CN113172655B - 一种一体化关节装置及其七轴机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化关节装置及其七轴机器人，包括外壳体以及设置于外壳体内的谐波减速机，谐波减速机包括一体化柔轮和谐波钢轮，谐波钢轮套设在一体化柔轮上，外壳体内还设有内置电机，内置电机为外转子结构，其定子连接外壳体，一体化柔轮套设在其转子上，转子用于转动时带动一体化柔轮与谐波钢轮啮合且产生谐波传动，以实现波发生器的功能，七轴机器人设有七个关节，七个关节内均固定设置有一体化关节装置，一体化关节装置的输出端连接相邻的另一个关节，解决了现有技术中存在的技术问题，如：电机和谐波减速机的连接结构使关节轴向长度过大。

Description

一种一体化关节装置及其七轴机器人

技术领域

本发明涉及谐波减速机领域，具体来说是一种一体化关节装置及其七轴机器人。

背景技术

现有的谐波减速机主要用在各类自动化设备的关节连接处，主要由波发生器、柔性齿轮、 柔性轴承、刚性齿轮四个基本构件组成，主要用于降低电机速度、提升电机的力矩。在现有 的机器人关节处的伺服系统中电机与谐波减速机外接，此种布局导致机械结构整体零件过多，轴向尺寸偏大，成本增加，对于使用空间有限的场合将大大的受到限制。

上述谐波减速机体积过大的同时，所应用的机器人体积随之增大，而如何减小相应设备 的体积，也一直是人们所迫切需要解决的问题，现有技术其存在着：电机和谐波减速机的连 接结构使关节轴向长度过大的技术问题。

为此，本发明提供一种一体化关节装置及其七轴机器人，能有效解决现有减速机与电机 整体尺寸过大的问题，同时有效减轻整体的重量，扩大谐波减速机的使用范围。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于：提供一种一体化关节装置及其七轴 机器人，解决了现有技术中存在的技术问题，如：电机和谐波减速机的连接结构使关节轴向 长度过大。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种一体化关节装置，包括外壳体以及设置于外壳体内的谐波减速机，所述谐波减速机 包括一体化柔轮和谐波钢轮，所述谐波钢轮套设在所述一体化柔轮上，所述外壳体内还设有 内置电机，所述内置电机为外转子结构，其定子连接所述外壳体，所述一体化柔轮套设在其转子上，所述转子用于转动时带动所述一体化柔轮与所述谐波钢轮啮合且产生谐波传动，以 实现波发生器的功能。

进一步的，所述转子呈凸轮结构，所述转子上套设有柔性轴承，所述转子的凸起部与所 述柔性轴承的内侧抵接，所述一体化柔轮套设在所述柔性轴承上。

进一步的，还包括输出端轴承，所述外壳体一端设有开口，所述开口端部连接所述输出 端轴承的外圈，所述一体化柔轮的一端的端部连接所述输出端轴承的内圈，所述谐波钢轮连 接所述外壳体，所述内圈用于连接输出关节。

进一步的，所述输出端轴承为交叉滚子轴承。

进一步的，所述内圈连接有输出端码盘，所述输出端码盘设置于所述外壳体内，其与所 述外壳体内壁之间间隙设置，所述输出端码盘用于测量所述内圈的转动角度。

进一步的，所述转子连接有电机端码盘，所述电机端码盘与所述外壳体内壁之间间隙设 置，所述电机端码盘用于测量所述转子的转动角度。

进一步的，还包括电机端码盘固定环和电磁插销，所述转子的一端连接所述电机端码盘 固定环，所述电机端码盘固定环与所述转子同心，所述电机端码盘固定环上设有若干销孔， 若干所述销孔围绕所述电机端码盘固定环的轴心呈环形阵列分布，所述电磁插销设置在所述外壳体上，所述电磁插销的输出端设置在所述销孔的转动路径上，所述电磁插销用于断电时 其输出端插入到其中一个所述销孔内。

进一步的，还包括定子连接轴和中轴，所述内置电机的定子套设在所述定子连接轴上， 所述定子连接轴连接所述外壳体，其为中空结构，所述定子连接轴套设在中轴上，所述中轴 连接所述外壳体，所述定子连接轴内侧与所述中轴外侧之间设有一环形的热交换腔，所述热交换腔用于冷却散热。

进一步的，所述外壳体端部设有与所述热交换腔连通的冷却接头和回流头，所述冷却接 头和所述回流头用于充入冷却液到所述热交换腔中以形成液冷循环。

一种七轴机器人，所述七轴机器人设有七个关节，七个关节内均固定设置有所述一体化 关节装置，所述一体化关节装置的输出端连接相邻的另一个关节。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本一体化关节装置即采用将电机内置在谐波减速机的外壳体内，使外壳体形成内置电 机的外壳，内置电机与谐波减速机共同组成一个整体的关节连接部件，由转子即取代了常规 谐波减速机中波发生器，使整个关节的轴向长度大大缩短，有效简化设备的结构，降低设备成本，解决了减速机轴向安装空间不足的现象，达到了有效缩短关节轴向长度的有益效果。

2、双码盘实时检测输入端和输出端的相对转角信息，可以实时得出整个装置的输入输出 转角比，达到了便于排除故障以及提高控制精度的有益效果。

3、电磁插销在整个装置异常断电瞬间，销子伸出并插入到一个销孔内，保证其在装置掉 电瞬间不会而发生相对转动，起到断电锁紧保护的作用。

4、冷却液从冷却接头进入并从回流头流出，在外部冷却之后重新进入热交换腔，对内置 电机起散热作用，保证装置的正常运行，延长其使用寿命，达到了有效散热的有益效果。

5、本七轴机器人设有七个关节，并且采用上述一体化关节装置作为关节的连接部件，使 整个机器人的体积大大缩小，达到了灵活作业和有效减小体积的有益效果。

附图说明

图1为本发明一体化关节装置整体结构图；

图2为本发明七轴机器人示意图；

图3为本发明七轴机器人剖视结构示意图。

附图标记列表

1-固定端，2-输出端油封，3-输出端，4-一体化柔轮，5-定子绕组，6-内部油封，7-第一连 接轴承，8-输出端码盘，9-环形盖体，10-后端盖，11-柔性轴承，12-第二连接轴承，13-定子 连接轴，14-中轴，15-冷却接头，16-驱动器电路板，17-热交换腔，18-密封圈，19-定子，20- 电机端码盘，21-转子，22-永久磁钢，23-谐波钢轮，24-电机端码盘固定环，25-电磁插销。

具体实施方式

下面将结合附图1-2，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发 明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构 造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接； 可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种一体化关节装置，包括外壳体以及设置于外壳体内的谐波减速机，所述谐波减速机 包括一体化柔轮4和谐波钢轮23，所述谐波钢轮23套设在所述一体化柔轮4上，所述外壳 体内还设有内置电机，所述内置电机为外转子结构，其定子19连接所述外壳体，所述一体化 柔轮4套设在其转子21上，所述转子21用于转动时带动所述一体化柔轮4与所述谐波钢轮 23啮合且产生谐波传动，以实现波发生器的功能。

一体化柔轮4和谐波钢轮23为现有技术中的谐波减速机中的常规部件，一体化柔轮4为 可变形的齿轮部件，其外侧齿部与谐波钢轮23的内侧齿部之间的传动呈谐波齿轮传动的形 式，现有技术中的谐波减速机还包括起驱动作用的波发生器，波发生器连接伺服电机的输出 端，并将二者设置在机器人关节内，一体化柔轮4或者谐波钢轮23连接相邻的另一关节，以驱动关节运动。

内置电机的定子19与转子21之间的结构呈现有技术中外转子式电机的结构，即定子19 中置且连接外壳体，转子21套设在定子19上并且作为输出端，具体的，外壳体内螺钉设置 有一定子连接轴13，定子19即相对固定地套设在定子连接轴13上，转子21一端延伸出定 子19，其延伸出定子19的一端的内侧套设在第二连接轴承12上，第二连接轴承12的内侧相对固定地套设在连接轴13上，定子19上设有相应的定子绕组5，转子21与定子19之间 还设有永久磁钢22，永久磁钢22固定设置在转子21内侧，其呈环形阵列地分布有若干个， 可以根据需求有针对地调节，外壳体内还设有与内置电机配套的电路套件。

本一体化关节装置即采用将电机内置在谐波减速机的外壳体内，使外壳体形成内置电机 的外壳，内置电机与谐波减速机共同组成一个整体的关节连接部件，由转子21直接驱动一体 化柔轮4转动，并与谐波钢轮23产生谐波传动，转子21即取代了常规谐波减速机中波发生 器，并起到波发生器的驱动作用，使整个谐波减速机及其关节的轴向长度大大缩短，有效简 化设备的结构，降低设备成本，解决了减速机轴向安装空间不足的现象，提高产品的轴向适用性，能有效扩大谐波减速机的使用范围，尤其对于微小型的运动关节应用有明显的优势， 能有效满足工业机器人、机械、医疗器械、机床、伺服系统、家用机器人、服务机器人、电 子设备等领域应用的需要。

并且本一体化关节装置采用现有技术中的谐波减速机柔轮作为输出端的结构，即谐波钢 轮23连接外壳体相对固定，一体化柔轮4作为整个一体化关节装置的输出端。

进一步的，所述转子21呈凸轮结构，所述转子21上套设有柔性轴承11，柔性轴承11设置在转子21延伸出定子19的一端，所述转子21的凸起部与所述柔性轴承11的内侧抵接，所述一体化柔轮4套设在所述柔性轴承11上，转子21的外侧面呈双凸起的椭圆形凸轮结构，转子21的凸起部设置在其延伸出定子19的一端，与现有技术中的波发生器的外侧面结构相同，其凸起部转动时，驱动柔性轴承11和一体化柔轮4产生变形，使一体化柔轮4长轴两端附近的齿随转动不断与谐波钢轮23的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与谐波钢轮23完全脱开，以形成谐波传动。

进一步的，还包括输出端轴承，所述外壳体一端设有开口，所述开口端部通过螺钉连接 所述输出端轴承的外圈1，所述一体化柔轮4的一端的端部通过螺钉连接所述输出端轴承的内圈3，所述谐波钢轮23连接所述外壳体，所述内圈3用于连接输出关节。

进一步的，所述输出端轴承为交叉滚子轴承。

具体的，外壳体包括环形盖体9和后端盖10，内置电机以及谐波减速机均设置在环形盖 体9内侧，定子连接轴13通过螺钉连接后端盖10，后端盖10与定子连接轴13之间设有密 封圈18，谐波钢轮23设置在环形盖体9与后端盖10之间，后端盖10上设有若干锁紧螺钉，锁紧螺钉穿过后端盖10和谐波钢轮23的端面且螺纹连接环形盖体9，谐波钢轮23即与外壳体保持相对固定，环形盖体9远离后端盖10的一端即形成外壳体的开口，一体化柔轮4包括齿部、过渡部和连接部，连接部与内圈3端面通过螺钉连接，齿部与谐波钢轮23啮合，过渡部设置在齿部和连接部之间，其齿部随转子21变形，连接部维持结构不变形，实施时，将整个装置设置在机器人关节内，外壳体连接关节内壁，并将内圈3螺钉连接相邻另外一个关节， 内圈3即作为整个一体化关节装置的输出具体部件。

此外，内圈3与外圈1之间还设有用于密封的输出端油封2，一体化柔轮4的连接部与 定子连接轴13之间还设有内部油封装置6和第一连接轴承7，其密封以及连接作用。

进一步的，所述内圈3连接有输出端码盘8，所述输出端码盘8设置于所述外壳体内， 其与所述外壳体内壁之间间隙设置，所述输出端码盘8用于测量所述内圈3的转动角度。

具体的，内圈3一侧通过螺钉连接有过渡环，现有技术中的输出端码盘8固定设置在过 渡环上，内圈3转动时，输出端码盘8的转动角速度与内圈3一致，与外壳体内壁之间产生 角度差，即测量出内圈3转动角度，并反馈给外壳体上的驱动器电路板16。

进一步的，所述转子21连接有电机端码盘20，所述电机端码盘20与所述外壳体内壁之 间间隙设置，所述电机端码盘20用于测量所述转子21的转动角度。

电机端码盘20随转子21转动测出转子21的转动角度，并反馈给驱动器电路板16，驱 动器电路板16即采集到转子21和内圈3的转动角度，二者作为输入端和输出端的相对转角 信息作对比，可以实时得出整个装置的输入输出转角比，便于排除故障以及提高控制精度， 具体的，电机端码盘20固定设置在电机端码盘固定环24上。

进一步的，还包括电机端码盘固定环24和电磁插销25，所述转子21的一端通过螺钉连 接所述电机端码盘固定环24，电机端码盘固定环24套设在定子连接轴13上，所述电机端码 盘固定环24与所述转子21同心，所述电机端码盘固定环24上设有若干销孔，若干所述销孔 围绕所述电机端码盘固定环24的轴心呈环形阵列分布，所述电磁插销25设置在所述外壳体 上，所述电磁插销25的输出端设置在所述销孔的转动路径上，所述电磁插销25用于断电时 其输出端插入到其中一个所述销孔内。

电磁插销25为现有技术，其为常闭状态，即整个装置通电时其输出端的销子处于最小行程状态，当整个装置异常断电瞬间，销子伸出并插入到一个销孔内，保证其在装置掉电瞬间 不会而发生相对转动，起到断电锁紧保护的作用。

进一步的，还包括定子连接轴13和中轴14，所述内置电机的定子19套设在所述定子连 接轴13上，所述定子连接轴13通过螺钉连接所述外壳体的后端盖10，其为中空结构，所述 定子连接轴13套设在中轴14上，所述中轴14通过螺钉连接所述外壳体的后端盖10，所述 定子连接轴13内侧与所述中轴14外侧之间设有一环形的热交换腔17，所述热交换腔17用 于冷却散热。

进一步的，所述外壳体端部设有与所述热交换腔17连通的冷却接头15和回流头，所述 冷却接头15和所述回流头用于充入冷却液到所述热交换腔17中以形成液冷循环。

冷却液从冷却接头15进入并从回流头流出，在外部冷却之后重新进入热交换腔17，对 内置电机起散热作用，保证装置的正常运行，延长其使用寿命。

一种七轴机器人，所述七轴机器人设有七个关节，七个关节内均固定设置有所述一体化 关节装置，所述一体化关节装置的输出端连接相邻的另一个关节。

与常规六轴机器人相比，本七轴机器人设有七个关节，相邻两个关节的轴心呈垂直关系， 具体地，一体化关节装置的外壳体连接一个关节的内壁，其输出端，即内圈3连接相邻的另 外一个被输出关节，本七轴机器人具有七自由度，相比普通六轴机器人，能够更灵活地进行作业，并且采用上述一体化关节装置作为关节的连接部件，使整个机器人的体积大大缩小， 达到了灵活作业和有效减小体积的有益效果。

并且，机器人的一轴关节内还设有液压泵和水箱，液压泵和水箱通过循环管道连接七个 关节内的一体化关节装置的冷却接头15和回流头，使水箱冷却液经过循环管道的输入管依次 流经七个关节，并由循环管道的回流管回到水箱内，以形成完整的液冷循环管路，对七个关节内的内置电机进行有效冷却，每个关节内还设有用于冷却的散热箱，其与循环管道连通， 起到散热作用。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实说明书 中实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种 简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合， 为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种 不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本 发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种一体化关节装置，包括外壳体以及设置于外壳体内的谐波减速机，所述谐波减速机包括一体化柔轮(4)和谐波钢轮(23)，所述谐波钢轮(23)套设在所述一体化柔轮(4)上，其特征在于，所述外壳体内还设有内置电机，所述内置电机为外转子结构，其定子(19)连接所述外壳体，所述一体化柔轮(4)套设在其转子(21)上，所述转子(21)用于转动时带动所述一体化柔轮(4)与所述谐波钢轮(23)啮合且产生谐波传动，以实现波发生器的功能；

还包括定子连接轴(13)和中轴(14)，所述内置电机的定子(19)套设在所述定子连接轴(13)上，所述定子连接轴(13)连接所述外壳体，其为中空结构，所述定子连接轴(13)套设在中轴(14)上，所述中轴(14)连接所述外壳体，所述定子连接轴(13)内侧与所述中轴(14)外侧之间设有一环形的热交换腔(17)，所述热交换腔(17)用于冷却散热；

所述外壳体端部设有与所述热交换腔(17)连通的冷却接头(15)和回流头，所述冷却接头(15)和所述回流头用于充入冷却液到所述热交换腔(17)中以形成液冷循环；

还包括输出端轴承，所述外壳体一端设有开口，所述开口端部连接所述输出端轴承的外圈(1)，所述一体化柔轮(4)的一端的端部连接所述输出端轴承的内圈(3)，所述谐波钢轮(23)连接所述外壳体，所述内圈(3)用于连接输出关节；

所述内圈(3)连接有输出端码盘(8)，所述输出端码盘(8)设置于所述外壳体内，其与所述外壳体内壁之间间隙设置，所述输出端码盘(8)用于测量所述内圈(3)的转动角度；

所述转子(21)连接有电机端码盘(20)，所述电机端码盘(20)与所述外壳体内壁之间间隙设置，所述电机端码盘(20)用于测量所述转子(21)的转动角度；

对比转子(21)和内圈(3)的相对转动角度信息，实时得出整个一体化关节装置的输入输出转角比，以便于排除故障以及提高控制精度；

还包括电机端码盘固定环(24)和电磁插销(25)，所述转子(21)的一端连接所述电机端码盘固定环(24)，所述电机端码盘固定环(24)与所述转子(21)同心，所述电机端码盘固定环(24)上设有若干销孔，若干所述销孔围绕所述电机端码盘固定环(24)的轴心呈环形阵列分布，所述电磁插销(25)设置在所述外壳体上，所述电磁插销(25)的输出端设置在所述销孔的转动路径上，所述电磁插销(25)用于断电时其输出端插入到其中一个所述销孔内。

2.根据权利要求1所述的一种一体化关节装置，其特征在于，所述转子(21)呈凸轮结构，所述转子(21)上套设有柔性轴承(11)，所述转子(21)的凸起部与所述柔性轴承(11)的内侧抵接，所述一体化柔轮(4)套设在所述柔性轴承(11)上。

3.根据权利要求1所述的一种一体化关节装置，其特征在于，所述输出端轴承为交叉滚子轴承。

4.一种七轴机器人，其特征在于，包括如权利要求1-3任意一项所述的一体化关节装置，所述七轴机器人设有七个关节，七个关节内均固定设置有所述一体化关节装置，所述一体化关节装置的输出端连接相邻的另一个关节。

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