CN112454419B - 一种具有单编码器的协作机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有单编码器的协作机器人关节，属于机器人技术领域。该关节包括输出法兰、力矩传感器、谐波减速器、无框直驱力矩电机、输入法兰、多圈绝对值编码器、制动器，其中输出法兰和输入法兰可相对转动，无框直驱力矩电机的输出端通过谐波减速器与扭力传感器和输出法兰连接，无框直驱力矩电机的输入端与制动器和绝对值编码器连接。本发明的协作机器人关节具有力感知、绝对位置记忆、回零等功能，由其组成的协作机器人能够在半结构环境下与人协同作业，该协作机器人关节具有高精度力感知功能、结构紧凑、刚度高、可扩展性好等优点。

Description

一种具有单编码器的协作机器人关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种具有单编码器的协作机器人关节。

背景技术

协作机器人能够将自身的高精度、高忍耐性与人类的灵活适应能力相结合，具有人机融合、安全易用、灵敏精准及灵活通用的特征，不仅适应工业领域中小批量、多品种、用户定制的柔性制造需求，在应对老龄化的社会服务、康复医疗等领域也有潜在的应用前景。近年来，作为协作机器人重要组成部分的模块化一体化关节的研发日益受到人们的重视，轻质、高能量密度的机器人关节能够实现协作机器人的轻质、大负载自重比、灵活易用、安全性高、能够与人协同作业等优点。

目前，协作机器人关节一般采用双编码器运动控制方法，安装于关节输出端的绝对值编码器用于获得输出端的实际位移和绝对位置，实现绝对位置记忆(掉电保护)和回零功能，安装于电机端的增量式编码器用于电机位置、速度等伺服环控制。同时，基于双编码器的全状态反馈能够实现力感知功能。但这种双编码器结构使关节结构复杂，对关节中心走线管直径要求较高，力感知精度低，难以实现高精度的柔顺控制。为解决问题，专利CN210061184U采用多圈绝对值编码器实现了机器人关节的运动控制，但该方式无法实现高精度的力感知功能。专利CN109895122A等采用绝对值编码器和力矩传感器实现驱动装置的运动控制和力感知，但是该装置无法实现绝对位置记忆(掉电保护)和回零功能，同时因为制动器的缺失导致了关节无法紧急制动和保持，存在一定的安全隐患。专利CN108015799A等采用编码器和力矩传感器实现驱动装置的运动控制和力感知，但是该装置无法实现绝对位置记忆(掉电保护)和回零功能，同时由于电机与减速器的轴线错开设置，导致结构复杂、中空走线困难。

所以在精准力感知、绝对位置记忆、高精度运动学控制、精准回零的约束下，提高机器人关节结构紧凑性、降低关节结构复杂性和生产制造成本是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种具有单编码器的协作机器人关节，该关节具有力感知、绝对位置记忆、回零等功能，并具有高精度、高刚度、结构紧凑、大中心孔、成本低等优点，由其组成的协作机器人能够在半结构环境下与人协同作业。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有单编码器的协作机器人关节，该关节包括无框直驱力矩电机、驱动器和固定于某一基座上的输入法兰，所述无框直驱力矩电机包括无框直驱力矩电机定子和无框直驱力矩电机转子，其中无框直驱力矩电机转子安装在转子安装轴上，该安装轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承安装在输入法兰上，无框直驱力矩电机定子安装在输入法兰上；

所述转子安装轴的输出端即电机的输出端依次连接谐波减速器和力矩传感器，力矩传感器的外圈连接转接法兰的内圈，转接法兰的外圈连接输出法兰；所述输入法兰和输出法兰之间设置十字交叉滚珠轴承，且该轴承的内圈安装在输入法兰上，外圈安装在输出法兰上；驱动器驱动无框直驱力矩电机进行旋转运动，进而带动谐波减速器、力矩传感器、转接法兰、输出法兰相对于输入法兰进行转动；

所述转子安装轴的输入端即电机的输入端连接对电机进行制动的制动器，以及反馈电机位置的多圈绝对值编码器；

所述驱动器上设置驱动器扩展板，用于为所述力矩传感器、无框直驱力矩电机、制动器、多圈绝对值编码器、驱动器提供稳压直流电源，还用于扩展驱动器的针脚。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)能够在精准力感知、绝对位置记忆、高精度运动学控制、精准回零的约束下，提高机器人关节结构紧凑性、降低关节结构复杂性和生产制造成本；

(2)在关节的输出端安装有力矩传感器，能够精确感知关节所受扭矩，精度高，克服了基于双编码器的力感知方法和基于电机电流估计的力感知方法的缺陷；

(3)采用多圈绝对值编码器，降低了结构复杂性，缩短了力传递路线，提高了关节刚度；同时，穿线管内只需要走力矩传感器信号和电源线、关节信号和电源线，降低了对穿线管直径的要求；

(4)采用多圈绝对值编码器，避免了双编码器结构，降低了关节制造成本；

(5)设有机械限位，同时采用制动器实现掉电时刻的制动保护，增加了模块使用过程中的安全性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为一个实施例中具有单编码器的协作机器人关节的总体结构剖面示意图。

图2为一个实施例中具有单编码器的协作机器人关节的总体外观示意图。

图3为一个实施例中无框直驱力矩电机安装结构示意图。

图4为一个实施例中多圈绝对值编码器安装结构示意图。

图5为一个实施例中编码器安装座结构示意图。

图6为一个实施例中的机械限位示意图。

图中：1为转接法兰、2为力矩传感器、3为输出法兰、4为十字交叉滚珠轴承、5为轴环压环、6为输入法兰、7为无框直驱力矩电机、7-1为无框直驱力矩电机定子、7-2为无框直驱力矩电机转子、8为轴承压盖、9为制动器安装座、10为驱动器安装座、11为驱动器、12为驱动器扩展板、13为橡胶圈、14为穿线管、15为制动器、15-1为制动器衔铁、15-2为制动器摩擦片、16为编码器安装座、17为编码器安装螺柱、18为编码器安装螺钉、19为多圈绝对值编码器、19-1为编码器读头、19-2为编码器码盘、20为摩擦片安装座、21为第一深沟球轴承、22为转子安装轴、23为第二深沟球轴承、24为谐波减速器、24-1为谐波减速器钢轮、24-2为谐波减速器波发生器、24-3为谐波减速器柔轮、25为第一限位块、26为第二限位块。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1至图3，提供了一种具有单编码器的协作机器人关节，该关节包括无框直驱力矩电机7、驱动器11和固定于某一基座上的输入法兰6，所述无框直驱力矩电机7包括无框直驱力矩电机定子7-1和无框直驱力矩电机转子7-2，其中无框直驱力矩电机转子7-2安装在转子安装轴22上(优选地，通过粘合剂固定安装)，该安装轴通过第一深沟球轴承21和第二深沟球轴承23安装在输入法兰6上，保证转子安装轴22不受倾覆力矩的影响，无框直驱力矩电机定子7-1安装在输入法兰6上；

这里，采用了无框直驱力矩电机，其具有大中心孔、高能量密度的优点，有利于提高协作机器人关节的负载自重比，实现中心孔走线设计。

这里，驱动器11具有体积小的优点，能够降低机器人关节的体积和质量。

所述转子安装轴22的输出端即电机的输出端依次连接谐波减速器24和力矩传感器2，力矩传感器2的外圈连接转接法兰1的内圈，转接法兰1的外圈连接输出法兰3；所述输入法兰6和输出法兰3之间设置十字交叉滚珠轴承4，起到支撑输出法兰3的作用，且该轴承的内圈安装在输入法兰6上，外圈安装在输出法兰3上；驱动器11驱动无框直驱力矩电机7进行旋转运动，进而带动谐波减速器24、力矩传感器2、转接法兰1、输出法兰3相对于输入法兰6进行转动；

这里，力矩传感器2能够高精度感知外界作用力，是实现高精度关节或机器人柔顺控制的重要元器件。

所述转子安装轴22的输入端即电机的输入端连接对电机进行制动的制动器15，以及反馈电机位置的多圈绝对值编码器19；

所述驱动器11上设置驱动器扩展板12，用于为所述力矩传感器2、无框直驱力矩电机7、制动器15、多圈绝对值编码器19、驱动器11提供稳压直流电源，还用于扩展驱动器11的针脚，便于数据信号线的接入。

进一步地，在其中一个实施例中，所述输入法兰6上还设有轴承压盖8，该压盖与输入法兰6、第一深沟球轴承21、第二深沟球轴承23一起支撑转子安装轴22。第一深沟球轴承21、第二深沟球轴承23、轴承压盖8与输入法兰6形成的腔体提高了关节的倾覆刚度，同时起到电磁屏蔽的作用，防止电机的磁铁产生的磁场影响编码器及制动器等元器件。

进一步地，在其中一个实施例中，所述谐波减速器24包括谐波减速器钢轮24-1、谐波减速器波发生器24-2、谐波减速器柔轮24-3，其中谐波减速器钢轮24-1安装在输入法兰6上，谐波减速器波发生器24-2与转子安装轴22相连接，谐波减速器柔轮24-3与力矩传感器2相连接。

这里，谐波减速器24采用分体式大中心孔谐波减速器，这种类型的谐波减速器具有质量小、传动比大、回差小的优点，进一步提高了关节的负载自重比和能量密度，有利于实现中心孔走线。

进一步地，在其中一个实施例中，所述输出法兰3的外圈设有轴环压环5，十字交叉滚珠轴承4的外圈由输出法兰3和该轴环压环5固定，内圈由谐波减速器钢轮24-1和输入法兰6固定。

这里，十字交叉滚珠轴承4为超薄型轴环，具有非常大的倾覆刚度，能够提供高刚度、低阻尼的旋转运动，进一步降低了关节质量和体积。

进一步地，在其中一个实施例中，所述制动器15包括制动器衔铁15-1、制动器摩擦片15-2，其中制动器衔铁15-1通过制动器安装座9安装在轴承压盖8上，制动器摩擦片15-2通过摩擦片安装座20安装在转子安装轴22上。无框直驱力矩电机7通过谐波减速器24减速传动，带动力矩传感器2、转接法兰1、输出法兰3相对于输入法兰6转动，制动器摩擦片15-2能随转子安装轴22转动，通过与制动器衔铁15-1吸合或摩擦进行制动。

这里，制动器15是掉电制动类型，正常工作时，制动器衔铁15-1通电，制动器摩擦片15-2和制动器衔铁15-1分开，但在掉电时，制动器衔铁15-1与制动器摩擦片15-2吸合在一起，实现制动。制动器15能够保证机器人使用过程中的安全，能够在机器人掉电、飞车、失控的情况下紧急制动，增加了机器人使用的安全性。

进一步地，在其中一个实施例中，所述多圈绝对值编码器19包括编码器读头19-1、编码器码盘19-2。其中，编码器读头19-1安装在编码器安装座16上，优选地，编码器读头19-1通过编码器安装螺柱17和编码器安装螺钉18安装在编码器安装座16上，该编码器安装座16固定在制动器安装座9上，如图4所示。其中，编码器码盘19-2安装在摩擦片安装座20上。通过垫片调节编码器读头19-1和编码器码盘19-2的轴向距离，获得电机的运动数据，多圈绝对值编码器19在能够实现关节伺服控制的同时能够实现绝对位置记忆，在协作机器人关节掉电、上电后，能够记住掉电前的关节位置，绝对位置记忆功能使机器人关节具有回零功能。编码器安装座16为不锈钢材质，具有电磁屏蔽功能，能够保证编码器读头19-1的正常工作，如图5所示。

进一步地，在其中一个实施例中，所述驱动器11通过驱动器安装座10安装在制动器安装座9上。

进一步地，在其中一个实施例中，所述制动器安装座9上设置用于放置各种信号线和电源线的穿线管14(扭力传感器2的电源和数据线通过穿线管14与驱动器扩展板12相连接)，该穿线管14的入口处设有橡胶圈13。

这里，橡胶圈13、穿线管14能够防止信号线、电源线因无框直驱力矩电机7、制动器15、谐波减速器24的转动造成的磨损，同时起到信号屏蔽的功能。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图6，所述输入法兰6上设有第一限位块25、第二限位块26，与所述轴环压环5上的凸起形成机械限位，限定相对于输入法兰6的转动角度，防止机器人出现自碰撞现象，保护机器人的安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种具有单编码器的协作机器人关节，其特征在于，该关节包括无框直驱力矩电机（7）、驱动器（11）和固定于某一基座上的输入法兰（6），所述无框直驱力矩电机（7）包括无框直驱力矩电机定子（7-1）和无框直驱力矩电机转子（7-2），其中无框直驱力矩电机转子（7-2）安装在转子安装轴（22）上，该安装轴通过第一深沟球轴承（21）和第二深沟球轴承（23）安装在输入法兰（6）上，无框直驱力矩电机定子（7-1）安装在输入法兰（6）上；

所述转子安装轴（22）的输出端即电机的输出端依次连接谐波减速器（24）和力矩传感器（2），力矩传感器（2）的外圈连接转接法兰（1）的内圈，转接法兰（1）的外圈连接输出法兰（3）；所述输入法兰（6）和输出法兰（3）之间设置十字交叉滚珠轴承（4），且该轴承的内圈安装在输入法兰（6）上，外圈安装在输出法兰（3）上；驱动器（11）驱动无框直驱力矩电机（7）进行旋转运动，进而带动谐波减速器（24）、力矩传感器（2）、转接法兰（1）、输出法兰（3）相对于输入法兰（6）进行转动；

所述转子安装轴（22）的输入端即电机的输入端连接对电机进行制动的制动器（15），以及反馈电机位置的多圈绝对值编码器（19）；

所述驱动器（11）上设置驱动器扩展板（12），用于为所述力矩传感器（2）、无框直驱力矩电机（7）、制动器（15）、多圈绝对值编码器（19）、驱动器（11）提供稳压直流电源，还用于扩展驱动器（11）的针脚；

所述输入法兰（6）上还设有轴承压盖（8），该压盖与输入法兰（6）、第一深沟球轴承（21）、第二深沟球轴承（23）一起支撑转子安装轴（22）；

所述输出法兰（3）的外圈设有轴环压环（5），十字交叉滚珠轴承（4）的外圈由输出法兰(3)和该轴环压环（5）固定，内圈由谐波减速器钢轮（24-1）和输入法兰（6）固定；

所述制动器（15）包括制动器衔铁（15-1）、制动器摩擦片（15-2），其中制动器衔铁（15-1）通过制动器安装座（9）安装在轴承压盖（8）上，制动器摩擦片（15-2）通过摩擦片安装座（20）安装在转子安装轴（22）上，该摩擦片能随转子安装轴（22）转动，通过与制动器衔铁（15-1）吸合或摩擦进行制动；

所述多圈绝对值编码器（19）包括编码器读头（19-1）、编码器码盘（19-2），其中编码器读头（19-1）安装在编码器安装座（16）上，该编码器安装座（16）固定在制动器安装座（9）上，编码器码盘（19-2）安装在摩擦片安装座（20）上；所述编码器安装座（16）具有电磁屏蔽功能；

所述编码器读头（19-1）通过编码器安装螺柱（17）和编码器安装螺钉（18）安装在编码器安装座（16）上；

所述驱动器（11）通过驱动器安装座（10）安装在制动器安装座（9）上；

所述输入法兰（6）上设有第一限位块（25）、第二限位块（26），与所述轴环压环（5）上的凸起形成机械限位，限定相对于输入法兰（6）的转动角度。

2.根据权利要求1所述的具有单编码器的协作机器人关节，其特征在于，所述谐波减速器（24）包括谐波减速器钢轮（24-1）、谐波减速器波发生器（24-2）、谐波减速器柔轮（24-3），其中谐波减速器钢轮（24-1）安装在输入法兰（6）上，谐波减速器波发生器（24-2）与转子安装轴（22）相连接，谐波减速器柔轮（24-3）与力矩传感器（2）相连接。

3.根据权利要求1所述的具有单编码器的协作机器人关节，其特征在于，所述制动器安装座（9）上设置用于放置各种信号线和电源线的穿线管（14），该穿线管（14）的入口处设有橡胶圈（13）。