CN214265641U - 准直驱关节及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请属于机器人关节技术领域，尤其涉及一种准直驱关节及机器人。该准直驱关节中，电机组件的电机轴连接于行星减速器的太阳轮，行星轮同时与太阳轮、内齿轮相啮合，行星轴连接行星轮与行星架。在工作时，电机轴带动太阳轮高速转动，太阳轮带动行星轮转动，行星轮与内齿轮啮合传动，进而使行星轴带动行星架低速转动并输出力矩。设置电机端传感器检测电机轴的转动位置，实现对电机轴位置的校正。该准直驱关节采用行星减速器，减速比大，传动效率高，使该准直驱关节反驱力矩小，适用于机器人力矩控制的情景。该准直驱关节具有通用性强、集成度高、功率密度大、传动效率高、转动惯量小、反驱性能好、耐冲击、成本低的特点。

Description

准直驱关节及机器人

技术领域

本申请属于机器人关节技术领域，尤其涉及一种准直驱关节及机器人。

背景技术

随着机器人控制技术的发展，对驱动器的控制要求也出现了变化，从位置控制到力位混合控制和阻抗控制，要求驱动器能实现力矩控制。力控关节基于不同的原理也出现了不同的形式，准直驱、直驱、串联弹性驱动器、基于力传感器的刚性驱动器。准直驱相比直驱具有更高的力矩密度，相比串联弹性驱动器能实现更高的力控带宽，且能达到更高的速度，相比基于力传感器的刚性驱动器结构复杂程度和成本大大降低，且准直驱基于本体低阻抗的特点实现了应对冲击的鲁棒性。如何获得一种力矩控制性能良好的准直驱关节成为业界亟需解决的问题。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种准直驱关节及机器人，以解决现有技术难以获得一种力矩控制性能良好的准直驱关节的技术问题。

本申请实施例提供一种准直驱关节，包括：

壳体；

电机组件，包括设于所述壳体内的定子、与所述定子同轴设置的转子及同轴固定于所述转子的电机轴；

行星减速器，包括同轴固定于所述电机轴的太阳轮、与所述太阳轮啮合的行星轮、固定于所述壳体上且与所述行星轮啮合的内齿轮、与所述太阳轮同轴设置且转动安装于所述壳体的行星架，以及用于连接所述行星轮与所述行星架的行星轴；以及

电机端传感器，用于检测所述电机轴的转动位置，所述电机端传感器与所述行星架分别位于所述电机组件在轴向方向的两侧。

可选地，所述壳体具有筒状部，所述内齿轮至少部分安装于所述筒状部内，所述行星架至少部分安装于所述内齿轮内。

可选地，所述行星架包括同轴间隔设置的第一环状部与第二环状部，以及连接在所述第一环状部与所述第二环状部之间的连接臂；所述行星轴的两端分别连接于所述第一环状部与第二环状部，所述行星轮转动安装于所述行星轴且位于所述第一环状部与第二环状部之间；

所述内齿轮的第一端具有第一环形壁；所述第一环状部通过第一轴承支承在所述第一环形壁，所述第二环状部通过第二轴承支承在所述筒状部的开口。

可选地，所述第一轴承的外圈相对所述第一环形壁浮动设置；

所述第一环状部具有用于安装第一轴承的安装槽，所述第一环状部设有第一环形端盖，所述第一轴承的内圈两端分别抵设于所述安装槽的端面与所述第一环形端盖。

可选地，所述电机轴上设有用于阻挡所述第一环形端盖的内孔与所述电机轴之间空隙的油封。

可选地，所述内齿轮的第二端具有第二环形壁，所述筒状部的开口边缘设有内凸缘，所述第二轴承的外圈两端分别抵设于所述第二环形壁的端面与所述内凸缘的端面；

所述第二环状部设有外凸缘，所述第二环状部设有第二环形端盖，所述第二轴承的内圈两端分别抵设于所述外凸缘的端面与所述第二环形端盖。

可选地，所述行星轮通过第三轴承支承在所述行星轴上。

可选地，所述行星减速器设于所述电机组件内，所述定子套设于所述筒状部外，所述转子套设于所述定子外；所述电机轴具有支架，所述转子安装于所述支架上。

可选地，所述壳体包括固定架及安装于所述固定架的尾盖，所述筒状部形成于所述固定架上；所述电机组件与所述行星减速器设于所述固定架内；所述尾盖具有与所述筒状部相对设置且供所述电机轴穿过的过孔。

可选地，所述太阳轮包括连接轴及设于所述连接轴的齿轮部，所述连接轴的第一端同轴固定于所述电机轴，所述连接轴的第二端通过第四轴承支承在所述行星架，所述电机轴通过第五轴承支承在所述壳体上。

本申请实施例提供一种机器人，包括上述的准直驱关节。

本申请实施例提供的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：该准直驱关节中，电机组件的电机轴连接于行星减速器的太阳轮，行星轮同时与太阳轮、内齿轮相啮合，行星轴连接行星轮与行星架。在工作时，电机轴带动太阳轮高速转动，太阳轮带动行星轮转动，行星轮与内齿轮啮合传动，进而使行星轴带动行星架低速转动并输出力矩。设置电机端传感器检测电机轴的转动位置，实现对电机轴位置的校正。该准直驱关节采用行星减速器，减速比大，传动效率高，使该准直驱关节反驱力矩小，适用于机器人力矩控制的情景。该准直驱关节具有通用性强、集成度高、功率密度大、传动效率高、转动惯量小、反驱性能好、耐冲击、成本低的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的准直驱关节的立体装配图；

图2为图1的准直驱关节的另一角度立体装配图；

图3为图1的准直驱关节的剖视图；

图4为图1的准直驱关节的立体分解图；

图5为图4的准直驱关节中的电机组件与电机端传感器的立体分解图；

图6为图4的准直驱关节中的行星减速器的立体分解图；

图7为图4的准直驱关节中的壳体的立体分解图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

请参阅图1、图2、图4，本申请实施例提供一种准直驱关节，包括壳体100、电机组件200、行星减速器300与电机端传感器400。结合图5，电机组件200包括设于壳体100内的定子210、与定子210同轴设置的转子220及同轴固定于转子220的电机轴230。结合图6，行星减速器300包括同轴固定于电机轴230的太阳轮310、与太阳轮310啮合的行星轮320、固定于壳体100上且与行星轮320啮合的内齿轮330、与太阳轮310同轴设置且转动安装于壳体100的行星架340，以及用于连接行星轮320与行星架340的行星轴350。结合图1、图2，电机端传感器400用于检测电机轴230的转动位置，电机端传感器400与行星架340分别位于电机组件200在轴向方向的两侧。

本申请提供的准直驱关节，与相关技术相比，电机组件200的电机轴230连接于行星减速器300的太阳轮310，行星轮320同时与太阳轮310、内齿轮330相啮合，行星轴350连接行星轮320与行星架340。在工作时，电机轴230带动太阳轮310高速转动，太阳轮310带动行星轮320转动，行星轮320与内齿轮330啮合传动，进而使行星轴350带动行星架340低速转动并输出力矩。设置电机端传感器400检测电机轴230的转动位置，实现对电机轴230位置的校正。该准直驱关节采用行星减速器300，减速比大，传动效率高，使该准直驱关节反驱力矩小，适用于机器人力矩控制的情景。该准直驱关节具有通用性强、集成度高、功率密度大、传动效率高、转动惯量小、反驱性能好、耐冲击、成本低的特点。

该准直驱关节采用行星减速器300传动效率高，能获得较好的力矩控制性能，反驱力矩小。行星减速器300中的行星架340与执行件连接，以驱动执行件工作。其中，执行件可以是机器人的手臂、腿部结构或其它结构。当外部冲击力由执行件传递至准直驱关节时，该准直驱关节的反驱力矩小，能保护关节内部机构以降低其损坏的可能性。当执行件受到人体或其它物件的阻力矩时，该准直驱关节的反驱力矩小，使准直驱关节能继续工作，而不是如常规传动效率低的关节由于反驱力矩大而停止工作。这些特性适用于机器人力矩控制的情景，给电机组件输入预定电流就能获得相应的输出力矩，而且无需设置力矩传感器去检测输出力矩以进行校正。

在设置电机组件200时，可选用外转子电机、分体式电机、永磁同步电机、直流无刷电机或其它形式。在定子210通电时产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子220将会转动，进而带动电机轴230转动。

在设置行星减速器300时，太阳轮310、行星轮320与内齿轮330可设为直齿轮、斜齿轮或其它形式齿轮。行星减速器300的级数可设为一级或多级，单级行星轮320的个数可设为一个或多个，以满足不同的传动比需求。示例性的，行星轮320设有三个，沿着行星架340周向均匀分布，太阳轮310安装在行星架340的中心轴线上，并同时与所有行星轮320啮合。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图7，壳体100具有筒状部111，内齿轮330至少部分安装于筒状部111内，行星架340至少部分安装于内齿轮330内。这种方式便于内齿轮330装配在壳体100上，而且充分利用轴向空间，使结构紧凑。示例性的，内齿轮330的外周面设有环形部331，将内齿轮330的一部分插入壳体100筒状部111内，使环形部331与筒状部111的一端抵接，通过紧固件将筒状部111与环形部331固定在一起，使内齿轮330固定在筒状部111。此外，内齿轮330还可以通过紧配合或卡接方式安装在筒状部111。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图6，行星架340包括同轴间隔设置的第一环状部341与第二环状部342，以及连接在第一环状部341与第二环状部342之间的连接臂343；行星轴350的两端分别连接于第一环状部341与第二环状部342，行星轮320转动安装于行星轴350且位于第一环状部341与第二环状部342之间。这种方式便于太阳轮310、行星轮320、行星架340、行星轴350的装配，使得行星轮320同时与内齿轮330、太阳轮310啮合。示例性的，第一环状部341与第二环状部342之间设有三个连接臂343，相邻两个连接臂343间隔设置形成用于安装行星轮320的安装位。行星轴350可通过紧配合固定在第一环状部341或第二环状部342，行星轮320套设在行星轴350上，并通过第一环状部341与第二环状部342轴向限位。

进一步的，请参阅图3、图6，内齿轮330的第一端具有第一环形壁332。第一环状部341通过第一轴承361支承在第一环形壁332，即第一轴承361的内圈固定于第一环状部341外，外圈固定于第一环形壁332内。第二环状部342通过第二轴承362支承在筒状部111的开口，即第二轴承362内圈固定于第二环状部342外，外圈固定于筒状部111内。第一轴承361与第二轴承362起到支撑行星架340的作用，使行星架340稳定地转动安装于壳体100，可提高关节负载端承受的弯矩、轴向力和径向力。其中，第一轴承361可为深沟球轴承，能承受径向负荷与轴向负荷。第二轴承362可为交叉滚子轴承，这是一种内圈分割、外圈旋转的轴承，刚性大，轴承间隙可调整，能获得高精度旋转运动。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图6，第一轴承361的外圈相对第一环形壁332浮动设置，即第一轴承361外圈两侧没有轴向限位。第一环状部341具有用于安装第一轴承361的安装槽3411，第一环状部341设有第一环形端盖363，第一轴承361的内圈两端分别抵设于安装槽3411的端面与第一环形端盖363，实现第一轴承361内圈的轴向限位。这样可将第一环状部341支承在内齿轮330第一环形壁332上。其中，第一环形端盖363可通过紧固件固定在第一环状部341上。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图5，电机轴230上设有用于阻挡第一环形端盖363的内孔与电机轴230之间空隙的油封240。行星减速器300内部设有润滑油，设置油封240能阻挡润滑油由空隙漏出，使行星减速器300能在有油环境中运作，提高可靠性。示例性的，油封240可以是一个环状挡板，朝向第一环形端盖363的内孔与电机轴230之间的空隙，且相对电机轴230轴线倾斜设置，阻挡效果好。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图6，内齿轮330的第二端具有第二环形壁333，筒状部111的开口边缘设有内凸缘1111，第二轴承362的外圈两端分别抵设于第二环形壁333的端面与内凸缘1111的端面，实现第二轴承362外圈的轴向限位。第二环状部342设有外凸缘3421，第二环状部342设有第二环形端盖364，第二轴承362的内圈两端分别抵设于外凸缘3421的端面与第二环形端盖364，实现第二轴承362内圈的轴向限位。这样可将第二环状部342支承在筒状部111内，而且整体结构紧凑。其中，第二环形端盖364可通过紧固件固定在第二环状部342上。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图6，行星轮320通过第三轴承321支承在行星轴350上，能够减少传动过程中的阻力。第三轴承321可以为滚针轴承，占用空间较小。

在本申请另一实施例中，请参阅图2至图4，行星减速器300设于电机组件200内，定子210套设于筒状部111外，转子220套设于定子210外。这样可降低准直驱关节的轴向尺寸，使整体结构紧凑。其中，定子210可通过胶粘结或其它的方式固定在筒状部111外。结合图5，电机轴230具有支架232，转子220安装于支架232上。示例性的，支架232包括周向布置在电机轴本体外的多个支撑臂2321及连接于各个支撑臂2321末端的连接环2322，转子220可安装在连接环2322上，比如采用胶粘结方式。

在本申请另一实施例中，请参阅图1、图3、图7，壳体100包括固定架110及安装于固定架110的尾盖120，筒状部111形成于固定架110上。电机组件200与行星减速器300设于固定架110内。尾盖120具有与筒状部111相对设置且供电机轴230穿过的过孔123。固定架110与尾盖120容易单独成型与装配，将电机组件200与行星减速器300装配在固定架110内后，使准直驱关节成为一个独立模块。固定架110与尾盖120之间可通过紧固件连接，容易装配。固定架110与尾盖120上可分别设置透气孔112、121，便于空气流动，利于关节工作时热量的排出。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图6，太阳轮310包括连接轴311及设于连接轴311的齿轮部312，连接轴311的第一端同轴固定于电机轴230，连接轴311的第二端通过第四轴承314支承在行星架340，电机轴230通过第五轴承235支承在壳体100上。将连接轴311的第二端插设在行星架340内并通过第四轴承314支承，这样使行星减速器300结构紧凑。电机轴230与太阳轮310同轴固定，电机轴230在太阳轮310与第四轴承314的支撑下，与定子210保持同轴，利于电机轴230与太阳轮310稳定转动，降低转动时的阻力，提升可靠性。示例性的，连接轴311的第二端通过第四轴承314支承在第二环状部342内。示例性的，第五轴承235的内圈通过电机轴230的定位面233与安装在电机轴230的定位环234轴向定位，第五轴承235的外圈通过尾盖120的定位凸缘122定位。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图5，电机轴230具有阶梯孔231，连接轴311的第一端插设于阶梯孔231内。齿轮部312的一端面抵设于电机轴230的一端面。阶梯孔231的台阶面231a设有固定环371，固定环371与连接轴311之间设有螺钉372，螺钉372穿过固定环371并螺接于连接轴311，固定环371的两端分别抵设于螺钉372的头部372a与阶梯孔231的台阶面231a。这个方案可实现电机轴230与太阳轮310的同轴装配。阶梯孔231包括相连通的大孔231b与小孔231c，大孔231b内径大于小孔231c内径，台阶面231a位于大孔231b与小孔231c之间，小孔231c靠近太阳轮310设置。螺钉372的头部372a外径大于固定环371的内径，固定环371的外径大于小孔231c内径，固定环371的外径小于大孔231b内径。在装配时，将太阳轮310的连接轴311插入小孔231c内，在大孔231b内放入固定环371，通过螺钉372穿过固定环371并螺接于连接轴311一端，使齿轮部312端面抵设于电机轴230一端，固定环371夹设在螺钉372头部372a与台阶面231a上，实现电机轴230与太阳轮310的轴向锁紧。进一步的，连接轴311与电机轴230之间采用键313联接或型面联接，实现力矩传递。

在本申请另一实施例中，请参阅图3、图5，电机端传感器400包括设于电机轴230的一端的被感应件401，以及与被感应件401配合以检测电机轴230的转动位置的感应件402。被感应件401与感应件402配合可检测电机轴230的转动位置，结合电机驱动器可实现对电机轴230的位置校正。电机驱动器可集成在准直驱关节上，或设置在准直驱关节外部。进一步的，电机轴230上采用紧配合或其它方式设有呈环形的安装座4011，呈环形的被感应件401可采用粘接或其它方式固定于安装座4011上，安装座4011具有供电机轴230穿过的通孔，这样便于将被感应件401装配到电机轴230上。此外，结合图4，壳体100上还设有保护盖130，用于保护电机端传感器400。

在本申请另一实施例中，请参阅图1、图3，电机端传感器400为光电式编码器、磁式编码器、电容式编码器、旋转变压器、电位计中的其中一种。这些方式均能检测出电机轴230的转动位置，属于现有技术。

示例性的，采用磁式编码器时，磁铁作为被感应件401，磁性编码芯片作为感应件402。在电机轴230旋转时，磁铁与电机轴230同步旋转，磁铁的旋转会引起磁场强度的变化，磁性编码芯片检测到磁场强度的变化后，将磁铁的旋转运动转换为脉冲输出以反映当前转角。

示例性的，采用光电式编码器时，光电码盘作为被感应件401，光电检测装置作为感应件402。光电码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。光电检测装置包括分别设于光电码盘两侧的发光二极管和光敏管。在电机轴230旋转时，光电码盘与电机轴230同步旋转，发光二极管发出光信号，光敏管接收经过光电码盘长方形孔的光信号，光电检测装置输出若干脉冲信号，通过计算光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前转角。

在本申请另一实施例中，请参阅图1至图3，提供一种机器人，包括上述的准直驱关节。由于本机器人采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种准直驱关节，其特征在于，包括：

壳体；

电机组件，包括设于所述壳体内的定子、与所述定子同轴设置的转子及同轴固定于所述转子的电机轴；

行星减速器，包括同轴固定于所述电机轴的太阳轮、与所述太阳轮啮合的行星轮、固定于所述壳体上且与所述行星轮啮合的内齿轮、与所述太阳轮同轴设置且转动安装于所述壳体的行星架，以及用于连接所述行星轮与所述行星架的行星轴；以及

电机端传感器，用于检测所述电机轴的转动位置，所述电机端传感器与所述行星架分别位于所述电机组件在轴向方向的两侧。

2.如权利要求1所述的准直驱关节，其特征在于，所述壳体具有筒状部，所述内齿轮至少部分安装于所述筒状部内，所述行星架至少部分安装于所述内齿轮内。

3.如权利要求2所述的准直驱关节，其特征在于，所述行星架包括同轴间隔设置的第一环状部与第二环状部，以及连接在所述第一环状部与所述第二环状部之间的连接臂；所述行星轴的两端分别连接于所述第一环状部与第二环状部，所述行星轮转动安装于所述行星轴且位于所述第一环状部与第二环状部之间；

所述内齿轮的第一端具有第一环形壁；所述第一环状部通过第一轴承支承在所述第一环形壁，所述第二环状部通过第二轴承支承在所述筒状部的开口。

4.如权利要求3所述的准直驱关节，其特征在于，所述第一轴承的外圈相对所述第一环形壁浮动设置；

所述第一环状部具有用于安装第一轴承的安装槽，所述第一环状部设有第一环形端盖，所述第一轴承的内圈两端分别抵设于所述安装槽的端面与所述第一环形端盖。

5.如权利要求4所述的准直驱关节，其特征在于，所述电机轴上设有用于阻挡所述第一环形端盖的内孔与所述电机轴之间空隙的油封。

6.如权利要求3所述的准直驱关节，其特征在于，所述内齿轮的第二端具有第二环形壁，所述筒状部的开口边缘设有内凸缘，所述第二轴承的外圈两端分别抵设于所述第二环形壁的端面与所述内凸缘的端面；

所述第二环状部设有外凸缘，所述第二环状部设有第二环形端盖，所述第二轴承的内圈两端分别抵设于所述外凸缘的端面与所述第二环形端盖。

7.如权利要求3所述的准直驱关节，其特征在于，所述行星轮通过第三轴承支承在所述行星轴上。

8.如权利要求2所述的准直驱关节，其特征在于，所述行星减速器设于所述电机组件内，所述定子套设于所述筒状部外，所述转子套设于所述定子外；所述电机轴具有支架，所述转子安装于所述支架上。

9.如权利要求2所述的准直驱关节，其特征在于，所述壳体包括固定架及安装于所述固定架的尾盖，所述筒状部形成于所述固定架上；所述电机组件与所述行星减速器设于所述固定架内；所述尾盖具有与所述筒状部相对设置且供所述电机轴穿过的过孔。

10.如权利要求1至9任一项所述的准直驱关节，其特征在于，所述太阳轮包括连接轴及设于所述连接轴的齿轮部，所述连接轴的第一端同轴固定于所述电机轴，所述连接轴的第二端通过第四轴承支承在所述行星架，所述电机轴通过第五轴承支承在所述壳体上。

11.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项所述的准直驱关节。

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