CN114789761A - 一种电驱动关节及三自由度仿生机器人关节集成模组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电驱动关节及三自由度仿生机器人关节集成模组，电驱动关节，包括外壳总成、电机总成、一级减速器总成、二级减速器总成、编码器总成和轴承组；模组包括膝关节单元、前摆单元、侧展单元及腿部单元；电驱动关节采用轴向磁通电机；膝关节单元与前摆关节单元同向布置，侧展关节单元输出轴线与前摆关节轴线正交布置，本发明利用高度集成化的电机形成多自由度拓扑，结构简单紧凑、高集成度、轴向尺寸小、各关节负载端质心位置距离较近，等效转动惯量小，具备高频响应性能、高机动、低惯量、空间复用、高集成度、高可靠、耐冲击的三自由度机器人关节，可直接应用于双足、四足、六足等腿足式机器人。

Description

一种电驱动关节及三自由度仿生机器人关节集成模组
技术领域
本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种电驱动关节及三自由度仿生机器人关节集成模组，尤其是涉及一种被动热循环双绕组轴向磁通电驱动关节及由其组成的三自由度仿生机器人关节集成模组。
背景技术
腿足式机器人由于其优越的地形适应能力潜力，被认为是弥补传统轮履式机器人在非结构地形下的通过性差问题的最佳路径，近年来随着控制技术的发展，腿足式机器人的研究取得重大突破，然而由于关节扭矩密度与功率密度较低，导致电驱动四足四足机器人普遍存在载重比较低等问题，另外腿足式机器人周期性往复运动和摆动支撑交替作用导致效率较低，大部分输入能量转化为热量累积在电机绕组上，关节温度的升高导致电机输出特性产生非线性变化，给稳定控制带来很大难度，同时温度到达一定数值将会导致电机退磁失效，因此如何提高关节模组扭矩与功率密度以及机器人关节散热问题逐渐成为限制机器人长时间运动的关键因素。当前解决散热问题的方式常常是增加风冷或者水冷等主动散热措施，但该主动散热系统导致系统复杂，同时增加了系统重量，难以通过电磁兼容等环境适应性测试。
高性能移动机器人尤其是以双足、四足等仿生机器人能力需求的日益增加使得工业界对机器人关节模组的扭矩密度、功率密度、动态响应性能、质量体积等综合性能均提出了更高要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：(1)扭矩密度/功率密度低的问题：机器人电驱动关节扭矩及功率密度关系到整机机动及载重能力，传统电驱动关节模组通常采用内转子或外转子电机配合大减速比谐波减速器实现较大的扭矩输出，然而通常整个系统重量较重，扭矩密度较低，且谐波减速器的存在机器人采用力控是必须增加扭矩传感器进行输出扭矩测量，系统成本和复杂程度均有所增加。(2)散热问题：传统仿生机器人由于关节动支撑交替作用运动特性，导致效率较低，热量局部累积导致电机电机失效，主动散热系统复杂，增加执行结构负载重量，难以通过电磁兼容等环境适应性测试。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种电驱动关节，其特征在于：包括外壳总成1、电机总成2、一级减速器总成3、二级减速器总成4和编码器总成5；外壳总成1内依次设置有电机总成2、一级减速器总成3和二级减速器总成4；一级减速器总成内嵌于电机总成内部，电机总成输出转动经一级减速器总成3和二级减速器总成4输出至输出端；编码器总成5安装于关节尾端部，用于检测与反馈电机位置速度信息。
一种三自由度仿生机器人关节集成模组，其特征在于：包括前摆单元B、膝关节单元A、侧展单元C；前摆单元B，膝关节单元A，侧展单元C的结构采用电驱动关节的结构；膝关节单元A与前摆关节单元B同向布置，侧展关节单元C输出轴线与前摆关节轴线正交布置，膝关节单元A尾部与前摆关节输出端固定连接，侧展关节与前摆关节外壳固定连接。
有益效果：
(1)双定子绕组设计，电机扭矩密度和功率密度显著提高，有利于整机重量控制以及机动性能提高。
(2)二级行星减速器配置，既增加了关节输出扭矩密度，同时保证关节模组具有较大刚度，无需增加扭矩传感器，通过电流-扭矩标定即可实现较高力控精度。
(3)电驱动关节无需增加额外的主动散热系统，由固定在转子轴上的扇形翅片形成热循环，结构简单、空间紧凑。
(4)三自由度仿生机器人关节集成模组各关节执行器负载等效转动惯量较小，可满足机器人高动态机动要求。
(5)可靠性高、模块化程度好，便于拆卸和维修，可广泛应用于双足、四足、六足、轮足等仿生机器人序列中。
本发明利用高度集成化的电机形成多自由度拓扑，结构简单紧凑、高集成度、轴向尺寸小、各关节负载端质心位置距离较近，等效转动惯量小，具备高频响应性能、高机动、低惯量、空间复用、高集成度、高可靠、耐冲击的三自由度机器人关节，可直接应用于双足、四足、六足等腿足式机器人。
附图说明
图1为被动热循环的轴向磁通电驱动关节总装剖面图。
图2为被动热循环的轴向磁通电驱动关节总装爆炸图。
图3为三自由度仿生机器人关节集成模组总装配示意图。
图4为集成三自由度关节集成模组仿生机器人单腿立体结构图。
图中标记说明：
1-外壳总成，1.1-电机外壳，1.2-定子固定法兰,1.3-尾部端盖,1.4-二级减速器外壳,1.5-关节安装法兰，2-电机总成，2.1-电机定子后绕组,2.2-电机转子,2.3-电机定子前绕组,2.4-电机输出轴，3-一级减速器总成，3.1-一级内齿圈,3.2-一级行星轮,3.3-一级行星架前法兰,3.4-一级太阳轮,3.5-一级行星架后法兰,3.6-一级减速器输出轴，4-二级减速器总成，4.1-二级内齿圈,4.2-二级行星轮,4.3-二级行星架前法兰,4.4-二级行星架后法兰,4.5-二级太阳轮，5-编码器总成，5.1-编码器,5.2-编码器磁极，6＝轴承组，6.1-电机输出轴后轴承,6.2-电机输出轴前轴承,6.3-一级减速器后轴承,6.4-二级减速器后轴承,6.5-一级减速器前轴承,6.6-二级减速器前轴承,6.7-关节模组输出轴承，前摆单元B、膝关节单元A、侧展单元C及腿部单元D。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提出的一种电驱动关节，包括外壳总成1、电机总成2、一级减速器总成3、二级减速器总成4、编码器总成5和轴承组6；
外壳总成1包括电机外壳1.1、定子固定法兰1.2、尾部端盖1.3、二级减速器外壳1.4、关节安装法兰1.5；
电机总成2包括电机定子后绕组2.1、电机转子2.2、电机定子前绕组2.3、电机输出轴2.4；
一级减速器总成3包括一级内齿圈3.1、一级行星轮3.2、一级行星架前法兰3.3、一级太阳轮3.4、一级行星架后法兰3.5、一级减速器输出轴3.6；
二级减速器总成4包括二级内齿圈4.1、二级行星轮4.2、二级行星架前法兰4.3、二级行星架后法兰4.4、二级太阳轮4.5；
编码器总成5包括编码器5.1、编码器磁极5.2；编码器总成安装于关节尾端部，用于检测与反馈电机位置速度等信息，电机采用轴向磁通电机，电机转子周向设计有散热叶片用于形成电机内部的散热循环。减速器为两级行星减速器，为降低整机轴向尺寸，一级减速器内嵌于轴向磁通电机内部，电机总成输出转动经两级减速器输出至输出端。采用轴向磁通电机可有效利用该电机结构在转轴中心出形成的结构空隙，可将一级减速器、散热叶片做集成设计。
轴承组6包括电机输出轴后轴承6.1、电机输出轴前轴承6.2、一级减速器后轴承6.3、二级减速器后轴承6.4、一级减速器前轴承6.5、二级减速器前轴承6.6、关节模组输出轴承6.7；
其中电机外壳1.1、定子固定法兰1.2、尾部端盖1.3与电机定子后绕组2.1、电机转子2.2、电机定子前绕组2.3共同组成轴向磁通电机本体，轴向磁通电机定子前绕组2.1与定子后绕组2.3分别固定在定子固定法兰1.2与尾部端盖1.3上，绕组与固定法兰、尾部端盖间设置有导热涂层，便于定子绕组的传导散热，将热量传导至电机外壳1.1上，从而实现传导散热和辐射散热。双定子绕组设计关节模组提升扭矩输出和功率，满足机器人对高扭矩密度和功率密度的需求。
优选的，电机转子2.2布置在电机定子前绕组2.3和电机定子后绕组2.1形成的间隙内，绕组通过伺服驱动器产生轴向磁场，电机转子2.2上布置有扇形永磁磁极，从而实现扭矩产生。电机转子2.2与电机输出轴2.4固联，转子2.4上设置有扇形翅片可以转子旋转时形成内部热循环进行散热。
优选的，电机输出轴2.4两端有一对轴承6.1,6.3形成支撑就结构保证转子转动精度，输出轴2.4尾端与磁编码器磁体5.2采用胶结等方式固联，编码器采集板5.1固定于尾部端盖1.3上，实现电机位置、转速等信息的采集与上传。电机输出轴2.4输出端与一级太阳轮3.4固联，由一级行星架后法兰3.5输出，一级减速器输出轴3.6与二级太阳轮4.5固联，二级减速器行星架后法兰4.4输出作为整个关节输出。
优选的，为进一步减少关节模组的轴向尺寸，便于整机集成同时降低负载的等效转动惯量，提升机器人控制机动性能，将一级减速器总成3部分内嵌于电机总成2内。
所述三自由度仿生机器人关节集成模组包括前摆单元B、膝关节单元A、侧展单元C及腿部单元D；前摆单元B，膝关节单元A，侧展单元C的结构采用电驱动关节结构；膝关节单元A与前摆关节单元B同向布置，侧展关节单元C输出轴线与前摆关节轴线正交布置，膝关节单元A尾部与前摆关节输出端固定连接，侧展关节与前摆关节外壳固定连接。
膝关节单元直接驱动腿部单元可实现机器人上下方向动作；同时膝关节单元可随前摆单元输出轴旋转，实现机器人前后方向动作；前摆单元与侧展单元呈法向安装，使机器人可以实现左右方向动作。
优选的，所述腿部单元D由大腿D1、膝部连杆D2和小腿D3组成，其中膝部连杆D2与小腿D3相连，大腿D1装配在膝关节单元A上；连杆、曲柄、大腿、小腿形成四连杆结构，由与膝关节输出轴固联的曲柄驱动。
所述膝关节单元A由第一驱动器A1、第一电机A2和第一减速箱A3组成，其中膝部连杆D2与第一减速箱A3相连，第一驱动器A1用于驱动第一电机A2运行实现正反转，第一电机A2通过第一减速箱B3将速度降低扭矩放大，第一减速箱A3通过膝部连杆D2将力传递至小腿D3，最终实现腿部单元D上下屈伸方向动作；
所述前摆单元B由第二驱动器B1、第二电机B2和第二减速箱B3组成，其中膝关节单元A与第二减速箱B3相连可随前摆单元B同轴旋转，第二驱动器B1用于驱动第二电机B2运行实现正反转，第二电机B2通过第二减速箱B3将速度降低扭矩放大，第二减速箱B3通过膝关节单元A将力传递至大腿D1，最终实现腿部单元D前后方向动作；
所述侧展单元C由第三驱动器C1、第三电机C2和第三减速箱C3组成，其中前摆单元B与第三电机C2呈法向安装可令前摆单元B及膝关节单元A实现垂直于法线的旋转，第三驱动器C1用于驱动第三电机C2运行实现正反转，第三电机C2通过第三减速箱C3将速度降低扭矩放大，第三减速箱C3通过膝关节单元A将力传递至腿部单元D，最终实现腿部单元D左右侧展方向动作。
所述第一电机A2、第二电机B2及第三电机C2为轴向磁通电机，磁场方向与电机轴线平行，定子采用双定子结构，分别固联于电机壳体上，同时可将电机定子绕组产生的热量经壳体传导至电机外壳表面实现散热，电机转子经上周向布置有扇形翅片，在电机转动时翅片可以将电机内部形成气流循环，避免局部热量集中导致损坏失效，内部热循环实现绕组、减速器等部件局部热源散热。轴向磁场电机具备体积小、重量轻、效率的高的特点，特别适应于足式机器人应用场景。
所述第一减速箱A3、第二减速箱B3及第三减速箱C3为双级行星减速箱，一级减速器总成内嵌于电机内部，二级减速器输出轴作为关机模组输出端从而减少电机的径向尺寸、轴向尺寸和整体质量。行星减速箱做到体积小重量轻的同时可以更好的适应足式机器人腿部频繁的扭矩冲击。
本发明采用双定子绕组设计，电机扭矩密度和功率密度显著提高，有利于整机重量控制以及机动性能提高。电驱动关节采用二级行星减速器配置，既增加了关节输出扭矩密度，同时保证关节模组具有较大刚度，无需增加扭矩传感器，通过电流-扭矩标定即可实现较高力控精度。可实现被动热循环的扇形翅片设计使得电驱动关节无需增加额外的主动散热系统，由固定在转子轴上的扇形翅片形成热循环，结构简单、空间紧凑。该发明可靠性高、模块化程度好，便于拆卸和维修，可广泛应用于双足、四足、六足、轮足等仿生机器人序列中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电驱动关节，其特征在于：包括外壳总成1、电机总成2、一级减速器总成3、二级减速器总成4和编码器总成5；外壳总成1内依次设置有电机总成2、一级减速器总成3和二级减速器总成4；一级减速器总成内嵌于电机总成内部，电机总成输出转动经一级减速器总成3和二级减速器总成4输出至输出端；编码器总成5安装于关节尾端部，用于检测与反馈电机位置速度信息。
2.根据权利要求1所述的一种电驱动关节，其特征在于：外壳总成1包括依次连接的尾部端盖1.3、电机外壳1.1、定子固定法兰1.2、二级减速器外壳1.4、关节安装法兰1.5。
3.根据权利要求1所述的一种电驱动关节，其特征在于：电机总成采用轴向磁通电机。
4.根据权利要求1所述的一种电驱动关节，其特征在于：电机总成2包括电机定子后绕组2.1、电机转子2.2、电机定子前绕组2.3、电机输出轴2.4；电机转子2.2布置在电机定子前绕组2.3和电机定子后绕组2.1形成的间隙内，绕组通过伺服驱动器产生轴向磁场，电机转子2.2上布置有扇形永磁磁极，电机转子2.2与电机输出轴2.4固联；电机转子周向设计有散热叶片。
5.根据权利要求4所述的一种电驱动关节，其特征在于：电机输出轴2.4两端有一对轴承形成支撑，编码器总成5包括编码器5.1、编码器磁极5.2，电机输出轴2.4尾端与磁编码器磁体5.2固联，编码器采集板5.1固定于外壳总成上。
6.根据权利要求4所述的一种电驱动关节，其特征在于：一级减速器总成3包括一级行星架前法兰3.3、一级太阳轮3.4、一级行星架后法兰3.5、一级减速器输出轴3.6；二级减速器总成4包括二级行星架后法兰4.4、二级太阳轮4.5、二级减速器输出轴4.6；电机输出轴2.4输出端与一级太阳轮3.4固联，由一级行星架后法兰3.5输出，一级减速器输出轴3.6与二级太阳轮4.5固联，二级减速器行星架后法兰4.4输出作为整个关节输出。
7.根据权利要求3所述的一种电驱动关节，其特征在于：轴向磁通电机的磁场方向与电机轴线平行，定子采用双定子结构。
8.一种三自由度仿生机器人关节集成模组，其特征在于：包括前摆单元B、膝关节单元A、侧展单元C；前摆单元B，膝关节单元A，侧展单元C的结构采用如权利要求1-7任一项所述电驱动关节的结构；膝关节单元A与前摆关节单元B同向布置，侧展关节单元C输出轴线与前摆关节轴线正交布置，膝关节单元A尾部与前摆关节输出端固定连接，侧展关节与前摆关节外壳固定连接。
9.根据权利要求8所述的一种三自由度仿生机器人关节集成模组，其特征在于：还包括腿部单元D，所述腿部单元D主要由大腿D1、膝部连杆D2和小腿D3组成，其中膝部连杆D2与小腿D3相连，大腿D1端部与膝关节单元A的外壳固定连接；小腿一端与大腿转动连接，小腿通过连杆曲柄机构与膝关节单元的输出轴连接。
10.根据权利要求9所述的一种三自由度仿生机器人关节集成模组，其特征在于：曲柄一端与膝关节单元的输出轴固定连接，另一端通过膝部连杆与小腿连接。
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Inventor after: Liang Zhenjie

Inventor after: Qiu Tianqi

Inventor after: Su Bo

Inventor after: Lei Yongshun

Inventor after: Jiang Lei

Inventor after: Liu Yufei

Inventor after: Wang Zhirui

Inventor after: Xing Boyang

Inventor after: Dang Ruina

Inventor after: Xu Wei

Inventor after: Zhao Jianxin

Inventor after: Yan Tong

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