CN111761608A - 关节模组及协作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关节模组及协作机器人，包括：外壳；输入轴；驱动电机，所述驱动电机设置于所述外壳内部，且所述驱动电机包括定子和转子，所述定子设置于所述外壳上，所述转子设置于所述输入轴上并能够相对所述定子旋转；制动器，所述制动器设置于所述外壳内部，且所述制动器包括弹性复位件、制动磁钢片、动摩擦片和静摩擦片，所述静摩擦片设置于所述外壳上，所述弹性复位件设置于所述转子上，所述制动磁钢片与所述弹性复位件连接，所述动摩擦片与所述制动磁钢片连接并能够与所述静摩擦片接触或分离；及光栅绝对编码器，所述光栅绝对编码器设置于所述制动器内部。整个关节模组的集成化和轻量化程度大大提高，可有效减小关节模组的体积和质量。

Description

关节模组及协作机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种关节模组及协作机器人。

背景技术

协作机器人是智能制造计划的重要组成部分，协作机器人与人工合作，可以在制造工人流失严重的情况下，很大程度上弥补劳动力的缺失。现如今，协作机器人的发展状况越来越好，产品革新越来越快，其中关节模组作为协作机器人集成化设计的关键，给机器人集成厂家或机器人应用厂家提供了快速应用和维修的工业方案。关节模组的发展是协作机器人发展的重点，现有的关节模组，都在往集成化模块化方向发展，块化、柔顺性力位混合控制成为提高协作机器人安全性能和控制性能的发展方向。

然而，现有的关节模组虽然形式各异，但实现方案基本相似，主要部件都是由减速器、电机、制动器、伺服控制器等组成。但这些部件通常只是作为独立的个体简单组装为整体，集成化和轻量化程度差，导致产品体积和质量较大，最终影响协作机器人的灵活度与工作能力。

发明内容

基于此，有必要提供一种关节模组及协作机器人，旨在解决现有技术集成化和轻量化程度差，影响协作机器人灵活度与工作能力的问题。

一方面，本申请提供一种关节模组，所述关节模组包括：

外壳；

输入轴；

驱动电机，所述驱动电机设置于所述外壳内部，且所述驱动电机包括定子和转子，所述定子设置于所述外壳上，所述转子设置于所述输入轴上并能够相对所述定子旋转；

制动器，所述制动器设置于所述外壳内部，且所述制动器包括弹性复位件、制动磁钢片、动摩擦片和静摩擦片，所述静摩擦片设置于所述外壳上，所述弹性复位件设置于所述转子上，所述制动磁钢片与所述弹性复位件连接，所述动摩擦片与所述制动磁钢片连接并能够与所述静摩擦片接触或分离；及

光栅绝对编码器，所述光栅绝对编码器设置于所述制动器内部。

上述方案的关节模组应用装备于协作机器人中，具体用于与执行末端连接，以使执行末端具备灵活、可靠的动作执行能力。具体而言，该关节模组包括外壳、驱动电机、制动器和光栅绝对编码器，且驱动电机、制动器和光栅绝对编码器分别安装在外壳内，使得整个关节模组的集成化和轻量化程度大大提高，可有效减小关节模组的体积和质量。关节模组组装时，将静摩擦片与动摩擦片压紧而产生制动效果；当关节模组开始工作使电机接通电源后，转子相对定子高速旋转而产生磁场，磁场吸合制动磁钢片移动，制动磁钢片带动动摩擦片同步移动靠近转子，使得动摩擦片最终与静摩擦片分离，制动解除，电机可正常转动，此时弹性复位件被压缩。而当电机断电后，在弹性复位件的弹性复位力作用下，动摩擦片再次与静摩擦片挤压接触而实现制动效果。该采用电机产生的磁场实现制动的方案可靠性高，动作灵敏度高，且光栅绝对编码器可用于实时监测并控制位置精度，可有效保证协作机器人的工作灵活度和工作能力。

下面对本申请的技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，所述制动器还包括非磁化载体，所述非磁化载体设置于所述转子的一侧，所述弹性复位件设置于所述非磁化载体上。

在其中一个实施例中，所述非磁化载体开设有安装孔，所述弹性复位件设置于所述安装孔中。

在其中一个实施例中，所述制动器还包括磁钢连接板，所述制动磁钢片设置于所述磁钢连接板上，所述磁钢连接板与所述动摩擦片连接。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括输出轴，所述输入轴设有轴向延伸的安装腔，所述输出轴活动插置于所述安装腔内，所述光栅绝对编码器设置于所述输出轴的输入轴末端上。

在其中一个实施例中，所述光栅绝对编码器包括动片、静片和静片连接板，所述动片设置于所述输出轴上，所述静片设置于所述静片连接板上，所述静片连接板设置于所述外壳上。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括输出端编码器，所述输出端编码器设置于所述输出轴的末端。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器设置于所述输出轴的尾端。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括绝对编码器，所述绝对编码器设置于所述扭矩传感器上。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括变刚度模块，所述变刚度模块与所述扭矩传感器连接。

在其中一个实施例中，所述转子产生的磁场对所述制动磁钢片的影响大于所述定子产生的磁场对所述制动磁钢片的影响。

在其中一个实施例中，所述外壳采用铝合金材料制成，且所述外壳的外表面涂镀有铜合金层。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括驱动器、散热硅胶片和后盖，所述后盖连接于所述外壳的开口端，所述驱动器通过安装板组固设在所述外壳与所述后盖之间，所述散热硅胶片贴装在所述驱动器与所述后盖之间。

在其中一个实施例中，所述外壳的中部设有凹凸型散热结构；所述外壳的中部内侧设有电气走线口。

此外，本申请还提供一种协作机器人，其包括如上所述的关节模组。

附图说明

构成本申请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。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例所述的关节模组的结构示意图；

图2为图1中A-A处的剖面结构示意图；

图3为本发明一实施例所述的关节模组的内部结构示意图；

图4为本发明一实施例所述的关节模组除去外壳后的结构示意图。

附图标记说明：

10、外壳；11、凹凸型散热结构；12、电气走线口；20、驱动电机；21、定子；22、转子、23、输入轴；30、制动器；31、弹性复位件；32、制动磁钢片；33、动摩擦片；34、静摩擦片；35、光栅绝对编码器；40、非磁化载体；50、磁钢连接板；60、输出轴；70、减速器；80、输出端编码器；90、扭矩传感器；100、绝对编码器；200、变刚度模块；300、驱动器；400、散热硅胶片；500、后盖。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

协作机器人(collaborative robot)简称cobot或co-robot，是设计和人类在共同工作空间中有近距离互动的一种机器人设备。大部分的工业机器人是设计自动作业或是在有限的导引下作业，因此不用考虑和人类近距离互动，其动作也不用考虑对于周围人类的安全保护，而这些都是协作机器人需要考虑的机能。

本申请实施例提供的协作机器人，其具体可以是各种类型的建筑机器人、工业机器人、外骨骼机器人等，能够协助工人开展各种劳作，以减少劳动力投入，并提高工作效率和质量。该协作机器人在存在安全风险的工作场合中扮演着尤其重要、难以替代的角色。

一般来讲，协作机器人包括主体、关节模组和执行末端。执行末端通过关节模组与主体活动连接。其中，关节模组提供执行末端运动所需的多个自由度，以使执行末端能够在空间内灵活旋转、或直线或弧线移动，不仅利于避障，并且适用于狭小、复杂空间工作场合中。执行末端可以是各种类型的机械手、夹具、机械臂等，能够完成物品拾取或放下等动作，以协助完成各种生产加工。

如图1至图3所示，为本申请一实施例展示的一种关节模组，所述关节模组包括：外壳10、驱动电机20、制动器30及光栅绝对编码器35。

所述驱动电机20设置于所述外壳10内部，且所述驱动电机20包括定子21、转子22，关节模组包括输入轴23，所述定子21设置于所述外壳10上，所述转子22设置于所述输入轴23上并能够相对所述定子21旋转；所述制动器30设置于所述外壳10内部，且所述制动器30包括弹性复位件31、制动磁钢片32、动摩擦片33和静摩擦片34，所述静摩擦片34设置于所述外壳10上，所述弹性复位件31设置于所述转子22上，所述制动磁钢片32与所述弹性复位件31连接，所述动摩擦片33与所述制动磁钢片32连接并能够与所述静摩擦片34接触或分离；所述光栅绝对编码器35设置于所述制动器30内部。

在本实施例中，输入轴23与制动磁钢片32以花键槽形式进行松连接，制动磁钢片32以输入轴23为导轨与静摩擦片34接触或分离。

上述方案的关节模组应用装备于协作机器人中，具体用于与执行末端连接，以使执行末端具备灵活、可靠的动作执行能力。具体而言，该关节模组包括外壳10、驱动电机20、制动器30和光栅绝对编码器35，且驱动电机20、制动器30和光栅绝对编码器35分别安装在外壳10内，使得整个关节模组的集成化和轻量化程度大大提高，可有效减小关节模组的体积和质量。关节模组组装时，将静摩擦片34与动摩擦片33压紧而产生制动效果；当关节模组开始工作使电机接通电源后，转子22相对定子21高速旋转而产生磁场，磁场吸合制动磁钢片32移动，制动磁钢片32带动动摩擦片33同步移动靠近转子22，使得动摩擦片33最终与静摩擦片34分离，制动解除，电机可正常转动，此时弹性复位件31被压缩。而当电机断电后，在弹性复位件31的弹性复位力作用下，动摩擦片33再次与静摩擦片34挤压接触而实现制动效果。该采用电机产生的磁场实现制动的方案可靠性高，动作灵敏度高，且光栅绝对编码器35可用于实时监测并控制位置精度，可有效保证协作机器人的工作灵活度和工作能力。

需要说明的是，为了保证电机中定子21和转子22绕组提供的磁场可对制动器30的制动磁钢片32产生足够的力影响，使制动磁钢片32能够带动动摩擦片33移动，设计时需满足所述转子22产生的磁场对所述制动磁钢片32的影响大于所述定子21产生的磁场对所述制动磁钢片32的影响。未通电时，弹性复位件31压缩拉紧制动磁钢片32，转子与制动磁钢片32有排斥作用并通过力传递紧靠压紧静摩擦片34，静摩擦片34固定在外壳10上，通过调整静摩擦片34的固定位置可调整未通电时弹性复位件31的压紧力。通电时，转子22的磁场对制动磁钢片32的影响被定子21的旋转磁场削弱，弹性复位件31收缩，此时动摩擦片33与静摩擦片34分离。

请继续参阅图2，在上述实施例的基础上，所述制动器30还包括非磁化载体40，所述非磁化载体40设置于所述转子22的一侧，所述弹性复位件31设置于所述非磁化载体40上。具体而言，非磁化载体40为采用非磁化材料(铁、钴、镍等)制成的板、块等形状的构件，弹性复位件31可以是但不限于弹簧。将弹簧通过非磁化载体40与转子22间接连接，可避免转子22相对定子21旋转产生的磁场将弹簧磁化，影响弹簧的伸缩弹性，进而影响制动器30的制动能力与可靠性。

进一步地，所述非磁化载体40开设有安装孔，所述弹性复位件31设置于所述安装孔中。安装孔的孔径与弹性复位件31的外径适配，因而弹性复位件31是与安装孔的孔壁接触或间隙配合的，这使得孔壁能够对弹性复位件31的伸缩形变起到限位和导向作用，使动摩擦片33与静摩擦片34接触或分离可靠。

请继续参阅图2和图3，此外，所述制动器30还包括磁钢连接板50，所述制动磁钢片32设置于所述磁钢连接板50上，所述磁钢连接板50与所述动摩擦片33连接。如此动摩擦片33能够借助磁钢连接板50与制动磁钢片32连接固定，动摩擦片33可跟随制动磁钢片32同步移动。

在上述任一实施例的基础上，关节模组还包括输出轴60，所述输入轴23设有轴向延伸的安装腔，所述输出轴60活动插置于所述安装腔内，所述光栅绝对编码器35设置于所述输出轴60的输入轴末端上。将输出轴60套装在输入轴23的周向延伸的安装腔内，利于提高各部件的集成化程度，降低占用安装空间，实现关节模组小型化设计。光栅绝对编码器35设置在输出轴60上，不仅安装牢固，并且能够进行输出位置控制，保证关节模组动作精度。

本实施例中，输入轴23和输出轴60均设置为中空结构，输出轴60同轴设置于输入轴23的空腔内。

具体而言，在一些实施例中，所述光栅绝对编码器35包括动片、静片和静片连接板，所述动片设置于所述输出轴60上，所述静片设置于所述静片连接板上，所述静片连接板设置于所述外壳10上。如此，静片通过静片连接板可牢固安装在外壳10上，动片跟随输出轴60旋转，此时动片与静片产生相对旋转，静片便能够准确计量输出轴的旋转圈数，进而推算出输出的位置数值。

请继续参阅图2至图4，进一步地，所述关节模组还包括输出端编码器80，所述输出端编码器80设置于所述输出轴60的末端。此时输出端编码器80和光栅绝对编码器35同时安装在输出轴60的输出端侧，采用该双编码器的位置控制方法可大幅提高关节模组的位置控制精度。

此外，所述关节模组还包括扭矩传感器90，所述扭矩传感器90设置于所述输出轴60的尾端。如此，扭矩传感器90可进行关节模组的力矩控制，其更有利于电气走线。进一步地，所述关节模组还包括绝对编码器100，所述绝对编码器100设置于所述扭矩传感器90上。绝对编码器100可用于测量扭矩值，以便于实现扭矩传感器90的数据反馈及矫正。

请参阅图2至图4，更进一步地，所述关节模组还包括变刚度模块200，所述变刚度模块200与所述扭矩传感器90连接。在本实施例中，扭矩传感器90的右侧固定在输出轴60上，左侧与变刚度模块200固定连接。在关节模组的输出端前端采用变刚度模块200可使力矩控制灵敏度更高。将变刚度模块200和扭矩传感器90组合使用，可在机械层面使机械臂(即执行末端)在力伺服和位置伺服时产生不同阻抗，并在力控制时减低刚度可提高力矩控制灵敏度、精度，为人机合作界面提供更好的安全保障。加之一般协作机器人对刚度要求不高且现有关节模组的结构刚度余量较大，因此采用变刚度模块200辅助下的力矩控制更具有实用性，在实际情况下与扭力杆测力矩配合可大大提高力矩测量的灵敏度。

此外，关节模组还包括减速器70。具体地，减速器70可以是但不限于谐波减速器70。输入轴23与谐波减速器70的波发生器连接，输出轴60与谐波减速器70的柔轮连接，可达到降低速度，增加扭矩的效果。

在上述任一实施例的基础上，所述外壳10采用铝合金材料制成，且所述外壳10的外表面涂镀有铜合金层。铝合金散热快，但热传导较铜合金慢；铜合金热传导性能较好，但散热较铝合金慢。因而在铝合金表面涂镀铜合金，可将两种材料性能完美融合，有利于模组散热特别是电机、减速器70两大发热部件散热，改善模组性能。

进一步地，所述外壳10的中部设有凹凸型散热结构11。凹凸型散热结构较佳的沿外壳10的周向环绕延伸形成一圈，如此，外壳10可增加与环境中空气的接触面积，进而提高单位时间内外科与外部环境空气的换热速率，并最终提升关节模组的散热效能。

请继续参阅图2至图4，实际工作中驱动器300也是关节模组产热主要来源之一，驱动器300过度发热并会影响控制稳定性。针对于此，更进一步地，所述关节模组还包括驱动器300、散热硅胶片400和后盖500，所述后盖500连接于所述外壳10的开口端，所述驱动器300通过安装板组固设在所述外壳10与所述后盖500之间，所述散热硅胶片400贴装在所述驱动器300与所述后盖500之间。采用在驱动器300末端贴压散热硅胶片400与后盖500紧密结合的方法，可加快驱动器300散热，避免温度过高而影响关节模组工作性能。

具体而言，关节模组还包括轴承，安装板组包括驱动连接板和轴承连接板。驱动器300固连在驱动连接板上，驱动连接板固连在轴承连接板上。轴承的内圈固定在输出轴60上，轴承的外圈固定在轴承连接板上，轴承连接板固定在外壳10上。如此，轴承可对输出轴60形成支撑和定位。驱动器300可借助驱动连接板和轴承连接板可靠固定于外壳10上。

所述外壳10的中部内侧设有电气走线口12，可使电气走线满足中空走线要求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

Claims (15)

1.一种关节模组，其特征在于，所述关节模组包括：

外壳；

输入轴；

驱动电机，所述驱动电机设置于所述外壳内部，且所述驱动电机包括定子和转子，所述定子设置于所述外壳上，所述转子设置于所述输入轴上并能够相对所述定子旋转；

制动器，所述制动器设置于所述外壳内部，且所述制动器包括弹性复位件、制动磁钢片、动摩擦片和静摩擦片，所述静摩擦片设置于所述外壳上，所述弹性复位件设置于所述转子上，所述制动磁钢片与所述弹性复位件连接，所述动摩擦片与所述制动磁钢片连接并能够与所述静摩擦片接触或分离；及

光栅绝对编码器，所述光栅绝对编码器设置于所述制动器内部。

2.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述制动器还包括非磁化载体，所述非磁化载体设置于所述转子的一侧，所述弹性复位件设置于所述非磁化载体上。

3.根据权利要求2所述的关节模组，其特征在于，所述非磁化载体开设有安装孔，所述弹性复位件设置于所述安装孔中。

4.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述制动器还包括磁钢连接板，所述制动磁钢片设置于所述磁钢连接板上，所述磁钢连接板与所述动摩擦片连接。

5.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括输出轴，所述输入轴设有轴向延伸的安装腔，所述输出轴活动插置于所述安装腔内，所述光栅绝对编码器设置于所述输出轴的输入轴末端上。

6.根据权利要求5所述的关节模组，其特征在于，所述光栅绝对编码器包括动片、静片和静片连接板，所述动片设置于所述输出轴上，所述静片设置于所述静片连接板上，所述静片连接板设置于所述外壳上。

7.根据权利要求5所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括输出端编码器，所述输出端编码器设置于所述输出轴的末端。

8.根据权利要求7所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器设置于所述输出轴的尾端。

9.根据权利要求8所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括绝对编码器，所述绝对编码器设置于所述扭矩传感器上。

10.根据权利要求8所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括变刚度模块，所述变刚度模块与所述扭矩传感器连接。

11.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述转子产生的磁场对所述制动磁钢片的影响大于所述定子产生的磁场对所述制动磁钢片的影响。

12.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述外壳采用铝合金材料制成，且所述外壳的外表面涂镀有铜合金层。

13.根据权利要求12所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括驱动器、散热硅胶片和后盖，所述后盖连接于所述外壳的开口端，所述驱动器通过安装板组固设在所述外壳与所述后盖之间，所述散热硅胶片贴装在所述驱动器与所述后盖之间。

14.根据权利要求12所述的关节模组，其特征在于，所述外壳的中部设有凹凸型散热结构；所述外壳的中部内侧设有电气走线口。

15.一种协作机器人，其特征在于，包括如上述权利要求1至14任一项所述的关节模组。

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