CN109551511A - 机械臂关节及串联机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂关节及串联机械臂，包括壳体、设置于壳体内的驱动组件和输出组件，驱动组件包括驱动电机、主动传动件和从动传动件，驱动电机驱动主动传动件转动，从动传动件与主动传动件啮合，且从动传动件的转动方向与主动传动件的转动方向垂直；输出组件包括输入轴、谐波减速器和输出轴，从动传动件驱动输入轴转动，输入轴带动谐波减速器转动，谐波减速器带动输出轴转动。在本技术方案中，从动传动件和主动传动件的转动方向垂直，相比驱动组件的轴线与输出组件的轴线平行，能很大程度上减少机械关节臂的长度尺寸，并输出大扭矩。同时，采用谐波减速器代替传统减速齿轮组，能进一步减少机械臂关节的尺寸和满足大减速比。

Description

机械臂关节及串联机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种机械臂关节及串联机械臂。

背景技术

机械臂是在工程领域常用的一种机械自动化设备，其能够准确的执行所接收的指令，精准的实现末端执行器的定位，在工业生产、航空航天、军事、娱乐服务等领域有着广泛的应用。

串联机械臂是众多机械臂种类中的一种，串联机械臂灵活性强，能够完成复杂的作业，在机械臂领域应用极为广泛。在串联机械臂中，机械臂关节是实现机械臂运动的关键技术，一方面，机械臂关节的输出转矩决定了串联机械臂的工作的最大载荷，另一方面，在地面串联机械臂中，过大的自重会使得机械臂关节的输出转矩被极大的消耗，降低机械臂工作的有效载荷；在空间串联机械臂中，过大的自重会提高发射的难度，占用过多的运载器的有效载荷，增加发射成本。因此在串联机械臂设计过程中，应尽量使机械臂关节轻量化及机械臂关节输出转矩最大化。

在现有的工程技术中，机械臂关节的减速器与关节旋转轴皆为同轴布置，为实现机械臂关节的小型化，通常的方案是增加减速比，采用大减速比的减速器或者多个小减速器的串联布置。而采用大减速比减速器或者多个小减速比减速器串联，又会产生关节长度过长的问题，因此，如果能够保证关节输出转矩不变的情况下，尽可能使关节结构紧凑化、小型化，将具有十分重要的工程意义。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种机械臂关节，旨在解决现有技术中机械关节臂结构不紧凑的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出的机械臂关节，包括壳体、设置于所述壳体内的驱动组件和输出组件，所述驱动组件包括驱动电机、主动传动件和从动传动件，所述驱动电机驱动所述主动传动件转动，所述从动传动件与所述主动传动件啮合，且所述从动传动件的转动方向与所述主动传动件的转动方向垂直；所述输出组件包括输入轴、谐波减速器和输出轴，所述从动传动件驱动所述输入轴转动，所述输入轴带动所述谐波减速器转动，所述谐波减速器带动所述输出轴转动。

优选地，所述机械臂关节还包括连接组件，所述连接组件包括主连接板、副连接板、关节连接轴和轴承套轴，所述关节连接轴套设于所述输出轴的远离所述谐波减速器的一端，所述轴承套轴设置于所述壳体的与所述关节连接轴相对的一侧上，且所述轴承套轴的轴线与所述关节连接轴的轴线重合，所述主连接板用于与下一所述机械臂关节的所述关节连接轴固定连接，所述副连接板用于与下一所述机械臂关节的所述轴承套轴转动连接。

优选地，所述壳体包括依次连接的上壳、中壳和下壳，所述上壳和所述下壳合围形成一端开口的容纳腔，所述中壳盖合在所述容纳腔的开口端，所述驱动组件靠近所述下壳设置，所述输出组件靠近所述上壳设置，所述关节连接轴靠近所述上壳设置，所述轴承套轴设置于所述下壳上，所述主连接板、所述副连接板均同时与所述上壳、所述中壳和所述下壳连接，且所述主连接板和所述副连接板分别对应所述中壳的两相对的侧面设置。

优选地，所述主连接板的一端与所述上壳、所述中壳和所述下壳连接，所述主连接板的另一端设置有与所述关节连接轴配合连接的连接通孔，所述副连接板的一端与所述上壳、所述中壳和所述下壳连接，所述副连接板的另一端上设置有轴承通孔，所述轴承通孔内套设有与所述轴承套轴配合的轴承，且所述轴承通孔与所述连接通孔的轴线重合。

优选地，所述输出轴为法兰状，所述输出轴的大端与所述谐波减速器连接，所述输出轴的小端伸出所述壳体并与所述关节连接轴套合连接。

优选地，所述壳体的内部设置有编码器，所述编码器包括转子和定子，所述编码器的转子设置于所述输出轴的大端上，所述编码器的定子固定于所述壳体上。

优选地，所述输入轴为法兰状，所述输入轴的大端与所述谐波减速器连接，所述输入轴的小端与从动传动件连接。

优选地，所述壳体内还设置有力矩传感器，所述力矩传感器的一端与所述谐波减速器连接，所述力矩传感器的另一端与所述输出轴连接，所述力矩传感器用于将所述谐波减速器输出的扭矩传递给所述输出轴。

优选地，所述轴承套轴内设置有与所述关节连接轴同轴的走线通孔，所述走线通孔用于线路的穿过。

另外，本发明还提供了一种串联机械臂，所述串联机械臂包括多个如上述所述的机械臂关节，且前一所述机械臂关节的所述主连接板和所述副连接板分别对应与后一所述机械臂关节的关节连接轴和轴承座连接。

本发明的机械臂关节包括设置于壳体内的驱动组件和输出组件，驱动组件包括驱动电机、主动传动件和从动传动件，驱动电机驱动主动传动件转动，从动转动件与主动传动件啮合，且从动传动件的转动方向与主动传动件的转动方向垂直。输出组件包括输入轴、谐波减速器和输出轴，从动传动件驱动输入轴转动，输入轴带动谐波减速器转动，谐波减速器带动输出轴转动。在本技术方案中，从动传动件和主动传动件的转动方向垂直，说明从传动件和主动传动件的轴线垂直，使得驱动电机产生的扭矩通过主动传动件和从动传动件啮合改变扭矩方向，能够输出大扭矩，使得驱动组件的轴线与输出组件对应的轴线垂直，相比驱动组件的轴线与输出组件的轴线平行或者重合的技术方案，能够很大程度上减少机械关节臂的长度尺寸。同时，采用谐波减速器代替传统的减速齿轮组，不仅能够进一步减少机械臂关节的尺寸，还能够满足大减速比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中机械臂关节的结构示意图；

图2为图1的机械臂关节的断面图；

图3为图2的机械臂关节的局部放大图；

图4为本发明实施例中的壳体的爆炸图；

图5为本发明实施例中机械臂关节的局部结果示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	机械臂关节	141	主连接板
110	壳体	142	副连接板
				111	上壳	143	关节连接轴
112	中壳	144	轴承套轴
				113	下壳	145	连接通孔
114	加强筋	146	轴承通孔
				120	驱动组件	147	走线通孔
121	驱动电机	150	编码器
				122	主动传动件	151	转子
123	从动传动件	152	定子
				130	输出组件	160	力矩传感器
131	输入轴	170	控制电箱
				132	谐波减速器	180	减重孔
133	输出轴

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明的主要目的是提供一种机械臂关节及串联机械臂，旨在解决现有技术中机械关节臂结构不紧凑的技术问题。

请参照图1至图3，本发明一实施例中，机械臂关节100包括壳体110、设置于壳体110内的驱动组件120和传动组件，驱动组件120包括驱动电机121、主动传动件122和从动传动件123，驱动电机121驱动主动传动件122转动，从动传动件123与主动传动件122啮合，从动传动件123的转动方向与主动传动件122的转动方向垂直。输出组件130包括输入轴131、谐波减速器132和输出轴133，从动传动件123驱动输入轴131转动，输入轴131带动谐波减速器132转动，谐波减速器132带动输出轴133转动。其中，从动传动件123的转动方向与主动传动件122的转动方向垂直说明从动传动件123的轴线与主动传动件122的轴线互为垂直。

优选地，从动传动件123和主动传动件122优选为锥齿轮组合，锥齿轮组合包括主动锥齿轮和从动锥齿轮，驱动电机121带动主动锥齿轮转动，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合并带动从动锥齿轮转动，从动锥齿轮则带动输入轴131转动，输入轴131的高转速经谐波减速器132输为低转速并传递给输出轴133。由于谐波减速器132具有大减速比，使得输出轴的输出扭矩为大扭矩，同时锥齿轮组合的设计有利于减少机械臂关节的体积和传递大扭矩。

在其他实施例中，从动传动件123和主动传动件122还可以蜗轮蜗杆组合、交错斜齿轮组合等，在此不赘述。

在本技术方案中，从动传动件123和主动传动件122的转动方向垂直，说明从传动件和主动传动件122的轴线垂直，使得驱动电机121产生的扭矩通过主动传动件122和从动传动件123啮合改变扭矩方向，能够输出大扭矩，同时使得驱动组件120的轴线与输出组件130对应的轴线垂直，相比驱动组件120的轴线与输出组件130的轴线平行或者重合的技术方案，能够很大程度上减少机械关节臂的长度尺寸，使得机械臂关节100的结构更加紧凑。同时，采用谐波减速器132代替传统的减速齿轮组，不仅能够进一步减少机械臂关节100的尺寸，还能够满足大减速比。

进一步地，参见图2和图3，机械臂关节100还包括连接组件，连接组件包括主连接板141、副连接板142、关节连接轴143和轴承套轴144，关节连接轴143套设于输出轴133的远离谐波减速器132的一端，轴承套轴144设置于壳体110的与关节连接轴143相对的一侧上，且轴承套轴144的轴线与关节连接轴143的轴线重合，主连接板141用于与下一机械臂关节100的关节连接轴143固定连接，副连接板142用于下一机械臂关节100的轴承套轴144转动连接。可以理解的是，主连接和副连接板142之间的间距与轴承套轴144和关节连接轴143的端面距离相适应，以使得主连接板141和副连接板142能够恰好的安装在关节连接轴143和轴承套轴144上。相邻两机械臂关节100连接时，后一机械臂关节100的主连接板141与前一机械关节臂的关节连接轴143固定连接，前一机械关节臂的关节连接轴143将输出轴133处传递过来的扭矩传输给关节连接轴143，以带动后一机械臂关节100转动。同时，后一机械臂关节100的副连接板142与前一机械关节臂的轴承座可转动连接，当前一机械关节臂的关节连接轴143将输出轴133处传递过来的扭矩传输给关节连接轴143时，后一机械臂关节100的副连接板142能够跟随主连接板141转动。

在本发明的一具体实施例中，参见图4，壳体110包括依次连接的上壳111、中壳112和下壳113，上壳111和下壳113合围形成一端开口的容纳腔，中壳112盖合在容纳腔的开口端。具体地，上壳111和下壳113通过螺栓固定，中壳112卡合在上壳111和下壳113形成的容纳腔的开口端，三个壳体110彼此相互固定连接，使得机械臂关节100的结构稳定性好。此外，输出组件130靠近上壳111设置，关节连接轴143靠近上壳111设置，且关节连接轴143伸出上壳111以与主连接板141连接，轴承套轴144凸设置于下壳113上，轴承套轴144、输入轴131、输出轴133和关节连接轴143的轴线均在同一直线上。其中，主连接板141和副连接板142均同时与上壳111、中壳112和下壳113连接，且主连接板141和副连接板142分别对应中壳112的两相对的侧面设置。在其他实施例中，主连接板141和副连接板142还可以分别连接在上壳111、下壳113。

优选地，机械臂关节100的主连接板141的一端与上壳111、中壳112和下壳113连接，主连接板141的另一端伸出中壳112且其上设置有与关节连接轴143配合的连接通孔145。具体地，主连接板141的一端与上壳111、中壳112和下壳113采用螺栓连接，主连接板141的另一端上围绕连接通孔145设置有安装孔，关节连接轴143也设置有对应的螺纹孔，主连接板141和关节连接轴143通过螺栓连接，连接强度高，扭矩传递可靠。此外，机械臂关节100的副连接板142的一端与上壳111、中壳112和下壳113连接，副连接板142的另一端伸出中壳112且其上设置有轴承通孔146，轴承通孔146内套设有与轴承套轴144配合的轴承，且轴承通孔146与连接通孔145的轴线重合。具体地，副连接板142的一端与上壳111、中壳112和下壳113采用螺栓连接，副连接板142的另一端的轴承通孔146内套设轴承后，轴承再套设在轴承套轴144上，通过轴承的设置使得副连接板在主连接板141的带动下沿轴承套轴144转动。

在本实施例中，主连接板141和副连接板142均通过螺栓与上壳111、中壳112和下壳113连接，是整个串联机械臂的主要承力部分，通过主连接板141与前一机械臂关节100的关节连接轴143的配合以及副连接板142与前一机械臂关节100的下壳113上的轴承套轴144的配合实现了整个串联机械臂的关节的移动和工作，同时充分利用了三个壳体110的连接稳定性，大幅度提高了主连接板141和副连接板142的刚度。

可以理解的是，主连接板141和副连接板142的中截面相对中壳112的中垂面对称，即说明主连接板141与副连接板142的外轮廓相对中壳112的中垂面对称。

参见图5，为了减少机械臂关节100的重量，主连接板141和副连接板142设置有减重孔180。优选地，主连接板141和副连接板142上的减重孔180设置于靠近壳体110的部分，且减重孔180的数量为多个，主连接板141和副连接板142的伸出壳体110的部分不设置减重孔180，以免降低主连接板141和副连接板142的强度。

在本发明的一具体实施例中，输出轴133为法兰状，法兰状的输出轴133具有大端和小端，大端的横截面大于小端的横截面。输出轴133的大端与谐波减速器132连接，具体的是输出轴133的大端上设置有安装孔，输出轴133的大端与谐波减速器132通过螺栓连接。输出轴133的小端伸出壳体110并与关节连接轴143套合连接。具体的是，关节连接轴143中空状，输出轴133的小端与关节连接轴143的中空孔紧密连接。

进一步地，壳体110内设置有编码器150，编码器150包括转子151和定子152，编码器150的专职设置于输出轴133的大端上，编码器150的定子152固设于壳体110上，具体的编码器150的定子152设置于上壳111上。将编码器150设置于输出轴133的大端上，能够充分有效的发挥编码器150的功能，且极大地降低了编码器150布置在输入轴131上时，采集转交数据所产生的原始误差。

在另一实施例中，输入轴131为法兰状，法兰状的输入轴131具有大端和小端，大端的横截面大于小端的横截面。输入轴131的大端与谐波减速器132连接，输入轴131的小端与从动传动件123连接。当从动传动件123为锥齿轮时，锥齿轮轴的非齿端设置有安装内孔，安装内孔套设于输入轴131的小端。输入轴131的大端与谐波减速器132采取螺栓连接。

输出轴133和输入轴131均采用法兰状，有利于保证整个动力系统稳定传递，并最大化的降低了设计的重量。且可以理解的是，输入轴131与谐波减速器132的波发生器连接，输出轴133与与谐波减速器132的柔轮连接，以实现输出轴133到输入轴131的转速的降低。另外，输出轴133和输入轴131优选为中空轴，以进一步降低机械臂关节100的重量。

在一优选实施例中，壳体110内还设置有力矩传感器160，力矩传感器160的一端与谐波减速器132连接，力矩传感器160的另一端与输出轴133连接，且力矩传感器160用于将谐波减速器132输出的扭矩传递给输出轴133。具体地，力矩传感器160通过螺栓与输出轴133和谐波减速器132连接，有利于实时检测谐波减速器132和输出轴133之间的相对位移，保证整个串联机械臂的安全。

为了便于走线，轴承套轴144内设置有与关节连接轴143同轴的走线通孔147。由于走线孔和关节输出轴133在同一轴线上，关节在运转过程中，电源线和信号线等线路能避免缠绕，可以很好的保护线路，提高安全性。

进一步地上壳111、中壳112和下壳113的内部均设置有加强筋114。优选地，加强筋114采用仿生叶脉的布置方式。加强筋114的设置能够起到很强的辅助支撑的作用，增强局部抗冲击性。而且，壳体110内还设置有控制电箱170，控制电箱170(8)位于上壳111内且靠近中壳112设置，控制电箱170用于控制驱动电机121的工作，包括电源、电路板和驱动器。

另外，本发明提供的一种串联机械臂，串联机械臂包括多个上述所述的机械臂关节100，前一机械臂关节100的主连接板141和副连接板142分别对应与后一机械臂关节100的关节连接轴143和轴承座连接。在整个串联机械臂工作时，前一机械臂关节100的驱动电机121输出转矩通过主动从动件和从动传动件123传递给输入轴131，输入轴131将转矩传递给谐波减速器132，谐波减速器132通过力矩传感器160与输出轴133将转矩传递给关节连接轴143，关节连接轴143与后一机械臂关节100的主连接板141固连，轴承座轴与后一机械臂关节100的副连接板142可转动连接，实现转矩在两个机械臂关节100之间的传递。由于该串联机械臂包括如上述所述的机械臂关节100，因此该串联机械臂具备上述机械臂关节100的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种机械臂关节，其特征在于，包括壳体、设置于所述壳体内的驱动组件和输出组件，所述驱动组件包括驱动电机、主动传动件和从动传动件，所述驱动电机驱动所述主动传动件转动，所述从动传动件与所述主动传动件啮合，且所述从动传动件的转动方向与所述主动传动件的转动方向垂直；所述输出组件包括输入轴、谐波减速器和输出轴，所述从动传动件驱动所述输入轴转动，所述输入轴带动所述谐波减速器转动，所述谐波减速器带动所述输出轴转动。

2.如权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于，所述机械臂关节还包括连接组件，所述连接组件包括主连接板、副连接板、关节连接轴和轴承套轴，所述关节连接轴套设于所述输出轴的远离所述谐波减速器的一端，所述轴承套轴设置于所述壳体的与所述关节连接轴相对的一侧上，且所述轴承套轴的轴线与所述关节连接轴的轴线重合，所述主连接板用于与下一所述机械臂关节的所述关节连接轴固定连接，所述副连接板用于与下一所述机械臂关节的所述轴承套轴转动连接。

3.如权利要求2所述的机械臂关节，其特征在于，所述壳体包括依次连接的上壳、中壳和下壳，所述上壳和所述下壳合围形成一端开口的容纳腔，所述中壳盖合在所述容纳腔的开口端，所述驱动组件靠近所述下壳设置，所述输出组件靠近所述上壳设置，所述关节连接轴靠近所述上壳设置，所述轴承套轴设置于所述下壳上，所述主连接板、所述副连接板均同时与所述上壳、所述中壳和所述下壳连接，且所述主连接板和所述副连接板分别对应所述中壳的两相对的侧面设置。

4.如权利要求3所述的机械臂关节，其特征在于，所述主连接板的一端与所述上壳、所述中壳和所述下壳连接，所述主连接板的另一端设置有与所述关节连接轴配合连接的连接通孔，所述副连接板的一端与所述上壳、所述中壳和所述下壳连接，所述副连接板的另一端上设置有轴承通孔，所述轴承通孔内套设有与所述轴承套轴配合的轴承，且所述轴承通孔与所述连接通孔的轴线重合。

5.如权利要求1至4中任一项所述的机械臂关节，其特征在于，所述输出轴为法兰状，所述输出轴的大端与所述谐波减速器连接，所述输出轴的小端伸出所述壳体并与所述关节连接轴套合连接。

6.如权利要求5所述的机械臂关节，其特征在于，所述壳体的内部设置有编码器，所述编码器包括转子和定子，所述编码器的转子设置于所述输出轴的大端上，所述编码器的定子固定于所述壳体上。

7.如权利要求6所述的机械臂关节，其特征在于，所述输入轴为法兰状，所述输入轴的大端与所述谐波减速器连接，所述输入轴的小端与从动传动件连接。

8.如权利要求1至4中任一项所述的机械臂关节，其特征在于，所述壳体内还设置有力矩传感器，所述力矩传感器的一端与所述谐波减速器连接，所述力矩传感器的另一端与所述输出轴连接，所述力矩传感器用于将所述谐波减速器输出的扭矩传递给所述输出轴。

9.如权利要求1至4中任一项所述的机械臂关节，其特征在于，所述轴承套轴内设置有与所述关节连接轴同轴的走线通孔，所述走线通孔用于线路的穿过。

10.一种串联机械臂，其特征在于，所述串联机械臂包括多个如权利要求1至9中任一项所述的机械臂关节，前一所述机械臂关节的主连接板和所述副连接板分别对应与后一所述机械臂关节的关节连接轴和轴承座连接。