CN111452083A - 一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，包括谐波减速器、无框电机、输出轮和力矩检测机构，所述的输出轮设置在谐波减速器和无框电机之间，所述的无框电机传递扭矩至谐波减速器的波发生器，谐波减速器的柔轮传递扭矩至输出轮，谐波减速器的钢轮固定在谐波外框内，所述的无框电机固定在电机外框内，所述的力矩检测机构设置在谐波外框和和电机外框之间，且两侧分别与谐波外框和电机外框固定连接，所述的力矩检测机构检测谐波减速器的钢轮的转矩，所述的无框电机内设有检测无框电机位置和转速的霍尔传感器。本发明实现从模块中间输出，既利于驱动模块在机器人系统中的布置，又集合了力矩检测功能，结构布局紧凑，功能多样。

Description

一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块。
背景技术
机器人系统中通常使用大量的驱动装置来驱动多自由度关节的运动，驱动装置作为动力输出装置，其外形尺寸和性能对于最终机械系统的性能而言至关重要。
目前机器人系统中的驱动模块通常是将电机和减速器串联，输出端布置在减速器的末端，然而这种输出端偏置的设计有时会导致机器人内部的空间利用率较低，不利于驱动模块的布置；同时驱动模块中往往不具有力矩检测的功能，需要在系统内额外增加力矩检测的机构，结构繁琐，增大驱动模块体积。因此需要设计一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，以解决目前驱动模块中输出端偏置且无法测量输出转矩的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，包括谐波减速器、无框电机、输出轮和力矩检测机构，所述的输出轮设置在谐波减速器和无框电机之间，所述的无框电机传递扭矩至谐波减速器的波发生器，谐波减速器的柔轮传递扭矩至输出轮，谐波减速器的钢轮固定在谐波外框内，所述的无框电机固定在电机外框内，所述的力矩检测机构设置在谐波外框和和电机外框之间，且两侧分别与谐波外框和电机外框固定连接，所述的力矩检测机构检测谐波减速器的钢轮的转矩，所述的无框电机内设有检测无框电机位置和转速的霍尔传感器。
进一步的，所述的无框电机包括转轴、电机转子、电机定子和电路板，所述的电机定子固定在电机外框上，所述的电机转子设置在电机定子内部，所述的电机转子固定在转轴的一端，所述的转轴的另一端穿过输出轮后与波发生器连接，所述的电路板固定在电机外框外侧，所述的霍尔传感器设置在电路板上，所述输出轮的一端通过轴承定位在电机外框上，所述的输出轮的另一端通过轴承定位在柔轮的台肩上，所述的输出轮与柔轮通过键槽连接。
进一步的，所述的力矩检测机构包括连接框和应变片，所述的连接框上设有应变梁，在每个应变梁上均贴应变片，通过螺钉依次连接谐波外框、连接框和电机外框，所述输出轮位于连接框内。
进一步的，在连接框的四角各设一个应变梁，每个应变梁上贴一个应变片或在连接框的两个角各设一个应变梁，每个应变梁上贴两个应变片。
进一步的，所述转轴上非端部处设有两个支撑轴承，其中一个支撑轴承通过定位套和套筒定位，其中另一个支撑轴承通过转轴台肩和输出轮定位。
进一步的，所述波发生器通过垫圈和螺钉定位在转轴的一端。
进一步的，在谐波外框的外侧设有减速器盖板，所述减速器盖板通过螺钉固定在谐波外框上。
进一步的，连接电机转子的转轴的一端为大径结构，且大径结构的端部处开设有凹槽，所述电机转子为普通转子，电机转子未覆盖转轴的大径结构的端部，在大径结构的端部所述凹槽内设有环形磁铁，所述霍尔传感器垂直设置在电路板上，霍尔传感器伸入环形磁铁形成的磁场内。
进一步的，连接电机转子的转轴的一端为大径结构，所述电机转子为L型结构，电机转子贴合在转轴的大径结构的端部，所述霍尔传感器平行设置在电路板上。
进一步的，所述驱控模块工作时，所述电机外框与外部结构进行定位和固定，所述谐波外框处于悬空状态。
相对于现有技术，本发明所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块具有以下优势：
本发明所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，无框电机产生的转矩传递到谐波减速器的波发生器上，再通过谐波减速器的柔轮传递到驱动模块中间的输出轮上；转轴位于电机一侧的部分安装有霍尔传感器，霍尔传感器与电路板连接；固定谐波减速器钢轮的框架与电机端之间的连接机构上设计有应变梁，应变梁上安装有应变片，用来测量谐波减速器钢轮部分的转矩，进而得到输出转矩。采用无框电机，将霍尔传感器布置在转轴中，提高了模块内部的空间利用率；此驱动装置体积小，输出力矩大，能同时测量位置和转矩。输出轮布置在谐波减速器和电机的中间，有利于驱动模块在机器人系统中的布置，提高了使用的灵活性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块的立体结构示意图；
图2为本发明的零件分解图；
图3是本发明的局部剖视图；
图4是本发明中电机转子和霍尔传感器的另一种设计方式示意图。
附图标记说明：
1-霍尔传感器，2-减速器盖板，3-电机定子，4-垫圈，5-谐波减速器，5-1-波发生器，5-2-柔轮，5-3-钢轮，6-应变梁，7-定位套，8-第一支撑轴承，9-套筒，10-谐波外框，11-第一轴承，12-输出轮，13-应变片，14-第二支撑轴承，15-第二轴承，16-转轴，17-连接框，18-电机外框，19-环形磁铁，20--电机转子，21-电路板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，包括谐波减速器5、无框电机、输出轮12和力矩检测机构，所述的输出轮12设置在谐波减速器5和无框电机之间，所述的无框电机内设有检测无框电机位置和转速的霍尔传感器1，无框电机包括转轴16、电机转子20、电机定子3和电路板21，所述的电机定子3固定在电机外框18上，所述的电机转子20设置在电机定子3内部，所述的电机转子20固定在转轴16的一端，所述的转轴16的另一端穿过输出轮12后与波发生器5-1连接，所述的电路板21固定在电机外框18外侧，所述的霍尔传感器1设置在电路板21上，所述输出轮12的一端通过第二轴承15定位在电机外框18上，所述的输出轮12的另一端通过第一轴承11定位在柔轮5-2的台肩上，所述的输出轮12与柔轮5-2通过键槽连接，所述的无框电机传递扭矩至谐波减速器5的波发生器5-1，谐波减速器5的柔轮5-2传递扭矩至输出轮12，谐波减速器5的钢轮5-3固定在谐波外框10内，所述的无框电机固定在电机外框18内，所述的力矩检测机构设置在谐波外框10和和电机外框18之间，且两侧分别与谐波外框10和电机外框18固定连接，力矩检测机构包括连接框17和应变片13，所述的连接框17上设有应变梁6，在每个应变梁6上均贴应变片13，通过螺钉依次连接谐波外框10、连接框17和电机外框18，所述输出轮12位于连接框17内，所述的力矩检测机构检测谐波减速器5的钢轮5-3的转矩。在所述转轴16上非端部处设有两个支撑轴承，第一支撑轴承8通过定位套7和套筒9定位，第二支撑轴承14通过转轴台肩和输出轮12定位，具体为：所述定位套7的大径端端面抵在波发生器5-1的端面，另一端与所述第一支撑轴承8的内圈端面相抵；第一支撑轴承8的外圈及外圈端面与套筒9内表面相抵，所述套筒9外表面与谐波减速器柔轮相抵；所述波发生器5-1通过垫圈4和螺钉定位在转轴16的一端；在谐波外框10的外侧设有减速器盖板2，所述减速器盖板2通过螺钉固定在谐波外框10上。连接电机转子20的转轴16的一端为大径结构，且大径结构的端部处开设有凹槽，所述电机转子20为普通转子，电机转子20未覆盖转轴16的大径结构的端部，在大径结构的端部所述凹槽内设有环形磁铁19，所述霍尔传感器1垂直设置在电路板21上，霍尔传感器1伸入环形磁铁19形成的磁场内。
在连接框17的四角各设一个应变梁6，每个应变梁6上贴一个应变片13，四个应变片形成全桥测量；或在连接框17的两个角各设一个应变梁6，每个应变梁6上贴两个应变片13，所述连接件17的应变梁6的布置位置并不唯一，可以视实际结构的设计情况进行调整。
输出轮13可以被替换为其他结构，包括但不限于齿轮、连杆、腱绳绕线轮等，具体结构可视实际需求进行调整。
如图4所示，连接电机转子20的转轴16的一端为大径结构，所述电机转子20为L型结构，电机转子20贴合在转轴16的大径结构的端部，所述霍尔传感器1平行设置在电路板21上，利用电机转子20的磁场即可测得电机转速，而无需在转轴16的内部设置磁铁。
所述驱控模块工作时，所述电机外框18与外部结构进行定位和固定，所述谐波外框10处于悬空状态。输出轮12设有销轴孔与所述电机外框18的销轴孔可以插入销轴，在装配过程中用来对输出轮12定位；所述电机外框18的另一个销轴孔可以插入销轴，用来作为对外部连接的定位；所述电机外框18的螺纹孔用来作为对外部结构的连接。
通过合理的结构设计，本一体化关节式驱控模块将输出轮布置于中间，谐波减速器和电机分别置于两侧，使得模块的输出可以从模块中间引出，有利于驱控模块在系统中的布置；同时在谐波减速器和电机之间的外框连接部分设计有应变梁，可以测量来自谐波减速器钢轮部分的转矩，进而得到驱控模块的输出转矩；采用无框电机，增大了输出力矩，在无框电机内部安装有霍尔传感器，可以测量电机位置和转速，提高了驱控模块内部的空间利用率，增加了集成度；综上所述，本一体化关节式驱控模块体积小、输出转矩大、便于布置且具有转矩和位置检测功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：包括谐波减速器(5)、无框电机、输出轮(12)和力矩检测机构，所述的输出轮(12)设置在谐波减速器(5)和无框电机之间，所述的无框电机传递扭矩至谐波减速器(5)的波发生器(5-1)，谐波减速器(5)的柔轮(5-2)传递扭矩至输出轮(12)，谐波减速器(5)的钢轮(5-3)固定在谐波外框(10)内，所述的无框电机固定在电机外框(18)内，所述的力矩检测机构设置在谐波外框(10)和和电机外框(18)之间，且两侧分别与谐波外框(10)和电机外框(18)固定连接，所述的力矩检测机构检测谐波减速器(5)的钢轮(5-3)的转矩，所述的无框电机内设有检测无框电机位置和转速的霍尔传感器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：所述的无框电机包括转轴(16)、电机转子(20)、电机定子(3)和电路板(21)，所述的电机定子(3)固定在电机外框(18)上，所述的电机转子(20)设置在电机定子(3)内部，所述的电机转子(20)固定在转轴(16)的一端，所述的转轴(16)的另一端穿过输出轮(12)后与波发生器(5-1)连接，所述的电路板(21)固定在电机外框(18)外侧，所述的霍尔传感器(1)设置在电路板(21)上，所述输出轮(12)的一端通过一轴承定位在电机外框(18)上，所述的输出轮(12)的另一端通过一轴承定位在柔轮(5-2)的台肩上，所述的输出轮(12)与柔轮(5-2)通过键槽连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：所述的力矩检测机构包括连接框(17)和应变片(13)，所述的连接框(17)上设有应变梁(6)，在每个应变梁(6)上均贴应变片(13)，通过螺钉依次连接谐波外框(10)、连接框(17)和电机外框(18)，所述输出轮(12)位于连接框(17)内。
4.根据权利要求3所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：在连接框(17)的四角各设一个应变梁(6)，每个应变梁(6)上贴一个应变片(13)或在连接框(17)的两个角各设一个应变梁(6)，每个应变梁(6)上贴两个应变片(13)。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：在所述转轴(16)上非端部处设有两个支撑轴承，其中一个支撑轴承通过定位套(7)和套筒(9)定位，其中另一个支撑轴承通过转轴台肩和输出轮(12)定位。
6.根据权利要求5所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：所述波发生器(5-1)通过垫圈(4)和螺钉定位在转轴(16)的一端。
7.根据权利要求6所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：在谐波外框(10)的外侧设有减速器盖板(2)，所述减速器盖板(2)通过螺钉固定在谐波外框(10)上。
8.根据权利要求2-4中任一项所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：连接电机转子(20)的转轴(16)的一端为大径结构，且大径结构的端部处开设有凹槽，所述电机转子(20)为普通转子，电机转子(20)未覆盖转轴(16)的大径结构的端部，在大径结构的端部所述凹槽内设有环形磁铁(19)，所述霍尔传感器(1)垂直设置在电路板(21)上，霍尔传感器(1)伸入环形磁铁(19)形成的磁场内。
9.根据权利要求7所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：连接电机转子(20)的转轴(16)的一端为大径结构，所述电机转子(20)为L型结构，电机转子(20)贴合在转轴(16)的大径结构的端部，所述霍尔传感器(1)平行设置在电路板(21)上。
10.根据权利要求1所述的一种具有力/位检测的一体化关节式驱控模块，其特征在于：所述驱控模块工作时，所述电机外框(18)与外部结构进行定位和固定，所述谐波外框(10)处于悬空状态。
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