CN110434894A - 一种机器人一体式关节旋转执行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人和人工智能领域，特别是涉及一种机器人一体式关节旋转执行器，包括输出法兰、行星减速器、外转子无刷电机、角度传感器、驱动器、防护盖和执行器外壳，其中输出法兰固定在行星减速器输出端，行星减速器输入端与外转子无刷电机输出端相连，行星减速器和外转子无刷电机外侧均固定于执行器外壳上，角度传感器和驱动器安装在外转子无刷电机尾部，防护盖设置在驱动器外侧，驱动器控制外转子无刷电机转动，并通过行星减速器减速，带动输出法兰转动，同时角度传感器将检测到的角度位置信号反馈给驱动器，使其对输出法兰的运动进行精确控制。该关节执行器能够实现集中装配，一致性高、良率高、模块化、重量轻，可以单独进行测试。

Description

一种机器人一体式关节旋转执行器

技术领域

本发明属于机器人和人工智能领域，特别是涉及一种机器人一体式关节旋转执行器。

背景技术

机器人经过的几十年的发展，不断有新的技术应用于其中，人们对于机器人各方面性能的要求也在不断的提高，其中包括机器人的双足或双臂的灵活性要求，高负载、高精度、轻量化的关节执行器将是未来机器人关节的发展趋势。关节执行器中重量占比最大的是减速机，目前机器人领域常用的减速机有RV减速机、谐波减速机及行星减速机等，其中RV减速机刚性高、寿命长，可承受一定冲击，但是同负载的情况下，其径向宽度和重量也是最大的，一般用在工业机器人领域较多；谐波减速机径向宽度和重量次之，虽然精度高，但是柔轮寿命有限，刚度小，受到冲击时柔轮容易损坏，一般用在工业协作机器人领域和工业机械臂末端减速机上较多；行星减速机径向宽度、重量最小，由于其齿轮的啮合方式决定了行星减速机达不到前面两种的高精度，所以一般也很少用在有较高精度要求的工业机器人领域，但是其制造工艺相对RV和谐波减速机简单，成本低，通过齿轮优化也能做到不错的精度，并且同一结构下容易实现多种减速比输出，在服务机器人多关节的场合上应用有较大的优势。还有一种常见的舵机，虽然能够实现一体化，但是舵机一般负载小、精度低，一般只适合用在不需要末端负载能力的小型机器人上。

现有技术范围内，传统的机器人关节设计大多基于外观结构进行特制设计，其减速器及电机、角度传感器、驱动器并不组合在一起，即没有形成一体式，采用的是分离设计，分散固定在关节附近结构上。该类型的关节存在以下弊端：

1）生产线分散装配难以保证精度，非常考验生产线装配工人的装配技术能力，良率参差不齐。

2）单个关节测试麻烦，需要装配到整机结构上才能测试。

2）减速器和电机电源线、信号控制线与编码器线相互纠缠，线路杂乱，太多线材外露在结构件上，容易磨损。

3）为了具备末端负载能力，所选用的减速器体积过大，导致整个关节机械结构臃肿，占用空间较大。

4）传统的行星减速器配内转子电机方式，虽然径向尺寸小，但是轴向尺寸较大，减速器负载能力和电机输出功率都偏小，输出端无法直接接负载，一般还需要在外部增加传动机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人一体式关节旋转执行器，包含减速器、电机、角度传感器和驱动器等核心元件，通过结构设计把这几个元件组合在一起，形成一个整体，实现模块化设计。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：

一种机器人一体式关节旋转执行器，包括输出法兰、行星减速器、外转子无刷电机、角度传感器、驱动器、防护盖和执行器外壳，其中输出法兰固定在行星减速器输出端，行星减速器输入端与外转子无刷电机输出端相连，行星减速器和外转子无刷电机外侧均固定于执行器外壳上，角度传感器和驱动器安装在外转子无刷电机尾部，防护盖设置在驱动器外侧，驱动器控制外转子无刷电机转动，并通过行星减速器减速，带动输出法兰转动，同时角度传感器将检测到的角度位置信号反馈给驱动器，使其对输出法兰的运动进行精确控制。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述输出法兰包括法兰盘、十字交叉滚子轴承、轴承固定架，其中十字交叉滚子轴承内圈套在第三行星架上，轴承固定架套住十字交叉滚子轴承外圈并固定到执行器外壳上，法兰盘固定到第三行星架上，轴承固定架和法兰盘材料为高强度铝合金，十字交叉滚子轴承能同时承受径向和轴向负载。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述行星减速器包括第一级齿轮组、第二级齿轮组、第三级齿轮组和内齿圈，所述第一级齿轮组包括第一太阳齿、第一行星齿、第一行星架和第一耐磨片，其中第一太阳齿为铜齿，固定在电机输出轴上，第一行星齿为塑胶齿，第一耐磨片套到第一太阳齿上；第二级齿轮组包括第二太阳齿、第二行星齿、第二行星架和第二耐磨片，其中第二太阳齿和第二行星齿均为钢齿，第二太阳齿固定于第一行星架对应位置上，第二耐磨片套到第二太阳齿上；第三级齿轮组包括第三太阳齿、第三行星齿、第三行星架和第三耐磨片，其中第三太阳齿和第三行星齿均为钢齿，第三太阳齿固定于第二行星架对应位置上，第三耐磨片套到第三太阳齿上，第一级齿轮组、第二级齿轮组、第三级齿轮组的齿轮厚度逐级增大。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述第一行星齿、第二行星齿和第三行星齿个数均大于等于3个，所述减速器齿轮组级数大于等于3级，所述减速器中的所有齿轮的齿形为直齿或斜齿。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述行星减速器内部无轴类零件进行传动，行星减速器外齿圈与执行器外壳分体固定，外齿圈为高强度钢性材料，执行器外壳为高强度铝合金材料。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述外转子无刷电机包括外转子、定子、轴承和电机基座，其中外转子输入轴通过轴承固定到电机基座上，外转子输出轴固定所述第一太阳齿，定子套在电机基座上，电机基座固定到执行器外壳上，电机基座和执行器外壳材料为高强度铝合金。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述角度传感器包括低速轴、磁性元件支架和磁性元件，其中低速轴穿过外转子无刷电机和行星减速器内部空心部分，一端固定到第三行星架对应位置上，另一端固定有安装磁性元件的磁性元件固定架,低速轴随着所述法兰盘转动,带动磁性元件一起转动。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述驱动器包括驱动PCBA和磁编码器，磁编码器具有电性输入接口和电性输出接口，驱动器固定在电机基座上，与电机通过对插连接座电性连接，驱动器外侧安装有防护盖作为保护，磁编码器位置正对着所述磁性元件，实时读取所述法兰盘的转动角度位置数据，配合驱动器实现高精度角度控制。

所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,所述驱动器上外露的电性输入接口和电性输出接口，通过与其它关节的旋转执行器电线连接，实现不同执行器之间的联动控制。

综上所述，本发明的有益效果包括：

1）该关节执行器能够实现集中装配，一致性高、良率高、模块化，降低整机装配难度，易实现批量化。

2）该关节执行器无需装配到整机就可以单独进行测试，避免可能多次拆装。

3）一体化的模块化设计关机，无太多外露线材，减少过多线材纠缠拉扯，大大增加了其转动稳定性。

4）选用扁平化行星减速器，齿轮厚度逐级增大，提升输出端齿轮负载能力，通过结构优化，外齿圈和外壳采用不同材料设计，减轻整个执行器体积和重量。

5）选用扁平化外转子电机，在同等性能下体积比传统执行器小，在同等体积下性能比传统执行器高。

6）结构紧凑，整体体积小、重量轻，成本低。

前面所述的为本申请的概述，因此必然有简化、概括和细节省略的情况；本领域的技术人员应该认识到，概述部分仅是对本申请的说明，而不应看作是对本申请的任何限定。本说明书中描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优点将会由于本说明书的阐述而变得清晰。概述部分是用来以一种简化的方式导入多个将在以下具体实施方式部分进一步描述的概念。本概述部分既非用于确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非用来作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。

附图说明

通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，就会更加充分地清楚理解本申请的上述和其他特征。应当理解，这些附图仅是对本申请若干实施方式的描述，不应认为是对本申请范围的限定，通过附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。

图1是本发明的一种机器人一体式关节旋转执行器的整体结构剖视图。

图2是本发明的一种机器人一体式关节旋转执行器的装配爆炸图。

附图标记说明：1-输出法兰、11-法兰盘、12-十字交叉滚子轴承、13-轴承固定架、2-行星减速器、21-外齿圈、22-第一级齿轮组、221-第一太阳齿、222-第一行星齿、223-第一耐磨片、224-第一行星架、23-第二级齿轮组、231-第二太阳齿、232-第二行星齿、233-第二耐磨片、234-第二行星架、24-第三级齿轮组、241-第三太阳齿、242-第三行星齿、243-第三耐磨片、244-第三行星架、3-外转子无刷电机、31-外转子、32-定子、33-轴承、34-电机基座、4-角度传感器、41-低速轴、42-磁性元件支架、43-磁性元件、5-驱动器、51-驱动PCBA、52-磁编码器、511-电性输入接口、512-电性输出接口、6-防护盖、7-执行器外壳。

具体实施方式

在下面的具体实施方式部分中，结合作为说明书一部分的附图进行说明。在附图中，相同/类似的标记通常表示相同/类似的部件，除非说明书中另有说明。具体实施方式、附图和权利要求书中描述的用来举例说明的实施方式不应认为是对本申请的限定。在不偏离本申请表述的主题的精神或范围的情况下，可以采用本申请的其他实施方式，并且可以对本申请做出其他变化。应该很容易理解，可以对本说明书中一般性描述的、附图中图解说明的本申请的各个方面进行各种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些改变都显然在预料之中，并构成本申请的一部分。

参照图1和图2, 本发明的一种机器人一体式关节旋转执行器包括输出法兰1、行星减速器2、外转子无刷电机3、角度传感器4、驱动器5、防护盖6和执行器外壳7。输出法兰固定在行星减速器输出端，行星减速器输入端与外转子无刷电机输出端相连，行星减速器和外转子无刷电机外侧均固定于执行器外壳上，角度传感器和驱动器安装在外转子无刷电机尾部，防护盖设置在驱动器外侧，驱动器控制外转子无刷电机转动，并通过行星减速器减速，带动输出法兰转动，同时角度传感器将检测到的角度位置信号反馈给驱动器，使其对输出法兰的运动进行精确控制。

行星减速器2包括外齿圈21、第一级齿轮组22、第二级齿轮组23和第三级齿轮组24，第一级齿轮组22包括第一太阳齿221、第一行星齿222、第一耐磨片223和第一行星架224，第二级齿轮组23包括第二太阳齿231、第二行星齿232、第二耐磨片233和第二行星架234，第三级齿轮组24包括第三太阳齿241、第三行星齿242、第三耐磨片243和第三行星架244。其中，第一太阳齿221为铜齿，固定在电机输出轴上，第一行星齿222为塑胶齿，第一耐磨片223套到第一太阳齿221上；第二太阳齿231、第二行星齿232、第三太阳齿241和第三行星齿242均为钢齿，第二太阳齿231固定于第一行星架224对应位置上，第二耐磨片233套到第二太阳齿231上，第三太阳齿241固定于第二行星架234对应位置上，第三耐磨片243套到第三太阳齿241上。第一级齿轮组22、第二级齿轮组23、第三级齿轮组24的齿轮厚度逐级增大，在保证齿轮强度以及输出扭矩的情况下，合理利用减速箱内部空间，减小整个执行器的体积。行星减速器2内部无轴类零件进行传动，有利于输出端低速轴穿过，实现角度传感器4安装位与减速器同轴，提高执行器控制精度以及结构的紧凑性。行星减速器2外齿圈与执行器外壳7分体固定设计，外齿圈为高强度钢性材料，密度高，重量大，执行器外壳7为高强度铝合金材料，密度小，重量轻，在不降低外齿圈强度的情况下，通过分体设计减小外齿圈直径，从而减小外齿圈和整个执行器重量。本实施案例设置了3级齿轮组，第一行星齿222、第二行星齿232和第三行星齿242都为3个，套到对应行星架对应轴上，特别说明的是齿轮组可设计为1级、2级3级、4级或更多级，级数越多减速比就越大，输出的扭矩也越大，输出转速越小，效率越低，可根据具体工况选择设计。行星减速器2中的所有齿轮的齿形为直齿或斜齿，可根据具体工况选择。

输出法兰1包括法兰盘11、十字交叉滚子轴承12和轴承固定架13，十字交叉滚子轴承12内圈套在第三行星架244上，轴承固定架13套住十字交叉滚子轴承12外圈并固定到执行器外壳7上，法兰盘11固定到第三行星架244上，轴承固定架13和法兰盘11材料为高强度铝合金，十字交叉滚子轴承12能同时承受径向和轴向负载，提高输出端负载能力，同时减小整个执行器的轴向厚度。

外转子无刷电机3包括外转子31、定子32、轴承33和电机基座34。其中，外转子31输入轴通过轴承33固定到电机基座34上，外转子31输出轴固定在第一太阳齿221上，定子32套在电机基座34上，电机基座34固定到执行器外壳7上，电机基座34和执行器外壳7材料为高强度铝合金。该外转子无刷电机3为扁平化电机，通过加大外转子31直径到与行星减速器2直径相当，电机的轴向尺寸减小，在同等体积下电机的功率密度得到了大幅提高，提升电机的输出功率。外转子无刷电机3固定在铝合金外壳上，有利于电机热量的扩散，避免电机过热烧机，提高电机长时间工作的能力。电机内部实现空轴，有利于输出端低速轴41穿过，实现角度传感器4安装位与行星减速器2同轴，提高执行器控制精度以及结构的紧凑性。

角度传感器4包括低速轴41、磁性元件支架42和磁性元件43；其中低速轴41穿过外转子无刷电机3和行星减速器2内部空心部分，一端固定到第三行星架344对应位置上，另一端固定有安装磁性元件43的磁性元件固定架42,低速轴41随着法兰盘11转动,带动磁性元件43一起转动。

驱动器5包括驱动PCBA51、磁编码器52，驱动PCBA51上有电性输入接口511和电性输出接口512。驱动器5固定在电机基座34上，与外转子无刷电机3通过对插连接座电性连接，驱动器5外侧安装有防护盖6作为保护，磁编码器52位置正对着所述磁性元件43，实时读取所述法兰盘11的转动角度位置数据，配合驱动器5实现高精度角度控制。驱动器5上外露的电性输入接口511和电性输出接口512，通过与其它关节的旋转执行器电线连接，实现不同执行器之间的联动控制。磁编码器52和驱动器5集成在一起，提高整个执行器的空间利用率，结构更紧凑，同时实现无线材连接，避免由于线材振动接触不良，提高可靠性。

本发明的一种机器人一体式关节旋转执行器工作过程为：通过对旋转执行器电性输入接口511接上电源控制线，并对执行器通电和控制，外转子无刷电机3开始转动起来，带动行星减速器2第一级齿轮组22转动，实现第一级减速，扭矩增大；进而，第一级齿轮组22带动第二级齿轮组23转动，进一步实现第二级减速，扭矩再增大；进而，第二级齿轮组23带动第三级齿轮组24转动，更进一步实现第三级减速，扭矩再增大，此时转速和扭矩均达到输出端要求；输出端法兰盘11带动带有磁性元件43的低速轴41转动，此时磁性元件43转动的角度与输出端法兰盘11转动的角度是一样的，磁编码器52通过检测读取磁性元件43的转动角度位置，配合驱动器5实现输出端角度的精确控制。

本发明提供的关节旋转执行器能够实现集中装配，一致性高、良率高、模块化，降低整机装配难度，易实现批量化，且无需装配到整机就可以单独进行测试，避免可能多次拆装。一体化的模块化设计关机，无太多外露线材，减少过多线材纠缠拉扯，大大增加了其转动稳定性。选用扁平化行星减速器，齿轮厚度逐级增大，提升输出端齿轮负载能力，通过结构优化，外齿圈和外壳采用不同材料设计，减轻整个执行器体积和重量。选用扁平化外转子电机，在同等性能下体积比传统执行器小，在同等体积下性能比传统执行器高。该执行器结构紧凑，整体体积小、重量轻，成本低，有着广阔的市场前景。

前述已通过框图、流程图和/或实施例子进行了详细描述，阐明了本申请装置和/或方法的不同实施方式。当这些框图、流程图和/或实施例包含一个或多个功能和/或操作时，本领域的技术人员会明白，这些框图、流程图和/或实施例中的各功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合而单独地和/或共同地实施。本领域的技术人员会认识到，以本说明书中说明的方式描述装置和/或方法，然后进行工程实践以将所描述的装置和/或方法集成到数据处理系统中，在本领域里是很常见的。也就是说，本说明书中描述的装置和/或方法中的至少一部分，可通过合理数量的实验集成到数据处理系统中。对于本说明书中所用的基本上任何复数和/或单数术语，本领域的技术人员可以将复数解释为单数和/或将单数解释为复数，只要这样做从上下文和/或应用上看是合适的即可。为了清楚起见，在本说明书中可能将各种单数/复数组合明确地表述出来。

本申请中公开了本申请的多个方面和实施方式，本领域的技术人员会明白本申请的其它方面和实施方式。本申请中公开的多个方面和实施方式只是用于举例说明，并非是对本申请的限定，本申请的真正保护范围和精神应当以下面的权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种机器人一体式关节旋转执行器，其特征在于，包括输出法兰、行星减速器、外转子无刷电机、角度传感器、驱动器、防护盖和执行器外壳，其中输出法兰固定在行星减速器输出端，行星减速器输入端与外转子无刷电机输出端相连，行星减速器和外转子无刷电机外侧均固定于执行器外壳上，角度传感器和驱动器安装在外转子无刷电机尾部，防护盖设置在驱动器外侧，驱动器控制外转子无刷电机转动，并通过行星减速器减速，带动输出法兰转动，同时角度传感器将检测到的角度位置信号反馈给驱动器，使其对输出法兰的运动进行精确控制。

2.如权利要求1所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述输出法兰包括法兰盘、十字交叉滚子轴承、轴承固定架，其中十字交叉滚子轴承内圈套在第三行星架上，轴承固定架套住十字交叉滚子轴承外圈并固定到执行器外壳上，法兰盘固定到第三行星架上，轴承固定架和法兰盘材料为高强度铝合金，十字交叉滚子轴承能同时承受径向和轴向负载。

3.如权利要求1所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述行星减速器包括第一级齿轮组、第二级齿轮组、第三级齿轮组和内齿圈，所述第一级齿轮组包括第一太阳齿、第一行星齿、第一行星架和第一耐磨片，其中第一太阳齿为铜齿，固定在电机输出轴上，第一行星齿为塑胶齿，第一耐磨片套到第一太阳齿上；第二级齿轮组包括第二太阳齿、第二行星齿、第二行星架和第二耐磨片，其中第二太阳齿和第二行星齿均为钢齿，第二太阳齿固定于第一行星架对应位置上，第二耐磨片套到第二太阳齿上；第三级齿轮组包括第三太阳齿、第三行星齿、第三行星架和第三耐磨片，其中第三太阳齿和第三行星齿均为钢齿，第三太阳齿固定于第二行星架对应位置上，第三耐磨片套到第三太阳齿上，第一级齿轮组、第二级齿轮组、第三级齿轮组的齿轮厚度逐级增大。

4.如权利要求3所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述第一行星齿、第二行星齿和第三行星齿个数均大于等于3个，所述减速器齿轮组级数大于等于3级，所述减速器中的所有齿轮的齿形为直齿或斜齿。

5.如权利要求1所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述行星减速器内部无轴类零件进行传动，行星减速器外齿圈与执行器外壳分体固定，外齿圈为高强度钢性材料，执行器外壳为高强度铝合金材料。

6.如权利要求1所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述外转子无刷电机包括外转子、定子、轴承和电机基座，其中外转子输入轴通过轴承固定到电机基座上，外转子输出轴固定所述第一太阳齿，定子套在电机基座上，电机基座固定到执行器外壳上，电机基座和执行器外壳材料为高强度铝合金。

7.如权利要求1所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述角度传感器包括低速轴、磁性元件支架和磁性元件，其中低速轴穿过外转子无刷电机和行星减速器内部空心部分，一端固定到第三行星架对应位置上，另一端固定有安装磁性元件的磁性元件固定架,低速轴随着所述法兰盘转动,带动磁性元件一起转动。

8.如权利要求1或7所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述驱动器包括驱动PCBA和磁编码器，磁编码器具有电性输入接口和电性输出接口，驱动器固定在电机基座上，与电机通过对插连接座电性连接，驱动器外侧安装有防护盖作为保护，磁编码器位置正对着所述磁性元件，实时读取所述法兰盘的转动角度位置数据，配合驱动器实现高精度角度控制。

9.如权利要求8所述的一种机器人一体式关节旋转执行器,其特征在于,所述驱动器上外露的电性输入接口和电性输出接口，通过与其它关节的旋转执行器电线连接，实现不同执行器之间的联动控制。