CN112276928A - 一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰 - Google Patents

一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰 Download PDF

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CN112276928A CN202011123702.0A CN202011123702A CN112276928A CN 112276928 A CN112276928 A CN 112276928A CN 202011123702 A CN202011123702 A CN 202011123702A CN 112276928 A CN112276928 A CN 112276928A
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龚仲华
夏怡
刘建功
王硕
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Abstract

本发明公开了一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，包括底座、支承体、驱动电机、转子内套、编码器、腰体；底座用于机器人安装和支承体固定，支承体用于驱动电机安装、底座连接及腰体支承，驱动电机为伺服回转轴直接驱动的低转速、大转矩内置力矩电机，转子内套用于电机转子与腰体连接，编码器为高精度磁栅绝对位置编码器，腰体用于腰回转和下臂摆动传动部件安装。本发明以新颖的低转速、大转矩内置力矩电机和高精度磁栅绝对位置编码器替代了传统的伺服电机，取消了减速器等传动部件，实现了机器人腰回转的无间隙、无磨损、无噪音电机直接驱动，其结构十分简洁，运动精度大幅度提高，零部件无需维修更换，使用寿命大大延长，运行噪音大幅度下降。

Description

一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，尤其是一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰。
背景技术
目前，在现有技术中，垂直串联机器人腰的回转速度低、转矩大，而普通伺服电机的额定转速高、输出转矩小，因此，现有机器人几乎都需要R V减速器或谐波减速器进行大比例减速。这种结构的缺点是：传动系统结构复杂、零部件多、装配要求高、维修工作量大，而且，减速器的传动间隙、零部件磨损和运行噪音将直接影响机器人的运动精度、使用寿命和运行环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种电机直接驱动的机器人腰，它能够很好地实现机器人腰的无间隙、无磨损、无噪音电机直接驱动，大幅度提高运动精度和延长使用寿命。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，包括：
底座，所述底座用于机器人安装和支承体固定，所述底座为带正方形安装底板和管线引入窗口的中空圆柱体，底板设有机器人安装固定用的地脚螺栓安装孔，底座上部设有连接支承体的法兰定位孔、定位面和固定螺孔；中空内腔用来布置机器人管线，侧面窗口用于机器人管线引入；
支承体，设于所述底座上方，所述支承体用于驱动电机安装和腰体支承；所述支承体为带上下法兰的中空圆柱体；所述支承体的底面法兰用来连接所述底座，使支承体固定在所述底座上；所述支承体的内腔用来安装所述驱动电机，电机定子可通过上下法兰与支承体连成一体；所述支承体的下部内孔用来安装转子内套的辅助支承轴承和定位挡圈，对安装转子内套进行径向定位、轴向浮动支承；所述支承体的上部法兰用来固定腰体的支承轴承内圈，支承腰体的回转运动；所述编码器的测头固定在所述支承体的底面；
驱动电机，设于所述支承体内腔，所述驱动电机用于腰体回转驱动，所述驱动电机采用专门用于伺服回转轴直接驱动的低转速、大转矩新颖带冷却内置力矩电机，所述驱动电机包括可分离的转子和定子；所述驱动电机的定子通过上下法兰固定安装在所述支承体的内腔，定子的下法兰直接固定在所述支承体上，定子的上法兰通过定子固定圈与所述支承体连接；中空转子安装在所述转子内套上；所述转子内套和所述腰体连成一体，从而使驱动电机可直接带动所述腰体进行回转运动，以实现机器人腰体的无间隙直接驱动；电枢电缆和冷却管从所述底座的侧面窗口引入；
转子内套，设于所述驱动电机的转子内腔，所述转子内套是连接驱动电机转子与所述腰体的中间部件，所述转子内套为中空圆柱体；所述转子内套的外侧用来固定所述驱动电机的转子，上端用来固定所述腰体，底面用来固定所述编码器的磁环；通过所述转子内套，可使驱动电机转子、机器人腰体、编码器成为一体，从而实现三者的无间隙刚性连接，使驱动电机直接驱动腰体回转；所述转子内套的下端通过安装在所述支承体下方内孔的辅助支承轴承进行径向定位、轴向浮动支承；机器人管线可从中空孔穿越；
编码器，设于所述转子内套底面，所述编码器用于所述驱动电机的速度与位置检测，所述编码器为可直接与机器人控制系统进行串行数据通信、利用后备电池保存绝对位置数据的磁栅绝对位置编码器，所述编码器为中空圆环结构，所述编码器包括磁环和测头，所述磁环安装在所述转子内套底面，可随驱动电机转子旋转，所述测头固定在所述支承体上；编码器电缆可从所述底座的侧面窗口引入；
腰体，设于所述支承体上方，所述腰体用来实现腰回转运动和安装机器人下臂驱动部件，所述腰体为上方带突耳的异形中空法兰连接盘，突耳用来安装机器人下臂驱动部件，所述腰体的法兰连接盘内侧用来连接所述转子内套，法兰连接盘外侧用来连接支承轴承，机器人管线可从法兰连接盘中空孔穿越；所述腰体可通过固定螺钉与所述转子内套连成一体，所述支承轴承的外圈通过压板和固定螺钉固定在所述腰体上，轴承间隙可通过所述压板和固定螺钉调整，所述腰体可在所述驱动电机转子的直接驱动下进行无间隙、无磨损、无噪音直接回转。
进一步，所述支承体的内腔上方设有固定所述驱动电机定子上法兰的定位孔和安装定子固定圈的定位面、固定螺孔，内腔下方设有固定所述驱动电机定子下法兰的定位孔、定位面和固定螺孔，下部内侧设有安装转子内套辅助支承轴承的定位孔和定位挡圈安装槽。
进一步，所述驱动电机为中空结构带冷却多极永磁式交流同步电机，所述驱动电机的定子安装有绕组和冷却回路，转子布置有多极永磁体；所述驱动电机的定子设有安装固定的上下法兰，转子设有连接负载的定位内孔及上下定位面、固定螺孔。
进一步，所述驱动电机定子的上法兰通过定子固定圈固定在所述支承体内腔上方，下法兰直接固定在所述支承体内腔下方，所述驱动电机转子固定在所述转子内套外侧法兰上。
进一步，所述转子内套的上端设有连接所述腰体的法兰，上部外圆设有连接所述驱动电机转子的法兰，下部设有辅助支承轴承的定位圆，底面设有安装所述编码器磁环的法兰。
进一步，所述转子内套的辅助支承轴承采用圆柱滚子轴承，所述辅助支承轴承通过挡圈进行轴向浮动定位。
进一步，所述腰体的法兰连接盘内侧设有连接所述转子内套的法兰定位孔、定位面和固定螺孔，法兰连接盘外侧设有安装支承轴承外圈的定位孔、定位面和固定螺孔。
进一步，所述支承轴承采用可承受径向和双向轴向载荷的交叉滚子轴承，所述支承轴承采用内圈固定、外圈回转结构，轴承内圈固定在所述支承体的上方，外圈与所述腰体的法兰连接盘连接，轴承间隙通过外圈压板和螺钉调节。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
本发明以新颖的伺服回转轴直接驱动低转速、大转矩内置力矩电机和高精度磁栅绝对位置编码器替代了传统的伺服电机，与通常的机器人腰比较，不仅取消了减速器，而且驱动电机与腰体为刚性连接，故可确保机器人腰体的无间隙、无磨损、无噪音电机直接驱动；同时，又大幅度减少了机械传动部件；其结构十分简洁，运动精度大幅度提高，零部件无需维修更换，使用寿命大大延长，运行噪音大幅度下降。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A部的放大示意图；
图3为图1中B部的放大示意图；
其中，1、底座，2、支承体，3、驱动电机，3.1、定子，3.2、转子，3.3、电枢电缆，3.4、冷却管，4、支承轴承，4.1、内圈，4.2、外圈，4.3、压板，4.4、固定螺钉，5、腰体，6、转子内套，7、定子固定圈，8、辅助支承轴承，8.1、挡圈，9、编码器，9.1、磁环，9.2、测头，9.3、编码器电缆，10、机器人管线。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1～3所示，本实施例的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，包括底座1、支承体2、驱动电机3、转子内套6、编码器9、腰体5。
其中底座1用于机器人安装和支承体2固定，底座1为带正方形安装底板和管线引入窗口的中空圆柱体，底板设有机器人安装固定用的地脚螺栓安装孔，可通过地脚螺栓固定机器人；底座1上部设有连接支承体2的法兰定位孔、定位面和固定螺孔，可通过固定螺钉使底座1和支承体2连成一体；中空内腔可用来布置机器人管线10，侧面窗口用于机器人管线10引入。
支承体2设于底座1上方，支承体2用于驱动电机3安装和腰体5支承；支承体2为带上下法兰的中空圆柱体；支承体2的底面法兰用来连接底座1，使支承体2固定在底座1上；支承体2的内腔用来安装驱动电机3，电机定子3.1可通过上下法兰与支承体2连成一体；支承体2的下部内孔用来安装转子内套6的辅助支承轴承8和定位挡圈8.1，对安装转子内套6进行径向定位、轴向浮动支承；支承体2的上部法兰用来固定腰体5的支承轴承内圈4.1，支承腰体5的回转运动；所述编码器9的测头9.2固定在所述支承体2的底面。
驱动电机3设于支承体2内腔，驱动电机3采用专门用于伺服回转轴直接驱动的低转速、大转矩新颖带冷却内置力矩电机(Built-in torque Motor)；驱动电机3为中空结构，转子3.2和定子3.1可分离；驱动电机的定子3.1通过上下法兰固定安装在支承体2的内腔，定子的下法兰直接固定在支承体2上，定子的上法兰通过定子固定圈7与支承体2连接；中空转子3.2安装在转子内套6上；转子内套6和腰体5连成一体，从而使驱动电机3可直接带动腰体5进行回转运动，以实现机器人腰体的无间隙直接驱动；电枢电缆3.3和冷却管3.4从底座1的侧面窗口引入。
转子内套6设于驱动电机转子3.2内腔，转子内套6是用来连接驱动电机转子3.2与腰体5的中间部件；转子内套6为中空圆柱体；转子内套6的外侧用来固定驱动电机3的转子3.2，上端用来固定腰体5，底面用来固定编码器9的磁环9.1；通过转子内套6，可使驱动电机转子3.2、机器人腰体5、编码器9成为一体，从而实现三者的无间隙刚性连接，使驱动电机直接驱动腰体5回转；转子内套8的下端通过安装在支承体2下方内孔的辅助支承轴承8进行径向定位、轴向浮动支承；机器人管线10可从转子内套的中空孔穿越。
编码器9设于转子内套底面，编码器9用于驱动电机3的速度、位置检测；编码器9为高精度磁栅绝对位置编码器，编码器9可以直接与机器人控制系统进行串行数据通信，编码器9的绝对位置数据利用后备电池保存；编码器9为中空圆环结构；编码器9包括磁环9.1和测头9.2；编码器9的磁环9.1安装在转子内套6底面，随驱动电机转子3.2一体旋转，测头9.2固定安装在支承体2的底面，编码器电缆9.3从底座1的侧面窗口引入。
腰体5设于支承体2上方，腰体5用来实现腰回转和安装机器人下臂驱动部件；腰体5为上方带突耳的异形中空法兰连接盘，突耳用来安装机器人下臂驱动部件，腰体5的法兰连接盘内侧用来连接转子内套6，法兰连接盘外侧用来连接支承轴承4，机器人管线10可从法兰连接盘中空孔穿越；腰体5可通过固定螺钉与转子内套6连成一体，支承轴承4的外圈4.2通过压板4.3和固定螺钉4.4固定在腰体5上，轴承间隙可通过压板4.3和固定螺钉4.4调整，腰体5可在驱动电机转子3.2的直接驱动下进行回转运动，以实现机器人腰体的无间隙、无磨损、无噪音直接驱动。
其中支承体2的内腔上方设有固定驱动电机定子3.1上法兰的定位孔和安装定子固定圈7的定位面、固定螺孔，内腔下方设有固定驱动电机定子3.1下法兰的定位孔、定位面和固定螺孔，下部内侧设有安装转子内套6辅助支承轴承8的定位孔和定位挡圈8.1的安装槽。
驱动电机3为中空结构带冷却多极永磁式交流同步电机，驱动电机3的定子3.1安装有绕组和冷却回路，转子3.2布置有多极永磁体；定子3.1设有安装固定的上下法兰，转子3.2设有连接负载的定位内孔及上下定位面、固定螺孔。
驱动电机3的定子3.1上法兰通过定子固定圈7固定在支承体2内腔上方，下法兰直接固定在支承体2内腔下方；驱动电机转子3.2固定在转子内套6外侧法兰上。
转子内套6的上端设有连接腰体5的法兰，上部外圆设有连接驱动电机转子3.2的法兰，下部设有安装辅助支承轴承8的定位圆，底面设有安装编码器9磁环9.1的法兰。
转子内套6的辅助支承轴承8采用圆柱滚子轴承，辅助支承轴承8通过挡圈8.1进行轴向浮动定位。
腰体5的法兰连接盘内侧设有连接转子内套6的法兰定位孔、定位面和固定螺孔，法兰连接盘外侧设有安装支承轴承4外圈4.2的定位孔、定位面和固定螺孔。
支承轴承4采用可承受径向和双向轴向载荷的交叉滚子轴承，支承轴承5采用内圈5.1固定、外圈5.2回转结构，轴承内圈5.1固定在支承体2上端，外圈5.2与腰体5的法兰连接盘连接，轴承间隙通过外圈压板5.3和固定螺钉5.4调节。
本发明的工作原理如下：
利用新颖的回转轴直接驱动低转速、大转矩内置力矩电机(Built-in torqueMotor)和高精度磁栅绝对位置编码器，代替现有的伺服电机，将安装有绕组的电机定子3.1通过支承体2与底座1连为一体，使之固定不动；将布置有多极永磁体的电机转子3.2通过转子内套6与腰体5连为一体，使驱动电机3直接带动腰体5回转；驱动电机3的速度与位置通过安装在转子内套6上的高精度磁栅绝对位置编码器9检测，编码器9可直接与机器人控制系统进行串行数据通信，绝对位置数据可利用后备电池保存；从而取消了现有的减速器等传动部件，使得机器人腰体与驱动电机成为刚性直接连接，实现了机器人腰体无间隙、无噪音、高精度直接驱动。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，包括：
底座(1)，所述底座(1)用于机器人安装和支承体(2)固定，所述底座(1)为带正方形安装底板和管线引入窗口的中空圆柱体，底板设有机器人安装固定用的地脚螺栓安装孔，底座上部设有连接支承体(2)的法兰定位孔、定位面和固定螺孔；中空内腔用来布置机器人管线(10)，侧面窗口用于机器人管线(10)引入；
支承体(2)，设于所述底座(1)上方，所述支承体(2)用于驱动电机(3)安装和腰体(5)支承；所述支承体(2)为带上下法兰的中空圆柱体；所述支承体(2)的底面法兰用来连接所述底座(1)，使支承体(2)固定在所述底座(1)上；所述支承体(2)的内腔用来安装所述驱动电机(3)，电机定子(3.1)可通过上下法兰与支承体(2)连成一体；所述支承体(2)的下部内孔用来安装转子内套(6)的辅助支承轴承(8)和定位挡圈(8.1)，对安装转子内套(6)进行径向定位、轴向浮动支承；所述支承体(2)的上部法兰用来固定腰体(5)的支承轴承内圈(4.1)，支承腰体(5)的回转运动；所述编码器(9)的测头(9.2)固定在所述支承体(2)的底面；
驱动电机(3)，设于所述支承体(2)内腔，所述驱动电机(3)用于腰体(5)回转驱动，所述驱动电机(3)采用专门用于伺服回转轴直接驱动的低转速、大转矩新颖带冷却内置力矩电机，所述驱动电机(3)包括可分离的转子(3.2)和定子(3.1)；所述驱动电机的定子(3.1)通过上下法兰固定安装在所述支承体(2)的内腔，定子的下法兰直接固定在所述支承体(2)上，定子的上法兰通过定子固定圈(7)与所述支承体(2)连接；中空转子(3.2)安装在所述转子内套(6)上；所述转子内套(6)和所述腰体(5)连成一体，从而使驱动电机(3)可直接带动所述腰体(5)进行回转运动，以实现机器人腰体的无间隙直接驱动；电枢电缆(3.3)和冷却管(3.4)从所述底座(1)的侧面窗口引入；
转子内套(6)，设于所述驱动电机(3)的转子(3.2)内腔，所述转子内套(6)是连接驱动电机转子(3.2)与所述腰体(5)的中间部件，所述转子内套(6)为中空圆柱体；所述转子内套(6)的外侧用来固定所述驱动电机(3)的转子(3.2)，上端用来固定所述腰体(5)，底面用来固定所述编码器(9)的磁环(9.1)；通过所述转子内套(6)，可使驱动电机转子(3.2)、机器人腰体(5)、编码器(9)成为一体，从而实现三者的无间隙刚性连接，使驱动电机直接驱动腰体(5)回转；所述转子内套(8)的下端通过安装在所述支承体(2)下方内孔的辅助支承轴承(8)进行径向定位、轴向浮动支承；机器人管线(10)可从中空孔穿越；
编码器(9)，设于所述转子内套(6)底面，所述编码器(9)用于所述驱动电机(3)的速度与位置检测，所述编码器(9)为可直接与机器人控制系统进行串行数据通信、利用后备电池保存绝对位置数据的磁栅绝对位置编码器，所述编码器(9)为中空圆环结构，所述编码器(9)包括磁环(9.1)和测头(9.2)，所述磁环(9.1)安装在所述转子内套(6)底面，可随驱动电机转子(3.2)旋转，所述测头(9.2)固定在所述支承体(2)上；编码器电缆可从所述底座(1)的侧面窗口引入；
腰体(5)，设于所述支承体(2)上方，所述腰体(5)用来实现腰回转运动和安装机器人下臂驱动部件，所述腰体(5)为上方带突耳的异形中空法兰连接盘，突耳用来安装机器人下臂驱动部件，所述腰体(5)的法兰连接盘内侧用来连接所述转子内套(6)，法兰连接盘外侧用来连接支承轴承(4)，机器人管线(10)可从法兰连接盘中空孔穿越；所述腰体(5)可通过固定螺钉与所述转子内套(6)连成一体，所述支承轴承(4)的外圈(4.2)通过压板(4.3)和固定螺钉(4.4)固定在所述腰体(5)上，轴承间隙可通过所述压板(4.3)和固定螺钉(4.4)调整，所述腰体(5)可在所述驱动电机转子(3.2)的直接驱动下进行无间隙、无磨损、无噪音直接回转。
2.根据权利要求1所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述支承体(2)的内腔上方设有固定所述驱动电机定子(3.1)上法兰的定位孔和安装定子固定圈(7)的定位面、固定螺孔，内腔下方设有固定所述驱动电机定子(3.1)下法兰的定位孔、定位面和固定螺孔，下部内侧设有安装转子内套(6)辅助支承轴承(8)的定位孔和定位挡圈(8.1)安装槽。
3.根据权利要求1所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述驱动电机(3)为中空结构带冷却多极永磁式交流同步电机，所述驱动电机(3)的定子(3.1)安装有绕组和冷却回路，转子(3.2)布置有多极永磁体；所述驱动电机的定子(3.1)设有安装固定的上下法兰，转子(3.2)设有连接负载的定位内孔及上下定位面、固定螺孔。
4.根据权利要求3所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述驱动电机定子(3.1)的上法兰通过定子固定圈(7)固定在所述支承体(2)内腔上方，下法兰直接固定在所述支承体(2)内腔下方，所述驱动电机转子(3.2)固定在所述转子内套(6)外侧法兰上。
5.根据权利要求1所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述转子内套(6)的上端设有连接所述腰体(5)的法兰，上部外圆设有连接所述驱动电机转子(3.2)的法兰，下部设有辅助支承轴承(8)的定位圆，底面设有安装所述编码器(9)磁环(9.1)的法兰。
6.根据权利要求5所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述转子内套(6)的辅助支承轴承(8)采用圆柱滚子轴承，所述辅助支承轴承(8)通过挡圈(8.1)进行轴向浮动定位。
7.根据权利要求1所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述腰体(5)的法兰连接盘内侧设有连接所述转子内套(6)的法兰定位孔、定位面和固定螺孔，法兰连接盘外侧设有安装支承轴承(4)外圈(4.2)的定位孔、定位面和固定螺孔。
8.根据权利要求7所述的一种内置力矩电机直接驱动的机器人腰，其特征在于，所述支承轴承(4)采用可承受径向和双向轴向载荷的交叉滚子轴承，所述支承轴承(4)采用内圈(4.1)固定、外圈(4.2)回转结构，轴承内圈(4.1)固定在所述支承体(2)的上方，外圈(4.2)与所述腰体(5)的法兰连接盘连接，轴承间隙通过外圈压板(4.3)和螺钉(4.4)调节。
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