CN115816508B - 一种关节模组及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种关节模组及机器人。关节模组包括电机、光栅编码器和光栅密封端盖，电机包括电机壳、定子、电机轴、转子和支撑环，电机壳具有相连通的第一腔和第二腔，定子过盈安装于第一腔内。支撑环设置于定子的上方且位于第一腔内，电机轴环绕其周向贴装有转子，电机的两端分别通过轴承安装于第一腔和支撑环的内孔。光栅编码器包括光源芯片和码盘，支撑环上设置有光源芯片，码盘套装于电机轴上并位于支撑环的上方，码盘能够随电机轴同步转动。光栅密封端盖开设有中心孔，电机轴的一端穿出中心孔，光栅密封端盖设置于支撑环上并罩设于码盘上。机器人包括关节模组，能有效降低关节模组的振动和异响，并保护光栅编码器。

Description

一种关节模组及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种关节模组及机器人。

背景技术

随着协作机器人的广泛应用，需要对协作机器人的关节模组进行优化设计，以保证协作机器人的高效运行。

目前，关节模组主要由减速器、无框力矩电机及编码器等组成。现有的关节模组普遍存在如下问题：1）关节模组的光栅编码器在关节外壳内无遮挡，一旦有杂质等异物掉落在光栅编码器的光源或者码道上均会导致其被污染，从而引发协作机器人故障报警。2）关节模组的转子粘接在电机轴上，定子安装于关节外壳上，且电机轴多采用单边轴承支撑方式，使得电机轴形成悬臂梁结构。在协作机器人的运行过程中，电机轴的跳动幅度不断增加，难以保证转子与定子的间隙的均匀性，即定子与转子同心度较差，导致关节模组的振动和异响较大等问题。

因此，亟需一种关节模组及机器人来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关节模组及机器人，以提高定子与转子的同心度，有效降低关节模组的振动和异响，同时避免光栅编码器受到污染，提高光栅编码器的安全性。

为达此目的，本发明所采用的技术方案是：

一种关节模组，包括：

电机，所述电机包括电机壳、定子、电机轴、转子和支撑环，所述电机壳具有相连通的第一腔和第二腔，所述定子过盈安装于所述第一腔内；所述支撑环设置于所述定子的上方且位于所述第一腔内，所述电机轴环绕其周向贴装有所述转子，所述电机的两端分别通过轴承安装于所述第一腔和所述支撑环的内孔；

光栅编码器，所述光栅编码器包括光源芯片和码盘，所述支撑环上设置有所述光源芯片，所述码盘套装于所述电机轴上并位于所述支撑环的上方，所述码盘能够随所述电机轴同步转动；以及

光栅密封端盖，所述光栅密封端盖开设有中心孔，所述电机轴的一端穿出所述中心孔，所述光栅密封端盖设置于所述支撑环上并罩设于所述码盘上。

作为优选方案，所述光栅编码器还包括码盘法兰筒，所述码盘法兰筒包括：

第二筒体，固定套设于所述电机轴上，且所述第二筒体通过所述轴承转动地设置于所述支撑环的内孔；以及

第二凸台，所述第二筒体的顶端沿其周向设置有所述第二凸台；所述码盘位于所述第二筒体的顶端并套设于所述第二凸台的外圈。

作为优选方案，所述光栅编码器还包括：

压环，套设于所述第二凸台的外圈并叠置于所述码盘的上方；以及

紧固件，被配置为将所述压环与所述码盘固定于所述第二筒体上。

作为优选方案，所述光栅密封端盖的底端与所述支撑环固定连接，所述光栅密封端盖的顶面内凹形成有凹槽且所述凹槽的底壁开设有所述中心孔。

作为优选方案，所述关节模组还包括关节外壳，所述关节外壳内具有相连通的第三腔和第四腔；

所述电机壳包括第一筒体和第一凸台，所述第一筒体内开设有所述第一腔，所述第一筒体的下端沿其周向凸设有所述第一凸台，所述第一凸台内开设有所述第二腔；所述第一筒体穿设于所述第三腔内且所述第一凸台位于所述第四腔内。

作为优选方案，所述关节模组还包括谐波减速器，所述谐波减速器设置于所述第四腔内且所述谐波减速器的波发生器与所述电机轴的端部固定连接；

所述第三腔与所述第四腔具有阶梯面，所述第一筒体的下端与所述谐波减速器的固定法兰通过锁紧件固定于所述阶梯面上。

作为优选方案，所述关节模组还包括密封圈，所述第一筒体的下端开设有密封槽，所述谐波减速器的所述固定法兰将所述密封圈抵紧在所述密封槽内。

作为优选方案，所述关节模组还包括抱闸片，所述抱闸片设置于所述电机轴上靠近所述光栅密封端盖的一端，所述抱闸片被配置为对所述电机轴进行刹车制动。

作为优选方案，所述关节模组还包括隔离垫环，所述隔离垫环套设于所述电机轴上且位于所述抱闸片与所述光栅密封端盖之间。

一种机器人，包括多个机械臂及上述的关节模组，相邻的所述机械臂之间通过所述关节模组传动连接。

本发明的有益效果为：

本发明提出的关节模组，电机的定子过盈安装于电机壳的第一腔内，转子直接贴装于电机轴上，由于电机轴的两端均通过轴承安装于电机壳内，实现了电机轴的双端支撑，能够有效控制电机轴较小的跳动，保证了定子与转子具有较高的同心度，能够有效降低关节模组的振动和异响。同时，光栅密封端盖设置于支撑环上并罩设于码盘上，以避免光栅编码器受到外部杂质的污染，实现了对光栅编码器的保护。此外，通过将光栅编码器与电机集成到一起，提高了关节模组的集成度，实现了电机与光栅编码器的紧凑安装。

本发明提出的机器人包括上述的关节模组，由于电机轴的两端均通过轴承安装于电机壳内，实现了电机轴的双端支撑，有效控制电机轴较小的跳动，保证了定子与转子具有较高的同心度，能够有效降低关节模组的振动和异响。同时，光栅密封端盖设置于支撑环上并罩设于码盘上，以避免光栅编码器受到外部杂质的污染，实现了对光栅编码器的保护。此外，通过将光栅编码器与电机集成到一起，提高了关节模组的集成度，实现了电机与光栅编码器的紧凑安装。

附图说明

图1是本发明实施例提供的关节模组的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的关节模组的结构分解示意图；

图3是本发明实施例提供的电机与光栅编码器的结构分解示意图；

图4是本发明实施例提供的电机与光栅编码器的剖视图；

图5是本发明实施例提供的电机壳的结构示意图一；

图6是本发明实施例提供的电机壳的结构示意图二；

图7是本发明实施例提供的码盘法兰筒的结构示意图；

图8是图4中A处的局部放大图；

图9是本发明实施例提供的关节模组的剖视图。

图中部件名称和标号如下：

1、电机；11、电机壳；111、第一筒体；1110、第一腔；1111、密封槽；112、第一凸台；1120、第二腔；12、定子；13、电机轴；14、转子；15、支撑环；16、轴承；17、卡簧；

2、光栅编码器；21、光源芯片；22、码盘；23、码盘法兰筒；231、第二筒体；232、第二凸台；24、压环；

3、光栅密封端盖；30、中心孔；31、凹槽；4、关节外壳；41、第三腔；42、第四腔；5、谐波减速器；51、固定法兰；52、钢轮；53、波发生器；6、抱闸片；7、隔离垫环；8、锁紧件。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提出了一种机器人，主要指协作机器人。协作机器人能够与工作人员在生产线上协同工作，充分发挥机器人的效率。

目前，机器人一般包括多个机械臂和关节模组，相邻的机械臂之间通过关节模组传动连接。关节模组包括减速器、无框力矩电机及编码器等组成。现有的关节模组中，光栅编码器在关节外壳内无遮挡，容易发生光栅编码器污染，导致机器人故障报警。同时，电机的转子粘接在电机轴上，定子安装于关节外壳上，且电机轴采用单边轴承支撑方式，使得电机轴形成悬臂梁结构。在机器人的长期运行过程中，电机轴的跳动幅度不断增加，导致定子与转子同心度较差，另外间隙配合的粘胶固定方案也难以保证电机定转子较高的同心度，电机定转子同心度差会使得关节模组的振动和异响较大。

为解决上述问题，如图1～图4所示，本实施例还提出了一种关节模组，该关节模组包括电机1、光栅编码器2和光栅密封端盖3，电机1包括电机壳11、定子12、电机轴13、转子14和支撑环15，电机壳11具有相连通的第一腔1110和第二腔1120，定子12过盈安装于第一腔1110内。支撑环15设置于定子12的上方且位于第一腔1110内，电机轴13环绕其周向贴装有转子14，电机1的两端分别通过轴承16安装于第一腔1110和支撑环15的内孔。光栅编码器2包括光源芯片21和码盘22，支撑环15上设置有光源芯片21，码盘22套装于电机轴13上并位于支撑环15的上方，码盘22能够随电机轴13同步转动。光栅密封端盖3开设有中心孔30，电机轴13的一端穿出中心孔30，光栅密封端盖3设置于支撑环15上并罩设于码盘22上。

在本实施例中，电机1的定子12过盈安装于电机壳11的第一腔1110内，转子14直接贴装于电机轴13上，由于电机轴13的两端均通过轴承16安装于电机壳11内，实现了电机轴13的双端支撑，能够有效控制电机轴13较小的跳动，保证了定子12与转子14具有较高的同心度，能够有效降低关节模组发生振动和异响。同时，光栅密封端盖3设置于支撑环15上并罩设于码盘22上，以避免光栅编码器2受到外部杂质的污染，实现了对光栅编码器2的保护。

此外，通过将光栅编码器2与电机1集成到一起，提高了关节模组的集成度，实现了电机1与光栅编码器2的紧凑安装。由于光栅编码器2容易被外部杂质污染，对其装配环境的洁净度要求较高。通过将光栅编码器2集成到电机1内部，可以单独在较小的洁净空间内完成光栅编码器2与电机1的组装后，再将电机1移到普通的组装环境中完成关节模组的装配，即减小了对洁净空间的需求，有利于关节模组的批量化生产。

如图1和图2所示，关节模组还包括关节外壳4、谐波减速器5、抱闸片6和隔离垫环7，其中，电机1和谐波减速器5叠置安装于关节外壳4内，以实现关节模组的紧凑安装。抱闸片6设置于电机轴13上靠近光栅密封端盖3的一端，抱闸片6用于对电机轴13进行刹车制动。抱闸片6为现有技术，在此不再进行赘述。

需要说明的是，隔离垫环7套设于电机轴13上且位于抱闸片6与光栅密封端盖3之间，主要能够起到电磁隔离作用，避免电机1的磁场影响关节模组输出端磁编，输出端磁编结构为现有成熟技术，本文不增加相关结构及细节描述。此外，隔离垫环7位于光栅密封端盖3的正上方，能够增加外部杂质进入光栅密封端盖3的中心孔30的难度，有利于提高了对光栅编码器2的保护。

如图4～图7所示，电机壳11包括第一筒体111和第一凸台112，第一筒体111内开设有第一腔1110，第一筒体111的下端沿其周向凸设有第一凸台112，第一凸台112内开设有第二腔1120。光栅编码器2还包括码盘法兰筒23，码盘法兰筒23包括第二筒体231和第二凸台232，第二筒体231固定套设于电机轴13上，且第二筒体231通过轴承16转动地设置于支撑环15的内孔。第二筒体231的顶端沿其周向设置有第二凸台232，码盘22位于第二筒体231的顶端并套设于第二凸台232的外圈。

具体地，电机1还包括卡簧17，卡簧17具有两个，其中一个卡簧17卡接于电机轴13上并与电机轴13共同实现一个轴承16的轴向限位。另一个卡簧17卡接于码盘法兰筒23的第二筒体231上并与第二筒体231共同实现另一个轴承16的轴向限位，避免轴承16发生轴向窜动。

在本实施例中，定子12通过热套方式装入第一腔1110的内侧壁，转子14中的多个永磁铁直接贴装在电机轴13的外周面，以分别实现定子12和转子14的稳固安装。其中一个轴承16以外圈过盈或热套方式安装于电机壳11的第二腔1120内，其内圈压装入电机轴13的指定位置。另一个轴承16同样以外圈过盈或热套方式安装于支撑环15的内孔，其内圈压装入码盘法兰筒23的第二筒体231上，使得两个轴承16的内外圈均能够与各自对应的装配结构保持几乎零间隙配合。由于电机轴13为双端支撑结构，即两端均通过轴承16安装于电机壳11内，电机轴13的跳动值主要取决于两个轴承16的游隙，极大地提高了定子12与转子14的同心度，有效降低关节模组的振动和异响。

如图3、图4和图8所示，光栅编码器2还包括压环24和紧固件，压环24套设于第二凸台232的外圈并叠置于码盘22的上方。紧固件用于将压环24与码盘22固定于第二筒体231上。本实施例的紧固件为螺栓，压环24沿其周向开设有多个第一安装孔，码盘22沿其周向对应开设有多个第二安装孔，第二筒体231的顶端对应开设有多个第三安装孔，多个紧固件依次穿过第一安装孔和第二安装孔后与第三安装孔螺纹连接，以将码盘22和压环24叠置地安装于第二筒体231上，实现了码盘22的稳定安装。通过将压环24叠置于码盘22上，能够使码盘22受到均匀的紧固力，避免紧固件在拧紧时对码盘22造成损伤。

如图2、图3和图8所示，光栅密封端盖3为圆盘结构，且光栅密封端盖3的底端与支撑环15固定连接，光栅密封端盖3的顶面内凹形成有凹槽31且凹槽31的底壁开设有中心孔30。光栅密封端盖3通过开设凹槽31，缩小了光栅密封端盖3的内底壁的中心位置（即凹槽31的外顶壁）与码盘法兰筒23的第二凸台232的间距，极大地提高了外部杂质通过中心孔30进入码盘22的难度，提高了对码盘22的保护作用。

需要说明的是，如图8所示，光栅密封端盖3的中心孔30的内壁与电机轴13之间的间隙较小，大大增加杂质进入光栅密封端盖3内部的难度。同时，码盘法兰筒23的第二凸台232能够对杂质起到一定的阻挡作用，进一步避免了杂质落在码盘22上的可能性。此外，光栅密封端盖3的上方设置有隔离垫环7，能够对光栅密封端盖3的凹槽31起到良好的遮挡作用。外部杂质需要一次穿过隔离垫环7与光栅密封端盖3之间的间隙进入凹槽31，然后再穿过光栅密封端盖3的中心孔30与电机轴13的间隙，最后绕过第二凸台232才能落在码盘22上。通过类似迷宫的结构设计有效地隔离了外部杂质，避免码盘22及光源芯片21被污染，提高了光栅编码器2的安全性。

如图2和图9所示，关节外壳4内具有相连通的第三腔41和第四腔42。第一筒体111穿设于第三腔41内且第一凸台112位于第四腔42内。谐波减速器5设置于第四腔42内且谐波减速器5的波发生器53与电机轴13的端部固定连接。第三腔41与第四腔42具有阶梯面，第一筒体111的下端与谐波减速器5的固定法兰51通过锁紧件8固定于阶梯面上。具体地，锁紧件8为螺栓，通过多个螺栓将电机壳11与谐波减速器5的固定法兰51共同安装于关节外壳4的内部，节省了谐波减速器5的支撑结构，实现了谐波减速器5的紧凑安装。

需要说明的是，谐波减速器5还包括柔轮和钢轮52，由于谐波减速器5为现有技术，对于谐波减速器5的结构和工作原理不再进行赘述。

进一步地，如图6和图9所示，关节模组还包括密封圈，第一筒体111的下端开设有密封槽1111，谐波减速器5的固定法兰51的端面将密封圈抵紧在密封槽1111内，轴承16为自带密封轴承，实现了谐波减速器5与电机壳11的密封安装，进一步实现了谐波减速器5的紧凑安装。

在本实施例中，谐波减速器5与电机轴13共用第二腔1120内的轴承16，且谐波减速器5的密封安装通过电机壳11的密封圈实现。此外，将光栅编码器2与电机1集成到一起，实现了电机1、光栅编码器2与谐波减速器5的紧凑安装，减小了关节模组的体积，提高了关节模组的集成度。

需要说明的是，本实施例只是针对关节模组的动力组件结构部分做了相关阐述，关节模组的其他部分，例如抱闸、驱动板以及输出端编码器等均为现有技术，在此不再赘述。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种关节模组，其特征在于，包括：

电机（1），所述电机（1）包括电机壳（11）、定子（12）、电机轴（13）、转子（14）和支撑环（15），所述电机壳（11）具有相连通的第一腔（1110）和第二腔（1120），所述定子（12）过盈安装于所述第一腔（1110）内；所述支撑环（15）设置于所述定子（12）的上方且位于所述第一腔（1110）内，所述电机轴（13）环绕其周向贴装有所述转子（14），所述电机（1）的两端分别通过轴承（16）安装于所述第一腔（1110）和所述支撑环（15）的内孔；

光栅编码器（2），所述光栅编码器（2）包括光源芯片（21）和码盘（22），所述支撑环（15）上设置有所述光源芯片（21），所述码盘（22）套装于所述电机轴（13）上并位于所述支撑环（15）的上方，所述码盘（22）能够随所述电机轴（13）同步转动；以及

光栅密封端盖（3），所述光栅密封端盖（3）开设有中心孔（30），所述电机轴（13）的一端穿出所述中心孔（30），所述光栅密封端盖（3）设置于所述支撑环（15）上并罩设于所述码盘（22）上；

所述光栅编码器（2）还包括码盘法兰筒（23），所述码盘法兰筒（23）包括：

第二筒体（231），固定套设于所述电机轴（13）上，且所述第二筒体（231）通过所述轴承（16）转动地设置于所述支撑环（15）的内孔；以及

第二凸台（232），所述第二筒体（231）的顶端沿其周向设置有所述第二凸台（232）；所述码盘（22）位于所述第二筒体（231）的顶端并套设于所述第二凸台（232）的外圈；

所述光栅密封端盖（3）的底端与所述支撑环（15）固定连接，所述光栅密封端盖（3）的顶面内凹形成有凹槽（31）且所述凹槽（31）的底壁开设有所述中心孔（30）。

2.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所述光栅编码器（2）还包括：

压环（24），套设于所述第二凸台（232）的外圈并叠置于所述码盘（22）的上方；以及

紧固件，被配置为将所述压环（24）与所述码盘（22）固定于所述第二筒体（231）上。

3.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关节外壳（4），所述关节外壳（4）内具有相连通的第三腔（41）和第四腔（42）；

所述电机壳（11）包括第一筒体（111）和第一凸台（112），所述第一筒体（111）内开设有所述第一腔（1110），所述第一筒体（111）的下端沿其周向凸设有所述第一凸台（112），所述第一凸台（112）内开设有所述第二腔（1120）；所述第一筒体（111）穿设于所述第三腔（41）内且所述第一凸台（112）位于所述第四腔（42）内。

4.根据权利要求3所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括谐波减速器（5），所述谐波减速器（5）设置于所述第四腔（42）内且所述谐波减速器（5）的波发生器（53）与所述电机轴（13）的端部固定连接；

所述第三腔（41）与所述第四腔（42）具有阶梯面，所述第一筒体（111）的下端与所述谐波减速器（5）的固定法兰（51）通过锁紧件（8）固定于所述阶梯面上。

5.根据权利要求4所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括密封圈，所述第一筒体（111）的下端开设有密封槽（1111），所述谐波减速器（5）的所述固定法兰（51）将所述密封圈抵紧在所述密封槽（1111）内。

6.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抱闸片（6），所述抱闸片（6）设置于所述电机轴（13）上靠近所述光栅密封端盖（3）的一端，所述抱闸片（6）被配置为对所述电机轴（13）进行刹车制动。

7.根据权利要求6所述的关节模组，其特征在于，所述关节模组还包括隔离垫环（7），所述隔离垫环（7）套设于所述电机轴（13）上且位于所述抱闸片（6）与所述光栅密封端盖（3）之间。

8.一种机器人，其特征在于，包括多个机械臂及权利要求1～7中任一项所述的关节模组，相邻的所述机械臂之间通过所述关节模组传动连接。

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