CN213106847U - 一种扁平机器人关节模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种扁平机器人关节模块，包括外转子电机组件和谐波减速器组件，外转子电机组件将电能转换成旋转动能，产生旋转运动输出至谐波减速器组件；谐波减速器组件对外转子电机组件输出的旋转运动进行减速；谐波减速器组件套接于外转子电机组件的外层，并形成位于同一平面的套环结构，谐波减速器组件形成套环结构的外环，外转子电机组件形成所述套环结构的内环。本实用新型的结构紧凑，在一个平面将电机和减速器进行整合，作为服务机器人、工业机器人和协作机器人的关节模块，具有很好的操作性和通用性，具有广泛推广意义。

Description

一种扁平机器人关节模块

技术领域

本实用新型涉及机器人关节轴，具体地，涉及一种扁平机器人关节模块。

背景技术

目前机器人关节部分由电机、减速器和编码器组成，结构复杂，安装繁复，体积较大；例如，经检索发现，申请号为201910598984.0的中国专利，公开了一种关节模块，包括凸轮轴、壳体、电机及减速器，凸轮轴穿设于壳体且能够相对壳体转动，壳体形成有容纳部，电机设于容纳部并用于带动凸轮轴转动，凸轮轴包括相连接的主体部和凸轮部，主体部开设有供连接线穿过的通孔，凸轮的截面呈椭圆形，减速器包括柔性轴承、柔轮及钢轮，柔性轴承套设于凸轮轮并贴合于柔轮的内壁，刚轮套设于柔轮并与壳体固定连接。

但是上述专利存在以下不足：电机和减速器没有成为一个平面，无法将整个关节部分的厚度降到最低。使用凸轮转动，电机和减速器之间产生背隙，从而影响整个关节部分的重复定位精度。而且没有将编码器、驱动控制器与整个关节部分进行整合。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种扁平机器人关节模块。

根据本实用新型提供一种扁平机器人关节模块，外转子电机组件和谐波减速器组件，所述外转子电机组件将电能转换成旋转动能，产生旋转运动输出至所述谐波减速器组件；所述谐波减速器组件对所述外转子电机组件输出的旋转运动进行减速；其特征在于：

所述谐波减速器组件套接于所述外转子电机组件的外层，并形成位于同一平面的套环结构，所述谐波减速器组件形成所述套环结构的外环，所述外转子电机组件形成所述套环结构的内环。

优选地，还包括深沟滚珠轴承，所述深沟滚珠轴承用于支撑所述外转子电机组件的转子部分，使所述外转子电机组件可相对于所述谐波减速器组件转动。

优选地，所述谐波减速器组件为中空的环形构件，所述外转子电机组件为柱状构件，所述谐波减速器组件套接于所述外转子电机组件的外层，并通过所述深沟滚珠轴承连接形成位于同一平面的套环结构。

优选地，所述外转子电机组件包括外框电机绕组、磁钢、磁轭、电机转子、第二轴承和转轴；其中：

所述外框电机绕组位于所述磁钢的内层，用于产生磁场，所述外框电机绕组与所述磁钢进行电磁力的斥力运动，使所述电机转子旋转；

所述磁轭位于所述磁钢的外层，用于疏导磁力线；

所述电机转子位于所述磁钢、所述磁轭的一端，所述电机转子与所述磁钢、所述磁轭连接，用于输出所述磁钢和所述磁轭的旋转运动，所述电机转子与所述转轴的后端通过所述第二轴承连接。

优选地，所述外转子电机组件还包括机壳、第一轴承，所述机壳与所述转轴的前端通过所述第一轴承连接；所述机壳以及位于所述机壳内的所述第一轴承、所述外框电机绕组、所述磁钢、所述磁轭、所述电机转子、所述第二轴承、所述转轴轴向连接成一体结构。

优选地，所述转轴的端子上设置圆柱形的磁铁，作为磁编码器的位置速度基准。

优选地，所述关节模块还包括驱动控制板，所述驱动控制板为整个关节模块提供驱动电流，通过接受外部的通讯命令，控制所述外转子电机组件的速度环、电流环和位置环。

优选地，所述驱动控制板包括通讯部件、处理器和驱动部件，所述处理器的输入端与所述通讯部件的输出端连接，输出端与所述驱动部件的输入端连接，所述驱动部件的输入端与所述处理器的输出端连接，输出端与所述外转子电机组件的输入端连接；其中：

所述通讯部件接收外部的关于所述关节模块运动状态的工作模式命令；

所述处理器根据所述通讯部件的所述关节模块运动状态的工作模式，输出对应的脉冲宽度调制电压信号，对所述外转子电机组件进行位置环、速度环和电流环的操控，并实时监测所述外转子电机组件的电流大小、电机旋转速度和电机旋转位置；

所述驱动部件将所述处理器输出的脉冲宽度调制电压信号转化成具有电流强度的电能提供给所述外转子电机组件，使所述外转子电机组件进行旋转运动输出。

优选地，所述驱动控制板还包括编码器，所述编码器的中心与所述外转子电机组件的所述转轴的轴向重合，所述编码器用于检测磁铁的磁场情况从而解算出当前所述转轴旋转的角度以及计算出所述转轴旋转的速度和加速度。

优选地，所述谐波减速器组件包括谐波输出法兰、柔轮和波发生器；其中：

所述谐波输出法兰内嵌有刚轮，所述刚轮与所述柔轮齿连接，用于接收所述柔轮输出的旋转运动并输出扭矩；

所述柔轮与所述波发生器连接，通过所述波发生器使所述柔轮发生径向变形，引起所述刚轮与所述柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动，向所述谐波输出法兰输出所述旋转运动。

与现有技术相比，本实用新型具有如下至少一种的有益效果：

本实用新型上述模块结构紧凑，在一个平面将电机和减速器进行整合，可以使整个关节部分的厚度降到最低。

本实用新型上述模块进一步的将电机、减速器、驱动器、控制器和编码器整合在一个模块上，能确保整个关节部分的重复定位精度。

本实用新型上述模块能作为服务机器人、工业机器人和协作机器人的关节模块，具有很好的操作性和通用性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型一优选实施例的扁平机器人关节模块结构示意图；

图2为图1的爆炸图；

图3为本实用新型一优选实施例的驱动控制板的处理器电路原理图；

图4为本实用新型一优选实施例的驱动控制板的驱动部件电路原理图；

图5为本实用新型一优选实施例的外转子电机组件的结构示意图；

图6为图5的爆炸图；

图7为本实用新型一优选实施例的谐波减速器组件的结构示意图；

图8为图7的爆炸图；

图中：010为驱动控制板、020为外转子电机组件、021为机壳、022为第一轴承、023为外框电机绕组、024为磁钢、025为磁轭、026为电机转子、027为第二轴承、028为转轴、030为深沟滚珠轴承、040为谐波减速器组件、041为柔轮、042为波发生器、043为谐波输出法兰、044为谐波减速器外框。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

参照图1、图2所示，为实用新型一优选实施例的扁平机器人关节模块的结构示意图，图中包括外转子电机组件020和谐波减速器组件040，外转子电机组件020将电能转换成旋转动能，产生具有一定转速和扭矩的旋转运动输出至谐波减速器组件040；谐波减速器组件040接收外转子电机组件020提供的旋转运动，并进行一定比例的转速降低和扭矩提高。谐波减速器组件040套接于外转子电机组件020的外层，并形成位于同一平面的套环结构，谐波减速器组件040形成套环结构的外环，外转子电机组件020形成套环结构的内环。

在其他部分优选实施例中，扁平机器人关节模块还包括深沟滚珠轴承030，深沟滚珠轴承030用于支撑外转子电机组件020的转子部分，使外转子电机组件020可相对于谐波减速器组件040转动。

在其他部分优选实施例中，参照图2所示，谐波减速器组件040为中空的环形构件。外转子电机组件020为柱状构件。外转子电机组件020的柱状构件与谐波减速器组件040的中空部位的内径、长度相匹配；谐波减速器组件040套接于外转子电机组件020的外层，并通过深沟滚珠轴承030连接形成位于同一平面的套环结构。

在其他部分优选实施例中，扁平机器人关节模块还包括驱动控制板010，驱动控制板010为整个关节模块提供驱动电流，通过接受外部的通讯命令，控制外转子电机组件020的速度环、电流环和位置环。

在其他部分优选实施例中，驱动控制板010设置于外转子电机组件020的一侧，与外转子电机组件020连接为一体，驱动控制板010直接作为外转子电机组件020和谐波减速器组件040的端盖，与外转子电机组件020连接，对外转子电机组件020的电机绕组提供电能，接受外转子电机组件020的转轴028上包含的编码器进行速度环和位置环的控制，检测外转子电机组件020的外框电机绕组023的电流，进行电流环控制和过流保护。

驱动控制板010包括通讯部件、处理器和驱动部件；其中，处理器为现有部件，是具备一定计算和通讯能力的芯片，该芯片可以采用U48，型号是dsPIC30F4011的市售产品。

参照图3所示，为处理器的电路原理图，处理器的输入端与通讯部件的输出端连接，输出端与驱动部件的输入端连接，驱动部件的输入端与处理器的输出端连接，输出端与外转子电机组件020的输入端连接。

通讯部件接收外部的关于关节模块运动状态的工作模式命令；通讯部件接受外部命令，将外部命令解析成扁平机器人关节模块运动的工作模式，包括但不限于以下工作模式：速度环运动模式、位置环运动模式、电流环运动模式，并将扁平机器人关节模块的运动状态进行输出，通讯部件通讯总线包括但不限于以下总线：CAN总线、485总线、RS232总线、EtherCAT总线。

处理器根据通讯部件的关节模块运动状态的工作模式，输出对应的脉冲宽度调制电压信号，对外转子电机组件020进行位置环、速度环和电流环的操控，即通过控制外转子电机组件020旋转的角度从而控制输出的位置；通过控制外转子电机组件020旋转的速度从而控制输出的速度；以及通过控制外转子电机组件020的电流强度从而控制输出的扭矩。并实时监测外转子电机组件020的电流大小、电机旋转速度和电机旋转位置，从而对外转子电机的速度环或位置环的控制起到反馈作用。

驱动部件为现有部件，参照图4所示为驱动部件电路原理图，包括对应U50(U50可以采用型号为IR2101芯片的市售产品)、T2(T2可以采用IRFR2407芯片的市售产品)和T3(T3可以采用IRFR2407芯片的市售产品)芯片为主的电路。驱动部件将处理器输出的PWM(脉冲宽度调制)电压信号转化成具有一定电流强度的电能给外转子电机组件020，使得外转子电机组件020进行旋转运动输出。驱动部件包括但不限于以下驱动模式：MOSFET驱动、IGBT驱动、晶闸管、三极管或可控硅。

在其他部分优选实施例中，驱动控制板010还包括编码器，编码器位于驱动控制板010的正中心，编码器的中心与转轴028的轴向重合，转轴028末端安装圆柱形的磁铁，编码器检测磁铁的磁场情况从而解算出当前转轴028旋转的角度以及计算出转轴028旋转的速度和加速度。

在其他部分优选实施例中，参照图5、图6所示，外转子电机组件020由机壳021、第一轴承022、外框电机绕组023、磁钢024、磁轭025、电机转子026、第二轴承027和转轴028组成，其中：转轴028将机壳021、第一轴承022、外框电机绕组023、磁钢024、磁轭025、电机转子026和第二轴承027进行轴向连接成一体结构。外转子电机组件020由第一轴承022、外框电机绕组023、磁钢024、磁轭025、电机转子026、第二轴承027和转轴028形成了柱状构件。参照图6所示，外框电机绕组023位于磁钢024的内层，用于产生磁场。磁轭025位于磁钢024的外层，用于疏导磁力线。电机转子026位于磁钢024、磁轭025的一端，电机转子026与磁钢024、磁轭025连接，用于输出磁钢024和磁轭025的旋转运动。电机转子026与转轴028的后端通过第二轴承027连接。机壳021位于柱状构件的一侧，为外转子电机组件020的外壳，起到保护作用。

第一轴承022将机壳021和转轴028前端进行连接，起到支撑作用。外框电机绕组023是一种缠绕了对称线圈的绕组，当给绕组施加电能，测产生磁场。磁钢024是一种具备永磁特性的合金，当电机转子026运动到特定位置的磁钢024时，线圈通电并产生磁场，与磁钢024进行电磁力的斥力运动，使得电机转子旋转。磁轭025是一种不生产磁场、在磁路中只起磁力线传输的软磁材料，进行磁力线的疏导。电机转子026与磁钢024和磁轭025连接，将磁钢024和磁轭025的旋转运动进行输出。第二轴承027将电机转子026和转轴028后端进行连接，起到支撑作用。

转轴028的端子上设置圆柱形的磁铁，作为驱动控制板010的编码器的位置速度基准。

磁钢024包括但不限于以下材质：稀土永磁材料(钕铁硼Nd2Fe14B)、钐钴(SmCo)、铝镍钴(AlNiCo)和铁氧体永磁材料(Ferrite)。

在其他部分优选实施例中，参照图7、图8所示，谐波减速器组件040由柔轮041、波发生器042、谐波输出法兰043和谐波减速器外框044组成中空的环形构件，其中：谐波输出法兰043和柔轮041同轴心，与柔轮041形成内外齿轮连接；谐波输出法兰043内嵌有刚轮，刚轮与柔轮041齿连接。柔轮041是一种可以发生形变的柔性齿轮，产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮041的齿间相对错齿来传递动力和运动。波发生器042是一种主动件，由一个椭圆盘和一个柔性球轴承组成，或者也可以由一个两端均带有滚子的转臂组成，具有使柔轮041发生径向变形的功能。波发生器042套接在柔轮041上，通过波发生器042使柔轮041发生径向变形，引起刚轮与柔轮041的齿间相对错齿来传递动力和运动，向谐波输出法兰043输出旋转运动。谐波输出法兰043接受柔轮041输出的旋转运动并进行扭矩输出。谐波减速器外框044对整个谐波减速器组件040进行保护。

本实用新型的结构紧凑，在一个平面将电机和减速器进行整合，并将电机、减速器、驱动器、控制器和编码器整合在一个模块上，作为服务机器人、工业机器人和协作机器人的关节模块，具有很好的操作性和通用性，具有广泛推广意义。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种扁平机器人关节模块，包括：外转子电机组件和谐波减速器组件，所述外转子电机组件将电能转换成旋转动能，产生旋转运动输出至所述谐波减速器组件；所述谐波减速器组件对所述外转子电机组件输出的旋转运动进行减速；其特征在于：

所述谐波减速器组件套接于所述外转子电机组件的外层，并形成位于同一平面的套环结构，所述谐波减速器组件形成所述套环结构的外环，所述外转子电机组件形成所述套环结构的内环。

2.根据权利要求1所述的扁平机器人关节模块，其特征在于：还包括深沟滚珠轴承，所述深沟滚珠轴承用于支撑所述外转子电机组件的转子部分，使所述外转子电机组件可相对于所述谐波减速器组件转动。

3.根据权利要求2所述的扁平机器人关节模块，其特征在于：所述谐波减速器组件为中空的环形构件，所述外转子电机组件为柱状构件，所述谐波减速器组件与所述外转子电机组件通过所述深沟滚珠轴承连接形成位于同一平面的套环结构。

4.根据权利要求1所述的一种扁平机器人关节模块，其特征在于：所述外转子电机组件包括外框电机绕组、磁钢、磁轭、电机转子、第二轴承和转轴；其中：

所述外框电机绕组位于所述磁钢的内层，用于产生磁场，所述外框电机绕组与所述磁钢进行电磁力的斥力运动，使所述电机转子旋转；

所述磁轭位于所述磁钢的外层，用于疏导磁力线；

所述电机转子位于所述磁钢、所述磁轭的一端，所述电机转子与所述磁钢、所述磁轭连接，用于输出所述磁钢和所述磁轭的旋转运动，所述电机转子与所述转轴的后端通过所述第二轴承连接。

5.根据权利要求4所述的一种扁平机器人关节模块，其特征在于：所述外转子电机组件还包括机壳、第一轴承，所述机壳与所述转轴的前端通过所述第一轴承连接；所述机壳以及位于所述机壳内的所述第一轴承、所述外框电机绕组、所述磁钢、所述磁轭、所述电机转子、所述第二轴承、所述转轴轴向连接成一体结构。

6.根据权利要求4所述的一种扁平机器人关节模块，其特征在于：所述转轴的端子上设置圆柱形的磁铁，作为磁编码器的位置速度基准。

7.根据权利要求6所述的扁平机器人关节模块，其特征在于：所述关节模块还包括驱动控制板，所述驱动控制板为整个关节模块提供驱动电流，通过接受外部的通讯命令，控制所述外转子电机组件的速度环、电流环和位置环。

8.根据权利要求7所述的一种扁平机器人关节模块，其特征在于：所述驱动控制板包括通讯部件、处理器和驱动部件，所述处理器的输入端与所述通讯部件的输出端连接，输出端与所述驱动部件的输入端连接，所述驱动部件的输入端与所述处理器的输出端连接，输出端与所述外转子电机组件的输入端连接；其中：

所述通讯部件接收外部的关于所述关节模块运动状态的工作模式命令；

所述处理器根据所述通讯部件的所述关节模块运动状态的工作模式，输出对应的脉冲宽度调制电压信号，对所述外转子电机组件进行位置环、速度环和电流环的操控，并实时监测所述外转子电机组件的电流大小、电机旋转速度和电机旋转位置；

所述驱动部件将所述处理器输出的脉冲宽度调制电压信号转化成具有电流强度的电能提供给所述外转子电机组件，使所述外转子电机组件进行旋转运动输出。

9.根据权利要求7所述的一种扁平机器人关节模块，其特征在于：所述驱动控制板还包括编码器，所述编码器的中心与所述外转子电机组件的所述转轴的轴向重合，所述编码器用于检测磁铁的磁场情况从而解算出当前所述转轴旋转的角度以及计算出所述转轴旋转的速度和加速度。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种扁平机器人关节模块，其特征在于：所述谐波减速器组件包括谐波输出法兰、柔轮和波发生器；其中：

所述谐波输出法兰内嵌有刚轮，所述刚轮与所述柔轮齿连接，用于接收所述柔轮输出的旋转运动并输出扭矩；

所述柔轮与所述波发生器连接，通过所述波发生器使所述柔轮发生径向变形，引起所述刚轮与所述柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动，向所述谐波输出法兰输出所述旋转运动。

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