CN111152258A - 一种具有力感知功能的机械集成关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有力感知功能的机械集成关节，其扭矩传感器可活动地套设于输入轴并位于柔轮和电机之间，扭矩传感器的内侧与柔轮固定配合，扭矩传感器的外侧固定于电机的定子。本发明具有扭矩感知功能，能够精确感知关节所受扭矩，传动精度更高，同时避免了扭矩传感器的悬臂安装，且结构紧凑，刚性高，进而提高了机械臂的整体精度。

Description

一种具有力感知功能的机械集成关节

技术领域

本发明涉及一种机械关节结构，尤其涉及一种具有力感知功能的机械集成关节。

背景技术

关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。

机器人广泛用于自动化行业，用来减轻人类的劳动强度。为了降低成本及缩短生产周期，适应大规模生产，将谐波减速机、电机、刹车、编码器、扭矩传感器集成到机器人的关节上，机械关节用于连接各个机械臂并驱动机械臂之间进行角度调整。

但现在的集成关节要么集成度不高，没有扭矩传感器等元件，要么扭矩传感器安装在集成关节端部，这样造成扭矩传感器只有单边支撑，成悬臂结构，导致集成关节的刚性将低，进而降低机器人的整体精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有力感知功能的机械集成关节，将扭矩传感器装载谐波减速器的内部，避免扭矩传感器的悬臂安装，提高机械集成关节整体的结构紧凑性以及精度。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种具有力感知功能的机械集成关节，包括关节外壳，所述关节外壳内形成有安装内腔，所述所述关节外壳上开设有与所述安装内腔连通的开口；所述安装内腔内配置有电机以及与所述电机驱接的驱动控制单元，所述电机具有定子和转子，所述电机的转子包括第一输出端，所述第一输出端朝向所述开口设置；所述安装内腔还设配置有谐波减速器以及扭矩传感器，所述谐波减速器包括柔轮、刚轮以及波发生器；所述刚轮套设于所述柔轮外周并与所述柔轮相互啮合，所述波发生器与所述柔轮驱动配合以使所述柔轮驱动所述刚轮实现减速传动，所述波发生器包括输入轴，所述输入轴一端形成驱接于第一输出端的连接端，所述输入轴的另一端朝所述开口方向延伸并形成传动端；所述扭矩传感器可活动地套设于所述输入轴并位于所述柔轮和所述电机之间，所述扭矩传感器的内侧与所述柔轮固定配合，所述扭矩传感器的外侧固定于所述电机的定子。

进一步地，所述柔轮具有第一端以及第二端，所述柔轮可转动地套接于所述输入轴，所述柔轮的第一端和第二端的内侧均与所述输入轴相配合，所述柔轮的第一端的另一侧啮合于所述刚轮。

进一步地，所述刚轮与所述扭矩传感器之间设置有交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承的两侧面分别抵接于所述刚轮与所述扭矩传感器；所述交叉滚子轴承的内圈与所述刚轮固定连接，所述交叉滚子轴承的外圈与所述扭矩传感器固定连接。

进一步地，所述柔轮的第二端与所述输入轴之间形成有间隙；所述扭矩传感器与所述电机的定子之间还设置有连接法兰，所述连接法兰可转动地套接于所述输入轴，所述连接法兰的两侧面分别与所述扭矩传感器以及所述电机的定子固定连接；所述连接法兰与所述输入轴之间设置有支承轴承，所述支承轴承的内圈固定套接于所述输入轴，所述支承轴承的外圈与所述连接法兰相固定。

进一步地，所述波发生器还包括柔性轴承，所述柔性轴承设置在所述输入轴的传动端与所述柔轮的第一端之间且形状与所述传动端相匹配；所述柔性轴承的内圈固定套接于所述输入轴的传动端，所述柔性轴承的外圈抵接于所述柔轮的第一端的内侧。

进一步地，所述电机的转子还包括第二输出端，所述第二输出端与所述第一输出端分别位于所述电机相对的两端；所述第二输出端设置有连接轴，所述连接轴一端与所述第二输出端连接，所述连接轴的另一端朝与所述输入轴相向的方向延伸。

进一步地，所述具有力感知功能的机械集成关节还包括刹车装置，所述刹车装置固定于所述安装内腔并套接在所述连接轴上；所述刹车装置包括运行状态以及刹车状态，当所述刹车装置处于运行状态，所述刹车装置松开所述连接轴，当所述刹车装置处于刹车状态，所述刹车装置抱紧所述连接轴。

进一步地，所述驱动控制单元包括驱动控制器以及编码器，所述编码器套接于所述连接轴并与所述驱动控制器电性连接；所述驱动控制器分别与所述电机和所述扭矩传感器电性连接。

进一步地，所述具有力感知功能的机械集成关节还包括输出法兰，所述输出法兰与所述刚轮固定连接。

进一步地，所述输入轴内开有贯通的第一过线通道，所述连接轴内开有贯通第二过线通道，所述电机的转子内形成有第三过线通道，所述第一过线通道、所述第三过线通道和所述第二过线通道依次连通；所述输出法兰上开有与所述第一过线通道、所述第二过线通道和所述第三过线通道相连通的穿线通道。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

安装内腔还设配置有谐波减速器以及扭矩传感器，使本发明的机械集成关节具有扭矩感知功能，能够精确感知关节所受扭矩，传动精度更高；

扭矩传感器可活动地套设于输入轴并位于柔轮和电机之间，扭矩传感器的内侧与柔轮固定配合，扭矩传感器的外侧固定于电机的定子，将扭矩传感器装在谐波减速器内部，避免了扭矩传感器的悬臂安装，且结构紧凑，刚性高，进而提高了机械臂的整体精度。

附图说明

图1为本发明具有力感知功能的机械集成关节整体结构示意图；

图2为本发明谐波减速器结构示意图。

图中：10、关节外壳；11、安装内腔；12、开口；211、固定块；20、电机；21、定子；22、转子；221、第一输出端；222、第二输出端；223、第三过线通道；30、驱动控制单元；31、编码器；32、驱动控制器；33、罩壳；40、谐波减速器；41、柔轮；411、第一端；412、第二端；42、刚轮；43、波发生器；431、输入轴；4311、连接端；4312、传动端；4313、第一过线通道；432、柔性轴承；50、扭矩传感器；51、交叉滚子轴承；52、连接法兰；521、支承轴承；60、连接轴；61、刹车装置；62、第二过线通道；70、输出法兰；71、穿线通道；80、穿线管。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1～图2所示，为了提高机械臂的整体传动精度，让机械集成关节结构更加紧凑，精度更高，本发明提供一种具有力感知功能的机械集成关节，其包括关节外壳10，关节外壳10作为本发明具有力感知功能的机械集成关节的外壳，其内部形成有用于安装关节部件的安装内腔11，关节外壳10上开设有与安装内腔11连通的开口12，开口12在本发明实际使用过程中用于伸出关节驱动端以与机械臂连接，使机械臂之间能够相对摆转调节角度。为了达到这一效果，安装内腔11内配置有电机20以及与电机20驱接的驱动控制单元30，电机20具有定子21和转子22，电机20的转子22包括第一输出端221，第一输出端221朝向开口12设置，转子22用于与外部机械臂连接，定子21固定于安装内腔11以达到与转子22可相对运动的效果，另一机械臂可安装在关节外壳10上，用过驱动控制单元30给电机20传递控制信号，以使机械臂之间相对摆转。

为了解决本发明所要解决的技术问题，安装内腔11还设配置有谐波减速器40以及扭矩传感器50，其中，谐波减速器40包括柔轮41、刚轮42以及波发生器43；刚轮42套设于柔轮41外周并与柔轮41相互啮合，波发生器43与柔轮41驱动配合以使柔轮41驱动刚轮42实现减速传动，波发生器43包括输入轴431，输入轴431一端形成驱接于第一输出端221的连接端4311，输入轴431的另一端朝开口12方向延伸并形成传动端4312；扭矩传感器50可活动地套设于输入轴431并位于柔轮41和电机20之间，扭矩传感器50的内侧与柔轮41固定配合，扭矩传感器50的外侧固定于电机20的定子21。使本发明在实际应用中，扭矩传感器50位于电机20和刚轮42之间，具体可视为将扭矩传感器50安装在谐波减速器40上，使其具有扭力感知的功能的同时，能通过扭矩传感器50固定柔轮41、连接电机20，并具有结构简单紧凑、安装方便、体积小重量轻的优点。

在本发明使用过程中，电机20的第一输出端221通过驱动输入轴431，使输入轴431的传动端4312驱动柔轮41，并让柔轮41与刚轮42啮合传动。

而且扭矩传感器50对于工件或负载因自重悬臂产生的作用力只作用在谐波减速机的内部，在实际应用中可通过安装轴承使其得到支承，避免了扭矩传感器50的悬臂安装，不但增加了扭矩传感的精度也增加了扭矩传感器50的使用寿命。

具体的，柔轮41具有第一端411以及第二端412，柔轮41可转动地套接于输入轴431，柔轮41的第一端411和第二端412的内侧均与输入轴431相配合，柔轮41的第一端411的另一侧啮合于刚轮42。

刚轮42与扭矩传感器50之间设置有交叉滚子轴承51，交叉滚子轴承51的两侧面分别抵接于刚轮42与扭矩传感器50，使刚轮42与扭矩传感器50之间能够被准确定位；交叉滚子轴承51的内圈与刚轮42固定连接，交叉滚子轴承51的外圈与扭矩传感器50固定连接，用于让刚轮42以及扭矩传感器50各自之间的传动稳定性更高。

柔轮41的第二端412与输入轴431之间形成有间隙，避免柔轮41的第二端412在输入轴431转动时相互摩擦；扭矩传感器50与电机20的定子21之间还设置有连接法兰52，连接法兰52可转动地套接于输入轴431，连接法兰52的两侧面分别与扭矩传感器50以及电机20的定子21固定连接，连接法兰52与扭矩传感器50连接，扭矩传感器50与柔轮41连接，使连接法兰52间接成为用于支承柔轮41第二端412的部件，因此，连接法兰52与输入轴431之间设置有支承轴承521，支承轴承521的内圈固定套接于输入轴431，支承轴承521的外圈与连接法兰52相固定，本例中，电机20采用力矩电机20，由于力矩电机20体积较小，因此电机20与安装内腔11的腔壁之间还设有用于固定电机20定子21的固定块211。

波发生器43还包括柔性轴承432，柔性轴承432设置在输入轴431的传动端4312与柔轮41的第一端411之间且形状与传动端4312相匹配；柔性轴承432的内圈固定套接于输入轴431的传动端4312，柔性轴承432的外圈抵接于柔轮41的第一端411的内侧，使输入轴431的输出端能够更加平稳精确地传递扭转力。

电机20的转子22还包括第二输出端222，第二输出端222与第一输出端221分别位于电机20相对的两端；第二输出端222设置有连接轴60，连接轴60一端与第二输出端222连接，连接轴60的另一端朝与输入轴431相向的方向延伸，第二输出端222所设置的连接轴60可用于加装其他部件。

具有力感知功能的机械集成关节还包括刹车装置61，刹车装置61固定于安装内腔11并套接在连接轴60上；刹车装置61包括运行状态以及刹车状态，当刹车装置61处于运行状态，刹车装置61松开连接轴60，当刹车装置61处于刹车状态，刹车装置61抱紧连接轴60，本例中，刹车装置61包括套接在连接轴60上的刹车盘以及与安装内腔11相固定，可在靠近和远离刹车盘的方向上往复移动的刹车销，通过驱动刹车销靠近抵顶刹车盘以达到刹车状态，通过驱动刹车销远离刹车盘，与刹车盘之间形成间隙以达到运行状态。

具体的，驱动控制单元30包括驱动控制器32以及编码器31，编码器31套接于连接轴60并与驱动控制器32电性连接，用于获取连接轴60，即电机20的转速并将速度信号反馈给驱动控制器32使驱动控制器32能够实时监控并控制电机20的转速；驱动控制器32分别与电机20和扭矩传感器50电性连接，扭矩传感器50也会将扭矩新号传输给驱动控制器32，使驱动控制器32能够通过电机20的转速以及关节所承受的扭矩，本例中，驱动控制器32设置在关节外壳10远离开口12的一端，关节外壳10上开有用于穿线的穿线口，并在关节外壳10的外部设置一个用于保护驱动控制器32的罩壳33。

具有力感知功能的机械集成关节还包括输出法兰70，输出法兰70与刚轮42固定连接，输出法兰70用于与外部机械臂驱接以实现驱动。

为了让本发明穿线更加方便，输入轴431内开有贯通的第一过线通道4313，连接轴60内开有贯通第二过线通道62，电机20的转子22内形成有第三过线通道223，第一过线通道4313、第三过线通道223和第二过线通道62依次连通；输出法兰70上开有与第一过线通道4313、第二过线通道62和第三过线通道223相连通的穿线通道71，本例中还包括穿线管80，穿线管80从输出法兰70的穿线通道71穿入第一过线通道4313、第三过线通道223和第二过线通道62，在实际使用中，导线从穿线管80内穿入并与驱动控制器32连接。

通过上述技术方案，能够让具有力感知功能的机械集成关节传动过程中更加稳定，扭矩传感器50的重力直接施加于谐波减速器40内，避免了悬臂结构的产生。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有力感知功能的机械集成关节，包括关节外壳，所述关节外壳内形成有安装内腔，所述所述关节外壳上开设有与所述安装内腔连通的开口；所述安装内腔内配置有电机以及与所述电机驱接的驱动控制单元，所述电机具有定子和转子，所述电机的转子包括第一输出端，所述第一输出端朝向所述开口设置；其特征在于：

所述安装内腔还设配置有谐波减速器以及扭矩传感器，所述谐波减速器包括柔轮、刚轮以及波发生器；所述刚轮套设于所述柔轮外周并与所述柔轮相互啮合，所述波发生器与所述柔轮驱动配合以使所述柔轮驱动所述刚轮实现减速传动，所述波发生器包括输入轴，所述输入轴一端形成驱接于第一输出端的连接端，所述输入轴的另一端朝所述开口方向延伸并形成传动端；

所述扭矩传感器可活动地套设于所述输入轴并位于所述柔轮和所述电机之间，所述扭矩传感器的内侧与所述柔轮固定配合，所述扭矩传感器的外侧固定于所述电机的定子。

2.如权利要求1所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述柔轮具有第一端以及第二端，所述柔轮可转动地套接于所述输入轴，所述柔轮的第一端和第二端的内侧均与所述输入轴相配合，所述柔轮的第一端的另一侧啮合于所述刚轮。

3.如权利要求2所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述刚轮与所述扭矩传感器之间设置有交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承的两侧面分别抵接于所述刚轮与所述扭矩传感器；

所述交叉滚子轴承的内圈与所述刚轮固定连接，所述交叉滚子轴承的外圈与所述扭矩传感器固定连接。

4.如权利要求3所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述柔轮的第二端与所述输入轴之间形成有间隙；

所述扭矩传感器与所述电机的定子之间还设置有连接法兰，所述连接法兰可转动地套接于所述输入轴，所述连接法兰的两侧面分别与所述扭矩传感器以及所述电机的定子固定连接；所述连接法兰与所述输入轴之间设置有支承轴承，所述支承轴承的内圈固定套接于所述输入轴，所述支承轴承的外圈与所述连接法兰相固定。

5.如权利要求2所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述波发生器还包括柔性轴承，所述柔性轴承设置在所述输入轴的传动端与所述柔轮的第一端之间且形状与所述传动端相匹配；所述柔性轴承的内圈固定套接于所述输入轴的传动端，所述柔性轴承的外圈抵接于所述柔轮的第一端的内侧。

6.如权利要求1所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述电机的转子还包括第二输出端，所述第二输出端与所述第一输出端分别位于所述电机相对的两端；

所述第二输出端设置有连接轴，所述连接轴一端与所述第二输出端连接，所述连接轴的另一端朝与所述输入轴相向的方向延伸。

7.如权利要求6所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述具有力感知功能的机械集成关节还包括刹车装置，所述刹车装置固定于所述安装内腔并套接在所述连接轴上；

所述刹车装置包括运行状态以及刹车状态，当所述刹车装置处于运行状态，所述刹车装置松开所述连接轴，当所述刹车装置处于刹车状态，所述刹车装置抱紧所述连接轴。

8.如权利要求6所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述驱动控制单元包括驱动控制器以及编码器，所述编码器套接于所述连接轴并与所述驱动控制器电性连接；

所述驱动控制器分别与所述电机和所述扭矩传感器电性连接。

9.如权利要求6所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述具有力感知功能的机械集成关节还包括输出法兰，所述输出法兰与所述刚轮固定连接。

10.如权利要求9所述的具有力感知功能的机械集成关节，其特征在于：所述输入轴内开有贯通的第一过线通道，所述连接轴内开有贯通第二过线通道，所述电机的转子内形成有第三过线通道，所述第一过线通道、所述第三过线通道和所述第二过线通道依次连通；

所述输出法兰上开有与所述第一过线通道、所述第二过线通道和所述第三过线通道相连通的穿线通道。

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