CN110861120A - 基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端传动连接。进一步的，所述驱动关节还包括绝对式编码器、力矩传感器、增量式编码器等。本发明提供的驱动关节具有重量轻、响应速度快、柔顺力控制等优点，并且还可实现实时总线通信。本发明还公开了利用所述驱动关节构建形成的工业机器人，其具有轻量化、高载荷‑自重比、多自由度等特点。

Description

基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其应用

技术领域

本发明涉及一种驱动关节，特别是一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其在工业机器人中的应用，属于工业机器人领域。

背景技术

工业机器人的关节驱动控制系统通常采用中央控制器->单轴驱动器->关节电机的控制方案，其驱动器和控制器需要放置在机械臂外部的控制柜实现，其走线多而且复杂、维护困难、可靠性差，易于造成信号干扰，影响机器人的定位和控制精度。传统工业机器人关节只考虑到了单一的运动控制，不具有柔顺力控制和阻抗控制功能，因此不能很好地适应需要柔顺控制的场合，如接触性操作任务和本质安全的人机交互。此外，低力矩-重量比的伺服电机容易造成驱动关节过于笨重和庞大，降低了机械臂的驱动效率和动态响应速度。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其应用，从而克服现有技术的不足。

为了达到前述发明目的，本发明采用了以下方案：

本发明实施例提供了一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端传动连接。

进一步的，所述驱动关节还包括绝对式编码器，用于检测所述驱动关节输出端的速度与位置信号。

进一步的，所述驱动关节还包括力矩传感器，用于检测外部载荷。

进一步的，所述驱动关节还包括增量式编码器，用于检测所述电机输入端的位置与速度信号。

进一步的，所述驱动关节于轴向上的两端面还分别连接有驱动器和运动控制器。

进一步的，所述驱动关节的输入端还设置有限位机构，用于对所述驱动关节的可转动范围进行机械限制。

进一步的，所述驱动关节还可包括通讯模块，例如高速实时通信模块等。

本发明实施例还提供了一种多自由度工业机器人，其包括至少所述的驱动关节，其中至少两个驱动关节依次连接，并且有至少一个驱动关节的轴线与至少另一个驱动关节的轴线相互垂直设置。

进一步的，所述驱动关节还与末端执行器连接。

进一步，所述驱动关节的输入端、输出端分别与工业机器人的输入杆件端面、输出杆件端面连接。

较之现有技术，本发明提供的驱动关节具有重量轻、响应速度快、柔顺力控制等优点，并且还可实现实时总线通信，而利用所述驱动关节还可构建形成轻量化、高载荷-自重比、多自由度的工业机器人，具有广阔的应用前景。

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中记载的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本发明一典型实施例中一种基于双定子无框力矩电机的机器人驱动关节的结构示意图；

图2是图1所示驱动关节的主视图；

图3是本发明一典型实施例中一种7自由度工业机器人的结构示意图；

图4是图3所示工业机器人内部的部分关节布置示意图；

附图标记说明：电机外定子1、电机内定子2、转子轴3、外定子安装座4、内定子安装座5、轴承6、增量式编码器7、制动器安装座8、制动器9、控制卡10、走线管11、轴承压盖12、十字交叉滚柱轴承13、轴承座14、钢轮15、波发生器16、柔轮17、控制卡18、绝对式编码器19、柔轮连接器20、力矩传感器21、编码器连接件22、轴承23、输出法兰盘24、输出端25、输入端26、第一关节100、输出端101、输入端102、第二关节200、输出端201、输入端202、第三关节300、输出端301、输入端302、第四关节400、输出端401、输入端402、第五关节500、输出端501、输入端502、第六关节600、输出端601、输入端602、第七关节700、输出端701、输入端702。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本领域的一些设计中，是以一体化设计的驱动关节作为工业机器人(如下简称机器人)的基本驱动单元，因而驱动关节对机器人系统的运动学性能和动力学行为有决定性影响。为了达到机器人轻量化和高载荷-自重比的目标，驱动关节必须要具有极高的力矩密度。但如前所述，现有的驱动关键均不具有这样的特性。

有鉴于此，本申请的发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是采用高性能双定子力矩电机结合高传动比的谐波减速器构建轻量化机器人驱动关节。相比现有技术中采用单定子力矩电机的驱动关节，本申请基于双定子力矩电机的驱动关节具有更高的功率密度、更小的体积，因此能有效地提高机器人系统的荷载-自重比。以下将对本申请的技术方案作更为详细的说明。

本发明实施例的一个方面提供的一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端传动连接。

在一些实施方式中，所述驱动关节的输出端、输入端分别设置有输出法兰端面、输入法兰端面，其中的输入法兰面可以和机器人输入杆件端面连接，输出法兰面可以和机器人的输出杆件端面连接。

在一些实施方式中，所述电机中处于外定子和内定子之间的转子转动通过谐波减速器传递给输出法兰进行传动。

在一些实施方式中，所述驱动关节还包括：

绝对式编码器，用于检测所述驱动关节输出端的速度与位置信号；

力矩传感器，用于检测外部载荷；以及

增量式编码器，用于检测所述电机输入端的位置与速度信号。

在一些较佳实施方式中，通过在电机输入端设置增量式编码器，以及在输出轴端设置绝对位置编码器(例如光学式绝对位置编码器)，可以有效的减小乃至消除因谐波减速器本身的柔性给驱动关节模块的运动控制精度带来的影响。

在一些较佳实施方式中，通过在所述驱动关节模块的输出轴端设置力矩传感器，使驱动关节具有感知外部载荷(或输出力矩)的能力，从而实现驱动关节以及操作臂(即，机器人)的柔顺运动控制，最终实现与人共融操作的安全性。

在一些实施方式中，所述转子连接在转子轴上并设于外定子和内定子之间。

在一些实施方式中，所述外定子固定安装于外定子安装座内，所述内定子安装在内定子安装座的轴上，所述外定子还与内定子固定连接且两者角度匹配。

在一些实施方式中，所述谐波减速器的波发生器、增量式编码器分别设置于转子轴前端、后端。

在一些实施方式中，所述电机转子轴后端设置有增量式编码器。

进一步的，所述增量式编码器的动盘安装在转子轴后端，静盘安装在内定子座上。

在一些实施方式中，所述转子轴的前端通过一角接触球轴承与轴承座连接，后端通过另一角接触球轴承与内定子安装座连接，所述轴承座与外定子安装座固定连接。其中，通过采用一对角接触球轴承实现转子轴与定子安装座之间的连接，可以利用该一对轴承承受谐波减速器存在的轴向力。

在一些实施方式中，所述输出法兰与所述电机的转子通过谐波减速器传动连接。

在一些实施方式中，所述谐波减速器的钢轮和输出法兰之间通过连接件设置有绝对式编码器，用来检测输出端的速度与位置信号，以便对输入和输出端的速度和位置偏差进行相应的补偿以及保持精确的运动精度。

在一些实施方式中，所述谐波减速器的柔轮和输出法兰之间设置有力矩传感器，用来检测外部载荷的情况。

进一步的，所述钢轮与柔轮啮合配合。

在一些实施方式中，所述钢轮与轴承座固定连接。

在一些实施方式中，所述转子轴后端还设置有制动器，所述驱动关节的制动和保持通过安所述制动器实现。

在一些实施方式中，所述输出法兰与外定子安装座之间通过十字交叉滚柱轴承配合，以同时承受径向力和轴向力。

在一些实施方式中，所述驱动关节于轴向上的两端面还分别连接有驱动器和运动控制器。通过这样的设计，可以使得驱动关节的结构高度集成化。

进一步的，在驱动关节的两端面设置驱动器和运动控制器时，其中的走线可以通过内部走线管来实现，避免电缆线裸露在外，保持整体的美观。

在一些实施方式中，所述驱动关节的输入端还设置有限位机构，所述限位机构用于对所述驱动关节的可转动范围进行机械限制，以消除包含所述驱动关节的机器人在调试过程中失控而带来的危险。所述限位机构包括限位块，但不限于此。

通过采用本发明前述实施例提供的方案，可以使所述驱动关节具有重量轻、响应速度快、柔顺力控制等特点。

进一步的，还可以将所述双定子力矩电机、谐波减速器、制动器、位置与力矩传感器(包括前述绝对式编码器、力矩传感器、增量式编码器)等与驱动器及运动控制器集成设置，更进一步地还可与通信模块(例如基于有线或无线通信方式的高速实时通信模块)集成设置。其中，所述驱动器、运动控制器可以利用多功能伺服驱动控制器实现。籍由该设计，还可使所述驱动关节具有高度一体集成化、实时总线通信的优点。

本发明一个更为具体的实施例提供的一种驱动关节的结构可以参阅图1及图2所示，其包括双定子无框力矩电机、谐波减速器等，其中电机包括电机外定子1、电机内定子2、转子轴3、外定子安装座4、内定子安装座5，谐波减速器包括钢轮15、波发生器16、柔轮17等。

进一步的，所述驱动关节还包括轴承6、增量式编码器7、制动器安装座8、制动器9、控制卡10、走线管11、轴承压盖12、十字交叉滚柱轴承13、轴承座14、控制卡18、绝对式编码器19、柔轮连接器20、力矩传感器21、编码器连接件22、轴承23、输出法兰盘24、输出端25、输入端26等。

进一步的，所述柔轮连接件可以通过螺钉和谐波减速器柔轮连接。所述编码器连接件通可以过螺钉和谐波减速器的钢轮连接。所述绝对式编码器可以通过螺钉与编码器连接件和输出法兰左端面连接。所述力矩传感器可以通过螺钉和输出法兰与柔轮连接件连接。所述输出法兰可以通过十字交叉滚柱轴承和外定子安装座连接，轴承压盖可以通过螺钉和输出法兰连接。所述电机外定子装入外定子安装座的孔内通过分布在圆周上的紧定螺钉紧固。所述电机内定子装在内定子安装座的轴上，并和外定子进行角度匹配，并用结构胶进行固定。所述电机转子通过平键连接到转子轴上。轴承座通过螺钉安装到定子安装座上。两个角接触球轴承分别安装到内定子安装座上和轴承座上。增量式编码器套在转子轴的后端，其中编码器的动盘装在转子轴上，编码器的静盘安装在内定子安装座上。制动器罩通过螺钉连接到内定子安装座上。制动器通过螺钉、螺母安装到制动器罩内部。走线管通过螺钉和制动器罩紧固，并穿过转子轴内部。转子轴安装在两个角接触球轴承的内孔上。限位块通过螺钉安装在输入端面上。轴套装入定子安装座轴端，谐波减速器钢轮通过螺钉安装到外定子安装座端面上。谐波减速器的波发生器通过螺钉安装在转子轴的左端面。谐波减速器的柔轮通过啮合配合与钢轮组合。驱动关节的驱动器和运动控制器(包括前述控制卡10、18)通过连接件与驱动关节的左端面和右端面连接。

利用本发明前述实施例提供的驱动关节，可以构建成各种形式和自由度的机器人，进而可以广泛地应用于制造业和服务行业中。

相应的，本发明实施例的另一个方面提供的一种多自由度工业机器人包括至少两个前述的任一种驱动关节，其中至少两个驱动关节依次连接。

在一些实施方式中，至少一个驱动关节的轴线与至少另一个驱动关节的轴线相互垂直设置。

在一些实施方式中，所述驱动关节还与末端执行器连接。

在一些实施方式中，所述驱动关节的输入端、输出端分别与工业机器人的输入杆件端面、输出杆件端面连接。

在一些实施方式中，其中一驱动关节水平设置且左右两端均设置有驱动器和运动控制器，另一驱动关节竖直设置。

在一些实施方式中，多个驱动关节依次连接。

例如，请参阅图3所示，籍由本发明前述实施例提供的驱动关节可以构建一种7自由度关节机器人。其中，各驱动关节的输入端面和输出端面分别与机器人杆件的输入端面和输出端面连接。该7自由度机器人关节的布置形式为：驱动关节100为垂直轴(即，轴线为沿竖直方向的)，驱动关节200为水平轴(即，轴线为沿水平方向的)，驱动关节300为垂直轴，驱动关节400为水平轴，驱动关节500为垂直轴，驱动关节600为水平轴，驱动关节700为垂直轴，其末端可以各种不同的设置末端执行器，用来完成各种所需的工作。其中，水平轴关节在左右两端均设置有驱动器和运动控制器，驱动关节100的垂直轴下端设置驱动器和控制器，其余垂直轴关节两端不安装驱动器和控制器，它们的驱动器和控制器设置在水平轴关节。优选，与这些驱动关节连接的信号线、控制线以及动力线均可以通过内部中空走线管来完成走线，因而不会有电缆线裸露在外，保证了电缆线不发生缠绕与整体美观，使机器人能安全稳定地运行。

该7自由度关节机器人可以由前述图1-图2所示的驱动关节组合形成，例如其中一些驱动关节的组合形式可以参阅图4所示。

利用本发明实施例的驱动关节构建的关节型机器人具有轻量化及高度一体集成化等优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端(25)传动连接。

2.根据权利要求1所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于还包括：

绝对式编码器(19)，用于检测所述驱动关节输出端(25)的速度与位置信号；

力矩传感器(21)，用于检测外部载荷；以及

增量式编码器(7)，用于检测所述电机输入端的位置与速度信号。

3.根据权利要求2所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述驱动关节的输出端(25)设置输出法兰(24)，所述输出法兰(24)与所述电机的转子通过谐波减速器传动连接，所述绝对式编码器(19)设置于所述谐波减速器的钢轮(15)和输出法兰(24)之间，所述力矩传感器(21)设置在所述谐波减速器的柔轮(17)和输出法兰(24)之间，所述钢轮(15)与柔轮(17)啮合配合，所述转子连接在转子轴(3)上并设于外定子(1)和内定子(2)之间，所述谐波减速器的波发生器(16)、增量式编码器(7)分别设置于转子轴(3)前端、后端。

4.根据权利要求3所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述外定子(1)固定安装于外定子安装座(4)内，所述内定子(2)安装在内定子安装座(5)的轴上，所述外定子(1)还与内定子(2)固定连接且两者角度匹配，所述转子轴(3)的前端通过一角接触球轴承(6)与轴承座(14)连接，后端通过另一角接触球轴承(23)与内定子安装座(5)连接，所述轴承座(14)与外定子安装座(4)固定连接；和/或，所述钢轮(15)与轴承座(14)固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述增量式编码器(7)的动盘安装在转子轴(3)后端，静盘安装在内定子座(5)上。

6.根据权利要求3所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述转子轴(3)后端还设置有制动器(9)。

7.根据权利要求4所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述输出法兰(24)与外定子安装座(4)之间通过十字交叉滚柱轴承(13)配合。

8.根据权利要求1所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述驱动关节于轴向上的两端面还分别连接有驱动器和运动控制器；和/或，所述驱动关节的输入端(26)还设置有限位机构，所述限位机构用于对所述驱动关节的可转动范围进行机械限制。

9.一种多自由度工业机器人，其特征在于包括至少两个权利要求1-8中任一项所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其中至少两个驱动关节依次连接，并且有至少一个驱动关节的轴线与至少另一个驱动关节的轴线相互垂直设置。

10.根据权利要求9所述的多自由度工业机器人，其特征在于：所述驱动关节还与末端执行器连接；和/或，所述驱动关节的输入端(26)、输出端(25)分别与工业机器人的输入杆件端面、输出杆件端面连接；和/或，其中一驱动关节水平设置且左右两端均设置有驱动器和运动控制器，另一驱动关节竖直设置；和/或，多个驱动关节依次连接。

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