CN219685668U - 一种集成型防爆机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成型防爆机械臂关节，包括减速器组件、驱动电机组件、外壳、驱动控制组件、线缆、端盖、制动器、电机轴组件以及输出轴组件；减速器组件、驱动机组件、驱动控制组件、线缆、制动器、电机轴组件以及输出组件串联排布于外壳内；外壳左侧为输出端，以输出端为起始端依次为减速器组件、驱动电机组件、制动器、驱动控制组件；将伺服驱动器、无框直驱电机、减速器、双绝对编码器和制动器等多个机器人关节核心部件集成化整合在一起，安装在一个防爆封装适合机器人关节的T外形样式或者圆形关节套筒内，其重构性和灵活性好，可在潮湿或易燃易爆环境中作业的机械臂上安全运行，又可替代传统机械臂关节模组，降低环境影响，降低维护成本。

Description

一种集成型防爆机械臂关节

技术领域

本实用新型涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种集成型防爆机械臂关节。

背景技术

机器人诞生至今，已经被广泛的应用在各个领域，如车辆装配、机械零部件加工、表面打磨、颜料喷涂、板材焊接、服务医疗和军工装备等行业。传统机器人虽然依然活跃在工业制造、服务等领域，但随着时代发展人们的生产、生活、娱乐、医疗和服务等领域需求日益新颖；传统机器人无论在结构、控制和智能化方面都无法满足这些要求，人们需要更为轻便、更为集成、更为智能化的机器人，并要求机器人能够安全可靠的与人协作或共处。

现有机器人在机械结构上一般都是采用机电一体化的设计思想，大都存在着以下特点：在硬件结构上大而笨重，机械臂采用刚性大的钢铁等材料，有些机器人甚至配备臂杆平衡机构以降低非线性干扰，其负载自重比低，工作环境特定且单一并且工作路径是预知的，机器人基座基本固定不动就可完成工种任务；而且其集成度低，关节细长或粗壮，一般采用行星或谐波减速，电机安装在关节上，控制器安装在控制柜中，控制线为外部走线多而杂，一般需要配备较大的控制箱，机器人本体及核心单元关节模组不具备防水防尘功能，在易燃易爆环境中存有很多安全隐患，难以应用。为此本申请提出一种集成型防爆关节模组，将伺服驱动器、无框直驱电机、谐波减速器、双绝对编码器和制动器抱闸等在内的多个机器人关节核心部件集成化整合在一起，集成安装在一个防爆封装适合机器人关节的T外形样式或者圆形关节套筒内，其重构性和灵活性好，可在潮湿或易燃易爆环境中作业的机械臂上安全运行，又可替代传统机械臂关节模组，降低环境影响，降低维护成本。

实用新型内容

本申请实施例通过提供一种集成型防爆机械臂关节，解决传统机器人关节模组内结构复杂沉重，驱动结构和控制系统分离式复杂形式，导致关节粗壮，机器人应用范围受限，防爆防尘安全性能和不易维修等问题。

本申请实施例提供了一种集成型防爆机械臂关节，包括减速器组件、驱动电机组件、外壳、驱动控制组件、线缆、端盖、制动器、电机轴组件以及输出轴组件，

所述外壳设置成圆筒状，用于其他组成构件的安装支撑；

所述减速器组件、驱动电机组件、驱动控制组件、线缆、制动器、电机轴组件以及输出轴组件串联排布于外壳内；所述端盖安装于外壳右侧上；

所述外壳左侧为机械臂关节输出端，其以输出端为起始端按照从左至右的顺序依次为减速器组件、驱动电机组件、制动器、驱动控制组件；

所述电机轴组件包括电机轴和电机端轴承；

所述输出轴组件包括输出轴、输出轴轴承、远端轴承、轴承限位件、限位件。

进一步的所述所述减速器组件和驱动电机组件构成关节执行机构。

进一步的所述减速器组件为超薄减速器组件，用于驱动电机组件减速，提升驱动电机组件输出转矩；其包括输出法兰和超薄谐波减速器；超薄谐波减速器主要包括钢轮、柔轮和波发生器，通过柔轮与外壳固定连接，钢轮与输出法兰固定连接。

进一步的所述驱动电机组件为无框直驱电机，包括电机定子和电机转子；电机定子和外壳之间可通过过盈配合或胶粘固定连接；电机转子、波发生器均与电机轴组件固定连接，为减速器组件的输入轴。

进一步的所述驱动控制组件包括安装座、轴承座、驱动控制板、双编码器码盘、码盘安装座、转子毂、连接件，用于关节的驱动和检测。

进一步的所述双编码器码盘包括低速端码盘和高速端码盘；低速端码盘固定连接有低速码盘座，且固定套在输出轴上；高速端码盘与转子毂固定连接，并固定在电机轴上。

进一步的所述驱动控制板为集成型驱动控制板，其包括驱动系统、双绝对编码器、控制模块、失电抱闸以及电源模块；同时驱动控制板上还集成安装有双编码器探测器件；驱动控制板固定安装于安装座上，安装座与连接件之间固定连接，连接件固定于外壳上。

进一步的所述低速端码盘、高速端码盘均通过双编码器探测器件检测采集电机轴组件、输出轴组件的转速，并且将检测数据反馈给驱动控制板的控制模块。

进一步的所述制动器与转子毂组成制动装置，用于关节失电制动，起到安全保护的作用；制动器内部转动端与转子毂外轴面固定连接，转子毂与电机轴之间固定连接，制动器固定端与外壳之间固定连接。

进一步的所述外壳内轴系之间的固定方式为：超薄谐波减速器的柔轮固定端与外壳之间固定连接，超薄谐波减速器的波发生器与电机轴之间固定连接，电机端轴承套在电机轴右侧上，通过电机端轴承安装在外壳上，构成高速轴的固定安装；

所述超薄谐波减速器的钢轮与输出法兰之间固定连接，输出轴固定安装于输出法兰上，并通过输出轴轴承与电机轴配合，输出轴轴承套在输出轴上，输出轴轴承上装有限位件；输出轴右端通过远端轴承固定在驱动控制组件的轴承座上，远端轴承上装有轴承限位件，轴承座与安装座之间固定连接，由此构成输出轴的固定方式。

进一步的所述关节密封主要为动态密封和静态密封。

进一步的所述动态密封包括减速器组件中输出法兰与外壳之间、输出轴和端盖以及线缆之间的密封；

所述输出法兰和外壳之间设置旋转密封件，保证关节旋转状态下的密封效果；输出轴组件左右两侧预留中空轴走线孔，用于线缆的安装；外壳的左右两端设置有线缆密封组件。

进一步的所述静态密封包括输出轴与输出法兰之间、外壳与端盖之间，

所述输出轴与输出法兰之间设有密封圈一；外壳与端盖之间设有密封圈二。

进一步的所述线缆密封组件包括压板和锁紧套；通过压板分别与输出轴、端盖压紧锁紧套，使锁紧套卡在输出轴组件预留的中空轴走线孔处。

进一步的锁紧套设置成锥形外形，有利于移动抱紧线缆，实现线缆动态密封的效果。

进一步的通过外壳、端盖、压板以及输出法兰构成关节外部整体形状。

进一步的由关节机执行机构、制动器、驱动控制组件和关节密封集成为防爆机械臂关节。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、整个关节内部集成了驱动电机、谐波减速器、制动器、双绝对编码器和集成型驱动控制板，输出轴中空走线，简化了传动机构；五大核心部件设计紧凑，集成度高，将其集成在关节内部，体积更小，负载自重比提高；同时关节外壳采用圆筒型结构，重构性高，外壳改动可适应其他形式的安装方式，法兰端面预留外部安装接口，关节模组可连接成机械臂实现多种方式搭配；优化传统机器人驱动执行结构设计，减速器组件中波发生器和驱动电机转子通过电机轴直接连接，省去传统减速器中轴套件、连接件等；同时关节驱动执行机构趋于一体化设计，结构更简洁。

2、关节采用动态密封和静密封设计，极大简化关节内部排布及密封集成，而且保证关节内部可以承受恒定气压，保证所属关节内气密性，壳体腔内与外部隔离，隔绝了外部易燃易爆源与内部电气元件接触，起到防爆功能。

3、输出轴和输入轴等机械件通过三组轴承和减速器组成固定组件，整个关节内部结构强度高，承载能力高，稳定高，在轻量化集成设计的基础上满足串联其他元器件；同时轴系固定方式可根据实际负载情况，在减速器和电机间增加轴承支撑，增强壳体负载能力。

4、双编码器同心设置，并将双码盘检测器件集成在集成型驱动控制板上，高速轴端码盘固定座与制动器转子毂一体式设计，简化结构组件，减少了内部空间，有效减小模组轴向尺寸。

5、驱动控制板集成驱动、控制模块及双编码器探测器件安装在同一固定件上，驱动控制板集成型、模块化固定在壳体上，便于零件拆装，便于调试及维护。

附图说明

图1为本申请一种集成型防爆机械臂关节结构剖视图；

图2为本申请关节执行机构示意图；

图3为本申请驱动控制组件结构示意图；

图4为本申请驱动控制板结构示意图；

图5为本申请制动器安装结构示意图；

图6为本申请外壳内轴系固定安装结构示意图；

图7为本申请一种集成型防爆机械臂关节密封方式安装示意图；

图8为本申请一种集成型防爆机械臂关节结构示意图。

图中：1减速器组件、11输出法兰、12超薄谐波减速器、13密封圈一、14密封圈二、15旋转密封件、2驱动电机组件、21电机定子、22电机转子、3外壳、4驱动控制组件、41安装座、42轴承座、43驱动控制板、431驱动系统、432双绝对编码器、433控制模块、434失电抱闸、435电源模块、44双编码器探测器件、45低速端码盘、46低速码盘座、47高速端码盘、48转子毂、49连接件、410走线孔、5线缆、6端盖、7制动器、8电机轴组件、81电机轴、82电机端轴承、9输出轴组件、91输出轴、92输出轴轴承、93远端轴承、94轴承限位件、95限位件、96压板、97锁紧套、98护线套。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一种集成型防爆机械臂关节，包括减速器组件1、驱动电机组件2、外壳3、驱动控制组件4、线缆5、端盖6、制动器7、电机轴组件8以及输出轴组件9；

外壳3设置成圆筒状，用于其他组成构件的安装支撑；

减速器组件1、驱动电机组件2、驱动控制组件4、线缆5、制动器6、电机轴组件8以及输出轴组件9串联排布于外壳3内；端盖6安装于外壳3右侧上；

外壳3左侧为机械臂关节输出端，其以输出端为起始端按照从左至右的顺序依次为减速器组件1、驱动电机组件2、制动器7、驱动控制组件4。

电机轴组件8包括电机轴81和电机端轴承82；

输出轴组件9包括输出轴91、输出轴轴承92、远端轴承93、轴承限位件94、限位件95。

请参阅图2，减速器组件1和驱动电机组件2构成关节执行机构；

减速器组件1为超薄减速器组件，用于驱动电机组件2减速，提升驱动电机组件2输出转矩；其包括输出法兰11和超薄谐波减速器12；超薄谐波减速器12主要包括钢轮、柔轮和波发生器，通过柔轮与外壳3固定连接，钢轮与输出法兰11固定连接；

驱动电机组件2为无框直驱电机，包括电机定子21和电机转子22；电机定子21和外壳3之间可通过过盈配合或胶粘固定连接；电机转子22、波发生器均与电机轴组件8固定连接，为减速器组件1的输入轴；

关节执行机构实现驱动电机组件2高转速，使其能够按照一定减速比输出符合需求转速的功能，并且整个关节执行结构集成化高，轴向长度较短，有利于与关节在机械臂上有限空间区域的开发应用。

请参阅图3，驱动控制组件4包括安装座41、轴承座42、驱动控制板43、双编码器码盘、码盘安装座、转子毂48、连接件49，用于关节的驱动和检测；

双编码器码盘包括低速端码盘45和高速端码盘47；低速端码盘45固定连接有低速码盘座46，且固定套在输出轴91上；高速端码盘47与转子毂48固定连接，并固定在电机轴81上；

请参阅图4，驱动控制板43为集成型驱动控制板，其包括驱动系统431、双绝对编码器432、控制模块433、失电抱闸434以及电源模块435；同时驱动控制板43上还集成安装有双编码器探测器件44；驱动控制板43固定安装于安装座41上，安装座41与连接件49之间固定连接，连接件49固定于外壳3上；

低速端码盘45、高速端码盘47均通过双编码器探测器件44检测采集电机轴组件8、输出轴组件9的转速，并且将检测数据反馈给驱动控制板43的控制模块433，实现关节速度和位置闭环的有效控制。

请参阅图5，制动器7与转子毂78组成制动装置，用于关节失电制动，起到安全保护的作用；制动器7内部转动端与转子毂48外轴面固定连接，转子毂48与电机轴81之间固定连接，制动器7固定端与外壳3之间固定连接；

关节通电时，制动器7上电，制动器7内部转动端可与电机轴81转动；当关节突然失电，制动器7内部转动端被制动抱死，进而关节输出轴91被锁制，起到失电保护的作用，保证了机械臂的安全运行。

请参阅图6，外壳3内轴系之间的固定方式为：超薄谐波减速器12的柔轮固定端与外壳3之间固定连接，超薄谐波减速器12的波发生器与电机轴81之间固定连接，电机端轴承82套在电机轴81右侧上，通过电机端轴承82安装在外壳3上，构成高速轴的固定安装；

超薄谐波减速器12的钢轮与输出法兰11之间固定连接，输出轴91固定安装于输出法兰11上，并通过输出轴轴承92与电机轴81配合，输出轴轴承套92在输出轴91上，输出轴轴承92上装有限位件95；输出轴91右端通过远端轴承93固定在驱动控制组件4的轴承座42上，远端轴承93上装有轴承限位件94，轴承座42与安装座41之间固定连接，由此构成输出轴的固定方式；

轴系固定能够传动稳定，并保证低速端码盘45与高速端码盘47相对于驱动控制组件4的双编码器探测器件44相对位置稳定；

轴系固定所用电机端轴承82、输出轴轴承82和远端轴承93及减速器组件1内部十字交叉轴承均采用高精密传动轴承，由此保证关节输出轴精度和稳定性。

请参阅图7，关节密封主要为动态密封和静态密封。

动态密封包括减速器组件1中输出法兰11与外壳3之间、输出轴91和端盖6以及线缆5之间的密封；

输出法兰11和外壳3之间设置旋转密封件15，保证关节旋转状态下的密封效果；输出轴组件9左右两侧预留中空轴走线孔410，用于线缆5的安装；

外壳3的左右两端设置有线缆密封组件；线缆密封组件包括压板96和锁紧套97；通过压板96分别与输出轴91、端盖6压紧锁紧套97，使锁紧套97卡在输出轴组件9预留的中空轴走线孔410处；锁紧套97设置成锥形外形，有利于移动抱紧线缆5，实现线缆5动态密封的效果；

输出轴组件9预留的中空轴走线孔410处套有护线套98，用于线缆5的防护。

静态密封包括输出轴91与输出法兰11之间、外壳3与端盖6之间，

输出轴91与输出法兰11之间设有密封圈一13；外壳3与端盖6之间设有密封圈二14。

动态密封和静态密封保证关节内部可以承受恒定气压，保证所属关节内气密性，隔绝了外部易燃易爆源与内部电气元件接触，起到防爆功能。

请参阅图8，通过外壳3、端盖6、压板96以及输出法兰11构成关节外部整体形状；本申请外壳并不仅仅局限于圆筒状一种形式，也可是其他外形。

由关节机执行机构、制动器7、驱动控制组件4和关节密封集成为防爆机械臂关节。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

(1)整个关节内部集成了驱动电机、谐波减速器、制动器、双绝对编码器和集成型驱动控制板，输出轴中空走线，简化了传动机构；五大核心部件设计紧凑，集成度高，将其集成在关节内部，体积更小，负载自重比提高；同时关节外壳采用圆筒型结构，重构性高，外壳改动可适应其他形式的安装方式，法兰端面预留外部安装接口，关节模组可连接成机械臂实现多种方式搭配；

(2)输出轴和输入轴等机械件通过三组轴承和减速器组成固定组件，整个关节内部结构强度高，承载能力高，稳定高，在轻量化集成设计的基础上满足串联其他元器件；同时轴系固定方式可根据实际负载情况，在减速器和电机间增加轴承支撑，增强壳体负载能力；

(3)双编码器同心设置，并将双码盘检测器件集成在集成型驱动控制板上，高速轴端码盘固定座与制动器转子毂一体式设计，简化结构组件，减少了内部空间，有效减小模组轴向尺寸；

(4)驱动控制板集成驱动、控制模块PCB及双编码器探测器件安装在同一固定件上，驱动控制板集成型、模块化固定在壳体上，便于零件拆装，便于调试及维护；

(5)关节采用动态密封和静密封设计，极大简化关节内部排布及密封集成，而且保证关节内部可以承受恒定气压，保证所属关节内气密性，壳体腔内与外部隔离，隔绝了外部易燃易爆源与内部电气元件接触，起到防爆功能；

(6)优化传统机器人驱动执行结构设计，减速器组件中波发生器和驱动电机转子通过电机轴直接连接，省去传统减速器中轴套件、连接件等；同时关节驱动执行机构趋于一体化设计，结构更简洁。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成型防爆机械臂关节，包括减速器组件、驱动电机组件、外壳、驱动控制组件、线缆、端盖、制动器、电机轴组件以及输出轴组件，其特征在于：

所述外壳设置成圆筒状，用于其他组成构件的安装支撑；

所述减速器组件、驱动电机组件、驱动控制组件、线缆、制动器、电机轴组件以及输出轴组件串联排布于外壳内；所述端盖安装于外壳右侧上；

所述外壳左侧为机械臂关节输出端，其以输出端为起始端按照从左至右的顺序依次为减速器组件、驱动电机组件、制动器、驱动控制组件；

所述电机轴组件包括电机轴和电机端轴承；

所述输出轴组件包括输出轴、输出轴轴承、远端轴承、轴承限位件、限位件。

2.如权利要求1所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述减速器组件和驱动电机组件构成关节执行机构；

所述减速器组件为超薄减速器组件；其包括输出法兰和超薄谐波减速器；所述超薄谐波减速器主要包括钢轮、柔轮和波发生器，柔轮与外壳固定连接，钢轮与输出法兰固定连接；

所述驱动电机组件为无框直驱电机，包括电机定子和电机转子；所述电机定子和外壳之间固定连接；所述电机转子、波发生器均与电机轴组件固定连接，为减速器组件的输入轴。

3.如权利要求1所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述驱动控制组件包括安装座、轴承座、驱动控制板、双编码器码盘、码盘安装座、转子毂、连接件，用于关节的驱动和检测。

4.如权利要求3所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述双编码器码盘包括低速端码盘和高速端码盘；所述低速端码盘固定连接有低速码盘座，且固定套在输出轴上；所述高速端码盘与转子毂固定连接，并固定在电机轴上。

5.如权利要求3所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述驱动控制板为集成型驱动控制板，其包括驱动系统、双绝对编码器、控制模块、失电抱闸以及电源模块；同时驱动控制板上还集成安装有双编码器探测器件；所述驱动控制板固定安装于安装座上，安装座与连接件之间固定连接，连接件固定于外壳上。

6.如权利要求4所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述低速端码盘、高速端码盘均通过双编码器探测器件检测采集电机轴组件、输出轴组件的转速，并且将检测数据反馈给驱动控制板的控制模块。

7.如权利要求1所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述制动器与转子毂组成制动装置；所述制动器内部转动端与转子毂外轴面固定连接，转子毂与电机轴之间固定连接，制动器固定端与外壳之间固定连接。

8.如权利要求1所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述外壳内轴系之间的固定方式为：超薄谐波减速器的柔轮固定端与外壳之间固定连接，超薄谐波减速器的波发生器与电机轴之间固定连接，电机端轴承套在电机轴右侧上，通过电机端轴承安装在外壳上，构成高速轴的固定安装；

超薄谐波减速器的钢轮与输出法兰之间固定连接，输出轴固定安装于输出法兰上，并通过输出轴轴承与电机轴配合，输出轴轴承套在输出轴上，输出轴轴承上装有限位件；输出轴右端通过远端轴承固定在驱动控制组件的轴承座上，远端轴承上装有轴承限位件，轴承座与安装座之间固定连接，由此构成输出轴的固定方式。

9.如权利要求1所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述关节密封主要为动态密封和静态密封；

所述动态密封包括减速器组件中输出法兰与外壳之间、输出轴和端盖以及线缆之间的密封；

所述输出法兰和外壳之间设置旋转密封件；所述输出轴组件左右两侧预留中空轴走线孔；所述外壳的左右两端设置有线缆密封组件；

所述静态密封包括输出轴与输出法兰之间、外壳与端盖之间，

所述输出轴与输出法兰之间设有密封圈一；所述外壳与端盖之间设有密封圈二。

10.如权利要求9所述的一种集成型防爆机械臂关节，其特征在于：所述线缆密封组件包括压板和锁紧套；通过压板分别与输出轴、端盖压紧锁紧套，使锁紧套卡在输出轴组件预留的中空轴走线孔处；所述锁紧套设置成锥形外形。