CN117841037A - 关节模组及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节模组及机器人，关节模组包括：轴承，轴承的内圈设有齿圈；磁钢，磁钢设在轴承的外圈上，磁钢的不同区域在轴承的外圈上的充磁方向不同，以使磁钢的内圆磁场相互抵消；减速器，减速器与轴承连接，且轴承的齿圈形成为减速器的外齿圈，以将减速器与轴承集成设置。本发明的关节模组，将磁钢直接设置在轴承的外圈上，并在磁钢的不同区域的充磁方向设置成不同，使得磁钢的内圆磁场相互抵消，可降低磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承的滚珠部分，避免了滚珠的涡流损耗，从而取消磁轭设计，简化结构，降低关节模组的占用空间，节约成本。同时，轴承的齿圈作为减速器的外齿圈，提高关节模组的集成度和刚度。

Description

关节模组及机器人

技术领域

本发明涉及机器人制造技术领域，更具体地，涉及一种关节模组及机器人。

背景技术

目前，现有的机器人关节模组基本采用无框式永磁无刷电机，磁钢粘接在圆环状的磁轭上。磁轭一般为大中空的圆环，粘结有磁钢的圆环状转子磁轭又通过一个转接轴连接至减速器的太阳轮，实现动力的传递，整体结构设置复杂，且占用空间大。并且由于空间结构的限制，转接轴采用薄壁结构，强度较低，抗冲击力较弱。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种关节模组及机器人的新技术方案，至少能够解决现有技术中采用磁轭占用空间，且导致转接轴为了减小占用空间，采用薄壁结构，强度低，抗冲击能力弱等问题。

本发明的第一方面，提供了一种关节模组，包括：轴承，所述轴承的内圈设有齿圈；磁钢，所述磁钢设在所述轴承的外圈上，所述磁钢的不同区域在所述轴承的外圈上的充磁方向不同，以使所述磁钢的内圆磁场相互抵消；减速器，所述减速器与所述轴承连接，且所述轴承的齿圈形成为所述减速器的外齿圈，以将所述减速器与所述轴承集成设置。

可选地，所述磁钢包括多个磁片，多个所述磁片沿所述轴承的外圈周向分布，且每个所述磁片的充磁方向不同。

可选地，每三个所述磁片分成一组，且每组所述磁片中，位于中间的所述磁片的充磁方向沿所述轴承的轴向延伸，两边的所述磁片的充磁方向分别与所述中间的所述磁片的充磁方向之间形成夹角。

可选地，中间的所述磁片的充磁方向分别与两边的所述磁片的充磁方向之间形成夹角相等。

可选地，所述关节模组还包括：定子组件和转子组件，所述定子组件包括壳体，所述转子组件包括所述轴承，所述轴承通过过盈配合连接至所述定子组件的所述壳体上。

可选地，所述壳体为环形体，所述轴承的内圈与所述壳体的周向通过第一紧定螺钉固定连接。

可选地，所述减速器包括：行星架；太阳轮组件，所述太阳轮组件与所述轴承的外圈连接；行星轮，所述行星轮与所述行星架连接，且所述行星轮与所述太阳轮组件啮合。

可选地，所述太阳轮组件包括：转接轴；太阳轮，所述太阳轮与所述转接轴连接，且所述太阳轮与所述转接轴通过第二紧定螺钉固定，以防止所述太阳轮轴向移动。

可选地，在所述减速器采用直齿轮行星减速器的情况下，所述轴承为双列深沟球轴承；在所述减速器采用斜齿轮行星减速器的情况下，所述轴承为双列角接触轴承。

可选地，所述转接轴上设有跟踪磁环，所述关节模组还包括：端盖组件，所述端盖组件与所述定子组件连接，且所述端盖组件上设有传感器，以检测所述转接轴上的所述跟踪磁环产生的磁场。

本发明的第二方面，提供一种机器人，包括上述实施例中所述的关节模组。

本发明的关节模组，将磁钢直接设置在轴承的外圈上，并且在磁钢的不同区域的充磁方向设置成不同，使得磁钢的内圆磁场相互抵消，可降低磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承的滚珠部分，避免了滚珠的涡流损耗，从而取消磁轭设计，简化结构，降低关节模组的占用空间，节约成本。同时，轴承的齿圈作为减速器的外齿圈，提高关节模组的集成度和刚度，保证关节模组的轴向空间较小，重量较低。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明实施例的关节模组的一个剖面图；

图2是根据本发明实施例的关节模组的另一个剖面图；

图3是根据本发明实施例的关节模组的磁钢的磁化方向示意图；

图4是根据本发明实施例的关节模组的轴承的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的关节模组的太阳轮的一个结构示意图；

图6是根据本发明实施例的关节模组的太阳轮的另一个结构示意图；

图7是根据本发明实施例的关节模组的定子组件的一个结构示意图；

图8是根据本发明实施例的关节模组的定子组件的另一个结构示意图；

图9是根据本发明实施例的关节模组的端盖组件的一个结构示意图；

图10是根据本发明实施例的关节模组的端盖组件的另一个结构示意图。

附图标记：

转子组件10；轴承11；内圈111；外圈112；

磁钢20；磁片21；

上行星架31；下行星架32；太阳轮组件33；转接轴331；太阳轮332；跟踪磁环333；辅助支撑轴承334；第二紧定螺钉335；内六角螺钉336；行星轮34；

定子组件40；壳体41；第一紧定螺钉42；电枢43；螺纹孔44；

端盖组件50；端盖51；传感器52；十字槽螺钉53；螺母54；

轴承盖61；调整垫62。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明的说明书和权利要求书中，若涉及到术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，若涉及到术语“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，涉及到的术语“安装”、“相连”、“连接”，应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的关节模组。

如图1和图4所示，根据本发明实施例的关节模组包括轴承11、磁钢20和减速器。

具体而言，轴承11的内圈111设有齿圈。磁钢20设在轴承11的外圈112上，磁钢20的不同区域在轴承11的外圈112上的充磁方向不同，以使磁钢20的内圆磁场相互抵消。减速器与轴承11连接，且轴承11的齿圈形成为减速器的外齿圈，以将减速器与轴承11集成设置。

换言之，参见图1和图4，根据本发明实施例的关节模组主要由轴承11、磁钢20和减速器组成。其中，轴承11的内圈111设置有齿圈。磁钢20可以直接设置在轴承11的外圈112上。具体地，磁钢20可以直接粘接在轴承11的外圈112上。通常情况下，把磁钢20直接粘结到轴承11的外圈112以后，磁钢20会产生穿过外圈112、滚珠和内圈111的磁场。当转子旋转起来以后，若三者的转速不同，则会在滚珠和内圈111产生由电磁感应所导致的涡流损耗，造成滚珠发热，降低系统的效率，严重时甚至会烧毁滚珠和滚道。实际中，当转子组件10旋转时，轴承11的外圈112随着磁钢20一起以电机的同步转速旋转，而轴承11的内圈111(也是减速器的外齿圈)是固定不动，滚珠的转速也与电机的同步转速不同。因此，滚珠和内圈111中有产生涡流损耗的风险。

本发明为了解决将磁钢20直接粘结到轴承11的外圈112所带来的涡流损耗的问题，将磁钢20的不同区域在轴承11的外圈112上的充磁方向设计成不同，磁钢20上不同的充磁方向，可以使磁钢20的内圆磁场相互抵消，从而降低轴承11外圈112磁场的饱和程度，使得磁场被限制在轴承11的外圈112中，不会渗入到滚珠和内圈111中，也就避免了产生涡流损耗。

减速器与轴承11连接，并且轴承11的齿圈形成为减速器的外齿圈，以将减速器与轴承11集成设置。轴承11的内圈111同时作为减速器的外齿圈，提高了关节模组的集成度和刚度，实现了电机转子、轴承11和减速器一体化集成，具有零件少，集成度高，轴向空间小，重量低等优点。

本发明在保证关节模组整体占用空间较小的前提下，无需将转接轴331设计为薄壁结构，保证转接轴331的结构强度，提高关节模组的抗冲击能力。

由此，根据本发明实施例的关节模组，将磁钢20直接设置在轴承11的外圈112上，并且在磁钢20的不同区域的充磁方向设置成不同，使得磁钢20的内圆磁场相互抵消，可降低磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承11的滚珠部分，避免了滚珠的涡流损耗，从而取消磁轭设计，简化结构，降低关节模组的占用空间，节约成本。同时，轴承11的齿圈作为减速器的外齿圈，提高关节模组的集成度和刚度，保证关节模组的轴向空间较小，重量较低。

根据本发明的一个实施例，磁钢20包括多个磁片21，多个磁片21沿轴承11的外圈112周向分布，且每个磁片21的充磁方向不同。

也就是说，如图3和图4所示，磁钢20可以等分成多个磁片21，多个磁片21可以沿轴承11的外圈112周向环形分布，每个磁片21的充磁方向不同，使得磁钢20内圆的磁场相互抵消，可降低转子磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承11的滚珠部分，从而避免了滚珠的涡流损耗。

在本发明的一些具体实施方式中，每三个磁片21分成一组，且每组磁片21中，位于中间的磁片21的充磁方向沿轴承11的轴向延伸，两边的磁片21的充磁方向分别与中间的磁片21的充磁方向之间形成夹角。中间的磁片21的充磁方向分别与两边的磁片21的充磁方向之间形成夹角相等。

换句话说，如图3所示，每三个磁片21可以分成一组，在每组磁片21中，位于中间的磁片21的充磁方向可以沿轴承11的轴向延伸，两边的磁片21的充磁方向可以分别与中间的磁片21的充磁方向之间形成夹角，保证每组磁片21中，各个磁片21的充磁方向不同使得磁钢20内圆的磁场相互抵消，可降低转子磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承11的滚珠部分，从而避免了滚珠的涡流损耗。可选地，中间的磁片21的充磁方向分别与两边的磁片21的充磁方向之间形成夹角相等。

如图3所示，每个小磁钢(磁片21)充磁后，然后胶结在一起组成一极磁钢20，其中，中间的磁片21的充磁方向分别与两边的磁片21的充磁方向之间形成夹角β通过下式计算：

其中，p为电机极对数，N为分块数。

当然，对于每组磁片21中磁片21的个数可以根据实际需要进行具体设定，在本发明中不再详细赘述。

在本发明中，为了抑制该涡流损耗采用了特殊结构的磁钢20。在该结构中，每极的磁钢20被等分为多块磁片21，它们之间通过胶结组合在一起，并且每个小磁钢20的充磁方向各不相同(以N极的磁钢20为例，处于中间的磁钢20其磁化方向竖直向上，相邻两个磁钢20的磁化方向斜向上，且于中间磁钢20的磁化方向的夹角相等)，这样可以起到磁极内圆磁场相互抵消的作用，从而降低轴承11外圈112磁场的饱和程度，使得磁场被限制在轴承11的外圈112中，不会渗入到滚珠和内圈111中，也就避免了产生涡流损耗。

在本发明中，采用ANSYS Maxwell对转子磁轭(即轴承11的外圈112)的磁密进行仿真，测试结果显示，转子磁轭的磁密均在1.0T以下，远低于该轴承11钢的饱和磁密(约1.7T)。因此，转子磁轭处于不饱和状态，磁场可以被限制在轴承11外圈112中，不会渗入到滚珠和轴承11的内圈111中，也就不会产生附加的涡流损耗。

根据本发明的一个实施例，关节模组还包括：定子组件40和转子组件10，定子组件40包括壳体41，转子组件10包括轴承11，轴承11通过过盈配合连接至定子组件40的壳体41上。

也就是说，如图1所示，关节模组还包括定子组件40和转子组件10，电子组件和转子组件10构成电机，并作为关节模组的动力源。减速器可以将电机的转速按照预定的减速比例降低后输出，实现动力传递。如图1和图8所示，定子组件40包括壳体41，转子组件10包括轴承11，如图1和图4所示，轴承11通过过盈配合连接至定子组件40的壳体41上，保证动力的有效传递。

根据本发明的一个实施例，壳体41为环形体，轴承11的内圈111与壳体41的周向通过第一紧定螺钉42固定连接。

换句话说，如图8所示，壳体41设计成环形体，磁钢20可以直接粘结在轴承11的外圈112上，轴承11的内圈111、外圈112和滚珠等结构可以构成一个双列球轴承11。该轴承11的内圈111同时又作为减速器的外齿圈，并通过过盈配合连接至定子组件40的壳体41上，在壳体41的周向采用第一紧定螺钉42固定，防止高温下轴承11的内圈111和壳体41产生分离而导致相对运动。

根据本发明的一个实施例，减速器包括行星架、太阳轮组件33和行星轮34。

具体地，太阳轮组件33与轴承11的外圈112连接。行星轮34与行星架连接，且行星轮34与太阳轮组件33啮合。

也就是说，如图1和图5所示，减速器主要由行星架、太阳轮组件33和行星轮34组成。其中，行星架包括上行星架31和下行星架32，太阳轮组件33与轴承11的外圈112连接。太阳轮组件33与轴承11的外圈112可以通过内六角螺钉336连接。行星轮34与行星架连接，并且行星轮34与太阳轮组件33啮合，形成减速比，从而实现动力传递。

根据本发明的一个实施例，太阳轮组件33包括转接轴331和太阳轮332。

具体地，太阳轮332与转接轴331连接，且太阳轮332与转接轴331通过第二紧定螺钉335固定，以防止太阳轮332轴向移动。

换句话说，如图5和图6所示，太阳轮组件33主要由转接轴331和太阳轮332组成。其中，太阳轮332与转接轴331连接，太阳轮332与转接轴331相配合，并通过第二紧定螺钉335固定，防止太阳轮332轴向移动，从而有效实现动力的稳定传递。

当然，在本发明中，如图5所示，太阳轮组件33还包括辅助支撑轴承334等结构，太阳轮组件33的其他结构以及减速器的具体工作原理等，对于本领域技术人来来说是可以理解并且能够实现的，在本发明中不再详细赘述。

根据本发明的一个实施例，在减速器采用直齿轮行星减速器的情况下，轴承11为双列深沟球轴承；在减速器采用斜齿轮行星减速器的情况下，轴承11为双列角接触轴承。

也就是说，本发明可以根据减速器的齿轮所采用齿形的不同，转子组件10所采用的轴承11也可以做相应的调整。具体来说。若减速器为直齿轮行星减速器，由于不存在轴向力，该轴承11可采用双列深沟球轴承。若减速器为斜齿行星减速器，则齿轮传动时会产生轴向的附加作用，此时应采用双列角接触轴承来承受该力。本发明的关节模组为了提高减速器的承载力，采用斜齿轮行星减速器，对应的转子组件10的轴承11选择双列角接触轴承来承担齿轮产生的轴向力。

根据本发明的一个实施例，转接轴331上设有跟踪磁环333，关节模组还包括：端盖组件50，端盖组件50与定子组件40连接，且端盖组件50上设有传感器52，以检测转接轴331上的跟踪磁环333产生的磁场。

换句话说，如图6所示，转接轴331上可以设置有跟踪磁环333。参见图1、图2和图9，关节模组还包括：端盖组件50，端盖组件50与定子组件40连接，端盖组件50包括端盖51，并且端盖51上设置有传感器52，实现对转接轴331上的跟踪磁环333产生的磁场的检测。如图9和图10所示，端盖51上还设有十字槽螺钉53和螺母54等结构以连接太阳轮组件33和减速器等结构。

在本发明中，为了实现转子位置的检测，太阳轮组件33的转接轴331上装配有跟踪磁环333，其产生的磁场会被安装于端盖组件50上的传感器52感应到，从而达到实时检测转子位置的目的。如图7和图8所示，定子组件40的壳体41的端面上设有螺纹孔44，端盖组件50可以通过螺钉固定到定子组件40上。同时端盖组件50的端面又起到轴向压紧定子组件40的电枢43的目的。

总而言之，根据本发明实施例的关节组件，磁钢20直接粘结在轴承11的外圈112上，取消了圆环形磁轭，简化结构，节约成本。轴承11的内圈111可以同时作为减速器的外齿圈，提高了关节模组的集成度和刚度。同时为了实现磁钢20能直接粘结在轴承11外圈112上的目的，本发明采用了特殊的磁钢20结构。该结构中每极磁钢20进一步等分为多块磁片21，每块磁片21具有不同的充磁方向，使得磁钢20内圆的磁场相互抵消，可降低转子磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承11的滚珠部分，从而避免了滚珠的涡流损耗。本发明实现了电机转子、轴承11和减速器一体化集成，具有零件少，集成度高，轴向空间小，重量低等优点。

当然，对于本领域技术人员来说，如图1所示，关节模组的其他结构(例如，轴承盖61、调整垫62等)及其工作原理是可以理解并且能够实现的，在本发明中不再详细赘述。

根据本发明的第二方面，提供一种机器人，包括上述实施例中的关节模组。由于根据本发明实施例的关节模组具有上述技术效果，因此，根据本发明实施例的机器人也应具有相应的技术效果，即本发明的机器人采用该关节模组，磁钢20可以直接粘结在轴承11的外圈112上，取消了圆环形磁轭，简化结构，节约成本。轴承11的内圈111可以同时作为减速器的外齿圈，提高了关节模组的集成度和刚度。同时为了实现磁钢20能直接粘结在轴承11外圈112上的目的，本发明采用了特殊的磁钢20结构。该结构中每极磁钢20进一步等分为多块磁片21，每块磁片21具有不同的充磁方向，使得磁钢20内圆的磁场相互抵消，可降低转子磁轭的磁路饱和水平，使得磁场不会深入到轴承11的滚珠部分，从而避免了滚珠的涡流损耗。本发明的机器人，实现了电机转子、轴承11和减速器一体化集成，具有零件少，集成度高，轴向空间小，重量低等优点。

当然，对于本领域技术人员来说，机器人的其他结构及其工作原理是可以理解并且能够实现的，在本发明中不再详细赘述。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种关节模组，其特征在于，包括：

轴承，所述轴承的内圈设有齿圈；

磁钢，所述磁钢设在所述轴承的外圈上，所述磁钢的不同区域在所述轴承的外圈上的充磁方向不同，以使所述磁钢的内圆磁场相互抵消；

减速器，所述减速器与所述轴承连接，且所述轴承的齿圈形成为所述减速器的外齿圈，以将所述减速器与所述轴承集成设置。

2.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，所

述磁钢包括多个磁片，多个所述磁片沿所述轴承的外圈周向分布，且每个所述磁片的充磁方向不同。

3.根据权利要求2所述的关节模组，其特征在于，每三个所述磁片分成一组，且每组所述磁片中，位于中间的所述磁片的充磁方向沿所述轴承的轴向延伸，两边的所述磁片的充磁方向分别与所述中间的所述磁片的充磁方向之间形成夹角。

4.根据权利要求3所述的关节模组，其特征在于，中间的所述磁片的充磁方向分别与两边的所述磁片的充磁方向之间形成夹角相等。

5.根据权利要求1所述的关节模组，其特征在于，还包括：定子组件和转子组件，所述定子组件包括壳体，所述壳体为环形体，所述转子组件包括所述轴承，所述轴承通过过盈配合连接至所述定子组件的所述壳体上，且所述轴承的内圈与所述壳体的周向通过第一紧定螺钉固定连接。

6.根据权利要求5所述的关节模组，其特征在于，所述减速器包括：

行星架；

太阳轮组件，所述太阳轮组件与所述轴承的外圈连接；

行星轮，所述行星轮与所述行星架连接，且所述行星轮与所述太阳轮组件啮合。

7.根据权利要求6所述的关节模组，其特征在于，所述太阳轮组件包括：

转接轴；

太阳轮，所述太阳轮与所述转接轴连接，且所述太阳轮与所述转接轴通过第二紧定螺钉固定，以防止所述太阳轮轴向移动。

8.根据权利要求7所述的关节模组，其特征在于，在所述减速器采用直齿轮行星减速器的情况下，所述轴承为双列深沟球轴承；在所述减速器采用斜齿轮行星减速器的情况下，所述轴承为双列角接触轴承。

9.根据权利要求7所述的关节模组，其特征在于，所述转接轴上设有跟踪磁环，所述关节模组还包括：端盖组件，所述端盖组件与所述定子组件连接，且所述端盖组件上设有传感器，以检测所述转接轴上的所述跟踪磁环产生的磁场。

10.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的关节模组。