CN108515536A - 一种机械臂关节和机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂关节，包括：关节壳体、以及安装于所述关节壳体中的电机、减速器模块、编码器模块和减速器位置确定模块；其中，所述减速器模块与所述电机相连接；所述编码器模块连接于所述电机的电机主轴，以获得所述电机主轴的转动位置；所述减速器位置确定模块安装于所述关节壳体中并连接于所述减速器模块的输出轴，以获得所述减速器模块的输出轴的转动位置。本发明的机械臂关节通过在电机转子端安装第一编码器并在和减速器的输出端安装第二编码器，进而可以准确的得到电机转子和减速器输出端的位置，为高精度机器人控制解决了硬件问题。

Description

一种机械臂关节和机械臂

技术领域

本发明涉及机器人制造技术，特别涉及一种机械臂关节和采用该机械臂关节的机械臂。

背景技术

机器人制造领域中，机械臂关节的设计是一个非常重要的部分。机械臂关节的转动角度的精确性，直接影响到机械臂的精准定位，对于高精度要求的机械臂设计来说，如何设计一个能够精确控制转动位置的机械臂关节，至关重要。

现有的机械臂关节主要由电机和减速器组成。而机械臂关节转动位置的确定，是通过如下方案确定：

在电机主轴安装一个编码器，利用该编码器与减速器的减速比来推算机械臂关节的转动位置。

上述方法对于精度要求较低的机械臂来说可以实现机械臂的相应功能。但是，对于精度要求高的机械臂来说，则难以达到所要求的误差。原因在于，减速器结构中包含部件柔轮，而柔轮具有柔性，会产生微小的形变，进而推算出来电机减速器输出端的位置(即机械臂关节的转动位置)具有无法消除的误差，使得机械臂关节的转动位置并不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种机械臂关节，以提高其转动位置的准确性，减小转动误差。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种机械臂关节，包括：

关节壳体、以及安装于所述关节壳体中的电机、减速器模块、编码器模块和减速器位置确定模块；其中，

所述减速器模块与所述电机相连接；

所述编码器模块连接于所述电机的电机主轴，以获得所述电机主轴的转动位置；

所述减速器位置确定模块安装于所述关节壳体中并连接于所述减速器模块的输出轴，以获得所述减速器模块的输出轴的转动位置。

进一步，所述减速器位置确定模块为第二编码器模块或者力矩传感器模块。

进一步，所述第二编码器模块包括：

第二编码器主轴，所述第二编码器主轴固定于所述减速器模块的输出轴；

第二码盘，所述第二码盘固定于所述第二编码器主轴；

第二端盖，所述第二端盖固定于所述关节壳体，并与所述第二编码器主轴通过第二轴承连接；

第二读数盘，所述第二读数盘安装于所述第二端盖，以读取所述第二码盘的读数。

进一步，所述第一编码器模块包括：

第一编码器主轴，所述第一编码器主轴固定于所述电机主轴；

第一码盘，所述第一码盘固定于所述第一编码器主轴；

第一端盖，所述第一端盖固定于所述关节壳体，并与所述第一编码器主轴通过第一轴承连接；

第一读数盘，所述第一读数盘安装于所述第一端盖，以读取所述第一码盘的读数。

进一步，所述机械臂关节还包括：

关节驱动器模块，所述关节驱动器模块安装于所述编码器模块和减速器位置确定模块之间的空间中。

进一步，所述机械臂关节还包括：

制动盘，所述制动盘固定于所述电机主轴；

制动器模块，所述制动器模块安装于所述关节壳体中，并通过其制动闸与所述制动盘的接触和脱离以控制所述电机的制动。

进一步，所述制动闸套设有闸套，所述制动闸通过所述闸套与所述制动盘接触；其中，

所述闸套的材料为高分子材料。

进一步，所述制动器模块为电磁式制动器；其中，

所述电磁式制动器具有行程控制工装，以控制所述电磁式制动器中的电磁铁的行程。

进一步，所述编码器模块、减速器位置确定模块和电机位于所述减速器模块的同一侧。

一种机械臂，采用如上任一项所述的机械臂关节。

从上述方案可以看出，本发明的机械臂关节通过在电机转子端安装编码器模块并在和减速器模块的输出端安装第二编码器模块，进而可以准确的得到电机转子和减速器模块输出端的位置，为高精度机器人控制解决了硬件问题。

附图说明

图1a为本发明实施例的机械臂关节的爆炸视图；

图1b为本发明实施例的机械臂关节的第一角度结构剖视图；

图1c为本发明实施例的机械臂关节的第二角度结构剖视图；

图2a为本发明实施例中的编码器模块的立体视图；

图2b为本发明实施例中的编码器模块的另一角度立体视图；

图2c为本发明实施例中的编码器模块的结构剖视图；

图3a为本发明实施例中的第二编码器模块的立体视图；

图3b为本发明实施例中的第二编码器模块的另一角度立体视图；

图3c为本发明实施例中的第二编码器模块的结构剖视图；

图4a为本发明实施例中的电机立体爆炸视图；

图4b为本发明实施例中的电机的结构剖视图；

图5a为本发明实施例中的减速器模块的立体视图；

图5b为本发明实施例中的减速器模块的结构剖视图；

图6a为本发明实施例中的关节驱动器模块的立体视图；

图6b为本发明实施例中的关节驱动器模块的所述第一角度结构剖视图；

图6c为本发明实施例中的关节驱动器模块的所述第二角度结构剖视图；

图6d为所述关节驱动器模块沿图6c中A方向的结构视图；

图7a为本发明实施例中的制动器模块的立体视图；

图7b为本发明实施例中的制动器模块的另一角度视图；

图7c为本发明实施例中的制动器模块的结构剖视图。

附图中，各部件的标号和名称如下：

1、关节壳体

2、电机

21、电机主轴

22、电机定子

23、电机转子

3、减速器模块

31、输出轴

32、输入轴

33、减速器壳体

4、编码器模块

41、第一编码器主轴

42、第一码盘

43、第一端盖

44、第一轴承

45、第一读数盘

5、第二编码器模块

51、第二编码器主轴

52、第二码盘

53、第二端盖

54、第二轴承

55、第二读数盘

6、关节驱动器模块

61、第一驱动盘

62、第二驱动盘

63、连接器

7、制动盘

8、制动器模块

81、制动闸

82、制动器安装部

83、制动器保护壳

84、行程控制工装

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明提供给的机械臂关节，包括关节壳体、以及安装于所述关节壳体中的电机、减速器模块、编码器模块和减速器位置确定模块。其中，所述减速器模块与所述电机相连接；所述编码器模块连接于所述电机的电机主轴，以获得所述电机主轴的转动位置；所述减速器位置确定模块安装于所述关节壳体中并连接于所述减速器模块的输出轴，以获得所述减速器模块的输出轴的转动位置。

与现有技术相比，本发明的机械臂关节，在所述减速器模块的输出轴安装一用于获取所述减速器模块的输出轴的转动位置的减速器位置确定模块，从而利用减速器位置确定模块所获取的减速器模块的输出轴的转动位置与所述编码器模块所获取的电机主轴的转动位置的比较，来获得机械臂关节的转动位置，这与现有技术中通过编码器与减速器的减速比所推算的机械臂关节的转动位置相比，因为克服了减速器结构中的柔轮所造成的误差，所以所获得的机械臂关节的转动位置数据更加精确，从而为高精度机器人控制解决了硬件问题。

本发明实施例中，所述减速器位置确定模块可以采用一编码器模块或者一力矩传感器模块来实现。为了区别于连接于所述电机的电机主轴的编码器模块，以下将作为减速器位置确定模块的编码器模块统一称为第二编码器模块。

本发明实施例的各个附图中，采用第二编码器模块作为减速器位置确定模块。在本发明实施例的精神原则下，通过适当的空间设计，可以将力矩传感器模块在相同的位置替换所述第二编码器模块作为减速器位置确定模块，同样能够过的精确的减速器模块的输出轴的转动位置。

其中，图1a为本发明实施例的机械臂关节的爆炸视图，图1b为本发明实施例的机械臂关节的第一角度结构剖视图，图2a为本发明实施例中的编码器模块的立体视图，图2b为本发明实施例中的编码器模块的另一角度立体视图，图2c为本发明实施例中的编码器模块的结构剖视图，图3a为本发明实施例中的第二编码器模块的立体视图，图3b为本发明实施例中的第二编码器模块的另一角度立体视图，图3c为本发明实施例中的第二编码器模块的结构剖视图，图4a为本发明实施例中的电机立体爆炸视图，图4b为本发明实施例中的电机的结构剖视图，图5a为本发明实施例中的减速器模块的立体视图，图5b为本发明实施例中的减速器模块的结构剖视图，图6a为本发明实施例中的关节驱动器模块的立体视图，图6b为本发明实施例中的关节驱动器模块的所述第一角度结构剖视图，图6c为本发明实施例中的关节驱动器模块的所述第二角度结构剖视图，图6d为所述关节驱动器模块沿图6c中A方向的结构视图，图7a为本发明实施例中的制动器模块的立体视图，图7b为本发明实施例中的制动器模块的另一角度视图，图7c为本发明实施例中的制动盘和制动器模块的结构剖视图。以下结合各个附图对本发明实施例的机械臂关节进行具体说明。

如图1a、图1b、图1c所示，本发明实施例的机械臂关节，包括关节壳体1、以及安装于所述关节壳体中的电机2、减速器模块3、编码器模块4和第二编码器模块5；其中，所述减速器模块3与所述电机2相连接；所述编码器模块4连接于所述电机2的电机主轴21，以获得所述电机主轴21的转动位置；所述第二编码器模块5安装于所述关节壳体1中并连接于所述减速器模块3的输出轴31，以获得所述减速器模块3的输出轴31的转动位置。

如图3a、图3b、图3c、并结合图1a、图1b、图1c、图5a、图5b所示，本发明实施例中，所述第二编码器模块5包括第二编码器主轴51、第二码盘52、第二端盖53和第二读数盘55。其中，所述第二编码器主轴51固定于所述减速器模块3的输出轴31；所述第二码盘52固定于所述第二编码器主轴51；所述第二端盖53固定于所述关节壳体1，并与所述第二编码器主轴51通过第二轴承54连接；所述第二读数盘55安装于所述第二端盖53，以读取所述第二码盘52的读数。如图3a、图3b和图3c所示实施例中，所述第二端盖53的外缘开设有若干个朝向关节壳体1的安装孔，同时所述关节壳体1的对应位置也开设相应的安装孔，通过螺钉(例如内六角凹端紧定螺钉和/或内六角圆柱头螺钉)的配合，将所述第二编码器模块5安装于所述关节壳体1中。需要说明的是，该安装方式仅为多种安装方式中的一种，也可以采用其它安装孔开设的方式对所述第二编码器模块5进行安装。

以这种方式，当所述减速器模块3的输出轴31转动时，会带动所述第二编码器主轴51转动，进一步带动固定于所述第二编码器主轴51的第二码盘52转动，由于第二端盖53固定于关节壳体1并且第二读数盘55安装于第二端盖53，同时，第二端盖53和第二编码器主轴51之间通过第二轴承54连接，进而第二端盖53和第二编码器主轴51之间形成相对运动，导致了第二码盘52相对于第二读数盘55的运动，从而通过第二读数盘55对第二码盘52的读数会获得所述减速器模块3的输出轴31的准确的转动位置。

如图2a、图2b、图2c、并结合图1a、图1b、图1c、图4a、图4b所示，所述编码器模块4包括第一编码器主轴41、第一码盘42、第一端盖43和第一读数盘45。其中，所述第一编码器主轴41固定于所述电机主轴21，例如所述第一编码器主轴41可通过紧配合和径向紧定螺钉固定于所述电机主轴21；所述第一码盘42固定于所述第一编码器主轴41；所述第一端盖43固定于所述关节壳体1，并与所述第一编码器主轴41通过第一轴承44连接；所述第一读数盘45安装于所述第一端盖43，以读取所述第一码盘42的读数。如图2a、图2b和图2c所示实施例中，所述第一端盖43靠近外缘的部分开设有若干个轴向平行于所述电机主轴21的轴向的安装孔，同时所述关节壳体1的对应位置设有安装台并在安装台开设有相应的安装孔，通过螺钉(例如内六角凹端紧定螺钉和/或内六角圆柱头螺钉)的配合，将所述编码器模块4安装于所述关节壳体1中。需要说明的是，该安装方式仅为多种安装方式中的一种，也可以采用其它安装孔开设的方式对所述编码器模块4进行安装。

以这种方式，当所述电机主轴21转动时，会带动所述第一编码器主轴41转动，进一步带动固定于所述第一编码器主轴41的第一码盘42转动，由于第一端盖43固定于关节壳体1并且第一读数盘45安装于第一端盖43，同时，第一端盖43和第一编码器主轴41之间通过第一轴承44连接，进而第一端盖43和第一编码器主轴41之间形成相对运动，导致了第一码盘42相对于第一读数盘45的运动，从而通过第一读数盘45对第一码盘42的读数会获得所述电机主轴21的准确的转动位置。

进一步地，如图1a、图1b、图1c、图4a、图4b、图5a、图5b所示，所述电机2包括电机主轴21、电机定子22和电机转子23，其中，所述电机定子22固定于所述关节壳体1，所述电机转子23给所述电机主轴21提供驱动。所述电机主轴21朝向所述第一编码器主轴41的端面通过紧配合和径向紧定螺钉与所述第一编码器主轴41固定，所述电机主轴21内侧面通过紧配合和径向紧定螺钉与减速器模块3的输入轴32固定连接。

所述减速器模块3具有一个减速器壳体33，所述减速器壳体33将减速器模块3中的柔轮、波发生器、刚轮、轴承封装于其内，所述输出轴31和输入轴32位于减速器壳体33的同一侧，并从所述减速器壳体33中伸出，所述输出轴31和输入轴32同轴而设，并且输出轴31的直径小于输入轴32的直径，所述输出轴31套设于所述输入轴32内。所述输入轴32的外侧面固定于所述电机主轴21，所述输出轴31远离所述减速器壳体33的端部与所述第二编码器主轴51固定连接。这样，当所述电机主轴21转动时，带动所述输入轴32转动，从而带动所述输出轴31转动，进而所述第二编码器主轴51也随之转动。

如图1a、图1b、图1c、图6a、图6b、图6c、图6d所示，本发明实施例还包括关节驱动器模块6。所述关节驱动器模块6安装于所述编码器模块4和第二编码器模块5之间的空间中。

本发明实施例中，所述关节驱动器模块6根据所述机械臂关节的形状而设计。如图6a、图6b、图6c、图6d所示，所述关节驱动器模块6具体包括第一驱动盘61、第二驱动盘模块62和连接器63。其中，连接器63例如集成驱动连接器，连接器63将所述第一驱动盘61和第二驱动盘62相连接，所述连接器63中例如包含有连接所述第一驱动盘61和第二驱动盘62内电路的线路。本发明实施例中，第一驱动盘61和第二驱动盘62并非同样大小，而是第一驱动盘61相比于第二驱动盘62的面积更大，这是考虑到机械臂关节内部结构布置而进行的相应设计，当然，第一驱动盘61和第二驱动盘62也可以设计为较为面积接近或者相等、形状近似或者相同。另外，第一驱动盘61、第二驱动盘62均具有朝向一个相同方向的开口，该开口主要是容纳穿过该关节驱动器模块6的减速器模块3的输出轴31。所述关节驱动器模块6中含有用以驱动所述机械臂关节转动的驱动电路，作为优选实施例，所述关节驱动器模块6中的电路还可包含获取所述编码器模块4和第二编码器模块5的数据而确定所述机械臂关节转动位置的电路，作为优选实施例，所述关节驱动器模块6中的电路还可电连接于外部控制电路。

如图1a、图1b、图1c、图7a、图7b、图7c所示，本发明实施例的机械臂关节，还包括制动盘7和制动器模块8。其中，所述制动盘7固定于所述电机主轴21，具体地，所述制动盘7固定于所述电机主轴21和第一编码器主轴41之间，所述制动盘7夹设于所述电机主轴21朝向所述第一编码器主轴41的端面和所述第一编码器主轴41之间，并且通过紧配合和径向紧定螺钉同所述第一编码器主轴41和所述电机主轴21固定。所述制动器模块8安装于关节壳体1中，并通过其制动闸81与所述制动盘7的接触和脱离以控制所述电机2的制动。

本发明实施例中，所述制动器模块8为电磁式制动器。所述制动器模块8还具有制动器安装部82、制动器保护壳83和行程控制工装84。其中，所述制动器模块8通过其制动器安装部82固定安装于所述关节壳体1中，所述行程控制工装84和制动闸81安装于制动器保护壳83内，制动器保护壳83主要起到对行程控制工装84和制动闸81的保护。所述行程控制工装84内含有电磁铁，用于控制制动闸81的行程。

另外，本发明实施例中，所述制动闸81套设有闸套，所述制动闸81通过所述闸套与所述制动盘7接触。其中，所述闸套的材料为高分子材料。

再次参见图1a、图1b、图1c所示，所述编码器模块4、第二编码器模块5和电机2位于所述减速器模块3的同一侧。这样，可通过减速器模块3的输出轴31将减速器模块3的输出轴31(即减速器模块3的输出端)的位置检测与电机转子23的位置检测置于机械臂关节的同一侧(即位于减速器模块3的同一侧)，可使得机械臂关节整体结构设计更加紧凑，也使得编码器模块4和第二编码器模块5的走线更加方便。

本发明实施例中，所述减速器模块3将其中的柔轮、波发生器、刚轮和轴承封装于减速器壳体33中，以提高减速器模块3的精度，并延长维修、保养周期。

本发明实施例的机械臂关节的具体的工作过程如下。

电机2的电机转子23运动带动电机主轴21运动，电机主轴21的一端与编码器模块4的第一编码器主轴41通过螺栓与定位销联接，从而带动编码器模块4的第一码盘42运动，通过第一读数盘45进行读数，以确定电机2的电机主轴21端的位置。电机主轴21的另一端通过紧配合和径向紧定螺钉与减速器模块3的输入轴32联接，并带动减速器模块3的输出轴31(输出端)运动，同时减速器模块3的输出轴31运动带动第二编码器模块5的第二码盘52运动，第二读数盘55读数并确定关节输出端(即减速器模块3的输出轴31)的位置。从而通过编码器模块4所确定的电机2的电机主轴21端的位置和第二编码器模块5所确定的关节输出端(即减速器模块3的输出轴31)的位置来确定机械臂关节的转动位置。

随上述实施例，本发明实施例还提供了机械臂，其采用如上所述的机械臂关节。

本发明的机械臂关节通过在电机转子端安装编码器模块并在和减速器模块的输出端安装第二编码器模块，进而可以准确的得到电机转子和减速器模块输出端的位置，为高精度机器人控制解决了硬件问题。

另外，本发明中，将所述减速器模块中的柔轮、波发生器、刚轮、轴承进行封装，提高了减速器模块整体精度，并延长维修、保养周期。通过输出轴将减速器模块的输出端的位置检测与电机转子的位置检测置于关节同一侧，使得机械臂关节整体结构设计更加紧凑，编码器模块的走线更加方便。

由于编码器的读数盘和码盘在安装中的精度要求高，分体安装很难保证安装精度。而本发明中将编码器模块和第二编码器模块各自的码盘分别通过各自的编码器主轴与轴承内圈固定，各自的读数盘安装于各自端盖，利用各自的轴承实现码盘相对于读数盘的运动，进而将编码器集成为单个模块，不仅可以保证编码器模块的安装精度，还可以提高安装速度，便于后期维护。

另外，电磁制动器与制动盘接触制动接触后，由于他们间摩擦力较大，有时会出现制动轴不能抽离制动盘，本发明一方面可利用行程控制工装将电磁铁行程缩小，提高克力最终提高电磁制动器吸合时的电磁力；另一方面在制动轴上的高分子材料电磁闸套，降低了制动轴与制动盘的摩擦系数，解决了电磁制动器偶尔不能抽离闸盘的问题。

本发明技术方案将关节驱动器模块内置于两个编码器模块中间，充分利用了关节内部空间，使得关节更加紧凑。

最后，本发明采用模块化设计，将编码器模块、制动器模块和减速器模块分别单独进行模块化设计，还可以根据具体使用要求灵活选择编码器模块数量、制动器模块的有无。提高了机械臂关节整体制造的精度和装配速度，并扩大了机械臂关节的使用范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种机械臂关节，其特征在于，包括：

关节壳体、以及安装于所述关节壳体中的电机、减速器模块、编码器模块和减速器位置确定模块；其中，

所述减速器模块与所述电机相连接；

所述编码器模块连接于所述电机的电机主轴，以获得所述电机主轴的转动位置；

所述减速器位置确定模块安装于所述关节壳体中并连接于所述减速器模块的输出轴，以获得所述减速器模块的输出轴的转动位置。

2.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：

所述减速器位置确定模块为第二编码器模块或者力矩传感器模块。

3.根据权利要求2所述的机械臂关节，其特征在于，所述第二编码器模块包括：

第二编码器主轴，所述第二编码器主轴固定于所述减速器模块的输出轴；

第二码盘，所述第二码盘固定于所述第二编码器主轴；

第二端盖，所述第二端盖固定于所述关节壳体，并与所述第二编码器主轴通过第二轴承连接；

第二读数盘，所述第二读数盘安装于所述第二端盖，以读取所述第二码盘的读数。

4.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于，所述第一编码器模块包括：

第一编码器主轴，所述第一编码器主轴固定于所述电机主轴；

第一码盘，所述第一码盘固定于所述第一编码器主轴；

第一端盖，所述第一端盖固定于所述关节壳体，并与所述第一编码器主轴通过第一轴承连接；

第一读数盘，所述第一读数盘安装于所述第一端盖，以读取所述第一码盘的读数。

5.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于，所述机械臂关节还包括：

关节驱动器模块，所述关节驱动器模块安装于所述编码器模块和减速器位置确定模块之间的空间中。

6.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于，所述机械臂关节还包括：

制动盘，所述制动盘固定于所述电机主轴；

制动器模块，所述制动器模块安装于所述关节壳体中，并通过其制动闸与所述制动盘的接触和脱离以控制所述电机的制动。

7.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：

所述制动闸套设有闸套，所述制动闸通过所述闸套与所述制动盘接触；其中，

所述闸套的材料为高分子材料。

8.根据权利要求6所述的机械臂关节，其特征在于：

所述制动器模块为电磁式制动器；其中，

所述电磁式制动器具有行程控制工装，以控制所述电磁式制动器中的电磁铁的行程。

9.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：

所述编码器模块、减速器位置确定模块和电机位于所述减速器模块的同一侧。

10.一种机械臂，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的机械臂关节。