CN114750201B - 关节模组及关节机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种关节模组及关节机器人。关节模组包括驱动机构和制动机构，制动机构的刹车盘连接于驱动转子。制动盘间隔设置有第一凸台和第二凸台，第一凸台的伸出长度大于第二凸台的伸出长度。当制动件伸入的是第二凸台之间的间隙时，由于制动件与第二凸台侧面的接触面积较小，因此刹车盘仍会发生一定程度的转动，使得制动件从当前的间隙内滑出，并滑入下一个间隙，直至制动件抵接于第一凸台的侧面。由于制动件与长凸台侧面的接触面积较大，且经过了多个短凸台的缓冲作用，因此制动件会停止运动。通过多个短凸台消耗掉制动件一部分的冲击力，降低刹车盘承受过大的冲击力的可能，提升刹车盘的使用寿命。

Description

关节模组及关节机器人

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种关节模组及关节机器人。

背景技术

随着工业自动化技术的快速发展，机器人作为一种重要的工业自动化设备，越来越得到重视，并且应用越来越广泛。在机器人有关技术中，对机器人关节等运动部件的控制最为重要和关键。

现有的机器人关节模组中，通常是采用撞针式抱闸对输出轴进行制动。瞬间制动时，撞针对制动盘的冲击力太大，使得刹车盘瞬间受力过大，降低了刹车盘等部件的使用寿命和可靠性。

发明内容

基于此，有必要针对传统的关节模组存在刹车盘使用寿命较低的问题，提供一种解决上述问题的关节模组。

一种关节模组，包括：

关节外壳；

驱动机构，安装于所述关节外壳内；

制动机构，安装于所述关节外壳内，所述制动机构包括刹车盘和制动件；所述刹车盘连接于所述驱动机构的驱动转子，所述刹车盘包括沿自身周向间隔设置的至少一个第一凸台和多个第二凸台；各所述第一凸台和各所述第二凸台均朝向所述制动件伸出，所述第一凸台的伸出长度大于所述第二凸台的伸出长度；相邻的所述第一凸台之间、相邻的所述第二凸台之间、或相邻的所述第一凸台与所述第二凸台之间形成间隙；

所述制动件具有制动位置和解锁位置，所述制动件处于所述制动位置时，所述制动件插入所述间隙，以限制所述驱动转子的转动；所述制动件处于所述解锁位置时，所述制动件从所述间隙内脱离，以解除对所述驱动转子的转动限制；所述制动件被配置为可操作地沿自身轴向移动，以在所述制动位置和所述解锁位置之间切换。

在其中一个实施例中，所述第一凸台的数量少于所述第二凸台的数量。

在其中一个实施例中，相邻的两个所述第一凸台之间至少设置有一个所述第二凸台。

在其中一个实施例中，所述第一凸台的数量为多个，多个所述第一凸台沿所述刹车盘的周向均布设置。

在其中一个实施例中，沿所述刹车盘的周向，所述间隙的延伸长度大于所述制动件的外径。

在其中一个实施例中，所述制动机构包括电磁铁和第一弹性件；所述电磁铁得电时，驱动所述制动件和所述第一弹性件沿远离所述刹车盘的方向移动；所述电磁铁失电时，所述制动件在所述第一弹性件的弹性作用力下复位，以插入所述间隙。

在其中一个实施例中，所述制动机构包括第二弹性件和刹车片，所述第二弹性件压紧于所述刹车盘沿自身轴向的一侧，所述刹车片抵接于所述刹车盘沿自身轴向的另一侧。

在其中一个实施例中，所述第二弹性件的数量为多个，多个所述第二弹性件沿所述刹车盘的轴向分布，以压紧于所述刹车盘。

在其中一个实施例中，所述关节模组还包括减速机，所述减速机安装于所述关节外壳内，所述减速机的输入轴连接于所述驱动转子；

所述关节模组包括第一编码器组件，所述第一编码器组件连接于所述驱动转子，并随着所述驱动转子同步转动，以测量所述驱动转子的转动速度和转动位置；

所述关节模组还包括第二编码器组件，所述第二编码器组件连接于所述减速机的输出轴，并随着所述输出轴同步转动，以测量所述输出轴的转动速度和转动位置。

在其中一个实施例中，所述第一编码器组件包括第一读头安装座、第一磁环和读数头，所述第一读头安装座连接于所述驱动转子，所述第一磁环安装于所述第一读头安装座，所述第一磁环随所述驱动转子同步转动，所述读数头用于读取所述第一磁环的转动速度和转动位置；

所述第二编码器组件包括第二读头安装座和第二磁环，所述第二读头安装座连接于所述输出轴，所述第二磁环安装于所述第二读头安装座；所述第二磁环随所述输出轴同步转动，所述读数头用于读取所述第二磁环的转动速度和转动位置。

一种关节机器人，包括底座及如上所述的关节模组，所述关节模组连接于所述底座。

本技术方案具有以下有益效果：上述关节模组，包括关节外壳、驱动机构和制动机构，制动机构的刹车盘连接于驱动转子，且能够随着驱动转子同步转动。制动盘沿自身周向间隔设置有第一凸台和第二凸台，第一凸台的伸出长度大于第二凸台的伸出长度。也就是说，第一凸台为长凸台，第二凸台为短凸台。当制动件处于制动位置且伸入的是短凸台之间的间隙时，即制动件与短凸台的侧面抵接。由于制动件与短凸台侧面的接触面积较小，即短凸台的阻挡力较小，因此刹车盘仍会发生一定程度的转动，刹车盘转动的过程中，短凸台会产生一定程度的弹性形变，使得制动件从当前的间隙内滑出，并滑入下一个间隙，直至制动件抵接于长凸台的侧面。由于制动件与长凸台侧面的接触面积较大，且经过了多个短凸台的缓冲作用，因此制动件会停止运动，最终使得驱动转子和关节模组停止运动。通过多个短凸台消耗掉制动件一部分的冲击力，降低刹车盘承受过大的冲击力发生不可逆的变形的可能，提升刹车盘的使用寿命，进而提升关节模组的制动可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的关节模组的结构示意图；

图2为图1所示的关节模组的剖视图；

图3为图2所示的关节模组中的驱动机构的示意图；

图4为图2所示的关节模组中的制动机构的示意图；

图5为图3所示的驱动机构的剖视图；

图6为图5所示的A处的局部放大图。

附图标记：10-关节模组；100-制动机构；110-刹车盘；111-第一凸台；112-第二凸台；113-间隙；120-制动件；130-第二弹性件；140-刹车片；200-驱动机构；210-驱动转子；220-驱动壳体；300-关节外壳；400-减速机；410-输入轴；420-输出轴；510-第一编码器组件；511-第一读头安装座；512-第一磁环；520-第二编码器组件；521-第二读头安装座；522-第二磁环；530-读数头；540-轴承；550-过线管。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

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。在本发明的描述中，“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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”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。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“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。

如图1至图4所示，本发明一实施例提供了一种关节模组10，包括关节外壳300、驱动机构200和制动机构100。驱动机构200安装于关节外壳300内；制动机构100安装于关节外壳300内，制动机构100包括刹车盘110和制动件120。刹车盘110连接于驱动机构200的驱动转子210，刹车盘110包括沿自身周向间隔设置的至少一个第一凸台111和多个第二凸台112。各第一凸台111和各第二凸台112均朝向制动件120伸出，第一凸台111的伸出长度大于第二凸台112的伸出长度；相邻的第一凸台111之间、相邻的第二凸台112之间、或相邻的第一凸台111与第二凸台112之间形成间隙113。

其中，制动件120具有制动位置和解锁位置，制动件120处于制动位置时，制动件120插入间隙113，并抵接于第一凸台111或第二凸台112的侧壁，以限制驱动转子210的转动。制动件120处于解锁位置时，制动件120从间隙113内脱离，以解除对驱动转子210的转动限制；制动件120被配置为可操作地沿自身轴向移动，以在制动位置和解锁位置之间切换。

也就是说，第一凸台111为长凸台，第二凸台112为短凸台。当制动件120处于制动位置且伸入的是短凸台之间的间隙113时，即制动件120与短凸台的侧面抵接。由于制动件120与短凸台侧面的接触面积较小，即短凸台的阻挡力较小，因此刹车盘110仍会发生一定程度的转动。刹车盘110转动的过程中，短凸台会产生一定程度的弹性形变，使得制动件120从当前的间隙113内滑出，并滑入下一个间隙，直至制动件120抵接于长凸台的侧面。由于制动件120与长凸台侧面的接触面积较大，且经过了多个短凸台的缓冲作用，因此制动件120会停止运动，最终使得驱动转子210和关节模组10停止运动。通过多个短凸台消耗掉制动件120一部分的冲击力，降低刹车盘110承受过大的冲击力发生不可逆的变形的可能，提升刹车盘110的使用寿命，进而提升关节模组10的制动可靠性。

可选地，关节外壳的内部为中空状，关节外壳采用轻量化硬质铝合金材料，重量轻，负载比重比大。刹车盘与驱动转子连接的方式可根据实际情况进行布置，刹车盘可直接套设于驱动转子，也可通过其他结构间接连接于驱动转子，具体不做限制，只需满足刹车盘可随驱动转子同步转动即可。优选地，刹车盘位于驱动转子的后端上，从而便于驱动转子的前端与被驱动物体连接。驱动机构具体可以为电机，驱动转子对应为电机转子。

如图4所示，在一具体的实施例中，第一凸台111的数量少于第二凸台112的数量。当制动件120处于制动位置时，由于第一凸台111的数量少于第二凸台112的数量，制动件120大概率会先伸入相邻的第二凸台112即短凸台之间的间隙113内，并从当前的间隙113内滑出，并滑入下一个间隙，直至制动件120抵接于第一凸台111即长凸台的侧面使得制动件120、驱动转子210和关节模组10停止运动。降低刹车盘110承受过大的冲击力的可能，提升刹车盘110的使用寿命。

如图4所示，在又一具体的实施例中，相邻的两个第一凸台111之间至少设置有一个第二凸台112。通过此种设置，使得制动件120插入间隙113后，有较大的可能是与第二凸台112的侧壁抵接，从而易于从间隙113内滑出直至抵接于第一凸台111，通过第二凸台112消耗掉制动件120部分的冲击力，提升刹车盘110的使用寿命。

请参阅图4，在一实施例中，第一凸台111的数量为多个，多个第一凸台111沿刹车盘110的周向均布设置。例如，第一凸台的数量为三个，相邻的第一凸台之间的夹角为120度。如此，刹车盘处于制动位置后，至多转动120度就能使得制动件抵接于第一凸台的侧壁，使得关节模组停止运动，降低对刹车盘的损伤的同时，实现快速制动。

如图4所示，在又一实施例中，沿刹车盘110的周向，间隙113的延伸长度大于制动件120的外径。也就是说，当制动件120伸入间隙113后，制动件120在间隙113内具有一定的转动空间，不仅便于制动件120从间隙113内滑出，且能够降低制动件120与第一凸台111或第二凸台112直接接触时的摩擦力大小，减小制动件120插入间隙113的瞬间对刹车盘110造成的磨损，提升刹车盘110的使用寿命。

在一可选的实施例中，制动机构100包括电磁铁和第一弹性件，制动件连接于电磁铁和第一弹性件之间。关节模组10工作时，电磁铁通电产生磁力，驱动制动件120和第一弹性件沿远离刹车盘110的方向移动，使得第一弹性件发生弹性形变，且制动件120和刹车盘110脱离，解除制动件120对刹车盘110的阻挡，使驱动转子210处于可运行状态。

关节模组10需要制动时，电磁铁断电，第一弹性件依靠弹性力恢复弹性变形，并带动制动件120复位，使得制动件120伸入刹车盘110的间隙113，刹车盘110转动一定程度后被第二凸台112阻挡限位，从而限制刹车盘110的转动，以实现对驱动机构200和关节模组10的制动。

在一实施例中，驱动壳体靠近刹车盘的一端设置有供制动件插入的凹槽，制动件远离凹槽的一端设有止挡块，降低制动件完全坠入凹槽的可能。制动件可以为圆柱销，凹槽对应为圆柱状盲孔。止挡块优选呈圆柱状，且止挡块的外径大于制动件的外径。驱动壳体靠近刹车盘的一端设置有安装槽，用于容置第一弹性件。第一弹性件远离安装槽槽壁的一端与制动件相抵。如此，当电磁铁带动制动件朝向远离刹车盘的方向移动时，第一弹性件被压缩。第一弹性件可以为弹簧。

如图5和图6所示，在其中一个实施例中，制动机构100包括第二弹性件130和刹车片140，第二弹性件130压紧于刹车盘110沿自身轴向的一侧，刹车片140抵接于刹车盘110沿自身轴向的另一侧。

具体地，通过第二弹性件130的弹性形变给刹车盘110提供轴向压力，从而增大刹车盘110旋转时与刹车片140之间的摩擦力。第二弹性件130和刹车片140对刹车盘110的压紧力大小决定了刹车盘110能承受的极限转矩，也就是说，第二弹性件130和刹车片140对刹车盘110的压紧力越大，刹车盘110转动的角度越小。当作用于刹车盘110的冲击力通过第二凸台112缓冲后还是过大，可以通过调整第二弹性件130对刹车盘110的压紧力，调整刹车盘110继续转动的角度，降低冲击力对刹车盘110造成的磨损，提高其寿命。第二弹性件130可以为波簧垫圈，刹车片140为合金材质。

在又一实施例中，第二弹性件的数量为多个，多个第二弹性件沿刹车盘的轴向分布，以压紧于刹车盘。当第二弹性件的数量增加时，相应地，多个第二弹性件作用于刹车盘的轴向压力增大，从而精确控制刹车盘110的最大允许转矩，降低刹车盘110和驱动机构因承受过大的转矩而发生损坏。在其他实施方式中，也可以通过更换不同刚度的第二弹性件130，以改变刹车盘110受到的轴向压力。

如图5所示，在其中一个实施例中，关节模组10包括减速机400，减速机400安装于关节外壳300内，减速机400的输入轴410连接于驱动转子210。

具体地，减速机400用于将驱动转子210调整至预设转速后再输出做功。减速机400包括输入轴410和输出轴420，输入轴410与驱动转子210固定配合，并与输出轴420差速配合，从而可使输出轴420的转轴被控制在预设值，以满足输出要求。优选地，驱动转子210为空心轴，输入轴410插接于驱动转子210，以随驱动转子210同步转动。驱动转子210、输入轴410、输出轴420均为空心轴，方便内部走线，布线美观简洁；且能有效减小关节模组10的重量与外形尺寸。由于刹车盘110上设置有多个第二凸台，因此在制动过程中，第二凸台112能够消耗掉制动件120一部分的冲击力，降低刹车盘110以及减速机400承受过大的冲击力的可能，提升刹车盘110以及减速机400的使用寿命。

如图6所示，在一实施例中，关节模组10包括第一编码器组件510，第一编码器组件510连接于驱动转子210，并随着驱动转子210同步转动，以测量驱动转子210的转动速度和转动位置。关节模组10还包括第二编码器组件520，第二编码器组件520连接于减速机400的输出轴420，并随着输出轴420同步转动，以测量输出轴420的转动速度和转动位置。

通过第一编码器组件510测量驱动转子210即输入侧的转速，通过第二编码器组件520测量输出轴420即输出侧的转动速度和转动角度，结合控制器补偿关节模组10的输入侧和输出侧的误差，从而补偿驱动机构的运动精度，增加关节运动精度，提高关节模组的使用可靠性。例如，当输出侧的实际转动角度低于目标转动角度，则通过控制器增大输入侧的转动角度，从而缩小实际的输出值与目标值的偏差。

如图6所示，在一具体的实施例中，第一编码器组件510包括第一读头安装座511、第一磁环512和读数头530，第一读头安装座511连接于驱动转子210，第一磁环512安装于第一读头安装座511，第一磁环512随驱动转子210同步转动，读数头530用于读取第一磁环512的转动速度和转动位置。第一磁环512随着刹车盘110与驱动转子210一起转动，并将转速信号转发为电信号，以反馈至控制器，进而获取到输入侧的运动数据。

第二编码器组件520包括第二读头安装座521和第二磁环522，第二读头安装座521连接于输出轴420，第二磁环522安装于第二读头安装座521；第二磁环522随输出轴420同步转动，读数头530用于读取第二磁环522的转动速度和转动位置。具体地，输出轴420连接过线管550，过线管550远离输出轴420的一端连接第二读头安装座521，使得安装于第二读头安装座521的第二磁环522随输出轴420同步转动。通过两组编码器组件有效降低关节模组的运动误差，提高关节模组的位置控制精度。

如图2所示，在一实施例中，驱动壳体220和关节外壳300沿其轴向的接触面积增加，具体地，通过控制驱动壳体220和关节外壳300之间的公差，使得二者之间的间隙为零，使得驱动壳体220内的热量能够通过关节外壳300进行传导，通过关节外壳300与外界空气的热交换，以将驱动机构200内的热量散发出去，从而对驱动机构200散热。另外，由于驱动壳体220和关节外壳之间的接触面积较大，因此，驱动机构200的应力能够更均匀地传递到关节外壳300上，提高关节模组10的刚度。在其他实施方式中，也可以在驱动壳体和关节壳体之间填充散热剂例如散热硅脂等，以减小驱动壳体和关节壳体之间的间隙，增大二者之间的接触面积。

进一步地，本发明还提供一种关节机器人(图未示)，包括底座及上述的关节模组，关节模组连接于底座。该关节机器人由于具有上述的关节模组，因此在制动过程中，能够通过多个短凸台消耗掉制动件一部分的冲击力，降低刹车盘承受过大的冲击力发生不可逆的变形的可能，提升刹车盘的使用寿命，进而提升关节模组和关节机器人的制动可靠性。

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 (10)

1.一种关节模组，其特征在于，包括：

关节外壳；

驱动机构，安装于所述关节外壳内；

制动机构，安装于所述关节外壳内，所述制动机构包括刹车盘和制动件；所述刹车盘连接于所述驱动机构的驱动转子，所述刹车盘包括沿自身周向间隔设置的至少一个第一凸台和多个第二凸台；各所述第一凸台和各所述第二凸台均朝向所述制动件伸出，所述第一凸台的伸出长度大于所述第二凸台的伸出长度；相邻的所述第一凸台之间、相邻的所述第二凸台之间、以及相邻的所述第一凸台与所述第二凸台之间形成间隙；

所述制动件具有制动位置和解锁位置，所述制动件处于所述制动位置时，所述制动件插入所述间隙，以限制所述驱动转子的转动；所述制动件处于所述解锁位置时，所述制动件从所述间隙内脱离，以解除对所述驱动转子的转动限制；所述制动件被配置为可操作地沿自身轴向移动，以在所述制动位置和所述解锁位置之间切换。

2.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述第一凸台的数量少于所述第二凸台的数量。

3.根据权利要求2所述的关节模组，其特征在于，相邻的两个所述第一凸台之间至少设置有一个所述第二凸台。

4.根据权利要求3所述的关节模组，其特征在于，所述第一凸台的数量为多个，多个所述第一凸台沿所述刹车盘的周向均布设置。

5.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，沿所述刹车盘的周向，所述间隙的延伸长度大于所述制动件的外径。

6.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述制动机构包括电磁铁和第一弹性件；所述电磁铁得电时，驱动所述制动件和所述第一弹性件沿远离所述刹车盘的方向移动；所述电磁铁失电时，所述制动件在所述第一弹性件的弹性作用力下复位，以插入所述间隙。

7.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述制动机构包括第二弹性件和刹车片，所述第二弹性件压紧于所述刹车盘沿自身轴向的一侧，所述刹车片抵接于所述刹车盘沿自身轴向的另一侧。

8.根据权利要求7所述的关节模组，其特征在于，所述第二弹性件的数量为多个，多个所述第二弹性件沿所述刹车盘的轴向分布，以压紧于所述刹车盘。

9.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括减速机，所述减速机安装于所述关节外壳内，所述减速机的输入轴连接于所述驱动转子；

所述关节模组包括第一编码器组件，所述第一编码器组件连接于所述驱动转子，并随着所述驱动转子同步转动，以测量所述驱动转子的转动速度和转动位置；

所述关节模组还包括第二编码器组件，所述第二编码器组件连接于所述减速机的输出轴，并随着所述输出轴同步转动，以测量所述输出轴的转动速度和转动位置。

10.一种关节机器人，其特征在于，包括底座及权利要求1-9任一项所述的关节模组，所述关节模组连接于所述底座。

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