CN112372664A - 一种高集成模块化协作机器人关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高集成模块化协作机器人关节模组，包括关节本体、谐波减速机、无框力矩电机、制动器、编码器和驱动器；关节本体的第一端内设有谐波减速机，谐波减速机设有输入轴和输出轴；无框力矩电机设置在关节本体内，且套设在输入轴外；无框力矩电机的转子与输入轴连接，无框力矩电机的定子与关节本体的内壁连接；制动器设置在关节本体内，用于制动输入轴；编码器与输入轴和输出轴连接；驱动器设置在关节本体上，并与无框力矩电机、制动器、编码器电连接。本发明具有高集成化、体积小的特点，将编码器集成到驱动器上，大大节约了内部空间，并采用定制轻型的谐波减速机，使关节模组整体体积较小；本发明的关节模组连接处结构简单、拆装方便。

Description

一种高集成模块化协作机器人关节模组

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种高集成模块化协作机器人关节模组。

背景技术

目前工业机器人推陈出新，不断寻求变革。而智能化、数字化也渐渐成为行业主流，造就了协作机器人开始崭露头角，备受市场青睐。为加快协作机器人开发进度，实现批量化生产，就有必要对协作机器人的部件进行模块化设计。关节模组是协作机器人的典型组成部件之一，主要由减速机、无框力矩电机、编码器和驱动器等组成。而现有的关节模组普遍存在：

1)电机定子和关节本体因膨胀系数不同(材料不同)造成分开脱离；

2)体积笨大，集成度低；

3)易安装，连接处设计繁琐；

4)可靠性差，长期运行会出现连接处螺纹松动和间隙；

5)运行时发热严重或本体结构散热不好，造成关节模组外表面温度高；

6)运行时稳定性差。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺点和不足，提供一种高集成模块化协作机器人关节模组。

一种高集成模块化协作机器人关节模组，包括关节本体、谐波减速机、无框力矩电机、制动器、编码器和驱动器；

所述关节本体的第一端内设有谐波减速机，所述谐波减速机设有输入轴和输出轴；所述输入轴套设在输出轴的外侧；所述输出轴贯穿所述谐波减速机，输出轴的第一端设有连接盘，输出轴的第二端延长到输入轴的第二端以外；

所述无框力矩电机设置在关节本体内，且套设在输入轴外；所述无框力矩电机的转子与输入轴连接，无框力矩电机的定子与关节本体的内壁连接；

所述制动器设置在关节本体内，用于制动输入轴；制动器套设在输入轴外，制动器的转子与输入轴连接；

所述编码器与所述输入轴和输出轴连接；

所述驱动器设置在关节本体上，并与所述无框力矩电机、制动器、编码器电连接。

本发明所述的高集成模块化协作机器人关节模组，具有高集成化、体积小的特点，将编码器集成到驱动器上，大大节约了内部空间，并采用定制轻型的谐波减速机，使关节模组整体体积较小；本发明的关节模组连接处结构简单、拆装方便。

进一步地，所述关节本体内设有对应无框力矩电机的安装孔，安装孔的端面上绕其周向均布地设有若干导热沉槽。

进一步地，所述导热沉槽内填充有导热材料。

采用上述进一步方案的有益效果是，关节本体上设计有导热沉槽，里边放有导热材料用来加快传导产生的热量，达到散热快、关节表面温升低的效果，同时导热沉槽的设计还可以在一定程度上降低本体的重量。

进一步地，所述安装孔的内壁上对应无框力矩电机的定子的位置设有若干胶槽，安装孔与无框力矩电机的定子胶粘连接；各胶槽沿安装孔的轴线方向均布设置，且所述导热沉槽的深度范围覆盖各胶槽的位置。

采用上述进一步方案的有益效果是，关节本体内部安装无框力矩电机定子的位置处设计有胶槽，可使定子和关节本体结合更牢固，防止因热膨胀导致二者粘接失效；关节模组的温升主要是电机和减速机在运行过程中产生的，为了快速把二者的热量传导出去，采用直接把电机和关节本体结构紧密贴合，并且在电机和减速机的安装端面设计有隔热层。另外关节本体上设计有多个导热沉槽，里边装有导热材料便于传递本体热量；

因为电机定子是关节模组的主要发热源，关节本体上的导热沉槽深度要大于各胶槽的深度总和，有一定的位置要求。这样设计既可以使受热最严重的的胶槽位的热量以最快的速度通过导热沉槽里的导热材料传导出去，让胶槽里的温升保持在一定范围，使电机定子和关节本体不会因膨胀系数不同(材料不同)造成分开脱离；同时又可以快速平衡因受热不均造成的变形大小不同的影响，减小变形量；导热沉槽和胶槽的结构设计在一定程度上还形成了稳定的工字钢结构，相辅相成，使结构更稳定，受力更均匀。

进一步地，所述编码器包括输入端编码器和输出端编码器；所述输入端编码器的端面上设有安装槽；所述输出端编码器设置在所述安装槽内；所述输入端编码器与所述制动器的转子连接；所述输出端编码器与所述输出轴连接，所述输出端编码器与输入端编码器形成闭环控制。

采用上述进一步方案的有益效果是，在减速机的输入和输出端再分别安装有高分辨率高精度编码器，来检测反馈其运行情况。再结合驱动器实现其稳定的闭环控制；通过设置安装槽，可将输入端编码器和输出端编码器紧凑组合一起，节省关节本体内部空间；制动器设置在输入编码器和输入轴之间，通过所述输入端编码器与所述制动器的转子连接，间接实现输入端编码器与输入轴的连接，使结构简化，进一步节省关节本体的内部空间。

进一步地，还包括制动器安装座；所述制动器安装座固定在安装孔的端面上，并套设在所述输入轴外，制动器安装座与输入轴之间设有轴承；所述制动器安装在所述制动器安装座上；所述制动器的转子与输入轴的端面连接，制动器的转子的内圈与输出轴之间设有轴承；

还包括驱动器安装座；所述驱动器设置在驱动器安装座上；所述制动器安装座上设有若干支柱，驱动器安装座与制动器安装座之间通过支柱连接。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置支柱支撑连接驱动器安装座和制动器安装座，便于安装和拆卸，提高连接的稳定性和强度；通过采用高精密轴承支撑，来保证回转精度。

进一步地，所述连接盘的端面以及所述驱动器的第二端面设有过线孔，所述驱动器的第二端面的过线孔上安装有轴承座，轴承座上设有轴承；所述驱动器的第二端面上设有固线板；所述固线板上设有轴承压脚，轴承压脚用于压紧驱动器上的轴承的外圈；所述固线板上设有用于固线的绑线孔。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置轴承，线缆从内部穿过时，可以使滑动摩擦变为滚动摩擦，大大保护了线缆不被磨损，延长了使用寿命。

进一步地，还包括关节封盖，所述关节封盖与关节本体的第二端密封连接；关节封盖与关节本体共同密封包围所述驱动器和制动器；关节封盖与关节本体的连接口为斜开口。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过将封盖与关节本体的连接口设置成斜开口，可在打开关节封盖后，便于观察关节本体内部的结构。

进一步地，所述驱动器安装座上设有若干支柱，关节封盖通过螺栓与支柱连接。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置支柱，可便于安装关节封盖，提高关节本体的整体强度。

进一步地，关节本体上设有与其他关节本体连接的连接部；连接部沿其轴向和径向分别设有安装定位孔；连接部上交错地设有若干加强筋。

采用上述进一步方案的有益效果是，采用整体模块化设计，连接部设计有轴向和径向定位以及连接孔位，既可实现协作机器人关节与关节之间的快速拼接，操作简单，又能防止连接处出现松动和间隙，提升整机的可靠性和使用寿命，节约了成本。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明的高集成模块化协作机器人关节模组的结构示意图；

图2为本发明的高集成模块化协作机器人关节模组的零件爆炸示意图；

图3为本发明的高集成模块化协作机器人关节模组的剖面结构示意图；

图4为本发明的关节本体的结构示意图；

图5为本发明的固线板的结构示意图；

图6为本发明的轴承座的结构示意图。

图中：10、关节本体；11、安装孔；12、导热沉槽；13、胶槽；14、连接部；141、安装定位孔；142、加强筋；20、谐波减速机；21、输入轴；22、输出轴；221、连接盘；30、无框力矩电机；31、无框力矩电机的转子；32、无框力矩电机的定子；40、制动器；41、制动器的转子；42、制动器安装座；51、输入端编码器；511、安装槽；52、输出端编码器；60、驱动器；61、驱动器安装座；71、轴承；72、过线孔；73、轴承座；74、固线板；741、轴承压脚；742、绑线孔；80、支柱；90、关节封盖。

具体实施方式

请参阅图1至图6，本实施例的一种高集成模块化协作机器人关节模组，包括关节本体10、谐波减速机20、无框力矩电机30、制动器40、编码器、驱动器60和关节封盖90；

所述谐波减速机20、无框力矩电机30、制动器40、编码器、驱动器60沿同一轴线方向依次设置在关节本体10上；所述无框力矩电机30、制动器40依次设置在输入轴21上。

具体的，关节本体10上设有与其他关节本体10连接的连接部14；连接部14沿其轴向和径向分别设有安装定位孔141；连接部14上交错地设有若干加强筋142；通过采用整体模块化设计，连接部14设计有轴向和径向定位以及连接孔位，既可实现协作机器人关节与关节之间的快速拼接，操作简单，又能防止连接处出现松动和间隙，提升整机的可靠性和使用寿命，节约了成本。

具体的，所述谐波减速机20设置在所述关节本体10的第一端上；所述谐波减速机20设有输入轴21和输出轴22；所述输入轴21套设在输出轴22的外侧；所述输出轴22贯穿所述谐波减速机20，输出轴22的第一端设有连接盘221，输出轴22的第二端延长到输入轴21的第二端以外。

具体的，所述关节本体10内设有对应无框力矩电机30的安装孔11，所述无框力矩电机30设置在关节本体10的安装孔11内，且套设在输入轴21外；所述无框力矩电机的转子31与输入轴21连接，无框力矩电机的定子32与关节本体10的内壁连接；

更具体的，安装孔11的端面上绕其周向均布地设有若干导热沉槽12；所述导热沉槽12内填充有导热材料(图未示)；

所述安装孔11的内壁上对应无框力矩电机的定子32的位置设有若干胶槽13，安装孔11与无框力矩电机的定子32胶粘连接；各胶槽13沿安装孔11的轴线方向均布设置，且所述导热沉槽12的深度范围覆盖各胶槽13的位置；

关节本体10上设计有导热沉槽12，里边放有导热材料用来加快传导产生的热量，达到散热快、关节表面温升低的效果，同时导热沉槽12的设计还可以在一定程度上降低本体的重量。

关节本体10内部安装无框力矩电机的定子32的位置处设计有胶槽13，可使无框力矩电机的定子32和关节本体10结合更牢固，防止因热膨胀导致二者粘接失效；关节模组的温升主要是电机和减速机在运行过程中产生的，为了快速把二者的热量传导出去，采用直接把电机和关节本体10结构紧密贴合，并且在电机和减速机的安装端面设计有隔热层。另外关节本体10上设计有多个导热沉槽12，里边装有导热材料便于传递本体热量；

因为无框力矩电机的定子32是关节模组的主要发热源，关节本体10上的导热沉槽12深度要大于各胶槽13的深度总和，有一定的位置要求。这样设计既可以使受热最严重的的胶槽13位的热量以最快的速度通过导热沉槽12里的导热材料传导出去，让胶槽13里的温升保持在一定范围，使无框力矩电机的定子32和关节本体10不会因膨胀系数不同(材料不同)造成分开脱离；同时又可以快速平衡因受热不均造成的变形大小不同的影响，减小变形量；导热沉槽12和胶槽13的结构设计在一定程度上还形成了稳定的工字钢结构，相辅相成，使结构更稳定，受力更均匀。

具体的，所述制动器40设置在关节本体10内，用于制动输入轴21；制动器40套设在输入轴21外，制动器的转子41与输入轴21连接；

更具体的，还包括制动器安装座42；所述制动器安装座42固定在安装孔11的端面上，并套设在所述输入轴21外，制动器安装座42与输入轴21之间设有轴承71；所述制动器40安装在所述制动器安装座42上；所述制动器的转子41与输入轴21的端面连接，制动器的转子41的内圈与输出轴22之间设有轴承71。

具体的，所述编码器与所述输入轴21和输出轴22联接；

更具体的，所述编码器包括输入端编码器51和输出端编码器52；所述输入端编码器51的端面上设有安装槽511；所述输出端编码器52设置在所述安装槽511内；所述输入端编码器51与所述制动器的转子41连接；所述输出端编码器52与所述输出轴22连接，所述输出端编码器52与输入端编码器51形成闭环控制。

具体的，所述驱动器60设置在关节本体10上，并与所述无框力矩电机30、制动器40、编码器电连接。

更具体的，还包括驱动器安装座61；所述驱动器60设置在驱动器安装座61上；所述制动器安装座42上设有若干支柱80，驱动器安装座61与制动器安装座42之间通过支柱80连接。

具体的，所述连接盘221的端面以及所述驱动器60的第二端面设有过线孔72，所述驱动器60的第二端面的过线孔72上安装有轴承座73，轴承座73上设有轴承71；所述驱动器60的第二端面上设有固线板74；所述固线板74上设有轴承压脚741，轴承压脚741用于压紧驱动器60上的轴承71的外圈；所述固线板74上设有用于固线的绑线孔742。

具体的，所述关节封盖90与关节本体10的第二端密封连接；关节封盖90与关节本体10共同密封包围所述驱动器60和制动器40；关节封盖90与关节本体10的连接口为斜开口；通过将封盖与关节本体10的连接口设置成斜开口，可在打开关节封盖90后，便于观察关节本体10内部的结构；

更具体的，所述驱动器安装座61上设有若干支柱80，关节封盖90通过螺栓与支柱80连接；通过设置支柱80，可便于安装关节封盖90，提高关节本体10的整体强度；关节封盖90与关节本体10的连接处还设有密封圈。

优选地，为了降低成本、便于大量采购，轴承71和密封圈均采用标准件；关节本体10采用导热性良好的铝材质制成；

优选地，除无框力矩电机的定子32和关节本体10的固定、谐波减速机20的输入轴21和无框力矩电机的转子31的固定，这两处采用胶粘方式，其他固定安装方式全部采用螺钉连接。

相对于现有技术，本发明所述的高集成模块化协作机器人关节模组，具有高集成化、体积小的特点，将编码器集成到驱动器上，大大节约了内部空间，并采用定制轻型的谐波减速机，使关节模组整体体积较小；本发明的关节模组连接处结构简单、拆装方便。

另外，本发明还具有以下有益效果：

在减速机的输入和输出端再分别安装有高分辨率高精度编码器，来检测反馈其运行情况。再结合驱动器实现其稳定的闭环控制；通过设置安装槽，可将输入端编码器和输出端编码器紧凑组合一起，节省关节本体内部空间；制动器设置在输入编码器和输入轴之间，通过所述输入端编码器与所述制动器的转子连接，间接实现输入端编码器与输入轴的连接，使结构简化，进一步节省关节本体的内部空间。

通过设置支柱支撑连接驱动器安装座和制动器安装座，便于安装和拆卸，提高连接的稳定性和强度；通过采用高精密轴承支撑，来保证回转精度。

通过设置轴承，线缆从内部穿过时，可以使滑动摩擦变为滚动摩擦，大大保护了线缆不被磨损，延长了使用寿命。

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。

Claims (10)

1.一种高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，包括

关节本体；

谐波减速机，所述关节本体的第一端内设有谐波减速机，所述谐波减速机设有输入轴和输出轴；所述输入轴套设在输出轴的外侧；所述输出轴贯穿所述谐波减速机，输出轴的第一端设有连接盘，输出轴的第二端延长到输入轴的第二端以外；

无框力矩电机，所述无框力矩电机设置在关节本体内，且套设在输入轴外；所述无框力矩电机的转子与输入轴连接，无框力矩电机的定子与关节本体的内壁连接；

制动器，所述制动器设置在关节本体内，用于制动输入轴；制动器套设在输入轴外，制动器的转子与输入轴连接；

编码器，所述编码器与所述输入轴和输出轴连接；和

驱动器，所述驱动器设置在关节本体上，并与所述无框力矩电机、制动器、编码器电连接。

2.根据权利要求1所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，所述关节本体内设有对应无框力矩电机的安装孔，安装孔的端面上绕其周向均布地设有若干导热沉槽。

3.根据权利要求2所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，所述导热沉槽内填充有导热材料。

4.根据权利要求3所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，所述安装孔的内壁上对应无框力矩电机的定子的位置设有若干胶槽，安装孔与无框力矩电机的定子胶粘连接；各胶槽沿安装孔的轴线方向均布设置，且所述导热沉槽的深度范围覆盖各胶槽的位置。

5.根据权利要求4所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，所述编码器包括输入端编码器和输出端编码器；所述输入端编码器的端面上设有安装槽；所述输出端编码器设置在所述安装槽内；所述输入端编码器与所述制动器的转子连接；所述输出端编码器与所述输出轴连接，所述输出端编码器与输入端编码器形成闭环控制。

6.根据权利要求5所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，还包括制动器安装座；所述制动器安装座固定在安装孔的端面上，并套设在所述输入轴外，制动器安装座与输入轴之间设有轴承；所述制动器安装在所述制动器安装座上；所述制动器的转子与输入轴的端面连接，制动器的转子的内圈与输出轴之间设有轴承；

还包括驱动器安装座；所述驱动器设置在驱动器安装座上；所述制动器安装座上设有若干支柱，驱动器安装座与制动器安装座之间通过支柱连接。

7.根据权利要求6所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，所述连接盘的端面以及所述驱动器的第二端面设有过线孔，所述驱动器的第二端面的过线孔上安装有轴承座，轴承座上设有轴承；所述驱动器的第二端面上设有固线板；所述固线板上设有轴承压脚，轴承压脚用于压紧驱动器上的轴承的外圈；所述固线板上设有用于固线的绑线孔。

8.根据权利要求7所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，还包括关节封盖，所述关节封盖与关节本体的第二端密封连接；关节封盖与关节本体共同密封包围所述驱动器和制动器；关节封盖与关节本体的连接口为斜开口。

9.根据权利要求8所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，所述驱动器安装座上设有若干支柱，关节封盖通过螺栓与支柱连接。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的高集成模块化协作机器人关节模组，其特征在于，关节本体上设有与其他关节本体连接的连接部；连接部沿其轴向和径向分别设有安装定位孔；连接部上交错地设有若干加强筋。

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