CN112894875A - 一种抱闸与自冷风扇一体化协作机器人关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抱闸与自冷风扇一体化关节结构，包括机壳，机壳内设有谐波减速器、高速轴及高速轴编码器、低速轴及低速轴编码器、伺服电机、伺服驱动系统、风扇一体式刹车盘及电磁铁组件；风扇一体式刹车盘固定在高速轴上与电磁铁组件组成插销式抱闸系统，机壳的后端设有后罩，后罩上设有通风孔，机壳侧壁设有连通机壳内外腔的通风道。本发明具有外部散热回路，有利于伺服电机的散热，可以将电机体积缩小，提高伺服电机的功率密度，整体可以减小协作机器人重量，达到轻量化及提高整个协助机器人的性能。

Description

一种抱闸与自冷风扇一体化协作机器人关节结构

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及一种抱闸与自冷风扇一体化协作机器人关节结构。

背景技术

协作机器人(collaborative robot)简称cobot或co-robot，是设计和人类在共同工作空间中有近距离互动的一种机器人设备。大部分的工业机器人是设计自动作业或是在有限的导引下作业，因此不用考虑和人类近距离互动，其动作也不用考虑对于周围人类的安全保护，而这些都是协作机器人需要考虑的机能。协作机器人关节安全与否的关键在于其抱闸系统，现有协作机器人一般都采用插销式抱闸或传统电磁抱闸制动系统，传统电磁抱闸由于自身结构的特殊性，中空孔径很难做到很大，一体机内部空间不能得到充分利用，不能很好地适配到力求小体积、轻量化和大中空孔径的一体机上，同时传统电磁抱闸体容易产生粉尘，需要增加密封结构，使得其关节体积大、重量重、成本高。插销式抱闸成本低廉、发热少、噪音小、结构紧凑，重量轻，是目前协作机器人多数采用的制动系统。然而，插销式抱闸的制动力主要由电磁推杆和刹车挡片的强度决定，在有限的关节空间内，电磁推杆及挡片卡爪的尺寸受限，相应制动力受限，插销式抱闸的协作机器人在断电或紧急制动，由于惯性力作用下，对电磁铁杆和刹车挡片卡爪造成很大的冲击力，推杆容易折弯或折断，易造成插销式抱闸失效。

例如，中国专利CN108890688A公开一种协作机器人一体化关节，包括：关节壳体；电机，具有定子和位于定子内部的转子，定子固定在关节壳体内；输入轴，同时与转子及谐波减速器的输入端固定连接；输出轴，固定连接在谐波减速器的输出端上；刹车盘，套设于输入轴上，刹车盘沿周向分布有多个齿部；以及电磁铁。如图1所示，当电磁铁20通电时，电磁铁20驱动顶杆28从刹车盘23的两个相邻齿部23-1之间抽离，使刹车盘23可以自由转动；当电磁铁20断电时，顶杆28在复位弹簧29的作用下进入刹车盘23的两个相邻齿部23-1之间，且顶杆28在径向上会与刹车盘23的齿部23-1产生干涉，达到使刹车盘23无法转动的目的。插销式抱闸原理是通过通断电时电磁推杆伸缩来阻挡刹车盘的相邻齿部23-1之间并接触齿部达到刹车的功能，制动力主要由电磁铁杆和刹车盘齿部强度决定，在有限的关节空间内，电磁推杆及刹车盘齿部尺寸受限，相应制动力受限。所以插销式抱闸的协作机器人在断电或紧急制动，由于惯性力作用下，直接对电磁铁杆和刹车盘齿部有很大的冲击力，推杆容易折弯或折断，容易造成插销式抱闸失效。

另外，更多的行业要求协作机器人具有模块轻量化、大负载/自重比、内部走线、不需要安全护栏、可以拖拽示教等特点，因此对协作机器人关节集成度提出了非常高的要求，要求协作机器人关节的几大核心零部件：控制器、减速机、中空伺服电机、模块化编码器及伺服驱动器集成在尽可能小的空间内，但由于减速机机械损耗产生的发热、伺服电机绕组及铁芯产生的发热、伺服驱动器开关管产生的发热，在狭小的空间内无法很好的散出，限制了关节的性能，进而影响协作机器人的整体性能。另外，伺服驱动器和编码器上面的电子元件一般要求温度不能超过85℃，若无法为伺服驱动器提供有效的散热措施，将导致伺服驱动器和编码器工作不稳定，从而导致机器人故障。现有协作机器人没有针对关节散热的技术方案，通常采用降低负载和速度来减少机器人关节的发热量。

例如，中国专利CN110978061A公开了一种关节散热装置和协作机器人，包括机座10、第一关节20、第一手臂30、第二关节40、第二手臂50和协作终端60，机座10用于固定整个协作机器人，第一关节20与机座10可旋转连接，第一关节20和第二关节40分别固定在第一手臂30的两端，第二关节40与第二手臂50可旋转连接，协作终端60安装在第二手臂50远离第二关节40的一端，协作终端60用于安装机械夹具或加工工具等终端。第一关节20内安装有第一驱动机构70，第一驱动机构70主要包括伺服驱动器71、电机72和减速器73；第二关节40内安装有第二驱动机构80。在第一关节20和第一手臂30之间安装有关节散热装置90，关节散热装置90包括安装架91、分隔件92、散热风扇93和导风件94。分隔件92安装在协作机器人的第一关节和第一手臂之间的通道内，分隔件92将通道M分为出风道M1和进风道M2，第一关节20和第一手臂30之间形成循环风道，散热风扇93安装在出风道的一端或内部，散热风扇用于将第一关节内的空气吹到第一手臂内。该专利的散热构风扇安装在关节与机械臂之间，只能对与机械臂连接的关节起到散热效果，其余关节无法形成散热回路，关节过热只能通过降低负载和速度来减少机器人关节的发热量；并且，由于风扇安装于机械臂上，需要采用独立风扇，就需要增加独立电机带动叶片，同时为了满足关节电缆空中走线时避免线的扭转，增加了齿轮传动，整体增加制造成本及制造工艺的难度。

发明内容

为了解决现有协作机器人插销式抱闸系统的推杆易折弯或折断从而造成抱闸失效，以及现有协作机器人关节散热困难的技术问题，本发明提供一种抱闸与自冷风扇一体化协作机器人关节结构。

本发明采用的技术方案是：

一种抱闸与自冷风扇一体化关节结构，包括机壳，机壳内设有谐波减速器、高速轴及高速轴编码器、低速轴及低速轴编码器、伺服电机、伺服驱动系统、风扇一体式刹车盘及电磁铁组件；谐波减速器配置于机壳的前端，高速轴与谐波减速器的输入端固定连接，低速轴与谐波减速器的输出端固定连接，伺服电机具有伺服定子和伺服转子，伺服定子固定在机壳上，伺服转子固定在高速轴上且相对伺服定子转动；伺服驱动系统用于驱动伺服电机，风扇一体式刹车盘固定在高速轴上与电磁铁组件组成插销式抱闸系统，电磁铁组件固定在伺服驱动系统的外壳上或低速轴编码器组件的外壳上；机壳的后端设有后罩，后罩上设有通风孔，机壳侧壁设有连通机壳内外腔的通风道；

所述风扇一体式刹车盘由圆盘、叶片、卡爪及减速齿组成；多个叶片径向均匀分布于圆盘的上表面或下表面上，多个卡爪及减速齿均匀分布于圆盘的外圆周面上，相邻两个卡爪之间均匀分布有多个减速齿；减速齿外圆直径小于卡爪的外圆直径且大于叶片的外圆直径；减速齿外圆与电磁铁组件的推杆外圆转动相切。

进一步地，叶片与卡爪一体设计，叶片与卡爪组合成卡爪叶片结构件，多个减速齿均匀分布与相邻两个卡爪叶片结构件之间，减速齿外圆直径小于卡爪叶片结构件的外圆直径。

进一步地，圆盘、叶片及卡爪由合金材料制成，减速齿采用聚氨酯弹性材料或耐磨橡胶材料制成，通过浇注的方式使减速齿与圆盘连接为一体。

进一步地，伺服驱动系统由高速轴编码器、驱动板、控制板、外壳和盖板组成；其中驱动板由外壳支撑，驱动板与外壳直接接触，外壳的外表面设有散热片。

进一步地，风扇一体式刹车盘位于伺服驱动系统组件上方，同时位于低速轴编码器组件的下方。

进一步地，低速轴编码器组件的外圆直径小于叶片的内圆直径。

进一步地，低速轴编码器组件的外圆直径大于等于叶片的内圆直径，叶片与后罩之间设置导风板。

进一步地，伺服驱动系统由低速轴编码器、驱动板、控制板、外壳和盖板组成；其中驱动板由外壳支撑，驱动板与外壳直接接触，外壳的外表面设有散热片。

进一步地，风扇一体式刹车盘安装于伺服驱动系统组件的下方，叶片与后罩之间设置导风板。

本发明的有益效果：

1、本发明在实现关节散热的同时，能在有限空间内，使协作机器人关节模块化、高度集成化，减小关节体积，减少协作机器人重量，实现机器人轻量化。

2、本发明可以提高插销式抱闸系统的使用寿命及工作可靠性。

3、本发明的一体化叶片卡爪结构采用径向离心式叶片设计，满足协作机器人正反转，风速风向风压不变的要求。

附图说明

图1为现有插销式抱闸协作机器人的电磁铁、刹车盘及顶杆的配合示意图。

图2为现有关节散热协作机器人的结构示意图。

图3为本发明抱闸与自冷风扇一体化协作机器人关节的结构示意图。

图4为本发明协作机器人关节的低速轴编码器组件的结构示意图。

图5为本发明协作机器人关节的风扇一体式刹车盘的第一结构示意图。

图6为本发明协作机器人关节的风扇一体式刹车盘的第二结构示意图。

图7为本发明协作机器人关节的风扇一体式刹车盘与电磁铁的装配结构示意图。

图8为本发明协作机器人关节的关节风道结构示意图。

图9为本发明协作机器人关节的导风板的结构示意图。

图10为本发明协作机器人关节的机壳的结构示意图。

图11为本发明协作机器人关节的伺服驱动系统的结构示意图。

图12为本发明协作机器人关节的后罩的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

参阅图3及图4，本实施例提供一种抱闸与自冷风扇一体化关节结构，包括：机壳3及安装在机壳3内的谐波减速器2、高速轴10、低速轴1、高速轴编码器、低速轴编码器组件9、伺服电机、伺服驱动系统6、风扇一体式刹车盘7及电磁铁组件8；机壳3的后端配置有后罩11，谐波减速器2配置于机壳3的前端，高速轴10与谐波减速器2的输入端固定连接，低速轴1与谐波减速器2的输出端固定连接，伺服电机具有伺服定子4和伺服转子5，伺服定子4固定在机壳3上，伺服转子5套装固定在高速轴10上且相对伺服定子4转动；伺服驱动系统6包括高速轴编码器，风扇一体式刹车盘7位于伺服驱动系统6的上方且位于低速轴编码器组件9的下方，风扇一体式刹车盘7套装固定在高速轴10上与电磁铁组件8组成插销式抱闸系统，电磁铁组件8固定在伺服驱动系统6的外罩9-3上。

参阅图12，后罩11通过螺钉固定在机壳3的后端，后罩11顶部中心开设有若干通风孔11-1，通风孔11-1作为整个关节散热回路的进风口。

参阅图10，在保证机壳刚度及强度的条件下，机壳3侧壁上开设有沿协作机器人轴向延伸的通风槽3-1，通风槽3-1与通风孔11-1形成关节散热回路。

参阅图4，低速轴编码器组件9包括编码器码盘9-1、编码器读数头9-2、外罩9-3、上盖板9-4和轴承9-5；外罩9-3固定于机壳3上，编码器读数头9-2固定于外罩9-3上，上盖板9-4固定于外罩9-3上，编码器码盘9-1固定于低速轴1上，轴承9-5内圈与编码器码盘9-1连接，轴承9-5外圈与外罩9-3连接，轴承9-5起到旋转及密封的作用。上盖板9-4与外罩9-3间增加密封结构，可使低速轴编码器组件9的密封达到IP54等级。

参阅图7，电磁铁组件8包括电磁铁8-1及推杆8-2，电磁铁8-1固定在外罩9-3上，推杆8-2从外罩9-3的通孔中伸出与风扇一体式刹车盘7的减速齿7-4转动相切。

参阅图5，在本实施例中，风扇一体式刹车盘7主要由圆盘7-1、叶片7-2、卡爪7-3及减速齿7-4组成；圆盘7-1是基体，多个叶片7-2径向均匀分布于圆盘7-1的上表面或下表面上，多个卡爪7-3及减速齿7-4均匀分布于圆盘7-1的外圆周面上，相邻两个卡爪7-3之间均匀分布有多个减速齿7-4；所有减速齿7-4组成的外圆直径小于所有卡爪7-3组成的外圆直径且大于所有叶片7-2组成的外圆直径。圆盘7-1、叶片7-2及卡爪7-3连成一体，均由合金材料制成，减速齿7-4采用聚氨酯弹性材料，通过浇注与圆盘7-1连接为一体。在其他实施例中，减速齿圈7-4也可以采用耐磨弹性橡胶材料制成。弹性材料增大减速齿与推杆之间的摩擦力，提高减速效果。

参阅图6，在其他实施例中，叶片7-2与卡爪7-3也可一体设计，例如，叶片后端向远离圆盘中心的方向径向伸出形成卡爪部，叶片7-2与卡爪7-3组合成卡爪叶片结构件7-1-1，多个减速齿7-4均匀分布与相邻两个卡爪叶片结构件7-1-1之间，所有减速齿7-4组成的外圆直径小于所有卡爪叶片结构件7-1-1组成的外圆直径。

本发明的风扇一体式刹车盘7的结构形式采用径向离心叶轮式，在协作机器人正反转时，可在保证有效散热的同时，满足机器人风向、风压不发生改变的要求。

参阅图11，在本实施例中，伺服驱动系统6由高速轴编码器6-1、驱动板6-2、控制板6-3、外壳6-4和盖板6-5组成；其中驱动板6-2由外壳6-4支撑，直接与外壳6-4接触；外壳6-4的外表面设有散热片6-4-1，散热片6-4-1采用铝合金材料制成，散热片的设置可增加散热面积，铝合金有利于热的传导，总体结构利于散热。优选伺服驱动系统组件6采用模块化结构，与机壳3直连，热传导性好，同时可以增加密封结构从而达到IP54密封等级。

在本实施例中，风扇一体式刹车盘7位于伺服驱动系统组件6上方，同时位于低速轴编码器组件9的下方，低速轴编码器组件9的外圆直径小于叶片7-2的内圆直径，满足气流从叶片的轴向入口吸入，进入叶片，转动的叶片间隙中的气体获得离心力，在离心力的作用下，气体向壳体移动并产生一定的正压，把空气沿叶片径向甩出，从而在叶片中形成负压，使空气沿轴向连续吸入，形成连续的抽吸。

在其他实施例中，不限于低速轴编码器组件9的外圆直径小于叶片7-2的内径，可以大于等于叶片7-2的内圆直径，此时需要在叶片7-2与后罩11间增加导风板，通过导风板将气体从风扇轴向吸入，形成吸入回路。

本发明的工作原理是：

参阅图8，图8中的箭头方向代表风流向，协作机器人高速轴的转速一般可达到2500rpm～4000rpm，高速轴10在高速旋转时，带动风扇一体式刹车盘7的一体式叶片卡爪7-1-1同步旋转，在离心力的作用下，迫使空气从后罩11的通风孔11-1进入协作机器人关节内部，冷空气吹拂伺服驱动系统组件6，带走伺服驱动系统组件6的热量，再吹拂伺服电机及谐波减速器2，最后从机壳3的风道3-1中流出，形成散热回路，把协作机器人关节内部热量带走，提高关节的散热效率，降低整个协作机器人的温升。

参阅图7，在紧急制动或断电时，电磁铁8-1断电，推杆8-2在电磁铁8-1内部弹簧力的作用下向下移动，首先与减速齿7-4逐个接触，产生摩擦阻力，对协作机器人系统起到缓冲刹车减速，减小惯性力的作用，从而减少惯性力直接对电磁铁推杆8-2和一体式叶片卡爪7-1-1的冲击力，保证插销式抱闸系统的有效性及可靠性。

实施例2

参阅图9，实施例2的结构与实施例1基本相同，不同之处仅在于伺服驱动系统组件6由低速轴编码器9、驱动板6-2、控制板6-3及外壳6-4组成，风扇一体式刹车盘7安装于伺服驱动系统组件6的下方，叶片7-2与后罩11间增加导风板12，通过导风板12将气体从叶片轴向吸入，形成吸入回路。

实施例2的工作原理与实施例1基本相同，这里不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种抱闸与自冷风扇一体化关节结构，包括机壳，其特征在于，机壳内设有谐波减速器、高速轴及高速轴编码器、低速轴及低速轴编码器、伺服电机、伺服驱动系统、风扇一体式刹车盘及电磁铁组件；谐波减速器配置于机壳的前端，高速轴与谐波减速器的输入端固定连接，低速轴与谐波减速器的输出端固定连接，伺服电机具有伺服定子和伺服转子，伺服定子固定在机壳上，伺服转子固定在高速轴上且相对伺服定子转动；伺服驱动系统用于驱动伺服电机，风扇一体式刹车盘固定在高速轴上与电磁铁组件组成插销式抱闸系统，电磁铁组件固定在伺服驱动系统的外壳上或低速轴编码器组件的外壳上；机壳的后端设有后罩，后罩上设有通风孔，机壳侧壁设有连通机壳内外腔的通风道；

所述风扇一体式刹车盘由圆盘、叶片、卡爪及减速齿组成；多个叶片径向均匀分布于圆盘的上表面或下表面上，多个卡爪及减速齿均匀分布于圆盘的外圆周面上，相邻两个卡爪之间均匀分布有多个减速齿；减速齿外圆直径小于卡爪的外圆直径且大于叶片的外圆直径；减速齿外圆与电磁铁组件的推杆外圆转动相切。

2.根据权利要求1所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，叶片与卡爪一体设计，叶片与卡爪组合成卡爪叶片结构件，多个减速齿均匀分布与相邻两个卡爪叶片结构件之间，减速齿外圆直径小于卡爪叶片结构件的外圆直径。

3.根据权利要求1或2所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，圆盘、叶片及卡爪由合金材料制成，减速齿采用聚氨酯弹性材料或耐磨橡胶材料制成，通过浇注的方式使减速齿与圆盘连接为一体。

4.根据权利要求1所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，伺服驱动系统由高速轴编码器、驱动板、控制板、外壳和盖板组成；其中驱动板由外壳支撑，驱动板与外壳直接接触，外壳的外表面设有散热片。

5.根据权利要求4所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，风扇一体式刹车盘位于伺服驱动系统组件上方，同时位于低速轴编码器组件的下方。

6.根据权利要求5所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，低速轴编码器组件的外圆直径小于叶片的内圆直径。

7.根据权利要求5所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，低速轴编码器组件的外圆直径大于等于叶片的内圆直径，叶片与后罩之间设置导风板。

8.根据权利要求1所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，伺服驱动系统由低速轴编码器、驱动板、控制板、外壳和盖板组成；其中驱动板由外壳支撑，驱动板与外壳直接接触，外壳的外表面设有散热片。

9.根据权利要求8所述的抱闸与自冷风扇一体化关节结构，其特征在于，风扇一体式刹车盘安装于伺服驱动系统组件的下方，叶片与后罩之间设置导风板。

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