CN114382861A - 一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置及关节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置及关节系统，包括输入轴和转动安装于输入轴中部的输出轴，输入轴一侧为波发生端，输入轴另一侧为制动端，输入轴的波发生端设有波发生器，输入轴的制动端设有后端盖和摩擦制动组件，后端盖开有线圈凹槽和弹簧安装槽，后端盖的线圈凹槽中配合安装有电磁线圈，后端盖的弹簧安装槽中安装有弹簧，弹簧固定连接有制动衔铁，摩擦制动组件包括与制动衔铁相对应的摩擦片，弹簧弹力驱动制动衔铁紧贴摩擦片摩擦制动；波发生器外部配合安装有柔轮，柔轮外部配合安装有刚轮，刚轮与输出轴连接。本发明提供谐波减速与电磁制动的最佳匹配方案，集成化和轻量化程度高，提高了定位精度和性能。

Description

一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置及关节系统
技术领域
本发明涉及机器人关节驱动结构领域，尤其涉及一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置及关节系统。
背景技术
目前在常见的机器人关节内部从前至后依次布置的谐波减速器、驱动电机、抱闸和控制板，这些部件零部件通常是从各个厂家分别采购，作为单独个体安装在机器人关节中，这种结构需要在机器人关节壳体内给各部件设计安装位置并预留间隙，从而导致设计出来的机器人不仅关节体积和重量较大；如此设计出来的机器人关节体积和重量较大，在高速运转过程中转动惯量也更大，零部件性能得不到正常发挥，影响机器人的灵活度。机器人关节较多的零部件导致结构复杂，造成设计选型困难，装配过程繁琐，同时不同厂家零部件的匹配效果存在差异，很难找到最佳匹配方案。同时，机器人常用的插销式抱闸受限于刹车爪盘的结构，刹车时输入轴无法迅速制动，存在过量旋转的情况，造成机器人在运行过程中，定位精度会越来越差。特别是在医疗、仿生机器人和航空航天等领域，要求更小的空间和更大的扭矩，现有的设计是显然已无法满足市场的需求。
随着机器人的应用领域越来越广泛，对轻量化的要求也变得越来越高。因为在高加速度，或者高转速的应用场景，机器人工作过程中会产生较大的转动惯量或着惯性更大，导致机器人出现无法工作或者使用寿命缩短等异常情况出现。机器人关节较多的零部件导致结构复杂，造成设计选型困难，装配过程繁琐，同时不同厂家零部件的匹配效果存在差异，很难找到最佳匹配方案。
机器人关节常用的插销式抱闸，受限于刹车爪盘的结构，刹车时输入轴无法迅速制动，存在过量旋转的情况，造成机器人在运行过程中，定位精度会越来越差。同时由于其刹车特征为硬限位刹车，这种结构更多是应用在断电保护和紧急制动的工况下，不适用于功能性刹车工况，刹车时不仅振动较大，在重新释放刹车时也会出现卡死的情况，这会对机器人的运行和控制造成很大的麻烦。受关节尺寸限制，电磁式抱闸线圈和摩擦片尺寸较小，造成制动扭矩不足，影响了机器人的有效负载能力。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置及关节系统，采用摩擦制动组件与安装于后端盖上的电磁线圈组合制动，同时采用谐波减速结构，进行一体化设计，结构更加紧凑，制动迅速，输入轴不再过量旋转，提高了定位精度；本发明采用摩擦制动原理，运行稳定，不存在卡死的情况。在谐波减速后部安装摩擦制动组件与电磁线圈不受限于原结构限制，电磁线圈和摩擦片尺寸可以做的更大更薄，提高了制动扭矩，机器人的负载能力也得到了提升，不仅做到了更小的体积，还做到了更大的扭矩。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，包括输入轴和转动安装于输入轴中部的输出轴，所述输入轴一侧为波发生端，输入轴另一侧为制动端，所述输入轴的波发生端设有波发生器，所述输入轴的制动端设有后端盖和摩擦制动组件，后端盖开有线圈凹槽和弹簧安装槽，后端盖的线圈凹槽中配合安装有电磁线圈，后端盖的弹簧安装槽中安装有弹簧，弹簧固定连接有位于后端盖端侧的制动衔铁，所述摩擦制动组件包括与制动衔铁相对应的摩擦片，弹簧弹力驱动制动衔铁紧贴摩擦片摩擦制动；所述波发生器外部配合安装有柔轮，柔轮外部配合安装有刚轮，刚轮与输出轴连接。
为了更好地实现本发明，所述输入轴为中空输入轴，输入轴的中空内部为轴腔，所述输出轴转动配合安装于输入轴的轴腔中。
优选地，所述输出轴端部伸出输入轴的轴腔端部。
优选地，所述摩擦制动组件还包括方轮，所述方轮与摩擦片、输入轴连接固定。
优选地，所述摩擦片外侧还配合安装有盖板。
优选地，所述后端盖与输入轴之间安装有轴承。
优选地，所述线圈凹槽均为圆环性槽，所述弹簧安装槽位于线圈凹槽外侧。
一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置所构成的关节系统，包括若干个机器人臂，相邻两个机器人臂之间通过关节部活动连接，关节部内部包括机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明采用摩擦制动组件与安装于后端盖上的电磁线圈组合制动，同时采用谐波减速结构，进行一体化设计，结构更加紧凑，制动迅速，输入轴不再过量旋转，提高了定位精度；本发明采用摩擦制动原理，运行稳定，不存在卡死的情况。在谐波减速后部安装摩擦制动组件与电磁线圈不受限于原结构限制，电磁线圈和摩擦片尺寸可以做的更大更薄，提高了制动扭矩，机器人的负载能力也得到了提升，不仅做到了更小的体积，还做到了更大的扭矩。
（2）本发明提供谐波减速与电磁制动的最佳匹配方案，降低了设计选型和采购的成本，减少了装配步骤，减小高温工况对谐波减速、电磁线圈等部件的影响，提高了定位精度和性能。
（3）本发明机器人关节内部各部件形成机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，集成化、协同化安装在关节内，集成化和轻量化程度高，体积质量小，高速运转过程中转动惯量晓，机器人关节的灵活度和工作能力更强。
（4）本发明在输入轴上设置有摩擦片、盖板，在后端盖设置有电磁线圈、与弹簧连接的制动衔铁，不制动时，电磁线圈得电并吸引制动衔铁压缩弹簧，制动衔铁与摩擦片之间不接触具有间隙空间，输入轴正常转动，当需要制动时，电磁线圈断电，制动衔铁在弹簧的弹力作用紧贴摩擦片并摩擦制动，从而使得输入轴制动，输出轴就不再输出动力。
（5）本发明输入轴的动力经过波发生器、柔轮、刚轮进行减速增扭并经输出轴输出动力，制动衔铁依靠电磁线圈磁力作用与摩擦片紧贴摩擦制动或脱离释放，结构紧凑合理，能够实现输出转动的精确定位，采用摩擦制动原理，运行稳定，不存在卡死的情况。本发明主要应用机器人关于转动与制动领域，能够实现机器人关节处的关节驱动与精确定位控制。
附图说明
图1为本发明外部结构示意图；
图2为本发明内部剖视图；
图3为本发明组成机器人的使用示意图；
图4为本发明盖板侧的结构示意图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1－波发生器,2－刚轮,3－柔轮,4－后端盖,5－弹簧,6－电磁线圈,7－制动衔铁,8－摩擦片,9－盖板,10－方轮,11－输入轴,12－输出轴，13－机器人臂,14－关节部。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例
本发明机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置及关节系统主要针对现有技术的如下技术缺点：1.机器人关节内部各部件作为独立的个体安装在关节内，集成化和轻量化程度低，体积质量大，高速运转过程中转动惯量大，影响机器人灵活度和工作能力；2.较多的零部件导致结构复杂，造成设计选型困难，装配过程繁琐，同时不同厂家零部件的匹配效果存在差异，很难找到最佳匹配方案；3.传统方式为了实现减速与驱动，谐波减速器和驱动电机两个发热源紧挨放置，高温工况影响谐波减速器正常运行，造成性能下降；4.插销式抱闸的刹车爪盘结构，导致刹车不迅速，存在过量旋转，定位精度降低；因其硬限位刹车特性，制动时振动较大，且存在卡死无法复位的情况；5.受限于机器人关节尺寸，传动制动结构造成制动扭矩不足，影响了机器人的有效负载能力。
如图1～图4所示，一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，包括输入轴11和转动安装于输入轴11中部的输出轴12，输入轴11为中空输入轴，输入轴11的中空内部为轴腔，输出轴12转动配合安装于输入轴11的轴腔中，输出轴12在输入轴11的轴腔中转动，参见图1，输出轴12端部伸出输入轴11的轴腔端部并向外输出动力（即输出轴12端部伸出输入轴11的轴腔端部）。输入轴11一侧为波发生端（如图2所示左侧），输入轴11另一侧为制动端（如图2所示右侧中间部分），输入轴11的波发生端设有波发生器1，输入轴11的制动端设有后端盖4和摩擦制动组件。
后端盖4开有线圈凹槽和弹簧安装槽，线圈凹槽均为圆环性槽，弹簧安装槽位于线圈凹槽外侧。后端盖4的线圈凹槽中配合安装有电磁线圈6，电磁线圈6与外部电源电连接，后端盖4的弹簧安装槽中安装有弹簧5，弹簧5固定连接有位于后端盖4端侧的制动衔铁7，摩擦制动组件包括与制动衔铁7相对应的摩擦片8，弹簧5弹力驱动制动衔铁7紧贴摩擦片8摩擦制动；一般情况下，电磁线圈6不通电，制动衔铁7在弹力作用下紧贴摩擦片8并摩擦制动，此时与电磁线圈6连接的输入轴11就制动，电磁线圈6得电，电磁线圈6产生磁力吸引制动衔铁7，制动衔铁7就脱离摩擦片8并与摩擦片8具有间隙空间，摩擦片8就被释放，此时输入轴11就不制动。波发生器1外部配合安装有柔轮3，波发生器1与柔轮3之间配合装配有柔性轴承，柔轮3外部配合安装有刚轮2，刚轮2与输出轴12连接。
如图2所示，摩擦制动组件还包括方轮10，方轮10与摩擦片8、输入轴11连接固定。摩擦片8外侧还配合安装有盖板9。优选地，后端盖4与输入轴11之间安装有轴承，轴承起到支撑后端盖4安装的目的。
一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置所构成的关节系统，包括若干个机器人臂13，相邻两个机器人臂13之间通过关节部14活动连接，关节部14内部包括机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置依靠驱动电机进行动力驱动，驱动电机配合装配于机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置的输入轴11上（优选地，驱动电机的壳体安装于盖板9上，驱动电机的定子固定于壳体内部，驱动电机的转子固定于输入轴11上，并集成化制造）。
本发明工作原理如下：在后端盖4凹槽内的电磁线圈6得电后产生电磁力，吸引制动衔铁7克服弹簧5的弹力，摩擦片8和方轮10被释放且不与制动衔铁7紧贴而不再制动，输入轴11在得到旋转动力后带动紧固在其上的方轮10、摩擦片8和前端的波发生器1旋转，波发生器1旋转挤压柔轮3与刚轮2啮合旋转，输入的动力在此过程中减速增扭，最后刚轮2带动输出轴12旋转输出动力。需要制动时，电磁线圈6断电，电磁力消失，制动衔铁7受到弹簧5的作用力与摩擦片8和方轮10紧紧摩擦接触制动，输入轴11被锁止，实现刹车目的。本发明利用谐波减速结构后部闲置空间，在谐波减速装置后端盖上开设一环形凹槽，使用灌胶工艺将电磁线圈6封存在环形凹槽内，在环形凹槽外侧开设若干安装孔放置弹簧，制动衔铁7放置在后端盖之上，盖板9通过沉头螺钉和衬套隔离固定在制动衔铁7外侧，摩擦片8被夹设在盖板9和制动衔铁7之间。本发明机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置配合安装于相邻两个机器人臂13之间的关节部14，并驱动实现相邻机器人臂13之间的关节运动，本发明利用谐波减速结构后部闲置空间，内设环形凹槽并灌封制动线圈，在输入轴11制动端设置摩擦制动组件与安装于后端盖4上的电磁线圈6，减轻了质量，缩短了轴向的安装尺寸，机器人运转也更加灵活。同时提供谐波减速与电磁制动的最佳匹配方案，降低了设计选型和采购的成本，减少了装配步骤，减小高温工况对谐波减速、电磁线圈等部件的影响，提高了定位精度和性能。本发明采用摩擦制动组件与安装于后端盖4上的电磁线圈6组合制动，同时采用谐波减速结构，进行一体化设计，结构更加紧凑，制动迅速，输入轴11不再过量旋转，提高了定位精度；本发明采用摩擦制动原理，运行稳定，不存在卡死的情况。在谐波减速后部安装摩擦制动组件与电磁线圈6不受限于原结构限制，制动线圈（即电磁线圈6）和摩擦片尺寸可以做的更大更薄，提高了制动扭矩，机器人的负载能力也得到了提升，不仅做到了更小的体积，还做到了更大的扭矩。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：包括输入轴（11）和转动安装于输入轴（11）中部的输出轴（12），所述输入轴（11）一侧为波发生端，输入轴（11）另一侧为制动端，所述输入轴（11）的波发生端设有波发生器（1），所述输入轴（11）的制动端设有后端盖（4）和摩擦制动组件，后端盖（4）开有线圈凹槽和弹簧安装槽，后端盖（4）的线圈凹槽中配合安装有电磁线圈（6），后端盖（4）的弹簧安装槽中安装有弹簧（5），弹簧（5）固定连接有位于后端盖（4）端侧的制动衔铁（7），所述摩擦制动组件包括与制动衔铁（7）相对应的摩擦片（8），弹簧（5）弹力驱动制动衔铁（7）紧贴摩擦片（8）摩擦制动；所述波发生器（1）外部配合安装有柔轮（3），柔轮（3）外部配合安装有刚轮（2），刚轮（2）与输出轴（12）连接。
2.按照权利要求1所述的一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：所述输入轴（11）为中空输入轴，输入轴（11）的中空内部为轴腔，所述输出轴（12）转动配合安装于输入轴（11）的轴腔中。
3.按照权利要求2所述的一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：所述输出轴（12）端部伸出输入轴（11）的轴腔端部。
4.按照权利要求1所述的一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：所述摩擦制动组件还包括方轮（10），所述方轮（10）与摩擦片（8）、输入轴（11）连接固定。
5.按照权利要求1所述的一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：所述摩擦片（8）外侧还配合安装有盖板（9）。
6.按照权利要求1所述的一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：所述后端盖（4）与输入轴（11）之间安装有轴承。
7.按照权利要求1所述的一种机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置，其特征在于：所述线圈凹槽均为圆环性槽，所述弹簧安装槽位于线圈凹槽外侧。
8.一种权利要求1～7任一项所述的机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置所构成的关节系统，其特征在于：包括若干个机器人臂（13），相邻两个机器人臂（13）之间通过关节部（14）活动连接，关节部（14）内部包括机器人关节内嵌电磁制动谐波减速装置。
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