CN210061189U - 关节驱动模块、七轴机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种关节驱动模块、七轴机械臂及机器人，通过在所述电机转子的所述转子绕组的径向内侧及径向外侧分别设置第一定子绕组及第二定子绕组，所述驱动电机采用双绕组电机，在同等尺寸下能够提供更大的力矩，从而所述关节驱动模块能够在较小尺寸下达到较大转速和力矩；即将第一关节、第五关节及第七关节设置为转动关节，将第二关节、第三关节、第四关节及第六关节设置为摆动关节，此种布置方式可使机器人既保证足够的臂展和覆盖范围，又可以避免单个臂管尺寸过长，特别是第二至第五机械臂的尺寸，能够灵活实现各种复杂的动作，从而扩大灵活检测覆盖范围，也能够提高机器人在狭窄空间中的应用效果。

Description

关节驱动模块、七轴机械臂及机器人

技术领域

本实用新型属于机械臂领域，尤其涉及一种关节驱动模块、七轴机械臂及机器人。

背景技术

关节型机器人采用与自由度相同数目的电机进行驱动，其中的协作型机器人和小型紧凑型机器人多采用将电机安装在相应关节位置的方式，省去较长距离的传动机构。现有的此类机器人，其关节尺寸较大、臂杆粗直，导致机器人不够灵活，不适应于狭窄空间使用需求，且其功能参数难以提高。

目前，协作型机器人和小型紧凑型机器人关节均采用电机搭配减速机的方式作为关节驱动模块，部分集成较高的驱动模块还配备有编码器、驱动电路板、力矩传感器等。由于搭载减速机，整个关节模块尺寸较大，进而导致整个机械臂关节尺寸较大，且关节转速较低。而如果此种模块不搭载减速机，则其采用的普通关节电机力矩不足。即对于现有技术中的关节电机模块而言，在限制尺寸的情况下，力矩和转速呈反向相关，此种情况极大的影响了机器人的使用性能；且现有技术中，7轴关节型机器人均将第一关节、第三关节、第五关节和第七关节设置为转动关节，将第二关节、第四关节和第六关节设置为摆动关节，此种布置方式导致机器人的大臂和小臂尺寸较长。

鉴于此，有必要提供一种关节驱动模块、七轴机械臂及机器人以解决现有技术中面临的主要技术问题。

发明内容

本实用新型针对上述技术问题，提出一种关节驱动模块、七轴机械臂及机器人，以解决上述技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种关节驱动模块，包括第一关节模块及第二关节模块，所述第一关节模块包括驱动电机，所述驱动电机包括电机转子及电机定子；所述电机转子包括转子机座、转子转轴及转子绕组，所述转子转轴及所述转子绕组同轴设置且分别与所述转子机座固定连接；所述电机定子包括定子机座及定子绕组，所述定子绕组与所述定子机座固定连接；

所述转子转轴套接在所述定子机座及所述第二关节模块中心；其中，所述转子转轴与所述定子机座转动连接，所述转子转轴与所述第二关节模块固定连接，所述定子机座与所述第二关节模块间隙设置；

所述定子绕组包括第一定子绕组及第二定子绕组，所述定子机座设置有环形开敞腔室；所述第一定子绕组、所述第二定子绕组及所述转子绕组同轴设置在所述环形开敞腔室内；其中，所述第一定子绕组设置在所述转子绕组的径向内侧，所述第二定子绕组设置在所述转子绕组的径向外侧，所述第一定子绕组与所述第二定子绕组均与所述转子绕组间隙设置。

作为优选，所述第一关节模块还包括用于检测并记录所述关节驱动模块角度信息及位置信息的编码器，所述编码器分别与所述转子转轴及所述定子机座固定连接；所述第二关节模块包括关节模块本体及关节驱动控制器，所述关节驱动控制器安装在所述关节模块本体上；所述关节驱动控制器与所述编码器电连接，以读取所述关节驱动模块的角度信息及位置信息。

作为优选，所述环形开敞腔室包括第一环形侧壁及第二环形侧壁，第一环形侧壁及第二环形侧壁与所述转子转轴同轴设置且所述第一环形侧壁设置在所述第二环形侧壁的径向内侧；所述环形开敞腔室的开口方向背离所述第二关节模块设置，且在所述环形敞腔室的开口处，所述第二环形侧壁相对所述第一环形侧壁凸出设置；所述转子机座设置在所述转子转轴背离所述第二关节模块的轴向一端，且与所述环形开敞腔室的开口相对设置；所述转子转轴与所述第一环形侧壁转动连接，所述转子机座与所述第二环形侧壁转动连接。

作为优选，所述关节模块本体设置有中心通孔，所述转子转轴通过所述中心通孔与所述第二关节模块同轴设置，且所述转子转轴为空心转轴。

作为优选，所述转子转轴与所述第一环形侧壁之间以及所述转子机座与所述第二环形侧壁之间设置有轴承。

作为优选，所述环形开敞腔室的开口处安装有封盖，所述封盖与所述第二环形侧壁固定连接。

一种七轴机械臂，包括上述的关节驱动模块，还包括基座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂、第五机械臂及第六机械臂；其中，在所述基座与所述第一机械臂之间、所述第一机械臂与所述第二机械臂之间、所述第二机械臂与所述第三机械臂之间、所述第三机械臂与所述第四机械臂之间、所述第四机械臂与所述第五机械臂之间、所述第五机械臂与所述第六机械臂之间及所述第六机械臂端部安装所述关节驱动模块。

作为优选，将所述基座与所述第一机械臂之间、所述第一机械臂与所述第二机械臂之间、所述第二机械臂与所述第三机械臂之间、所述第三机械臂与所述第四机械臂之间、所述第四机械臂与所述第五机械臂之间、所述第五机械臂与所述第六机械臂之间及所述第六机械臂端部安装的所述关节驱动模块分别定义为第一关节驱动模块、第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块、第五关节驱动模块、第六关节驱动模块及第七关节驱动模块；当所述基座、所述第一机械臂、所述第二机械臂、所述第三机械臂、所述第四机械臂、所述第五机械臂及所述第六机械臂的中心轴平行时，所述第一关节驱动模块、所述第五关节驱动模块及所述第七关节驱动模块的所述转子转轴平行设置，所述第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块及所述第六关节驱动模块的所述转子转轴平行设置，且所述第一关节驱动模块、所述第五关节驱动模块及所述第七关节驱动模块的所述转子转轴与所述第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块及所述第六关节驱动模块的所述转子转轴垂直设置。

作为优选，所述第二机械臂、所述第三机械臂、所述第四机械臂、所述第五机械臂及所述第六机械臂的臂长比为5：5：3：2：2。

一种机器人，包括上述的七轴机械臂。

本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型的所述关节驱动模块、七轴机械臂及机器人，通过在所述电机转子的所述转子绕组的径向内侧及径向外侧分别设置第一定子绕组及第二定子绕组，所述驱动电机采用双绕组电机，在同等尺寸下能够提供更大的力矩，从而所述关节驱动模块能够在较小尺寸下达到较大转速和力矩；

2、本实用新型的所述关节驱动模块、七轴机械臂及机器人，通过将所述转子转轴设置为空心转轴，且所述七轴机械臂的第一至第六机械臂使用中空管状结构，使负载电线通过空心转轴及中空管实现内部走线；

3、本实用新型的所述七轴机械臂及机器人，当所述基座、所述第一机械臂、所述第二机械臂、所述第三机械臂、所述第四机械臂、所述第五机械臂及所述第六机械臂的中心轴平行时(也称全伸展状态时)，所述第一关节驱动模块、所述第五关节驱动模块及所述第七关节驱动模块的所述转子转轴平行设置，所述第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块及所述第六关节驱动模块的所述转子转轴平行设置，且所述第一关节驱动模块、所述第五关节驱动模块及所述第七关节驱动模块的所述转子转轴与所述第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块及所述第六关节驱动模块的所述转子转轴垂直设置，即将第一关节、第五关节及第七关节设置为转动关节，将第二关节、第三关节、第四关节及第六关节设置为摆动关节，相较于在现有技术中七轴关节型机器人均将第一关节、第三关节、第五关节和第七关节设置为转动关节和将第二关节、第四关节和第六关节设置为摆动关节的布置方式，此种布置方式可使机器人既保证足够的臂展和覆盖范围，又可以避免单个臂管尺寸过长，特别是第二至第五机械臂的尺寸，能够灵活实现各种复杂的动作，从而扩大灵活检测覆盖范围，也能够提高机器人在狭窄空间中的应用效果。

附图说明

图1为本实用新型所述关节驱动模块的结构示意图；

图2为本实用新型所述七轴机械臂的截面图；

图3为本实用新型所述七轴机械臂在全伸展状态下的结构示意图；

图中：1、第一关节模块；111、转子机座；112、转子转轴；113、转子绕组；121、定子机座；1211、环形开敞腔室；1212、第一环形侧壁；1213、第二环形侧壁；122、第一定子绕组；123、第二定子绕组；13、编码器；14、轴承；2、第二关节模块；21、关节模块本体；22、关节驱动控制器；31、基座；311、第一关节驱动模块；32、第一机械臂；321、第二关节驱动模块；33、第二机械臂；331、第三关节驱动模块；34、第三机械臂；341、第四关节驱动模块；35、第四机械臂；351、第五关节驱动模块；36、第五机械臂；361、第六关节驱动模块；37、第六机械臂；371、第七关节驱动模块；38、关节密封圈；39、关节扣盖。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，物体的圆周方向为周向，沿半径的方向为径向，转轴的轴线方向为轴向；术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种关节驱动模块，包括第一关节模块1及第二关节模块2，所述第一关节模块1包括驱动电机，所述驱动电机包括电机转子及电机定子；所述电机转子包括转子机座111、转子转轴112及转子绕组113，所述转子转轴112及所述转子绕组113同轴设置且分别与所述转子机座111固定连接；优选地，所述转子转轴112与所述转子机座111一体成型设置；所述电机定子包括定子机座121及定子绕组，所述定子绕组与所述定子机座121固定连接；

所述转子转轴112套接在所述定子机座121及所述第二关节模块2中心；其中，所述转子转轴112与所述定子机座121转动连接，所述转子转轴112与所述第二关节模块2固定连接，所述定子机座121与所述第二关节模块2间隙设置；

所述定子绕组包括第一定子绕组122及第二定子绕组123，所述定子机座121设置有环形开敞腔室1211；所述第一定子绕组122、所述第二定子绕组123及所述转子绕组113同轴设置在所述环形开敞腔室1211内；其中，所述第一定子绕组122设置在所述转子绕组113的径向内侧，所述第二定子绕组123设置在所述转子绕组113的径向外侧，所述第一定子绕组122与所述第二定子绕组123均与所述转子绕组113间隙设置。

本实用新型的所述关节驱动模块，通过在所述电机转子的所述转子绕组113的径向内侧及径向外侧分别设置第一定子绕组122及第二定子绕组123，所述驱动电机采用双绕组电机，在同等尺寸下能够提供更大的力矩，从而所述关节驱动模块能够在较小尺寸下达到较大转速和力矩。

继续参见图1，所述第一关节模块1还包括用于检测并记录所述关节驱动模块角度信息及位置信息的编码器13，所述编码器13分别与所述转子转轴112及所述定子机座121固定连接；所述第二关节模块2包括关节模块本体21及关节驱动控制器22，所述关节驱动控制器22安装在所述关节模块本体21上；所述关节驱动控制器22与所述编码器13电连接，以读取所述关节驱动模块的角度信息及位置信息，本实用新型的所述关节驱动模块，包括驱动电机、编码器13及关节驱动控制器22，没有设置减速机减轻了所述关节驱动模块的重量及体积。

进一步地，所述环形开敞腔室1211包括第一环形侧壁1212及第二环形侧壁1213，第一环形侧壁1212及第二环形侧壁1213与所述转子转轴112同轴设置且所述第一环形侧壁1212设置在所述第二环形侧壁1213的径向内侧；所述环形开敞腔室1211的开口方向背离所述第二关节模块2设置，且在所述环形敞腔室的开口处，所述第二环形侧壁1213相对所述第一环形侧壁1212凸出设置；所述转子机座111设置在所述转子转轴112背离所述第二关节模块2的轴向一端，且与所述环形开敞腔室1211的开口相对设置；所述转子转轴112与所述第一环形侧壁1212转动连接，所述转子机座111与所述第二环形侧壁1213转动连接；优选地，所述转子转轴112与所述第一环形侧壁1212之间以及所述转子机座111与所述第二环形侧壁1213之间设置有轴承14，既能够防止刚性磨损又能实现定位；优选地，所述环形开敞腔室1211的开口处安装有封盖，所述封盖与所述第二环形侧壁1213固定连接，用于防止所述电机转子从内部脱出。

进一步地，所述关节模块本体21设置有中心通孔，所述转子转轴112通过所述中心通孔与所述第二关节模块2同轴设置，且所述转子转轴112为空心转轴，所述空心转轴用用实现内部走线。

一种七轴机械臂，包括上述的关节驱动模块，还包括基座31、第一机械臂32、第二机械臂33、第三机械臂34、第四机械臂35、第五机械臂36及第六机械臂37；其中，在所述基座31与所述第一机械臂32之间、所述第一机械臂32与所述第二机械臂33之间、所述第二机械臂33与所述第三机械臂34之间、所述第三机械臂34与所述第四机械臂35之间、所述第四机械臂35与所述第五机械臂36之间、所述第五机械臂36与所述第六机械臂37之间及所述第六机械臂37端部安装所述关节驱动模块。

进一步地，将所述基座31与所述第一机械臂32之间、所述第一机械臂32与所述第二机械臂33之间、所述第二机械臂33与所述第三机械臂34之间、所述第三机械臂34与所述第四机械臂35之间、所述第四机械臂35与所述第五机械臂36之间、所述第五机械臂36与所述第六机械臂37之间及所述第六机械臂37端部安装的所述关节驱动模块分别定义为第一关节驱动模块311、第二关节驱动模块321、第三关节驱动模块331、第四关节驱动模块341、第五关节驱动模块351、第六关节驱动模块361及第七关节驱动模块371；其中，第一关节驱动模块311至第七关节驱动模块371仅尺寸大小区分；当所述基座31、所述第一机械臂32、所述第二机械臂33、所述第三机械臂34、所述第四机械臂35、所述第五机械臂36及所述第六机械臂37的中心轴平行时(也称全伸展状态时)，所述第一关节驱动模块311、所述第五关节驱动模块351及所述第七关节驱动模块371的所述转子转轴112平行设置，所述第二关节驱动模块321、第三关节驱动模块331、第四关节驱动模块341及所述第六关节驱动模块361的所述转子转轴112平行设置，且所述第一关节驱动模块311、所述第五关节驱动模块351及所述第七关节驱动模块371的所述转子转轴112与所述第二关节驱动模块321、第三关节驱动模块331、第四关节驱动模块341及所述第六关节驱动模块361的所述转子转轴112垂直设置；进一步说明，所述第一关节驱动模块311所在的位置为七轴机械臂的第一关节，其对应的旋转平面为第一关节旋转平面A；所述第二关节驱动模块321所在的位置为七轴机械臂的第二关节，其对应的旋转平面为第二关节旋转平面B；……；以此类推，所述第七关节驱动模块371所在的位置为七轴机械臂的第七关节，其对应的旋转平面为第七关节旋转平面G；各个关节的转子转轴112垂直于其相应的旋转平面；即将所述第一关节、所述第五关节及所述第七关节设置为转动关节，将所述第二关节、所述第三关节、所述第四关节及所述第六关节设置为摆动关节；为进一步说明，参见图3，当所述七轴机械臂处于全伸展状态时，各旋转平面的位置关系；相较于在现有技术中七轴关节型机器人均将第一关节、第三关节、第五关节和第七关节设置为转动关节，将第二关节、第四关节和第六关节设置为摆动关节的布置方式，此种布置方式可使机器人既保证足够的臂展和覆盖范围，又可以避免单个臂管尺寸过长，特别是第二至第五机械臂的尺寸，能够灵活实现各种复杂的动作，从而扩大灵活检测覆盖范围，也能够提高机器人在狭窄空间中的应用效果。

进一步地，上述布置方式可通过将所述第三关节单独设置角度参数的方式将七轴机械臂运动学反解和动力学反解中的7自由度变为6自由度，从而避免7自由度机械臂反解无数结果，从而避免七轴机械臂在笛卡尔坐标系下重复相同的点对点运动时七轴机械臂各关节每次的运动路径不同，进而有效降低求解的难度和提高七轴机械臂重复运动时各关节多次动作时路径的一致性。

更进一步地，所述第二机械臂33、所述第三机械臂34、所述第四机械臂35、所述第五机械臂36及所述第六机械臂37的臂长比为5：5：3：2：2；类似比例的尺寸布置方式使机器人既保证足够的臂展和覆盖范围，又可以避免单个臂管尺寸过长，能够灵活实现各种复杂的动作，从而扩大灵活检测覆盖范围，也能够提高机器人在狭窄空间中的应用效果。如上所述，单独更改机械臂关节布置方式和单独更改机械臂臂长比例均有助于机器人实现上述有益效果，同时更改两种方式可实现更好的有益效果。

优选地，各机械臂外形轮廓成弧形圆柱体，保证机构刚性的前提下，缩小尺寸，降低重量。各机械臂与关节驱动模块连接处采用弧形光滑过渡，增加结构强度。如图2所示，各机械臂采用中空结构，各驱动关节模块连接线通过臂管内部走线，为整个机器人提供电源和信号传输线路，机械臂内部还可走外部负载的部分线缆，对于提高机械臂使用灵活度及扩展使用场景具有较大帮助；优选地，所述中空管状结构采用轻质而韧性强的复合材料或者碳纤维材料制备；各驱动关节模块在各机械臂相互对接处通过关节密封圈38实现对接缝隙的防水防尘，其外侧扣上关节扣盖39，达到初步防护和美观的效果。

优选地，所述七轴机械臂的主控制器采用嵌入式开发，结构紧凑，安装在所述基座31中，实现七轴机械臂的主控制器与本体结构的一体化，整机更加轻量化，提高控制通讯的效率和可靠性。

一种机器人，包括上述的七轴机械臂。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种关节驱动模块，包括第一关节模块及第二关节模块，其特征在于：所述第一关节模块包括驱动电机，所述驱动电机包括电机转子及电机定子；所述电机转子包括转子机座、转子转轴及转子绕组，所述转子转轴及所述转子绕组同轴设置且分别与所述转子机座固定连接；所述电机定子包括定子机座及定子绕组，所述定子绕组与所述定子机座固定连接；

所述转子转轴套接在所述定子机座及所述第二关节模块中心；其中，所述转子转轴与所述定子机座转动连接，所述转子转轴与所述第二关节模块固定连接，所述定子机座与所述第二关节模块间隙设置；

所述定子绕组包括第一定子绕组及第二定子绕组，所述定子机座设置有环形开敞腔室；所述第一定子绕组、所述第二定子绕组及所述转子绕组同轴设置在所述环形开敞腔室内；其中，所述第一定子绕组设置在所述转子绕组的径向内侧，所述第二定子绕组设置在所述转子绕组的径向外侧，所述第一定子绕组与所述第二定子绕组均与所述转子绕组间隙设置。

2.根据权利要求1所述的关节驱动模块，其特征在于：所述第一关节模块还包括用于检测并记录所述关节驱动模块角度信息及位置信息的编码器，所述编码器分别与所述转子转轴及所述定子机座固定连接；所述第二关节模块包括关节模块本体及关节驱动控制器，所述关节驱动控制器安装在所述关节模块本体上；所述关节驱动控制器与所述编码器电连接，以读取所述关节驱动模块的角度信息及位置信息。

3.根据权利要求1所述的关节驱动模块，其特征在于：所述环形开敞腔室包括第一环形侧壁及第二环形侧壁，第一环形侧壁及第二环形侧壁与所述转子转轴同轴设置且所述第一环形侧壁设置在所述第二环形侧壁的径向内侧；所述环形开敞腔室的开口方向背离所述第二关节模块设置，且在所述环形敞腔室的开口处，所述第二环形侧壁相对所述第一环形侧壁凸出设置；所述转子机座设置在所述转子转轴背离所述第二关节模块的轴向一端，且与所述环形开敞腔室的开口相对设置；所述转子转轴与所述第一环形侧壁转动连接，所述转子机座与所述第二环形侧壁转动连接。

4.根据权利要求2所述的关节驱动模块，其特征在于：所述关节模块本体设置有中心通孔，所述转子转轴通过所述中心通孔与所述第二关节模块同轴设置，且所述转子转轴为空心转轴。

5.根据权利要求3所述的关节驱动模块，其特征在于：所述转子转轴与所述第一环形侧壁之间以及所述转子机座与所述第二环形侧壁之间设置有轴承。

6.根据权利要求3所述的关节驱动模块，其特征在于：所述环形开敞腔室的开口处安装有封盖，所述封盖与所述第二环形侧壁固定连接。

7.一种七轴机械臂，其特征在于：包括权利要求1至6任一项所述的关节驱动模块，还包括基座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂、第五机械臂及第六机械臂；其中，在所述基座与所述第一机械臂之间、所述第一机械臂与所述第二机械臂之间、所述第二机械臂与所述第三机械臂之间、所述第三机械臂与所述第四机械臂之间、所述第四机械臂与所述第五机械臂之间、所述第五机械臂与所述第六机械臂之间及所述第六机械臂端部安装所述关节驱动模块。

8.根据权利要求7所述的七轴机械臂，其特征在于：将所述基座与所述第一机械臂之间、所述第一机械臂与所述第二机械臂之间、所述第二机械臂与所述第三机械臂之间、所述第三机械臂与所述第四机械臂之间、所述第四机械臂与所述第五机械臂之间、所述第五机械臂与所述第六机械臂之间及所述第六机械臂端部安装的所述关节驱动模块分别定义为第一关节驱动模块、第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块、第五关节驱动模块、第六关节驱动模块及第七关节驱动模块；当所述基座、所述第一机械臂、所述第二机械臂、所述第三机械臂、所述第四机械臂、所述第五机械臂及所述第六机械臂的中心轴平行时，所述第一关节驱动模块、所述第五关节驱动模块及所述第七关节驱动模块的所述转子转轴平行设置，所述第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块及所述第六关节驱动模块的所述转子转轴平行设置，且所述第一关节驱动模块、所述第五关节驱动模块及所述第七关节驱动模块的所述转子转轴与所述第二关节驱动模块、第三关节驱动模块、第四关节驱动模块及所述第六关节驱动模块的所述转子转轴垂直设置。

9.根据权利要求7所述的七轴机械臂，其特征在于：所述第二机械臂、所述第三机械臂、所述第四机械臂、所述第五机械臂及所述第六机械臂的臂长比为5：5：3：2：2。

10.一种机器人，其特征在于：包括权利要求7至9任一项所述的七轴机械臂。

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