CN112276997B - 一种一体化磁编码器及高性能机器人集成关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化磁编码器及高性能机器人集成关节装置，包括测量结构，其包括第一固定座、磁环部件、第二固定座，以及测量部件，与所述第二固定座相连接；测量结构位于所述电机模块内，电机模块包括壳体、定子以及转动件，位于所述定子内；电机模块还连接有减速结构，包括，主动轮、从动轮，与所述主动轮啮合；齿圈以及齿轮架，所述从动轮所述安装在所述齿轮架上；所述主动轮的分度圆直径小于所述从动轮的分度圆直径；本发明磁编码器置于关节外壳及转子铁芯内腔，有效的减少了整体关节的轴向空间，减速结构部分将关节输出法兰和行星架合二为一，且采用侧向螺钉固定的安装方式，使关节更加紧凑高效。

Description

一种一体化磁编码器及高性能机器人集成关节装置

技术领域

本发明涉及机器人关节技术领域，尤其是一种一体化磁编码器及高性能机器人集成关节装置。

背景技术

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人在运动过程中，需要驱动机器人的关节进行直线、转动等一系列的运动，从而完成各项动作。

对于移动机器人，尤其是被设计用于在有限的和复杂的工作空间中工作的移动机器人来说，灵活性和紧凑性是两个主要的设计要求；现在还较少开发这种高度集成的关节单元。目前相关的机器人集成关节单元存在输出扭矩不足和体积质量较大等缺陷。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是目前相关的机器人集成关节单元存在输出扭矩不足和体积质量较大等缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种一体化磁编码器，包括第一固定座，区分为转轴部和连接部，所述转轴部突出于所述连接部设置；磁环部件，套设于所述第一固定座的转轴部；第二固定座，与所述转轴部转动连接；以及，测量部件，与所述第二固定座相连接。

作为本发明所述一体化磁编码器的一种优选方案，其中：所述第一固定座的连接部设置有第一安装孔，所述磁环部件设置有第一连接孔，所述第一安装孔与所述第一连接孔相连接；所述第二固定座设置有第二安装孔，所述测量部件设置有第二连接孔，所述第二安装孔与所述第二连接孔相连接。

作为本发明所述一体化磁编码器的一种优选方案，其中：所述第一固定座的转轴部一端设置有限位凸台，所述第二固定座中心设置有转动孔；所述转动孔内安装有第一轴承，所述限位凸台嵌入所述第二固定座内并通过所述第一轴承与所述转动孔转动连接。

本发明还提供如下技术方案：一种高性能机器人集成关节装置，包括测量结构，设置于电机结构内；所述测量结构位于所述电机模块内，所述电机模块包括壳体，所述壳体为中空型圆柱；定子，固定连接在所述壳体内壁；转动件，位于所述定子内。

作为本发明所述一种高性能机器人集成关节装置的一种优选方案，其中：所述转动件包括转动轮和中心轴，所述转动轮与所述中心轴之间形成转子腔，所述测量结构位于所述转子腔内；所述中心轴包括第一端，所述第一固定座与所述第一端固定连接，所述壳体一端向轴心延伸形成连接面，所述第二固定座与所述连接面相连接，所述转动轮与所述连接面通过第二轴承连接。

作为本发明所述一种高性能机器人集成关节装置的一种优选方案，其中：所述中心轴包括第二端，所述第二端连接有减速结构。

作为本发明所述一种高性能机器人集成关节装置的一种优选方案，其中：所述减速结构包括，主动轮，与所述第二端同轴且固定连接；从动轮，与所述主动轮啮合；齿圈，安装在所述壳体内侧并与所述从动轮啮合；以及，齿轮架，所述齿轮架为圆盘形状并与所述主动轮同轴设置，所述从动轮所述安装在所述齿轮架上；所述主动轮的分度圆直径小于所述从动轮的分度圆直径。

作为本发明所述一种高性能机器人集成关节装置的一种优选方案，其中：所述齿轮架包括从动轮轴、外接法兰，所述从动轮连接到所述从动轮轴上，所述外接法兰与外部连接。

作为本发明所述一种高性能机器人集成关节装置的一种优选方案，其中：所述电机模块还包括限位挡圈，所述挡圈与所述壳体固定连接，所述挡圈端面抵触在所述齿圈端面，所述挡圈与所述外接法兰通过第三轴承连接。

作为本发明所述一种高性能机器人集成关节装置的一种优选方案，其中：所述壳体外侧均匀设置有散热片。

本发明的有益效果：

1、本发明测量结构(一体化磁编码器)置于关节外壳及转子铁芯内腔，有效的减少了整体关节的轴向空间，使关节更加紧凑高效；

2、测量结构(一体化磁编码器)部分为一体化设计，保证了测量结构读数的稳定性和准确性；

3、减速结构部分将关节输出法兰和行星架合二为一，且采用侧向螺钉固定的安装方式，使结构更加紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种实施例所述的一体化磁编码器剖面结构示意图；

图2为本发明提供的一种实施例所述的一体化磁编码器的爆炸结构示意图；

图3为本发明提供的一种实施例所述的高性能机器人集成关节装置中测量结构安装在电机结构内的结构示意图；

图4为本发明提供的一种实施例所述的高性能机器人集成关节装置中测量结构位于转子腔中的剖面结构示意图；

图5为本发明提供的一种实施例所述的高性能机器人集成关节装置中电机结构连接减速结构的示意图；

图6为本发明提供的一种实施例所述的高性能机器人集成关节装置中减速结构的结构示意图；

图7为本发明提供的一种实施例所述的高性能机器人集成关节装置的爆炸结构示意图。

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，下面结合说明书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，但是本发明还可以采用其他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推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1，本实施例提供了一种一体化磁编码器100，它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，磁编码器包括读数头和磁环两部分，而读数头与磁环间的距离要求精确配合，需要控制尺寸误差；本实施例提供了一体化的测量结构100，很好的保证了读数头和磁环之间的距离，降低了测量误差，具体的，包括第一固定座101，第一固定座101在测量时为旋转状态，区分为转轴部101a和连接部101b，转轴部101a突出于连接部101b设置，转轴部101a为转动的轴，连接部101b与转轴部101a一体式连接；磁环部件102，套设于第一固定座101的转轴部101a并固定连接，较佳的采用螺钉连接，磁环部件102与要测量的转子转速一致，以便于测量；第二固定座103，第二固定座103在本测量结构100中一直处于固定状态，且与第一固定座101的转轴部101a转动连接，即第一固定座101与第二固定座103之间相对转动；以及，测量部件104，测量部件104为磁编码器的读数头，与第二固定座103连接，因为第二固定座103为固定的，测量部件104又与第二固定座103固定连接，所以测量部件104与第二固定座103同为固定的，测量部件104与磁环部件102件轴间间距大小保证采用胶粘等固连方式，但不限于胶粘。

一体化的测量结构100在进行对转速测量时，直接将第一固定座101的转轴部101a一端与待测的转子轴相连接，此时第一固定座101的误差不会影响测量部件104与磁环部件102之间的尺寸误差，测量部件104与磁环部件102之间的距离固定，安装轴向距离误差在0.25±0.05mm范围内，减小了尺寸误差，提高了测量精确度。

实施例2

参照图1～2，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：第一固定座101的连接部101b设置有第一安装孔101c，磁环部件102设置有第一连接孔102a，第一安装孔101c与第一连接孔102a相连接；第二固定座103设置有第二安装孔103a，测量部件104设置有第二连接孔104a，第二安装孔103a与第二连接孔104a相连接。具体的，测量结构100包括第一固定座101，第一固定座101在测量时为旋转状态，区分为转轴部101a和连接部101b，转轴部101a突出于连接部101b设置，转轴部101a为转动的轴，连接部101b与转轴部101a一体式连接；磁环部件102，套设于第一固定座101的转轴部101a并固定连接，较佳的采用螺钉连接，磁环部件102与要测量的转子转速一致，以便于测量；第二固定座103，第二固定座103在本测量结构100中一直处于固定状态，且与第一固定座101的转轴部101a转动连接，即第一固定座101与第二固定座103之间相对转动；以及，测量部件104，测量部件104为磁编码器的读数头，与第二固定座103连接，因为第二固定座103为固定的，测量部件104又与第二固定座103固定连接，所以测量部件104与第二固定座103同为固定的。

进一步的，连接部101b为圆盘状，设置有第一安装孔101c，同时磁环部件102相应的设置有第一连接孔102a，第一安装孔101c与第一连接孔102a之间连接有螺钉，将第一固定座101与磁环部件102进行固定，第一固定座101转动时，磁环部件102跟着第一固定座101同时转动；第二固定座103设置有第二安装孔103a，测量部件104设置有第二连接孔104a，第二安装孔103a与第二连接孔104a之间通过螺钉相连接，测量部件104与第二连接孔104a相对固定。

进一步的，第一固定座101的转轴部101a一端设置有限位凸台101d，第二固定座103中心设置有转动孔103b，限位凸台101d嵌入第二固定座103内并通过第一轴承105与转动孔103b转动连接，第一轴承105一端面抵触在限位凸台101d，第一固定座101与第二固定座103之间通过第一轴承105保证同心度和相对距离，防止第一固定座101轴向偏移而对磁环部件102与测量部件104之间的距离发生变化，影响测量精准度。

本实施例的测量结构100一体化设计，其中的第一固定座101与第二固定座103的安装位置固定，因为设置有第一轴承105能够相对转动，且限位凸台101d限制第一固定座101的轴向滑动，因此，安装在第一固定座101上的磁环部件102与安装在第二固定座103上的测量部件104之间的距离不会发生变化，尺寸误差不受第一固定座101安装误差的影响，保证了磁编码器读数的稳定性和准确性，且节省了安装空间。

实施例3

参照图1～4，为本发明第三个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：本实施例提供了一种高性能机器人集成关节装置，包括测量结构100，设置于电机结构200内，测量结构100即为一体化的磁编码器，本发明将磁编码器置于关节外壳及转子铁芯内腔，有效的减少了整体关节的轴向空间，使关节更加紧凑高效。

具体的，测量结构100包括第一固定座101，第一固定座101在测量时为旋转状态，区分为转轴部101a和连接部101b，转轴部101a突出于连接部101b设置，转轴部101a为转动的轴，连接部101b与转轴部101a一体式连接；磁环部件102，套设于第一固定座101的转轴部101a并固定连接，较佳的采用螺钉连接，磁环部件102与要测量的转子转速一致，以便于测量；第二固定座103，第二固定座103在本测量结构100中一直处于固定状态，且与第一固定座101的转轴部101a转动连接，即第一固定座101与第二固定座103之间相对转动；以及，测量部件104，测量部件104为磁编码器的读数头，与第二固定座103连接，因为第二固定座103为固定的，测量部件104又与第二固定座103固定连接，所以测量部件104与第二固定座103同为固定的。连接部101b为圆盘状，设置有第一安装孔101c，同时磁环部件102相应的设置有第一连接孔102a，第一安装孔101c与第一连接孔102a之间连接有螺钉，将第一固定座101与磁环部件102进行固定，第一固定座101转动时，磁环部件102跟着第一固定座101同时转动；第二固定座103设置有第二安装孔103a，测量部件104设置有第二连接孔104a，第二安装孔103a与第二连接孔104a之间通过螺钉相连接，测量部件104与第二连接孔104a相对固定。

进一步的，第一固定座101的转轴部101a一端设置有限位凸台101d，第二固定座103中心设置有转动孔103b，限位凸台101d嵌入第二固定座103内并通过第一轴承105与转动孔103b转动连接；优选的，转动孔103b内安装有第一轴承105，第一轴承105一端面抵触在限位凸台101d，防止第一固定座101轴向偏移而对磁环部件102与测量部件104之间的距离发生变化，影响测量精准度。

进一步的，电机模块200包括壳体201，壳体201为中空型圆柱；定子202，固定连接在壳体201内壁，定子202通过胶粘等方式与壳体201固定连接；转动件203，位于定子202内，转动件203通过轴承与壳体201连接，间接与电机定子202保持相对固定，转子203围绕中心固定旋转，转子203为该关节装置动力输出来源，较佳的，转子203设计成轮辐状。

进一步的，转动件203包括转动轮203a和中心轴203b，转动轮203a与中心轴203b之间形成转子腔M，测量结构100位于转子腔M内，测量结构100与中心轴203b直接固连，测量结构100即编码器位置固定在关节壳体201及转子腔M中，有效的缩减了关节装置轴向的空间；

较佳的，中心轴203b包括第一端203b-1，第一固定座101与第一端203b-1固定连接，即中心轴203b转动时，第一固定座101以及磁环部件102跟着转动；壳体201一端向轴心延伸形成连接面201a，第二固定座103与连接面201a通过螺钉相连接，而连接面201a为固定的，所以第二固定座103固定在连接面201a上；较佳的，转动轮203a与连接面201a通过第二轴承204连接，保持了转动件203能够绕中心轴203b旋转。

本实施例中将测量结构100置于转子腔M内，有效的减少了整体关节的轴向空间，使关节更加紧凑高效。

实施例4

参照图1～7，为本发明第四个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：中心轴203b包括第二端203b-2，第二端203b-2连接有减速结构300，减速结构300为单级减速系统。

具体的，减速结构300包括，主动轮301，主动轮301作为行星齿轮系的太阳轮与第二端203b-2同轴且固定连接作为动力输出来源；从动轮302，从动轮302作为行星齿轮系的行星轮与主动轮301啮合传输动力，本实施例中，主动轮301轮齿均匀啮合有3个从动轮302；齿圈303，安装在壳体201内侧并与3个从动轮302啮合；以及，齿轮架304，齿轮架304为圆盘形状并与主动轮301同轴设置，从动轮302安装在齿轮架304上，其中主动轮301通过轴承与齿轮架304中心固定连接，保证同心度。进一步的，主动轮301的分度圆直径小于从动轮302的分度圆直径，主动轮301、从动轮302、齿圈303以及齿轮架304共同构成单级减速系统。

进一步的，齿轮架304包括从动轮轴304a、外接法兰304b，从动轮302连接到从动轮轴304a上，外接法兰304b为关节输出法兰，外接法兰304b上面具有装配安装孔与外部连接。

较佳的，电机模块200还包括限位挡圈205，挡圈205与壳体201固定连接，挡圈205通过径向螺钉与关节装置的壳体201相连，采用侧向螺钉固定的安装方式，使结构更加紧凑。挡圈205端面抵触在齿圈303端面防止从动轮302轴向偏移，挡圈205与外接法兰304b通过第三轴承206连接，外接法兰304b的转动将动力输出给外部连接件；较佳的，壳体201外侧均匀设置有散热片201b。

优选的，本发明中的转动件203选用20cr材料制成，其余采用7075-T6制成，这样即能满足实际需要，又能减轻机器人关节的重量。

本实施例中，将测量结构100即编码器置于关节壳体201及转子内腔，有效的减少了整体关节的轴向空间，使关节更加紧凑高效；减速结构部分将关节输出外接法兰304b和齿轮架304即行星架合二为一，且采用侧向螺钉固定的安装方式，使结构更加紧凑，集成化，本发明集成后的关节装置轴向距离不大于50mm，而传统的机器人关节轴向距离一般都大于80mm，有效的减少了整体关节的轴向空间，轴向距离缩短后电机模块200的最大转速能达到13rad/s，峰值扭矩输出能超过100N·m，实现了高扭矩输出。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高性能机器人集成关节装置，其特征在于：包括，

测量结构（100），设置于电机结构（200）内；

所述电机结构（200）包括壳体（201），所述壳体（201）为中空型圆柱；

定子（202），固定连接在所述壳体内壁；

转动件（203），位于所述定子（202）内；

所述测量结构（100）包括第一固定座（101），区分为转轴部（101a）和连接部（101b），所述转轴部（101a）突出于所述连接部（101b）设置；

磁环部件（102），套设于所述第一固定座（101）的转轴部（101a）；

第二固定座（103），与所述转轴部（101a）转动连接；以及，

测量部件（104），与所述第二固定座（103）相连接；

所述转动件（203）包括转动轮（203a）和中心轴（203b），所述转动轮（203a）与所述中心轴（203b）之间形成转子腔（M），所述测量结构（100）位于所述转子腔（M）内；

所述中心轴（203b）包括第一端（203b-1），所述第一固定座（101）与所述第一端（203b-1）固定连接，所述壳体（201）一端向轴心延伸形成连接面（201a），

所述第二固定座（103）与所述连接面（201a）相连接，所述转动轮（203a）与所述连接面（201a）通过第二轴承（204）连接；

所述中心轴（203b）包括第二端（203b-2），所述第二端（203b-2）连接有减速结构（300）；

所述减速结构（300）包括，

主动轮（301），与所述第二端（203b-2）同轴且固定连接；

从动轮（302），与所述主动轮（301）啮合；

齿圈（303），安装在所述壳体（201）内侧并与所述从动轮（302）啮合；以及，

齿轮架（304），所述齿轮架（304）为圆盘形状并与所述主动轮（301）同轴设置，所述从动轮（302）安装在所述齿轮架（304）上；

所述主动轮（301）的分度圆直径小于所述从动轮（302）的分度圆直径；

所述齿轮架（304）包括从动轮轴（304a）、外接法兰（304b），所述从动轮（302）连接到所述从动轮轴（304a）上，所述外接法兰（304b）与外部连接。

2.根据权利要求1所述的高性能机器人集成关节装置，其特征在于：所述电机结构（200）还包括限位挡圈（205），所述挡圈（205）与所述壳体（201）固定连接，所述挡圈（205）端面抵触在所述齿圈（303）端面，所述挡圈（205）与所述外接法兰（304b）通过第三轴承（206）连接。

3.根据权利要求2所述的高性能机器人集成关节装置，其特征在于：所述壳体（201）外侧均匀设置有散热片（201b）。

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