐波减速器；谐波减速器包括输入轴、椭圆形凸轮、薄壁轴承外壳、刚轮、柔轮和编码器；输入轴的一端与凸轮的一端固定连接；第一轴承的内圈与输入轴的第一台阶适配；第二轴承的外圈和压板由螺钉连接在输入轴的底端台阶上，第二轴承的内圈和中心护线轴适配；交叉滚子轴承的外圈通过第二压板和螺钉连接在本体上，交叉滚子轴承的内圈、上夹板、下夹板、柔轮、中心护线轴通过螺钉固定连接；输出法兰与下夹板配合连接。该关节中的各种导线不会因为关节的转动而缠绕，穿线方便，且结构紧凑，重量轻。

Description

一种用于关节机器人的关节装置

技术领域

本发明属于关节机器人领域，具体来说，涉及一种用于关节机器人的关节装置。

背景技术

减速器是关节机器人的核心部件之一，谐波减速器重量轻，单级传动比大，传动平稳精确，应用十分广泛。特别是近年来，轻型机器人发展非常迅速，轻型机器人是指负载＜15kg、臂展＜1.5米，总质量＜30kg的多自由度关节机器人，一般有6或7个关节，这些机器人共同的特点之一是都采用谐波减速器作动力匹配与变换。而重型关节机器人的末端的若干个关节也倾向于采用重量相对较轻谐波减速器。

刚轮、柔轮、波发生器是谐波减速器的三大基本构件，其中柔轮是三者中最主要的承载构件，根据柔轮的形状，大体上可见谐波减速器分为两类：一是杯形柔轮减速器，二是大翻边柔轮减速器，二者基本规格参数是指柔轮上小模数齿轮的尺寸。相同规格下，两类柔轮的承载能力大致相当，大翻边柔轮减速器集成化程度较高，目前轻型机器人均采用大翻边柔轮谐波减速器。

两类减速器的连接法兰的外形尺寸差别较大，以日本Harmonic品牌32型谐波减速器为例，杯形谐波减速器代表型号是CSG系列，速比为100时，其额定扭矩为178Nm，完整部件的包络尺寸为Φ107×52，仅三大件时，包络尺寸为仅Φ85×37，大翻边形谐波减速器代表型号是SHG系列，整机外形包络尺寸为Φ115×50，仅三大件时包络尺寸为Φ110×35。可见，采用杯形柔轮减速器比大翻边柔轮减速器的外形要小很多。

轻型机器人对于外形尺寸和重量有比较苛刻的要求，本发明提出一种基于杯形谐波减速器的轻型机器人关节结构，与采用大翻边结构相比，外径尺寸可少8到30毫米，重量能减轻约0.5～1kg，约现有设计的5％～20％。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种用于关节机器人的关节装置，关节中的各种导线不会因为关节的转动而缠绕，穿线方便，且结构紧凑，重量轻。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于关节机器人的关节装置，所述关节装置包括中空的本体、电机、中心护线轴、第一轴承、第二轴承、第一压板、交叉滚子轴承、上夹板、下夹板、输出法兰、谐波减速器；所述电机包括定子、转子和壳体，定子固定连接在壳体的座孔中，转子与定子相对；所述谐波减速器包括输入轴、椭圆形凸轮、薄壁轴承外壳、中空的刚轮、中空的柔轮和编码器；输入轴呈中空的台阶状，输入轴表面设有第一台阶和第二台阶；编码器固定连接在第一台阶表面，电机的转子与第二台阶相适配；输入轴的一端与凸轮的一端固定连接；凸轮和薄壁轴承外壳之间设有球形滚动体，凸轮带动薄壁轴承外壳旋转；柔轮的下部表面呈小模数外齿形，柔轮的上端面设有安装孔和中心孔，刚轮内壁呈小模数内齿形，刚轮边缘设有安装孔，刚轮内壁和柔轮的下部相适配；薄壁轴承外壳与柔轮的下部内腔相适配；壳体和刚轮固定连接在本体座孔中；中心护线轴位于输入轴内腔中，第一轴承连接在壳体的座孔中，且第一轴承的内圈与输入轴的第一台阶适配；第二轴承的外圈和压板由螺钉连接在输入轴的底端台阶上，第二轴承的内圈和中心护线轴适配；交叉滚子轴承位于本体的一端，且交叉滚子轴承的外圈通过第二压板和螺钉连接在本体上，交叉滚子轴承的内圈、上夹板、下夹板、柔轮、中心护线轴通过螺钉固定连接，上夹板、下夹板的内孔与中心护线轴配合；上夹板和下夹板分别位于交叉滚子轴承的上方和下方；输出法兰与下夹板配合连接。

作为优选例，所述的用于关节机器人的关节装置，还包括调整片，调整片位于壳体和刚轮之间；调整片固定连接在本体座孔中。

作为优选例，所述的用于关节机器人的关节装置，还包括绝对值编码器，绝对值编码器固定连接在中心护线轴的尾部。

作为优选例，所述的本体上设有通孔。

作为优选例，所述本体还设有座孔，座孔的直径与法兰的外径相等。

作为优选例，所述的用于关节机器人的关节装置，还包括后盖，后盖固定连接在本体上。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：关节中的各种导线不会因为关节的转动而缠绕，穿线方便；同时能准确测量谐波减速器的输出力矩。本发明实施例中通过设置中心护线轴，以及在本体上设置通孔和座孔，使得导线可以穿过中心护线轴和孔，实现连接。在关节旋转时，这些导线位置不变，不因其他部件的旋转而缠绕。另外，整个关节装置的结构紧凑、重量轻。

附图说明

图1为本发明实施例中谐波减速器的局部结构示意图；

图2为本发明实施例中谐波减速器的结构示意图；

图3为本发明实施例的结构示意图；

图4为本发明实施例的工作基准示意图。

附图中标号为：第二压板1、交叉滚子轴承2、螺钉3、本体4、柔轮5、刚轮6、螺钉7、调整片8、壳体9、定子10、转子11、第一轴承12、输入轴13、绝对值编码器14、中心护线轴16、编码器17、输出法兰18、挡圈19、第二轴承20、螺钉21、第一压板22、调整垫圈23、螺钉24、上夹板25、下夹板26、螺钉27、输出法兰28、第一台阶131、第二台阶132、薄壁轴承外壳134、凸轮135、轴承座孔137、小模数外齿形51、安装孔52、中心孔53、安装孔61、通孔43、座孔44。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，本发明实施例的一种用于关节机器人的关节装置，包括中空的本体4、电机、中心护线轴16、第一轴承12、第二轴承20、第一压板22、交叉滚子轴承2、上夹板25、下夹板26、输出法兰28、谐波减速器。

电机包括定子10、转子11和壳体9。定子10固定连接在壳体9的座孔中，转子11与定子10相对。

谐波减速器包括输入轴13、椭圆形凸轮135、薄壁轴承外壳134、中空的刚轮6、中空的柔轮5和编码器17。输入轴13呈中空的台阶状，输入轴13表面设有第一台阶131和第二台阶132。编码器17固定连接在第一台阶131表面。电机的转子11与第二台阶132相适配。输入轴13的一端与凸轮135的一端固定连接；凸轮135和薄壁轴承外壳134之间设有球形滚动体，凸轮135带动薄壁轴承外壳134旋转；柔轮5的下部表面呈小模数外齿形51，柔轮5的上端面设有安装孔52和中心孔53，刚轮6内壁呈小模数内齿形，刚轮6边缘设有安装孔61，刚轮6内壁和柔轮5的下部相适配；薄壁轴承外壳134与柔轮5的下部内腔相适配；壳体9和刚轮6固定连接在本体4座孔中。中心护线轴16位于输入轴13内腔中，第一轴承12连接在壳体9的座孔中，且第一轴承12的内圈与输入轴13的第一台阶131适配。第二轴承20的外圈和压板22由螺钉连接在输入轴13的底端台阶上，第二轴承20的内圈和中心护线轴16适配。交叉滚子轴承2位于本体4的一端，且交叉滚子轴承2的外圈通过第二压板1和螺钉连接在本体4上，交叉滚子轴承2的内圈、上夹板25、下夹板26、柔轮5、中心护线轴16通过螺钉固定连接，上夹板25、下夹板26的内孔与中心护线轴16配合；上夹板25和下夹板26分别位于交叉滚子轴承2的上方和下方；输出法兰28与下夹板26配合连接。

上述实施例中，机器人的原动机为无框电机。定子10安装壳体9的座孔内，安装方式可以是过盈配合、胶接。转子11与输入轴13固定连接，定子线圈在相应测控电路控制产生磁场，控制转子11旋转的速度、转角，从而形成机器人关节的动力源。

上述实施例中，输入轴13与谐波减速器的波发生器是一体的，其结构如图1所示。输入轴的第一台阶131用于安装编码器17，也用来与轴承12相配合。第二台阶132用于安装电机转子11。凸轮135优选为椭圆形。凸轮135上加工有圆环形滚道，类似于滚动轴承的内圈。薄壁轴承外壳134的内圆也加工有圆环形滚道，类似于滚动轴承的外圈。凸轮135与薄壁轴承外壳134之间安装有圆球，迫使薄壁轴承外壳134适应波发生器的形状，并形成一个横截面为椭圆的滚动轴承。

上述实施例中的谐波减速器，输入轴13与凸轮135可以呈一体结构，以增加传动的牢靠性。波发生器包括凸轮135和薄壁轴承外壳134，类似于一个椭圆形薄壁轴承。轴承的内圈，即凸轮135是一个刚性的椭圆形柱体，可按不同需求加工出相应的输入轴形状。轴承的外圈，即薄壁轴承外壳134，与凸轮135之间安装有球形滚动体。因为凸轮135呈椭圆形，所以在装配完成后，薄壁轴承外壳134也呈椭圆形。柔轮5下部加工有小模数外齿形。刚轮6是一个中空的圆柱体，内壁加工有小模数内齿形。薄壁轴承外壳134与柔轮5下端有齿形部分的内腔配合，也迫使柔轮5发生形变成为一个椭圆形齿轮。柔轮5长轴部位的外齿与刚轮6的内齿相配合，柔轮5短轴部位的外齿与刚轮6脱离啮合。因此，当输入轴13转动时，波发生器就迫使可变形柔轮5的长轴与波发生器一起转动，最终形成固定传动比的啮合传动。从动力传动角度来说，动力来自于输入轴13，经齿轮副减速后到达柔轮5上端。可见柔轮5是一个低速的承载大扭矩的薄壳。由于减速器的输出扭矩一比一地反映在柔轮5上。柔轮5是一个柔性构件，它不能承受除力矩之外的其它分力。

谐波发生器的薄壁轴承外壳134与柔轮5的内腔配合，也迫使柔轮发生形变成为一个椭圆齿轮，椭圆形长轴部位的外齿与刚轮6的内齿相配合，短轴部位的外齿与刚轮6脱离啮合。因此，当输入轴13转动时，波发生器迫使可变形柔轮5的长轴一起同步转动，最终形成固定传动比的啮合传动。

波发生器内部是中空的，其中轴承座孔137用以安装第二轴承20，并由螺钉21和第一压板22一起将第二轴承20的外圈压紧在轴承座孔137的底端台阶，形成正确的轴向定位。第一轴承12安装在壳体9的座孔内。第一轴承12沿轴向是游动的。这样，第一轴承12与第二轴承20支撑输入轴13，形成精确而又稳定的高速旋转中心。

上述实施例中，上夹板25内孔和下夹板26内孔分别与中心护线轴16配合，用以确定中心护线轴16的中心。利用螺钉24将上夹板25、下夹板26、柔轮5、中心护线轴16紧固在一起。这样，谐波减速器将电机转子11上的高速小扭矩变换成下夹板26上的低速大扭矩，并由输出法兰28输出。输出法兰28与下夹板26的外圆配合，用以确定中心。输出法兰28与夹板26可通过螺钉27连接。输出法兰28与夹板26还可制成一体，用以简化结构。

中心护线轴16与上夹板25的内孔配合，用以确定旋转中心。这是低速旋转中心。中心护线轴16的外圆与第二轴承20配合，其作用是确定第二轴承20的高速旋转中心。作为优选例，所述的第二轴承20通过挡圈19和调整垫圈23固定在中心护线轴16上。挡圈19和调整垫圈23确定第二轴承20的轴向位置，也同时确定了输入轴13的轴向位置。

作为优选例，所述的用于关节机器人的关节装置，还包括调整片8，调整片8位于壳体9和刚轮6之间；调整片8固定连接在本体4座孔中。壳体9、调整片8、刚轮6一起安装在关节本体4的座孔内，并由螺钉7固定。调整片8起到隔离作用，防止谐波减速器的润滑脂和运动产生的磨损金属颗粒涌入电机壳内，调整片8的厚度可以在装配时修正，用以调整电机壳体9的轴向位置。

作为优选例，所述的用于关节机器人的关节装置，还包括绝对值编码器14，绝对值编码器14固定连接在中心护线轴16的尾部。绝对值编码器14用以测量输出法兰18的绝对转角。

作为优选例，所述的本体4上设有通孔43。所述本体4还设有座孔44，座孔44的直径与法兰28的外径相等。本体4加工有通孔43，以及中心护线轴16的中空结构都用于通过电缆线。本体4上有座孔44。由于座孔44的直径尺寸与法兰28的外径相同，可以形成精确的配合，用以连接两个相同的关节，形成多自由度的关节机器人。

作为优选例，所述的用于关节机器人的关节装置，还包括后盖18，后盖18固定连接在本体4上。后盖18安装在本体4上，两者围成的空间用以容纳和保护控制电器。

本发明实施例的关节装置的安装过程如下：先将定子10和第一轴承12装入壳体9中，形成电机合件。转子11安装到输入轴13上，形成输入轴合件。将调整垫圈23、第二轴承20、挡圈19安装到中心护线轴16上，形成中心轴合件。将第二轴承20的外圈安装到输入轴13的轴承座孔137内，并安装第一压板22和螺钉21。将同心的中心护线轴16和输入轴13安装在一起，形成同心轴组件。由于第一轴承12、第二轴承20的分隔作用，输入轴13的高速运动与中心护线轴16的低速运动是互不干涉的。将输入轴13与刚轮6先套在一起，两者并不配合，将柔轮5的内径与波发生器配合后，轻轻推动柔轮5，使其有进入刚的趋势，同时用手转动输入轴13，使其旋转，一边转一边缓缓将柔轮5装入刚轮6。将调整片8平放在刚轮6上，第一轴承12的内圈套在输入轴13上。这样就形成了机器人关节的驱动部件。将交叉滚子轴承2、上夹板25、下夹板26、输出法兰28安装在一起，并一起装入本体4，再安装第二压板1、螺钉3，将交叉滚子轴承2压紧。将驱动部件安装到本体4内，使刚轮6、调整片8、壳体9的外径与本体4的座孔配合，中心护线轴16的头部与上夹板25的中心孔配合，最后装入螺钉7和螺钉24，从而完成安装。

本发明实施例的关节装置，由交叉滚子轴承2借助于上夹板25和下夹板26承担机器人关节的低速重载荷。柔轮5的轴向位置由上夹板25确定，本质上由交叉滚子轴承2确定。因此，柔轮5只承受扭矩，不会受其它载荷的影响。中心护线轴16是低速旋转的，且转角范围不会超过1周，其中空结构可以通过电缆线、并从本体4上的过线孔43实现与其它关节电缆的连接，而且不会发生电缆缠绕。

在本实施例中，如图4所示，由本体4产生各旋转轴的初始旋转基准A1、A2。中心基准A2通过交叉滚子轴承2、上夹板25、下夹板26形成低速的旋转中心B1、B4。其中，B4用于向外提供一个安装基准，B1通过中心护线轴16、第二轴承20形成第二旋转基准B2。A1通过壳体9、第一轴承12形成另一个高速旋转基准B3。所有旋转基准都是同轴的。本实施例中，所有固定零件的轴承基准由本体4产生，而旋转零件的轴向位置由轴承产生，保证了旋转轴的运动精度。

本发明实施例能解决在机器人关节紧凑空间内的布线问题，因而具有实用性，且可广泛推广。

Claims (6)

1.一种用于关节机器人的关节装置，其特征在于，所述关节装置包括中空的本体(4)、电机、中心护线轴(16)、第一轴承(12)、第二轴承(20)、第一压板(22)、交叉滚子轴承(2)、上夹板(25)、下夹板(26)、输出法兰(28)、谐波减速器；

所述电机包括定子(10)、转子(11)和壳体(9)，定子(10)固定连接在壳体(9)的座孔中，转子(11)与定子(10)相对；

所述谐波减速器包括输入轴(13)、椭圆形凸轮(135)、薄壁轴承外壳(134)、中空的刚轮(6)、中空的柔轮(5)和编码器(17)；输入轴(13)呈中空的台阶状，输入轴(13)表面设有第一台阶(131)和第二台阶(132)；

编码器(17)固定连接在第一台阶(131)表面，电机的转子(11)与第二台阶(132)相适配；输入轴(13)的一端与凸轮(135)的一端固定连接；凸轮(135)和薄壁轴承外壳(134)之间设有球形滚动体，凸轮(135)带动薄壁轴承外壳(134)旋转；柔轮(5)的下部表面呈小模数外齿形(51)，柔轮(5)的上端面设有安装孔(52)和中心孔(53)，刚轮(6)内壁呈小模数内齿形，刚轮(6)边缘设有安装孔(61)，刚轮(6)内壁和柔轮(5)的下部相适配；薄壁轴承外壳(134)与柔轮(5)的下部内腔相适配；壳体(9)和刚轮(6)固定连接在本体(4)座孔中，

中心护线轴(16)位于输入轴(13)内腔中，第一轴承(12)连接在壳体(9)的座孔中，且第一轴承(12)的内圈与输入轴(13)的第一台阶(131)适配；第二轴承(20)的外圈和压板(22)由螺钉连接在输入轴(13)的底端台阶上，第二轴承(20)的内圈和中心护线轴(16)适配；

交叉滚子轴承(2)位于本体(4)的一端，且交叉滚子轴承(2)的外圈通过第二压板(1)和螺钉连接在本体(4)上，交叉滚子轴承(2)的内圈、上夹板(25)、下夹板(26)、柔轮(5)、中心护线轴(16)通过螺钉固定连接，上夹板(25)、下夹板(26)的内孔与中心护线轴(16)配合；上夹板(25)和下夹板(26)分别位于交叉滚子轴承(2)的上方和下方；输出法兰(28)与下夹板(26)配合连接。

2.按照权利要求1所述的用于关节机器人的关节装置，其特征在于，还包括调整片(8)，调整片(8)位于壳体(9)和刚轮(6)之间；调整片(8)固定连接在本体(4)座孔中。

3.按照权利要求1所述的用于关节机器人的关节装置，其特征在于，还包括绝对值编码器(14)，绝对值编码器(14)固定连接在中心护线轴(16)的尾部。

4.按照权利要求1所述的用于关节机器人的关节装置，其特征在于，所述的本体(4)上设有通孔(43)。

5.按照权利要求1所述的用于关节机器人的关节装置，其特征在于，所述本体(4)还设有座孔(44)，座孔(44)的直径与法兰(28)的外径相等。

6.按照权利要求1所述的用于关节机器人的关节装置，其特征在于，还包括后盖(18)，后盖(18)固定连接在本体(4)上。