CN209551777U - 一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块 - Google Patents

Abstract

一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，包括关节壳体、关节输出转盘、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，定子固定在关节壳体内，传动轴与转子配合连接，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出转盘固定连接；第一编码器用于测量关节输出转盘的角位移信息，第二编码器用于测量转子的角位移信息；无框电机控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。本实用新型实现关节模块的刚度控制和力矩输出控制。

Description

一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，机器人已经广泛应用于各行各业中。如汽车领域的焊接、喷涂、热处理、运输、自动装配、上下料和检测等，其次在运输、码头、食物和药物以及电子制造等领域机器人也正在逐步替代人工从事沉重乏味的包装、运输、搬运等重复性作业。但是在精密装配、修刮或磨削工件表面、抛光和擦洗等工作任务中应用很少，因为在类似的任务中需要机器人末端执行器与环境接触并保持一定的接触力，这就需要机器人具有外力感知和力控制功能。

目前具有力控制功能的成熟机器人产品不多，或者其价格很高，一般是普通工业机器人的几倍以上。同时随着机器人的应用范围扩大，有些任务需要机器人与人协作共同完成，这就对机器人的安全性能提出了很高的要求。目前机器人的安全性能一般采用两种方案来解决，一种是通过改变机器人机械结构的刚度保证与人交互时的安全；另一种是通过软件层面的控制算法策略来实现机器人与环境中的物体接触时的柔顺性。

目前也有一些解决方案被大家提出，如河北工业大学的一种旋转型柔性关节(申请号：201410653785.2)，该柔性关节包括电机、电机架、安装板，第一连接板、第一同步带轮、第一同步带轮盖板、同步带、减速器、减速器法兰、弹簧安装架、弹簧输出架，输出盘、第二连接板、同步带端盖、第三连接板、交叉滚子轴承、轴承外圈盖板、轴承内圈盖板、第一平键、减速器法兰端盖、弹簧、第二平键、第三平键、第二同步带轮和第二同步带轮盖板。该实用新型专利虽然解决了机器人关节柔性问题，但整个关节的结构不够紧凑、外观上不是很美观且不能真正应用于机器人关节中，也做不到力矩控制的全闭环反馈。

因此能开发出集成度高、性价比高的可力控制机器人关节模块对于扩大机器人的应用范围将产生巨大的意义，同时也能大大提高机器人的安全性能。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，可以实现机器人关节的力矩检测与控制从而实现整个串联机器人的力控制；该机器人关节模块结构简单紧凑，关节传动精度高，力矩输出精度高，并且采用内走线方式，外观简洁美观，从本质上提高了机器人的安全性与可靠性。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，包括关节壳体、关节输出转盘、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在关节壳体内，传动轴与无框电机的转子配合连接，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出转盘固定连接；第一编码器用于测量关节输出转盘或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。

由上可知，本实用新型利用无框电机驱动传动轴旋转而实现关节输出转盘的回转，并通过第一编码器读取关节输出转盘或力矩传感器的角位移信息，通过第二编码器获得转子的角位移信息，通过力矩传感器测量关节输出转盘所受外力矩，然后驱动控制器根据转子的角位移信息、关节输出转盘的角位移信息和所受外力矩，利用驱动控制器预设的控制算法控制无框电机转动。驱动控制器通过获得无框电机转子的角位移信息和关节输出转盘的角位移信息，得到无框电机转子的偏转角度与关节输出转盘的偏转角度，以及通过力矩传感器获得外界对关节模块施加的外力矩，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，因此可实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度。另外加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题。在实际应用中，如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，可以将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，从而提高人机交互的安全性。

作为本实用新型的一种改进，所述谐波减速器和传动轴均设有中空孔，所述中空孔用于走内线。

进一步地，所述谐波减速器的钢轮通过中间连接件与变刚度模块一端固定连接。

作为本实用新型的一种改进，所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环和读数头，所述力矩传感器为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环通过第一安装座固定在力矩传感器的内环上，关节壳体内设有第一支架，绝对式编码器读数头固定在第一支架上且与绝对式编码器磁环的位置相对应；力矩传感器的外环与关节输出转盘通过螺钉固定连接，力矩传感器的内环与变刚度模块另一端通过螺钉固定连接。

作为本实用新型的一种改进，所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环和读数头，增量式编码器磁环通过第二安装座固定在传动轴另一端端面上，关节壳体内设有第二支架，增量式编码器读数头固定在第二支架上且与增量式编码器磁环的位置相对应。

作为本实用新型的一种改进，所述传动轴另一端设有防止传动轴随意转动的止动机构，当关节模块通电时，传动轴能自由转动，当关节模块失电时，传动轴被止动机构卡住不能自由转动。

作为本实用新型的一种改进，所述止动机构包括电磁铁、复位弹簧、衔铁和止动卡环，止动卡环固定套在传动轴另一端上，电磁铁和衔铁设在关节壳体内，当关节模块通电时电磁铁通电，电磁铁和衔铁相吸合，衔铁处于吸合位置，传动轴能自由转动，当关节模块失电时电磁铁失电，衔铁在复位弹簧作用下回复至止动位置，止动卡环被衔铁卡住，传动轴不能自由转动。

作为本实用新型的一种改进，所述止动机构还包括第一限位凸肩、波形垫圈和第二限位凸肩，第一限位凸肩和第二限位凸肩分别固定设在传动轴另一端上，波形垫圈和止动卡环套在传动轴另一端上并依次位于第一限位凸肩和第二限位凸肩之间，止动卡环被波形垫圈和第二限位凸肩挤压夹紧而套在传动轴另一端上。

进一步地，所述关节壳体内在传动轴另一端侧设有定位架，所述驱动控制器通过散热板固定在定位架上。

进一步地，所述关节壳体在位于驱动控制器的一端设有端盖，所述端盖通过铜质螺纹柱与定位架固定连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型在关节模块中加入力矩传感器，使得由该模块组装成的机器人可以感知环境中的力信息，实现力控制，因此提高了机器人的安全性、自我保护性，此关节模块可以应用到高精度装配、抛光、擦洗等需要机器人末端与环境接触并控制输出力的工作环境中；

2、本实用新型加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高了人机交互的安全性；

3、驱动控制器通过编码器获得无框电机转子的偏转角度与关节输出转盘的偏转角度，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度；

4、通过采用增量式与绝对式双编码器的组合，并且绝对编码器安装在关节输出端，从而可以实现关节高精度的位置控制；

5、本实用新型通过合理的内部结构设计及选型实现了关节模块的内部走线，从而保证了机器人关节外观的简洁美观性。

附图说明

图1为本实用新型变刚度驱控一体化机器人回转关节模块的立体图；

图2为本实用新型变刚度驱控一体化机器人回转关节模块的俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本实用新型变刚度驱控一体化机器人回转关节模块止动机构的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

实施例

请参考图1至图4，一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，包括关节壳体100、关节输出转盘200、驱动控制器300、传动机构、力矩传感器400、变刚度模块500、第一编码器和第二编码器；

传动机构包括无框电机、传动轴20和谐波减速器30，无框电机包括定子11和转子12，无框电机的定子11固定在关节壳体100内，传动轴20与无框电机的转子12配合连接，传动轴20的一端与谐波减速器30的波发生器连接，谐波减速器30的钢轮与变刚度模块500一端固定连接，变刚度模块500另一端通过力矩传感器400与关节输出转盘200固定连接；

第一编码器用于测量关节输出转盘200或力矩传感器400的角位移信息，第二编码器用于测量转子12或传动轴20的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器300电连接，力矩传感器400、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器300电连接。

由上可知，本实用新型利用无框电机驱动传动轴旋转而实现关节输出转盘的回转，并通过第一编码器读取关节输出转盘或力矩传感器的角位移信息，通过第二编码器获得转子的角位移信息，通过力矩传感器测量关节输出转盘所受外力矩，然后驱动控制器根据转子的角位移信息、关节输出转盘的角位移信息和所受外力矩，利用驱动控制器预设的控制算法控制无框电机转动。驱动控制器通过获得无框电机转子的角位移信息和关节输出转盘的角位移信息，得到无框电机转子的偏转角度与关节输出转盘的偏转角度，以及通过力矩传感器获得外界对关节模块施加的外力矩，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，因此可实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度。另外加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题。在实际应用中，如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，可以将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，从而提高人机交互的安全性。

在本实施例中，所述谐波减速器30和传动轴20均设有中空孔21，所述中空孔21用于走内线。通过合理的内部结构设计及选型实现了关节模块的内部走线，从而保证了机器人关节外观的简洁美观性；同时在关节输出转盘分别设有必要的走线孔以实现整个关节的内部走线。

在本实施例中，所述谐波减速器30的钢轮通过中间连接件600与变刚度模块500一端固定连接。

在本实施例中，本实用新型作进一步的改进，所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环41和读数头42，所述力矩传感器400为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环41通过第一安装座43固定在力矩传感器400的内环上，关节壳体100内设有第一支架44，绝对式编码器读数头42固定在第一支架44上且与绝对式编码器磁环41的位置相对应；力矩传感器400的外环与关节输出转盘200通过螺钉固定连接，力矩传感器400的内环与变刚度模块500另一端通过螺钉固定连接。绝对式编码器可以直接测量出关节输出转盘相对基座绕谐波减速器及传动轴的偏转角度，克服了谐波减速器和力矩传感器具有一定柔性带来的位置误差，提高了关节模块的位置精度，同时为机器人关节位置全闭环反馈提供必要条件。

在本实施例中，所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环51和读数头52，增量式编码器磁环51通过第二安装座53固定在传动轴20另一端端面上，关节壳体100内设有第二支架54，增量式编码器读数头52固定在第二支架54上且与增量式编码器磁环51的位置相对应。该增量式编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息，从而更加精确地控制关节模块的转动速度、方向，同时为机器人关节位置全闭环反馈提供必要条件。

在上述基础，本实用新型还做了进一步的改进，所述传动轴20另一端设有防止传动轴20随意转动的止动机构，当关节模块通电时，传动轴20能自由转动，当关节模块失电时，传动轴20被止动机构卡住不能自由转动。具体地，所述止动机构包括电磁铁61、复位弹簧62、衔铁63和止动卡环64，止动卡环64固定套在传动轴20另一端上，电磁铁61和衔铁63设在关节壳体100内，当关节模块通电时电磁铁61通电，电磁铁61和衔铁63相吸合，衔铁63处于吸合位置，传动轴20能自由转动，当关节模块失电时电磁铁61失电，衔铁63在复位弹簧62作用下回复至止动位置，止动卡环64被衔铁63卡住，传动轴20不能自由转动。利用电磁铁和衔铁相配合，衔铁设有两个工作位置，电磁铁通电，衔铁处于吸合位置，电磁铁失电，衔铁处于止动位置，从而达到当关节模块在不工作时，利用止动机构防止传动轴随意转动。

在上述基础，本实用新型还做了进一步的改进，所述止动机构还包括第一限位凸肩65、波形垫圈67和第二限位凸肩66，第一限位凸肩65和第二限位凸肩66分别固定设在传动轴20另一端上，波形垫圈67和止动卡环64套在传动轴20另一端上并依次位于第一限位凸肩65和第二限位凸肩66之间，止动卡环64被波形垫圈67和第二限位凸肩66挤压夹紧而套在传动轴20另一端上。利用波形垫圈和限位凸肩将止动卡环挤压夹紧在传动轴另一端上，实现利用摩擦力维持止动卡环和传动轴之间相对固定连接，而当关节输出转盘受到外力矩超过一定大小时，止动卡环则在传动轴另一端上发生打滑，关节输出转盘可以发生转动，保证止动卡环不被强行破坏。

在本实施例中，所述关节壳体100内在传动轴20另一端侧设有定位架70，所述驱动控制器300通过散热板71固定在定位架70上。

在本实施例中，所述关节壳体100在位于驱动控制器300的一端设有端盖80，所述端盖80通过铜质螺纹柱72与定位架70固定连接，将整个关节模块形成一个封闭的功能单元，端盖可以防止灰尘等进入关节壳体中，保证机器人关节壳体内部的安全，同时通过端盖的设计方便后期对关节内部的零部件进行检查、维护而不需要拆卸整个关节，方便对关节模块进行维修。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型在关节模块中加入力矩传感器，使得由该模块组装成的机器人可以感知环境中的力信息，实现力控制，因此提高了机器人的安全性、自我保护性，此关节模块可以应用到高精度装配、抛光、擦洗等需要机器人末端与环境接触并控制输出力的工作环境中；

2、本实用新型加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题。在实例应用中，如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，可以将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，从而提高人机交互的安全性；

3、驱动控制器通过编码器获得无框电机转子的偏转角度与关节输出转盘的偏转角度，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度；

4、通过采用增量式与绝对式双编码器的组合，并且绝对编码器安装在关节输出端，从而可以实现关节高精度的位置控制；

5、本实用新型通过合理的内部结构设计及选型实现了关节模块的内部走线，从而保证了机器人关节外观的简洁美观性。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：包括关节壳体、关节输出转盘、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在关节壳体内，传动轴与无框电机的转子配合连接，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出转盘固定连接；第一编码器用于测量关节输出转盘或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述谐波减速器和传动轴均设有中空孔，所述中空孔用于走内线。

3.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述谐波减速器的钢轮通过中间连接件与变刚度模块一端固定连接。

4.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环和读数头，所述力矩传感器为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环通过第一安装座固定在力矩传感器的内环上，关节壳体内设有第一支架，绝对式编码器读数头固定在第一支架上且与绝对式编码器磁环的位置相对应；力矩传感器的外环与关节输出转盘通过螺钉固定连接，力矩传感器的内环与变刚度模块另一端通过螺钉固定连接。

5.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环和读数头，增量式编码器磁环通过第二安装座固定在传动轴另一端端面上，关节壳体内设有第二支架，增量式编码器读数头固定在第二支架上且与增量式编码器磁环的位置相对应。

6.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述传动轴另一端设有防止传动轴随意转动的止动机构，当关节模块通电时，传动轴能自由转动，当关节模块失电时，传动轴被止动机构卡住不能自由转动。

7.根据权利要求6所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述止动机构包括电磁铁、复位弹簧、衔铁和止动卡环，止动卡环固定套在传动轴另一端上，电磁铁和衔铁设在关节壳体内，当关节模块通电时电磁铁通电，电磁铁和衔铁相吸合，衔铁处于吸合位置，传动轴能自由转动，当关节模块失电时电磁铁失电，衔铁在复位弹簧作用下回复至止动位置，止动卡环被衔铁卡住，传动轴不能自由转动。

8.根据权利要求7所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述止动机构还包括第一限位凸肩、波形垫圈和第二限位凸肩，第一限位凸肩和第二限位凸肩分别固定设在传动轴另一端上，波形垫圈和止动卡环套在传动轴另一端上并依次位于第一限位凸肩和第二限位凸肩之间，止动卡环被波形垫圈和第二限位凸肩挤压夹紧而套在传动轴另一端上。

9.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述关节壳体内在传动轴另一端侧设有定位架，所述驱动控制器通过散热板固定在定位架上。

10.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人回转关节模块，其特征在于：所述关节壳体在位于驱动控制器的一端设有端盖，所述端盖通过铜质螺纹柱与定位架固定连接。