CN110919688B - 一种机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械臂关节，包括中空轴和设置于中空轴外的制动器组件、电机组件、谐波减速器组件、输出组件、外壳组件和测量组件，测量组件包括扭矩传感器，扭矩传感器设置于外壳组件内部并与外壳组件固定连接，扭矩传感器同时与谐波减速器组件固定连接。保证了在关节和机械臂装配、维护时扭矩传感器不受外界冲击碰撞而损坏；而且扭矩传感器的电源和信号线从关节旁边而不是通过关节中心孔连接到关节右端电路板上，使得扭矩传感器线缆与关节线缆分开布置，互不干扰信号；而且线缆长度更短，利于信号传输；关节中心孔线缆数量少，孔径变小，关节结构更加紧凑。

Description

一种机械臂关节

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，特别涉及一种机械臂关节。

背景技术

现有技术中一般扭矩传感器布置在关节的输出侧，例如中国专利CN207548790U驱动装置和机器人、中国申请CN109715348A用于操纵器的驱动单元中，而扭矩传感器作为高精密零部件，对冲击碰撞极为敏感，在关节上暴露出来，装配维护时容易损坏；而且扭矩传感器的电源和信号线通过关节中心孔连接到关节右端电路板上，由于扭矩传感器线缆穿过关节中心孔，因此要将关节中心孔做大，而且长线缆不利于信号传输，并且会与关节中心孔其他线缆信号形成干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种扭矩传感器放在在内部的机械臂关节，保证了在关节和机械臂装配、维护时扭矩传感器不受外界冲击碰撞而损坏；而且扭矩传感器的电源和信号线从关节旁边而不是通过关节中心孔连接到关节右端电路板上，使得扭矩传感器线缆与关节线缆分开布置，互不干扰信号；而且线缆长度更短，利于信号传输；关节中心孔线缆数量少，孔径变小，关节结构更加紧凑。

本发明的技术方案是：一种机械臂关节，包括中空轴和设置于中空轴外的制动器组件、电机组件、谐波减速器组件、输出组件、外壳组件和测量组件，测量组件包括扭矩传感器，所述扭矩传感器设置于所述外壳组件内部并与所述外壳组件固定连接，所述扭矩传感器同时与所述谐波减速器组件固定连接。

进一步地，所述电机组件包括电机外壳、电机轴、输入轴、电机定子和电机转子，所述电机定子与所述电机外壳固定连接，所述电机转子与所述电机轴固定连接，所述电机轴与所述输入轴固定连接。

进一步地，所述输出组件包括输出法兰、输出端外壳和滚子轴承，所述滚子轴承设置在所述输出法兰和所述输出端外壳之间。

进一步地，所述滚子轴承为交叉滚子轴承。

进一步地，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮和刚轮。

进一步地，所述波发生器与所述电机组件中的输入轴固定连接，所述柔轮与所述扭矩传感器固定连接，所述刚轮与所述输出组件中的输出法兰固定连接。

进一步地，所述柔轮通过柔轮安装板与所述扭矩传感器固定连接。

进一步地，所述柔轮安装板与所述扭矩传感器之间设置有摩擦结构件。

进一步地，所述测量组件还包括高速侧编码器和低速侧编码器，高速侧编码器用于测量电机的速度，所述低速侧编码器用于测量输出法兰的位置。

进一步地，所述高速侧编码器包括高速侧读头、高速侧磁环，所述高速侧读头与外壳组件的相对位置固定，所述高速侧磁环与所述电机组件的电机轴同步运动。

进一步地，所述高速侧编码器还包括高速侧读头支架，所述高速侧读头支架与所述外壳组件固定连接，所述高速侧读头与所述高速侧读头支架固定连接。

进一步地，所述低速侧编码器包括低速侧读头、低速侧磁环，所述低速侧读头与所述外壳组件的位置固定，所述输出组件中的输出法兰与所述中空轴、所述低速侧磁环的位置固定，所述输出组件中的输出法兰可带动所述中空轴、所述低速侧磁环同步运动。

进一步地，所述低速侧编码器还包括低速侧读头支架和抱箍，所述低速侧磁环、抱箍分别与所述低速侧读头支架固定连接，所述抱箍与所述中空轴固定连接。

本发明具有以下有益效果：

(1)将扭矩传感器设置在关节内，在调试、维护关节或机械臂时，保证了扭矩传感器不受外界冲击碰撞而损坏，而且当关节受到冲击碰撞时，扭矩传感器可以精确感知由于外力变化而引起的关节扭矩变化，即在保证扭矩传感器安全的情况下同时提高了关节扭矩测量的精确度。

(2)扭矩传感器的电源、信号线从关节外连接到关节右端电路板，不占用中心孔，与关节其他电源、信号线分开布置，避免相互干扰。

(3)电机采用无框电机，通过胶水粘结到电机外壳和电机轴上，结构紧凑。

(4)采用高低两个编码器分别安装在电机侧、输出法兰侧，分别测量关节的转速和位置，灵活、精确地控制关节。

(5)关节电机侧安装有制动器，断电后使关节保持在当前位置，急停时提供制动，安全可靠。

附图说明

图1是机械臂关节的剖视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：1、输出法兰；2、轴承内圈压板；3、轴承外圈压板；4、交叉滚子轴承；5、输出端外壳；6、扭矩传感器；7、电机外壳；8、电机定子；9、电机转子；10、电机轴；11、高速侧读头支架；12、高速侧读头；13、高速侧磁环；14、制动器；15、制动器外壳；16、低速侧磁环支架；17、低速侧磁环；18、中空轴；19、抱箍；20、低速侧读头；21、柔轮；22、波发生器；23、刚轮；24、输入轴；25、柔轮安装板；26、密封圈；27、转子毂；28、摩擦结构件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种机械臂关节，包括中空轴18和设置于中空轴18外的制动器组件、电机组件、谐波减速器组件、输出组件、外壳组件和测量组件，测量组件包括扭矩传感器6，扭矩传感器6设置于外壳组件内部并与外壳组件固定连接，扭矩传感器6同时与谐波减速器组件固定连接，优选螺钉连接。

外壳组件包括输出端外壳5、电机外壳7、制动器外壳15，上述各个外壳的位置彼此相对固定，可以理解的是，外壳组件有多种结构形式和连接形式，外壳组件可延轴向分为几部分，横截面接触通过螺钉固定连接在一起，或通过周向嵌套固定连接在一起，或者外壳组件可延周向分为几部分，然后固定在一起，此处不在赘述。其它各组件通过固定连接，或轴承支撑的方式设置再外壳组件内。

电机组件包括电机外壳7、电机轴10、输入轴24、电机定子8和电机转子9，电机定子8与电机外壳7固定连接，电机转子9与电机轴10固定连接，优选胶粘连接，电机轴10与输入轴24固定连接，优选螺钉连接，电机轴10和输入轴24的两端通过轴承支撑在外壳组件内；本实施例中电机形式采用无框电机，通过胶水粘结到电机外壳7和电机轴10上，结构紧凑。

输出组件包括输出法兰1、输出端外壳5和交叉滚子轴承4，交叉滚子轴承4设置在输出法兰1和输出端外壳5之间，输出法兰1在交叉滚子轴承4的支撑下可以承受各个方向的力。

输出组件中的输出法兰1与中空轴18的一端固定连接，优选胶粘连接；中空轴18的另一端通过轴承支撑在制动器外壳15内。

进一步地，输出组件还包括轴承内圈压板2和轴承外圈压板3，输出法兰1与轴承内圈压板2固定连接，轴承外圈压板3与输出端外壳5固定连接，轴承内圈压板2压紧交叉滚子轴承4内圈，轴承外圈压板3压紧交叉滚子轴承4外圈，优选螺钉连接。

谐波减速器包括波发生器22、柔轮21和刚轮23。

波发生器22与电机组件中的输入轴24固定连接，输入轴24穿过柔轮21的中心圆孔，柔轮21与扭矩传感器6固定连接，刚轮23与输出组件中的输出法兰1固定连接，即波发生器22输入扭矩，刚轮23输出扭矩，降低速度增大扭矩，扭矩传感器6通过测量柔轮21受到的扭矩，测算得到关节受到的扭矩。

进一步地，柔轮21通过柔轮安装板25与扭矩传感器6固定连接，柔轮安装板25与输入轴24之间设置有密封圈26，柔轮21与扭矩传感器6之间设置有摩擦结构件28，并通过固定螺钉使柔轮21的配合面与扭矩传感器6的配合面同时压紧摩擦结构件28。

通过将关节电机布置在谐波减速器的柔轮21一侧，电机轴与输入轴24连接，并让输入轴24穿过柔轮21的中心圆孔与波发生器22相连接，并且将柔轮21与电机外壳7固定，谐波减速器的刚轮23作为输出。

扭矩传感器6设置在关节内，保证了在关节和机械臂装配、维护时扭矩传感器不受外界冲击碰撞而损坏；而且扭矩传感器的电源和信号线从关节旁边而不是通过关节中心孔连接到关节右端电路板上，使得扭矩传感器线缆与关节线缆分开布置，互不干扰信号；而且线缆长度更短，利于信号传输；关节中心孔线缆数量少，孔径变小，关节结构更加紧凑。

扭矩传感器6的电源和信号线从关节外连接到关节右端电路板，不占用中心孔，与关节其他电源和信号线分开，避免相互干扰。

本实施例中扭矩传感器6通过螺钉与输出端外壳5、电机外壳7连接，可以理解的是，扭矩传感器6与外壳组件有多种连接方式，例如扭矩传感器6单独与输出端外壳5或电机外壳7固定连接。将扭矩传感器固定在电机外壳7上，因而扭矩传感器在工作时将不会相对电机外壳发生旋转。

制动器组件包括制动器14、制动器外壳15和转子毂27，制动器14和制动器外壳15固定连接，优选螺钉连接，转子毂27与电机轴10固定连接，转子毂27的外形为方形，与制动器中心的方孔配合从而达到制动作用。制动器组件使关节断电后能保持在当前位置，急停时提供制动，安全可靠。

进一步地，测量组件还包括高速侧编码器和低速侧编码器，高速侧编码器用于测量电机的速度，即关节的转速，低速侧编码器用于测量输出法兰的位置，即关节的位置。

高速侧编码器包括高速侧读头12、高速侧磁环13，高速侧读头12与外壳组件的相对位置固定，高速侧磁环13与电机轴10同步运动，电机轴10带动高速侧磁环13转动，高速侧读头12通过读取高速侧磁环13从而得到电机的速度。

进一步地，高速侧编码器还包括高速侧读头支架11，高速侧读头12与高速侧读头支架11固定连接，高速侧读头支架11与电机外壳7和/或制动器外壳15固定连接，优选螺钉连接。

低速侧编码器包括低速侧读头20、低速侧磁环17，低速侧读头20与外壳组件的位置固定，输出组件中的输出法兰1可带动中空轴18、低速侧磁环17同步运动，低速侧读头20通过读取低速侧磁环17从而得到输出法兰1的位置，即关节的位置。

低速侧读头20与制动器外壳15固定连接，优选螺钉连接。

进一步地，低速侧编码器还包括低速侧读头支架16和抱箍19，低速侧磁环17、抱箍19分别与低速侧读头支架16固定连接，抱箍19与中空轴18固定连接，优选螺钉连接，低速侧读头支架16和制动器外壳15之间设置有轴承。

关节电源接通后，制动器14打开，电机转子9在电磁作用下旋转，电机转子9带动电机轴10、和穿过柔轮21中心孔的输入轴24以及波发生器22旋转，柔轮21、波发生器22、刚轮23组成谐波减速器，输入轴24带动波发生器22旋转作为输入，柔轮21固定，刚轮23将带动输出法兰1旋转作为输出，降低速度增大扭矩。在此过程中，扭矩传感器6相对电机外壳7不会发生旋转。

输出法兰1在交叉滚子轴承4的支撑下可以承受各个方向的力。

扭矩传感器6通过测量柔轮21受到的扭矩，得到输出法兰1受到的扭矩，即关节受到的扭矩。

高速侧读头12、高速侧磁环13组成高速侧编码器，电机轴10带动高速侧磁环13转动，高速侧读头12通过读取高速侧磁环13从而得到电机的速度。

低速侧读头20、低速侧磁环17组成低速侧编码器，输出法兰1带动中空轴18、低速侧磁环17转动，低速侧读头20通过读取低速侧磁环17从而得到输出法兰的位置，即关节的位置。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种机械臂关节，包括中空轴(18)和设置于中空轴(18)外的制动器组件、电机组件、谐波减速器组件、输出组件、外壳组件和测量组件，其特征在于：测量组件包括扭矩传感器(6)，所述扭矩传感器(6)设置于所述外壳组件内部并与所述外壳组件固定连接，所述扭矩传感器(6)同时与所述谐波减速器组件固定连接；所述电机组件的电机轴(10)套设于所述中空轴(18)，所述扭矩传感器(6)的电源、信号线从关节外连接到关节右端电路板。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述电机组件包括电机外壳(7)、电机轴(10)、输入轴(24)、电机定子(8)和电机转子(9)，所述电机定子(8)与所述电机外壳(7)固定连接，所述电机转子(9)与所述电机轴(10)固定连接，所述电机轴(10)与所述输入轴(24)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述输出组件包括输出法兰(1)、输出端外壳(5)和滚子轴承，所述滚子轴承设置在所述输出法兰(1)和所述输出端外壳(5)之间。

4.根据权利要求3所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述滚子轴承为交叉滚子轴承(4)。

5.根据权利要求1所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述谐波减速器包括波发生器(22)、柔轮(21)和刚轮(23)。

6.根据权利要求5所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述波发生器(22)与所述电机组件中的输入轴(24)固定连接，所述柔轮(21)与所述扭矩传感器(6)固定连接，所述刚轮(23)与所述输出组件中的输出法兰(1)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述柔轮(21)通过柔轮安装板(26)与所述扭矩传感器(6)固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述柔轮安装板(26)与所述扭矩传感器(6)之间设置有摩擦结构件(28)。

9.根据权利要求1所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述测量组件还包括高速侧编码器和低速侧编码器，高速侧编码器用于测量电机的速度，所述低速侧编码器用于测量输出法兰的位置。

10.根据权利要求9所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述高速侧编码器包括高速侧读头(12)、高速侧磁环(13)，所述高速侧读头(12)与外壳组件的相对位置固定，所述高速侧磁环(13)与所述电机组件的电机轴(10)同步运动。

11.根据权利要求10所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述高速侧编码器还包括高速侧读头支架(11)，所述高速侧读头支架(11)与所述外壳组件固定连接，所述高速侧读头(12)与所述高速侧读头支架(11)固定连接。

12.根据权利要求9所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述低速侧编码器包括低速侧读头(20)、低速侧磁环(17)，所述低速侧读头(20)与所述外壳组件的位置固定，所述输出组件中的输出法兰(1)与所述中空轴(18)、所述低速侧磁环(17)的位置固定，所述输出组件中的输出法兰(1)可带动所述中空轴(18)、所述低速侧磁环(17)同步运动。

13.根据权利要求12所述的一种机械臂关节，其特征在于：所述低速侧编码器还包括低速侧读头支架(16)和抱箍(19)，所述低速侧磁环(17)、抱箍(19)分别与所述低速侧读头支架(16)固定连接，所述抱箍(19)与所述中空轴(18)固定连接。

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