CN110561488A - 模块化旋转关节 - Google Patents

Abstract

本公开涉及协作机器人领域，提供了一种模块化旋转关节，包括关节壳体，关节壳体内设置有电机、第一转轴、第二转轴和谐波减速器。电机定子固定在关节壳体内，电机转子与电机定子耦合。第一转轴中空并同轴套设在第二转轴的外部；电机转子套设在第一转轴的外部并与第一转轴相对固定。谐波减速器设置在第一转轴的一端并与第二转轴连接。第一转轴与凸轮为一体化结构。第二转轴固定设置有端盖，端盖与柔轮固定连接。第二转轴与端盖为一体化结构。该模块化旋转关节实现了模块化和集成化，并提高了作业环境适应性。

Description

模块化旋转关节

技术领域

本公开涉及协作机器人领域，尤其涉及一种适用于协作机器人的模块化旋转关节。

背景技术

协作机器人(又可称为协作型机械臂)作为工业机器人的一个细分领域，已有部分制造企业开始将协作机器人引入到生产线，完成精密装配、检测、产品包装、打磨等工作。目前，协作机器人的应用领域主要为小型工业(如3C)、服务业、特种行业。随着市场对协作机器人认可度的不断提高以及协作机器人应用工艺水平的提升，未来在3C、物流、食品加工等行业对协作机器人的需求也会有较快增长。

与传统机器人相比，绝大多数协作机器人在设计上都要遵循轻量化安全设计准则，因此，要求协作机器人的关节具有集成化、高负载自重比、作业环境适应性强的特点。

发明内容

为了解决或者至少缓解上述技术问题中的至少一个，本公开提供了以下内容。

根据本公开的一个方面，一种模块化旋转关节，包括：

关节壳体，内部形成容纳空间；

电机，包括电机定子和电机转子，所述电机定子固定在所述关节壳体内，所述电机转子与所述电机定子耦合；

第一转轴和第二转轴，所述第一转轴中空并同轴套设在所述第二转轴的外部；所述电机转子套设在所述第一转轴的外部并与所述第一转轴相对固定；以及

谐波减速器，包括刚轮、柔轮和凸轮；所述刚轮固定在所述关节壳体内并与所述第一转轴同轴，所述凸轮与所述第一转轴同轴且相对固定设置；所述柔轮与所述第二转轴同轴且相对固定设置；

其中，所述电机、所述第一转轴、所述第二转轴及所述谐波减速器均设置在所述容纳空间内。

根据本公开的至少一个实施方式，所述第一转轴与所述凸轮为一体化结构。

根据本公开的至少一个实施方式，所述第二转轴固定设置有端盖，所述端盖与所述柔轮固定连接。

根据本公开的至少一个实施方式，所述第二转轴与所述端盖为一体化结构。

根据本公开的至少一个实施方式，所述关节壳体包括第一端部，所述第一端部设有第一圆形开口，所述第一圆形开口与所述第一转轴同轴，所述第一圆形开口用于形成密封连接端；所述谐波减速器设置在所述第一端部；所述端盖设置在所述柔轮的外侧，用于输出所述第二转轴的转动。

根据本公开的至少一个实施方式，所述关节壳体包括第二端部和第三端部，所述第二端部与所述第一端部相对且为封闭结构；所述第三端部设有第二圆形开口，所述第二圆形开口的轴线垂直于所述第一转轴的轴线，所述第二圆形开口用于形成密封连接端。

根据本公开的至少一个实施方式，所述关节壳体内位于所述第二端部的位置设有电机驱动器，所述第二端部的外侧面设有散热结构。

根据本公开的至少一个实施方式，所述关节壳体内设有温控单元，所述温控单元包括第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热件和第二加热件；所述第一温度传感器和所述第一加热件设置在与所述电机对应的位置处，用于检测并保持所述电机附近的温度；所述第二温度传感器和所述第二加热件设置在与所述电机驱动器对应的位置处，用于检测并保持所述电机驱动器附近的温度。

根据本公开的至少一个实施方式，所述关节壳体内设有制动部件，所述制动部件包括制动动盘和制动静盘；所述制动动盘同轴固定在所述第一转轴上，所述制动静盘相对固定在所述关节壳体内并能与所述制动动盘接触和分离。

根据本公开的至少一个实施方式，所述关节壳体内设有第一编码器和第二编码器；所述第一编码器与所述第一转轴耦合以检测所述电机的转动量；所述第二编码器与所述第二转轴耦合以检测所述第二转轴输出的转动量。

根据本公开的至少一个实施方式，所述第一编码器为增量式编码器；所述第二编码器为绝对值编码器。

根据本公开的又一方面，一种协作机器人，包括以上任一项所述的模块化旋转关节。

本公开的模块化旋转关节采用电机、第一转轴、第二转轴和谐波减速器之间的紧凑化结构设置，两个转轴同轴套设，且电机定子、电机转子也同轴套设在第一转轴外部，第一转轴和第二转轴之间通过谐波减速器连接传动，减少了整个传动结构在转轴的轴向方向占用的空间，增加了单位空间的功率密度，满足了模块化和集成化的设计要求。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的示例性模块化旋转关节的纵向剖面结构示意图。

图2是根据本公开的示例性模块化旋转关节的纵向剖面立体结构示意图。

图3是本公开的模块化旋转关节中第一转轴的纵向剖面结构示意图。

图4是本公开的模块化旋转关节中关节壳体的立体结构示意图。

图5是两个本公开的模块化旋转关节之间的连接结构示意图。

图6是采用本公开的模块化旋转关节的协作机器人的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

绝大多数协作机器人在设计上都要遵循轻量化安全设计准则，因此对关节集成度提出了非常高的要求，所需核心零部件也与传统工业机器人有很大区别，正是这些核心零部件决定了一台协作机器人的结构及性能，当前很多协作机器人的关节还没有实现模块化和集成化，作业环境适应性也不能满足实际需求。

为了解决上述存在的至少一个技术问题，参见图1所示的模块化旋转关节的纵向剖面结构示意图，以及图2所示的模块化旋转关节的纵向剖面立体结构示意图，根据本公开的一种实施方式，提供了一种模块化旋转关节，用于协作机器人中，将协作机器人中的机械臂能够相对转动的连接从而形成具有多个自由度的操作臂。该模块化旋转关节包括一关节壳体1，关节壳体1用来形成整个模块化旋转关节的外壳，关节壳体1的内部形成用来容纳和安装其他部件的容纳空间，本文中所说的内侧均是指从关节壳体1的外部指向关节壳体1的内部而言；所说的外侧均是指从关节壳体1的内部指向关节壳体1的外部而言。该关节壳体1的结构使容纳空间与外部空间密封隔离，避免容纳空间内的部件受到外部粉尘等污染物的影响，保持在洁净空间内工作。关节壳体1的内部设置有电机5、第一转轴2、第二转轴3和谐波减速器。电机5包括电机定子和电机转子，电机定子固定在关节壳体1内，电机转子与电机定子之间形成电磁耦合。电机定子为环状的线圈结构，可以通过螺钉等固定件固定安装在关节壳体1内。电机转子也为环状的线圈结构，同轴嵌套在电机定子内，两者之间具有一定的环状间隙。第一转轴2为空心轴结构，第一转轴2的内径大于第二转轴3的外径，第二转轴3同轴嵌套在第一转轴2中，在第二转轴3的外壁和第一转轴2的内壁之间设有轴承201，使得第二转轴3与第一转轴2之间能相对转动。优选的，分别在第一转轴2和第二转轴3之间的间隙中对应第一转轴2两端的位置设置两个滚动轴承201。在第一转轴2与关节外壳1内支撑第一轴承的部分之间设置有轴承202。电机转子同轴套设在第一转轴2的外部并与第一转轴2相对固定；电机转子带动第一转轴2同步转动。第一转轴2通过谐波减速器与第二转轴3传动连接，第一转轴2的转动通过谐波减速器减速后传递给第二转轴3，第一转轴2可以称为高速轴，第二转轴3可以称为低速轴。谐波减速器包括刚轮6、柔轮7和凸轮8。刚轮6、柔轮7和凸轮8之间依次套设在一起。刚轮6固定在关节壳体1内并与第一转轴2同轴，凸轮8与第一转轴2同轴且相对固定设置；柔轮7与第二转轴3同轴且相对固定设置。刚轮6相对固定在关节壳体1内，第一转轴2在电机转子的带动下同步转动，第一转轴2的转动同步传递给与其固定连接的凸轮8，凸轮8的转动在刚轮6和柔轮7之间的减速作用下传递给柔轮7，凸轮8带动柔轮7以减速后的转速相对刚轮6沿相反方向转动。柔轮7的转动同步传递给与其固定连接的第二转轴3，第二转轴3形成输出轴。

本公开的模块化旋转关节的电机5、第一转轴2、第二转轴3和谐波减速器之间采用紧凑化结构设置，第一转轴2和第二转轴3同轴套设，且电机定子、电机转子也同轴套设在第一转轴2外部，第一转轴2和第二转轴3之间通过谐波减速器连接传动，谐波减速器具有同轴输入和输出的优点，减少了整个传动结构在转轴的轴向方向占用的空间，增加了单位空间的功率密度，满足了模块化和集成化的设计要求。且电机5、第一转轴2、第二转轴3和谐波减速器均设置在关节壳体1的内部，形成与外界隔离的安装空间，避免外部粉尘等污染物的影响，增强了作业环境适应性。

优选的第二转轴3也可以采用空心轴结构，第二转轴3的中空结构设计还便于电器部件之间的连接走线。另外，采用谐波减速器与采用行星减速器或其他减速器相比，还具有结构简单、零件数少、体积小、重量轻且传动效率高、传动精度高、传动速比大的优点。可以在机器人关节具有同等体积、同等重量的情况下提供高的扭矩，保证机器人关节的高功率密度。

在本公开的一个可选实施例中，参见图3所示的第一转轴的纵向剖面结构示意图，第一转轴2与凸轮8可以采用一体化结构。即在制造第一转轴2时，将凸轮8与第一转轴2一体制作成型。优选的，凸轮8一体形成在第一转轴的第一端部(前端部)。第一转轴2和凸轮8设计为整体结构，可以进一步节省关节内的大量空间。第一转轴2和凸轮8的材料可以为40Cr，以使第一转轴2在高速旋转时不会变形。

在本公开的一个可选实施例中，第二转轴3固定设置有端盖9，端盖9与柔轮7固定连接，柔轮7通过端盖9带动第二转轴3同步转动。端盖9的端面上可以设置多个螺栓孔，相应的在柔轮7的端面设置多个对应的螺纹孔，通过螺栓穿过螺栓孔将端盖9固定在柔轮7的端面上。优选的，端盖9设置在第二转轴的第一端部(前端部)；第二转轴的第一端部与第一转轴的第一端部的位置对应，从而，谐波减速器的刚轮6、柔轮7和凸轮8均设置在与第一转轴2和第二转轴的第一端部对应的位置处，也就是说，第一转轴的第一端部通过谐波减速器与第二转轴的第一端部连接。其中端盖9的作用除了将第二转轴3与柔轮7固定连接外，还作为第二输出轴的输出连接端，用来与其他部件连接，将第二转轴3的转动输出到与端盖9连接的部件上，因此，端盖9上可以设置连接结构，例如，在端盖9的侧面可以设置多个均匀分布的螺纹孔，与端盖9连接的部件通过螺钉与端盖9的侧面固定连接。

进一步地，第二转轴3与端盖9也可以采用一体化结构设计，可以更进一步简化结构，减少占用的空间。第二转轴3和端盖9的材料可以采用7075铝合金，第二转轴3的旋转通过端盖9带动连接在端盖9上的负载转动。

在本公开的一个可选实施例中，参见图4所示的关节壳体的立体结构示意图，关节壳体1包括第一端部101(前端部)，第一端部101设有第一圆形开口，第一圆形开口与第一转轴2同轴，第一圆形开口的作用是为了形成密封连接端，关节壳体的第一端部101作为转动输出端，用来与其他部件进行对接，其他部件的连接端与第一圆形开口密封配合，形成可以相对转动的动密封配合。第一转轴的第一端部与第一圆形开口的位置对应设置，相应地，谐波减速器也设置在关节壳体的第一端部101。端盖9设置在柔轮7的外侧，使得端盖9在该第一圆形开口处与其他部件固定连接，用于输出第二转轴3的转动。

进一步地，关节壳体1还包括第二端部102和第三端部103，第二端部102与第一端部相对设置，且第二端部102形成为封闭结构。从关节壳体的第一端部101到关节壳体的第二端部102(后端部)的方向与第一转轴2的轴线方向一致。优选的，容纳空间为圆柱形空间，第一转轴2的轴线与容纳空间的轴线同轴；第一转轴2和第二转轴的第二端部(后端部)均朝向关节壳体的第二端部102设置。关节壳体的第三端部103设有第二圆形开口，第二圆形开口的轴线垂直于第一转轴2的轴线，第二圆形开口的作用是为了形成密封连接端。模块化旋转关节的第三端部设置为圆柱状。关节壳体的第一端部101、第二端部102和第三端部103的位置关系类似于“T”形的三个端的位置关系。关节壳体的第三端部103作为密封连接端，用来与其他部件进行对接，其他部件的连接件插入到第三圆形开口内与其固定连接，关节壳体的第三端部103与其他部件的连接端密封配合，形成可以相对转动的动密封配合。

可选的，参见图5所示的两个本公开的模块化旋转关节之间的连接结构示意图，第一模块化旋转关节A的第一端部101与第二模块化旋转关节B的第三端部103密封对接。具体的，第二模块化旋转关节B的第三端部103插入到第一模块化旋转关节A的第一圆形开口内，并套设在第一模块化旋转关节A的端盖9外周，通过螺钉与端盖9固定连接，端盖9的转动输出到第二模块化旋转关节B，带动模块化旋转关节同步转动。同时，第二模块化旋转关节B的第三端部103与第一模块化旋转关节A的第一圆形开口的内壁之间设置有动密封圈，使第一模块化旋转关节A的关节外壳与第二模块化旋转关节B的关节外壳动密封配合。动密封圈优选采用格莱圈10，第二模块化旋转关节B的第三端部外壁设有一圈环形凹槽，格莱圈10安装在环形凹槽内并压紧在第一模块化旋转关节A的第一端部和第二模块化旋转关节B的第三端部之间。格莱圈10内圈的材质为橡胶，可以起到良好的密封效果，同时格莱圈10外圈的材质为聚四氟乙烯，摩擦系数极小，从而保证一体化关节旋转过程中同时具有良好的运动性能和密封性。

在本公开的一个可选实施例中，关节壳体1内位于关节壳体的第二端部102的位置设有电机驱动器11，关节壳体的第二端部102的外侧面设有散热结构12。电机5可以采用伺服电机，相应的，电器驱动器为伺服电机驱动器11。电机驱动器11相对固定在关节壳体1内，并靠近关节壳体的第二端部102，通过关节壳体的第二端部102外侧的散热结构12，将电机驱动器11产生的热量传导出去，避免温度过高影响性能。关节壳体的第二端部102可以采用可拆卸的端盖结构，即关节壳体的第二端部102设有可拆卸的后端盖13，后端盖13的外侧设有散热结构12，散热结构12优选采用凹凸间隔设置的鳍装散热片，可以与后端盖13一体制造成型。

在本公开的一个可选实施例中，关节壳体1内设有温控单元，温控单元包括第一温度传感器(图中未示出)、第二温度传感器(图中未示出)、第一加热件171和第二加热件172。第一温度传感器和第一加热件171设置在与电机5对应的位置处，用于检测并保持电机5附近的温度。第二温度传感器和第二加热件172设置在与电机驱动器11对应的位置处，用于检测并保持电机驱动器11附近的温度。当温度传感器检测到温度低于设定值时，通过控制单元自动启动对应的加热件开始加热，当温度到达设定值后，控制单元使对应的加热件停止加热，以保证电机5和电机驱动器11工作在合适的温度范围，进一步扩大了模块化旋转关节的环境适应能力，确保电机5、电机驱动器11等核心部件在最低-50℃的低温条件下仍可正常使用。

在本公开的一个可选实施例中，关节壳体1内可以设有制动部件15，制动部件15包括制动动盘和制动静盘。制动动盘同轴固定在第一转轴2上，制动静盘相对固定在关节壳体1内并能与制动动盘接触和分离。制动动盘随着第一转轴2同步转动，制动静盘在动作机构的作用下可以产生相对制动动盘的轴向移动，从而与制动动盘接触或分离。优选的，制动部件15设置在第一转轴2上靠近关节壳体第二端部的位置。通过制动部件15控制第一转轴2的启停，准确控制机器人关节的动作。

在本公开的一个可选实施例中，关节壳体1内设有第一编码器16和第二编码器17。第一编码器16与第一转轴2耦合以检测电机5的转动量；第二编码器17与第二转轴3耦合以检测第二转轴3输出的转动量。可选的，两个编码器可以均采用编码器的动盘与编码器的静盘相分离的单板PCB结构。第一编码器16的动盘同轴固定在第一转轴2上，第一编码器16的静盘与关节壳体1相对固定。同样，第二编码器17的动盘同轴固定在第二转轴3上，第二编码器17的静盘与关节壳体1相对固定。编码器采用该结构进一步节省了编码器占用的机构空间。

优选的，在第一转轴2的轴向上从第一端部(前端部)到第二端部(后端部)的方向，依次设置谐波减速器、电机5、第一编码器16、制动器以及第二编码器17，以充分利用轴向空间，减小占用空间的大小。为了对第一转轴2、第二转轴3、谐波减速器以及电机5进行支撑，在关节壳体1的内部可以在相应的位置分别设置安装支撑板，安装支撑板的形状与关节壳体1内部的容纳空间截面形状相配，安装支撑板可以设置为独立的部件固定在关节壳体1内，也可以与关节壳体1制作为整体结构。安装支撑板的中心设有用于使第一转轴2和第二转轴3穿过的穿孔，并通过轴承202转动支撑第一转轴2。电机5的电机定子固定安装在安装支撑板上，类似的，第一编码器16的静盘、制动部件15的制动静盘以及第二编码器17的静盘均安装固定在相对应的安装支撑板上。本公开不限于该固定安装方式，也可以采用其他安装结构。

进一步地，第一编码器16可以采用增量式编码器；第二编码器17可以采用绝对值编码器。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。绝对值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。由于一体化关节工作过程中，输出轴即第二转轴旋转角度为正负180°，采用绝对值编码器可以记录输出轴绝对零位，同时由于谐波减速器减速比存在，第一转轴旋转角度超过360°，采用增量式编码器，可以记录转轴累计旋转角度，两个编码器进行对比，可以更加精确地进行关节位置控制。

参见图6所示的采用本公开的模块化旋转关节的协作机器人的立体结构示意图，一种协作机器人100，包括以上任一实施方式的模块化旋转关节102，以及相关的机械臂101等部件。协作机器人100通过该模块化旋转关节102将各个机械臂101相互连接，形成了多自由度的操作臂。

由于采用了本公开的模块化旋转关节，实现了模块化和集成化，作业环境适应性也不能满足实际需求，同时也具有该模块化旋转关节如上所述的其他有益效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，“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。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种模块化旋转关节，其特征在于，包括：

关节壳体，内部形成容纳空间；

电机，包括电机定子和电机转子，所述电机定子固定在所述关节壳体内，所述电机转子与所述电机定子耦合；

第一转轴和第二转轴，所述第一转轴中空并同轴套设在所述第二转轴的外部；所述电机转子套设在所述第一转轴的外部并与所述第一转轴相对固定；以及

谐波减速器，包括刚轮、柔轮和凸轮；所述刚轮固定在所述关节壳体内并与所述第一转轴同轴，所述凸轮与所述第一转轴同轴且相对固定设置；所述柔轮与所述第二转轴同轴且相对固定设置；

其中，所述电机、所述第一转轴、所述第二转轴及所述谐波减速器均设置在所述容纳空间内。

2.如权利要求1所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述第一转轴与所述凸轮为一体化结构。

3.如权利要求2所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述第二转轴固定设置有端盖，所述端盖与所述柔轮固定连接。

4.如权利要求3所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述第二转轴与所述端盖为一体化结构。

5.如权利要求3所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述关节壳体包括第一端部，所述第一端部设有第一圆形开口，所述第一圆形开口与所述第一转轴同轴，所述第一圆形开口用于形成密封连接端；所述谐波减速器设置在所述第一端部；所述端盖设置在所述柔轮的外侧，用于输出所述第二转轴的转动。

6.如权利要求5所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述关节壳体包括第二端部和第三端部，所述第二端部与所述第一端部相对且为封闭结构；所述第三端部设有第二圆形开口，所述第二圆形开口的轴线垂直于所述第一转轴的轴线，所述第二圆形开口用于形成密封连接端。

7.如权利要求6所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述关节壳体内位于所述第二端部的位置设有电机驱动器，所述第二端部的外侧面设有散热结构。

8.如权利要求7所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述关节壳体内设有温控单元，所述温控单元包括第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热件和第二加热件；所述第一温度传感器和所述第一加热件设置在与所述电机对应的位置处，用于检测并保持所述电机附近的温度；所述第二温度传感器和所述第二加热件设置在与所述电机驱动器对应的位置处，用于检测并保持所述电机驱动器附近的温度。

9.如权利要求1至8任一项所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述关节壳体内设有制动部件，所述制动部件包括制动动盘和制动静盘；所述制动动盘同轴固定在所述第一转轴上，所述制动静盘相对固定在所述关节壳体内并能与所述制动动盘接触和分离。

10.如权利要求1至8任一项所述的模块化旋转关节，其特征在于，所述关节壳体内设有第一编码器和第二编码器；所述第一编码器与所述第一转轴耦合以检测所述电机的转动量；所述第二编码器与所述第二转轴耦合以检测所述第二转轴输出的转动量。