CN109366480A - 一种高集成度机电控一体化机器人关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高集成度机电控一体化机器人关节模组，关节模组包括壳体、制动装置、中空无框电机、谐波减速器，低压直流驱动器及相应PCB电路板，还包括用于测量电机输入转速的增量式编码器和测量谐波减速器输出的绝对式编码器；所述关节模组所有转动部件均为同轴设置并设计为中空模式以便走线。本发明的优点之一是采用了带应变片的谐波减速器，此设计可大大节约单独采购力矩传感器的成本，并且使得结构更紧凑，空间占比更少。由于直接利用了谐波减速器柔轮的柔性而减少了额外力矩传感器的柔性单元，关节的总体刚性会更强。本发明的另一个优点是采用了固定谐波减速器的柔轮而刚轮作为输出单元，此布置使得从柔轮采集力矩信号更稳定，更精确。

Description

一种高集成度机电控一体化机器人关节模组

技术领域

本发明属于机器人技术领域。具体来说是涉及一种中空走线的适用于协作机器人的模块化关节模组。

背景技术

随着机电一体化技术的发展、产业的升级换代和机器人产业发展的需要。近年来，面向中小企业和3C行业的协作机器人和轻型机械臂得到了迅速的发展。集机、电、控一体的机器人关节模组应运而生。但由于集成部件太多而关节空间有限，所以对如何减小关节体积、如何减少用户的入门难度和增加关节的刚度和精度就提出了更高的要求。

现有的协作机器人关节模组由于成本和空间的考虑基本都没安装力矩传感器，要实现力控主要是通过间接测量电机的电流来计算力矩的，如专利CN104552329A。这种间接测量的方式算法复杂，精度也不是很高。因此，亟待解决机器人关节模组的高集成度、高性能、低成本和互换性强的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种高集成度的机电控一体化机器人关节模组。

为了实现上述目的，本发明提供如下解决方案：

本发明首先公开了一种高集成度机电控一体化机器人关节模组，其包括壳体和设置在壳体内的谐波减速器、无框电机、输入轴、输出轴和制动装置，谐波减速器包括刚轮、与刚轮啮合的柔轮和使柔轮产生弹性形变的波发生器，输入轴与波发生器相连；所述的无框电机的定子固定在壳体上，无框电机的转子与输入轴固连；输入轴上设有增量式编码器；所述柔轮与壳体固定并与交叉滚子轴承的外圈紧固；所述的刚轮与输出轴固定并与交叉滚子轴承的内圈相连，所述的输出轴上设有绝对值编码器；所述的柔轮上贴有应变片；所述的制动装置用于对输入轴进行制动。

按照工作原理，编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

进一步的，所述的关节模组内的转动部件均为同轴设置；如谐波减速器的波发生器、无框电机、输入轴、输出轴均为同轴设置；所述的输入轴、输出轴均为中空式结构，且中空的输出轴套接于中空的输入轴内部；输出轴套一端与刚轮固连输出动力，另一端上装有绝对值编码器以测量关节输出；输入轴的一端与谐波减速器的波发生器固连以输入动力，另一端与增量式编码器的码盘固连以测量电机的转动速度。

进一步的，所述的制动装置包括刹车挡片和刹车弹簧机构；所述刹车挡片固定在输入轴上，其边缘沿周向设有多个向外发散的挡脚；所述的刹车弹簧机构固定在壳体上，在电机失电时刹车弹簧机构会伸出一刹车杆与刹车挡片接触而锁死使其不能自由转动。

进一步的，所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组还包括PCB电路板，PCB电路板为中空设计，中空设计可供中空的输出轴或输入轴穿过；PCB电路板通过螺栓固连在关节壳体上；所述PCB电路板包括控制电路、电机驱动器、加速度传感单元和温度传感单元；所述控制电路和电机驱动器用于控制和驱动电机，所述加速度传感器和温度传感器分别用于机器人关节模组的碰撞检测和关节模组内的温度监测。

进一步的，所述的柔轮为帽型柔轮；帽沿用螺栓固定连接在壳体上，在帽沿的底部贴应变片；当刚轮输出扭矩时，利用扭矩引起的柔轮变形来测关节输出扭矩。

进一步的，所述壳体内侧设有环形安装阶梯；所述阶梯的内壁用环氧胶粘接无框电机的定子；所述环形阶梯的一侧设有多个突起的连接柱用于安装电路板；所述环形阶梯的另一侧用螺栓固定连接轴承座、谐波减速器柔轮和交叉滚子轴承外圈。

进一步的，输出轴的端面上还预留螺栓孔和定位孔以连接负载关节以传递动力；关节模组的电源线和信号线通过中空的输出轴内部走线。

进一步地，所述谐波减速器的输入端为一中空的阶梯轴，其上依次装有增量式编码器、刹车挡片、电机转子和轴承。

进一步地，所述驱控一体电路板集电机驱动和控制一体。为了提高关节的安全性，在集成电路模块中加入加速度传感器单元和温度传感器单元以检测碰撞和关节部件的温度。

本发明的增量式编码器用于测电机输出，绝对值编码器用于测关节模组输出所述无框电机定子与关节壳体用环氧胶粘结，转子通过环氧胶与中空输入轴粘结；所述波发生器为标准的椭圆，所述波发生器置于所述柔轮中并由电机转子带动中空输入轴旋转使所述柔轮发生可控的挠曲变形，进而所述柔轮与所述刚轮啮合传递动力并由所述交叉滚子轴承连接的输出法兰输出动力；所述中空输出轴套接于中空输入轴内部，其一端通过螺栓与刚轮和交叉滚子轴承固连输出动力，另一端上装有绝对值编码器以测量关节输出；所述驱控一体的电路板中空设计并通过螺栓固连在关节壳体上，电路板单元包括有电机驱动器及各种传感元件和信号接收电路，用于驱动、控制和监测所述的关节模组并获得相应的控制指令。

本发明的输出方式为谐波减速器的刚轮而不是传统的柔轮输出方式。此方式的好处是可以利用柔轮的弹性来制作力矩传感器。本发明的优点之一是利用柔轮制作传感器可以节省购买额外力矩传感器的成本，二是可以减少关节的柔性部件以提高关节的刚度和精度，三是因为部件的减少可以提高关节空间的利用率。

附图说明

图1是本发明高集成度机电控一体化机器人关节模组的结构示意图；

图2为本发明应变片在柔轮上布置示意图。

图中：端盖1、壳体2、绝对值编码器3、电路板4、增量式编码器5、无框电机6、轴承座7、柔轮8、交叉滚子轴承9、刚轮10、柔性轴承11、输入轴12、刹车挡片13、刹车弹簧机构14、电路板连接柱15、应变片16、输出轴17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，本发明的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其包括壳体2和设置在壳体2内的谐波减速器、无框电机6、输入轴12、输出轴17和制动装置，谐波减速器包括刚轮、与刚轮啮合的柔轮8和使柔轮8产生弹性形变的波发生器，输入轴12与波发生器相连；所述的无框电机6的定子固定在壳体2上，无框电机6的转子与输入轴12固连；输入轴12上设有增量式编码器5；所述柔轮8与壳体2固定并与交叉滚子轴承9的外圈紧固；所述的刚轮与输出轴17固定并与交叉滚子轴承9的内圈相连，所述的输出轴17上设有绝对值编码器3；所述的柔轮8上贴有应变片16；所述的制动装置用于对输入轴12进行制动。

在本发明的一个具体实施例中，关节模组的壳体2两端由端盖1进行封闭；轴承座7用于安装交叉滚子轴承9；波发生器由柔性轴承11和凸轮组成，其中凸轮为标准的椭圆；凸轮可以与输入轴为一体化设计，也可以通过固定连接的方式与输入轴连接。

所述的关节模组内的转动部件均为同轴设置；如谐波减速器的波发生器、无框电机6、输入轴12、输出轴17均为同轴设置；所述的输入轴12、输出轴17均为中空式结构，且中空的输出轴17套接于中空的输入轴12内部；关节模组的电源线和信号线通过中空的输出轴内部走线。输出轴17一端与刚轮10固连输出动力，另一端上装有绝对值编码器3以测量关节输出；输入轴12的一端与谐波减速器的波发生器固连以输入动力，另一端与增量式编码器5的码盘固连以测量电机的转动速度。

在本发明的另一个具体实施例中，所述的制动装置包括刹车挡片13和刹车弹簧机构14；所述刹车挡片13固定在输入轴12上，其边缘沿周向设有多个向外发散的挡脚；所述的刹车弹簧机构14固定在壳体2上，在电机失电时刹车弹簧机构14会伸出一刹车杆与刹车挡片13接触而锁死使其不能自由转动。

在本发明的另一个具体实施例中，所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组还包括PCB电路板，PCB电路板为中空设计，中空设计可供中空的输出轴17或输入轴12穿过；PCB电路板通过螺栓和连接柱15固连在关节壳体2上；所述PCB电路板包括控制电路、电机驱动器、加速度传感单元和温度传感单元。电路板通过电路板连接柱15安装在壳体上。作为更优选的方案，所述PCB电路板可以根据实际需要通过增加连接柱的方式增加不同的电路板以配置安装各种控制电路、传感器电路、电机驱动器、加速度传感器和/或温度传感器等。在实际应用中，传感器或控制电路已有成熟的实现方式、原理及解决方案，可以根据实际需要进行选择及安装。其安装方式可以通过增加连接柱的方式在现有PCB电路板旁边同轴安装。所述控制电路和电机驱动器主要是用来对电机进行位置、速度和力反馈控制的。加速度传感器和温度传感器可以根据需要安装在现有PCB电路板或者扩展电路板上用于机器人的碰撞检测关节模组内的温度监测。

作为更加优选的方案，所述的PCB电路板与应变片电连接以获取应变片的信号。PCB电路板可通过中空的输出轴内部走线向上级控制器反馈采集的各种信号，同时PCB电路板也可接收上级控制器的控制指令。

在本发明的另一个具体实施例中，所述的柔轮8为帽型柔轮8；帽沿用螺栓固定连接在壳体2上，在帽沿的底部贴应变片16；当刚轮输出扭矩时，利用扭矩引起的柔轮8变形来测关节输出扭矩；如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的应变片16有8片，以呈周向均匀分布的形式布置在柔轮8帽沿的底部。本实施例的应变片为专门用于测扭矩的金属箔式应变片，实际应用中其具体位置和数量可根据相应的精度补偿算法进行适当增减。应变片信号可以通过公知的惠斯通全桥电路处理并将相应的电路及补偿算法集成到电路板上。

在本发明的另一个具体实施例中，所述壳体2内侧设有环形安装阶梯；所述阶梯的内壁用环氧胶粘接无框电机6的定子；所述环形阶梯的一侧设有多个突起的连接柱用于安装电路板；所述环形阶梯的另一侧用螺栓固定连接轴承座7、谐波减速器柔轮8和交叉滚子轴承9外圈。

在本发明的另一个具体实施例中，输出轴17的端面上还预留螺栓孔和定位孔以连接负载关节以传递动力；关节模组的电源线和信号线通过中空的输出轴17内部走线。

在本发明的另一个具体实施例中，所述谐波减速器的输入端为一中空的阶梯轴，其上依次装有增量式编码器5、刹车挡片13、电机转子和轴承。

在本发明的另一个具体实施例中，所述驱控一体电路板集电机驱动和控制一体。为了提高机器人的安全性，在集成电路模块中加入加速度传感器单元和温度传感器单元以检测碰撞和关节部件的温度。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高集成度机电控一体化机器人关节模组；包括壳体(2)和设置在壳体内的谐波减速器、无框电机(6)、输入轴(12)、输出轴(17)和制动装置，谐波减速器包括刚轮(10)、与刚轮啮合的柔轮和使柔轮产生弹性形变的波发生器，输入轴与波发生器相连；

其特征在于，所述的无框电机的定子固定在壳体上，无框电机的转子与输入轴(12)固连；输入轴上设有增量式编码器(5)；所述柔轮与壳体固定并与交叉滚子轴承的外圈紧固；所述的刚轮(10)与输出轴(17)固定并与交叉滚子轴承的内圈相连，所述的输出轴上设有绝对值编码器(3)；所述的柔轮上贴有应变片(16)；所述的制动装置用于对输入轴(12)进行制动。

2.根据权利要求1所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其特征在于所述关节模组的转动部件均为同轴设置；所述的输入轴(12)、输出轴(17)均为中空式结构，且中空的输出轴套接于中空的输入轴内部；输出轴套一端与刚轮固连输出动力，另一端上装有绝对值编码器以测量关节输出；输入轴的一端与谐波减速器的波发生器固连以输入动力，另一端与增量式编码器的码盘固连以测量电机的转动速度。

3.根据权利要求1或2所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其特征在于所述的制动装置包括刹车挡片和刹车弹簧机构；所述刹车挡片固定在输入轴上，其边缘沿周向设有多个向外发散的挡脚；所述的刹车弹簧机构固定在壳体上，在电机失电时刹车弹簧机构会伸出一刹车杆与刹车挡片接触而锁死使其不能自由转动。

4.根据权利要求1所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其特征在于所述关节模组还包括PCB电路板，PCB电路板为中空设计，通过螺栓固连在关节壳体上，所述PCB电路板包括控制电路、电机驱动器、加速度传感单元和温度传感单元，所述控制电路和电机驱动器用于控制和驱动电机，所述加速度传感器和温度传感器分别用于机器人关节模组的碰撞检测和关节模组内的温度监测。

5.根据权利要求1所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其特征在于所述的柔轮为帽型柔轮；帽沿用螺栓固定连接在壳体上，在帽沿的底部贴应变片；当刚轮输出扭矩时，利用扭矩引起的柔轮变形来测关节输出扭矩。

6.根据权利要求1所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其特征在于所述壳体内侧设有环形安装阶梯；所述阶梯的内壁用环氧胶粘接无框电机的定子；所述环形阶梯的一侧设有多个突起的连接柱用于安装电路板；所述环形阶梯的另一侧用螺栓固定连接轴承座、谐波减速器柔轮和交叉滚子轴承外圈。

7.根据权利要求2所述的高集成度机电控一体化机器人关节模组，其特征在于输出轴的端面上还预留螺栓孔和定位孔以连接负载关节传递动力；关节模组的电源线和信号线通过中空的输出轴内部走线。