CN111687879B - 一种协作机器人模块化关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低噪音的协作机器人模块化关节，其包括内环外壳；驱动机构，驱动机构包括电机轴、电机转子、电机端盖、电机壳体及电机定子；制动机构，制动机构包括摩擦片、安装座、制动件、电磁铁及弹性件，弹性件驱动制动件朝向摩擦片移动，电磁铁吸附制动件远离摩擦片；谐波减速器，谐波减速器的驱动端与电机轴固定，谐波减速器的固定端与内环外壳固定；外环壳体，外环壳体同轴连接于电机轴，外环壳体与谐波减速器的柔性端连接；关节伺服驱动器。在关节正常工作时，电磁铁将制动件吸附从而使制动件与摩擦片的轴向相对位置不会发生改变，从而使制动件与摩擦片不易产生剐蹭，使关节在工作时不易产生噪音。

Description

一种协作机器人模块化关节

技术领域

本发明涉及机器人的技术领域，尤其是涉及一种低噪音的协作机器人模块化关节。

背景技术

在工业4.0的背景下，对高端智能装备提出要求，智能机器人行业迎来一轮新的发展契机。目前，世界制造业的生产模式正在面临着从批量生产向用户定制的转变，对柔性、智能、个性化制造有着强劲的需求。协作机器人作为机器人的重要分支，自诞生以来，便取得了高速发展，产业化进程不断加速，新晋厂商不断增加，应用领域不断拓展，商业模式不断创新。人机协作型机器人具有人机优势互补、环境感知能力强、工作范围大、操作灵巧、工作效率高等突出优点，必将成为未来柔性制造中不可替代的重要装备和自动化手段。除了制造业以外，先进的人机协作机器人技术还可广泛应用于家政服务、3C电子、汽车零部件等多个行业领域以及核能、载人航天、探月等特殊领域，具有广阔发展前景。

用于协作机器人的模块化关节是核心部件，具有以下发展趋势：模块化、简化设计流程、缩短设计周期；具有高负载/自重比、高集成度、轻量化、高灵敏度、高精度、安全易于装配的特点。

中国专利CN209111109U公开了一种机器人用关节和机器人，其包括安装座，安装座上连接有电机和导轴，导轴轴向平行电机转轴轴向，电机的输出端连接传动轴，传动轴上套设有刹车片和刹车座，刹车片固定连接于传动轴，刹车座相对传动轴滑动设置，导轴上套设有弹性回复部件，刹车座滑动连接于导轴，且刹车座与导轴的连接处位于弹性回复部件远离刹车片的一侧，弹性回复部件自由舒展时，刹车片和刹车座之间具有间隙，刹车片和刹车座能够通过电磁吸合。

上述方案在刹车不制动时，利用弹性件使刹车盘与刹车座分离，而关节在移动的过程中会产生震动，而刹车盘的位置未完全受到限定，此时刹车盘在受到震动时会出现与刹车座的剐蹭，从而导致关节在使用时产生噪音。

因此需要提出一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低噪音的协作机器人模块化关节，在关节正常工作时，摩擦片与制动件之间不易产生剐蹭，使关节的工作不易产生噪音。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种低噪音的协作机器人模块化关节，包括内环外壳；

驱动机构，驱动机构包括电机轴、同轴固定于电机轴的电机转子、同轴转动于电机轴的电机端盖、同轴固定于电机端盖的端面的电机壳体及同轴固定于电机壳体内壁的电机定子，所述电机定子与电机转子之间留有间隙；

制动机构，所述制动机构包括连接于电机轴的摩擦片、固定于内环外壳的安装座、滑动于安装座的制动件、固定于安装座的电磁铁及驱动制动件朝向摩擦片移动的弹性件，所述弹性件驱动制动件朝向摩擦片移动，所述电磁铁吸附制动件远离摩擦片，所述电机壳体连接于安装座；

谐波减速器，谐波减速器的驱动端与电机轴固定，所述谐波减速器的固定端与内环外壳固定；

外环壳体，所述外环壳体同轴连接于电机轴，所述外环壳体与谐波减速器的柔性端连接，所述谐波减速器的柔性端带动外环壳体移动；

关节伺服驱动器，所述关节伺服驱动器同轴连接于外环壳体。

通过采用上述技术方案，在关节正常工作时，电磁铁将制动件吸附从而使制动件与摩擦片的相对位置不会发生改变，从而使制动件与摩擦片不易产生剐蹭，使关节在工作时不易产生噪音。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述外环壳体固定连接有扭矩传感器，所述扭矩传感器内壁同轴转动于电机轴。

通过采用上述技术方案，利用扭矩传感器对外环壳体的力矩进行实时检测，使力控的精度更高。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述电机轴内同轴转动有护线套，所述护线套的一端与电机端盖固定连接。

通过采用上述技术方案，电缆从护线套内穿过，此时电缆不易与不断转动的电机轴接触，使电缆不易产生磨损。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述谐波减速器的固定端远离内环外壳的一端同轴固定有对其一端进行支撑的内环轴，所述外环壳体靠近内环外壳的一端转动连接于内环轴。

通过采用上述技术方案，利用谐波减速器对外环壳体的一端进行支撑，从而使结构更加紧凑，同时外环壳体的一端受到限制，转动的过程更加稳定。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述扭矩传感器连接于外环壳体远离内环外壳的一端，所述扭矩传感器与护线套转动连接，所述扭矩传感器远离其与外环壳体连接的位置，与谐波减速器的柔性端固定连接。

通过采用上述技术方案，外环壳体远离内环外壳的一端也受到支撑，此时外环壳体的转动更加稳定。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括确定电机轴转动角度的第一编码器及确定外环壳体转速的第二编码器。

通过采用上述技术方案，利用第一编码器对电机轴的转动角度及转动速度进行测量，利用第二编码器对外环壳体的转动角度及转动速度进行测量。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一编码器包括固定于电机轴的第一读数头及固定于电机端盖的第一码盘，所述第二编码器包括固定于内环轴的第二码盘及固定于外环壳体的第二读数头，所述第一编码器与第二编码器相互远离。

通过采用上述技术方案，通过将第一编码器及第二编码器互相远离，此时第一编码器及第二编码器的安装及更换更加方便。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述电机壳体可拆卸连接于安装座，所述电机转子可拆卸连接于电机轴，所述电机定子可拆卸连接于电机壳体。

通过采用上述技术方案，将电机转子及电机定子进行更换，从而可对不同型号的驱动机构进行试验。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一读数头与电机端盖之间可拆卸连接有第一垫片。

通过采用上述技术方案，通过更换不同厚度的第一垫片调节第一码盘与第一读数头之间的间距，沉入可满足不同编码器的使用条件，可更换不同的编码器。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二读数头与外环壳体之间可拆卸连接有第二垫片。

通过采用上述技术方案，通过调节第二垫片的厚度从而调节第二读数头与第一读数头之间的间距，从而可满足不同编码器的使用条件，可更换不同的编码器。

综上所述，本发明包括以下有益技术效果：

1、在关节正常工作时，电磁铁将制动件吸附从而使制动件的位置限定，此时摩擦片与制动件之间不易产生剐蹭，从而在关节工作时不易产生噪音；

2、电机定子、电机转子及电机壳体均为可拆卸连接，此时可将三者更换不同的型号，从而可对不同型号的驱动机构进行测量。

附图说明

图1为本实施例的用于展示关节结构的剖视图；

图2为图1的A部放大图。

图中，1、内环外壳；2、外环壳体；3、驱动机构；31、电机轴；32、电机转子；33、电机端盖；34、电机壳体；35、电机定子；36、护线套；37、安装盘；371、容纳槽；372、延伸环；4、谐波减速器；41、螺钉；42、内环轴；43、滚子轴承；44、压板；5、制动机构；51、摩擦片；52、安装座；521、安装槽；522、导向杆；53、制动件；54、电磁铁；55、弹性件； 6、扭矩传感器；61、连接压环；62、自润滑轴承；63、连接件；7、关节伺服驱动器；8、第一编码器；81、第一读数头；82、第一码盘；83、第一垫片；9、第二编码器；91、第二读数头；92、第二码盘；93、第二垫片；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开的一种低噪音的协作机器人模块化关节，在关节正常转动的过程中，摩擦片51与制动件53之间不易产生剐蹭，使关节的工作过程不易产生噪音。如图1所示，包括内环外壳1、相对内环外壳1转动的外环壳体2、连接于内环外壳1的驱动机构3、驱动外环壳体2转动的谐波减速器4及限制外环壳体2转动的制动机构5。

如图1所示，驱动机构3包括电机轴31、同轴粘接于电机轴31的电机转子32、同轴套接于电机轴31的电机端盖33、使用螺栓固定于电机端盖33的电机壳体34及同轴粘接于电机壳体34内壁的电机定子35，电机定子35与电机转子32之间留有间隙，电机端盖33与电机轴31之间设置有向心球轴承，电机壳体34靠近内环外壳1的一端呈开口设置。内环外壳1朝向电机壳体34的方向呈开口设置，电机轴31穿过内环外壳1的底面且两者之间不接触。

如图1所示，电机轴31内同轴设置有护线套36，护线套36的一端使用螺栓与电机端盖33远离电机壳体34的端面固定，电机壳体34、护线套36及电机轴31均可使用铝合金材质，电机轴31与护线套36转动连接，用于供电及控制的电缆从护线套36内穿过，此时电缆不会直接与快速旋转的电机轴31接触，从而使电缆不易产生磨损，增加电缆的使用寿命。

如图2所示，制动机构5设置于内环外壳1内，其包括连接于电机轴31的摩擦片51、使用螺栓固定于内环外壳1靠近电机壳体34一端的安装座52、同轴滑动于安装座52的制动件53、固定于安装座52内的电磁铁54及驱动制动件53朝向摩擦片51移动的弹性件55，安装座52套接于电机轴31，且两者之间设置有向心球轴承。安装座52靠近内环外壳1底面的端面同轴开设有安装槽521，电磁铁54同轴使用螺栓固定于安装槽521内，制动件53同轴设置于安装座52开设有安装槽521的端面，制动件53为摩擦板，安装座52靠近制动件53的端面周向螺纹连接有若干平行于安装座52轴线的导向杆522，导向杆522均穿过制动件53，制动件53沿导向杆522水平移动。弹性件55为弹簧，其设置于制动件53与安装座52之间，对制动件53施加远离安装座52的力。电机轴31远离电机端盖33的一端同轴使用螺栓固定有安装盘37，安装盘37靠近安装座52的端面同轴开设有容纳槽371，摩擦片51粘接于容纳槽371内，且摩擦片51的一端凸出于容纳槽371的开口。此时在关节需要转动时，电磁铁54通电从而使制动件53与摩擦片51脱离连接，由于制动件53受到电磁铁54的限制，在关节工作时也不会出现制动件53与摩擦片51的剐蹭，从而使关节的移动过程不易产生噪音。

如图1和图2所示，安装盘37远离电机轴31的一端同轴设置有延伸环372，谐波减速器4的驱动端套接于延伸环372，谐波减速器4靠近电机轴31的一端与安装盘37远离电机轴31的端面抵接，且谐波减速器4的驱动端远离电机轴31的端面穿设有若干螺钉41，所述螺钉41依次穿过谐波减速器4、安装板及电机轴31，电机轴31带动谐波减速器4的驱动端转动。谐波减速器4的固定端靠近电机轴31的端面与内环外壳1远离电机壳体34的端面抵接，谐波减速器4的固定端远离内环外壳1的端面同轴连接有内环轴42，内环轴42、谐波减速器4的固定端及内环外壳1同时使用螺栓固定，此时谐波减速器4的固定端及驱动端均受到限制，从而使谐波减速器4的运动过程更加稳定。

如图1所示，内环轴42外同轴套接有滚子轴承43，外环壳体2呈两端开口结构，其同轴套接于滚子轴承43的外圈，且外环壳体2靠近内环外壳1的端面同轴使用螺栓固定有压板44，压板44与滚子轴承43的外环端面抵接，用于限定外环壳体2的位置。

如图1所示，外环壳体2远离内环外壳1的端面同轴使用螺栓连接有扭矩传感器6，扭矩传感器6的纵向截面呈L型，其水平段与谐波减速器4的柔性端远离电机轴31的端面抵接，谐波减速器4靠近电机轴31的端面同轴连接有连接压环61，连接压环61内壁同轴连接有自润滑轴承62，自润滑轴承62的内圈套接于护线套36远离电机壳体34的一端，扭矩传感器6的水平段、谐波减速器4的柔性端及连接压环61同时使用螺栓固定，利用扭矩传感器6对外环壳体2远离内环外壳1的一端抵接，同时利用扭矩传感器6对外环壳体2的力矩进行实时检测，使力控精度更高。

如图1所示，扭矩传感器6远离电机轴31的一端同轴使用螺栓连接有连接件63，连接件63远离扭矩传感器6的一端同轴使用螺栓连接有关节伺服驱动器7，关节伺服驱动器7控制驱动机构3的启停及正反向转动。

如图1所示，关节还连接有确定电机轴31转动角度及外环壳体2的转动交的第一编码器8及第二编码器9，第一编码器8包括使用螺栓固定于电机端盖33的第一读数头81及同轴使用螺栓固定于电机轴31的第一码盘82，第一码盘82位于第一读数头81靠近电机端盖33的一侧。第一读数头81与电机端盖33之间设置有调节两者间距的第一垫片83，通过更换不同厚度的第一垫片83调节第一码盘82与第一读数头81之间的间距，沉入可满足不同编码器的使用条件，可更换不同的编码器。

如图1所示，第二编码器9设置于外环壳体2内，其包括同轴固定于内环轴42的第二码盘92及同轴使用螺栓固定于外环壳体2内壁的第二读数头91，第二读数头91与外环壳体2之间可拆卸连接有第二垫片93，通过调节第二垫片93的厚度从而调节第二读数头91与第一读数头81之间的间距，从而可满足不同编码器的使用条件，可更换不同的编码器。

第一编码器8及第二编码器9分别布置于关节的两端，此时第一编码器8靠近电机轴31，第二编码器9靠近外环壳体2，此时减少了长距离的结构的连接，提高了结构的可靠性，同时也减少了连接结构的误差而对第一编码器8及第二编码器9的信号识别产生误导，提高了检测的精度。

本实施例的实施原理为：关节伺服驱动器7接收到启动信号之后，控制制动机构5通电，电磁铁54将制动件53吸附从而使制动件53与摩擦片脱离连接，关节伺服驱动器7同时控制电机转子通电，电机轴31开始转动，带动谐波减速器4的驱动端转动，谐波减速器4减速之后利用柔性端带动扭矩传感器6及外环壳体2转动，利用第一编码器8读取电机轴31的转动角度及转速，利用第二编码器9读取外环壳体2的转动角度及转速。当关节伺服驱动器7接收到停止信号之后，控制驱动机构3减速，制动机构5断电，此时弹性件55带动制动件53朝向摩擦片51移动并使制动件53与摩擦片51抵接，使关节停止转动。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种协作机器人模块化关节，其特征在于，包括：内环外壳(1)；

驱动机构(3)，包括电机轴(31)、同轴固定于所述电机轴(31)的电机转子(32)、同轴转动于所述电机轴(31)的电机端盖(33)、同轴固定于所述电机端盖(33)的端面的电机壳体(34)及同轴固定于所述电机壳体(34)内壁的电机定子(35)，所述电机定子(35)与所述电机转子(32)之间留有间隙；

制动机构(5)，设置于所述内环外壳(1)内并位于所述驱动机构(3)的一侧，所述制动机构(5)包括连接于所述电机轴(31)的摩擦片(51)、固定于所述内环外壳(1)靠近所述电机壳体(34)一端的安装座(52)、沿着所述安装座(52)的轴线相对滑动于所述安装座(52)的制动件(53)、固定于所述安装座(52)的安装槽(521)内的电磁铁(54)及驱动所述制动件(53)朝向所述摩擦片(51)移动的弹性件(55)，所述弹性件(55)设置于所述制动件(53)与所述安装座(52)开设有所述安装槽(521)的端面之间，用于对所述制动件(53)施加远离所述安装座(52)的力，所述电磁铁(54)吸附所述制动件(53)远离所述摩擦片(51)；所述电磁铁(54)通电从而使所述制动件(53)与所述摩擦片(51)脱离连接，所述制动件(53)受到所述电磁铁(54)的限制，在关节工作时不会出现所述制动件(53)与所述摩擦片(51)的剐蹭；

谐波减速器(4)，所述谐波减速器(4)的驱动端与所述电机轴(31)固定，所述谐波减速器(4)的固定端与所述内环外壳(1)固定；

外环壳体(2)，同轴连接于所述电机轴(31)，所述外环壳体(2)与所述谐波减速器(4)的柔性端连接，所述谐波减速器(4)的柔性端带动所述外环壳体(2)移动；

关节伺服驱动器(7)，同轴连接于所述外环壳体(2)，用于控制所述驱动机构(3)的启停及正反向转动；

所述电机壳体(34)可拆卸连接于所述安装座(52)，所述电机转子(32)可拆卸连接于所述电机轴(31)，所述电机定子(35)可拆卸连接于所述电机壳体(34)；

所述电机轴(31)远离所述电机端盖(33)的一端同轴固定有安装盘(37)，所述安装盘(37)靠近所述安装座(52)的端面同轴开设有容纳槽(371)，所述摩擦片(51)粘接于所述容纳槽(371)内，且所述摩擦片(51)的一端凸出于所述容纳槽(371)的开口；

所述安装盘(37)远离所述电机轴(31)的一端同轴设置有延伸环(372)，所述谐波减速器(4)的驱动端套接于所述延伸环(372)，所述谐波减速器(4)靠近所述电机轴(31)的一端与所述安装盘(37)远离所述电机轴(31)的端面抵接；

所述安装盘(37)具有所述容纳槽(371)的部位、所述摩擦片(51)与所述制动件(53)都位于所述内环外壳(1)的内壁与所述安装座(52)开设有所述安装槽(521)的端面之间的空隙。

2.根据权利要求1所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述外环壳体(2)固定连接有扭矩传感器(6)，所述扭矩传感器(6)内壁同轴转动于所述电机轴(31)；所述关节伺服驱动器(7)接收到启动信号之后，控制所述制动机构(5)通电，所述电磁铁(54)将所述制动件(53)吸附从而使所述制动件(53)与所述摩擦片(51)脱离连接，所述关节伺服驱动器(7)同时控制所述电机转子(32)通电，所述电机轴(31)开始转动，带动所述谐波减速器(4)的驱动端转动，所述谐波减速器(4)减速之后利用柔性端带动所述扭矩传感器(6)及所述外环壳体(2)转动；当所述关节伺服驱动器(7)接收到停止信号之后，控制所述驱动机构(3)减速，所述制动机构(5)断电，此时所述弹性件(55)带动所述制动件(53)朝向所述摩擦片(51)移动并使所述制动件(53)与所述摩擦片(51)抵接，使关节停止转动。

3.根据权利要求2所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述电机轴(31)内同轴转动有护线套(36)，所述护线套(36)的一端与所述电机端盖(33)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述扭矩传感器(6)连接于所述外环壳体(2)远离所述内环外壳(1)的一端，所述扭矩传感器(6)与所述护线套(36)转动连接，所述扭矩传感器(6)远离与所述外环壳体(2)连接的位置，与所述谐波减速器(4)的柔性端固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述谐波减速器(4)的固定端远离所述内环外壳(1)的一端同轴固定有对其一端进行支撑的内环轴(42)，所述外环壳体(2)靠近所述内环外壳(1)的一端转动连接于所述内环轴(42)；所述制动件(53)同轴设置于所述安装座(52)开设有所述安装槽(521)的端面，所述制动件(53)为摩擦板，所述安装座(52)靠近所述制动件(53)的端面周向螺纹连接有若干平行于所述安装座(52)轴线的导向杆(522)，所述导向杆(522)穿过所述制动件(53)，所述制动件(53)沿所述导向杆(522)水平移动。

6.根据权利要求1所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于，还包括：用于读取所述电机轴(31)的转动角度与转速的第一编码器(8)以及用于读取所述外环壳体(2)的转动角度与转速的第二编码器(9)，所述第一编码器(8)与所述第二编码器(9)分别布置于关节的两端，所述第一编码器(8)靠近所述电机轴(31)，所述第二编码器(9)靠近所述外环壳体(2)。

7.根据权利要求6所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述第一编码器(8)包括固定于所述电机轴(31)的第一读数头(81)及固定于所述电机端盖(33)的第一码盘(82)，所述第二编码器(9)包括固定于所述内环轴(42)的第二码盘(92)及固定于所述外环壳体(2)的第二读数头(91)，所述第一编码器(8)与所述第二编码器(9)相互远离。

8.根据权利要求7所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述第一读数头(81)与所述电机端盖(33)之间可拆卸连接有第一垫片(83)。

9.根据权利要求7所述的一种协作机器人模块化关节，其特征在于：所述第二读数头(91)与所述外环壳体(2)之间可拆卸连接有第二垫片(93)。

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