CN111360872A - 一种小型一体化机器人关节模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型一体化机器人关节模组，涉及机器人技术领域，包括关节外壳及同轴线设置于关节外壳内的关节输出构件、行星齿轮减速器和无框力矩电机，行星齿轮减速器的输入端和输出端分别与无框力矩电机的输出端及关节输出构件的输入端固定连接，关节外壳的端盖外部设计有用于集成电源线和通讯总线的线缆接口。本发明关节模组内部集成了行星齿轮减速器、无框力矩电机、刹车机构、增量式光电编码器和线缆接口，关节外壳的端盖上安装两个线缆接口，用以集成电源线和通讯总线，实现外部走线，节约内部空间，实现了关节模组的小型一体化化设计；采用行星齿轮减速器进行调速和传动，提高了关节模组的传动精度、承载能力和输出转矩。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种用于机器人的关节模组。
背景技术
协作机器人是全球机器人产业中发展最为迅速、市场应用最为广阔的一类机器人，是人机协同工作的重要组成部分。协作机器人关节是机器人的基础部件，通常采用模块化设计的一体化关节模组。模块化机器人关节的通用性、内部结构和尺寸极大的影响着协作机器人的性能和发展前景。
现有的模块化机器人一体化关节模组通常采用高精度谐波减速器、驱动电机、抱闸器、编码器和控制器串联组成，普遍存在着以下问题：
1、高精度谐波减速器柔轮寿命有限，刚性较差，不耐冲击，且加工制造难度较大，工艺复杂，零部件产品成本高昂，极大阻碍了机器人行业的发展；
2、现有关节模组多采用中空内部走线，所有线缆集成在关节内部，虽然可以使整体结构紧凑，安全性较好，但在一定程度上增加了内部结构的复杂性，从而降低机器人的动态性能和精度；
3、仍然存在机器人关节体积过大而导致的无法实现诸如教育领域、医疗领域等特殊领域的人机协作服务的问题。
通过专利检索，存在以下已知的技术方案：
专利1：
申请号：CN201811559194.3，申请日：2018.12.19，授权公告日：2019.02.22，本发明公开了一种高集成度机电控一体化机器人关节模组，关节模组包括壳体、制动装置、中空无框电机、谐波减速器，低压直流驱动器及相应PCB电路板，还包括用于测量电机输入转速的增量式编码器和测量谐波减速器输出的绝对式编码器；所述关节模组所有转动部件均为同轴设置并设计为中空模式以便走线。本发明的优点之一是采用了带应变片的谐波减速器，此设计可大大节约单独采购力矩传感器的成本，并且使得结构更紧凑，空间占比更少。由于直接利用了谐波减速器柔轮的柔性而减少了额外力矩传感器的柔性单元，关节的总体刚性会更强。本发明的另一个优点是采用了固定谐波减速器的柔轮而刚轮作为输出单元，此布置使得从柔轮采集力矩信号更稳定，更精确。
专利2：
申请号：CN201810058074.9，申请日：2018.01.22，授权公告日：2018.05.15，本发明提供一种紧凑型机器人一体化关节模组及紧凑型机器人，涉及机器人技术领域，包括单摆线针轮减速器、壳体、轴、电磁作动器、动销、集成电路模块、端盖、线缆保护套、爪式制动盘、线缆、光电编码器读头、光电编码盘、电机定子和电机转子；单摆线针轮减速器固定在壳体的前端，电机定子固定在壳体内，电机转子与轴固定连接，轴的前端与单摆线针轮减速器的输入端固定连接，轴的后端依次与光电编码盘和刹车装置固定连接，光电编码器读头固定于壳体内部，并与光电编码盘位置相对，端盖固定在壳体的后端，本发明集成度高、体积小、负载自重比大、刚性好、中空结构、碰撞检测，使机器人的设计、安装、使用和维护更为简便。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种小型一体化机器人关节模组。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种小型一体化机器人关节模组，包括关节外壳及同轴线设置于所述关节外壳内的关节输出构件、行星齿轮减速器和无框力矩电机，所述行星齿轮减速器的输入端和输出端分别与所述无框力矩电机的输出端及所述关节输出构件的输入端固定连接；
所述关节外壳包括圆柱套筒及分别配合连接于其两端的端盖和输出端外壳，所述端盖外部设计安装有用于集成电源线和通讯总线的线缆接口，所述圆柱套筒内部呈阶梯面结构；
所述无框力矩电机的电机定子通过所述阶梯面结构安装固定，其电机转子与所述行星齿轮减速器的输入端连接；所述关节输出构件通过轴承安装于所述输出端外壳内，其输出端伸出至所述输出端外壳外部，并与外部执行机构或负载连接；所述行星齿轮减速器安装于所述圆柱套筒及所述输出端外壳内。
进一步的，还包括用于对所述无框力矩电机抱闸的刹车机构，所述刹车机构设于所述关节外壳内，制动器的磁轭固定端与所述关节外壳连接固定，所述制动器的可释放电枢板通过制动器过渡固定件与所述行星齿轮减速器的输入端连接固定，构成所述刹车机构。
进一步的，还设有伺服控制器，所述伺服控制器通过关节过渡件安装固定于所述圆柱套筒内，并通过各线缆分别与所述无框力矩电机和所述刹车机构数据连通。
进一步的，还包括设于所述行星齿轮减速器输入端上的增量式光电编码器，所述增量式光电编码器与所述伺服控制器通过线缆连通。
进一步的，所述关节过渡件上设有通孔，各线缆由所述通孔内穿过设置。
进一步的，所述行星齿轮减速器包括中心太阳轮、设于所述中心太阳轮外部的固定内齿轮和输出内齿轮及均布设于所述中心太阳轮和所述固定内齿轮之间的三个行星轮，所述行星轮与所述中心太阳轮、所述固定内齿轮及所述输出内齿轮均啮合；
各所述行星轮分别通过行星轴与行星架轴承连接；所述中心太阳轮和所述行星轮均采用齿轮轴结构，中心轴悬空穿过所述行星架与所述电机转子固定连接，其前端贯穿所述电机转子；所述行星齿轮减速器以所述中心轴前端为输入端，以所述输出内齿轮为输出端。
进一步的，所述中心轴为阶梯轴。
进一步的，所述线缆接口的数量为两个，对称设于所述端盖上。
本发明提供了一种小型一体化机器人关节模组，具有以下有益效果：
1、关节模组内部集成了行星齿轮减速器、无框力矩电机、刹车机构、增量式光电编码器和线缆接口，关节外壳的端盖上安装两个线缆接口，用以集成电源线和通讯总线，实现外部走线，节约内部空间，结构紧凑，实现了关节模组的小型化设计，利于机器人应用领域的扩展；
2、采用行星齿轮减速器进行调速和传动，提高了传动精度、关节模组的承载能力和输出转矩，同时减少了开发成本，降低了机器人开发门槛；
3、关节模组内设有增量式光电编码器和伺服控制器，伺服控制器根据包括增量式光电编码器反馈信息在内的电流、速度、位置信息，以电流环的三闭环负反馈调节的控制方式控制无框力矩电机，驱动精准、可靠。
附图说明
图1为本发明的剖视结构示意图；
图2为本发明行星齿轮减速器的结构示意图；
图3为本发明关节外壳的结构示意图；
图4为本发明无框力矩电机的结构示意图；
图5为本发明刹车机构的结构示意图；
图6为本发明关节输出构件的结构示意图；
图7为本发明关节过渡件的结构示意图。
图中：
1、关节输出构件；2、行星齿轮减速器，21、中心太阳轮，22、行星架，23、行星轮，24、固定内齿轮，25、输出内齿轮；3、关节外壳，31、端盖，32、圆柱套筒，33、输出端外壳；4、无框力矩电机，41、电机转子，42、电机定子；5、刹车机构，51、制动器，511、可释放电枢板，512、磁轭固定端，52、制动器过渡固定件；6、关节过渡件；7、增量式光电编码器；8、伺服控制器；9、线缆接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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作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。
如图1～图7所示，其结构关系为：包括关节外壳3及同轴线设置于关节外壳3内的关节输出构件1、行星齿轮减速器2和无框力矩电机4，关节输出构件1、行星齿轮减速器2和无框力矩电机4同轴设置有利于提高关节模组的控制精度。
行星齿轮减速器2的输入端和输出端分别与无框力矩电机4的输出端及关节输出构件1的输入端固定连接；
关节外壳3包括圆柱套筒32及分别配合连接于其两端的端盖31和输出端外壳33，端盖31外部设计安装有用于集成电源线和通讯总线的线缆接口9，圆柱套筒32内部呈阶梯面结构；
无框力矩电机4的电机定子42通过阶梯面结构安装固定，电子定子42可采用胶装固定于圆柱套筒32的阶梯面上，无框力矩电机4的电机转子41与行星齿轮减速器2的输入端中心阶梯轴胶装固定连接；关节输出构件1通过轴承安装于输出端外壳33内，其输出端伸出至输出端外壳33外部，并与外部执行机构或负载连接；行星齿轮减速器2安装于圆柱套筒32及输出端外壳33内。
优选的，还包括用于对无框力矩电机4抱闸的刹车机构5，刹车机构5设于关节外壳3内，制动器51的磁轭固定端512与关节外壳3连接固定，制动器51的可释放电枢板511通过制动器过渡固定件52与行星齿轮减速器2的输入端连接固定，构成刹车机构5。
优选的，还设有伺服控制器8，伺服控制器8通过关节过渡件6安装固定于圆柱套筒32内，并通过各线缆分别与无框力矩电机4和刹车机构5数据连通。
无框力矩电机4根据伺服控制器8的指令，以设定的电流、速度、位置，驱动行星齿轮减速器2。伺服控制器8对无框力矩电机4采用位置环、速度环、电流环的三闭环负反馈调节的控制方式。控制过程中电压映射电流变化，电流映射转矩大小，转矩大小映射转速的变化，转速同时又映射了位置的变化，以实现无框力矩电机4精准、可靠的控制。
刹车机构5根据伺服控制器8的指令对行星齿轮减速器2的输入端进行失电制动，进而实现行星齿轮减速器2的的抱闸。
优选的，还包括设于行星齿轮减速器2输入端上的增量式光电编码器7，增量式光电编码器7与伺服控制器8通过线缆连通。增量式光电编码器7用于测量行星齿轮减速器2输入端的转速，进而获取无框力矩电机4的工作状态，并将测量信息反馈至伺服控制器8。
优选的，关节过渡件6上设有通孔，各线缆由通孔内穿过设置，防止线缆产生凌乱。
优选的，行星齿轮减速器2包括中心太阳轮21、设于中心太阳轮21外部的固定内齿轮24和输出内齿轮25及均布设于中心太阳轮21和固定内齿轮24之间的三个行星轮23，行星轮23与中心太阳轮21、固定内齿轮24及输出内齿轮25均啮合；
各行星轮23分别通过行星轴与行星架22轴承连接；中心太阳轮21和行星轮23均采用齿轮轴结构，中心轴悬空穿过行星架23与电机转子41固定连接，其前端贯穿电机转子41，中心轴与电机转子41可采用胶装固定连接；行星齿轮减速器2以中心轴前端为输入端，以输出内齿轮25为输出端。
优选的，中心轴为阶梯轴，用于固定无框力矩电机4的电机转子41，防止其出现轴向滑移。
优选的，线缆接口9的数量为两个，对称设于端盖31上。
关节模组整体直径为52mm，长度为90mm，内部集成关节输出构件1、行星齿轮减速器2、关节外壳3、无框力矩电机4、刹车机构5、关节过渡件6、增量式光电编码器7、伺服控制器8和线缆接口9，实现小型化集成结构设计。
具体使用时，电源通电后，无框力矩电机4根据伺服控制器8的指令驱动行星齿轮减速器2，带动关节输出构件1，从而实现外部执行机构或负载的工作，其中增量式光电编码器7用于测量行星齿轮减速器2输入端的转速，实时监测输入端的工作状态，断电后，刹车机构5根据伺服控制器8的指令对无框力矩电机4抱闸，实现断电制动。
具体实施时，伺服控制器8的控制方法可参照中国专利一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法(申请号CN201210104392.7，公开号CN102624315A)。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：包括关节外壳(3)及同轴线设置于所述关节外壳(3)内的关节输出构件(1)、行星齿轮减速器(2)和无框力矩电机(4)，所述行星齿轮减速器(2)的输入端和输出端分别与所述无框力矩电机(4)的输出端及所述关节输出构件(1)的输入端固定连接；
所述关节外壳(3)包括圆柱套筒(32)及分别配合连接于其两端的端盖(31)和输出端外壳(33)，所述端盖(31)外部设计安装有用于集成电源线和通讯总线的线缆接口(9)，所述圆柱套筒(32)内部呈阶梯面结构；
所述无框力矩电机(4)的电机定子(42)通过所述阶梯面结构安装固定，其电机转子(41)与所述行星齿轮减速器(2)的输入端连接；所述关节输出构件(1)通过轴承安装于所述输出端外壳(33)内，其输出端伸出至所述输出端外壳(33)外部，并与外部执行机构或负载连接；所述行星齿轮减速器(2)安装于所述圆柱套筒(32)及所述输出端外壳(33)内。
2.根据权利要求1所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：还包括用于对所述无框力矩电机(4)抱闸的刹车机构(5)，所述刹车机构(5)设于所述关节外壳(3)内，制动器(51)的磁轭固定端(512)与所述关节外壳(3)连接固定，所述制动器(51)的可释放电枢板(511)通过制动器过渡固定件(52)与所述行星齿轮减速器(2)的输入端连接固定，构成所述刹车机构(5)。
3.根据权利要求1所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：还设有伺服控制器(8)，所述伺服控制器(8)通过关节过渡件(6)安装固定于所述圆柱套筒(32)内，并通过各线缆分别与所述无框力矩电机(4)和所述刹车机构(5)数据连通。
4.根据权利要求1所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：还包括设于所述行星齿轮减速器(2)输入端上的增量式光电编码器(7)，所述增量式光电编码器(7)与所述伺服控制器(8)通过线缆连通。
5.根据权利要求1所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：所述关节过渡件(6)上设有通孔，各线缆由所述通孔内穿过。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：所述行星齿轮减速器(2)包括中心太阳轮(21)、设于所述中心太阳轮(21)外部的固定内齿轮(24)、输出内齿轮(25)及均布设于所述中心太阳轮(21)和所述固定内齿轮(24)之间的三个行星轮(23)，所述行星轮(23)与所述中心太阳轮(21)、所述固定内齿轮(24)及所述输出内齿轮(25)均啮合；
各所述行星轮(23)分别通过行星轴与行星架(22)轴承连接；所述中心太阳轮(21)和所述行星轮(23)均采用齿轮轴结构，中心轴穿过所述行星架(23)与所述电机转子(41)固定连接，其前端贯穿所述电机转子(41)；所述行星齿轮减速器(2)以所述中心轴前端为输入端，以所述输出内齿轮(25)为输出端。
7.根据权利要求6所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：所述中心轴为阶梯轴。
8.根据权利要求1所述的一种小型一体化机器人关节模组，其特征在于：所述线缆接口(9)的数量为两个，对称设于所述端盖(31)上。
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