CN111906815A - 外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构。该结构包括电机，具有转轴和电机机壳，电机机壳具有电机前端盖和与电机前端盖的一端连接的电机后端盖；制动器，具有制动盘和摩擦件，制动盘套接于转轴上，摩擦件设置在电机前端盖的另一端上，用于对制动盘进行制动；谐波减速器，设置在转轴上，具有钢轮，钢轮具有固定部和转动地设置于固定部径向外侧的输出部，固定部与电机前端盖的另一端连接，还与摩擦件分列于制动盘两侧；输出端盖，与输出部连接，还与外骨骼机器人关节连接；转轴转动地设置于由电机机壳、钢轮和输出端盖所形成的外壳中。通过上述方案提高了本结构的紧凑度，提升了本结构的紧凑性，降低体积。

Description

外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，本发明具体涉及一种外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构。

背景技术

执行关节一体化结构在外骨骼机器关节上应用具有重要的价值和革命意义，对长期用减速器、电机和制动器单个安装组合及驱控分离带来稳定性差、体积大、质量大及惯性大的问题，这些问题一直是外骨骼机器人关节需要解决的重点技术问题，问题的解决对外骨骼机器人性能的提升、实用化和产业化的发展具有重大的意义。

传统的外骨骼机器人关节执行结构主要由单个电机和减速器集成结构、液压结构、滚珠丝杠结构，这些结构不仅让关节结构体积大、质量大、惯性大，导致关节惯性大，还让关节输出力矩和实时响应下降，直接影响了关节运动的性能和精度，直接影响了外骨骼机器人性能和成熟度的提升。

目前有集电机和谐波减速器为一体的一体机，以及有集电机、谐波减速器和驱动器为一体的一体机，都是为工业机器人或是协作机器人设计的简单集成执行关节，可以在一定程度上提高关节的集成度，但是并不能应用于外骨骼机器人这种特殊用的执行关节部件，而且以上集成关节存在以下缺点：第一，没有考虑中空结构，导致整个集成关节还需要传统走线方式，即外接线方式；第二，各部件只是按顺序罗列组装，集成度并不高，没有根据各部件的结构特点，形成统一的共用结构；第三，没有考虑中继接连结构，多个关节一起使用时线将会很多，没考虑用一根通讯线和电源线进行串联使用，导致走线复杂，第四，没有考虑将编码器、中空扁平电机、减速器、制动器和驱动器一体化集成设计，致使使用时要么没有制动功能，要么驱控要分离使用，导致整个关节性能降低，实用化程度不高。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其包括：电机，具有转轴和电机机壳，所述电机机壳具有电机前端盖和与所述电机前端盖的一端连接的电机后端盖；制动器，具有制动盘和摩擦件，所述制动盘套接于所述转轴上，所述摩擦件设置在所述电机前端盖的另一端上，用于对所述制动盘进行制动；谐波减速器，设置在所述转轴上，具有钢轮，所述钢轮具有固定部和转动地设置于所述固定部径向外侧的输出部，所述固定部与所述电机前端盖的另一端连接，还与所述摩擦件分列于所述制动盘两侧；输出端盖，与所述输出部连接，还与外骨骼机器人关节连接；其中，所述转轴转动地设置于由所述电机机壳、所述钢轮和所述输出端盖所形成的外壳中。

可选地，所述执行关节一体化结构还包括：编码器，设置于所述转轴上，并位于所述电机后端盖内；驱动器，与所述编码器连接，设置于所述电机后端盖内。

可选地，所述执行关节一体化结构还包括：所述转轴通过第一轴承转动地设置于所述电机前端盖上；所述转轴还通过第二轴承转动地设置于所述输出端盖上；沿所述转轴的轴向，在所述第一轴承和第二轴承之间设置有所述谐波减速器的波发生器和所述制动盘。

可选地，所述转轴为中空轴。

可选地，所述电机后端盖上设置有中继插接件，所述中继插接件包括电源插接件和通信插接件。

可选地，所述电机前端盖包括：电机前筒体部，所述电机前筒体部的一端与所述电机后端盖连接；电机前端盖部，呈环形，沿所述转轴的径向由内至外依次分为第一安装部、第二安装部、第一连接部和第二连接部，所述第一安装部内安装有所述第一轴承，所述第二安装部内安装有所述摩擦件，所述第一连接部与所述钢轮的固定部连接，所述第二连接部与所述电机前筒体部的另一端连接。

可选地，所述电机后端盖包括：电机后筒体部，所述电机后筒体部的一端通过外接法兰与所述电机前端盖的一端连接；电机后端盖部，所述电机后端盖部呈盘状，与所述电机后筒体部的另一端连接。

可选地，所述电机后端盖还包括：轴向延伸部，与所述电机后筒体部的一端连接，并与所述电机前端盖的内侧面连接。

可选地，所述输出端盖呈环形，沿所述转轴的径向由外至内依次包括：输出连接部，与所述钢轮的输出部连接；轴承安装部，所述轴承安装部内安装有所述第二轴承的轴承外圈。

可选地，所述执行关节一体化结构还包括：轴向压盖，呈环形，与所述轴承安装部连接，并套设于所述转轴外侧，所述轴向压盖的端面与所述轴承外圈的端面抵接。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

1、本发明所提出的一种外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构将谐波减速器、电机、制动器、驱动器、编码器、中继插接件和电机的转轴集成为一体，实现了结构驱控一体化，提升了执行关节的实用性能，提高了执行关节结构的紧凑性；由于中空轴的内部为中空结构和采用谐波减速器、微型伺服驱动器，能够降低执行关节的体积和质量。

2、本发明设计的具有内部为中空结构的中空轴，可以通过关节结构中空走线，解决了传统电机外部走线线杂乱等问题；

3、本发明将电机和制动器、制动器和谐波减速器分别通过螺钉固定成一体的外壳体，提高了集成度，形成了一体化的结构，极大的降低了执行关节的质量和体积，提高了紧凑性。

4、本发明因为设计了共用一体化结构，因此整个执行关节只用了一对轴承做支撑，解决了传统两对及以上轴承支撑情况，降低了执行关节的体积。

5、本发明设计了中继接连结构，多个关节一起使用时，通讯线和电源线分开并通过中继接插件进行串联使用，减小了走线复杂度，避免了多线磨损和相互干扰，提升了执行关节的可靠性和实用性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例中记载的一些实施例，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例提供的一种执行关节一体化结构的剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种执行关节一体化结构的立体结构示意图(输入端盖侧)；

图3为本发明实施例提供的一种执行关节一体化结构的立体结构示意图(输出端盖侧)。

附图标记说明：1、输出端盖；11输出连接部；12轴承安装部、2、谐波减速器；21、钢轮的输出部；22、钢轮的固定部；3、第二轴承；4、制动器；5、定子；6、编码器；7、驱动器；8、转轴；9、电机前端盖；91、电机前筒体部；92、电机前端盖部；10、通讯插接件；13、电源插接件；14螺纹孔；15、螺钉、16、轴向压盖；161、压盖部；162、杆部、17、电机后端盖；171、电机后筒体部；172、电机后端盖部；173、轴向延伸部；18、第一轴承。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。

以下结合附图1-3来具体描述本申请的技术方案：

为方便清楚、准确的描述不同组成部件的位置关系，现对附图作方向的相关定义，以图1所示中空轴8水平放置为准，中空轴8的左端为前，中空轴8的右端为后。

本发明的外骨骼机器人用执行关节一体化结构包括：电机5、制动器4、谐波减速器2和输出端盖1。

在本实施例中，电机包括：电机前端盖9、电机后端盖17和转轴8。电机前端盖9的一端(图1中的右端)和电机后端盖17的另一端(图1中的左端)连接使得连接后的电机前端盖9和电机后端盖17的形状呈筒型，并形成有容纳空间。转轴8的后端转动地设置于该容纳空间内。制动器4具有制动盘和摩擦件。制动盘套接于转轴8上以在转轴8的带动下随转轴8一起转动，其位于电机前端盖9的左侧。摩擦件用于对制动盘进行制动，其设置在电机前端盖9的另一端(图1中的左端)上，用于对制动盘进行制动，摩擦件为电磁摩擦件，得电时，摩擦件远离制动盘，并与制动盘之间有间隙，制动盘可以随转轴一起转动；失电时，摩件靠近制动盘，并与制动盘接触、施加压力，制动盘在摩擦力作用下开始制动。

谐波减速器2具有波发生器、柔轮和钢轮。波发生器套接于转轴8上以在转轴8的带动下与转轴一起转动，在其他的实施例中，可以使转轴8形成波发生器，此时波发生器与转轴8为一体结构。柔轮与波发生器连接，还与钢轮的输出部21连接，以使钢轮的输出部21在柔轮的带动下发生转动。钢轮的固定部22用于提供支撑，与电机前端盖9的一端连接，如通过螺钉15连接，在转轴8的径向方向上，其设置于钢轮的输出部21的内侧，即沿转轴8的径向方向上，由内至外依次为钢轮的固定部22和输出部21。固定部与摩擦件分列于制动盘两侧，在图1中，钢轮的固定部22位于制动盘的左侧，摩擦件位于制动盘的右侧，当制动器为双面刹车结构时，钢轮的固定部22也会在制动盘制动时，与其接触，并施加压力，与摩擦件一起对制动盘进行制动。波发生器为椭圆形状，柔轮为薄壁杯状的金属弹性体，外侧设置有外齿圈，刚轮呈刚体环状，内侧设置有内齿圈；波发生器放置在柔轮的薄壁杯状内部，柔轮的内齿圈与刚轮的内齿圈啮合。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，波发生器沿某一方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器的反方向缓慢旋转，即通过柔轮实现动力输出。

输出端盖1与外骨骼机器人关节固定连接，具体地，在输出端盖1的边缘上设置有螺纹孔14，通过螺钉和螺纹孔的配合实现输出端盖1与外骨骼机器人关节的固定连接，通过执行关节一体化结构的输出端盖带动外骨骼机器人关节转动。输出端盖1、钢轮和电机机壳连接形成本结构的外壳，其内转动地设置有转轴8。

通过使原有的制动器后端盖与电机前端盖9采用一体化设计结构，共用一个端盖，使原有的制动器前端盖与钢轮的固定部(或称谐波减速器后端盖)22采用一体化设计结构，共用一个端盖，从而提高了本结构的紧凑度，提升了本结构的紧凑性。另外分段式组装的外壳结构相对于传统设置一个总体外壳而言，一方面采用分段式组装壳体对各组件中的部件有较好的装配性能；另一方面，通过分段式结构可以有效对各组件产生的热量进行疏散，保护组件传递的有效性，提高组件的寿命。

执行关节一体化结构还包括：编码器6和驱动器7。编码器6用于检测转轴8的位置信息和速度信息，以便在外骨骼机器人关节的运动过程中实时提供位置信息和速度信息。编码器6设置于转轴8上，并位于电机后端盖17内。驱动器7与编码器6连接，设置于电机后端盖17内，用于根据编码器6检测到的信息发出控制指令，该指令用于使电机转动。通过将编码器6和驱动器7设置在电机后端盖17内，使得本结构将谐波减速器2、制动器4、电机、驱动器7和编码器6集成为一体化，实现了结构驱控一体化，极大提高了本结构的实用性能，降低了体积和质量，提高了本结构的紧凑性。

转轴8通过第一轴承18转动地设置于电机前端盖9上，转轴8还通过第二轴承3转动地设置于输出端盖1上，沿转轴8的轴向，在第一轴承18和第二轴承3之间设置有谐波减速器2的波发生器和制动盘。在图1中，第一轴承18位于第二轴承3的右侧。通过将本结构设计为结构驱控一体化，使得可以仅用一对轴承(即第一轴承和第二轴承)做支撑，解决了传统两对及以上轴承支撑情况，极大的降低了本结构的质量和体积，提高了本结构的紧凑度。第一轴承和第二轴承可以采用滚动轴承。应用时，转轴8的重心处设置有电机的转子铁芯，在转子铁芯的左侧设置有第一轴承18。第二轴承3距离转轴8的输出端(图1中的左端)有间隔，该间隔设置有下述的轴承压盖16。

转轴8为中空轴，可以进一步减轻本结构的重量，还可以在其中空空间内走线，解决了传统电机外部走线导致的线缆杂乱等问题。电机后端盖上设置有中继插接件(或称中继连接接口)，中继插接件包括电源插接件(或称通讯线接口)13和通信插接件(或称通讯线接口)10，通讯线和电源线分开并通过各自接插件进行串联使用。通过采用中继连接接口，可以方便本关节走线和拆装，即通过通讯线接口串联使用及电源线接口串联使用，实现多个关节中空结构走线只有两条线，减小了走线复杂度，避免传统走线模式和简化多个关节模组使用的通讯和电源线连接方式，解决传统多个执行关节模组冗余走线导致信号干扰或者是线缆磨断等问题，极大提高外骨骼机器人关节执行部件的性能、实用化、稳定性和可靠性。

电机前端盖9整体呈┍型，其包括：电机前筒体部91和电机前端盖部92。电机前筒体部91呈筒型，其一端(图1中的右端)与电机后端盖17连接。电机前端盖部92呈环形，沿转轴8的径向由内至外其依次分为：第一安装部、第二安装部、第一连接部和第二连接部。第一安装部内安装有第一轴承3的轴承外圈。第二安装部内安装有摩擦件。第一连接部与钢轮的固定部22连接，例如螺钉连接。第二连接部与电机前筒体部91的另一端(图1中的左端)连接，两者也可以是一体形成。通过如此设计，使得制动器4和电机端面可以采用一体化设计结构，利于提高本结构的紧凑性。

电机后端盖17包括：电机后筒体部171和电机后端盖部172。电机后筒体部171呈筒型，其另一端(图1中的左端)与电机前端盖9的一端连接，如通过外接法兰和螺钉实现连接，其内设置有转轴8的后端和驱动器7，在转轴8的后端上设置有编码器6。电机后端盖部172呈盘状，与电机后筒体部171的一端连接，作为电机用线的输入端，通过如此设计，使得本结构可以集成有编码器6和驱动器7以及利于仅设置一对轴承提供支撑。

电机后端盖17还包括：轴向延伸部173，其与电机的转轴8轴向平行，其一端(即轴向右端)与电机后筒体部171的另一端连接，另一端(即轴向左端)与电机的定子5有间隔，径向外侧面与电机前端盖9的内侧面连接，轴向延伸部173呈筒型，其外径大于电机后筒体部171的外径，如此可以稳定地提供支撑。

为了便于输出转动力矩和实现仅使用一对轴承提供轴承，输出端盖1呈环形，沿转轴8的径向由外至内依次包括：输出连接部11和轴承安装部12。输出连接部11与钢轮的输出部21连接，例如螺钉连接。轴承安装部12与输出连接部11连接成阶梯状，轴承安装部12相对输出连接部11靠近制动盘，从而使得转轴8的输出端(图1中转轴的左端)未伸出输出连接部11外，利于对转轴8进行保护。在轴承安装部12内安装有第二轴承3的轴承外圈。输出连接部11的外径和钢轮的输出部21的外径小于电机前端盖9的外径，钢轮的固定部22的外径小于钢轮的输出部21的外径。输出连接部11的外径与钢轮的输出部21的外径相等，如此进一步缩小了本结构的体积，提高紧凑性。

执行关节一体化结构还包括：轴向压盖16，其用于在轴向上压紧第二轴承3的轴承外圈。具体地，轴向压盖16包括：压盖部161和杆部162。压盖部161呈环形，套设于转轴8外侧，即与转轴8之间有间隙，并与轴承安装部12连接，压盖部161的左端面与转轴8的输出端端面齐平。杆部162位于轴承安装部12形成的通孔内，并位于第二轴承3的左侧，杆部162的一端(图1中的右端)抵接于第二轴承3的轴承外圈的左侧面，杆部的另一端(图1中的左端)与压盖部161连接，使第二轴承3可以稳定的设置在转轴8上以及利于实现仅设置一对轴承提供支撑。

为了进一步实现执行关节结构及驱控一体化，驱动器7采用微型伺服驱动器，由于采用微型伺服驱动器，能极大的降低整个执行关节的质量和体积，提升了执行关节结构的紧凑性。在进行安装时，在安装成型的电机—制动器4—谐波减速器2—中空轴的一体化结构的基础上，再将微型伺服驱动器集成固定在执行关节结构内部，以提高执行关节的紧凑性，从而形成电机—制动器4—谐波减速器2—中空轴—驱动器7的一体化结构。

为了进一步实现执行关节结构及驱控一体化，编码器采用的是光栅编码器6，将光栅编码器固定安装在转轴上，且在转轴8的后端，作为其他实施方式，也可采用红外编码器。在进行安装时，在安装成型的电机—制动器4—谐波减速器2—中空轴—驱动器7的一体化结构的基础上，再将编码器6安装在转轴8的后端，从而形成电机—制动器4—谐波减速器2—中空轴—驱动器7—编码器6的一体化结构。

电机采用的是中空扁平伺服电机，电机之所以采用中空扁平伺服电机，是为了确保外骨骼机器人关节质量小、体积小、惯性低，提高执行关节的运动性能，同时改变传统的走线模式，因此，本申请中因采用了中空扁平伺服电机，不仅可以保证关节输出力矩，还可以降低整个执行关节的体积和质量。

为了满足外骨骼机器人关节用力矩的需求，谐波减速器2采用了高精度薄型谐波减速器结构，同时，中空轴也是15mm的中空结构，可以极大的降低谐波减速器的质量，提升谐波减速器的运动工作性能，进而提升整个执行关节的输出力矩，提高执行关节活动的灵活性。

综上，本发明提出的一种适用于外骨骼机器人关节用的新型结构，该新型结构集高精度谐波减速器、制动器、中空扁平伺服电机、微型驱动器、光栅编码器及中继插接件为一体，同时可以实现关节结构、驱控一体化，可以极大提高外骨骼机器人关节的紧凑性，降低关节质量和惯性，提高关节的运动性能。另外本发明采用中空轴和中继插接件能够避免传统复杂的走线模式，简化多个执行关节使用过程中通讯线和电源线的连接方式，极大提高外骨骼机器人关节执行部件的性能和实用化。

如上实施例描述可以以相同或类似的方式在一个或更多个其他实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征组合结合或替代其他实施方式中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其他特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述执行关节一体化结构包括：

电机，具有转轴和电机机壳，所述电机机壳具有电机前端盖和与所述电机前端盖的一端连接的电机后端盖；

制动器，具有制动盘和摩擦件，所述制动盘套接于所述转轴上，所述摩擦件设置在所述电机前端盖的另一端上，用于对所述制动盘进行制动；

谐波减速器，设置在所述转轴上，具有钢轮，所述钢轮具有固定部和转动地设置于所述固定部径向外侧的输出部，所述固定部与所述电机前端盖的另一端连接，还与所述摩擦件分列于所述制动盘两侧；

输出端盖，与所述输出部连接，还与外骨骼机器人关节连接；

其中，所述转轴转动地设置于由所述电机机壳、所述钢轮和所述输出端盖所形成的外壳中。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述执行关节一体化结构还包括：

编码器，设置于所述转轴上，并位于所述电机后端盖内；

驱动器，与所述编码器连接，设置于所述电机后端盖内。

3.根据权利要求2所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述转轴通过第一轴承转动地设置于所述电机前端盖上；

所述转轴还通过第二轴承转动地设置于所述输出端盖上；

沿所述转轴的轴向，在所述第一轴承和第二轴承之间设置有所述谐波减速器的波发生器和所述制动盘。

4.根据权利要求1所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述转轴为中空轴。

5.根据权利要求4所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述电机后端盖上设置有中继插接件，所述中继插接件包括电源插接件和通信插接件。

6.根据权利要求3所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述电机前端盖包括：

电机前筒体部，所述电机前筒体部的一端与所述电机后端盖连接；

电机前端盖部，呈环形，沿所述转轴的径向由内至外依次分为第一安装部、第二安装部、第一连接部和第二连接部，所述第一安装部内安装有所述第一轴承，所述第二安装部内安装有所述摩擦件，所述第一连接部与所述钢轮的固定部连接，所述第二连接部与所述电机前筒体部的另一端连接。

7.根据权利要求3所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述电机后端盖包括：

电机后筒体部，其内设置有所述编码器和驱动器，所述电机后筒体部的一端通过外接法兰与所述电机前端盖的一端连接；

电机后端盖部，所述电机后端盖部呈盘状，与所述电机后筒体部的另一端连接。

8.根据权利要求7所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述电机后端盖还包括：

轴向延伸部，与所述电机后筒体部的一端连接，并与所述电机前端盖的内侧面连接。

9.根据权利要求3所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述输出端盖呈环形，沿所述转轴的径向由外至内依次包括：

输出连接部，与所述钢轮的输出部连接；

轴承安装部，所述轴承安装部内安装有所述第二轴承的轴承外圈。

10.根据权利要求9所述的外骨骼机器人关节用执行关节一体化结构，其特征在于，所述执行关节一体化结构还包括：

轴向压盖，呈环形，与所述轴承安装部连接，并套设于所述转轴外侧，所述轴向压盖的端面与所述轴承外圈的端面抵接。

Images