CN114263707B - 高度集成的机器人关节减速器及关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高度集成的机器人关节减速器及关节装置，采用正交内啮合的平面包络鼓形蜗杆传动副实现动力输出，其优势为传动比大、结构紧凑、传动精度高、传动平稳、加工精度高且易于实现机械自锁；通过安装于蜗杆内部的伺服电机实现驱动且采用于蜗杆内部两端的行星轮系实现降速，其中行星轮支撑盘与定子相连用于安装空套齿轮，该结构充分利用蜗杆内部空间，增加关节装置的集成度；通过蜗杆支架、角接触球轴承实现蜗杆及其内部零部件的支撑，其中角接触球轴承能够避免电机承受源于蜗杆的轴向力。

Description

高度集成的机器人关节减速器及关节装置

技术领域

本发明涉及机器人减速器技术领域，尤其涉及一种由专用伺服电机、行星轮系与内啮合平面包络蜗杆副组成的机器人关节装置。

背景技术

机器人技术已成为各国发展战略，我国高度重视自主研发机器人技术的突破。我国的机器人行业经过多年的发展已经成为机器人生产和使用大国。

机器人关节减速器在机器人中的其中一个作用是传递更大的扭矩。当负载较大时，一味提高伺服电机的功率是很不划算的，可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高输出扭矩。现有的机器人关节减速器模块集成度低、难以实现机械自锁，而且有的机器人关节减速器承载能力低。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题提供高度集成的机器人关节减速器及关节装置。

本申请通过下述技术方案实现：

高度集成的机器人关节减速器，包括：

蜗杆副，包括相啮合的鼓形蜗杆和蜗轮，鼓形蜗杆置于蜗轮内侧；

电机，置于所述鼓形蜗杆内，包括转子和定子；

行星轮系，置于所述鼓形蜗杆内且左右对称设置有两个，包括相啮合的中心轮和多个行星轮；

所述中心轮与转子连接，行星轮与鼓形蜗杆啮合。中心轮用于接收电机的动力的，并将接收的动力传递给行星轮，经行星轮传递给鼓形蜗杆，最后再传递给蜗轮；传递动力的过程中，行星轮系实现了一级降速，蜗杆副实现了二级降速。

进一步的，机器人关节减速器还包括蜗杆支撑架，所述转子的两端伸出鼓形蜗杆并通过轴承与蜗杆支撑架连接。

特别的，所述定子与鼓形蜗杆之间设有角接触球轴承，角接触球轴承对称设有两个。角接触球轴承用于传递轴向力以及支撑鼓形蜗杆。

可选的，所述行星轮系包括4个行星轮。

其中，行星轮系还包括与定子固接的行星轮支撑盘，所述多个行星轮均匀分布在行星轮支撑盘上。行星轮支撑盘用于支撑电机以及支撑行星轮。

进一步的，行星轮支撑盘包括盘体和与所述多个行星轮匹配的支柱，盘体一侧与定子固接，盘体另一侧与支柱的一端连接，支柱的另一端与蜗杆支撑架连接，行星轮空套在支柱上。

进一步的，行星轮与支柱之间设有滚针轴承。

优选地，所述电机为内转子伺服电机，鼓形蜗杆为平面包络鼓形蜗杆，蜗轮为平面蜗轮。

进一步的，机器人关节减速器，还包括用于角接触球轴承轴向定位的第一套筒和第二套筒，第一套筒和第二套筒套在定子外，角接触球轴承位于第一套筒与第二套筒之间。

本申请还提供了高度集成的机器人关节装置，包括关节和上述机器人关节减速器，所述关节与所述蜗轮连接。

电机通过转子与行星轮系的中心轮相连，输出动力，动力经行星齿轮副传递到鼓形蜗杆上，然后经平面包络鼓形蜗杆副传递到蜗轮上，最后传递到机器人关节，带动机器人关节运动。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

1，本申请通过行星齿轮副和内啮合平面包络鼓形蜗杆传动副组成了二级机器人关节减速器，其将伺服电机、蜗杆传动副和行星轮系集成一体，实现电机与减速器的高度集成，具有传动比大、传动效率高、承载能力高、安全可靠、结构紧凑的特点；

2，安装于蜗杆内部的伺服电机为关节模块提供动力，通过行星轮系和蜗杆副的二次降速输出动力，具有减速比大、结构紧凑等优势；

3，本申请采用了内啮合平面包络鼓形蜗杆传动副，因该传动采用正交内啮合的蜗杆传动方式，具有结构紧凑、传动比大、传动平稳、易于自锁等优势，将其作为关节装置的主要传动副。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施方式的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施方式的限定。

图1为本发明实施例提供的机器人关节减速器的三维图；

图2为本发明实施例提供的机器人关节减速器的主视图；

图3为本发明实施例提供的机器人关节减速器的主视图的剖视图；

图4为本发明实施例提供的机器人关节减速器的鼓形蜗杆与行星轮系的示意图；

图5为本发明实施例提供的机器人关节减速器的鼓形蜗杆的剖视图；

图标：1-鼓形蜗杆、2-蜗轮、3-蜗杆副支撑架、4-蜗杆主支撑架、5-中心轮、6-行星轮、7-电机、8-定子、9-转子、10-盘体、11-第三套筒、12-深沟球轴承、13-第四套筒、14-滚针轴承、15-第一螺钉、16-第二套筒、17-第二螺钉、18-平键、19-第一套筒、20-角接触球轴承。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

如图1-图5所示，本实施例公开的高度集成的机器人关节减速器，包括电机7、行星轮系、蜗杆副和蜗杆支撑架。

其中，蜗杆副包括相啮合的鼓形蜗杆1和蜗轮2。特别的，鼓形蜗杆1为平面包络鼓形蜗杆，蜗轮2为平面蜗轮。鼓形蜗杆1置于蜗轮2内侧，构成正交内啮合的平面包络鼓形蜗杆传动副。

如图2-图5所示，电机7和行星轮系置于鼓形蜗杆1内，蜗杆支撑架用于鼓形蜗杆1及其内部零部件的支撑。本实施例的行星轮系为空套齿轮的行星轮系，通过该行星轮系实现电机7的降速。

具体的，在鼓形蜗杆1内部加工出阶梯中心孔，电机7和行星轮系装于阶梯中心孔内。特别的，电机7置于鼓形蜗杆1内部中心位置。行星轮系左右对称设置两个，两个行星轮系均与电机7连接，用于将电机7的旋转运动传递给鼓形蜗杆1。

特别的，电机7为内转子伺服电机，其包括定子8和转子9。行星轮系包括行星轮支撑盘，以及相啮合的中心轮5和多个行星轮6。

转子9同轴与中心轮5连接，转子9的两端伸出鼓形蜗杆1的阶梯中心孔一定距离，转子9伸出两端的端部通过深沟球轴承12与蜗杆支撑架相连。

特别的，转子9上开有键槽，装有平键18，转子9与中心轮5键连接；在转子9上装有有用于中心轮5轴向定位的第四套筒13。

行星轮6装于行星轮支撑盘上。行星轮支撑盘包括盘体10和安装在盘体10上的多根均布的支柱101，盘体10一侧与定子8相连，多根支柱101的一端与盘体10的另一侧连接，多根支柱101的另一端与蜗杆支撑架相连，起到固定电机7位置，同时可以传递鼓形蜗杆1受到的轴向力到蜗杆支撑架的作用。

其中，支柱101的数量根据行星轮6的数量设置。以有4个行星轮6为例，行星轮支撑盘包括四个用于与行星轮6相连的支柱101，4个行星轮6分别空套在其中一个支柱101上。在支柱101与行星轮6之间设有滚针轴承14，可辅助行星轮6旋转。滚针轴承14装于支柱101上，支柱101上有用于滚针轴承14轴向定位的第三套筒11。特别的，为了充分利用空间，使得结构更为紧凑、安全、可靠，行星齿轮副齿圈部分直接加工在鼓形蜗杆1的阶梯中心孔孔壁上。

为了支撑鼓形蜗杆1，在定子8上安装有角接触球轴承20，同时角接触球轴承20可以承受传递鼓形蜗杆1与蜗轮2啮合产生的轴向力，能够避免电机7承受源于鼓形蜗杆1的轴向力。特别的，角接触球轴承20左右对称装有两个。

为了固定电机7的位置，通过第二螺钉17连接定子8与行星轮支撑盘的盘体10，将行星轮支撑盘的支柱101与蜗杆支撑架相连，从而完成整个鼓形蜗杆1的安装定位。

特别的，角接触球轴承20内圈直接安装在电机7的定子8上，外圈安装在鼓形蜗杆1里面。用于角接触球轴承20轴向定位的第一套筒19和第二套筒16套在定子8外，角接触球轴承20位于第一套筒19与第二套筒16之间，角接触球轴承20将鼓形蜗杆1受到的轴向力经套筒、行星轮支撑盘传递到蜗杆支撑架上。

特别的，蜗杆支撑架包括主蜗杆支撑架4与副蜗杆支撑架3，主蜗杆支撑架4与副蜗杆支撑架3分别与其中一个行星轮支撑盘相连，起到固定电机7和承受鼓形蜗杆1受到的轴向力的作用；同时蜗杆支撑架通过深沟球轴承12与转子9相连，辅助转子9运动；蜗杆副支架3与蜗杆主支架4用第一螺钉15进行连接，将两个蜗杆支架连为一体；并且在主蜗杆支撑架4上开有孔和键槽，通过支撑轴将蜗杆支撑架与减速器外壳部分（图中未示出）连接，起到支撑整个减速器的作用。

需要说明的是，在本实施例中，鼓形蜗杆1内部零部件均为左右对称布置，这将会使得受力情况更加良好。

基于上述机器人关节减速器，本实施例还公开了一种机器人关节装置，包括上述机器人关节减速器和关节，关节与蜗轮2连接。

本发明的工作原理为：

电机7置于鼓形蜗杆1内部中心位置，转子9通过平键18带动行星齿轮副的中心轮5旋转，中心轮5又带动行星齿轮副的行星轮6进行旋转，为了使行星齿轮6进行自传而不影响其空间位置，在支撑行星齿轮6的行星轮支撑盘支柱101上安装有滚针轴承14；然后经均匀分布的四个空套行星齿轮6将动力传递到加工了齿圈的鼓形蜗杆1上，实现一级减速；

最后，鼓形蜗杆1带动蜗轮2旋转，实现二级减速，最后传递到机器人关节，带动机器人关节运动。

由此可知，本申请通过将行星齿轮副与内啮合平面包络鼓形蜗杆1传动副两者结合起来，组成了的高度集成的机器人关节减速器，充分利用了两种传动副的特点，使得承载能力更大，啮合齿数更多，并且由于蜗杆传动的自锁特点，使得工作更加安全可靠；将电机与行星齿轮副相关的部件置于鼓形蜗杆1内部，结构紧凑的同时增加了减速器的传动效率。这是机器人关键零部件技术的创新，有助于打破国外对机器人减速器领域的垄断，对我国机器人技术发展具有深远意义。

以上的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.高度集成的机器人关节减速器，其特征在于：包括：

蜗杆副，包括相啮合的鼓形蜗杆（1）和蜗轮（2），鼓形蜗杆（1）置于蜗轮（2）内侧；

电机（7），置于所述鼓形蜗杆（1）内，电机（7）包括转子（9）和定子（8）；

行星轮系，置于所述鼓形蜗杆（1）内且左右对称设置有两个，行星轮系包括相啮合的中心轮（5）、多个行星轮（6）以及与定子（8）固接的行星轮支撑盘，所述中心轮（5）与转子（9）连接，行星轮（6）与鼓形蜗杆（1）啮合；

蜗杆支撑架，所述转子（9）的两端伸出鼓形蜗杆（1）并通过轴承与蜗杆支撑架连接；

所述定子（8）与鼓形蜗杆（1）之间设有角接触球轴承（20），角接触球轴承（20）对称设有两个；

所述多个行星轮（6）均匀分布在行星轮支撑盘上，行星轮支撑盘包括盘体（10）和与所述多个行星轮（6）匹配的支柱（101），盘体（10）一侧与定子（8）固接，盘体（10）另一侧与支柱（101）的一端连接，支柱（101）的另一端与蜗杆支撑架连接，行星轮（6）空套在支柱（101）上，行星轮（6）与支柱（101）之间设有滚针轴承（14）。

2.根据权利要求1所述的高度集成的机器人关节减速器，其特征在于：所述行星轮系包括4个行星轮（6）。

3.根据权利要求1或2所述的高度集成的机器人关节减速器，其特征在于：所述电机（7）为内转子伺服电机，鼓形蜗杆（1）为平面包络鼓形蜗杆，蜗轮（2）为平面蜗轮。

4.根据权利要求1或2所述的高度集成的机器人关节减速器，其特征在于：还包括用于角接触球轴承（20）轴向定位的第一套筒（19）和第二套筒（16），第一套筒（19）和第二套筒（16）套在定子（8）外，角接触球轴承（20）位于第一套筒（19）与第二套筒（16）之间。

5.高度集成的机器人关节装置，包括关节，其特征在于：还包括如权利要求1-4中任一项所述的高度集成的机器人关节减速器，所述关节与所述蜗轮（2）连接。

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