CN114083577B - 刹车组件、关节驱动器和机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种刹车组件、关节驱动器和机器人。一种刹车组件，包括：电机转子；刹车盘，固定在所述电机转子上；摩擦片，固定环绕于所述刹车盘的周围；轴承，可转动地套设在所述电机转子上；电磁铁组件，固定设置于所述轴承上；挡板，与所述电磁铁组件固定；衔铁，滑动套设于所述电机转子上，并位于所述挡板与所述电磁铁组件之间；及弹簧组件，设置于所述衔铁和所述电磁铁组件之间；其中，当所述电磁铁组件断电时，所述衔铁被所述弹簧组件顶持而向靠近所述挡板的方向移动，使得所述摩擦片被所述衔铁与所述挡板夹紧以实现刹车。上述的刹车组件整体结构简单，避免了现有方案中撞针与刹车齿的相互碰撞而导致疲劳破坏或断裂的情况，提高了工作寿命。

Description

刹车组件、关节驱动器和机器人

技术领域

本发明涉及制动器技术领域，尤其涉及一种刹车组件、关节驱动器和机器 人。

背景技术

工业机器人被称为自动控制的可重新编程的多用途操纵器，其具有多个自 由度和独立执行工作任务的能力。它可以具有若干轴线，每个轴线由诸如电动 机的致动器提供动力。每个电机的运动通过致动阻止电机的运动的制动器来停 止。

一种传统的刹车机构包括：摩擦件，用于与电机转子固定连接；刹车件， 抵接在所述摩擦件的一侧；推力件，抵接在所述摩擦件的另一侧，用于为所述 刹车件提供推力，所述推力件对所述刹车件的推力可调；以及锁定机构，用于 根据刹车指令阻止所述刹车件转动。所述锁定机构包括相互连接的撞针和驱动 件，所述刹车件的外圈设有刹车齿，所述驱动件用于驱动所述撞针伸缩，使得所述撞针能够响应所述刹车指令伸出与所述刹车齿接触，从而阻止所述刹车件 转动。

该多盘式制动器能够实现刹车制动，但同时也存在一些明显缺点：

1、占用过多轴向尺寸，圆周方向重量分布不均。

由于电磁开关沿着轴向安装，会引起关节整体轴向尺寸偏大，进而影响其 他零组件的结构形式与安装；关节内部的轴向空间非常有限，结构轴向不够紧 凑。

2、刹车碰撞可靠性与寿命较低。

随着碰撞次数的增多，撞针与刹车齿的碰撞部位会磨损出很多小凹坑与碎 屑，引起可靠性与寿命降低。

发明内容

基于此，有必要提供一种可靠性与寿命较高的刹车组件、关节驱动器和机 器人。

一种刹车组件，包括：电机转子；刹车盘，固定在所述电机转子上；摩擦 片，固定环绕于所述刹车盘的周围；轴承，可转动地套设在所述电机转子上； 电磁铁组件，固定设置于所述轴承上；挡板，与所述电磁铁组件固定，并位于 所述摩擦片的一侧；衔铁，滑动套设于所述电机转子上，并位于所述摩擦片的 另一侧，衔铁并位于所述挡板与所述电磁铁组件之间；及弹簧组件，设置于所述衔铁和所述电磁铁组件之间；其中，当所述电磁铁组件断电时，所述衔铁被 所述弹簧组件顶持而向靠近所述挡板的方向移动，使得所述摩擦片被所述衔铁 与所述挡板夹紧以实现刹车。

在其中一个实施例中，所述电机转子上设有键槽，所述刹车盘的內缘设有 定位槽，所述刹车组件还包括固定键，所述刹车盘通过同时插入所述键槽和所 述定位槽的固定键固定在所述电机转子上。

在其中一个实施例中，所述固定键的表面涂覆有第一粘合剂层。

在其中一个实施例中，所述电机转子上设有环状的第一定位凸台，所述刹 车组件还包括垫圈，所述垫圈位于所述第一定位凸台与所述刹车盘之间。

在其中一个实施例中，所述刹车盘的外边缘径向延伸形成叶片，所述摩擦 片的内边缘形成收容所述叶片的收容槽。

在其中一个实施例中，所述叶片包括两个相互间隔的叉臂，所述两个叉臂 分别与所述收容槽的相对两侧壁相接触。

在其中一个实施例中，所述叶片的数量为六，所述六个叶片均匀分布在所 述刹车盘的外边缘；所述收容槽的数量与位置与所述叶片一一对应。

在其中一个实施例中，所述刹车盘由金属材料制成，所述摩擦片由非金属 材料制成。

在其中一个实施例中，所述电机转子上设有环状的第二定位凸台，所述轴 承的一端与所述第二定位凸台相抵。

在其中一个实施例中，所述挡板上设有沿轴向延伸的限位凸起，所述衔铁 上设有与所述限位凸起相对于的缺口，所述挡板通过延伸穿过所述限位凸起的 螺钉固定在所述电磁铁组件上。

在其中一个实施例中，所述电磁铁组件包括壳体与收容于所述壳体内的电 磁铁；所述壳体包括内圈和外圈，所述内圈固定套设在所述轴承上，所述外圈 与所述挡板固定，所述电磁铁收容在所述内圈与所述外圈之间。

在其中一个实施例中，所述弹簧组件设置在所述外圈。

在其中一个实施例中，所述外圈上开设有收容孔，所述弹簧组件包括弹簧 和调节螺钉，所述调节螺钉可移动地位于所述收容孔内，所述弹簧一端与所述 调节螺钉相抵，另一端与所述衔铁相抵。

在其中一个实施例中，所述弹簧与所述调节螺钉之间还设有垫片。

在其中一个实施例中，所述轴承的表面涂覆有第二粘合剂层。

在其中一个实施例中，所述轴承为深沟球轴承。

在其中一个实施例中，当所述电磁铁组件通电时，所述挡板和所述衔铁之 间的间隙大于所述摩擦片的厚度。

一种关节驱动器，包括电机和如上任一项所述的刹车组件。

一种机器人，包括上述的关节驱动器。

在其中一个实施例中，机器人还包括多个机械臂和多个关节，多个机械臂 依次连接，相邻机械臂之间通过所述关节连接，所述关节中设有所述关节驱动 器。

根据上述的刹车组件，当需要刹车制动时，电磁铁组件断电，衔铁在弹簧 的弹力的作用下将而朝靠近挡板的方向移动，从而使得衔铁与挡板从摩擦片的 两侧将其夹紧，并最终使得电机转子在摩擦力矩的作用下停止转动，进而实现 刹车。整体结构简单，占用空间小，避免了现有方案中撞针与刹车齿的相互碰 撞而导致疲劳破坏或断裂的情况，提高了工作寿命。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其 它目的、特征和优势将会变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相 同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明 的主旨。

图1为根据一实施例的刹车组件的立体图；

图2为图1所示刹车组件的主视图；

图3为图1所示刹车组件的立体分解图；

图4为沿图2中A-A线的剖视图；

图5为摩擦片与刹车盘相结合的示意图；

图6为根据一实施例的关节驱动器的示意图；

图7为根据一实施例的机器人的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体 实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件 被认为是“抵接”另一个元件，它可以是直接抵接到另一个元件或者可能同时 存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用 的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-图3，根据本申请一个实施例，提供了一种用于机器人的刹车组 件100，其包括电机转子10、刹车盘20、摩擦片30、轴承40、电磁铁组件50、 挡板60、衔铁70，及弹簧组件80。刹车盘20与摩擦片30套设并固定在电机转 子10上。轴承40活动套设在电机转子10上，电磁铁组件50、挡板60，及衔 铁70与轴承40固定。

如图3所示，电机转子10是从电机222(见图7)中延伸出来的圆柱形轴。 电机转子10上设有多个沿轴向延伸键槽12。本实施例中，四个键槽12均匀间 隔分布在电机转子10的圆周表面。刹车盘20大致为环形，其內缘设有多个与 键槽12相对应的定位槽22。刹车组件100还包括多个固定键18。固定键18同 时插入到键槽12和定位槽22之内，从而实现刹车盘20通过的固定键18固定 在电机转子10上，以使得刹车盘20随电机转子10一起旋转。在本实施例中， 固定键18为钩头键，其能在径向、圆周向、轴向三个方向实现准确定位。另外， 固定键18与电机转子10过盈配合，安装时固定键18两侧涂覆第一粘合剂层后 压入键槽12，以增强结构的稳定性和可靠性。具体的，第一粘合剂可以为乐泰 609胶水。

请一并参阅图3和图4，电机转子10上还设有环状的第一定位凸台14。刹 车组件100还包括垫圈90。垫圈90位于第一定位凸台14与刹车盘20之间，用 于调节刹车盘20在电机转子10轴向上的位置。由于第一定位凸台14的外径大 于刹车盘20的内径，因此刹车盘20可以通过垫圈90与第一定位凸台14相抵，从而实现刹车盘20在电机转子10轴向上的定位。

请一并参阅图3和图5，大致呈圆环状的刹车盘20可由金属材料制成。摩 擦片30大致呈圆环状，其固定环绕在刹车盘20的周围，并与刹车盘20共面设 置。摩擦片30可由非金属材料制成，例如陶瓷、橡胶，或者由其他摩擦系数合 适的工程塑料制成。刹车盘20的外边缘径向延伸形成叶片24，摩擦片30的内 边缘开设有收容叶片24的收容槽32。本实施例中，叶片24大致为U形，其包 括两个相互间隔且平行的叉臂242、244，两个叉臂242、244分别与收容槽32 的相对两侧壁相接触。本实施例中，叶片24的数量为六，六个叶片24以60°的间隔均匀对称分布在刹车盘20的外边缘。收容槽32的数量与位置与叶片24 一一对应。

当电机转子10从静止开始加速做逆时针转动时，刹车盘20将随着电机转 子10一起开始加速转动，此时叉臂242会对收容槽32的一个侧壁产生巨大的 压力F1，以带动摩擦片30一起转动。当摩擦片30被衔铁70与挡板60夹紧以 实现刹车时，收容槽32的侧壁会对叉臂242产生巨大的压力F1’。由于叉臂242 为细长杆结构，且刹车盘20是选用挠性较好的材料制成，因此当摩擦片30被 衔铁70与挡板60夹紧而停止转动时，六个叉臂242均会受到六个收容槽32的 阻力F1’(每个叉臂242受到的F1’是不一样的)时，会产出不同程度的弯曲形变(挠度)。之后叉臂242在自身弹力的作用下恢复原状，电机转子10停止 转动。同理，当电机转子10从静止开始加速做顺时针转动时，刹车盘20将随 着电机转子10一起开始加速转动，此时叉臂244会对收容槽32的另一个侧壁 产生巨大的压力F2，以带动摩擦片30一起转动。当摩擦片30被衔铁70与挡板 60夹紧以实现刹车时，收容槽32的侧壁会对叉臂244产生巨大的压力F2’。由 于叉臂244为细长杆结构，且刹车盘20是选用挠性较好的材料制成，因此当摩 擦片30被衔铁70与挡板60夹紧而停止转动时，六个叉臂244均会受到六个收容槽32的阻力F2’(每个叉臂244受到的F2’是不一样的)时，会产出不同程 度的弯曲形变(挠度)。之后叉臂244在自身弹力的作用下恢复原状，电机转子 10停止转动。因此叉臂244可发生少许弯曲变形，产生挠度。因此无论是启动 时还是刹车时，刹车盘20的U型叉臂242、244可通过弹性形变来吸收碰撞产生的冲击能量，进而保护关节内的减速器等其他零件。另外，相比现有的单一 叶片的方案而言，六个叉臂244或叉臂242中的每一个始终只受到一个方向的 力，从而避免出现传统的单一叶片反复受到来自左右两个方向的较大冲击力而 容易产生疲劳破坏和断裂的缺陷，提高了刹车盘20的使用寿命及可靠性。

请一并参阅图3和图4，轴承40套设在电机转子10的末端。轴承40的轴 承内圈与电机转子10过盈配合固定，轴承40的轴承外圈可相对轴承内圈自由 转动。本实施例中，轴承40为深沟球轴承，其特点是摩擦阻力小，转速高，能 用于承受径向负荷或径向和轴向同时作用的联合负荷的机构上。电机转子10上 还设有环状的第二定位凸台16。第二定位凸台16的外径大于轴承40的轴承内圈的内径，因此轴承40的一侧可与第二定位凸台16相抵，从而实现轴承40在 电机转子10轴向上的定位。

电磁铁组件50固定设置于轴承40上。如图3所示，电磁铁组件50包括壳 体52与收容于壳体52内的电磁铁54。壳体52大致为环形，其一侧开设有环形 的容置腔522。环状的电磁铁54固定收容在容置腔522之内，并与衔铁70相对。 容置腔522的深度小于壳体52的厚度，从而将壳体52分成内圈524和外圈526。 内圈524和外圈526的边缘平齐并相连(见图4)。内圈524固定套设在轴承40 的轴承外圈上，并与轴承外圈过盈配合。本实施例中，轴承40的轴承外圈上还涂覆有第二粘合剂层，以增强轴承40与电磁铁组件50的连接强度。第二粘合剂也可以为乐泰609胶水。弹簧组件80设置在外圈526上。具体的，外圈526 上开设有多个收容孔528，多个弹簧组件80分别收容在多个收容孔528内。每 一收容孔528贯穿外圈526的两侧。收容孔528进一步包括弹簧收容部5282和 螺纹部5284。弹簧收容部5282与衔铁70相对，螺纹部5284与弹簧收容部5282 相通，但位于外圈526远离衔铁70的一侧。弹簧收容部5282的直径略大于螺纹部5284的直径。

弹簧组件80弹簧组件80包括弹簧82、调节螺钉84和垫片86。弹簧82的 一端收容在收容孔528的弹簧收容部5282内，弹簧82的另一端突出于弹簧收 容部5282，并可与衔铁70的一侧相抵。调节螺钉84螺合在收容孔528的螺纹 部5284之内，并可以在螺纹部5284通过旋转而轴向移动。垫片86位于弹簧82 与调节螺钉84之间。因此，可以通过L型扳手调节调节螺钉84在螺纹部5284 的位置，能够精确调节弹簧82的初始压缩量(弹簧压缩形变越大，弹力越大)， 进而调节弹簧82对衔铁70的弹性抵压力度，即可调节衔铁70对摩擦片30摩 擦力。当然，垫片86也可省略，此时调节螺钉84直接与弹簧82的末端相抵。 本实施例中，弹簧组件80的数量为六，六个弹簧组件80以60°的间隔均匀对称分布在外圈526上。

衔铁70大致为环形，其套设于电机转子10上，并可以沿电机转子10的轴 向左右滑动。衔铁70位于刹车盘20及摩擦片30的一侧，挡板60位于刹车盘 20及摩擦片30的另一侧。挡板60大致为环形，其套设于电机转子10上，并与 电磁铁组件50固定。具体的，如图3所示，挡板60上设有沿轴向延伸的限位 凸起62，衔铁70上设有与限位凸起62相对应的缺口72，挡板60通过延伸穿过限位凸起62的螺钉64固定在电磁铁组件50的外圈526上。因此，挡板60、与电磁铁组件50相互固定，且并不随着电机转子10一起旋转，而衔铁70可在 挡板60与电磁铁组件50之间沿电机转子10的轴向滑动。

下面简述上述刹车组件100的工作原理。

当关节正常运动无需刹车时，电磁铁组件50正常通电，电磁铁54产生磁 性以吸附衔铁70，此时衔铁70将克服弹簧82的弹力而朝远离挡板60的方向移 动，从而与摩擦片30分离。此时挡板60和衔铁70之间的间隙大于摩擦片30 的厚度，挡板60与摩擦片30之间无摩擦力或者摩擦力远小于可用于刹车时的 制动力，此时刹车盘20处于解除刹车状态，电机转子10可以转动，从而带动 刹车盘20与摩擦片30一起正常转动。

当关节需要刹车制动时，电磁铁组件50断电，电磁铁54磁性消失，衔铁 70在弹簧82的弹力的作用下将而朝靠近挡板60的方向移动，从而使得衔铁70 与挡板60从摩擦片30的两侧将其夹紧，并通过可略微发生弹性变形的叶片24 将作用在摩擦片30上的摩擦力矩传导至刹车盘20上，并最终通过固定键18使 得电机转子10在摩擦力矩的作用下停止转动，进而实现刹车。可以理解，流经 电磁铁组件50的电流也可以逐渐减小，导致弹簧82对衔铁70的弹力逐渐增大， 即衔铁70对摩擦片30的夹紧力逐渐增大，从而产生更加增加细腻精确的制动效果。

综上，本实施例的刹车组件100具有以下优点：

1.刹车摩擦力可调节。多个弹簧组件80均匀分布在电磁铁组件50的外圈 526上，弹簧82的弹力可以通过调节螺钉84进行调节校准，进而调节摩擦力的大小。

2.新式摩擦结构。传统的结构是两块活动衔铁中间有两块摩擦片，两块摩 擦片中间是摩擦轮，这个结构的缺点是零件较多，刹车控制需要的磁力大，刹 车片易磨损。本申请的核心结构是，挡板60和衔铁70一个固定一个活动，它 们之间是刹车盘20与摩擦片30，刹车盘20的U型叉臂和摩擦片30的收容槽 32凹凸嵌合。运动时，刹车盘20带着摩擦片30一起转动；刹车时，挡板60和衔铁70夹紧非金属材质的摩擦片30，摩擦片30阻挡刹车盘20后停止转动，由 此刹车盘20只会产生可恢复的弯曲变形而不会磨损刹车盘20，零件少，需要的 电磁力小，控制简单，刹车精准度高。

3.新式紧固方式。刹车盘20和电机转子10是通过固定键18加609胶水紧 固，安装方便，紧固可靠。

4.更强的系统鲁棒性和功能可靠性。和现有方案相比，本申请的挡板60和 衔铁70与摩擦片30的接触面较大，圆周均匀贴合产生的摩擦力矩更加稳定， 避免了现有方案中撞针与刹车齿的相互碰撞而导致疲劳破坏及断裂的情况，提 高了工作寿命。

5.本实施例的刹车组件100的布局更加紧凑，极大节约了关节内部的轴向 空间。刹车组件100的直径可做到60mm以内，厚度可以做到20mm以内，总 重量更轻。

6.本申请的所有零件都是周向均匀对称分布，有良好的动平衡效果。

7.本申请结构简单，可模块化设计和生产，适用于广泛的回转体刹车应用 场景，还可以一个系统里多个刹车结构串联使用。

如图7所示，提供了一种关节驱动器200，包括电机220和上述的刹车机构 100。电机转子10与电机220相连。

图7示出了具有多个自由度(DOF)的工业机器人300。机器人具有六个轴线， 并且轴线的每个接头由致动器驱动。机器人包括多个机械臂320和多个关节340， 多个机械臂320依次连接，相邻机械臂320之间通过关节连接，关节中设有上 述关节驱动器200。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。

Claims (18)

1.一种刹车组件，其特征在于，包括：

电机转子；

刹车盘，固定在所述电机转子上；

摩擦片，固定环绕于所述刹车盘的周围；

轴承，可转动地套设在所述电机转子上；

电磁铁组件，固定设置于所述轴承上；

挡板，与所述电磁铁组件固定，并位于所述摩擦片的一侧；

衔铁，滑动套设于所述电机转子上，并位于所述摩擦片的另一侧，所述衔铁位于所述刹车盘与所述电磁铁组件之间；及

弹簧组件，设置于所述衔铁和所述电磁铁组件之间；

其中，当所述电磁铁组件断电时，所述衔铁被所述弹簧组件顶持而向靠近所述挡板的方向移动，使得所述摩擦片被所述衔铁与所述挡板夹紧以实现刹车；

其中，所述刹车盘的外边缘径向延伸形成叶片，所述摩擦片的内边缘形成收容所述叶片的收容槽；所述叶片包括两个相互间隔的叉臂，所述两个叉臂分别与所述收容槽的相对两侧壁相接触。

2.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述电机转子上设有键槽，所述刹车盘的內缘设有定位槽，所述刹车组件还包括固定键，所述刹车盘通过同时插入所述键槽和所述定位槽的固定键固定在所述电机转子上。

3.根据权利要求2所述的刹车组件，其特征在于，所述固定键的表面涂覆有第一粘合剂层。

4.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述电机转子上设有环状的第一定位凸台，所述刹车组件还包括垫圈，所述垫圈位于所述第一定位凸台与所述刹车盘之间。

5.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述叶片的数量为六，所述六个叶片均匀分布在所述刹车盘的外边缘；所述收容槽的数量与位置与所述叶片一一对应。

6.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述刹车盘由金属材料制成，所述摩擦片由非金属材料制成。

7.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述电机转子上设有环状的第二定位凸台，所述轴承的一侧与所述第二定位凸台相抵。

8.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述挡板上设有沿轴向延伸的限位凸起，所述衔铁上设有与所述限位凸起相对于的缺口，所述挡板通过延伸穿过所述限位凸起的螺钉固定在所述电磁铁组件上。

9.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，所述电磁铁组件包括壳体与收容于所述壳体内的电磁铁；所述壳体包括内圈和外圈，所述内圈固定套设在所述轴承上，所述外圈与所述挡板固定，所述电磁铁收容在所述内圈与所述外圈之间。

10.根据权利要求9所述的刹车组件，其特征在于，所述弹簧组件设置在所述外圈。

11.根据权利要求10所述的刹车组件，其特征在于，所述外圈上开设有收容孔，所述弹簧组件包括弹簧和调节螺钉，所述调节螺钉可移动地位于所述收容孔内，所述弹簧一端与所述调节螺钉相抵，另一端与所述衔铁相抵。

12.根据权利要求11所述的刹车组件，其特征在于，所述弹簧与所述调节螺钉之间还设有垫片。

13.根据权利要求9所述的刹车组件，其特征在于，所述轴承的表面涂覆有第二粘合剂层。

14.根据权利要求9所述的刹车组件，其特征在于，所述轴承为深沟球轴承。

15.根据权利要求1所述的刹车组件，其特征在于，当所述电磁铁组件通电时，所述挡板和所述衔铁之间的间隙大于所述摩擦片的厚度。

16.一种关节驱动器，其特征在于，包括电机和如权利要求1至15任一项所述的刹车组件。

17.一种机器人，其特征在于，包括权利要求16所述的关节驱动器。

18.根据权利要求17所述的机器人，其特征在于，还包括多个机械臂和多个关节，多个机械臂依次连接，相邻机械臂之间通过所述关节连接，所述关节中设有所述关节驱动器。

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