CN107398921A - 一种关节机器人的关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节机器人的关节结构，包括壳体、电机，以及谐波减速器；谐波减速器包括中空的输入轴、中空的椭圆形凸轮、薄壁轴承外壳、中空的刚轮、中空的柔轮、应变片；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，柔轮一端设有小模数外齿形，柔轮另一端为薄壁法兰；刚轮内壁和柔轮的一端相适配；薄壁轴承外壳与柔轮的内腔相适配；应变片固定连接在柔轮的侧壁上；刚轮通过螺钉安装于交叉滚子轴承的内圈上，交叉滚子轴承的外圈通过螺钉安装在壳体上；柔轮固定连接在壳体上；电机的定子与壳体固定连接，电机的转子与输入轴固定连接。该关节结构中各种导线不会因为关节的转动而缠绕，穿线方便。

Description

一种关节机器人的关节结构

技术领域

本发明属于关节机器人领域，具体来说，涉及一种关节机器人的关节结构。

背景技术

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。而重型关节机器人末端的若干个关节也倾向于采用重量相对较轻的谐波减速器。

机器人发展的重要方向之一是人机力触觉交互。这包括两方面的含义：一是协作机器人要求精确感知人手与机器人之间的相互作用力，二是机器人工作时与环境之间的作用力，这就要求对机器人的关节载荷或受力进行精确测量。

目前较为通行的方法有三：

1、基于电机载荷与电机电流存在一定函数关系，可通过测量电机电流间接反映关节力矩的大小，这是目前协作机器人较为常用的方法。这种方法的缺点是：从关节载荷向电机输出力矩方向，是一种增速传动，实际上等比例缩小了原始力矩信号的大小，而减速器阻尼的按上述方向被放大，使电流——力矩测量的精确度和灵敏度都很低，加之驱动器任务进程及电机大电感的存在影响了力测量的实时性；

2、基于专用力矩传感器的关节载荷测量。这种方法在一些专用机器人如航天用机器人研究有报道，这种方案测量精确度高，实时性好，但缺点也十分显著：极大增加了机器人的复杂度及成本，力传感器的柔性变形额外降低了机器人的运动精确度，因此这种方法并不值得推广。

3、基于多维力传感器的末端力载荷测量。多维力传感器理论上避免了上述方法的缺点，其缺点是：多维力传感器作为机器人专用传感器吸引了大量经费而研究多年，但其高成本低可靠性导致至今无法大量推广；再者它只能感受机器人末端的载荷，当很多场合要求测量加于其它关节上的力，如关节安全避障情形下，安装于末端的多维力传感器是无法感知的。

基于上述情况，目前较新颖的方案是：2013年深圳先进技术研究院提出了“具有力矩感知功能的谐波减速器”，专利201310441823.3。该专利的主要技术特点是采用4片应变片测量谐波柔轮的形变，并用导电滑环将电信号引出到减速器的外壳。从结构上看，这是一种双实心出轴的通用谐波减速器，并不太适合于关节机器人；由于该装置的柔轮可以无限制地连续转动，只好用导电滑环从机壳外走线，这不仅降低了测量系统的可靠性，也不符合机器人外观设计要求。专利申请号201510982256.1申请了“一种带应变片的谐波减速器”，它的主要技术特点是在减速器外壳的某个部位安装应变片，与前一个专利相比，这件专利无需在旋转件上安装应变片，以期达到力矩检测的目的。但该专利只能检测减速器外壳的力矩载荷，无法检测出减速器的输出力矩，无法满足机器人的设计要求。此外，该专利降低了减速器的总体刚度，也同样存在外部走线的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种关节机器人的关节结构，构造简单，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。

为了达到上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种关节机器人的关节结构，所述关节结构包括壳体、电机，以及连接在所述壳体和电机上的谐波减速器；所述谐波减速器包括中空的输入轴、中空的椭圆形凸轮、薄壁轴承外壳、中空的刚轮、中空的柔轮、应变片；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，柔轮为薄壁壳体，且柔轮一端设有小模数外齿形，柔轮另一端为薄壁法兰，且法兰上设有安装孔；刚轮内壁加工有小模数内齿形，刚轮内壁和柔轮的一端相适配；薄壁轴承外壳与柔轮的内腔相适配；应变片固定连接在柔轮的侧壁上；所述刚轮通过螺钉安装于交叉滚子轴承的内圈上，交叉滚子轴承的外圈通过螺钉安装在壳体上；柔轮固定连接在壳体上；电机的定子与壳体固定连接，电机的转子与输入轴固定连接。

作为优选例，所述的输入轴与凸轮呈一体结构。

作为优选例，所述的关节机器人的关节结构，还包括应变检测电路板，应变检测电路板固定连接在壳体的空腔中。

作为优选例，所述应变片的导线穿过壳体上的过线孔，与应变检测电路板的信号输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的谐波减速器结构巧妙，在所述柔轮的内外侧面安装应变片，并通过导线直接连接到机器人关节的电路板上；在谐波减速器高速运转的情况下，依然可以准确实时地测量出力矩信息。

(2)本发明能直接测量输出轴的力矩，且力测量装置直接与减速器匹配，优点非常明显，本发明的装置量程大，工作可更靠，构件少，因而便于应用在机器人关节内部并使机器人关节智能化。

附图说明

图1为本发明实施例的爆炸图；

图2为本发明实施例中柔轮和应变片的连接示意图；

图3为本发明实施例中柔轮和应变片的连接剖视图；

图4为本发明实施例中刚轮的结构示意图；

图5为本发明实施例中在机器人关节上装配图。

图中有：输入轴1、凸轮2、薄壁轴承外壳3、刚轮4、柔轮5、应变片6、电机转子11、安装孔40、壳体41、螺钉42、螺钉51、轴承52、应变片61、应变片62、导线611、导线621、应变检测电路板7。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，本发明实施例的一种关节机器人的关节结构，包括壳体41、电机，以及连接在所述壳体41和电机上的谐波减速器。谐波减速器包括中空的输入轴1、中空的椭圆形凸轮2、薄壁轴承外壳3、中空的刚轮4、中空的柔轮5、应变片6。输入轴1的一端与凸轮2的一端固定连接。凸轮2和薄壁轴承外壳3之间设有球形滚动体，柔轮5为薄壁壳体，且柔轮5一端设有小模数外齿形，柔轮5另一端为薄壁法兰，且法兰上设有安装孔。刚轮4内壁加工有小模数内齿形，刚轮4内壁和柔轮5的一端相适配。薄壁轴承外壳3与柔轮5的内腔相适配。应变片6固定连接在柔轮5的侧壁上。所述刚轮4通过螺钉51安装于交叉滚子轴承52的内圈上，交叉滚子轴承52的外圈通过螺钉42安装在壳体41上。柔轮5固定连接在壳体41上。电机的定子与壳体41固定连接，电机的转子11与输入轴1固定连接。

上述实施例中的谐波减速器，输入轴1与凸轮2可以呈一体结构，以增加传动的牢靠性。谐波发生器包括中空的凸轮2和薄壁轴承外壳3，类似于一个椭圆形薄壁轴承。轴承的内圈，即凸轮2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3，与凸轮2之间安装有球形滚动体。因为凸轮2呈椭圆形，所以在装配完成后，薄壁轴承外壳3也呈椭圆形。当凸轮2旋转时，薄壁轴承外壳3的椭圆形长轴也一起转动。柔轮5为薄壁壳体，且柔轮5一端设有小模数外齿形，柔轮5另一端为薄壁法兰，且法兰上设有安装孔。刚轮4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3与柔轮5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4的内齿相配合，柔轮5短轴部位的外齿与刚轮4脱离啮合。因此，当输入轴1转动时，谐波发生器就迫使可变形柔轮5的长轴与谐波发生器一起转动，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1，经齿轮副减速后到达柔轮5。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。在柔轮5上安装应变片6可以测量柔轮5的形变，进而达到测量扭矩的目的。应变片的数量优选为1～6片。应变片6用于测量力矩。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。

本发明实施例中的谐波减速器，动力来自于输入轴1，经齿轮副减速后到达柔轮5，并传递给安装在柔轮5上的执行件。可见，柔轮5是一个低速的承载大扭矩的薄壳结构。

在本发明实施例中，所述的柔轮5的法兰端布有安装孔，可以通过螺栓将柔轮5固定在机器人壳体上，使柔轮不能转动，而使与刚轮相连接的其它构件转动，达到动力和运动输出目的。也由于柔轮5不能转动，使得与柔轮5相连接的所有构件都不运动，这就便于柔轮5上的应变片6能够从这些构件上的引线结构直接走线，而且不会发生引线缠绕的故障。

如图4所示，刚轮4通过螺钉51安装于交叉滚子轴承52的内圈上，输入轴1与电机转子11固定连接。因此，由电机转子11驱动输入轴1转动，从而带动凸轮2转动。薄壁轴承外壳3与柔轮5的内腔相配合，迫使柔轮5变形，成为一个椭圆形外齿轮。柔轮5上位于椭圆形长轴附近的外齿与刚轮4的内齿啮合，柔轮5上位于椭圆形短轴附近的外齿与刚轮4的内齿脱离啮合。当凸轮2转动时，柔轮5中的椭圆形长轴也一起转动，使柔轮5上的外齿依次进入啮合——脱离啮合。柔轮5上外齿的齿数与刚轮4上内齿的齿数不相等，进而形成速比很大的少齿差传动，将电机的高速小扭矩转换成低速大扭矩。交叉滚子轴承52的外圈通过螺钉42安装在壳体41上。

由上述描述可知，在实现上述传动的装置中，电机转子11带动输入轴1做高速转动。由于柔轮5固定在壳体41上，如果壳体41固定，那么柔轮5、交叉滚子轴承52的外圈就固定不动，这便迫使刚轮4连同交叉滚子轴承的内圈一起转动。薄壁轴承外壳3迫使柔轮5也变形为椭圆形，其长轴随凸轮2、薄壁轴承外壳3转，但本身因固定在壳体41上不会动。因长轴转，使柔轮5的齿与刚轮4上齿的啮合点也一起转动，齿间的啮合是一牙咬一牙的，相当圆周长度不等。由于柔轮齿数与刚轮齿数不等，牙对牙咬合过来，齿数不等转过的圆周就不等，也就是说有了速度差，也就有了减速比。柔轮5迫使刚轮4转动，而刚轮4与轴承52内圈是用螺钉拧在一起。如图5所示，刚轮4上加工有安装孔40，用于固定刚轮4本身，还加工有螺纹孔42，用于将其它另部件连接到刚轮4上，达到运动和力矩输出目的。

如图5所示，应变片61安装在柔轮5的内侧，其引线611可通过壳体41上的过线孔引至下方的空腔内；同样，应变片62也可以安装在柔轮5的内侧，其引线621也可以通过壳体41上的过线孔引至下方的空腔内。空腔内一般安装机器人关节的控制电路板。因此，通过上述结构就能将应变片61、应变片62的引线611、引线621连接到空腔内的电路板上。上述引线方法不会导致引线缠绕，这就保证了这种装置可以应用在机器人关节上。

上述实施例中的谐波减速器，所述的柔轮5的齿数比刚轮4的齿数少1-5个。

为进一步提高减速器的智能化程度，所述的关节结构还包括应变检测电路板7，应变检测电路板7固定连接在壳体41的内腔中。这样，当所述应变片6固定连接在柔轮5的侧面时，且应变片6的导线穿过壳体41上的过线孔，与应变检测电路板7的信号输入端连接。因为柔轮5安装在机器人的关节上之后，柔轮5和应变检测电路板7之间是相对不动的，所以可直接将应变片6与应变检测电路板7通过导线相连。导线不会发生缠绕。

上述应变片6的变形由两部分引起：一是波发生器迫使柔轮5产生的椭圆形变，这个变形是一个交变信号，其频率与输入轴1的转速相关，幅度由波发生器的椭圆度决定，因而这椭圆形变是一个定幅值的交变信号；二是柔轮5传递减速器的输出扭矩引起的变形，其性质由负载决定，负载的大小等于减速器输出力矩的大小。这两种变形都会引起应变片6电阻值的变化，采用信号处理方法可以剔除椭圆形变的信号，因而，本发明可以检测大翻边形谐波减速器的输出力矩。

本发明实施例中的谐波减速器主要针对关节机器人力矩测量技术要求，结构十分紧凑，测量精确度高，实时性好，并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。

综上所述，本发明的装置无须额外的扭矩传感器就能检测减速器的力矩，并且传感器直接与减速器匹配，这项技术降低了机器人的成本，提高了机器人的可靠性，可极大提高机器人人机交互技术的水平。

Claims (4)

1.一种关节机器人的关节结构，其特征在于，所述关节结构包括壳体(41)、电机，以及连接在所述壳体(41)和电机上的谐波减速器；

所述谐波减速器包括中空的输入轴(1)、中空的椭圆形凸轮(2)、薄壁轴承外壳(3)、中空的刚轮(4)、中空的柔轮(5)、应变片(6)；输入轴(1)的一端与凸轮(2)的一端固定连接；凸轮(2)和薄壁轴承外壳(3)之间设有球形滚动体，柔轮(5)为薄壁壳体，且柔轮(5)一端设有小模数外齿形，柔轮(5)另一端为薄壁法兰，且法兰上设有安装孔；刚轮(4)内壁加工有小模数内齿形，刚轮(4)内壁和柔轮(5)的一端相适配；薄壁轴承外壳(3)与柔轮(5)的内腔相适配；应变片(6)固定连接在柔轮(5)的侧壁上；

所述刚轮(4)通过螺钉(51)安装于交叉滚子轴承(52)的内圈上，交叉滚子轴承(52)的外圈通过螺钉(42)安装在壳体(41)上；柔轮(5)固定连接在壳体(41)上；电机的定子与壳体(41)固定连接，电机的转子(11)与输入轴(1)固定连接。

2.按照权利要求1所述的关节机器人的关节结构，其特征在于，所述的输入轴(1)与凸轮(2)呈一体结构。

3.按照权利要求1所述的关节机器人的关节结构，其特征在于，还包括应变检测电路板(7)，应变检测电路板(7)固定连接在壳体(41)的空腔中。

4.按照权利要求3所述的关节机器人的关节结构，其特征在于，所述应变片(6)的导线穿过壳体(41)上的过线孔，与应变检测电路板(7)的信号输入端连接。