CN110834325A - 一种两级行星传动的机器人关节本体驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两级行星传动的机器人关节本体驱动器，该驱动器包括电机、一级行星减速器、二级行星减速器、磁电式编码器、轴承和外壳；两级级行星减速器通过轴承沿轴向安装在外壳内部，一级行星减速器的输出轴架与二级行星减速器的太阳轮固连；电机将转动传递给一级行星减速器的输入轴，转动减速后由一级行星减速器的输出轴架将传动传递至二级行星减速器太阳轮，二级行星减速器的内齿圈固联于电机输出端外壳上，驱动器通过二级行星减速器的输出轴架进行转动输出；磁电式编码器通过感知磁场变化对电机转速进行反馈。本发明能够满足机器人高动态响应性能要求，克服传统的直驱驱动器、串联弹性驱动器以及现有的本体驱动器所存在的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电驱动机器人关节驱动器领域，尤其涉及一种集成两级行星传动的机器人关节紧凑型本体驱动器。
背景技术
电驱动机器人关机驱动器按照驱动器结构和配置大致可以分为直驱驱动器、串联弹性驱动器和本体驱动器等。随着机器人的整体技术的发展，整个机器人特别是腿足式机器人更加强调机器人的动态响应性能和爆炸性运动性能，而传统的静态运动性能正在被慢慢淘汰，所以对机器人关节驱动器的性能提出了更高要求，主要包括：a)结构紧凑、质量轻、能量输出密度高；b)动态响应性能好、可靠性稳定性高；c)传动误差小，传动效率高。
目前主流的驱动器中，直驱驱动器发展相对成熟，输出能力强，可做到高频响应但驱动器存在动态物理交互性能差，大冲击下容易损坏，质量大不适合腿足式机器人应用等问题。串联弹性驱动器多引入谐波减速器进行传动，柔性体抗外界冲击性能强但刚度较小，高频响应性能较弱，通频带宽较窄，而谐波减速器的引入，导致通过电流闭环测量力矩有很大的偏差，对控制具有不利影响，此外需要增加扭矩传感器进行驱动力闭环控制，结构复杂。本体驱动器是指大力矩输出密度驱动器配置低减速比减速器的驱动方案，该方案具有抗冲击能力强、力矩反馈精准、具有高频响应性能等显著优点，非常适合高动态响应性能要求的机器人中，因此本体驱动器在高动态性能机器人领域具有十分广阔的应用前景。为增加集成驱动器的输出扭矩，目前存在的本体驱动器通常采用单级行星传动，但单级行星减速器加速比为3-9，在采用单级行星减速器高传动比传动时，减速器质量和尺寸较大，难以满足小尺寸、轻质量、的整体要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种两级行星传动的机器人关节本体驱动器，能够满足机器人尤其是腿足式机器人高动态响应性能要求，克服传统的直驱驱动器、串联弹性驱动器以及现有的本体驱动器所存在的问题。
一种两级行星传动的机器人关节本体驱动器，该驱动器包括电机、一级行星减速器、二级行星减速器、磁电式编码器、轴承和外壳；
所述一级行星减速器和二级行星减速器通过轴承沿轴向安装在外壳内部，一级行星减速器的输出轴架与二级行星减速器的太阳轮固连；所述电机对应安装在一级行星减速器的位置并将转动传递给一级行星减速器的输入轴，转动减速后由一级行星减速器的输出轴架将传动传递至二级行星减速器太阳轮，二级行星减速器的内齿圈固联于电机输出端外壳上，驱动器通过二级行星减速器的输出轴架进行转动输出；所述磁电式编码器安装在一级行星减速器的输入轴的尾端，通过感知磁场变化对电机转速进行反馈。
进一步地，所述一级行星减速器和二级行星减速器采用低传动比的配置方式。
进一步地，所述一级行星减速器集成在电机定子内部，一级行星减速器轴向约束由行星输出轴架提供，行星轮与输出轴架间配置滚针轴承使行星轮和输出轴架做相对转动。
进一步地，所述二级行星减速器的内齿圈集成在外壳上对应驱动器输出端一侧，行星轮的轴向约束由外壳和与深沟球轴承提供。
进一步地，所述电机还包括电机输出法兰，电机输出法兰固联在电机转子上，电机输出法兰与一级行星减速器输入轴联接将传动传至一级行星减速器。
进一步地，所述电机采用外转子电机或内转子电机。
进一步地，还包括散热风扇，所述散热风扇安装在外壳内部对应一级行星减速器一侧，通过对流实现对驱动器的主动冷却。
有益效果：
1、本发明采用两级较低传动比行星减速器传动的配置方式，从而减少电机的径向尺寸、轴向尺寸和整体质量。
2、本发明结构紧凑、质量轻、轴向尺寸短、径向尺寸小、转动惯量小、集成度高，与单级行星减速的本体驱动器相比，提高了驱动器输出扭矩，大大减少了同输出扭矩工况下驱动器的外径尺寸。与传统的两级行星传动相比，减速器集成在电机定子内部的集成方案大大减少了驱动器轴向尺寸和电机输出轴尺寸，特别的减速器的行星轮、太阳轮和齿圈均可选用现成的货架产品进行选型配比，大大降低了高性能本体驱动器的成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖视图。
图2为本发明的整体结构三维图。
图3为本发明的驱动器总成爆炸图。
图4为本发明驱动器传动总成爆炸图。
图5为本发明驱动器电机爆炸图。
图6为本发明驱动器内置散热循环示意图。
其中，1-二级行星减速器内齿圈，2-二级行星减速器输出轴架，3-二级行星减速器行星轮，4-一级行星减速器输出轴架，5-二级行星减速器太阳轮，6-深沟球轴承一，7-深沟球轴承二，8-左壳体，9-风扇，10-滚针轴承，11-一级行星减速器太阳轮，12-深沟球轴承三，13-一级行星减速器输入轴，14-磁极，15-磁电式编码器，16-一级行星减速器轴架定位法兰，17-深沟球轴承四，18-一级行星减速器行星轮，19-风扇，20-一级行星减速器内齿圈，21-电机输出法兰，22-右壳体，23-电机定子，24-电机转子，25-二级行星减速器轴架定位法兰，26-深沟球轴承五。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1、2和3所示，本发明提供了一种两级行星传动的机器人关节本体驱动器，驱动器包括一级行星减速器、二级行星减速器，电机、外壳和磁电式编码器15；
其中，一级行星减速器包括一级行星减速器输出轴架4、滚针轴承10、一级行星减速器太阳轮11、一级行星减速器轴架定位法兰16、一级行星减速器行星轮18和一级行星减速器内齿圈20；
二级行星减速器包括二级行星减速器内齿圈1、二级行星减速器输出轴架2、二级行星减速器行星轮3、二级行星减速器太阳轮5和二级行星减速器轴架定位法兰25；
外壳包括左壳体8和右壳体22，左壳体8和右壳体22通过相应支撑结构对内部输出轴架通过轴承进行支撑，右壳体22开有通风孔，便于进行散热。
如附图5所示，本发明实施例所述电机为外转子电机，电机包括电机定子23、电机转子24和电机输出法兰21，电机转子24的转动通过固联于转子上的电机输出法兰21传递到一级行星减速器的输入轴13上，磁电式编码器15的磁极14嵌入一级减速器输入轴的尾端，磁电式编码器15通过感知磁场变化对电机转速进行反馈，一级行星减速器的内齿圈20固联于电机定子23的内部，一级行星减速器行星轮18的输出通过一级行星减速器的输出轴架4将传动传递至二级行星减速器太阳轮5上，二级行星减速器的内齿圈固联于电机输出端的左壳体8上，整个驱动器通过二级行星减速器的输出轴架2进行输出。深沟球轴承一6为二级行星减速器轴架定位法兰提供轴向定位和支撑，深沟球轴承二7为一级行星减速器输出轴架4提供轴向定位和支撑，深沟球轴承三12为一级行星减速器轴架定位法兰16和一级行星减速器输入轴13提供轴向定位和支撑，深沟球轴承四17为一级行星减速器输入轴13和电机输出法兰21提供轴向定位和支撑，深沟球轴承26为二级行星减速器提供轴向约束和支撑。
如图4所示，两级行星传动的机器人关节本体驱动器两级行星传动系统由电机输出法兰21通过花键配合将传动传递至一级行星减速器输入轴13上，一级行星减速器轴架4与行星轮18之间配置了滚针轴承进行支撑和传动，一级行星减速器轴架定位法兰16对行星轮18进行轴向约束。同样的，二级行星减速器输出轴架2与二级行星轮3之间也配置了滚针轴承10进行支撑和传动。
如图6所示，两级行星传动的机器人关节本体驱动器内置散热循环系统主要由通过螺钉固联于驱动器后端盖上周向均匀布置的散热风扇9和19完成，风扇将电机外部冷空气吹至电机内部开出的散热风道，经过电机定子绕组、一二级行星减速器将电机内部热量带出驱动器，从而实现了对驱动器的主动冷却。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，该驱动器包括电机、一级行星减速器、二级行星减速器、磁电式编码器、轴承和外壳；
所述一级行星减速器和二级行星减速器通过轴承沿轴向安装在外壳内部，一级行星减速器的输出轴架与二级行星减速器的太阳轮固连；所述电机对应安装在一级行星减速器的位置并将转动传递给一级行星减速器的输入轴，转动减速后由一级行星减速器的输出轴架将传动传递至二级行星减速器太阳轮，二级行星减速器的内齿圈固联于电机输出端外壳上，驱动器通过二级行星减速器的输出轴架进行转动输出；所述磁电式编码器安装在一级行星减速器的输入轴的尾端，通过感知磁场变化对电机转速进行反馈。
2.如权利要求1所述的两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，所述一级行星减速器和二级行星减速器采用低传动比的配置方式。
3.如权利要求1或2所述的两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，所述一级行星减速器集成在电机定子内部，一级行星减速器轴向约束由行星输出轴架提供，行星轮与输出轴架间配置滚针轴承使行星轮和输出轴架做相对转动。
4.如权利要求3所述的两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，所述二级行星减速器的内齿圈集成在外壳上对应驱动器输出端一侧，行星轮的轴向约束由外壳和与深沟球轴承提供。
5.如权利要求4所述的两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，所述电机还包括电机输出法兰，电机输出法兰固联在电机转子上，电机输出法兰与一级行星减速器输入轴联接将传动传至一级行星减速器。
6.如权利要求5所述的两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，所述电机采用外转子电机或内转子电机。
7.如权利要求6所述的两级行星传动的机器人关节本体驱动器，其特征在于，还包括散热风扇，所述散热风扇安装在外壳内部对应一级行星减速器一侧，通过对流实现对驱动器的主动冷却。
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