CN212736068U - 一种带力矩传感器的关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带力矩传感器的关节，包括谐波减速器、无框电机组件、扭矩传感器组件、刹车制动组件、增量式光电编码器组件、罩盖和外壳，所述谐波减速器、无框电机组件、刹车制动组件、增量式光电编码器组件均位于外壳内部，所述罩盖位于外壳一端并与外壳固定连接，所述谐波减速器通过螺钉固定安装在外壳内部，所述无框电机组件包括定子、永磁体转子。本实用新型通过将扭矩传感器直接安装关节的输出端，直接检测外负载力矩，并反馈给上层控制器，扭矩传感器直接检测力矩，减少中间因素的影响，精度高，灵敏度高，响应快，提高了机械臂的力控精度和灵敏度，机械臂控制性能得到提高，进而改善机械臂碰撞检测及安全性能。

Description

一种带力矩传感器的关节

技术领域

本实用新型涉及机器人相关技术领域，具体为一种带力矩传感器的关节。

背景技术

随着机器人向系统应用的方向发展，人机协作越来越重要，协作机器人已成为机器人学研究领域的热点之一；目前，协作机器人普遍由模块化、系列化的关节模组搭建而成，因此关节成为协作机器人设计和研究的重点。协作机器人一般都具有碰撞检测等安全功能以及自由拖动的示教功能，这两个功能和其他部分功能均要求机械臂具有良好的力/力矩检测与反馈能力，包括力/力矩检测精度，响应速度等；力/力矩的检测均需要通过关节向机械臂上层反馈。

传统关节模组一般由以下几部分组成：谐波减速器、无框电机、制动刹车组件、光电编码器、磁编码器、驱控电路板、外壳等；其搭建而成的机械臂一般通过关节电机电流结合部分补偿等来实现关节力矩的估算，电机电流估算机械臂力矩一般精度不高，其影响因素有很多：电流采样精度、电机本体制造、摩擦识别等，因此导致机械臂碰撞检测灵敏度降低，安全性大打折扣。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种带力矩传感器的关节，以解决上述背景技术中提到的传统关节模组采用电机电流估算关节力矩精度不高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种带力矩传感器的关节，包括谐波减速器、无框电机组件、扭矩传感器组件、刹车制动组件、增量式光电编码器组件、罩盖和外壳，所述谐波减速器、无框电机组件、刹车制动组件、增量式光电编码器组件均位于外壳内部，所述罩盖位于外壳一端并与外壳固定连接，所述谐波减速器通过螺钉固定安装在外壳内部，所述无框电机组件包括定子和永磁体转子，所述永磁体转子安装在谐波减速器的输入轴上，所述定子呈环形设置在永磁体转子外部，所述外壳内部设有输出轴，所述输出轴与无框电机组件同轴转动。

优选的，所述扭矩传感器组件包括外圈挡板、输出端盖、输出轴法兰、扭矩传感器、转接轴、内圈挡板、交叉滚子轴承，所述转接轴通过螺钉与谐波减速器输出端的刚轮固定连接，所述扭矩传感器一端与转接轴固定连接，所述扭矩传感器另一端与输出端盖固定连接，所述交叉滚子轴承安装在扭矩传感器外侧，所述交叉滚子轴承一侧通过输出端盖和外圈挡板固定，所述交叉滚子轴承另一侧通过内圈挡板和外壳固定，所述输出轴法兰一侧表面与输出轴一端固定连接，所述输出轴法兰外环壁与输出端盖内壁固定连接。

优选的，所述刹车制动组件4位于无框电机组件一侧，所述刹车制动组件4为插销式式刹车装置，且刹车制动组件4包括电磁阀、刹车挡臂、波形垫圈和刹车挡轴。

优选的，所述外壳内部一端设有绝对式磁编码器，所述绝对式磁编码器包括磁栅码道和读头芯片，所述磁栅码道通过转轴与输出轴端处连接，所述转轴一侧设有固定支架，所述读头芯片安装在固定支架上。

优选的，所述外壳内部设有增量式光电编码器，所述增量式光电编码器包括码盘和读头，所述码盘安装在谐波减速器的输入轴上，所述读头安装在固定支架上。

优选的，所述外壳内部固定安装有束线架，所述束线架一侧设有驱动板，所述驱动板通过六角螺柱固定安装到外壳内部，所述驱动板与扭矩传感器通过线缆连接。

本实用新型提供了一种带力矩传感器的关节，具备以下有益效果：

(1)本实用新型通过在关节的输出端添加扭矩传感器，精确测量输出端负载扭矩，同时通过交叉滚子轴承，将扭矩之外的力、力矩传递到外壳上，保护扭矩触感器使其免于精度降低或者失效。

(2)本实用新型通过将扭矩传感器直接安装关节的输出端，直接检测外负载力矩，并反馈给上层控制器，扭矩传感器直接检测力矩，减少中间因素的影响，精度高，灵敏度高，响应快，提高了机械臂的力控精度和灵敏度，机械臂控制性能得到提高，进而改善机械臂碰撞检测及安全性能。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的剖面图结构示意图；

图3为本实用新型的左视图结构示意图；

图4为本实用新型的仰视图结构示意图。

图中：1、谐波减速器；2、定子；3、永磁体转子；4、刹车制动组件；5、增量式光电编码器；6、固定支架；7、绝对式磁编码器；8、转轴；9、驱动板；10、束线架；11、罩盖；12、外壳；13、输出轴；14、外圈挡板；15、输出端盖；16、输出轴法兰；17、扭矩传感器；18、转接轴；19、内圈挡板；20、交叉滚子轴承。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-4所示，本实用新型提供一种技术方案：一种带力矩传感器的关节，包括谐波减速器1、无框电机组件、扭矩传感器组件、刹车制动组件4、增量式光电编码器组件5、罩盖11和外壳12，所述谐波减速器1、无框电机组件、刹车制动组件4、增量式光电编码器组件5均位于外壳12内部，所述罩盖11位于外壳12一端并与外壳12固定连接，所述谐波减速器1通过螺钉固定安装在外壳12内部，所述无框电机组件包括定子2和永磁体转子3，所述永磁体转子3安装在谐波减速器1的输入轴上，所述定子2呈环形设置在永磁体转子3外部，所述外壳12内部设有输出轴13，所述输出轴13与无框电机组件同轴转动。

所述扭矩传感器组件包括外圈挡板14、输出端盖15、输出轴法兰16、扭矩传感器17、转接轴18、内圈挡板19、交叉滚子轴承20，所述转接轴18通过螺钉与谐波减速器1输出端的刚轮固定连接，所述扭矩传感器17一端与转接轴18固定连接，所述扭矩传感器17另一端与输出端盖15固定连接，所述交叉滚子轴承20安装在扭矩传感器17外侧，所述交叉滚子轴承20一侧通过输出端盖15和外圈挡板14固定，所述交叉滚子轴承20另一侧通过内圈挡板19和外壳12固定，所述输出轴法兰16一侧表面与输出轴13一端固定连接，所述输出轴法兰16外环壁与输出端盖15内壁固定连接，输出端盖15可以直接承受负载扭矩，扭矩传感器17在传递扭矩过程中检测到扭矩值，并反馈给控制器，扭矩传感器17不能承受过大除扭矩之外的弯矩、拉力、压力等，因此需要通过交叉滚子轴承20将这些负载传递到外壳12上，交叉滚子轴承20可以保证扭矩传感器17的精度，输出轴法兰16将输出端的旋转运动传递至绝对式磁编码器7。

所述刹车制动组件4位于无框电机组件一侧，所述刹车制动组件4为插销式式刹车装置，且刹车制动组件4包括电磁阀、刹车挡臂、波形垫圈和刹车挡轴，波形垫圈及刹车挡臂安装到关节模组的输入端，且波形垫圈被预压紧，预紧力使得波形垫圈和刹车挡臂之间存在摩擦力，旋转时产生摩擦力矩，摩擦力矩的大小决定了刹车性能，电磁阀通电状态下，推动刹车挡轴移动，此时刹车抱闸打开，刹车挡臂与刹车挡轴无法碰触；当电磁阀断电时，刹车挡轴在弹簧作用下弹起，此时刹车挡臂与刹车挡轴会碰触，从而起到刹车制动的作用。

所述外壳12内部一端设有绝对式磁编码器7，所述绝对式磁编码器7包括磁栅码道和读头芯片，所述磁栅码道通过转轴8与输出轴13端处连接，所述转轴8一侧设有固定支架6，所述读头芯片安装在固定支架6上，利用绝对式磁编码器7读取码道信息，输出关节模组输出端位置及速度信息，并反馈给控制器。

所述外壳12内部设有增量式光电编码器5，所述增量式光电编码器5包括码盘和读头，所述码盘安装在谐波减速器1的输入轴上，所述读头安装在固定支架6上，通过光电读头读取码盘信息，输出A、B、I三相信号，增量式光电编码器5主要检测电机的位置和速度，并反馈给控制器。

所述外壳12内部固定安装有束线架10，所述束线架10一侧设有驱动板9，所述驱动板9通过六角螺柱固定安装到外壳12内部，所述驱动板9与扭矩传感器17通过线缆连接，驱动板9主要对电机进行驱动和控制，进而控制关节模组的输出性能，束线架10主要整理关节模组内的线束，扭矩传感器17须通过线缆与驱动板9连接，为了方便走线和接线，输出轴13一端需开有缺口，将线缆通过中心孔引入驱动板9。

需要说明的是，一种带力矩传感器的关节，装配时，首先将电机定子2装入外壳12的设计位置，再将永磁体转子3粘贴到谐波减速器1的凸轮轴上；然后将谐波减速器1组件安装到外壳12孔内；接着将转接轴18安装到谐波减速器1的输出端刚轮上，再将扭矩传感器17安装到转接轴18上，并且将扭矩传感器17线缆通过输出轴13内孔走到驱动板9方向；然后将交叉滚子轴承20内圈安装到输出端盖15和内圈挡板19上，组配好的交叉滚子轴承20外圈安装到外壳12孔中，再用外圈挡板14固定；输出端盖15通过螺丝固定到扭矩传感器17上；接着安装输出轴法兰16至输出端盖15上，再与输出配合后紧固，至此输出端部分已安装完毕，另一端按照刹车制动组件4、增量式光电编码器5、固定支架6、绝对式磁编码器7、驱动板9、束线架10、罩盖11的顺序逐层安装，完成装配；在工作时，无框电机带动谐波减速器1输入轴旋转，经谐波减速器1减速后带动外负载工作，输出端扭矩传感器17测量外负载转矩，同时通过交叉滚子轴承20，将扭矩之外的力/力矩传递到外壳上，并将检测到的力矩反馈给上层控制器，力矩传感器17直接检测力矩，减少中间因素的影响，精度高，灵敏度高，响应快，提高了机械臂的力控精度和灵敏度，机械臂控制性能得到提高，进而改善机械臂碰撞检测及安全性能，便于使用。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种带力矩传感器的关节，其特征在于，包括谐波减速器(1)、无框电机组件、扭矩传感器组件、刹车制动组件(4)、增量式光电编码器组件、罩盖(11)和外壳(12)，所述谐波减速器(1)、无框电机组件、刹车制动组件(4)、增量式光电编码器组件均位于外壳(12)内部，所述罩盖(11)位于外壳(12)一端并与外壳(12)固定连接，所述谐波减速器(1)通过螺钉固定安装在外壳(12)内部，所述无框电机组件包括定子(2)和永磁体转子(3)，所述永磁体转子(3)安装在谐波减速器(1)的输入轴上，所述定子(2)呈环形设置在永磁体转子(3)外部，所述外壳(12)内部设有输出轴(13)，所述输出轴(13)与无框电机组件同轴转动。

2.根据权利要求1所述的一种带力矩传感器的关节，其特征在于：所述扭矩传感器组件包括外圈挡板(14)、输出端盖(15)、输出轴法兰(16)、扭矩传感器(17)、转接轴(18)、内圈挡板(19)、交叉滚子轴承(20)，所述转接轴(18)通过螺钉与谐波减速器(1)输出端的刚轮固定连接，所述扭矩传感器(17)一端与转接轴(18)固定连接，所述扭矩传感器(17)另一端与输出端盖(15)固定连接，所述交叉滚子轴承(20)安装在扭矩传感器(17)外侧，所述交叉滚子轴承(20)一侧通过输出端盖(15)和外圈挡板(14)固定，所述交叉滚子轴承(20)另一侧通过内圈挡板(19)和外壳(12)固定，所述输出轴法兰(16)一侧表面与输出轴(13)一端固定连接，所述输出轴法兰(16)外环壁与输出端盖(15)内壁固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种带力矩传感器的关节，其特征在于：所述刹车制动组件(4)位于无框电机组件一侧，所述刹车制动组件(4)为插销式式刹车装置，且刹车制动组件(4)包括电磁阀、刹车挡臂、波形垫圈和刹车挡轴。

4.根据权利要求1所述的一种带力矩传感器的关节，其特征在于：所述外壳(12)内部一端设有绝对式磁编码器(7)，所述绝对式磁编码器(7) 包括磁栅码道和读头芯片，所述磁栅码道通过转轴(8)与输出轴(13)端处连接，所述转轴(8)一侧设有固定支架(6)，所述读头芯片安装在固定支架(6)上。

5.根据权利要求1所述的一种带力矩传感器的关节，其特征在于：所述外壳(12)内部设有增量式光电编码器(5)，所述增量式光电编码器(5)包括码盘和读头，所述码盘安装在谐波减速器(1)的输入轴上，所述读头安装在固定支架(6)上。

6.根据权利要求1所述的一种带力矩传感器的关节，其特征在于：所述外壳(12)内部固定安装有束线架(10)，所述束线架(10)一侧设有驱动板(9)，所述驱动板(9)通过六角螺柱固定安装到外壳(12)内部，所述驱动板(9)与扭矩传感器(17)通过线缆连接。

Images