CN114851244B - 相邻关节的紧凑型传动结构及机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械关节传动技术领域，公开了一种相邻关节的紧凑型传动结构，动力源的固定端套设于空心轴的外侧；第一端盖套设在空心轴的外侧；内环通过滚子与外环滑动连接；口端的内侧通过柔性轴承与动力源的转动端连接，口端的外侧与内环啮合；底端压设于第一端盖和外环之间；动力源位于柔轮的内侧；柔轮位于外环和内环的内侧；空心轴靠近底端的一端套设有输出端码盘，空心轴靠近口端的一端套设有电机端码盘。本发明能够有效解决现有一体化关节整体长度较长的问题，实现机器人的小型化和轻量化，在小型化和轻量化的基础上获得更强劲的动力输出，从而得到更大的负载自重比。本发明还公开了一种具有上述传动结构的机械臂。

Description

相邻关节的紧凑型传动结构及机械臂

技术领域

本发明属于机械关节传动技术领域，尤其涉及一种相邻关节的紧凑型传动结构及机械臂。

背景技术

现有技术中，由于一体化关节中的各个部件通过同轴串联的方式组成，因此使得整个关节长度较长，从而导致组成的机械臂体型较大，不利于机器人的小型化和轻量化。而电机常设于谐波减速机和抱闸之间，在不增加关节总体尺寸的情况下，电机的尺寸被限制而无法获得更大的动力输出，从而导致机器人无法获得更大的负载自重比。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种相邻关节的紧凑型传动结构，能够有效解决现有一体化关节整体长度较长的问题，实现机器人的小型化和轻量化，在小型化和轻量化的基础上获得更强劲的动力输出，从而得到更大的负载自重比。本发明还公开了一种具有上述传动结构的机械臂。本发明的具体技术方案如下：

相邻关节的紧凑型传动结构，包括：

空心轴；

动力源，所述动力源的固定端套设于空心轴的外侧；

第一端盖，所述第一端盖套设在空心轴的外侧，并与空心轴转动连接；

外环；

内环，所述内环通过滚子与外环滑动连接；以及

柔轮，所述柔轮为帽型或U型结构，其一端为口端，另一端为底端；

其中，所述口端的内侧通过柔性轴承与动力源的转动端连接，所述口端的外侧与内环啮合；所述底端压设于第一端盖和外环之间；

所述动力源位于柔轮的内侧；所述柔轮位于外环和内环的内侧；

所述空心轴靠近底端的一端套设有输出端码盘，所述空心轴靠近口端的一端套设有电机端码盘；所述输出端码盘与空心轴固定连接，所述电机端码盘与空心轴转动连接。

所述柔轮为帽型或U型结构，其内置于外环、内环和滚子所成部件的中空区域，而电机和输出端码盘内置于柔轮的中空区域，电机端编码器内置于柔轮的轴向投影内；这样的排布方式使得整个关节尺寸小、重量轻，电机获得更大的尺寸空间以实现更强劲的动力输出；同时，由于两个码盘直接设置在空心轴的两端，并没有采用更多结构进行过渡连接而实现感应测量，因此，在关节机构具有更小尺寸的基础上，保证了关节的转角精度及姿态控制。

优选的，所述第一端盖具有垂直于其盖面且朝同一方向延伸的环盖；所述环盖的内侧和底端的外侧之间具有间隙；

所述环盖与外环螺纹连接。

所述柔轮和外环不需要固定连接，而是通过施加正压力产生旋转方向的静摩擦力来限制柔轮和外环之间的相对滑动，而通过预加一定的正压力使产生的静摩擦力小于柔轮的最大输出力，由此，当柔轮受到超过其能承载的力时，柔轮可产生与外环的相对滑动，从而保护柔轮在极端外力下不被损坏。

优选的，所述外环设有形变薄壁，所述形变薄壁设有至少一个应变片。

当外环受到外力时，所述形变薄壁所形成的形变敏感区域将产生变形，此时应变片变形；由于应变片的电阻发生变化，通过桥式电路使得电阻变化等效为输出电压的变化，从而通过测量输出电压的变化便可得到扭矩值的大小，即实现了高精度的外力矩反馈，保证了关节的驱动安全性。

优选的，还包括：

滑环组件；

其中，所述滑环组件的固定端与空心轴连接，滑动端与第一端盖连接。

所述滑环组件实现线缆连接的替代，即相对转动的两相邻关节通过滑环组件接通电源线和信号线，以避免连接线缆在相对转动的过程中发生扭转，而导致部件损坏或线缆接触点断开的情况。

优选的，所述滑环组件包括：

滑环定子，所述滑环定子与空心轴固定连接，用于电性连接该传动结构内的全部线缆；以及

第一滑环转子，所述第一滑环转子和第一端盖固定连接，所述第一滑环转子电性连接下一个传动结构；

其中，所述滑动定子和第一滑环转子之间通过第一电刷连接。

所述滑环定子能够集成该传动结构内的全部线缆，包括电源线和信号线；由此实现线缆替代；然后，通过第一滑环转子电性连接下一个传动结构，即可实现对下一个传动结构的电源输送和信号输送。

优选的，所述滑环组件还包括：

第二滑环转子，所述第二滑环转子和第一端盖固定连接；

其中，所述滑动定子和第二滑环转子之间通过第二电刷连接；

所述第一滑环转子和第二滑环转子通过线缆连接。

为了降低对滑环定子的工艺要求、简化设计，由此，所述第一滑环转子分流信号输送，所述第二滑环转子分流电源输送；同时，由于第一滑环转子和第二滑环转子通过线缆连接，且均固定于第一端盖，因此两个转子同步转动的情况下，连接两个转子的线缆不会产生绕线；在此基础上，避免第二滑环转子直接通过线缆连接下一个传动结构，而导致该线缆产生绕线。

优选的，还包括刹车组件；

所述刹车组件包括：

铁芯，所述铁芯固定设置于空心轴的外侧，所述铁芯设有沉槽，所述沉槽内设有电磁线圈；

动片，所述动片通过弹性件与铁芯连接；所述动片的内环处设有第一齿部；以及

第一支架，所述第一支架与动力源的转动端连接，并套设在空心轴外侧，且与空心轴转动连接，所述第一支架设有与第一齿部配合的第二齿部。

所述刹车组件作为关节结构的制动部分，避免了设置摩擦片，可有效减少整体厚度，同时不会出现因摩擦制动带来的掉粉问题和油脂防护问题。

优选的，所述动片设有导向孔；

所述刹车组件还包括：

导向销钉，所述导向销钉的一端与铁芯连接，另一端与导向孔滑动连接。

由于弹性件本身具有形变能力，因而单纯利用弹性件实现制动具有较大不确定性，因而利用导向销钉可以极大的增加动片对第一支架的制动效果，并在此基础上实现动片在导向销钉轴向的导向，确保第一齿部与第二齿部的啮合。

优选的，所述输出端码盘和第一支架固定连接。

由于第一支架可由动力源的转动端驱动，因而在驱动关节运动时，电机端码盘可跟随第一支架转动，从而实现更为直接的转动反馈，避免了利用中介部件保证输出端码盘和第一支架的同步运动，从而也更好的保证了关节结构具有较小体积与较小质量。

机械臂，包括：

若干关节，任意相邻的两个关节为第一关节和第二关节；以及

如上所述的传动结构；

其中，所述第一关节在其径向通过固定件与外环连接，所述第二关节在其径向通过另一固定件与内环连接。

由于上述固定件均径向设置，因而无需在机械臂的关节轴向位置布置螺纹孔，从而降低因连接而增加的部件重量；并且，在此基础上，关节的外壳可直接中空抽壳，进一步减少关节结构的重量。

和现有技术相比，本发明结构紧凑，能有效解决现有一体化关节过长的问题，实现机械臂的小型化、轻量化，并保证可靠的安全性，在此基础上，还可获得更强劲的动力输出从而实现高的负载自重比；本发明还能够很好的实现关节输入和输出的转角精度控制与姿态控制，并实现高精度的力矩反馈；本发明能够避免柔轮在受到外部超负荷力时遭受损坏，由此延长其使用寿命；此外，本发明还能够很好的保护线缆，避免关节结构作用时，造成部件损坏或线缆接触点断开。

附图说明

图1为本发明实施例中传动结构的示意图；

图2为图1的A处放大图；

图3为图1的B处发放大图；

图4为图1的C处放大图；

图5为本发明实施例中机械臂的局部示意图；

图6为图5的D处放大图；

图7为本发明实施例中其中一个关节的壳体示意图。

图中：1-空心轴；2-第一端盖；3-外环；4-内环；5-柔轮；51-口端；52-底端；6-滚子；7-柔性轴承；8-输出端码盘；9-电机端码盘；10-电机定子；11-电机转子；12-谐波凸轮；13-永久磁钢；14-深沟球轴承；15-环盖；16-形变薄壁；17-应变片；18-深槽；19-滑环定子；20-第一滑环转子；21-第一电刷；22-第二滑环转子；23-第二电刷；24-第一阶梯；25-第二阶梯；26-第三阶梯；27-第二支架；28-铁芯；29-动片；30-弹性件；31-第一支架；32-电磁线圈；33-第一齿部；34-第二齿部；35-第二端盖；36-导向销钉；37-第一关节；38-第二关节；39-遮挡环；40-加强筋；41-电路板；42-第一安装槽；43-第二安装槽。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1～图4所示，相邻关节的紧凑型传动结构，包括空心轴1、动力源、第一端盖2、外环3、内环4和柔轮5；所述动力源的固定端套设于空心轴1的外侧；所述第一端盖2套设在空心轴1的外侧，并与空心轴1转动连接；所述内环4通过滚子6与外环3滑动连接；所述柔轮5为帽型或U型结构，其一端为口端51，另一端为底端52；所述口端51的内侧通过柔性轴承7与动力源的转动端连接，所述口端51的外侧与内环4啮合；所述底端52压设于第一端盖2和外环3之间；所述动力源位于柔轮5的内侧；所述柔轮5位于外环3和内环4的内侧；所述空心轴1靠近底端52的一端套设有输出端码盘8，所述空心轴1靠近口端51的一端套设有电机端码盘9；所述输出端码盘8与空心轴1固定连接，所述电机端码盘9与空心轴1转动连接。

在本实施例中，所述动力源包括电机定子10、电机转子11和谐波凸轮12；所述电机定子10套设在空心轴1的外侧，所述电机转子11通过永久磁钢13套设在电机定子10的外侧；所述谐波凸轮12的一端与电机转子11固定连接，另一端通过深沟球轴承14与空心轴1转动连接。由此，所述电机转子11和谐波凸轮12能够实现与空心轴1之间的相对转动。而电机定子10和永久磁钢13的径向存在一定间隙，且电机定子10上有线圈绕组，因此，当给电机定子10的线圈绕组通电后，所述谐波凸轮12便会转动，作为关节结构的动力输入。

在此基础上，所述柔性轴承7的一端与谐波凸轮12连接，另一端与柔轮5的口端51连接，因此，电机定子10通电后，所述柔轮5形成谐波传动。

在该结构的基础上，所述电机定子10、电机转子11、谐波凸轮12、深沟球轴承14、柔性轴承7均位于柔轮5的内侧，因此上述部件合理利用柔轮5的结构，以实现了关节结构的小型化。

此外，所述柔轮5的口端51与内环4啮合、底端52压紧于第一端盖2和内环4之间，且内环4、外环3、滚子6的连接结构，相当于交叉滚子轴承，因而，可知的是，柔轮5位于该轴承的内侧中空部分，由此进一步减小了关节结构的体积。

为了更好的使用本实施例，所述第一端盖2具有垂直于其盖面且朝同一方向延伸的环盖15；所述环盖15的内侧和底端52的外侧之间具有间隙；所述环盖15与外环3螺纹连接。

所述第一端盖2设置于中心轴的其中一端，且靠近柔轮5的底端52，由于第一端盖2和空心轴1之间转动连接，因此，当环盖15和外环3具有螺纹连接的基础时，通过扭动第一端盖2，即可实现底端52的压紧程度调节，从而使柔轮5和外环3之间具有合适的压力。

此时，在内环4连接外部部件的情况下，当电机定子10通电后，通过柔轮5，将作用力施加在外环3上，此时，柔轮5、第一端盖2、外环3同步转动，从而实现关节结构的驱动。在上述过程中，若外环3受到超负荷力，则打破静摩擦力的平衡，从而使柔轮5相对于外环3产生转动，从而避免柔轮5受超负荷力影响而损坏。

在一些实施例中，在空心轴1的轴向方向上，所述第一端盖2和柔轮5之间设有碟簧，由此确保柔轮5的底端52能够被压紧于外环3。

为了更好的使用本实施例，所述外环3设有形变薄壁16，所述形变薄壁16设有至少一个应变片17。

所述外环3开设有深槽18，使其外侧形成形变薄壁16，因而当外环3受超负荷外力后，该处容易产生变形，由此通过应变片17实现外力测量。可以理解的是，本实施例具有驱控电路，以控制电机定子10是否得电，因而，应变片17因形变而产生电阻变化后，通过桥式电路使电阻变化等效为输出电压的变化，从而通过测量输出电压的变化便可得到扭矩值的大小，并将其反馈给驱控电路，从而实现高精度的外力矩反馈。

同时，可知的是，由于形变薄壁16的设置，使得应变片17的设置并未加宽关节结构的径向长度，因而也保证了关节结构具有小型化特点，而由于深槽18的开设，也相应降低了关节结构的整体重量。

需要说明的是，应变片17一般为多个，形成全桥设计，并且多个应变片17均匀分布在形变薄壁16上，以满足精确反馈电阻变化值。

为了更好的使用本实施例，还包括滑环组件；所述滑环组件的固定端与空心轴1连接，滑动端与第一端盖2连接。

具体的，所述滑环组件包括滑环定子19和第一滑环转子20；所述滑环定子19与空心轴1固定连接，用于电性连接该传动结构内的全部线缆；所述第一滑环转子20和第一端盖2固定连接，所述第一滑环转子20电性连接下一个传动结构；所述滑动定子和第一滑环转子20之间通过第一电刷21连接。

此外，所述滑环组件还包括第二滑环转子22；所述第二滑环转子22和第一端盖2固定连接；所述滑动定子和第二滑环转子22之间通过第二电刷23连接；所述第一滑环转子20和第二滑环转子22通过线缆连接。

当然，需要说明的是，本实施例为最佳实施例的一种示例，因而，在降低滑环组件的工艺要求、简化设计的基础上，同时设置第一滑环转子20和第二滑环转子22在制造角度来看，是最佳选择。因此，本实施例主要从同时设置第一滑环转子20和第二滑环转子22的基础上，进行具体阐述。

所述滑环组件设置于第一端盖2所在的空心轴1一端。所述第一端盖2为阶梯结构，在本实施例中，其具有三个阶梯，由图1所示，从空心轴1的下端至上端，依次为第一阶梯24、第二阶梯25、第三阶梯26。

其中，为了保证输出端码盘8对该端转动的检测，所述关节结构还包括第二支架27；所述第二支架27呈凸形结构，其内侧与空心轴1固定连接，其外侧位于第一阶梯24所形成凹槽的内部；由此，通过将滑环定子19和第二支架27固定连接，即可实现滑环定子19和空心轴1的固定连接，此时，避免了在轴向延长关节结构的长度。

同时，所述第二滑环转子22的外侧在第二阶梯25所形成的凹槽内，与第一端盖2固定连接，此时，所述第二滑环转子22的内圈由第二支架27穿过，因此，第二滑环转子22可实现与空心轴1的相对转动；在此基础上，所述第二滑环转子22位于滑环定子19靠近空心轴1的一侧，所述第一滑环转子20位于滑环定子19远离空心轴1的一侧。所述输出端码盘8的芯片可集成在第二滑环转子22上，以实现采集空心轴1该端的码盘的数据。

由于所述第一滑环转子20与第一端盖2固定连接，因此，在保证第一滑环转子20和第二滑环转子22同步转动的基础上，使第一滑环转子20直接通过固定件连接第二滑环转子22即可；此时，为了保证第一滑环转子20和第二滑环转子22可相对于滑环定子19转动，应当保证上述固定件位于滑环定子19的外侧。

当然，上述固定件的一端可以直接连接第一滑环转子20，另一端同时连接第二滑环转子22和第一端盖2。

可以理解的是，当电机定子10得电后，所述第一滑环转子20、第二滑环转子22、第一端盖2同步转动；所述空心轴1、第二支架27、滑环定子19、输出端码盘8保持静止，因而使输出端码盘8很好的检测反馈该端转动情况。

如果所述第一滑环转子20和第二滑环转子22之间具有不同步的转动，那么，所述第一滑环转子也可以通过第三电刷与第二滑环转子22连接。

需要说明的是，对于本实施例来说，所述关节结构内的必要线缆均通过空心轴1的中空部分进行走线，其来处可以是上一个关节结构，也可以是驱动终端处；所述驱动终端处为必要的支撑体所在位置，或控制系统，如计算机等所在位置。

为了更好的使用本实施例，还包括刹车组件；所述刹车组件包括铁芯28、动片29和第一支架31；所述铁芯28固定设置于空心轴1的外侧，所述铁芯28设有沉槽，所述沉槽内设有电磁线圈32；所述动片29通过弹性件30与铁芯28连接；所述动片29的内环4处设有第一齿部33；所述第一支架31与动力源的转动端连接，并套设在空心轴1外侧，且与空心轴1转动连接，所述第一支架31设有与第一齿部33配合的第二齿部34。

在本实施例中，所述空心轴1远离第一端盖2的一端设有第二端盖35；所述第二端盖35套设在空心轴1的外侧，并与空心轴1固定连接。此时，所述第二端盖35的外缘与内环4固定连接，由此作为关节结构的固定端。

为了进一步简化装配结构，避免增加关节结构的体积，所述第一支架31与谐波凸轮12固定连接，并通过深沟球轴承14与空心轴1转动连接。

所述第二端盖35为盖体结构，其具有用于放置刹车组件的放置空间；由此，所述铁芯28固定在放置空间内，从而实现动片29在放置空间内，具有确定位置。

可以理解的是，给电磁线圈32通电后，其产生的电磁力会吸引动片29，克服弹性件30的弹力而贴在铁芯28的端面上，此时，第一齿部33和第二齿部34在轴向错开一定距离，所述第一支架31可转动。断电时，电磁力消失，动片29被弹性件30顶回，使第一齿部33和第二齿部34啮合，由此，通过弹性件30即限制了第一支架31的转动，从而实现断电保护。

在本实施例中，所述第一齿部33和第二齿部34可以为端齿或直齿。若刹车组件处有黏性物质侵入，如油脂，可以给电机定子10通电，使第一支架31转动或来回摆动以避免第一齿部33和第二齿部34的粘接，从而实现刹车的解锁；由于刹车组件并未设置摩擦片，因而其所在之处无粉尘掉落，也不需要担心由于油脂影响摩擦片而无法实现制动。

为了更好的使用本实施例，所述动片29设有导向孔；所述刹车组件还包括导向销钉36；所述导向销钉36的一端与铁芯28连接，另一端与导向孔滑动连接。

在动片29运动的过程中，利用导向销钉36加强限制第一支架31转动，由此，所述导向销钉36的一端固定在铁芯28上，另一端穿过导向孔，与导向孔间隙配合，因此断电时，第一支架31的转动被销钉限制，实现断电保护。当然，所述导向销钉36远离铁芯28的一端可以位于导向孔内。

为了更好的使用本实施例，所述电机端码盘9和第一支架31固定连接。

在确保关节结构具有紧凑安装结构的基础上，令电机端码盘9和第一支架31直接连接，能够很好的避免设置中介部件而导致加大关节结构的重量。并且，此时电机端码盘9位于放置空间内，从而合理利用了第二端盖35的结构。

在上述实施例的基础上，如图5～图7所示，本实施例用于机械臂，当然，该机械臂可以是独立装置，也可以是机器人的组成构件。

具体的，机械臂，包括若干关节，以及如上所述的传动结构；任意相邻的两个关节为第一关节37和第二关节38；所述第一关节37在其径向通过固定件与外环3连接，所述第二关节38在其径向通过另一固定件与内环4连接。

相应的，为了使机械臂具有较好的外观，所述第一关节37具有第一安装槽42，所述第二关节38具有第二安装槽43，且第一安装槽42和第二安装槽43在第一关节37对接第二关节38后，位于同一平面内；此时，利用固定件分别连接第一关节37和外环3，以及第二关节38和内环4后，可以利用遮挡环39同时覆盖第一安装槽42和第二安装槽43。

上述固定件一般为沉头螺钉。在上述固定件径向装配的基础上，关节的壳体可以直接抽壳，进一步减少机械臂的重量，若刚性不足，可在关节的壳体上设置加强筋40，以确保刚性。

此时，利用关节抽壳后的空间，能够将驱控电路的电路板41直接连接于第二盖板。

上述机械臂一般为多轴机械臂，例如，两轴、三轴、……、七轴等。

由此，该实施例的机械臂具有体积小、重量轻、高负载自重比、安全性和可靠性高的优点，能够有效扩大机械臂的使用范围和领域，有效满足工业机器人、医疗器械、机床、伺服系统、家用机器人、服务机器人、电子设备等领域应用的需要，具有较高的应用价值和较好的应用前景。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.相邻关节的紧凑型传动结构，其特征在于，包括：

空心轴；

动力源，所述动力源的固定端套设于空心轴的外侧；

第一端盖，所述第一端盖套设在空心轴的外侧，并与空心轴转动连接；

外环；

内环，所述内环通过滚子与外环滑动连接；以及

柔轮，所述柔轮为帽型或U型结构，其一端为口端，另一端为底端；

其中，所述口端的内侧通过柔性轴承与动力源的转动端连接，所述口端的外侧与内环啮合；所述底端压设于第一端盖和外环之间；

所述动力源位于柔轮的内侧；所述柔轮位于外环和内环的内侧；

所述空心轴靠近底端的一端套设有输出端码盘，所述空心轴靠近口端的一端套设有电机端码盘；所述输出端码盘与空心轴固定连接，所述电机端码盘与空心轴转动连接；

所述第一端盖具有垂直于其盖面且朝同一方向延伸的环盖；所述环盖的内侧和底端的外侧之间具有间隙；

所述环盖与外环螺纹连接。

2.如权利要求1所述的传动结构，其特征在于，所述外环设有形变薄壁，所述形变薄壁设有至少一个应变片。

3.如权利要求1所述的传动结构，其特征在于，还包括：

滑环组件；

其中，所述滑环组件的固定端与空心轴连接，滑动端与第一端盖连接。

4.如权利要求3所述的传动结构，其特征在于，所述滑环组件包括：

滑环定子，所述滑环定子与空心轴固定连接，用于电性连接该传动结构内的全部线缆；

以及

第一滑环转子，所述第一滑环转子和第一端盖固定连接，所述第一滑环转子电性连接下一个传动结构；

其中，所述滑环定子和第一滑环转子之间通过第一电刷连接。

5.如权利要求4所述的传动结构，其特征在于，所述滑环组件还包括：

第二滑环转子，所述第二滑环转子和第一端盖固定连接；

其中，所述滑环定子和第二滑环转子之间通过第二电刷连接；

所述第一滑环转子和第二滑环转子通过线缆连接。

6.如权利要求1所述的传动结构，其特征在于，还包括刹车组件；

所述刹车组件包括：

铁芯，所述铁芯固定设置于空心轴的外侧，所述铁芯设有沉槽，所述沉槽内设有电磁线圈；

动片，所述动片通过弹性件与铁芯连接；所述动片的内环处设有第一齿部；以及

第一支架，所述第一支架与动力源的转动端连接，并套设在空心轴外侧，且与空心轴转动连接，所述第一支架设有与第一齿部配合的第二齿部。

7.如权利要求6所述的传动结构，其特征在于，所述动片设有导向孔；

所述刹车组件还包括：

导向销钉，所述导向销钉的一端与铁芯连接，另一端与导向孔滑动连接。

8.如权利要求6所述的传动结构，其特征在于，所述电机端码盘和第一支架固定连接。

9.机械臂，其特征在于，包括：

若干关节，任意相邻的两个关节为第一关节和第二关节；以及

如权利要要求1～8任一项所述的传动结构；

其中，所述第一关节在其径向通过固定件与外环连接，所述第二关节在其径向通过另一固定件与内环连接。