CN111113477A - 机器人关节结构及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请属于类人形服务机器人技术领域，涉及一种机器人关节结构及机器人。该机器人关节结构中，电机组件采用外转子形式，转子套设于定子外部，转子固定有电机轴。谐波减速器中的波发生器安装于电机轴，柔轮由波发生器驱动并与刚轮啮合，关节输出轴固定于柔轮。工作时，电机轴带动波发生器高速转动，波发生器使得柔轮产生柔性变形，柔轮与刚轮啮合传动，通过关节输出轴输出动力，作低速转动。采用输出端编码器检测关节输出轴的转角。该机器人关节结构紧凑，轴向尺寸减小，体积和重量均减小，适用于机器人的轻量化和紧凑布局。

Description

机器人关节结构及机器人

技术领域

本申请属于类人形服务机器人技术领域，涉及一种机器人关节结构及机器人。

背景技术

目前，传统的机器人关节结构均是采用电机组件轴向对接减速机，这样会使得机器人关节结构的轴向尺寸长，空间利用不充分，导致机器人关节结构的体积大，重量重。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种机器人关节结构及机器人，以解决现有机器人关节结构体积大的技术问题。

本申请实施例提供一种机器人关节结构，包括：

壳体；

电机组件，包括设于所述壳体内的定子、套设于所述定子外部的转子，以及同轴固定于所述转子的电机轴；

谐波减速器，包括固定于所述定子的刚轮、安装于所述电机轴上的波发生器，以及与所述刚轮啮合且由所述波发生器驱动的柔轮；

关节输出轴，同轴固定于所述柔轮；

输出端编码器，用于检测所述关节输出轴的转角；以及

电机驱动器，与所述输出端编码器电性连接。

可选地，所述柔轮具有供所述电机轴穿过的插孔，所述电机轴具有沿轴向贯通的贯通孔，所述关节输出轴同轴固定有连接轴，所述连接轴穿过所述贯通孔；所述输出端编码器包括设于所述连接轴的一端的第一被感应件，以及与所述第一被感应件配合以检测所述关节输出轴的转角的第一感应件。

可选地，所述机器人关节结构还包括用于检测所述转子的转角的电机端编码器；所述电机端编码器包括设于所述转子上的第二被感应件，以及与所述第二被感应件配合以检测所述转子的转角的第二感应件；

所述第一被感应件被包围于所述第二被感应件内。

可选地，所述转子上设有安装座，所述第二被感应件固定于所述安装座上，所述安装座具有供所述连接轴穿过的通孔，所述连接轴通过第一轴承支承在所述安装座上。

可选地，所述转子具有容纳腔，所述谐波减速器设于所述转子内部，所述电机轴至少一部分设于所述转子内部。

可选地，所述转子包括与所述定子间隔并相对设置的环形部、与所述环形部沿轴向间隔设置的安装部，以及连接于所述环形部与所述安装部之间的若干连接臂，相邻两个所述连接臂之间形成镂空位。

可选地，所述刚轮上固定有支撑盖，所述支撑盖具有供所述电机轴穿过的过孔，所述电机轴通过第二轴承支承在所述支撑盖上，所述电机轴通过第三轴承支承在所述关节输出轴上。

可选地，所述柔轮包括筒状部及连接于所述筒状部的一端边缘的内环部，所述筒状部套设于所述波发生器以外并与所述刚轮啮合，所述内环部固定于所述关节输出轴上。

可选地，所述壳体包括筒状壳以及安装于所述筒状壳的一端的基座，所述基座具有供所述关节输出轴穿过的穿孔，所述关节输出轴通过第四轴承支承在所述基座上。

可选地，所述基座开设有用于容纳所述第四轴承的外圈的第一安装槽，所述关节输出轴开设有用于容纳所述第四轴承的内圈的第二安装槽，所述第一安装槽与所述第二安装槽组成所述第四轴承的安装位；所述基座上设有用于对所述第四轴承的外圈轴向限位的外圈压盖，所述关节输出轴上设有用于对所述第四轴承的内圈轴向限位的内圈压盖，所述外圈压盖与所述内圈压盖位于所述第四轴承的同一侧。

可选地，所述基座上固定有环形固定座，所述刚轮安装于所述环形固定座上，所述柔轮穿过所述环形固定座内部；

所述定子套设于所述基座外；和/或，所述定子套设于所述环形固定座外。

可选地，所述筒状壳的两端均设为开口，所述壳体还包括安装于所述筒状壳的背对所述关节输出轴的一端的尾座，所述电机驱动器设于所述尾座内。

本申请实施例提供一种机器人，包括上述的机器人关节结构。

本申请实施例提供的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：该机器人关节结构中，电机组件采用外转子形式，转子套设于定子外部，转子固定有电机轴。谐波减速器中的波发生器安装于电机轴，柔轮由波发生器驱动并与刚轮啮合，关节输出轴固定于柔轮。工作时，电机轴带动波发生器高速转动，波发生器使得柔轮产生柔性变形，柔轮与刚轮啮合传动，通过关节输出轴输出动力，作低速转动。采用输出端编码器检测关节输出轴的转角。该机器人关节结构紧凑，轴向尺寸减小，体积和重量均减小，适用于机器人的轻量化和紧凑布局。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的机器人关节结构的立体装配图；

图2为图1的机器人关节结构的立体分解图；

图3为图2的机器人关节结构中应用的电机组件的立体分解图；

图4为图2的机器人关节结构中应用的谐波减速器的立体分解图；

图5为图2的机器人关节结构中应用的基座、关节输出轴、连接轴与第四轴承的立体分解图；

图6为图1的机器人关节结构的剖视图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1至图3、图6，本申请实施例提供一种机器人关节结构，包括壳体10、电机组件20、谐波减速器30、关节输出轴40、输出端编码器50与电机驱动器60。电机组件20包括设于壳体10内的定子21、套设于定子21外部的转子22，以及同轴固定于转子22的电机轴23。在定子21通电时产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下转子22就会转动，并通过电机轴23传递动力。

同时参阅图4，谐波减速器30包括固定于定子21的刚轮31、安装于电机轴23上的波发生器32，以及与刚轮31啮合且由波发生器32驱动的柔轮33。波发生器32包括径向长度不同的凸轮321及设于凸轮321外的滚动轴承322。柔轮33套接于波发生器32的外部。刚轮31具有内齿圈311，柔轮33具有外齿圈332，内齿圈311与外齿圈332相啮合。在工作时，电机轴23带动波发生器32，波发生器32转动会使柔轮33产生柔性变形，刚轮31与柔轮33啮合传动，实现动力传递。关节输出轴40同轴固定于柔轮33，实现动力输出。

输出端编码器50用于检测关节输出轴40的转角。电机驱动器60与输出端编码器50电性连接。电机驱动器60通常为电路板组件，用于控制电机组件20。电机驱动器60设置于壳体10内，结构紧凑。

本申请提供的机器人关节结构，与现有技术相比，电机组件20采用外转子形式，转子22套设于定子21外部，转子22固定有电机轴23。谐波减速器30中的波发生器32安装于电机轴23，柔轮33由波发生器32驱动并与刚轮31啮合，关节输出轴40固定于柔轮33。工作时，电机轴23带动波发生器32高速转动，波发生器32使得柔轮33产生柔性变形，柔轮33与刚轮31啮合传动，通过关节输出轴40输出动力，作低速转动。采用输出端编码器50检测关节输出轴40的转角。该机器人关节结构紧凑，轴向尺寸减小，体积和重量均减小，适用于机器人的轻量化和紧凑布局。

请参阅图3、图5、图6，在本申请另一实施例中，柔轮33具有供电机轴23穿过的插孔334，电机轴23具有沿轴向贯通的贯通孔231，关节输出轴40同轴固定有连接轴42，连接轴42穿过贯通孔231；输出端编码器50包括设于连接轴42的一端的第一被感应件51，以及与第一被感应件51配合以检测关节输出轴40的转角的第一感应件52。采用这个方案，可以将电机轴23穿过柔轮33，进而将输出端编码器50与关节输出轴40分别设置在电机组件20的轴向两端，这样可以通过关节输出轴40输出动力，并通过输出端编码器50检测关节输出轴40的转角，而且整体结构紧凑。其中，连接轴42可以采用螺栓或其它方式固定在关节输出轴40上。第一被感应件51可以采用粘接或其它方式固定于连接轴42的一端。

输出端编码器50用于高精度检测关节输出轴40的旋转位置。输出端编码器50可以是磁性编码器、光电编码器或其它编码器，这部分属于现有技术。

采用磁性编码器时，磁铁作为第一被感应件51，磁性编码芯片作为第一感应件52。在关节输出轴40旋转时，磁铁、连接轴42与关节输出轴40同步旋转，磁铁的旋转会引起磁场强度的变化，磁性编码芯片检测到磁场强度的变化后，将磁铁的旋转运动转换为脉冲输出以反映当前转角。

采用光电编码器时，光电码盘作为第一被感应件51，光电检测装置作为第一感应件52。光电码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。光电检测装置包括分别设于光电码盘两侧的发光二极管和光敏管。在关节输出轴40旋转时，光电码盘与关节输出轴40、连接轴42同步旋转，发光二极管发出光信号，光敏管接收经过光电码盘长方形孔的光信号，光电检测装置输出若干脉冲信号，通过计算光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前转角。

请参阅图3、图6，在本申请另一实施例中，机器人关节结构还包括用于检测转子22的转角的电机端编码器70；电机端编码器70包括设于转子22上的第二被感应件71，以及与第二被感应件71配合以检测转子22的转角的第二感应件(图未示)；第二被感应件71呈环形，第一被感应件51被包围于第二被感应件71内。电机端编码器70用于高精度检测电机轴23的旋转位置。类似于输出端编码器50，电机端编码器70可以是磁性编码器、光电编码器或其它编码器，不再赘述。

在本申请另一实施例中，第一感应件52与第二感应件可以同时设置在电机驱动器60上，第一感应件52与第二感应件均电性连接于电机驱动器60，这样容易装配，结构紧凑。

请参阅图3、图6，在本申请另一实施例中，转子22上设有安装座72，第二被感应件71可以采用粘接或其它方式固定于安装座72上，安装座72具有供连接轴42穿过的通孔。采用这个方案，便于将第二被感应件71装配到转子22的预定位置上。连接轴42通过第一轴承81支承在安装座72上。设置第一轴承81，能确保连接轴42在预定位置上转动，以准确地检测关节输出轴40的转角，避免连接轴42出现偏离预定轴线。

请参阅图2、图6，在本申请另一实施例中，转子22具有容纳腔221，谐波减速器30设于转子22内部，电机轴23至少一部分设于转子22内部。这个方案充分利用外转子22的内部空间，将谐波减速器30与电机轴23设置在转子22内部，这样使得电机组件20的轴向尺寸变小，进而使关节结构体积和重量更小。相比于内转子电机，外转子电机中的定子21轴向尺寸可以制作得更小，使电机组件20的轴向尺寸比较小。

请参阅图3、图6，在本申请另一实施例中，转子22包括与定子21间隔并相对设置的环形部222、与环形部222沿轴向间隔设置的安装部223，安装部223用于与电机轴23的一端连接，比如两者采用螺栓连接。转子22还包括连接于环形部222与安装部223之间的若干连接臂224，相邻两个连接臂224之间形成镂空位225。采用这个方案，能够形成用于容纳谐波减速器30的空间，并且降低电机组件20在轴向上的尺寸，进而降低整个关节结构的体积和重量。在转子22上形成多个镂空位225，便于在转子22周围形成气流，以对电机组件20散热，提高可靠性。

参阅图4、图6，在本申请另一实施例中，刚轮31上固定有支撑盖13，支撑盖13具有供电机轴23穿过的过孔131，电机轴23通过第二轴承82支承在支撑盖13上，电机轴23通过第三轴承83支承在关节输出轴40上。采用这个方案，便于电机轴23顺畅地转动，以将动力可靠地传递至关节输出轴40，使得关节输出轴40能够承受径向负荷与轴向负荷，避免在工作时电机轴23发生偏离预定轴线的情况。具体地，第二轴承82与第三轴承83可以为深沟球轴承，能承受径向负荷与轴向负荷。

请参阅图3、图6，在本申请另一实施例中，电机轴23的外周设有安装环232，波发生器32固定在安装环232。设置安装环232，便于波发生器32快速地定位装配到电机轴23上。波发生器32可以通过螺栓固定在电机轴23上，这样装配容易且连接可靠。

请参阅图4、图6，在本申请另一实施例中，柔轮33包括筒状部331及连接于筒状部331的一端边缘的内环部333，筒状部331套设于波发生器32以外并与刚轮31啮合，内环部333固定于关节输出轴40上。采用这个方案，可以将电机轴23设于筒状部331内并伸出内环部333的插孔334，进而将输出端编码器50与关节输出轴40分别设置在电机组件20的轴向两端，这样可以通过关节输出轴40输出动力，并通过输出端编码器50检测关节输出轴40的转角，而且整体结构紧凑。柔轮33的内环部333上设置有压块34，通过螺栓依次穿过压块34与内环部333并螺接于关节输出轴40，从而将柔轮33固定在关节输出轴40上。

请参阅图2、图5、图6，在本申请另一实施例中，壳体10包括筒状壳11以及安装于筒状壳11的一端的基座12，基座12具有供关节输出轴40穿过的穿孔121，关节输出轴40通过第四轴承84支承在基座12上。采用包括筒状壳11与基座12的壳体10，筒状壳11与基座12容易制作与装配。采用这个方案，便于关节输出轴40顺畅地转动以输出动力，使得关节输出轴40能够承受较大的负荷，避免在工作时关节输出轴40发生偏离预定轴线的情况。第四轴承84可以采用交叉滚子轴承，交叉滚子轴承是一种内圈分割、外圈旋转的轴承，刚性大，轴承间隙可调整，能获得高精度旋转运动。

请参阅图6，在本申请另一实施例中，基座12上开设有与筒状壳11内部连通的透气孔122，便于空气流动，实现电机组件20的散热。

请参阅图5、图6，在本申请另一实施例中，基座12开设有用于容纳第四轴承84的外圈的第一安装槽123，关节输出轴40开设有用于容纳第四轴承84的内圈的第二安装槽41，第一安装槽123与第二安装槽41组成第四轴承84的安装位；基座12上设有用于对第四轴承84的外圈轴向限位的外圈压盖91，关节输出轴40上设有用于对第四轴承84的内圈轴向限位的内圈压盖92，外圈压盖91与内圈压盖92位于第四轴承84的同一侧。采用外圈压盖91与内圈压盖92将第四轴承84限位在安装位上，容易将关节输出轴40稳定地支承在基座12的穿孔121处，确保关节输出轴40可靠地转动安装在基座12上。

请参阅图2、图4、图6，在本申请另一实施例中，基座12上固定有环形固定座14，刚轮31安装于环形固定座14上。采用这样的方式，容易制作并装配基座12、环形固定座14与刚轮31。其中，刚轮31可以通过螺栓或其它方式固定在环形固定座14上。柔轮33穿过环形固定座14内部，这样就能有效降低关节结构在轴向的尺寸，使整体结构占用空间更小。

在本申请另一实施例中，定子21套设于基座12与环形固定座14外。可以理解的是，定子21还可以只套设于基座12与环形固定座14的其中一个以外。在装配时，定子21内表面可以通过胶粘结的方式固定在环形固定座14上，然后通过螺栓连接的方式连接环形固定座14和基座12，这样容易装配且连接可靠。

请参阅图2、图6，在本申请另一实施例中，筒状壳11的两端均设为开口，壳体10还包括安装于筒状壳11的背对关节输出轴40的一端的尾座15，电机驱动器60设于尾座15内。采用这个方案，能够对电机驱动器60进行保护，使得机器人关节结构作为一个独立部件。

请参阅图1、图6，在本申请另一实施例中，提供一种机器人，包括上述的机器人关节结构。该机器人关节结构中，电机组件20采用外转子形式，转子22套设于定子21外部，转子22固定有电机轴23。谐波减速器30中的波发生器32安装于电机轴23，柔轮33由波发生器32驱动并与刚轮31啮合，关节输出轴40固定于柔轮33。工作时，电机轴23带动波发生器32高速转动，波发生器32使得柔轮33产生柔性变形，柔轮33与刚轮31啮合传动，通过关节输出轴40输出动力，作低速转动。采用输出端编码器50检测关节输出轴40的转角。该机器人关节结构紧凑，轴向尺寸减小，体积和重量均减小，适用于机器人的轻量化和紧凑布局。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种机器人关节结构，其特征在于，包括：

壳体；

电机组件，包括设于所述壳体内的定子、套设于所述定子外部的转子，以及同轴固定于所述转子的电机轴；

谐波减速器，包括固定于所述定子的刚轮、安装于所述电机轴上的波发生器，以及与所述刚轮啮合且由所述波发生器驱动的柔轮；

关节输出轴，同轴固定于所述柔轮；

输出端编码器，用于检测所述关节输出轴的转角；以及

电机驱动器，与所述输出端编码器电性连接。

2.如权利要求1所述的机器人关节结构，其特征在于，所述柔轮具有供所述电机轴穿过的插孔，所述电机轴具有沿轴向贯通的贯通孔，所述关节输出轴同轴固定有连接轴，所述连接轴穿过所述贯通孔；所述输出端编码器包括设于所述连接轴的一端的第一被感应件，以及与所述第一被感应件配合以检测所述关节输出轴的转角的第一感应件。

3.如权利要求2所述的机器人关节结构，其特征在于，所述机器人关节结构还包括用于检测所述转子的转角的电机端编码器；所述电机端编码器包括设于所述转子上的第二被感应件，以及与所述第二被感应件配合以检测所述转子的转角的第二感应件；

所述第一被感应件被包围于所述第二被感应件内。

4.如权利要求3所述的机器人关节结构，其特征在于，所述转子上设有安装座，所述第二被感应件固定于所述安装座上，所述安装座具有供所述连接轴穿过的通孔，所述连接轴通过第一轴承支承在所述安装座上。

5.如权利要求1所述的机器人关节结构，其特征在于，所述转子具有容纳腔，所述谐波减速器设于所述转子内部，所述电机轴至少一部分设于所述转子内部。

6.如权利要求5所述的机器人关节结构，其特征在于，所述转子包括与所述定子间隔并相对设置的环形部、与所述环形部沿轴向间隔设置的安装部，以及连接于所述环形部与所述安装部之间的若干连接臂，相邻两个所述连接臂之间形成镂空位。

7.如权利要求1至6任一项所述的机器人关节结构，其特征在于，所述刚轮上固定有支撑盖，所述支撑盖具有供所述电机轴穿过的过孔，所述电机轴通过第二轴承支承在所述支撑盖上，所述电机轴通过第三轴承支承在所述关节输出轴上。

8.如权利要求1至6任一项所述的机器人关节结构，其特征在于，所述柔轮包括筒状部及连接于所述筒状部的一端边缘的内环部，所述筒状部套设于所述波发生器以外并与所述刚轮啮合，所述内环部固定于所述关节输出轴上。

9.如权利要求1至6任一项所述的机器人关节结构，其特征在于，所述壳体包括筒状壳以及安装于所述筒状壳的一端的基座，所述基座具有供所述关节输出轴穿过的穿孔，所述关节输出轴通过第四轴承支承在所述基座上。

10.如权利要求9所述的机器人关节结构，其特征在于，所述基座开设有用于容纳所述第四轴承的外圈的第一安装槽，所述关节输出轴开设有用于容纳所述第四轴承的内圈的第二安装槽，所述第一安装槽与所述第二安装槽组成所述第四轴承的安装位；所述基座上设有用于对所述第四轴承的外圈轴向限位的外圈压盖，所述关节输出轴上设有用于对所述第四轴承的内圈轴向限位的内圈压盖，所述外圈压盖与所述内圈压盖位于所述第四轴承的同一侧。

11.如权利要求9所述的机器人关节结构，其特征在于，所述基座上固定有环形固定座，所述刚轮安装于所述环形固定座上，所述柔轮穿过所述环形固定座内部；

所述定子套设于所述基座外；和/或，所述定子套设于所述环形固定座外。

12.如权利要求9所述的机器人关节结构，其特征在于，所述筒状壳的两端均设为开口，所述壳体还包括安装于所述筒状壳的背对所述关节输出轴的一端的尾座，所述电机驱动器设于所述尾座内。

13.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至12任一项所述的机器人关节结构。

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