CN113146603A - 一种柔性伺服谐波关节执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及关节执行器领域，尤指一种柔性伺服谐波关节执行器。柔轮的外齿轮部与传动部垂直布置，在本发明装配过程中，交叉滚子轴承连接于柔轮的传动部与刚轮之间；上述装配形式能够有效地减小整体外形尺寸并使得本发明整体结构简单紧凑，安装连接方便；通过交叉滚子轴承的支承作用，本发明能够有效地减小轴向径向跳动，进而提高整体的机械强度。同时将谐波减速器、伺服电机、内置有角度编码器的伺服驱动控制模块集成为一体，实现了结构驱控一体化，提升了执行关节的实用性能，提高了执行关节结构的紧凑性；采用谐波减速器、微型的伺服驱动器，能够降低执行关节的体积和质量。

Description

一种柔性伺服谐波关节执行器

技术领域

本发明涉及关节执行器领域，尤指一种柔性伺服谐波关节执行器。

背景技术

执行关节一体化结构在外骨骼机器关节上应用具有重要的价值和革命意义，对长期用减速器、电机和制动器单个安装组合及驱控分离带来稳定性差、体积大、质量大及惯性大的问题，这些问题一直是外骨骼机器人关节需要解决的重点技术问题，问题的解决对外骨骼机器人性能的提升、实用化和产业化的发展具有重大的意义。

传统的外骨骼机器人关节执行结构主要由单个电机和减速器集成结构、液压结构、滚珠丝杠结构，这些结构不仅让关节结构体积大、质量大、惯性大，导致关节惯性大，还让关节输出力矩和实时响应下降，直接影响了关节运动的性能和精度，直接影响了外骨骼机器人性能和成熟度的提升。

目前有集电机和谐波减速器为一体的一体机，以及有集电机、谐波减速器和驱动器为一体的一体机，都是为工业机器人或是协作机器人设计的简单集成执行关节，可以在一定程度上提高关节的集成度，但是并不能应用于外骨骼机器人这种特殊用的执行关节部件，而且以上集成关节存在以下缺点：各部件只是按顺序罗列组装，集成度并不高，没有根据各部件的结构特点，形成统一的共用结构；没有考虑将编码器、电机、减速器、驱动器一体化集成设计，导致整个关节性能降低，实用化程度不高。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种柔性伺服谐波关节执行器，柔轮的外齿轮部与传动部垂直布置，在本发明装配过程中，交叉滚子轴承连接于柔轮的传动部与刚轮之间；上述装配形式能够有效地减小整体外形尺寸并使得本发明整体结构简单紧凑，安装连接方便；通过交叉滚子轴承的支承作用，本发明能够有效地减小轴向径向跳动，进而提高整体的机械强度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种柔性伺服谐波关节执行器，包括执行器外壳、输出法兰、谐波减速器、伺服电机、内置有角度编码器的伺服驱动控制模块，其中输出法兰固定在谐波减速器输出端，谐波减速器输入端与伺服电机输出端相连，伺服驱动控制模块安装在伺服电机尾部，其中执行器外壳设置在谐波减速器的尾部并将伺服电机以及伺服驱动控制模块包围；伺服驱动控制模块与伺服电机电性连接并控制伺服电机转动，且伺服电机通过谐波减速器减速带动输出法兰转动；同时角度编码器将检测到的角度位置信号反馈给伺服驱动控制模块，使其对输出法兰的运动进行精确控制；

其中所述谐波减速器包括波发生器、柔轮、与柔轮配合的刚轮，其中波发生器配装在柔轮内并与伺服电机输出端相连，且柔轮设置有外齿轮部以及垂直于外齿轮部的传动部，刚轮设置有内齿轮部，外齿轮部与内齿轮部啮合，其中输出法兰包括位于柔轮的传动部与刚轮之间的交叉滚子轴承，交叉滚子轴承包括有外圈、内圈以及装设于外圈与内圈之间的圆柱滚子，交叉滚子轴承的外圈与柔轮的传动部螺接，交叉滚子轴承的内圈与刚轮螺接。

进一步，所述交叉滚子轴承的内圈与外圈之间装设有油封密封圈。

进一步，执行器外壳包括侧外壳以及防护底壳，其中所述侧外壳的顶端与柔轮的传动部螺接，所述防护底壳与侧外壳的底端螺接。

进一步，所述伺服驱动控制模块放置在防护底壳内，且伺服驱动控制模块包括驱动PCBA板、与PCBA板连接的电池，驱动PCBA板上有延伸至防护底壳外的信号传输接口；其中伺服电机的输出轴尾部安装有磁性元件，角度编码器与着所述磁性元件对齐。

进一步，所述伺服驱动控制模块还包括电池架，其中该驱动PCBA板设置在电池架的表面，且所述电池卡设在电池架的底部。

进一步，刚轮的内齿轮部的轮齿数比柔轮的外齿轮部的轮齿数多两个，外齿轮部的轮齿和内齿轮部的轮齿分别为圆弧形轮齿。

进一步，相邻的两个圆柱滚子呈十字交叉状且90°夹角布置。

本发明的有益效果在于：1.柔轮的外齿轮部与传动部垂直布置，在本发明装配过程中，交叉滚子轴承连接于柔轮的传动部与刚轮之间；上述装配形式能够有效地减小整体外形尺寸并使得本发明整体结构简单紧凑，安装连接方便；通过交叉滚子轴承的支承作用，本发明能够有效地减小轴向径向跳动，进而提高整体的机械强度。

2.本发明所提出的一种柔性伺服谐波关节执行器，将谐波减速器、伺服电机、内置有角度编码器的伺服驱动控制模块集成为一体，实现了结构驱控一体化，提升了执行关节的实用性能，提高了执行关节结构的紧凑性；采用谐波减速器、微型的伺服驱动器，能够降低执行关节的体积和质量。

3.该关节执行器能够实现集中装配，一致性高、良率高、模块化，降低整机装配难度，易实现批量化。同时该关节执行器无需装配到整机就可以单独进行测试，避免可能多次拆装。一体化的模块化设计关机，无太多外露线材，减少过多线材纠缠拉扯，大大增加了其转动稳定性。

附图说明

图1是本申请执行器的剖面结构示意图。

图2是柔轮的结构示意图。

图3是刚轮的结构示意图。

图4是执行器的立体结构示意图。

附图标号说明：伺服驱动控制模块11、驱动PCBA板111、电池112、信号传输接口113、电池架114、磁性元件115、伺服电机12、侧外壳13、防护底壳14、波发生器2、柔轮3、外齿轮部31、传动部32、刚轮4、内齿轮部41、外圈5、内圈6、圆柱滚子7、油封密封圈8。

具体实施方式

请参阅图1-4所示，本发明关于一种柔性伺服谐波关节执行器，包括执行器外壳、输出法兰、谐波减速器、伺服电机12、内置有角度编码器的伺服驱动控制模块11，其中输出法兰固定在谐波减速器输出端，谐波减速器输入端与伺服电机12输出端相连，伺服驱动控制模块11安装在伺服电机12尾部，其中执行器外壳设置在谐波减速器的尾部并将伺服电机12以及伺服驱动控制模块11包围；伺服驱动控制模块11与伺服电机12电性连接并控制伺服电机12转动，且伺服电机12通过谐波减速器减速带动输出法兰转动；同时角度编码器将检测到的角度位置信号反馈给伺服驱动控制模块11，使其对输出法兰的运动进行精确控制；

其中所述谐波减速器包括波发生器2、柔轮3、与柔轮3配合的刚轮4，其中波发生器2配装在柔轮3内并与伺服电机12输出端相连，且柔轮3设置有外齿轮部31以及垂直于外齿轮部31的传动部32，刚轮4设置有内齿轮部41，外齿轮部31与内齿轮部41啮合，其中输出法兰包括位于柔轮3的传动部32与刚轮4之间的交叉滚子轴承，交叉滚子轴承包括有外圈5、内圈6以及装设于外圈5与内圈6之间的圆柱滚子7，交叉滚子轴承的外圈5与柔轮3的传动部32螺接，交叉滚子轴承的内圈6与刚轮4螺接。

柔轮3的外齿轮部31与传动部32垂直布置，在本发明装配过程中，交叉滚子轴承连接于柔轮3的传动部32与刚轮4之间；上述装配形式能够有效地减小整体外形尺寸并使得本发明整体结构简单紧凑，安装连接方便；通过交叉滚子轴承的支承作用，本发明能够有效地减小轴向径向跳动，进而提高整体的机械强度。

本发明所提出的一种柔性伺服谐波关节执行器，将谐波减速器、伺服电机12、内置有角度编码器的伺服驱动控制模块11集成为一体，实现了结构驱控一体化，提升了执行关节的实用性能，提高了执行关节结构的紧凑性；采用谐波减速器、微型的伺服驱动器，能够降低执行关节的体积和质量。

该关节执行器能够实现集中装配，一致性高、良率高、模块化，降低整机装配难度，易实现批量化。同时该关节执行器无需装配到整机就可以单独进行测试，避免可能多次拆装。一体化的模块化设计关机，无太多外露线材，减少过多线材纠缠拉扯，大大增加了其转动稳定性。

进一步，本发明通过半流体谐波润滑脂来对各运动副进行润滑，用于防止发生过热、噪音现象并确保运转平滑流畅；为防止上述半流体谐波润滑脂泄露，本发明于所述交叉滚子轴承的内圈6与外圈5之间装设有油封密封圈8。

进一步，执行器外壳包括侧外壳13以及防护底壳14，其中所述侧外壳13的顶端与柔轮3的传动部32螺接，所述防护底壳14与侧外壳13的底端螺接。

进一步，所述伺服驱动控制模块11放置在防护底壳14内，且伺服驱动控制模块11包括驱动PCBA板111、与驱动PCBA板111连接的电池112，驱动PCBA板111上有延伸至防护底壳14外的信号传输接口113；其中伺服电机12的输出轴尾部安装有磁性元件115，角度编码器与着所述磁性元件115对齐。角度编码器位置正对着所述磁性元件115，实时读取所述伺服电机12的转动角度，进而可以推算输出法兰的角度位置数据，配合驱动PCBA板111实现高精度角度控制。驱动PCBA板111上外露的信号传输接口113，通过与其它关节的旋转执行器电线连接，实现不同执行器之间的联动控制。驱动PCBA板111和驱动PCBA板111集成在一起，提高整个执行器的空间利用率，结构更紧凑，同时实现无线材连接，避免由于线材振动接触不良，提高可靠性。

进一步，所述伺服驱动控制模块11还包括电池架114，其中该驱动PCBA板111设置在电池架114的表面，且所述电池112卡设在电池架114的底部。

进一步，刚轮4的内齿轮部41的轮齿数比柔轮3的外齿轮部31的轮齿数多两个，外齿轮部31的轮齿和内齿轮部41的轮齿分别为圆弧形轮齿。需进一步指出，本发明的外齿轮部31的轮齿和内齿轮部41的轮齿分别为圆弧形轮齿，相对于传统的渐开线式轮齿结构而言，柔轮3的外齿轮部31和刚轮4的内齿轮部41可利用现代电脑机床CNC或慢走丝线切割等方法加工生产，制造工艺简单、制造成本降低，且可适用多种类、小批量、快速、高精密生产。

进一步，柔轮3的外齿轮部31与传动部32垂直布置，在本发明装配过程中，交叉滚子轴承连接于柔轮3的传动部32与刚轮4之间，具体为：柔轮3的传动部32与交叉滚子轴承的外圈5螺接，交叉滚子轴承的内圈6与刚轮4连接。上述装配结构形式能够有效地减小整体外形尺寸并使得本发明整体结构简单紧凑，安装连接方便；通过交叉滚子轴承的支承作用，本发明能够有效地减小轴向径向跳动，进而提高整体的机械强度。相邻的两个圆柱滚子7呈十字交叉状且90°夹角布置。90°夹角可以提高交叉滚子轴承能同时承受径向和轴向负载，提高输出端负载能力，同时减小整个执行器的轴向厚度。

以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：包括执行器外壳、输出法兰、谐波减速器、伺服电机、内置有角度编码器的伺服驱动控制模块，其中输出法兰固定在谐波减速器输出端，谐波减速器输入端与伺服电机输出端相连，伺服驱动控制模块安装在伺服电机尾部，其中执行器外壳设置在谐波减速器的尾部并将伺服电机以及伺服驱动控制模块包围；伺服驱动控制模块与伺服电机电性连接并控制伺服电机转动，且伺服电机通过谐波减速器减速带动输出法兰转动；同时角度编码器将检测到的角度位置信号反馈给伺服驱动控制模块，使其对输出法兰的运动进行精确控制；

其中所述谐波减速器包括波发生器、柔轮、与柔轮配合的刚轮，其中波发生器配装在柔轮内并与伺服电机输出端相连，且柔轮设置有外齿轮部以及垂直于外齿轮部的传动部，刚轮设置有内齿轮部，外齿轮部与内齿轮部啮合，其中输出法兰包括位于柔轮的传动部与刚轮之间的交叉滚子轴承，交叉滚子轴承包括有外圈、内圈以及装设于外圈与内圈之间的圆柱滚子，交叉滚子轴承的外圈与柔轮的传动部螺接，交叉滚子轴承的内圈与刚轮螺接。

2.根据权利要求1所述的一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：所述交叉滚子轴承的内圈与外圈之间装设有油封密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：执行器外壳包括侧外壳以及防护底壳，其中所述侧外壳的顶端与柔轮的传动部螺接，所述防护底壳与侧外壳的底端螺接。

4.根据权利要求3所述的一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：所述伺服驱动控制模块放置在防护底壳内，且伺服驱动控制模块包括驱动PCBA板、与PCBA板连接的电池，驱动PCBA板上有延伸至防护底壳外的信号传输接口；其中伺服电机的输出轴尾部安装有磁性元件，角度编码器与着所述磁性元件对齐。

5.根据权利要求4所述的一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：所述伺服驱动控制模块还包括电池架，其中该驱动PCBA板设置在电池架的表面，且所述电池卡设在电池架的底部。

6.根据权利要求1所述的一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：刚轮的内齿轮部的轮齿数比柔轮的外齿轮部的轮齿数多两个，外齿轮部的轮齿和内齿轮部的轮齿分别为圆弧形轮齿。

7.根据权利要求1所述的一种柔性伺服谐波关节执行器，其特征在于：相邻的两个圆柱滚子呈十字交叉状且90°夹角布置。

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