CN111409097A - 一种机器人用紧凑型关节驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力驱动技术领域，具体涉及一种机器人用紧凑型关节驱动装置，包括谐波减速器模块、驱动模块和测速模块，驱动模块包括：电机转轴、转子、套筒、定子、电机外壳以及电机压盖；谐波减速器模块包括：波发生器、柔轮、柔轮输出法兰、交叉滚子轴承、刚轮以及刚轮输出法兰；测速模块包括：光栅码盘；电机转轴为阶梯轴，测速轴为阶梯轴。本发明将电机转轴和测速轴均设置成阶梯轴用来安装不同的零部件，阶梯轴形成的轴肩可以对零部件进行轴向定位，直接通过电机外壳、刚轮输出法兰、柔轮输出法兰进行径向定位，尽量减小的整个电机的径向长度。关节驱动装置结构紧凑、体积小且输出转矩大。

Description

一种机器人用紧凑型关节驱动装置

技术领域

本发明涉及动力驱动技术领域，尤其涉及一种机器人用紧凑型关节驱动装置。

背景技术

液压驱动大多用于功重比高的场合，要求输出力较大而运动速度较低，在机器人液压驱动系统中，以电液伺服系统驱动最具有代表性。但液压驱动油路系统复杂，受工作环境影响大，容易出现液压油泄露问题，造成环境污染。气压驱动因结构简单、反应迅速、气源方便和无污染等优点在工业机械人中应用较多，但气压驱动存在噪音大、需要配有气源、安全性差、稳定性差和控制精度差的缺陷，一般适用于精度要求不大的场合。电气驱动是利用电动机产生所需的力和力矩，直接或间接经过机械传动去驱动执行机构，使得机器人完成各种运动。由于省去了中间能量转换的过程，所以电气驱动比液压及气动驱动效率高。同时电气驱动控制性能好，控制准确，精度高，工作时响应速度快，具有较高的柔性，可靠性和可维护性好，因而使用方便。随着机器人技术的不断发展与进步，出现了利用新工作原理制造的新型的驱动器，如绳驱动、磁致伸缩驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉等，这些都是新型的驱动方式。

对于外骨骼式康复训练机器人等仿人或动物的关节的机器人，一般采用工作精度高、运动平稳性好的电机驱动方式，电机需尽量安装在对应的关节处，但是由于现有的电机一般体积和重量较大，如还需加上编码器和减速器等，加重了关节的负载，影响关节机器人的工作效率，也影响整个机器人外观的美观性。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种小体积、大转矩的机器人用紧凑型关节驱动装置。本发明采用的技术手段如下：

一种机器人用紧凑型关节驱动装置，包括：依次设置的谐波减速器模块、驱动模块和测速模块，所述驱动模块包括：电机转轴、套设在所述电机转轴上的转子、套设在所述转子上的套筒、套设在所述套筒外的定子、固定在所述定子外的电机外壳以及固定在所述电机外壳端部的电机压盖；所述谐波减速器模块包括：套设在所述电机转轴一端的波发生器，通过柔性轴承安装在所述波发生器上的柔轮、与所述柔轮固定连接的柔轮输出法兰、一端与所述柔轮固定连接的交叉滚子轴承、与所述交叉滚子轴承另一端固定连接的刚轮以及与所述刚轮固定连接的刚轮输出法兰；所述测速模块包括：测速轴和套设在所述测速轴外且与所述电机压盖固定连接的光栅码盘；所述电机转轴为阶梯轴，所述测速轴为阶梯轴，所述波发生器设置在电机转轴的阶梯轴的输出端，所述转子和套筒设置在电机转轴的阶梯轴的输入端和测速轴阶梯轴的输出端之间，所述转子固定在所述测速轴上，所述测速轴固定在所述电机转轴上。

进一步地，所述电机转轴为阶梯轴，依次包括第一电机轴、轴径大于所述第一电机轴的第二电机轴、轴径小于所述第二电机轴的第三电机轴、轴径小于所述第三电机轴的第四电机轴和轴径小于所述第四电机轴的第五电机轴；所述测速轴为阶梯轴，依次包括第一测速轴、轴径大于所述第一测速轴的第二测速轴以及轴径大于所述第二测速轴的第三测速轴，其中所述第三测速轴的中心具有空腔，所述第二测速轴的端部还具有从所述第三测速轴的空腔内穿出的第四测速轴；所述波发生器与所述第一电机轴固定连接，所述电机外壳和所述第三电机轴通过第一轴承连接，所述第一轴承的一端抵靠在所述第二电机轴和所述第三电机轴形成的轴肩上；所述转子和所述套筒的一端均抵靠在所述第四电机轴和所述第五电机轴形成的轴肩上；所述转子的另一端抵靠在所述第一测速轴和所述第二测速轴形成的轴肩上，所述套筒的另一端抵靠在所述第二测速轴和所述第三测速轴形成的轴肩上；所述转子与所述测速轴通过螺钉固定连接，所述测速轴与所述电机转轴通过螺钉固定连接。

进一步地，所述电机压盖与所述第三测速轴之间通过第二轴承连接；所述第一轴承、所述第二轴承与所述定子之间均夹设有绝缘垫板。

进一步地，所述柔轮为薄壁T型结构，即其片状法兰和圆筒状安装筒组合而成的径向横切面为T型；一螺钉依次穿过所述交叉滚子轴承0、片状法兰、柔轮输出法兰至所述电机外壳内，将四者固定在一起。

进一步地，所述柔轮输出法兰通过第三轴承与所述波发生器连接，所述刚轮输出法兰通过第四轴承与所述波发生器连接。

进一步地，所述电机外壳内具有电机安装腔，所述定子的外周面与所述电机外壳粘接。

进一步地，所述光栅码盘的外侧还固定连接有光栅编码器盖。

进一步地，所述光栅码盘的外侧还固定连接有光栅编码器盖。

进一步地，所述波发生器的外周面上具有对所述第三轴承轴向限位的第一限位肩、对所述第四轴承轴向限位的第二限位肩以及对所述柔性轴承0限位的限位凸缘。

进一步地，所述柔轮输出法兰上具有用来对所述第三轴承轴向限位的第三限位肩；所述刚轮输出法兰上具有用来对所述第四轴承轴向限位的第四限位肩。

本发明具有以下优点：

1、将电机转轴和测速轴均设置成阶梯轴用来安装不同的零部件，不同直径的轴的外周面对不同直径的零部件进行径向安装，同时阶梯轴形成的轴肩可以对零部件进行轴向定位，一方面减少了过多的不同直径的轴对接同轴度难以保证的问题，另一方面尽量缩短了电机的轴向长度。

2、整个驱动装置通过电机外壳的法兰边缘安装在需要驱动的关节轴线处，定子固定于电机外壳上，转子安装在电机转轴上，而电机外壳安装在机器人上，保证了电机运动的稳定性，能够满足大转矩的输出，同时又满足了机器人对关节驱动装置体积尽量小的要求。

3、在定子的两端设置绝缘垫片与轴承和电机外壳隔开，对定子的绕组线圈进行绝缘，避免发生漏电。

基于上述理由本发明可在动力驱动技术领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例整体结构图；

图2是本发明实施例剖视图；

图3是本发明实施例电机转轴立体图；

图4是本发明实施例测速轴立体图；

图5是本发明实施例电机外壳剖视图；

图6是本发明实施例波发生器立体图；

图7是本发明实施例柔轮立体图；

图8是本发明实施例柔轮输出法兰剖视图；

图9是本发明实施例刚轮输出法兰剖视图。

图中：1、转子，2、定子，3、套筒，4、电机转轴，41、第一电机轴，42、第二电机轴，43、第三电机轴，44、第四电机轴，45、第五电机轴，5、电机外壳，51、电机安装腔，6、电机压盖，7、波发生器，71、第一限位肩，72、第二限位肩，73、限位凸缘，8、柔轮，81、片状法兰，82、圆筒状安装筒，9、柔轮输出法兰，91、第三限位肩，10、交叉滚子轴承，11、刚轮，12、刚轮输出法兰，121、第四限位肩，13、光栅码盘，14、测速轴，141、第一测速轴，142、第二测速轴，143、第三测速轴，144、第四测速轴，15、径向紧定螺钉，16、第一轴承，17、第二轴承，18、第三轴承，19、第四轴承，20、柔性轴承，21、绝缘垫板，22、光栅编码器盖，23、密封件。

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中的附图，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。

如图1-图7所示的本发明的一种机器人用紧凑型关节驱动装置的具体实施例，包括依次设置的谐波减速器模块、驱动模块和测速模块，驱动模块包括：电机转轴4、套设在电机转轴4上的转子1、套设在转子1上的套筒3、套设在套筒3外的定子2、固定在定子2外的电机外壳5以及固定在电机外壳5端部的电机压盖6；谐波减速器模块包括：套设在电机转轴4一端的波发生器7、通过柔性轴承20安装在波发生器7上的柔轮8、与柔轮8固定连接的柔轮输出法兰9、一端与柔轮8固定连接的交叉滚子轴承10、与交叉滚子轴承10另一端固定连接的刚轮11以及与刚轮11固定连接的刚轮输出法兰12；测速模块包括：套设在测速轴14外且与电机压盖6固定连接的光栅码盘13和固定连接在光栅码盘13的外侧的光栅编码器盖22。参见图3，电机转轴4为阶梯轴，依次包括第一电机轴41、轴径大于第一电机轴41的第二电机轴42、轴径小于第二电机轴42的第三电机轴43、轴径小于第三电机轴43的第四电机轴44和轴径小于第四电机轴44的第五电机轴45；参见图4，测速轴14为阶梯轴，依次包括第一测速轴141、轴径大于第一测速轴141的第二测速轴142以及轴径大于第二测速轴142的第三测速轴143，其中第三测速轴143的中心具有空腔，第二测速轴142的端部还具有从第三测速轴143的空腔内穿出的第四测速轴144；波发生器7与第一电机轴41通过径向紧定螺钉15固定连接，保证了电机转轴4和波发生器7的同轴度。电机外壳5和第三电机轴43通过第一轴承16连接，第一轴承16的一端抵靠在第二电机轴42和第三电机轴43形成的轴肩上；转子1和套筒3的一端均抵靠在第四电机轴44和第五电机轴45形成的轴肩上；转子1的另一端抵靠在第一测速轴141和第二测速轴142形成的轴肩上，套筒3的另一端抵靠在第二测速轴142和第三测速轴143形成的轴肩上；转子1与测速轴14通过螺钉固定连接，测速轴14与电机转轴4通过螺钉固定连接，测速轴14和电机转轴4均由转子1过盈配合安装，且通过螺钉加强固定连接，保证了电机转轴4和测速轴14的同轴度。

参见图1，为电机压盖6与第三测速轴143之间通过第二轴承17连接；为防止定子2上的线圈绕组漏电，第一轴承16、第二轴承17与定子2之间均夹设有绝缘垫板21。参见图5，电机外壳5内具有电机安装腔51，定子2的外周面与电机外壳5粘接；定子2的两侧面均通过绝缘垫板21与电机外壳5的内壁、第一轴承16/第二轴承17隔开。

参见图6，柔轮8为薄壁T型结构，包括片状法兰81和圆筒状安装筒82；一螺钉依次穿过交叉滚子轴承10、片状法兰81、柔轮输出法兰9至电机外壳5内，将四者固定在一起。参见图7，波发生器7的外周面上具有对第三轴承18轴向限位的第一限位肩71、对第四轴承19轴向限位的第二限位肩72以及对柔性轴承20限位的限位凸缘73。柔轮输出法兰9通过第三轴承18与波发生器7连接，刚轮输出法兰12通过第四轴承19与波发生器7连接。如图8柔轮输出法兰9上具有用来对第三轴承18轴向限位的第三限位肩91。如图9所示刚轮输出法兰12上具有用来对第四轴承19轴向限位的第四限位肩121。第三轴承18的轴向一端抵靠在第一限位肩71上，另一端抵靠在第三限位肩91上；第四轴承19的轴向一端抵靠在第二限位肩72上，另一端抵靠在第四限位肩121上。

谐波减速模块的输出端为刚轮输出法兰12，刚轮输出法兰12通过螺栓与关节处的各负载连接。波发生器7使柔轮8产生弹性变形而呈椭圆状，椭圆的长轴部分与刚轮11啮合，而短轴部分轮齿与刚轮11的轮齿脱开，若波发生器7顺时针旋转180度，刚轮11逆时针移动一个轮齿，波发生器7旋转一周，由于柔轮8的齿数比刚轮11少两个，因此刚轮11逆时针转动两个轮齿，将刚轮11的转动作为输出从而驱动各关节处的负载运动。

参见图1，为了保护各轴承，刚轮输出法兰12与波发生器7之间还设置有密封件23；柔轮输出法兰9与波发生器7之间也设置有密封件。本实施例中，密封件采用橡胶油封。

本实施例中的第一轴承16、第二轴承17、第三轴承18和第四轴承19均采用深沟球轴承。

本发明结合机器人的关节处驱动的特殊要求，利用在各转动轴上设置轴肩或者限位凸缘73，实现对轴承等其他零部件的直接限位。将电机转轴4和测速轴14均设置成阶梯轴用来安装不同的零部件，不同直径的轴的外周面对不同直径的零部件进行径向安装，一根轴上安装多个零部件，同时阶梯轴形成的轴肩可以对零部件进行轴向定位，一方面减少了过多的不同直径的轴对接同轴度难以保证的问题，另一方面尽量缩短了电机的轴向长度。轴承的径向定位直接通过电机外壳5、电机压盖6、刚轮输出法兰12、柔轮输出法兰9固定，尽量减小的整个电机的径向长度。

整个驱动装置通过电机外壳5的法兰边缘安装在需要驱动的关节轴线处，定子2固定与电机外壳5上，转子1安装在电机转轴4上，而电机外壳5安装在机器人上，保证了电机运动的稳定性，能够满足大转矩的输出，同时又满足了机器人对关节驱动装置体积尽量小的要求。

可以看出，本发明实施例的结构非常紧凑，将能够同时实现测速和减速的驱动装置轴线压缩的尽量短，径向压缩到尽量小。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，包括：依次设置的谐波减速器模块、驱动模块和测速模块，所述驱动模块包括：电机转轴(4)、套设在所述电机转轴(4)上的转子(1)、套设在所述转子(1)上的套筒(3)、套设在所述套筒(3)外的定子(2)、固定在所述定子(2)外的电机外壳(5)以及固定在所述电机外壳(5)端部的电机压盖(6)；所述谐波减速器模块包括：套设在所述电机转轴(4)一端的波发生器(7)，通过柔性轴承(20)安装在所述波发生器(7)上的柔轮(8)、与所述柔轮(8)固定连接的柔轮输出法兰(9)、一端与所述柔轮(8)固定连接的交叉滚子轴承(10)、与所述交叉滚子轴承(10)另一端固定连接的刚轮(11)以及与所述刚轮(11)固定连接的刚轮输出法兰(12)；所述测速模块包括：测速轴(14)和套设在所述测速轴(14)外且与所述电机压盖(6)固定连接的光栅码盘(13)；所述电机转轴(4)为阶梯轴，所述测速轴(14)为阶梯轴，所述波发生器设置在电机转轴的阶梯轴的输出端，所述转子(1)和套筒(3)设置在电机转轴的阶梯轴的输入端和测速轴阶梯轴的输出端之间，所述转子(1)固定在所述测速轴(14)上，所述测速轴(14)固定在所述电机转轴(4)上。

2.根据权利要求1所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述电机转轴(4)为阶梯轴，依次包括第一电机轴(41)、轴径大于所述第一电机轴(41)的第二电机轴(42)、轴径小于所述第二电机轴(42)的第三电机轴(43)、轴径小于所述第三电机轴(43)的第四电机轴(44)和轴径小于所述第四电机轴(44)的第五电机轴(45)；所述测速轴(14)为阶梯轴，依次包括第一测速轴(141)、轴径大于所述第一测速轴(141)的第二测速轴(142)以及轴径大于所述第二测速轴(142)的第三测速轴(143)，其中所述第三测速轴(143)的中心具有空腔，所述第二测速轴(142)的端部还具有从所述第三测速轴(143)的空腔内穿出的第四测速轴(144)；所述波发生器(7)与所述第一电机轴(41)固定连接，所述电机外壳(5)和所述第三电机轴(43)通过第一轴承(16)连接，所述第一轴承(16)的一端抵靠在所述第二电机轴(42)和所述第三电机轴(43)形成的轴肩上；所述转子(1)和所述套筒(3)的一端均抵靠在所述第四电机轴(44)和所述第五电机轴(45)形成的轴肩上；所述转子(1)的另一端抵靠在所述第一测速轴(141)和所述第二测速轴(142)形成的轴肩上，所述套筒(3)的另一端抵靠在所述第二测速轴(142)和所述第三测速轴(143)形成的轴肩上；所述转子(1)与所述测速轴(14)通过螺钉固定连接，所述测速轴(14)与所述电机转轴(4)通过螺钉固定连接。

3.根据权利要求2所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述电机压盖(6)与所述第三测速轴(143)之间通过第二轴承(17)连接；所述第一轴承(16)、所述第二轴承(17)与所述定子(2)之间均夹设有绝缘垫板。

4.根据权利要求1所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述柔轮(8)为薄壁T型结构，即其片状法兰(81)和圆筒状安装筒(82)组合而成的径向横切面为T型；一螺钉依次穿过所述交叉滚子轴承(10)、片状法兰(81)、柔轮输出法兰(9)至所述电机外壳(5)内，将四者固定在一起。

5.根据权利要求1所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述柔轮输出法兰(9)通过第三轴承(18)与所述波发生器(7)连接，所述刚轮输出法兰(12)通过第四轴承(19)与所述波发生器(7)连接。

6.根据权利要求1所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述电机外壳(5)内具有电机安装腔(51)，所述定子(2)的外周面与所述电机外壳(5)粘接。

7.根据权利要求1所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述光栅码盘(13)的外侧还固定连接有光栅编码器盖(22)。

8.根据权利要求1所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述刚轮输出法兰(12)与所述波发生器(7)之间还设置有密封件；所述柔轮输出法兰(9)与所述波发生器(7)之间也设置有密封件。

9.根据权利要求5所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述波发生器(7)的外周面上具有对所述第三轴承(18)轴向限位的第一限位肩(71)、对所述第四轴承(19)轴向限位的第二限位肩(72)以及对所述柔性轴承(20)限位的限位凸缘(73)。

10.根据权利要求5所述的机器人用紧凑型关节驱动装置，其特征在于，所述柔轮输出法兰(9)上具有用来对所述第三轴承(18)轴向限位的第三限位肩(91)；所述刚轮输出法兰(12)上具有用来对所述第四轴承(19)轴向限位的第四限位肩(121)。

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