CN207888683U - 一种机器人一体化关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人一体化关节，包括驱动机构、绝对值编码器、传感系统、控制系统以及传动结构；控制系统与驱动机构电连接；驱动机构包括电机和减速机构，电机一端与减速机构连接；绝对值编码器分别与电机和控制芯片连接，传感系统分别与减速机构和控制芯片连接。有益效果为：本技术一体化关节输出端反外力作用于输出端，其轴向的力和径向的力与扭矩都会被第三传动件抵消掉，传到谐波减速箱外壳上，最终扭矩传感器反映的只有轴向的扭矩，保障输出扭矩的准确性；同时通过绝对值编码器实现位置及速度的准确反馈；将扭矩、关节角度位置以及速度实时反馈给控制系统，有效实现高频率及低频控制；结构简单，占用空间少，适用于小型机器人关节。

Description

一种机器人一体化关节

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人一体化关节。

背景技术

机器人(Robot)是一种自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于生产生活的各个领域，例如机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

我们知道机器人平台上，在动态解耦(Dynamic Coupling)和运动、力控制的关键因素就是精确地传递力矩。关节是机器人实现其力矩传递功能必不可少的一部分，通常商用一体化关节是以采集电流来实现扭矩反馈。对于直流电机来说，电机稳态运转时的电流是正比于电机扭矩，然而在引入减速箱后，电流闭环来检测力矩会有很大的滞后性，无法准确反映扭矩值。

对于工业机械臂而言，在机械臂末端执行器附近会增加一个六轴力传感器来反馈扭矩值。然而六轴力传感器的价格昂贵，并且若要实现人机交互，需要在每个机械手关节上增加六轴力传感器，如此操作大大增加一体化关节的尺寸，多个六轴力传感器的加入也增加了机械手关节的生产制造成本。

为了解决扭矩值的测量问题，最新的研究是通过弹性体来实现测量扭矩，通过弹性体的测量存在两种不同的方法：(1)通过在输出端贴应变片，即通过测量微观上材料的形变来实现扭矩测量；(2)通过两个绝对值传感器测量柔性材料两端的角度差值，然后计算其扭矩，即通过测量宏观上材料的变形来实现扭矩测量。

上述第一种方法无法避免其它轴的力和扭矩对需要测量扭矩的串扰，影响测量的准确性；第二种方法由于需要设计柔性材料的刚度能在工作扭矩范围只能发生弹性形变，这会导致选型的困难；此外，当一体化关节需要以较高的频率控制时，第二种方法测量扭矩的方式将无法满足。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可适用于小型机械手、且能同时满足扭矩测量、高频率和低频率同时可控的机器人一体化关节。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种机器人一体化关节，以解决前述背景技术中的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种机器人一体化关节，包括驱动机构、绝对值编码器、传感系统、控制系统以及传动结构；

所述驱动机构包括电机和减速机构，所述电机一端与所述减速机构连接；

所述控制系统包括电机驱动控制板以及控制芯片，其中所述电机驱动控制板与所述驱动机构的所述电机电连接，所述控制芯片与所述传感系统及所述绝对值编码器连接；

所述绝对值编码器内侧设有编码器动盘固定法兰，外部设有编码器定轮法兰；

所述传感系统包括扭矩传感器，所述扭矩传感器与所述减速机构的输出端连接；

所述传动结构包括第一传动件、第二传动件和第三传动件；所述第一传动件连接所述电机与所述绝对值编码器；所述第二传动件连接所述编码器动盘固定法兰与所述编码器定轮固定法兰；所述第三传动件连接所述传感系统与所述减速机构的输出端。

进一步地，所述减速机构为谐波减速箱，所述谐波减速箱包括谐波波发生器、谐波柔轮、谐波钢轮和谐波外壳；所述谐波外壳与所述谐波钢轮连接，所述谐波柔轮上设有谐波柔轮法兰。

进一步地，所述电机中部为中空管，用于内置线路；所述电机的电机转子上安装电机转子法兰，所述电机转子通过电机转子法兰与所述绝对值编码器连接；所述电机外侧安装电机外壳，所述电机与减速机构相反的一侧安装电机后盖，所述电机与所述电机外壳通过电机后盖固定，并通过所述电机后盖实现所述电机定子与所述电机外壳同心，所述电机后盖与所述中空管连接。

进一步地，所述编码器定轮固定法兰外侧分别与所述电机外壳和所述谐波钢轮连接；所述编码器动盘固定法兰一端连接所述电机转子法兰，另一端连接所述谐波波发生器。

进一步地，所述减速机构的输出端安装输出法兰，所述扭矩传感器上安装扭矩传感器输出端法兰；所述扭矩输出端法兰连接所述输出法兰。

进一步地，所述扭矩传感器通过扭矩传感器法兰和所述谐波柔轮法兰与所述谐波柔轮连接。

进一步地，所述扭矩传感器为单轴扭矩传感器。

进一步地，所述第一传动件和所述第二传动件均为深沟球，所述第三传动件为交叉滚子轴承。

进一步地，所述第一传动件内圈与所述电机转子法兰以内圈过盈的方式连接，外圈与所述电机外壳以外圈过盈的方式连接。

进一步地，所述第二传动件内圈与所述编码器动盘固定法兰以内圈过盈的方式连接，外圈与所述编码器定轮固定法兰以外圈过盈的方式连接。

进一步地，所述第三传动件内圈与所述传感器输出端法兰以内圈过盈的方式连接，外圈与所述谐波外壳外圈过盈的方式连接；所述第三传动件外圈设置第三轴承外圈挡圈，所述第三轴承外圈挡圈与所述谐波外壳连接。

通过实施上述本实用新型提供的机器人一体化关节，具有如下技术效果：

(1)本技术所述一体化关节输出端外荷载作用于输出端，其轴向的力和径向的力与扭矩都会被第三传动件抵消掉，传到谐波减速箱外壳上，最终单轴扭矩传感器反映的只有轴向的扭矩，保障输出扭矩的准确性；

(2)本技术所述一体化关节在保障输出扭矩准确性的同时，通过绝对值编码器实现位置及速度的准确反馈；

(3)本技术所述一体化关节将扭矩、关节角度位置以及速度实时反馈给控制系统，有效实现高频率及低频控制；

(4)本技术所述一体化关节体积小，占用空间少，适用于小型机器人关节；

(5)本技术所述一体化关节采用单轴扭矩传感器，且避免单轴扭矩传感器直接加之于轴承外，所产生的轴向和径向的力以及径向的弯矩不会对扭矩传感器所测到的扭矩产生串扰，提高测量精度；

(6)该结构简单，装卸方便。

(7)采用单轴扭矩传感器代替六轴传感器大大降低成本。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

图1是本实用新型实施例所述机器人一体化关节结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面采用如下具体实施方式详细描述本实用新型的技术方案。

一种机器人一体化关节，包括电机1、谐波减速箱、绝对值编码器3、单轴扭矩传感器4、控制系统以及传动结构；

控制系统包括电机驱动控制板5和控制芯片，电机驱动控制板5与电机1之间电连接；

电机1中部为中空管11，中空管11内置线路，电机1转子通过中空管11与谐波减速箱连接；电机1外侧安装电机外壳12，电机1与谐波减速箱相反的一侧安装电机后盖13，电机1与电机外壳12通过电机后盖13固定，并通过电机后盖13实现电机1定子与电机外壳12同心，电机后盖13与中空管11连接；电机1转子上安装电机转子法兰14，电机1转子通过电机转子法兰14与绝对值编码器3连接；

谐波减速箱包括谐波波发生器21、谐波柔轮22、谐波钢轮23和谐波外壳24；谐波减速箱与电机1相反的一端为输出端25，输出端25上安装输出法兰251；谐波外壳24与谐波钢轮23连接；

绝对值编码器3与控制芯片连接，用于测量关节的准确角度位置，并传输到控制芯片当中；绝对值编码器3内侧安装编码器动盘固定法兰31，外部安装编码器定轮法兰32；编码器动盘固定法兰31一端连接电机转子法兰14，另一端连接谐波波发生器21；编码器定轮固定法兰32外侧分别与电机外壳12和谐波钢轮23连接，固定绝对值编码器3；

单轴扭矩传感器4分别与谐波减速箱和控制芯片连接，将获取的谐波减速箱输出端25的力的信息传输到控制芯片中；单轴扭矩传感器4上安装扭矩传感器输出端法兰41；扭矩传感器输出端法兰41连接输出法兰251；单轴扭矩传感器4通过扭矩传感器输出端法兰41和谐波柔轮法兰221与谐波柔轮22连接；

第一深沟球轴承6内圈与电机转子法兰14以内圈过盈的方式连接，外圈与电机外壳12以外圈过盈的方式连接，以保证第一深沟球轴承6的轴向和径向位移；

第二深沟球轴承7内圈与编码器动盘固定法兰31以内圈过盈的方式连接，外圈与编码器定轮固定法兰32以外圈过盈的方式连接，以保证第二深沟球轴承7的轴向和径向位移；

交叉滚子轴承8内圈与扭矩传感器输出端法兰41以内圈过盈的方式连接，外圈与谐波外壳24以外圈过盈的方式连接，以保证交叉滚子轴承8的轴向和径向位移；交叉滚子轴承8外圈设置第三轴承外圈挡圈81，第三轴承外圈挡圈81与谐波外壳24连接。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人一体化关节，其特征在于，包括驱动机构、绝对值编码器、传感系统、控制系统以及传动结构；

所述驱动机构包括电机和减速机构，所述电机一端与所述减速机构连接；

所述控制系统包括电机驱动控制板以及控制芯片，其中所述电机驱动控制板与所述驱动机构的所述电机电连接，所述控制芯片与所述传感系统及所述绝对值编码器连接；

所述绝对值编码器内侧设有编码器动盘固定法兰，外部设有编码器定轮法兰；

所述传感系统包括扭矩传感器，所述扭矩传感器与所述减速机构的输出端连接；

所述传动结构包括第一传动件、第二传动件和第三传动件；所述第一传动件连接所述电机与所述绝对值编码器；所述第二传动件连接所述编码器动盘固定法兰与所述编码器定轮固定法兰；所述第三传动件连接所述传感系统与所述减速机构的输出端。

2.如权利要求1所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述减速机构为谐波减速箱，所述谐波减速箱包括谐波波发生器、谐波柔轮、谐波钢轮和谐波外壳；所述谐波外壳与所述谐波钢轮连接，所述谐波柔轮上设有谐波柔轮法兰。

3.如权利要求2所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述电机中部为中空管；所述电机的电机转子上安装电机转子法兰，所述电机转子通过电机转子法兰与所述绝对值编码器连接；所述电机外侧安装电机外壳，所述电机与减速机构相反的一侧安装电机后盖，所述电机与所述电机外壳通过电机后盖固定，并通过所述电机后盖实现所述电机定子与所述电机外壳同心，所述电机后盖与所述中空管连接。

4.如权利要求3所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述编码器定轮固定法兰外侧分别与所述电机外壳和所述谐波钢轮连接；所述编码器动盘固定法兰一端连接所述电机转子法兰，另一端连接所述谐波波发生器。

5.如权利要求4所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述减速机构的输出端安装输出法兰，所述扭矩传感器上安装扭矩传感器输出端法兰；所述扭矩输出端法兰连接所述输出法兰。

6.如权利要求5所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述扭矩传感器为单轴扭矩传感器；所述扭矩传感器通过扭矩传感器法兰和所述谐波柔轮法兰与所述谐波柔轮连接。

7.如权利要求6所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述第一传动件和所述第二传动件均为深沟球，所述第三传动件为交叉滚子轴承。

8.如权利要求7所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述第一传动件内圈与所述电机转子法兰以内圈过盈的方式连接，外圈与所述电机外壳以外圈过盈的方式连接。

9.如权利要求7所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述第二传动件内圈与所述编码器动盘固定法兰以内圈过盈的方式连接，外圈与所述编码器定轮固定法兰以外圈过盈的方式连接。

10.如权利要求7所述的机器人一体化关节，其特征在于，所述第三传动件内圈与所述传感器输出端法兰以内圈过盈的方式连接，外圈与所述谐波外壳外圈过盈的方式连接；所述第三传动件外圈设置第三轴承外圈挡圈，所述第三轴承外圈挡圈与所述谐波外壳连接。