CN219748048U - 关节执行器和协作机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种关节执行器和协作机器人，所述关节执行器包括谐波减速器、电机组件、输出法兰和后盖，谐波减速器包括波发生器、柔轮、刚轮，柔轮具有容置腔，所述波发生器安装在所述容置腔内，所述刚轮套设在所述柔轮的外侧一端并与所述柔轮啮合，电机组件包括电机轴、无框力矩电机和电机仓，所述电机仓与所述柔轮相连，所述电机仓的至少部分位于所述容置腔内，所述电机轴的一端与所述波发生器相连，无框力矩电机包括转子和定子，所述转子与所述电机轴相连，所述定子设置在所述电机仓内，所述输出法兰与所述刚轮相连，所述后盖连接在所述柔轮的一端。本实用新型实施例的关节执行器减小了关节执行器的轴向尺寸，实现了关节执行器的小型化。

Description

关节执行器和协作机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种关节执行器和协作机器人。

背景技术

机器人关节执行器装置是实现机器人关节运动的驱动装置，以其一体化，集成化，小型化的特点，越来越多的应用在各类机器人上。

传统协作机器人采用的模块化一体关节执行器，基本由UR(优傲)机械臂所使用的一体化关节执行器衍生而来。此种关节执行器采用顺次串联的形式将关节驱动器，编码器(高速端)，制动器，无框力矩电机，谐波减速器通过螺钉刚性连接起来，此种连接结构导致关节执行的轴向长度过大，不利于关节的小型化，并且对各转接结构件的同心度要求过高，加工难度大，成本高。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的实施例提出一种轴向尺寸小的关节执行器。

本实用新型的实施例还提出一种具有上述关节执行器的协作机器人。

本实用新型实施例的关节执行器包括谐波减速器、电机组件、输出法兰和后盖，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮、刚轮，所述柔轮具有容置腔，所述波发生器安装在所述容置腔内的一端并与所述柔轮相贴合，所述刚轮套设在所述柔轮的外侧一端并与所述柔轮啮合，所述电机组件包括电机轴、无框力矩电机和电机仓，所述电机仓与所述柔轮相连，所述电机仓的至少部分位于所述容置腔内，所述电机轴的一端与所述波发生器相连，所述无框力矩电机设置在所述容置腔内，所述无框力矩电机包括转子和定子，所述转子设置在所述定子内侧并与所述电机轴相连，所述定子设置在所述电机仓内，所述输出法兰与所述刚轮相连，所述后盖连接在所述柔轮的一端并将所述容置腔封闭。

本实用新型实施例的关节执行器采用了具有容置腔的柔轮，可以将无框力矩电机安装在容置腔内，无框力矩电机不会占用其他的轴向空间，最大化的减小了关节执行器的轴向尺寸，实现了关节执行器的小型化。

在一些实施例中，所述谐波减速器还包括交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承套设在所述柔轮外侧，所述交叉滚子轴承包括可相对转动的轴承外圈和轴承内圈，所述柔轮和所述电机仓均与所述轴承外圈相连，所述输出法兰和所述刚轮均与所述轴承内圈相连。

在一些实施例中，所述电机仓包括第一筒形件和第一法兰，所述第一法兰连接在所述第一筒形件的一端，所述定子的外周壁与所述第一筒形件的内周壁相连，所述第一法兰与所述轴承外圈和所述柔轮相连。

在一些实施例中，所述第一法兰的外沿设置有多个缺口，所述后盖上设置有与所述缺口对应的凸起，所述凸起配合在所述缺口内。

在一些实施例中，所述柔轮包括第二筒形件和第二法兰，所述第二法兰连接在所述第二筒形件的一端，所述容置腔形成于所述第二筒形件内，所述轴承外圈、所述第二法兰、所述第一法兰和所述后盖沿所述电机轴的轴向依次布置。

在一些实施例中，关节执行器还包括过线管，所述过线管包括第三筒形件和第三法兰，所述第三法兰连接在所述第三筒形件的一端，所述第三筒形件沿所述电机轴的轴向贯穿所述电机轴，所述第三法兰与所述输出法兰相连。

在一些实施例中，关节执行器还包括编码器组件，所述编码器组件包括磁环和读数板，所述磁环套设在所述电机轴上并与所述电机轴同步转动，所述读数板安装在所述后盖上并与所述磁环相对布置。

在一些实施例中，关节执行器还包括前端轴承和后端轴承，所述波发生器的前端设置有环形凸起，所述前端轴承的内圈套设在所述环形凸起上，所述前端轴承的外圈与所述输出法兰相连，所述后端轴承的内圈套设在所述电机轴上，所述后盖上设置有轴承孔，所述后端轴承的外圈配合在所述轴承孔内。

在一些实施例中，关节执行器还包括护线胶垫，所述护线胶垫上设置有过线孔，所述后盖上设置有通孔，所述护线胶垫配合在所述通孔内。

本实用新型第二方面实施例的协作机器人包括上述任一实施例所述的关节执行器。

附图说明

图1是本实用新型实施例的关节执行器的示意图。

图2是本实用新型实施例的关节执行器的爆炸图。

图3是本实用新型实施例的关节执行器的剖视图。

图4是本实用新型实施例的关节执行器的谐波减速器的剖视图。

附图标记：

1、谐波减速器；11、波发生器；12、柔轮；121、第二筒形件；122、第二法兰；13、刚轮；14、交叉滚子轴承；141、轴承外圈；142、轴承内圈；2、电机组件；21、电机轴；22、无框力矩电机；221、定子；222、转子；23、电机仓；231、第一筒形件；232、第一法兰；3、输出法兰；4、后盖；5、编码器组件；51、磁环；52、读数板；6、过线管；61、第三筒形件；62、第三法兰；71、前端轴承；72、后端轴承；8、护线胶垫；81、第一护线胶垫；82、第二护线胶垫。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合附图描述本实用新型实施例的关节执行器和协作机器人。

如图1-图4所示，本实用新型实施例的关节执行器包括谐波减速器1、电机组件2、输出法兰3和后盖4。

谐波减速器1包括波发生器11、柔轮12、刚轮13，其中，柔轮12具有容置腔，波发生器11安装在容置腔内的一端并与柔轮12相贴合，刚轮13套设在柔轮12的外侧一端并与柔轮12啮合。波发生器11中的柔性轴承外壁为椭圆形，波发生器11未装入柔轮12之前，柔轮12内壁呈现圆形，柔轮12外壁的齿与刚轮13内壁的齿形成有间隙的啮合状态，当波发生器11装入柔轮12，由于波发生器11长轴长度略大于柔轮12的直径，因此迫使柔轮12在长轴方向与刚轮13的齿形成完全啮合，在短轴方向与刚轮13的齿形成完全分离，其余各齿呈现啮入或者啮出状态。当波发生器11随电机轴21的带动运转时，若此时刚轮13固定，则柔轮12被波发生器11带动，长轴啮合点不断变化，柔轮12上某一个齿再次与刚轮13的某个齿啮合相遇时，柔轮12旋转一圈，而波发生器11已经转动了很多圈，从而形成减速。

电机组件2包括电机轴21、无框力矩电机22和电机仓23，电机仓23与柔轮12相连，电机仓23的至少部分位于容置腔内，电机轴21的一端与波发生器11相连，无框力矩电机22设置在容置腔内，无框力矩电机22包括转子222和定子221，转子222设置在定子221内侧并与电机轴21相连，定子221设置在电机仓23内，可以理解的是，无框力矩电机22通过电机仓23安装在容置腔内，输出法兰3与刚轮13相连，后盖4连接在柔轮12的一端并将容置腔封闭。

无框力矩电机22的转子222回转带动电机轴21和波发生器11同步回转，将动力传至谐波减速器1，谐波减速器1属于柔轮12固定，刚轮13输出类型，经过谐波减速器1的减速增矩效果，将动力传递至输出法兰3输出转矩。

本实用新型实施例的关节执行器采用了具有容置腔的柔轮12，可以将无框力矩电机22安装在容置腔内，无框力矩电机22不会占用其他的轴向空间，最大化的减小了关节执行器的轴向尺寸，实现了关节执行器的小型化。

需要说明的是，相关技术中的关节执行器为了减小尺寸，往往需要对零部件进行定制化处理，例如将刚轮13简化为内齿圈，但是，定制化处理会大大增加生产成本，不利于推广量产，本实用新型实施例的关节执行器所采用的谐波减速器1和无框力矩电机22均无需定制化处理，生产成本低，有利于推广应用。

如图3所示，在一些实施例中，谐波减速器1还包括交叉滚子轴承14，交叉滚子轴承14套设在柔轮12外侧，交叉滚子轴承14包括可相对转动的轴承外圈141和轴承内圈142，柔轮12和电机仓23均与轴承外圈141相连，输出法兰3和刚轮13均与轴承内圈142相连。如此设置，在刚轮13和柔轮12之间加入了抗弯和抗扭效果好的交叉滚子轴承14，保证了传动的可靠性。

在一些实施例中，电机仓23包括第一筒形件231和第一法兰232，第一法兰232连接在第一筒形件231的一端，定子221的外周壁与第一筒形件231的内周壁相连，第一法兰232与轴承外圈141和柔轮12相连，由此，通过电机仓23将定子221固定在柔轮12的容置腔内。电机仓23的材料应当为硬度较高的钢制或钛合金材料以防止变形。

如图2所示，第一法兰232的外沿设置有多个缺口，后盖4上设置有与缺口对应的多个凸起，多个凸起一一对应地配合在缺口内，从而实现电机仓23与后盖4的定位，防止二者发生相对转动。

柔轮12包括第二筒形件121和第二法兰122，第二法兰122连接在第二筒形件121的一端，容置腔形成于第二筒形件121内，波发生器11的安装在容置腔远离第二法兰122的一端，可以理解的是，柔轮12的形状为礼帽形，由此，轴承外圈141和第一法兰232可将第二法兰122固定在二者之间，从而实现轴承外圈141、柔轮12和电机仓23三者的相对固定。

轴承外圈141、第二法兰122、第一法兰232和后盖4沿电机轴21的轴向依次布置，长螺钉依次贯穿轴承外圈141、第二法兰122、第一法兰232和后盖4以实现固定，需要说明的是，定子221通过粘接形式固连在电机仓23的第一筒形件231上，第一法兰232又通过螺钉固连在谐波减速器1的轴承外圈141和柔轮12上，且电机仓23与柔轮12通过止口配合，保证同心度。这种装配形式使得柔轮12内腔空间被小型化无框力矩电机22填充满，空间利用率极高且使得整个关节模组更加的扁平化，极大的压缩了关节模组的轴向长度，并且，此种结构对同心度要求低，便于加工。

在一些实施例中，关节执行器还包括过线管6和弧线胶垫，过线管6用于供线束通过，过线管6包括第三筒形件61和第三法兰62，第三法兰62连接在第三筒形件61的一端，电机轴21第三筒形件61沿电机轴21的轴向贯穿电机轴21，第三法兰62通过螺钉或者其他连接件与输出法兰3相连。

过线管6的中空结构保证了本实用新型实施例的关节执行器可以形成多关节串联使用的形式，比如应用于机械臂等。

护线胶垫8采用柔性材料制成，例如硬度较小的橡胶、硅胶材料等，护线胶垫8上设置有过线孔，后盖4上设置有通孔，护线胶垫8配合在过线孔内。线束可通过过线孔穿过后盖4，柔性的护线胶垫8可以起到保护线束的作用。

在一具体示例中，护线胶垫8包括第一护线胶垫818和第二护线胶垫828，第一护线胶垫818上设置有第一过线孔，第一护线胶垫818和第一过线孔均为矩形，第一过线孔用于供信号线通过，第二护线胶垫828上设置有第二过线孔，第二护线胶垫828和第二过线孔均为圆形，第二过线孔用于供电机线通过。

如图3所示，在一些实施例中，关节执行器还包括编码器组件5，编码器组件5包括磁环51和读数板52，磁环51套设在电机轴21上并与电机轴21同步转动，读数板52安装在后盖4上并与磁环51相对布置。磁环51粘接在电机轴21右侧的台阶处，读数板52通过螺钉或其他紧固件安装在后盖4的内侧并与磁环51相对。

电机轴21转动带动磁环51同步转动，磁环51和读数板52之间的轴向间距固定，读数板52上的读数头准确读取随转子222轴回转的磁环51上的刻度，从而准确反馈无框力矩电机22转子222的回转信息，判断电机位置。

关节执行器还包括前端轴承71和后端轴承72，波发生器11的前端设置有环形凸起，前端轴承71的内圈套设在环形凸起上，前端轴承71的外圈与输出法兰3的内孔相连，从而实现整体轴系的左侧位置固定。后端轴承72的内圈套设在电机轴21上，后盖4上设置有轴承孔，后端轴承72的外圈配合在轴承孔内，实现整体轴系右侧位置固定。

以下对本实用新型实施例的关节执行器的装配过程和传动原理进行描述。

装配过程：

无框力矩电机22的转子222通过粘接形式固连在电机轴21的中段位置，电机轴21的右侧台阶处粘接有磁环51，电机轴21的左侧通过螺纹连接的形式和波发生器11固连在一起，由此形成了关节执行器的主动旋转部分；

谐波减速器1除波发生器11之外的其余部分，包括刚轮13、柔轮12和交叉滚子轴承14以组件的形式参与到结构连接中，刚轮13和轴承外圈141均留有连接孔位用于参与外部零件的连接；

第一筒形件231的内侧用于粘接无框力矩电机22的定子221，第一法兰232通过螺钉固连在轴承外圈141和柔轮12(轴承外圈141和柔轮12已经固连，相对静止)上，由此将无框力矩电机22装置安装在柔轮12的容置腔内；

将固连好波发生器11的电机轴21整体轴系从图3所示的由左向右的方向旋入谐波减速器1中，从而使得波发生器11在谐波减速器1的工作位置，且无框力矩电机22的转子222在定子221的相对工作位置中；

在波发生器11左侧装入前端轴承71，再将输出法兰3通过螺钉固连在刚轮13和交叉滚子轴承14内圈(刚轮13和轴承内圈142已经固连，相对静止)上，使得前端轴承71的外圈接触输出法兰3的内孔，前端轴承71的内圈接触波发生器11左侧的环形凸起，则整体轴系左侧位置固定；

在电机轴21右侧套入轴承挡肩，再套入后端轴承72，从而确定后端轴承72的轴向位置。将读数板52通过螺钉固定在后盖4内侧，后将后盖4外侧的多个凸起对应对准电机仓23外缘的缺口，并用螺钉自左至右的穿过轴承外圈141、柔轮12、电机仓23、最后连接到后盖4的凸缘台阶处，与此同时，后盖4的中间轴承孔与后端轴承72的外圈形成配合，则整体轴系右侧位置固定；

将用于通过线束的护线管通过螺钉固连在输出法兰3上，将护线胶垫8卡接在后盖4上的通孔内，完成装配。

传动原理：

无框力矩电机22的转子222回转带动电机轴21、波发生器11和磁环51同步回转，将动力传至谐波减速器1，柔轮12和轴承外圈141整体通过长螺钉固定在外部连接件上(如图3所示，长螺钉凸出谐波减速器1的部分用于连接外部连接件，从而固定整个关节执行器)，因此谐波减速器1属于柔轮12固定，刚轮13输出类型，经过谐波减速器1的减速增矩效果，将动力传递至输出法兰3输出转矩。

本实用新型第二方面实施例的协作机器人包括上述任一实施例所述的关节执行器。

本实用新型第二方面实施例的协作机器人的技术优势与上述实施例的关节执行器的技术优势相同，此处不再赘述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种关节执行器，其特征在于，包括：

谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮、刚轮，所述柔轮具有容置腔，所述波发生器安装在所述容置腔内的一端并与所述柔轮相贴合，所述刚轮套设在所述柔轮的外侧一端并与所述柔轮啮合；

电机组件，所述电机组件包括电机轴、无框力矩电机和电机仓，所述电机仓与所述柔轮相连，所述电机仓的至少部分位于所述容置腔内，所述电机轴的一端与所述波发生器相连，所述无框力矩电机设置在所述容置腔内，所述无框力矩电机包括转子和定子，所述转子设置在所述定子内侧并与所述电机轴相连，所述定子设置在所述电机仓内；

输出法兰，所述输出法兰与所述刚轮相连；

后盖，所述后盖连接在所述柔轮的一端并将所述容置腔封闭。

2.根据权利要求1所述关节执行器，其特征在于，所述谐波减速器还包括交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承套设在所述柔轮外侧，所述交叉滚子轴承包括可相对转动的轴承外圈和轴承内圈，所述柔轮和所述电机仓均与所述轴承外圈相连，所述输出法兰和所述刚轮均与所述轴承内圈相连。

3.根据权利要求2所述关节执行器，其特征在于，所述电机仓包括第一筒形件和第一法兰，所述第一法兰连接在所述第一筒形件的一端，所述定子的外周壁与所述第一筒形件的内周壁相连，所述第一法兰与所述轴承外圈和所述柔轮相连。

4.根据权利要求3所述关节执行器，其特征在于，所述第一法兰的外沿设置有多个缺口，所述后盖上设置有与所述缺口对应的凸起，所述凸起配合在所述缺口内。

5.根据权利要求3所述关节执行器，其特征在于，所述柔轮包括第二筒形件和第二法兰，所述第二法兰连接在所述第二筒形件的一端，所述容置腔形成于所述第二筒形件内，所述轴承外圈、所述第二法兰、所述第一法兰和所述后盖沿所述电机轴的轴向依次布置。

6.根据权利要求1所述关节执行器，其特征在于，还包括过线管，所述过线管包括第三筒形件和第三法兰，所述第三法兰连接在所述第三筒形件的一端，所述第三筒形件沿所述电机轴的轴向贯穿所述电机轴，所述第三法兰与所述输出法兰相连。

7.根据权利要求1-6中任一项所述关节执行器，其特征在于，还包括编码器组件，所述编码器组件包括磁环和读数板，所述磁环套设在所述电机轴上并与所述电机轴同步转动，所述读数板安装在所述后盖上并与所述磁环相对布置。

8.根据权利要求1-6中任一项所述关节执行器，其特征在于，还包括前端轴承和后端轴承，所述波发生器的前端设置有环形凸起，所述前端轴承的内圈套设在所述环形凸起上，所述前端轴承的外圈与所述输出法兰相连，所述后端轴承的内圈套设在所述电机轴上，所述后盖上设置有轴承孔，所述后端轴承的外圈配合在所述轴承孔内。

9.根据权利要求1-6中任一项所述关节执行器，其特征在于，还包括护线胶垫，所述护线胶垫上设置有过线孔，所述后盖上设置有通孔，所述护线胶垫配合在所述通孔内。

10.一种协作机器人，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的关节执行器。