CN113059592A - 机器人运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，提供了一种机器人运动机构，包括电机；所述电机转子的中心具有制动腔；所述制动腔内具有与电机转子同轴设置的制动轴，所述制动轴的前端通过轴承与所述电机转子转动连接；所述制动腔内设置有与制动轴螺纹连接的圆台形制动件；所述电机的后侧设置有导向止转装置；所述电机的前侧设置有制动盘；所述电机的前侧还具有设置在电机转子上的制动驱动件。通过在电机转子上设置制动腔，并在制动腔内设置与其相配合的制动件，使得制动件容纳在制动腔中，减小了机器人运动机构在轴向的尺寸，降低了机器人运动机构占用的空间，进而使机器人运动机构能应用在轻量化低成本的设备上。

Description

机器人运动机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种机器人运动机构。

背景技术

目前，机器人的头部及机械臂关节的运动都是通过由主电机及电磁式抱闸制动器构成的运动机构来实现动、停动作。针对机器人头部的运动，主电机驱动头部转动，通过电磁式抱闸制动器对主电机的转轴实施制动，使得头部保持在当前的相对位置。针对机械臂关节的运动，主电机驱动其中一个机械肢节相对另一个机械肢节转动至预定角度后，通过电磁式抱闸制动器对主电机的转轴实施制动，使得两个机械肢节保持在当前的相对角度上。

但是由于电磁式抱闸制动器的结构复杂、尺寸较大、成本较高，造成现有的运动机构的外形尺寸较大，成本较高，占用空间较多，导致现有的运动机构无法应用在轻量化低成本的设备上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种机器人运动机构，减小该运动机构的外形尺寸，降低其占用的空间，使其能应用在轻量化低成本的设备上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：机器人运动机构，包括电机；所述电机包括电机定子和电机转子；所述电机转子的中心具有两端开口、且呈圆台形的制动腔；所述制动腔内具有与电机转子同轴设置的制动轴，所述制动轴的前端通过轴承与所述电机转子转动连接；所述制动腔内设置有套在制动轴上、且与制动轴螺纹连接的圆台形制动件，并由制动件的外侧面与制动腔的内侧面形成相配合的制动面；

所述电机的后侧设置有控制所述制动件沿电机转子的轴向运动的导向止转装置；所述电机的前侧设置有与制动轴的前端固定连接、且外周具有若干个制动卡爪的制动盘；

所述电机的前侧还具有设置在电机转子上的制动驱动件；所述制动驱动件在沿电机转子的径向与所述制动卡爪错开设置，且制动驱动件可沿电机转子的轴向移动并与所述制动卡爪相抵以阻止所述电机转子转动。

进一步的，所述制动件包括套在制动轴上、且与制动轴螺纹连接的圆台形刚性部，以及固定在刚性部外侧面上的弹性层。

进一步的，所述弹性层由橡胶制成。

进一步的，所述制动驱动件包括固定在电机转子上、且沿电机转子的轴向向外延伸的销轴，设置在销轴外端的电磁驱动件，滑动配合在销轴上、且用于与制动卡爪抵接配合的衔铁移动头，套在销轴上、且两端分别与电磁驱动件和衔铁移动头接触的复位弹性件；

所述制动轴为管状结构，所述制动盘的中心具有与所述制动轴的内腔连通的通孔；所述通孔内设置有电滑环；所述电滑环的定子与所述制动盘固定连接；所述电滑环的转子引出导线与所述电磁驱动件的电磁线圈连接。

进一步的，还包括设置在电机的前侧、且与电机转子固定连接的输出轴；所述输出轴朝向电机转子的端面上具有容纳腔；所述制动盘和制动驱动件设置在该容纳腔内。

进一步的，所述制动轴的前端具有径向向外延伸的凸缘；所述制动盘可拆卸地固定在所述凸缘上。

进一步的，所述导向止转装置包括设置在电机的后侧、且与电机定子固定连接的导向环，以及设置在导向环内、且与所述制动件固定连接的导向块；所述导向环的内表面设置有至少一个滑槽；所述导向块上具有伸至每个滑槽内、且与所述滑槽滑动配合的滑块。

进一步的，所述导向环的后端开口处固定有挡板；所述制动轴的后端通过轴承与挡板转动连接。

进一步的，所述导向环的内表面为圆柱面。

进一步的，所述导向环的内表面圆周均布设置有四个滑槽。

本发明的有益效果是：

1、本发明实施例提供的机器人运动机构，通过在电机转子上设置制动腔，并在制动腔内设置与其相配合的制动件，使得制动件容纳在制动腔中，减小了机器人运动机构在轴向的尺寸，降低了机器人运动机构占用的空间，进而使机器人运动机构能应用在轻量化低成本的设备上。

2、本发明实施例提供的机器人运动机构，当制动驱动件与制动卡爪相抵时，制动卡爪带动制动轴转动，制动轴带动制动件在导向止转装置的导向作用下沿电机转子的轴向移动，当制动件的外侧面与制动腔的内侧面紧密接触后，电机转子停止转动，这样就可防止在制动时出现电机转子瞬间停止转动的情况，不仅避免了制动驱动件与制动卡爪之间产生较大的冲击力，提高了制动驱动件与制动卡爪的使用寿命，而且降低了电机发生振动的风险，提高了电机长时间使用的稳定性和可靠性。

3、本发明实施例提供的机器人运动机构，仅采用一个电机，使得该电机既是动力源，又是制动源，进而降低了机器人运动机构的整体尺寸和制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的机器人运动机构的结构示意图；

图2是图1中A-A剖视图；

图3是制动轴、制动件、导向止转装置、制动盘之间的结构示意图；

图4是电机、制动驱动件、电滑环、输出轴之间的结构示意图；

图5是制动盘、制动驱动件、电滑环之间的结构示意图。

图中附图标记为：1-电机，2-电机定子，3-电机转子，4-制动腔，5-制动轴，6-制动件，7-制动面，8-制动卡爪，9-制动盘，10-制动驱动件，11-刚性部，12-弹性层，13-通孔，14-电滑环，16-电磁驱动件，17-销轴，18-衔铁移动头，19-复位弹性件，20-输出轴，21-容纳腔，22-凸缘，23-导向环，24-导向块，25-滑槽，26-滑块，27-挡板，28-转子引出导线，29-定子引出导线。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

图1是本发明实施例提供的机器人运动机构的结构示意图；图2是图1中A-A剖视图。

参见图1、图2，本发明实施例提供的机器人运动机构，包括电机1；所述电机1包括电机定子2和电机转子3；所述电机转子3的中心具有两端开口、且呈圆台形的制动腔4；所述制动腔4内具有与电机转子3同轴设置的制动轴5，所述制动轴5的前端通过轴承与所述电机转子3转动连接；所述制动腔4内设置有套在制动轴5上、且与制动轴5螺纹连接的圆台形制动件6，并由制动件6的外侧面与制动腔4的内侧面形成相配合的制动面7；

所述电机1的后侧设置有控制所述制动件6沿电机转子3的轴向运动的导向止转装置；所述电机1的前侧设置有与制动轴5的前端固定连接、且外周具有若干个制动卡爪8的制动盘9；

所述电机1的前侧还具有设置在电机转子3上的制动驱动件10；所述制动驱动件10在沿电机转子3的径向与所述制动卡爪8错开设置，且制动驱动件10可沿电机转子3的轴向移动并与所述制动卡爪8相抵以阻止所述电机转子3转动。

为叙述方便，下文中所称的“左”、“右”与附图本身的左、右方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

参见图1，所述电机1包括电机定子2，设置在电机定子2内、且与电机定子2相对转动的电机转子3。所述电机转子3主要用于输出转矩，以驱动末端执行部件实现相应的动作，例如，驱动机器人的头部或机械肢节转动。所述电机1沿其轴向的两侧分别是前侧和后侧，参见图1，电机1的右侧为电机1的前侧，电机1的左侧为电机1的后侧。

所述电机转子3的中心具有两端开口的制动腔4，所述制动腔4为横截面从左向右逐渐减小的圆台形结构，该横截面指的是垂直于电机转子3轴线的截面。所述制动轴5同轴设置在制动腔4内，且制动轴5的前端通过滚子轴承转动安装在电机转子3上。其中，制动轴5的前端指的是制动轴5朝向电机1前侧的那一端。

所述制动腔4内设置有与制动轴5螺纹连接的制动件6，所述制动件6为横截面从左向右逐渐减小的圆台形结构，该横截面指的是垂直于电机转子3轴线的截面。所述制动轴5的外表面设置有外螺纹段，所述制动件6的中心设置有与制动轴5的外螺纹段相适配的内螺纹孔，所述外螺纹段的长度大于所述内螺纹孔的长度，以便调节所述制动件6在制动轴5上的位置。所述电机1的后侧设置有导向止转装置，该导向止转装置的作用是：首先对制动件6进行导向，使制动件6沿电机转子3的轴向移动，其次可防止制动件6绕制动轴5的轴线转动。

所述制动驱动件10设置在电机转子3上，使得制动驱动件10可跟随电机转子3转动。通过将制动驱动件10在沿电机转子3的径向与制动卡爪8错开设置，这样就使制动驱动件10处于解锁状态，在这种状态下，制动驱动件10与制动卡爪8分离、且互不干涉，制动驱动件10可跟随电机转子3转动。通过将制动驱动件10沿电机转子3的轴向移动并与任一制动卡爪8相抵，这样就使制动驱动件10处于锁定状态，在这种状态下，制动驱动件10带动制动卡爪8转动，进而驱动主要由制动轴5、制动件6、制动腔4和导向止转装置构成的制动机构工作，以阻止电机转子3转动，进而实现对电机转子3的制动。

下面结合图1对本发明实施例提供的机器人运动机构的工作原理进行说明。

参见图1，末端执行部件设置在电机1的右侧，且与电机转子3传动连接，为简化视图，图中未示出末端执行部件的结构。工作时，先控制制动驱动件10处于解锁状态，制动驱动件10与制动卡爪8分离，然后启动电机1，电机转子3转动，进而驱动末端执行部件实现相应的动作。制动时，控制制动驱动件10处于锁定状态，制动驱动件10与任一制动卡爪8相抵，此时，电机转子3继续转动，进而通过制动驱动件10与制动卡爪8的配合带动制动轴5转动，制动轴5带动制动件6在导向止转装置的导向作用下向右移动，当制动件6的外侧面与制动腔4的内侧面紧密接触、且制动件6无法再向右移动后，制动轴5停止转动，从而阻止电机转子3转动，使电机转子3实现制动。当需要解除电机转子3的制动时，只需控制制动驱动件10处于解锁状态即可，此时，制动驱动件10与制动卡爪8分离，电机转子3正常转动，以驱动末端执行部件实现相应的动作。

本发明实施例提供的机器人运动机构，通过在电机转子3上设置制动腔4，并在制动腔4内设置与其相配合的制动件6，使得制动件6容纳在制动腔4中，减小了机器人运动机构在轴向的尺寸，降低了机器人运动机构占用的空间，进而使机器人运动机构能应用在轻量化低成本的设备上。

本发明实施例提供的机器人运动机构，可防止在制动时出现电机转子3瞬间停止转动的情况，不仅避免了制动驱动件10与制动卡爪8之间产生较大的冲击力，提高了制动驱动件10与制动卡爪8的使用寿命，而且降低了电机1发生振动的风险，提高了电机1长时间使用的稳定性和可靠性。

为了进一步降低电机1在制动时发生振动的风险，本发明实施例提供的机器人运动机构，所述制动件6包括套在制动轴5上、且与制动轴5螺纹连接的圆台形刚性部11，以及固定在刚性部11外侧面上的弹性层12。

参见图1、图3，所述制动件6包括刚性部11和弹性层12。所述刚性部11为横截面从左向右逐渐减小的圆台形结构，该横截面指的是垂直于电机转子3轴线的截面。所述刚性部11的中心设置有与制动轴5的外螺纹段相适配的内螺纹孔。所述弹性层12固定在刚性部11的圆锥形侧面上，以使弹性层12的外表面形成所述制动件6的制动面7。所述弹性层12由弹性材料制成，所述弹性材料可以为聚氨酯、硅胶、橡胶等，但不以此为限。本实施例中，所述弹性层12由橡胶制成。

本发明实施例提供的机器人运动机构，通过将制动件6设置为圆台形的刚性部11以及固定在刚性部11侧面上的弹性层12，以使弹性层12的外表面形成制动件6的制动面7，利用弹性层12具有弹性变形的特性，起到缓冲的作用，进一步降低了电机1在制动时发生振动的风险。

所述制动驱动件10可以包括安装在电机转子3上的电磁推杆和电池，电池通过控制电路与电磁推杆内的电磁线圈连接。工作时，遥控器发送命令使控制电路导通或断开，进而控制电磁推杆伸长或缩短，以使制动驱动件10处于锁定状态或解锁状态。但是这种结构需要定期更换电池，而更换的废旧电池会污染环境。

为了避免在电机转子3上设置电池，作为优选的实施方式，参见图1至图5，所述制动驱动件10包括固定在电机转子3上、且沿电机转子3的轴向向外延伸的销轴17，设置在销轴17外端的电磁驱动件16，滑动配合在销轴17上、且用于与制动卡爪8抵接配合的衔铁移动头18，套在销轴17上、且两端分别与电磁驱动件16和衔铁移动头18接触的复位弹性件19；所述制动轴5为管状结构，所述制动盘9的中心具有与所述制动轴5的内腔连通的通孔13；所述通孔13内设置有电滑环14；所述电滑环14的定子与所述制动盘9固定连接；所述电滑环14的转子引出导线28与所述电磁驱动件16的电磁线圈连接。

参见图4，所述制动驱动件10包括电磁驱动件16、销轴17、衔铁移动头18和复位弹性件19。

所述销轴17平行于所述电机转子3的轴向设置，销轴17的一端与电机转子3的端面固定连接，销轴17的另一端设置有电磁驱动件16。所述销轴17在沿电机转子3的径向与所述制动卡爪8错开设置，这样可避免销轴17与制动卡爪8发生干涉。所述衔铁移动头18滑动安装在销轴17上，用于与制动卡爪8抵接配合。

所述电磁驱动件16设置在销轴17的右端，用于驱动衔铁移动头18移动、并与制动卡爪8相抵。本发明实施例中，所述电磁驱动件16包括支撑座以及设置在支撑座上的电磁线圈。所述支撑座可以固定在销轴17的右端；所述支撑座还可以仅设置在销轴17的右端，并通过其他连接结构与电机转子3固定连接。

所述复位弹性件19用于提供复位作用力，以驱动衔铁移动头18复位。当复位弹性件19处于自然状态时，所述衔铁移动头18与制动卡爪8分离。优选的，所述复位弹性件19为压缩弹簧。

电滑环是负责为旋转体提供电能的电气部件，主要由旋转与静止两大部分组成，旋转部分连接设备的旋转结构并随之旋转运动，称为转子，静止部分连接设备的固定结构，称为定子，定子与转子之间采用碳刷紧靠铜环的结构实现电能的输送。电滑环可以采用现有技术的结构，在市场上直接购买。

本发明实施例中，所述电滑环14安装在制动盘9的通孔13中。所述电滑环14的定子与制动盘9固定连接，以使电滑环14与制动盘9保持相对静止。所述电滑环14的定子上的定子引出导线29可穿过制动轴5的内腔而延伸至制动轴5外部以便与电源相连接。

电滑环14的转子通过转子引出导线28与电磁驱动件16的电磁线圈连接。本实施例中，所述转子引出导线28优选为具有一定抗拉能力的硬线，这样不仅可通过转子引出导线28向电磁线圈输送电能，还使转子引出导线28起到连接杆的作用，用于将电滑环14的转子与电磁驱动件16连接在一起，这样就使得电滑环14的转子能跟随电机转子3同步转动，避免转子引出导线28出现打结的情况。当然，所述转子引出导线28还可以为具有一定抗拉能力的软线，但是当将转子引出导线28与电磁线圈连接后，应保证转子引出导线28始终处于张拉状态。

本发明实施例提供的制动驱动件10的工作原理是：当电磁驱动件16的电磁线圈得电后，电磁线圈产生的磁力吸引衔铁移动头18朝向电磁驱动件16的方向移动、并使衔铁移动头18与任一制动卡爪8相抵，电机转子3继续转动，进而通过衔铁移动头18与制动卡爪8的配合带动制动轴5转动，制动轴5带动制动件6在导向止转装置的导向作用下沿电机转子3的轴向移动，当制动件6的外侧面与制动腔4的内侧面紧密接触、且制动件6无法再向右移动后，制动轴5停止转动，从而阻止电机转子3转动，使电机转子3实现制动。当电磁驱动件16的电磁线圈失电后，复位弹性件19依靠弹性力恢复弹性变形，从而使复位弹性件19推动衔铁移动头18复位，使衔铁移动头18与制动卡爪8分离，电机转子3继续转动。

参见图1、图4，本发明实施例提供的机器人运动机构，还包括设置在电机1的前侧、且与电机转子3固定连接的输出轴20；所述输出轴20朝向电机转子3的端面上具有容纳腔21；所述制动盘9和制动驱动件10设置在该容纳腔21内。优选的，所述电磁驱动件16的支撑座固定在容纳腔21的底壁上、且正对销轴17的位置。

所述输出轴20与电机转子3通过螺栓等紧固件可拆卸地连接。通过设置输出轴20，不仅可通过输出轴20输出转矩，以驱动末端执行部件实现相应的动作，而且还可对制动盘9和制动驱动件10进行保护，防止外部零件干扰制动盘9和制动驱动件10的工作。

参见图3，所述制动轴5的前端具有径向向外延伸的凸缘22；所述制动盘9可拆卸地固定在所述凸缘22上。优选的，所述制动盘9通过螺栓等紧固件卡拆卸地固定在凸缘22上。

所述导向止转装置的作用是用于对制动件6的移动进行导向，并防止制动件6绕制动轴5的轴线转动。例如，所述导向止转装置可以是固定在电机定子2上、且平行于制动轴5的轴向设置的导向杆，滑动安装在导向杆上、且与制动件6固定连接的滑块；这样就可在导向杆与滑块的配合作用下对制动件6进行导向、且防止制动件6转动。

作为优选的实施方式，参见图1、图2、图3，本发明实施例提供的机器人运动机构，所述导向止转装置包括设置在电机1的后侧、且与电机定子2固定连接的导向环23，以及设置在导向环23内、且与所述制动件6固定连接的导向块24；所述导向环23的内表面设置有至少一个滑槽25；所述导向块24上具有伸至每个滑槽25内、且与所述滑槽25滑动配合的滑块26。所述导向环23与电机定子2可以通过卡扣或螺栓等紧固件可拆卸地连接。工作时，当制动轴5转动时，就可在制动轴5的外螺纹段与制动件6的内螺纹孔的配合下，使制动件6在滑槽25与滑块26的导向作用下沿制动轴5的轴向移动。

优选的，所述导向环23的后端开口处固定有挡板27；所述制动轴5的后端通过轴承与挡板27转动连接。通过设置挡板27以对制动轴5的端部进行支撑，提高了制动轴5在工作过程中的稳定性与可靠性，降低了制动轴5发生晃动的风险。

为了保证导向止转装置在导向时的可靠性，所述导向环23的内表面沿其轴向均布设置有至少两个滑槽25。所述导向环23的内表面的形状以及导向块24的形状在此不做具体的限定。例如，所述导向环23的内表面为柱面。优选的，所述导向环23的内表面为圆柱面。所述导向环23的内表面圆周均布设置有四个滑槽25。每个滑槽25包括两个相互垂直的滑动面；所述导向块24垂直于电机转子3轴向的横截面形状为正方形，所述导向块24的四个侧棱边的位置形成与所述滑槽25滑动配合的滑块26。优选的，导向块24与制动件6为一体成型结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.机器人运动机构，包括电机(1)；所述电机(1)包括电机定子(2)和电机转子(3)；其特征在于，所述电机转子(3)的中心具有两端开口、且呈圆台形的制动腔(4)；所述制动腔(4)内具有与电机转子(3)同轴设置的制动轴(5)，所述制动轴(5)的前端通过轴承与所述电机转子(3)转动连接；所述制动腔(4)内设置有套在制动轴(5)上、且与制动轴(5)螺纹连接的圆台形制动件(6)，并由制动件(6)的外侧面与制动腔(4)的内侧面形成相配合的制动面(7)；

所述电机(1)的后侧设置有控制所述制动件(6)沿电机转子(3)的轴向运动的导向止转装置；所述电机(1)的前侧设置有与制动轴(5)的前端固定连接、且外周具有若干个制动卡爪(8)的制动盘(9)；

所述电机(1)的前侧还具有设置在电机转子(3)上的制动驱动件(10)；所述制动驱动件(10)在沿电机转子(3)的径向与所述制动卡爪(8)错开设置，且制动驱动件(10)可沿电机转子(3)的轴向移动并与所述制动卡爪(8)相抵以阻止所述电机转子(3)转动。

2.根据权利要求1所述的机器人运动机构，其特征在于，所述制动件(6)包括套在制动轴(5)上、且与制动轴(5)螺纹连接的圆台形刚性部(11)，以及固定在刚性部(11)外侧面上的弹性层(12)。

3.根据权利要求2所述的机器人运动机构，其特征在于，所述弹性层(12)由橡胶制成。

4.根据权利要求1、2或3所述的机器人运动机构，其特征在于，所述制动驱动件(10)包括固定在电机转子(3)上、且沿电机转子(3)的轴向向外延伸的销轴(17)，设置在销轴(17)外端的电磁驱动件(16)，滑动配合在销轴(17)上、且用于与制动卡爪(8)抵接配合的衔铁移动头(18)，套在销轴(17)上、且两端分别与电磁驱动件(16)和衔铁移动头(18)接触的复位弹性件(19)；

所述制动轴(5)为管状结构，所述制动盘(9)的中心具有与所述制动轴(5)的内腔连通的通孔(13)；所述通孔(13)内设置有电滑环(14)；所述电滑环(14)的定子与所述制动盘(9)固定连接；所述电滑环(14)的转子引出导线(28)与所述电磁驱动件(16)的电磁线圈连接。

5.根据权利要求4所述的机器人运动机构，其特征在于，还包括设置在电机(1)的前侧、且与电机转子(3)固定连接的输出轴(20)；所述输出轴(20)朝向电机转子(3)的端面上具有容纳腔(21)；所述制动盘(9)和制动驱动件(10)设置在该容纳腔(21)内。

6.根据权利要求1所述的机器人运动机构，其特征在于，所述制动轴(5)的前端具有径向向外延伸的凸缘(22)；所述制动盘(9)可拆卸地固定在所述凸缘(22)上。

7.根据权利要求1所述的机器人运动机构，其特征在于，所述导向止转装置包括设置在电机(1)的后侧、且与电机定子(2)固定连接的导向环(23)，以及设置在导向环(23)内、且与所述制动件(6)固定连接的导向块(24)；所述导向环(23)的内表面设置有至少一个滑槽(25)；所述导向块(24)上具有伸至每个滑槽(25)内、且与所述滑槽(25)滑动配合的滑块(26)。

8.根据权利要求7所述的机器人运动机构，其特征在于，所述导向环(23)的后端开口处固定有挡板(27)；所述制动轴(5)的后端通过轴承与挡板(27)转动连接。

9.根据权利要求7或8所述的机器人运动机构，其特征在于，所述导向环(23)的内表面为圆柱面。

10.根据权利要求9所述的机器人运动机构，其特征在于，所述导向环(23)的内表面圆周均布设置有四个滑槽(25)。

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