CN112140142A - 一种高精度紧凑型一体化关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度紧凑型一体化关节结构，包括有转轴、减速机、电机、一体式抱闸、相对编码器、绝对编码器及关节外壳，转轴为中空馈轴，电机与中空馈轴之间设有轴承，关节外壳与中空馈轴之间设有精密轴承；绝对编码器安装在中空馈轴伸出于关节外壳的一端；相对编码器及一体式抱闸均安装于电机中，一体式抱闸与电机同轴。本发明通过同时把抱闸、内外编码器读头、电机定子直接安装在关节外壳上，抱闸放置于电机内部而不需要占用额外的空间，减少了关节的轴向长度。馈轴与交叉滚子轴承连接，相对编码器码盘和电机输入轴一体化，减少了零件数量，减轻了关节的重量并提高了紧凑性，提高了关节的抗倾覆力矩与关节输出精度。

Description

一种高精度紧凑型一体化关节结构

技术领域

本发明涉及机械结构与电气控制技术领域，尤其涉及一种主要应用于机器人关节的控制结构。

背景技术

关节作为是机器人的核心部件，被看作是运动副的实体。它决定了机器人的运动学以及运动学行为能力，是保证机器人安全、平稳运行的关键。关节的主要任务包括产生与传递动力、位置感知、机械连接。它主要由电机、减速机、运动轴系、传感器及线束管理装置、驱动与数据采集处理电路等构成。

传统工业机器人的关节通常采用“外挂”的伺服电机，关节内部包含减速机和制动抱闸机构。这种结构使得传统机器人存在笨重、危险、不易操作等弊端。因此一些国际著名的机器人研发机构提出了一体化关节与协作机器人的概念，例如科尔摩根机器人公司的RGM关节模组。

一体化关节使得协作机器人相对于传统机器人具有柔性化与轻量化的特点。目前的一体化关节模组采用无框直流电机来缩小关节尺寸，同时使用谐波减速机来实现中空型关节设计。虽然谐波减速机具有高精度的特点，但是谐波减速机的柔轮外齿与钢轮内齿啮合具有一定的预应力，故谐波减速机存在不抗冲击、承载特性差、稳定性不足等缺点。因此，目前的关节模组主要应用于对精度要求不高、承载小的协作型机器人，而很多精度要求高的机器人仍需使用具有“外挂式”关节的传统机器人，例如ABB的IRB2600机械臂。

目前的关节主要受制于以下三个原因，导致不能满足诸如航空航天等精密技术领域对于关节轻便与高精度的双重需求：第一、目前关节结构的设计形式使得外编码器安装于电机侧，使用霍尔（传感器）或相对编码器实现电机换向或进行矢量控制。这种结构形式使得外编码器不能检测减速机传动过程的背隙，当机器人增加载荷时其绝对定位精度降低。

第二、由于RV减速机或谐波减速机的精密轴承跨距短，关节转动力矩通常是径向抗倾覆力矩的两倍，装配为关节后，关节的抗倾覆力矩仍与减速机的抗倾覆力矩相近，减速机的抗倾覆力矩未得到增强。

第三、随着对机器人性能与控制精度要求的不断提高，人们在机器人建模与控制器设计时，必须考虑关节的动力学特性。关节的动力学特性不仅影响关节的运行质量，更重要的是将会严重影响机器人系统的运动特性。由于减速机内部的轮齿啮合误差、齿侧间隙等非线性因素，目前的关节模组不能全面反映其动力学特性，不能用于复杂的工作环境。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种机器人关节结构更加紧凑，可增大功率密度、提升一体化关节的整体精度及关节抗倾覆力矩、减小动力学及运动学在实际应用中由于结构造成的误差的高精度紧凑型一体化关节结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高精度紧凑型一体化关节结构，包括有转轴、减速机、电机、一体式抱闸、相对编码器、绝对编码器及关节外壳，电机与减速机的输入端装配固定，转轴与减速机的输出端装配固定，关节外壳与减速机连接将电机、一体式抱闸及相对编码器盖在里面，其特征在于：所述转轴为中空馈轴，其内部具有可以过线缆的中孔，中空馈轴贯穿减速机及关节外壳，电机与中空馈轴之间设置有轴承，关节外壳与中空馈轴之间设置有精密轴承；绝对编码器通过固定法兰安装在中空馈轴伸出于关节外壳的一端，并且绝对编码器靠近关节外壳的后端外侧面处；相对编码器及一体式抱闸均安装于电机中，一体式抱闸与电机同轴，中空馈轴依次穿过电机及一体式抱闸。

优选地，所述关节外壳采用U型壳体结构，可同时为相对编码器、一体式抱闸及定子提供支撑，关节外壳的开口端朝向减速机将电机、一体式抱闸及相对编码器盖在里面。

优选地，所述减速机采用定制中空型RV减速机，其额定输出转矩为91NM，减速机外径为121毫米，该减速机的材质主要为钢材，其传动是二级封闭行星轮系，由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮减速机构两部分组成。RV减速机具有行星减速机及摆线针减速机的双重优点，与常用于关节模组的谐波减速机相比，RV减速机可靠性高，抗冲击以及力比特性更强。RV减速机具有较高的抗疲劳强度和刚度，以及较长的寿命，回差精度稳定；中空馈轴的外径与减速机输出端的直径相同，中空馈轴的中孔直径为8毫米。

进一步地，电机与中空馈轴之间的轴承为深沟球轴承，关节外壳与中空馈轴之间的精密轴承为交叉滚子轴承。

进一步地，在关节外壳的后端面与固定法兰之间的中空馈轴上装有绝对编码器支撑架，固定法兰固定该绝对编码器支撑架及中空馈轴，形成用于减少中空馈轴因晃动带来的误差的结构，以及形成用于防止绝对编码器支撑架在中空馈轴上打滑的结构。

进一步地，绝对编码器支撑架定制有圆台，在其圆台外侧安装绝对编码器的绝对编码器码盘，内部则安装固定法兰，而绝对编码器的绝对编码器读头安装在关节外壳的后端外侧面上。

进一步地，电机的定子安装在关节外壳的内圆周面上，相对编码器的相对编码器读头与一体式抱闸一起靠关节外壳的后端内侧面安装；电机的转子与转子安装盘组装在一起后安装至减速机的输入端，相对编码器的相对编码器码盘安装在转子安装盘的一侧，中空馈轴安装于减速机的输出端并用螺栓固定，使中空馈轴、转子及转子安装盘同轴。

进一步地，所述转子安装盘通过深沟球轴承安装在中空馈轴上以降低在关节工作时转子安装盘与一体式抱闸的相对晃动；位于关机外壳末端处的交叉滚子轴承则形成用于提高绝对编码器同轴度的结构，该交叉滚子轴承的额定径向负荷为5100N。

优选地，所述转子安装盘采用航空美铝材质，除减轻重量外，航空美铝为隔磁材质可以消除抱闸线圈对转子和减速机的磁力影响，固定法兰采用钢材材质；中空馈轴的末端具有螺纹，固定法兰与中空馈轴通过螺纹配合固定；绝对编码器支撑架亦采用钢材材质。

优选地，关节外壳的后端形成槽状结构，所述固定法兰、绝对编码器及绝对编码器支撑架一起陷入在关节外壳后端外侧面的槽状结构中。

本发明使电机转子与减速机入轴、抱闸实现一体化，减速机输出轴与中空馈轴、绝对编码器实现一体化。抱闸装配采用永磁体及电磁线圈的复合结构式线圈结构置于电机转子内部，保证所占空间的紧凑性。

通过中空馈轴及电机侧的精密交叉滚子轴承，将轴跳由30丝左右降至3-5丝左右，轴摆动得到大幅度控制，同时使得关节额定转矩与倾覆力矩接近。关节出轴绝对检测精度达1-5角秒。通过中空馈轴连接绝对编码器，提高了关节控制精度和走线的可靠性，增强了空间辐射防护能力，提升了关节重复精度。同时，中空馈轴有利于关节走线，减小线缆转弯半径，提高线缆的可靠性。

为达到RV减速机或谐波减速机的装配精度（h6/h7），电机外壳与电机侧精密交叉滚子轴承的支撑板采用一体化设计与加工，从而减小分开加工及装配的误差。为减小中空馈轴的阻力，中空馈轴的电机侧通过高等级的螺纹与绝对编码器连接，一方面克服关节轴向的加工误差，另一方面可以调整电机侧的精密交叉滚子轴承与减速机内部轴承的预紧力，防止馈轴与绝对编码器的相对滑动。

本发明通过同时把抱闸、内外编码器读头、电机定子直接安装在关节外壳上，而不再需要制作专门的支架，抱闸放置于电机内部而不需要占用额外的空间，进一步减少了关节的轴向长度。馈轴与交叉滚子轴承连接，相对编码器码盘和电机输入轴一体化，减速机输出轴和馈轴以及绝对编码器一体化的紧凑型结构模式，减少了零件数量，减轻了关节的重量并提高了紧凑性。这种紧凑型结构提高了关节的抗倾覆力矩与关节输出精度，并且使得关节更加紧凑的同时缩小了关节体积和轴向长度，这种结构重用模式使得需要加工的零部件数量减少，减少了加工误差。

附图说明

图1为本发明正面结构示意图；

图2为本发明剖面结构示意图。

图中，1为中空馈轴，11为中孔，12为螺栓，13为绝对编码器支撑架；2为减速机；3为深沟球轴承；41为定子，42为转子，43为转子安装盘；5为一体式抱闸；61为相对编码器码盘，62为相对编码器读头；7为交叉滚子轴承；8为关节外壳；91为绝对编码器码盘，92为绝对编码器读头；10为固定法兰。

具体实施方式

本实施例中，参照图1和图2，所述高精度紧凑型一体化关节结构，包括有转轴、减速机2、电机、一体式抱闸5、相对编码器、绝对编码器及关节外壳8，电机与减速机2的输入端装配固定，转轴与减速机2的输出端装配固定，关节外壳8与减速机2连接将电机、一体式抱闸5及相对编码器盖在里面；所述转轴为中空馈轴1，其内部具有可以过线缆的中孔11，中空馈轴1贯穿减速机2及关节外壳8，电机与中空馈轴1之间设置有深沟球轴承3，关节外壳8与中空馈轴1之间设置有交叉滚子轴承7；绝对编码器通过固定法兰10安装在中空馈轴1伸出于关节外壳8的一端，并且绝对编码器靠近关节外壳8的后端外侧面处；相对编码器及一体式抱闸5均安装于电机中，一体式抱闸5与电机同轴，中空馈轴1依次穿过电机及一体式抱闸5。

所述关节外壳8采用U型壳体结构，可同时为相对编码器、一体式抱闸5及定子41提供支撑，关节外壳8的开口端朝向减速机2将电机、一体式抱闸5及相对编码器盖在里面。

所述减速机2采用定制中空型RV减速机，其额定输出转矩为91NM，减速机外径为121毫米，该减速机的材质主要为钢材，其传动是二级封闭行星轮系，由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮减速机构两部分组成。RV减速机具有行星减速机及摆线针减速机的双重优点，与常用于关节模组的谐波减速机相比，RV减速机可靠性高，抗冲击以及力比特性更强。RV减速机具有较高的抗疲劳强度和刚度，以及较长的寿命，回差精度稳定；中空馈轴1的外径与减速机2输出端的直径相同，中空馈轴1的中孔11直径为8毫米，以满足电缆穿过。

在关节外壳8的后端面与固定法兰10之间的中空馈轴1上装有绝对编码器支撑架13，固定法兰10固定该绝对编码器支撑架13及中空馈轴1，用于减少中空馈轴1因晃动带来的误差，同时固定法兰10锁紧在中空馈轴1上，用于防止绝对编码器支撑架13在中空馈轴1上打滑。

绝对编码器支撑架13定制有圆台，在其圆台外侧安装绝对编码器的绝对编码器码盘91，内部则安装固定法兰，而绝对编码器的绝对编码器读头92安装在关节外壳8的后端外侧面上。

电机的定子41安装在关节外壳8的内圆周面上，相对编码器的相对编码器读头62与一体式抱闸5一起靠关节外壳8的后端内侧面安装；电机的转子42与转子安装盘43组装在一起后安装至减速机2的输入端，相对编码器的相对编码器码盘61安装在转子安装盘43的一侧，中空馈轴1安装于减速机2的输出端并用螺栓12固定，使中空馈轴1、转子42及转子安装盘43同轴。

所述转子安装盘43通过深沟球轴承3安装在中空馈轴1上以降低在关节工作时转子安装盘43与一体式抱闸5的相对晃动；位于关机外壳8末端处的交叉滚子轴承7则用于提高绝对编码器6同轴度，该交叉滚子轴承7的额定径向负荷为5100N。

所述转子安装盘43采用航空美铝材质，除减轻重量外，航空美铝为隔磁材质可以消除抱闸线圈对转子42和减速机2的磁力影响，固定法兰10采用钢材材质；中空馈轴1的末端具有螺纹，两固定法兰与中空馈轴1通过螺纹配合固定；绝对编码器支撑架13亦采用钢材材质。

关节外壳8的后端形成槽状结构，两固定法兰、绝对编码器及绝对编码器支撑架13一起陷入在关节外壳8后端外侧面的槽状结构中。

安装时，首先将转子42与转子安装盘43组装在一起，然后安装至减速机2的输入端。再安装相对编码器码盘61在转子安装盘43的一侧。中空馈轴1安装于减速机2的输出端并用螺栓12固定。此时中空馈轴1、转子42、转子安装盘43同轴。

其次将定子41、相对编码器读头62、交叉滚子轴承7、一体式抱闸5同轴安装在关节外壳8内部。再把两个组合体安装成一体。

在关节外壳8的U型末端安装绝对编码器读头92。绝对编码器支撑架13安装在中空馈轴1上，在绝对编码器支撑架13内部安装两个固定法兰用来固定中空馈轴1，在绝对编码器支撑架13外侧安装绝对编码器码盘91，即完成组装。

本发明在结构上遵从结构重用原则，相对编码器安装于电机的转子固定架内壳内部，电机的转子固定架内部同时放置相对编码器与一体式抱闸5，为降低一体式抱闸5线圈对减速机2和电机的影响，电机的转子固定架可采用隔磁材质。关节外壳8采用U型设计，不仅固定了电机与减速机2，同时为绝对编码器的装配提供位置。

中空结构的馈轴除了方便走线以及实现一体化结构外，还提高了编码器的反馈精度。在实际的关节运动过程中，中空馈轴1的端面跳动也会引起误差，本发明在结构上通过末端的固定法兰10来固定中空馈轴1，减少了端面跳动。本发明的一体式抱闸5和电机之间通过深沟球轴承3用于减少抱闸晃动，提高中空馈轴、一体式抱闸5与电机的同轴率，从而减少了误差，提高了关节的整体精度。本发明采用一体式的关节外壳使得中空馈轴与绝对编码器相连。在本发明的结构中，中空馈轴1起到了至关重要的作用，因此需要为中空馈轴1提供径向和轴向支撑。中空馈轴1、关节外壳8与交叉滚子轴承7的结构为关节同时提供径向支撑和轴向支撑。交叉滚子轴承7承担了一部分的径向力，如此提高了关节整体的抗倾覆力矩。

关节外壳8同时为编码器支撑结构，减少了零部件的数量，从而降低了零部件在实际配合中造成的误差。本发明的绝对编码器不再紧邻减速机2而是紧邻关节外壳8，通过中空馈轴1来保证绝对编码器码盘91与电机的转子42同轴同速转动，降低了减速机2的结构力对绝对编码器码盘91的影响。交叉滚子轴承7同时为中空馈轴1与绝对编码器提供径向力和轴向力，保证了中空馈轴1与绝对编码器的稳定性，进一步提高了绝对编码器的精度。中空馈轴1末端可以为螺纹结构，这种结构设计同时降低了由于减速机2在实际应用中可能产生的轴向误差对馈轴装配造成的影响。

该实施得到的关节模型直径为126mm，轴向长度为110mm，关节的抗倾覆力矩大于减速机的最大输出转矩，可满足机械臂加工、机械臂焊接、机床精密加工的需求。该实施例所选用的精密轴承为交叉滚子轴承7，其规格如下：内径d：Ø25mm+0/-0.010，外径D：Ø32mm+0/-0.011；中空馈轴1外径：Ø25e7 -0.04/-0.06；保证中空馈轴1与减速机2的公差配合，中空馈轴1与交叉滚子轴承7的公差配合。采用该关节的机械臂输出力矩可以加工直径1~20mm的精密孔，理论上精度可达到0.14mm和0.01'，远高于现有水平的3mm和1'，重复定位精度可达0.1mm。该精度可应用于汽车领域钣金件焊接和机械臂加工，而目前这些工作只能依靠昂贵的数控机床来达到。本发明及其所用原理不仅可应用于机器人领域，也适用于其他领域如精密机床。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本申请实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种高精度紧凑型一体化关节结构，包括有转轴、减速机、电机、绝对编码器及关节外壳，电机与减速机的输入端装配固定，转轴与减速机的输出端装配固定，关节外壳与减速机连接，其特征在于：所述关节外壳采用U型壳体结构，其开口端朝向减速机将电机盖在里面；所述转轴为中空馈轴，其内部具有可以过线缆的中孔，中空馈轴贯穿减速机及关节外壳，电机与中空馈轴之间设置有轴承，关节外壳与中空馈轴之间设置有精密轴承；绝对编码器与中空馈轴连接。

2.根据权利要求1所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：还包括有一体式抱闸和相对编码器，相对编码器及一体式抱闸均安装于电机中，一体式抱闸与电机同轴，中空馈轴依次穿过电机及一体式抱闸，由关节外壳将电机、一体式抱闸及相对编码器一起盖在里面；所述绝对编码器通过固定法兰安装在中空馈轴伸出于关节外壳的一端，并且绝对编码器靠近关节外壳的后端外侧面。

3.根据权利要求1所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：所述减速机采用定制中空型RV减速机，其额定输出转矩为91NM，减速机外径为121毫米；中空馈轴的外径与减速机输出端的直径相同，中空馈轴的中孔直径为8毫米。

4.根据权利要求1所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：电机与中空馈轴之间的轴承为深沟球轴承，关节外壳与中空馈轴之间的精密轴承为交叉滚子轴承。

5.根据权利要求1所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：在关节外壳的后端面与固定法兰之间的中空馈轴上装有绝对编码器支撑架，固定法兰固定该绝对编码器支撑架及中空馈轴，形成用于减少中空馈轴因晃动带来的误差的结构以及用于防止绝对编码器支撑架在中空馈轴上打滑的结构。

6.根据权利要求5所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：绝对编码器支撑架定制有圆台，在其圆台外侧安装绝对编码器的绝对编码器码盘，内部则安装固定法兰，而绝对编码器的绝对编码器读头安装在关节外壳的后端外侧面上。

7.根据权利要求1所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：电机的定子安装在关节外壳的内圆周面上，相对编码器的相对编码器读头与一体式抱闸一起靠关节外壳的后端内侧面安装；电机的转子与转子安装盘组装在一起后安装至减速机的输入端，相对编码器的相对编码器码盘安装在转子安装盘的一侧，中空馈轴安装于减速机的输出端并用螺栓固定，使中空馈轴、转子及转子安装盘同轴。

8.根据权利要求7所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：所述转子安装盘通过深沟球轴承安装在中空馈轴上以降低在关节工作时转子安装盘与一体式抱闸的相对晃动；位于关机外壳末端处的交叉滚子轴承则形成用于提高绝对编码器同轴度的结构。

9.根据权利要求7所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：所述转子安装盘采用航空美铝材质，固定法兰采用钢材材质；中空馈轴的末端具有螺纹，固定法兰与中空馈轴通过螺纹配合固定；绝对编码器支撑架亦采用钢材材质。

10.根据权利要求6所述的高精度紧凑型一体化关节结构，其特征在于：关节外壳的后端形成槽状结构，所述固定法兰、绝对编码器及绝对编码器支撑架一起陷入在关节外壳后端外侧面的槽状结构中。

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