CN219882528U - 一种两自由度一体化机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种两自由度一体化机械臂关节，涉及机械臂关节技术领域，包括外壳和两个机械关节，两个机械关节的轴线相互垂直，机械关节的包括依次连接的输出部、驱动部和控制部，两个机械关节中将输出部伸出外壳的为第一关节，将控制部伸入外壳的为第二关节，所述第一关节和第二关节相互配合形成L字型结构，所述第一关节为L字型结构的短边、第二关节为L字型结构的长边。本实用新型提供的两自由度一体化机械臂关节，通过将两个机械关节L型布置的结构、采用外转子结构的驱动元件、改进了刹车结构、优化了控制部的布局，可以有效减少外壳体积，提高空间利用率，满足了两自由度一体化机械臂关节小型化的需求。

Description

一种两自由度一体化机械臂关节

技术领域

本实用新型涉及机械臂关节技术领域，具体涉及一种两自由度一体化机械臂关节。

背景技术

技术变革日新月异，机械臂的技术发展，呈现从大型化到小型化、从自动化到智能化，从工业领域逐步拓展到医疗、教育和生活等方方面面的发展趋势。随着机械臂技术长期发展和演变，机械臂关节技术呈现高速、大负载、轻质化和小型化发展趋势。机械臂关节技术是机械臂核心部件，整体结构依附于机械臂关节物理尺寸的限制，对机器人的整体性能有决定性影响。

现有一体化关节均为单一自由度，由单自由度关节组装的两自由度装置其占用空间体积相对更大，不利于协作机械臂的避障。由单自由度关节组装的装置，由于定位配合面角度，其运动精度会由于装配的误差而降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对上述存在的问题，本实用新型提供一种两自由度一体化机械臂关节，通过将两个机械关节L型布置的结构、采用外转子结构的驱动元件、改进了刹车结构、优化了控制部的布局，可以有效减少外壳体积，提高空间利用率，满足了两自由度一体化机械臂关节小型化的需求。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种两自由度一体化机械臂关节，包括外壳和两个机械关节，两个机械关节的轴线相互垂直，机械关节的包括依次连接的输出部、驱动部和控制部，两个机械关节中将输出部伸出外壳的为第一关节，将控制部伸入外壳的为第二关节，所述第一关节和第二关节相互配合形成L字型结构，所述第一关节为L字型结构的短边、第二关节为L字型结构的长边。

进一步地，所述机械关节还包括壳体，所述驱动部设于壳体内；所述驱动部包括转子、定子、转子轴、电机法兰和谐波减速器，所述输出部包括输出法兰和输出轴，所述输出法兰伸出壳体形成向外输送转动的输出端；所述定子通过电机法兰固定于壳体，所述转子包括相互连接的连接部和驱动部，所述连接部与转子轴连接，所述转子轴通过电机轴承与壳体可转动连接，所述驱动部环绕于定子外，所述驱动部与定子匹配的内表面均布有磁钢，所述磁钢与定子之间设置有间隔，所述转子轴通过谐波减速器差速转动连接于输出法兰；输出轴一端通过输出轴承与壳体可转动连接、另一端连接于输出法兰，所述输出轴穿过转子轴的内孔，所述转子轴环设于输出轴外并与输出轴间隔有间距。

进一步地，所述输出轴相对于连接输出法兰的一端设有可限制输出轴的刹车结构，所述刹车结构包括刹车支架、刹车片、卡挡钉、电磁铁和弹性元件，所述刹车支架固定于壳体；所述刹车支架上设有与卡挡钉端部匹配的卡挡槽；所述刹车片固定于输出轴，所述刹车片周向均布有多个卡挡爪；所述电磁铁和刹车支架沿轴向分设于刹车片的两端，所述卡挡钉的一端限制于刹车支架上的卡挡槽、另一端连接于电磁铁的输出端，所述卡挡钉位于刹车片的一侧，所述卡挡钉上设有可限制卡挡爪的卡挡凸块，所述卡挡凸块与刹车片之间设有弹性元件，所述电磁铁的输出端设于刹车片的外侧且与刹车片在径向上间隔有间距，所述电磁铁可作用于卡挡钉使卡挡钉向卡挡槽内移动，所述弹性元件可作用于卡挡钉使卡挡钉向电磁铁移动，所述弹性元件对卡挡钉的作用力小于电磁铁通电时对卡挡钉的作用力，所述弹性元件和电磁铁相互配合沿轴向移动卡挡钉。

进一步地，所述控制部设于壳体内，所述控制部处的壳体为一侧形成有外部容置空间的阶梯结构，所述电磁铁设置于壳体外的外部容置空间。

进一步地，所述控制部包括多块沿轴向层叠布置的控制板。

进一步地，所述电磁铁设于容置空间的一侧。

进一步地，所述第一关节的容置空间与第二关节的外部容置空间相对设置。

进一步地，所述连接部相对于定子的一侧设有可采集转子转动角度和转速的电机编码器；所述输出轴相对于连接输出法兰的一端设置有可采集输出轴转动角度和转速的关节编码器。

进一步地，所述输出法兰一侧与输出轴紧固连接、另一侧设置有扭矩传感器。

进一步地，所述输出轴为中空的管状结构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型第一关节和第二关节呈L字型布置，可有效减少外壳内的空置区域，提高空间利用率，满足了两自由度一体化机械臂关节小型化的需求。

2、本实用新型通过采用外转子电机作为驱动元件，在保证达到相同输出力矩的情况下，可减小驱动元件整体尺寸从而使机械关节更紧凑，实现对机械关节小型化的需求。

3、本实用新型刹车结构的卡挡钉在断电后，可以通过弹性元件复位，结构简单稳定。

4、本实用新型通过刹车结构可以在驱动元件停止驱动后实现对输出轴的制动，提高控制精度。

5、本实用新型输出轴和转子轴均可相对壳体独立旋转。

6、本实用新型输出轴中空可以用于线缆走线。

附图说明

图1是本实用新型两自由度一体化机械臂关节的结构示意图；

图2是本实用新型机械关节的结构示意图；

图3是本实用新型第一关节的剖示图；

图4是本实用新型第二关节的剖示图；

图5是本实用新型驱动部的剖示图；

图6是本实用新型卡挡钉限制刹车片的结构示意图；

图7是本实用新型刹车片的结构示意图。

图中标记：11-第一关节，12-第二关节，101-转子，102-定子，103-电机法兰，111-磁钢，112-转子轴，2-壳体，3-谐波减速器，301-钢轮，302-柔轮，303-发生器，4-电机编码器，401-电机码盘，402-电机读头，501-输出法兰，502-输出轴，6-关节编码器，4601-关节码盘，602-关节读头，7-刹车结构，701-电磁铁，702-卡挡钉，703-刹车片，704-卡挡爪，706-卡挡凸块，8-扭矩传感器，9-控制部，10-外壳。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种两自由度一体化机械臂关节，如图1-7所示，包括外壳10和两个机械关节，两个机械关节的轴线相互垂直，机械关节的包括依次连接的输出部、驱动部和控制部9，两个机械关节中将输出部伸出外壳10的为第一关节11，将控制部9伸入外壳10的为第二关节12，所述第一关节11和第二关节12相互配合形成L字型结构，所述第一关节11为L字型结构的短边、第二关节12为L字型结构的长边。

所述机械关节还包括壳体2，所述驱动部设于壳体2内；所述驱动部包括转子101、定子102、转子轴112、电机法兰103和谐波减速器3，所述输出部包括输出法兰501和输出轴502，所述输出法兰501伸出壳体2形成向外输送转动的输出端；所述定子102通过电机法兰103固定于壳体2，所述转子101包括相互连接的连接部和驱动部，所述连接部与转子轴112连接，所述转子轴112通过电机轴承与壳体2可转动连接，所述驱动部环绕于定子102外，所述驱动部与定子102匹配的内表面均布有磁钢111，所述磁钢111与定子102之间设置有间隔，所述转子轴112通过谐波减速器3差速转动连接于输出法兰501；输出轴502一端通过输出轴502承与壳体2可转动连接、另一端连接于输出法兰501，所述输出轴502穿过转子轴112的内孔，所述转子轴112环设于输出轴502外并与输出轴502间隔有间距。具体地说，通常机械臂关机采用内转子电机，内转子电机的特点是转速高、力矩小，往往关节留有较大的转速余量和力矩输出空间。而本实施例的驱动部采用外转子结构，特点是在保证达到相同输出力矩的情况下，可减小驱动元件整体尺寸从而使机械关节更紧凑，实现对机械关节小型化的需求。

所述谐波减速器3包括钢轮301、柔轮302和发生器303，所述转子轴112穿过电机法兰103的内孔连接于发生器303，所述发生器303可在转子轴112的作用下转动，所述柔轮302套设于发生器303并可与发生器303同速转动，所述钢轮301套设于柔轮302并与柔轮302差齿连接，所述钢轮301可在柔轮302的作用下相对柔轮302做减速转动。

所述电机法兰103与转子轴112之间设有支撑轴承。

所述输出轴502相对于连接输出法兰501的一端设有可限制输出轴502的刹车结构7，所述刹车结构7包括刹车支架、刹车片703、卡挡钉702、电磁铁701和弹性元件，所述刹车支架固定于壳体2；所述刹车支架上设有与卡挡钉702端部匹配的卡挡槽；所述刹车片703固定于输出轴502，所述刹车片703周向均布有多个卡挡爪704；所述电磁铁701和刹车支架沿轴向分设于刹车片703的两端，所述卡挡钉702的一端限制于刹车支架上的卡挡槽、另一端连接于电磁铁701的输出端，所述卡挡钉702位于刹车片703的一侧，所述卡挡钉702上设有可限制卡挡爪704的卡挡凸块706，所述卡挡凸块706与刹车片703之间设有弹性元件，所述电磁铁701的输出端设于刹车片703的外侧且与刹车片703在径向上间隔有间距，所述电磁铁701可作用于卡挡钉702使卡挡钉702向卡挡槽内移动，所述弹性元件可作用于卡挡钉702使卡挡钉702向电磁铁701移动，所述弹性元件对卡挡钉702的作用力小于电磁铁701通电时对卡挡钉702的作用力，所述弹性元件和电磁铁701相互配合沿轴向移动卡挡钉702。通过卡挡凸块706，与刹车片703配合的设计，控制行程短，有利于机械关节小型化设计。

所述控制部9设于壳体2内，所述控制部9处的壳体2为一侧形成有外部容置空间的阶梯结构，所述电磁铁701设置于壳体2外的外部容置空间。

所述控制部9包括多块沿轴向层叠布置的控制板。所述控制板的形状与壳体2阶梯形状的截面匹配，结构布局严密。优选地，本实施例的控制板为两快ARM SOC嵌入式处理器，整体高度不超过1.5CM。

所述电磁铁701设于容置空间的一侧。

所述第一关节11的容置空间与第二关节12的外部容置空间相对设置。

所述连接部相对于定子102的一侧设有可采集转子101转动角度和转速的电机编码器4；所述输出轴502相对于连接输出法兰501的一端设置有可采集输出轴502转动角度和转速的关节编码器6。

所述输出法兰501一侧与输出轴502紧固连接、另一侧设置有扭矩传感器8。

所述输出轴502为中空的管状结构。

电源在未通电的状态时，卡挡凸块706沿轴向与刹车片703的卡挡爪704位于同一平面，此时卡挡爪704限制于卡挡凸块706，电源供电后，电磁铁701通电，并向卡挡钉702施加推力，卡挡钉702向卡挡槽内移动并压缩弹簧，使得卡挡凸块706与卡挡爪704在轴向上位置交错，此时刹车片703可以自由转动，定子102通电驱动转子101转动，转子轴112随转子101转动，并作用于谐波减速器，谐波减速器带动输出法兰501和输出轴502以低于转子101的速度转动；电源停止供电后，定子102失电不再驱动转子101，电磁铁701失电不再作用于卡挡钉702，卡挡钉702在弹簧的作用下复位至卡挡爪704所在的平面并限制卡挡爪704，刹车片703停止转动，进而制动输出轴502，限制输出轴502和输出轴502上连接的输出法兰501的转动，实现精准控制。

本文中应用了具体的实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

Claims (10)

1.一种两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，包括外壳和两个机械关节，两个机械关节的轴线相互垂直，机械关节的包括依次连接的输出部、驱动部和控制部，两个机械关节中将输出部伸出外壳的为第一关节，将控制部伸入外壳的为第二关节，所述第一关节和第二关节相互配合形成L字型结构，所述第一关节为L字型结构的短边、第二关节为L字型结构的长边。

2.如权利要求1所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述机械关节还包括壳体，所述驱动部设于壳体内；所述驱动部包括转子、定子、转子轴、电机法兰和谐波减速器，所述输出部包括输出法兰和输出轴，所述输出法兰伸出壳体形成向外输送转动的输出端；所述定子通过电机法兰固定于壳体，所述转子包括相互连接的连接部和驱动部，所述连接部与转子轴连接，所述转子轴通过电机轴承与壳体可转动连接，所述驱动部环绕于定子外，所述驱动部与定子匹配的内表面均布有磁钢，所述磁钢与定子之间设置有间隔，所述转子轴通过谐波减速器差速转动连接于输出法兰；输出轴一端通过输出轴承与壳体可转动连接、另一端连接于输出法兰，所述输出轴穿过转子轴的内孔，所述转子轴环设于输出轴外并与输出轴间隔有间距。

3.如权利要求2所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述输出轴相对于连接输出法兰的一端设有可限制输出轴的刹车结构，所述刹车结构包括刹车支架、刹车片、卡挡钉、电磁铁和弹性元件，所述刹车支架固定于壳体；所述刹车支架上设有与卡挡钉端部匹配的卡挡槽；所述刹车片固定于输出轴，所述刹车片周向均布有多个卡挡爪；所述电磁铁和刹车支架沿轴向分设于刹车片的两端，所述卡挡钉的一端限制于刹车支架上的卡挡槽、另一端连接于电磁铁的输出端，所述卡挡钉位于刹车片的一侧，所述卡挡钉上设有可限制卡挡爪的卡挡凸块，所述卡挡凸块与刹车片之间设有弹性元件，所述电磁铁的输出端设于刹车片的外侧且与刹车片在径向上间隔有间距，所述电磁铁可作用于卡挡钉使卡挡钉向卡挡槽内移动，所述弹性元件可作用于卡挡钉使卡挡钉向电磁铁移动，所述弹性元件对卡挡钉的作用力小于电磁铁通电时对卡挡钉的作用力，所述弹性元件和电磁铁相互配合沿轴向移动卡挡钉。

4.如权利要求3所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述控制部设于壳体内，所述控制部处的壳体为一侧形成有外部容置空间的阶梯结构，所述电磁铁设置于壳体外的外部容置空间。

5.如权利要求4所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述控制部包括多块沿轴向层叠布置的控制板。

6.如权利要求4所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述电磁铁设于容置空间的一侧。

7.如权利要求4-6任一权利要求所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述第一关节的容置空间与第二关节的外部容置空间相对设置。

8.如权利要求2所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述连接部相对于定子的一侧设有可采集转子转动角度和转速的电机编码器；所述输出轴相对于连接输出法兰的一端设置有可采集输出轴转动角度和转速的关节编码器。

9.如权利要求2所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述输出法兰一侧与输出轴紧固连接、另一侧设置有扭矩传感器。

10.如权利要求2所述的两自由度一体化机械臂关节，其特征在于，所述输出轴为中空的管状结构。