CN114407071A - 机器人关节 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种机器人关节，其包括：驱动装置，所述驱动装置用于提供驱动力；谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器，所述驱动装置连接于所述波发生器以便将驱动力传递至谐波减速器；壳体部，所述壳体部形成为所述机器人关节的至少部分外表面，并且所述驱动装置和谐波减速器均设置于所述壳体部的内部；以及传动轴，所述传动轴的一端用于接收所述驱动装置的驱动力，所述传动轴的另一端连接于所述谐波减速器的波发生器，其中，所述传动轴通过第一轴承可转动地支撑在所述壳体部。

Description

机器人关节

技术领域

本公开涉及一种机器人关节。

背景技术

随着机器人技术的发展，拥有高速度、高精度、高负载自重比的机器人受到工业和航天领域的关注。高速度、高精度要求机器人具有高刚度，高负载自重比要求机器人具有轻量紧凑的特点。

机器人主要由连杆和关节组成，连杆和关节的刚度和重量是机器人高速度、高精度和高负载自重比的关键。

目前主流的设计方向：连杆采用高强度铝合金或碳纤维材质，通过有限元计算分析与一体化设计来降低连杆的重量；关节一般采用高减速比谐波减速器与大扭矩无框力矩电机的组合，同时利用有限元分析综合考虑关节的重量与刚度。

针对目前市场上的机器人关节，仍有许多不足之处：

1)关节结构采用双轴承支撑谐波减速器两端或者电机两端。结构件较多，尺寸链复杂，不够紧凑，自重较大；

2)关节与连杆采用单边支撑，导致机器人整体刚度较差，输出力矩较小；

3)为保证谐波减速器主轴与电机主轴的同心度，零件加工工艺复杂，成本较高。

发明内容

为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种机器人关节。

根据本公开的一个方面，提供了一种机器人关节，其包括：

驱动装置，所述驱动装置用于提供驱动力；

谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器，所述驱动装置连接于所述波发生器以便将驱动力传递至谐波减速器；

壳体部，所述壳体部形成为所述机器人关节的至少部分外表面，并且所述驱动装置和谐波减速器均设置于所述壳体部的内部；以及

传动轴，所述传动轴的一端用于接收所述驱动装置的驱动力，所述传动轴的另一端连接于所述谐波减速器的波发生器，其中，所述传动轴通过第一轴承可转动地支撑在所述壳体部。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述第一轴承包括角接触轴承，所述角接触轴承背对背安装或者面对面安装。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述驱动装置包括：

定子，所述定子设置于所述壳体部；以及

转子，所述转子设置于所述传动轴的一端，并使得所述传动轴的另一端与谐波减速器的波发生器连接。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述第一轴承位于所述传动轴的两端部之间的位置。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述转子通过卡销结构连接于所述传动轴的一端。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述传动轴的一端形成有第一凹槽，所述第一凹槽从所述传动轴的一端部沿所述传动轴的轴向延伸，其中，所述第一凹槽的开口朝向所述传动轴的外圆周面的外部。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述转子与所述传动轴的一端相对的端部形成有第二凹槽，所述第二凹槽从所述转子的端部沿所述转子的轴向延伸，其中，所述第二凹槽的开口朝向所述转子的内圆周面的内部。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述卡销结构包括：

锁销，所述锁销的至少部分位于所述第一凹槽，所述锁销的至少部分位于所述第二凹槽。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述卡销结构还包括：

轴向固定件，所述轴向固定件固定于所述转子和传动轴中的一者，用于限定所述锁销的轴向位置。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，通过所述谐波减速器的柔轮向外输出驱动力。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述谐波减速器的刚轮固定于所述壳体部。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：

输出轴，所述输出轴可转动地设置于所述壳体部，并且与所述谐波减速器的柔轮连接。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述输出轴通过交叉滚子轴承可转动地支撑于所述壳体部。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述输出轴通过柔轮压板安装于所述谐波减速器的柔轮。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述柔轮压板与所述传动轴之间设置有密封结构。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述壳体部与所述驱动装置的位置相对应的一端设置有支撑轴，其中，在所述支撑轴的外部设置有外部轴承，当输出轴与待连接部件连接时，所述外部轴承支撑于所述待连接部件。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：

轴承端盖，所述轴承端盖固定于所述支撑轴，并使得所述外部轴承位于所述轴承端盖和壳体部之间。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：

中空轴，所述中空轴的一端设置于所述输出轴，所述中空轴的另一端穿过所述传动轴，并通过滑动轴承支撑于编码器轴。

根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述编码器轴固定于所述驱动装置的转子，以便通过所述编码器轴输出驱动装置的位置。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的一个实施方式的机器人关节的结构示意图。

图2是图1中的A部放大示意图。

图3是根据本公开的一个实施方式的柔轮与输出轴的连接结构示意图。

图中附图标记具体为：

100机器人关节

110驱动装置

111定子

112转子

120谐波减速器

121波发生器

122柔轮

123刚轮

130壳体部

131动力端壳体

132输出端壳体

140传动轴

150卡销结构

151锁销

152轴向固定件

160第一轴承

170输出轴

180交叉滚子轴承

190外圈端盖

200内圈端盖

210柔轮压板

220密封结构

230支撑轴

240外部轴承

250轴承端盖

260中空轴

270滑动轴承

280编码器轴

290驱动器单元

300驱动器盖

310轴承压板。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。

当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。

为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。

这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。

图1是根据本公开的一个实施方式的机器人关节100的结构示意图。

如图1所示，本公开提供一种机器人关节100，其包括：驱动装置110、谐波减速器120、壳体部130和传动轴140等部件，由此构成一种结构紧凑，高刚度，高输出扭矩密度，轻量化，低成本的高性能机器人关节。

所述驱动装置110用于提供驱动力，本公开中，所述驱动装置110包括定子111和转子112，所述定子111设置于所述壳体部130，所述转子112设置于所述传动轴140的一端，并使得所述传动轴140的另一端与谐波减速器120的波发生器121连接。

例如，所述壳体部130包括动力端壳体131和输出端壳体132，所述动力端壳体131和输出端壳体132通过螺栓相互连接并被固定在一起。此时，所述定子111可以设置于所述动力端壳体131，并位于所述动力端壳体131的内部。

本公开中，所述转子112通过卡销结构150连接于所述传动轴140的一端，由此使得所述转子112转动时，能够驱动所述传动轴140转动，并能够有效的减少安装空间，使得关节更加紧凑。

具体地，所述传动轴140的一端形成有第一凹槽，所述第一凹槽从所述传动轴140的一端部沿所述传动轴140的轴向延伸，其中，所述第一凹槽的开口朝向所述传动轴140的外圆周面的外部，即所述第一凹槽的开口朝向所述驱动装置的定子。

相应地，所述转子112与所述传动轴140的一端相对的端部形成有第二凹槽，所述第二凹槽从所述转子112的端部沿所述转子112的轴向延伸，其中，所述第二凹槽的开口朝向所述转子112的内圆周面的内部，即所述第二凹槽的开口朝向所述传动轴140。

此时，所述卡销结构150包括：锁销151，所述锁销151的至少部分位于所述第一凹槽，所述锁销151的至少部分位于所述第二凹槽。

本公开中，所述第一凹槽的横截面为半圆形，相应地，所述第二凹槽的横截面也为半圆形，所述锁销151的截面为圆形，并且所述锁销151的直径与所述第一凹槽和第二凹槽所形成的空间的直径相同，从而使得转子112与传动轴140之间具有较高的结构精度，而且刚性强，方便拆卸。

更优选地，所述卡销结构150还可以包括：轴向固定件152，所述轴向固定件152固定于所述转子和传动轴140中的一者，用于限定所述锁销151的轴向位置，防止锁销151从第一凹槽和第二凹槽所形成的空间内脱离。

本公开中，所述锁销151可以被设置多个，相应地，所述第一凹槽和第二凹槽也可以被设置为多个。

所述谐波减速器120包括波发生器121、柔轮122和刚轮123，所述驱动装置110连接于所述波发生器121以便将驱动力传递至谐波减速器120，例如，本公开中，所述驱动装置110通过传动轴140连接于所述谐波减速器120的波发生器121。

本公开中，通过所述谐波减速器120的柔轮122向外输出驱动力，例如，可以直接通过柔轮122向外输出驱动力，也可以通过安装于柔轮122的输出轴170向外输出驱动力。

所述谐波减速器120的刚轮123固定于所述壳体部130，更具体地，所述谐波减速器120的刚轮123通过铰制孔螺栓固定于所述动力端壳体131，当然，所述刚轮123也可以固定于所述输出端壳体132，只要使得所述刚轮123相对于壳体部130保持静止即可。

本公开中，所述壳体部130形成为所述机器人关节100的至少部分外表面，并且所述驱动装置110和谐波减速器120均设置于所述壳体部130的内部，例如，所述驱动装置110位于所述动力端壳体131的内部，所述谐波减速器120位于所述输出端壳体132的内部，或者说，所述谐波减速器120的部分位于所述输出端壳体132的内部，所述谐波减速器120的部分位于所述动力端壳体131的内部。

所述传动轴140的一端用于接收所述驱动装置110的驱动力，所述传动轴140的另一端连接于所述谐波减速器120的波发生器121，其中，所述传动轴140通过第一轴承160可转动地支撑在所述壳体部130，换句话说，第一轴承160均位于所述谐波减速器120和驱动装置110之间。

本公开中，所述第一轴承160的数量可以为1个，例如该第一轴承160可以为集成了两个背靠背角接触球轴承的轴承；相应地，所述第一轴承160的数量也可以为两个及以上，这些第一轴承160之间相邻设置，由此通过相邻设置的两个第一轴承，使得第一轴承160的占用空间较小。

本公开中，所述传动轴140直接固定于所述转子112，并且所述传动轴140仅通过第一轴承160支撑转动，并且所述第一轴承160位于所述驱动装置110和谐波减速器之间的位置。

由此，本公开的机器人关节通过将双列角接触球轴承置于驱动装置和谐波减速器之间，同时对驱动装置和谐波减速器进行支撑。双列角接触球轴承可以同时对径向，轴向以及抗弯载荷起到支撑作用。可以有效提高谐波减速器与传动轴的同轴度，进而提高关节的稳定性和合格率。

优选地，所述第一轴承160包括角接触轴承，例如角接触球轴承，所述角接触轴承背对背安装或者面对面安装。

当然，所述第一轴承160可以设置为多于两个，例如设置为3个等；这些第一轴承160位于所述传动轴140的两端部之间的位置，例如，设置于所述传动轴140大致中部的位置。

本公开中，所述壳体部130上形成有轴承座，所述第一轴承160的外圈设置于所述轴承座，例如，所述动力端壳体131上形成有所述轴承座，所述轴承座的一侧形成有限位部，以通过所述限位部限制所述第一轴承160中的靠近所述限位部的第一轴承的外圈的轴向位置，其中，所述限位部可以与所述动力端壳体131一体地形成。

另一方面，所述壳体部130还可以固定有轴承压板310，并通过所述轴承压板310限制接近所述轴承压板310的第一轴承160的外圈的轴向位置，由此实现第一轴承160的外圈的轴向位置限制。

而且，所述传动轴140的外周面上形成有轴肩，并通过所述轴肩限制接近所述轴肩的第一轴承160的内圈的轴向位置；并且，还通过所述定子限制接近所述定子的第一轴承160的内圈的轴向位置，由此实现第一轴承160的内圈的轴向位置的限制。

本公开中，所述的机器人关节100还可以包括：输出轴170，所述输出轴170可转动地设置于所述壳体部130，并且与所述谐波减速器120的柔轮122连接，以便通过所述输出轴170向外输出驱动力。

所述输出轴170通过交叉滚子轴承180可转动地支撑于所述壳体部130，例如所述输出轴170通过交叉滚子轴承180可转动地支撑于所述输出端壳体132。

所述交叉滚子轴承180的外圈通过外圈端盖190限制位置，此时，所述外圈端盖190通过螺栓连接于所述壳体部130，例如连接于输出端壳体132；所述交叉滚子轴承180的内圈通过内圈端盖200限制位置，此时，所述内圈端盖200通过螺栓连接于所述输出轴170。

所述输出轴170通过柔轮压板210安装于所述谐波减速器120的柔轮122。例如，所述输出轴170、柔轮122以及柔轮压板210通过铰制孔螺栓连接，并使得所述柔轮122位于所述输出轴170以及柔轮压板210之间，并通过铰制孔螺栓代替普通螺栓，极大的提高了机器人关节的输出扭矩密度。

通过铰制孔螺栓配合定制化的谐波减速器，能够实现高输出力矩的同时，减少了螺钉的使用量，降低了关节重量，极大的提高了关节的自重负载比。

所述柔轮压板210与所述传动轴140之间设置有密封结构220，优选地，所述密封结构220可以为O型密封圈，当然，也可以形成为迷宫式密封结构等，以此，可以在没有抱闸的情况下实现断电后的位置保持。

所述壳体部130与所述驱动装置110的位置相对应的一端设置有支撑轴230，其中，在所述支撑轴230的外部设置有外部轴承240，当输出轴170与待连接部件连接时，所述外部轴承240支撑于所述待连接部件；作为一种实现形式，所述支撑轴230形成为圆筒状，从径向位置看，所述驱动装置位于所述支撑轴230的内部。

更优选地，所述的机器人关节100还包括：轴承端盖250，所述轴承端盖250固定于所述支撑轴230，并使得所述外部轴承240位于所述轴承端盖250和壳体部130之间。

所述的机器人关节100还可以包括中空轴260，所述中空轴260的一端设置于所述输出轴170，所述中空轴260的另一端穿过所述传动轴140，并通过滑动轴承270支撑于编码器轴280。

相应地，所述编码器轴280固定于所述驱动装置110的转子，以便通过所述编码器轴280输出驱动装置110的位置，并使得所述中空轴260与传动轴140之间形成能够相对转动的结构。

驱动器单元290与驱动器盖300均固定于轴承端盖250上。输出轴170与外部轴承240用于与机架(待连接部件)连接。本公开中，所述驱动器单元290为伺服驱动单元，通过编码器轴280所反馈的驱动装置的位置对驱动装置进行控制。

整体上说，本公开的机器人关节具有以下有益效果：

1)通过第一轴承的设置，起到轴向与径向固定作用，减少波簧，垫圈等轴向调节结构，安装方便简洁，结构可靠性高。

2)机器人关节的输出力矩密度高，可达125Nm/kg；

3)机器人关节结构紧凑，总重只有1.12kg，轴向最大尺寸114mm，最大径向圆周尺寸86mm；

4)交叉滚子轴承与深沟球轴承的双轴承支撑，抗弯刚度极高。

5)铰制孔螺栓结构的应用，可以实现极大扭矩输出：140Nm。

6)传动轴采用O型圈密封，可以在断电状态下，不需要抱闸即可实现关节姿态保持。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种机器人关节，其特征在于，包括：

驱动装置，所述驱动装置用于提供驱动力；

谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器，所述驱动装置连接于所述波发生器以便将驱动力传递至谐波减速器；

壳体部，所述壳体部形成为所述机器人关节的至少部分外表面，并且所述驱动装置和谐波减速器均设置于所述壳体部的内部；以及

传动轴，所述传动轴的一端用于接收所述驱动装置的驱动力，所述传动轴的另一端连接于所述谐波减速器的波发生器，其中，所述传动轴通过第一轴承可转动地支撑在所述壳体部。

2.如权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述第一轴承包括角接触轴承，所述角接触轴承背对背安装或者面对面安装。

3.如权利要求1所述的机器人关节，其特征在于，所述驱动装置包括：

定子，所述定子设置于所述壳体部；以及

转子，所述转子设置于所述传动轴的一端，并使得所述传动轴的另一端与谐波减速器的波发生器连接。

4.如权利要求3所述的机器人关节，其特征在于，所述第一轴承位于所述传动轴的两端部之间的位置。

5.如权利要求3所述的机器人关节，其特征在于，所述转子通过卡销结构连接于所述传动轴的一端。

6.如权利要求5所述的机器人关节，其特征在于，所述传动轴的一端形成有第一凹槽，所述第一凹槽从所述传动轴的一端部沿所述传动轴的轴向延伸，其中，所述第一凹槽的开口朝向所述传动轴的外圆周面的外部。

7.如权利要求6所述的机器人关节，其特征在于，所述转子与所述传动轴的一端相对的端部形成有第二凹槽，所述第二凹槽从所述转子的端部沿所述转子的轴向延伸，其中，所述第二凹槽的开口朝向所述转子的内圆周面的内部。

8.如权利要求7所述的机器人关节，其特征在于，所述卡销结构包括：

锁销，所述锁销的至少部分位于所述第一凹槽，所述锁销的至少部分位于所述第二凹槽。

9.如权利要求8所述的机器人关节，其特征在于，所述卡销结构还包括：

轴向固定件，所述轴向固定件固定于所述转子和传动轴中的一者，用于限定所述锁销的轴向位置。

10.如权利要求1-9之一所述的机器人关节，其特征在于，通过所述谐波减速器的柔轮向外输出驱动力；

可选地，所述谐波减速器的刚轮固定于所述壳体部；

可选地，还包括：

输出轴，所述输出轴可转动地设置于所述壳体部，并且与所述谐波减速器的柔轮连接；

可选地，所述输出轴通过交叉滚子轴承可转动地支撑于所述壳体部；

可选地，所述输出轴通过柔轮压板安装于所述谐波减速器的柔轮；

可选地，所述柔轮压板与所述传动轴之间设置有密封结构；

可选地，所述壳体部与所述驱动装置的位置相对应的一端设置有支撑轴，其中，在所述支撑轴的外部设置有外部轴承，当输出轴与待连接部件连接时，所述外部轴承支撑于所述待连接部件；

可选地，还包括：

轴承端盖，所述轴承端盖固定于所述支撑轴，并使得所述外部轴承位于所述轴承端盖和壳体部之间；

可选地，还包括：

中空轴，所述中空轴的一端设置于所述输出轴，所述中空轴的另一端穿过所述传动轴，并通过滑动轴承支撑于编码器轴；

可选地，所述编码器轴固定于所述驱动装置的转子，以便通过所述编码器轴输出驱动装置的位置。

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