TWI431904B - Hollow actuator - Google Patents

Description

中空致動器

本發明係關於用在機器人關節的中空致動器。

產業用機器人已在汽車生產線取代人力作業之汽車組裝和其他零件組裝等、或是與人共同進行作業的情形漸增。而進行這種組裝作業時，除了要求機器人進行複雜的動作，還要求至今尚未實現的轉入動作和較大的可動範圍。又，由於必須配置多數機器人進行作業，而要求縮小設置範圍，從目前已有的將各臂藉由基端關節使其動作的機器人、到將各臂藉由配置在各關節的致動器使其動作的像人的手腕動作的機器人，逐漸受到期待。

為了實現這種機器人，必須有可在臂內配線使電纜露出在機器臂的框架外側而不產生與外界之干涉的構造，如以往將馬達和減速機之組合配置在關節部時，為了處理電纜就會產生關節部變大之問題。因此期待有利用致動器內部進行配線的中空致動器。

以往的中空致動器提案有將軸做成中空軸的AC伺服馬達和減速機構所構成者(例如，參照專利文獻1及專利文獻2)。利用第2圖說明以往的中空致動器。在波動齒輪裝置101的減速機框架111內側，透過軸承12設有杯狀的輸出軸113，在輸出軸113內側設有圓形花鍵114。又，在減速機框架111端面固定著設在可撓性旋轉筒115 一方端部的磁場鐵芯部151，而設在另一方端部附近的外齒116係卡合在圓形花鍵114。波形軸承117接觸在可撓性旋轉筒115內側，且設定成從波形軸承117傳遞轉矩。波形軸承117係固定在馬達軸121，該馬達軸121係將後述的馬達102所產生的轉矩輸入波動齒輪裝置101，馬達軸121的一方端係透過軸承118而支撐在輸出軸113內側。又，減速機框架111的端面固定著磁場鐵芯(Field core)132，磁場鐵芯132設有杯狀的中空軛131，係透過空隙插入在可撓性旋轉筒115內側。中空軛131內側固定著旋轉檢測器104的固定部141，固定部141內側固定著旋轉部142隔著空隙相對向的馬達軸121。磁場鐵芯132的另一端面固定著圓筒狀的馬達框架122，馬達框架122內側固定著固定子125，係由具備電樞繞線123的環狀之固定子鐵芯124所構成。固定子125內側設有旋轉子127，係具備構成馬達102的勵磁的永久磁鐵126，永久磁鐵126係隔著空隙而與固定子鐵芯124相對向，且固定在馬達軸121所固定的杯狀的馬達軛128。框架122的反輸出側端面固定著第2托架105，係透過突出在托架105內側所設的外殼部152所設的軸承153，而支撐馬達軸121的另一方端。具備與馬達102的極數同一極數之制動器103的旋轉側永久磁鐵133係以在圓周方向等間隔地且鄰接的磁極為異極之方式，被固定在杯狀之馬達軛128內周，且馬達102的永久磁鐵126的磁路形成共有狀態。在圓周上以等間距著磁的環狀永久磁鐵所構成的旋轉側永久 磁鐵133之內側，隔著空隙將固定側永久磁鐵134固定在托架105的外殼部152。

又，第3圖表示內插有電磁制動器的中空致動器。馬達202係由固定在框架201的定子221和杯形狀的轉子222所構成。中空軸203係固定在框架201，將電磁制動器204固定在其周圍。位置檢測器205係由安裝在固定軸203的角度檢測用之磁氣感測器251和固定在轉子222的反負荷側之角度檢測用磁鐵252所構成。減速機207係由結合在轉子222的波形發電機271、固定在框架201的撓曲形花鍵72、旋轉自如地被支撐著的圓形花鍵273所構成。輸出磁場鐵芯部係形成中空構造，兼作高速側軸承209的支撐部。此外，轉子222係由高速側軸承209支撐。

以上已說明的中空致動器可應用於機器人的關節部。

專利文獻1：日本專利實開平7-42215號公報(第3頁、第1圖)

專利文獻2：日本專利特開2006-149139號公報(第3頁、第1圖)

將這種中空致動器應用到產業用機器人的關節時，致動器必須具備制動器。即，當工場停電或進行原點位置之姿勢保持時，若不具備制動器就無法獲取正確姿勢，因此有安全性上的問題。

以往的中空致動器具備與永久磁鐵相對向的電磁制動器，而成為藉由永久磁鐵間的吸引力保持位置的機構。這種機構的情形，由於可利用非接觸使制動器發揮作用，因此具有不因制動器產生粉塵問題的優點，相反地，一旦旋轉速度變高則除了永久磁鐵間的磁吸力之外，還有渦電流使制動器力發揮作用，因此制動器力變大。因此產生制動器力對應速度而變化之問題。又，由於停止中係藉由永久磁鐵間的磁吸力保持，因此當較該磁吸力大的外力發揮作用時，將產生位置變動之問題。

本發明係鑑於如此之問題而研發者，其目地在於提供可縮短軸長並可使制動器確實地發揮作用以應用於機器人的關節部的中空致動器。

為了解決上述問題，本發明採用下述之控制方式。

申請專利範圍第1項記載的發明係中空致動器，其係由馬達部、減速機部、制動器部、及旋轉位置檢測部所構成，傳遞旋轉的軸係形成中空形狀，前述馬達部和前述制動器部被配置在同一室者。

申請專利範圍第2項記載的發明，係前述中空致動器為從負荷側依序配置減速機部、馬達部、制動器部、旋轉位置檢測部，前述馬達部和前述制動器部被配置在同一室者。

申請專利範圍第3項記載的發明，係兼用前述制動器部和前述旋轉位置檢測部的磁場鐵芯者。

申請專利範圍第4項記載的發明係中空致動器，其係 由馬達部、減速機部、制動器部、及旋轉位置檢測部所構成，傳遞旋轉的軸係形成中空形狀，前述制動器部係於磁場鐵芯配置有制動器線圈，以相對向於前述制動器線圈的方式配置有電樞，前述旋轉位置檢測部係於前述磁場鐵芯配置有偵測器，以相對向於前述偵測器的方式配置有狹縫式基板和LED，且前述磁場鐵芯兼用凸緣者。

申請專利範圍第5項記載的發明，係前述制動器部為在磁場鐵芯配置有制動器線圈，以相對向於前述制動器線圈的方式配置有電樞，前述電樞被配置成位在前述馬達部端部近旁者。

申請專利範圍第6項記載的發明，係前述馬達部的電樞繞線為在馬達部被進行末端處理，通過前述制動器部的磁場鐵芯之開口部而拉出電纜者。

申請專利範圍第7項記載的發明係中空致動器，其係由馬達部、減速機部、制動器部、及旋轉位置檢測部所構成，傳遞旋轉的軸係形成中空形狀，前述馬達部和前述制動器部被配置在同一室，在前述減速機部及旋轉位置檢測部為了不使來自前述制動器部的粉塵混入而藉由隔離手段予以分離者。

申請專利範圍第8項記載的發明，係前述減速機部和前述馬達部及前述制動器部之隔離手段為利用側板進行者。

根據申請專利範圍第1至8項記載的發明，藉由將馬達部和制動器部配置在同一室，兼用固定制動器部和旋轉 位置檢測部的方式構成，可提供軸長較短的中空致動器。又，以在制動器部利用電樞和電樞之摩擦的制動手段的方式，可獲得確實之制動。

藉由獲得這種中空致動器而可配置在機器臂的各關節，獲得如人腕的動作。又，當工場停電或進行原點復歸之姿勢保持時，可容易地保持正確姿勢。再者，由於藉由機械式摩擦力獲得制動力，因此對於來自外部的力量亦可制動，而可獲得確實之制動器。

以下，參照圖面說明本發明之實施形態。

實施例1

第1圖表示本發明之實施形態之側面剖視圖。1為馬達部、2為永久磁鐵、3為定子軛、4為電樞繞線、5為旋轉子軛、6為軸承、7為油封、8為波形插塞、9為減速機部、10為輸出軸、11為制動器部、12為制動器線圈、13為電樞、14為磁場鐵芯、15為中空軸、16為旋轉位置檢測部、17為LED、18為狹縫式基板、19為偵測器。

馬達部1和減速機部9係被油封7分離。又，馬達部1和旋轉位置檢測部16也因制動器線圈12的固定構件安裝著旋轉位置檢測部16而被分離。馬達部1和制動器部11被配置在同一室。

藉由這種構成，在制動時產生的來自制動器部11的 微小粉塵，不會混入減速機部9及旋轉位置檢測部16。又，藉由制動器部11的磁場鐵芯兼用旋轉位置檢測部16的偵測器19之支撐構件的方式，進行零件共通化，而成制動器襯片13配置在馬達部1的端面之構成。藉由這種構成，獲得可縮短中空致動器軸長之構造。

接著，說明有關各部之構成。馬達部1係由永久磁鐵2所構成，該永久磁鐵2係以隔著空隙相對向於捲繞在定子軛3的電樞繞線4的方式配設在旋轉子軛5。旋轉子軛5係安裝在中空軸15，中空軸15係由軸承6以旋轉自如的方式支撐，利用對電樞繞線4通電的方式進行旋轉者。又，電樞繞線4係被末端處理，通過制動器部11的開口部連通到外部者。

接著，說明有關減速機部。減速機部9係由波形軸承91、圓形花鍵92、撓曲形花鍵93所構成。在中空軸15連結有波形插塞8，在波形插塞8結合有波形軸承91。又，撓曲形花鍵93係固定在框架。撓曲形花鍵93外周具備旋轉自如地被支撐著的圓形花鍵92。中空軸15之旋轉係藉由結合在中空軸15的波形插塞8而傳遞到波形軸承91，被進行撓曲形花鍵93和圓形花鍵92之齒數差分減速，從輸出軸10取出。

接著，說明有關制動器部。制動器部11係由制動器線圈12和電樞14、制動器襯片13和未予圖示之制動彈簧所構成。制動器襯片13係連結在中空軸15，與中空軸15一起旋轉。使其制動時，在制動器線圈12通電則推迫 力在制動彈簧發揮作用，以電樞14和制動器襯片13接觸的方式產生制動力。如此地使其接觸進行制動的方式，可確實地制動。

接著，說明有關旋轉位置檢測部。旋轉位置檢測部16係由LED17和狹縫式基板18、偵測器19所構成。狹縫式基板18係與中空軸15連結，在狹縫式基板18形成有用於透過光的狹縫。以挟持該狹縫式基板18的方式配置LED17和偵測器19，將LED17的光藉由偵測器19受光以檢測旋轉位置。

接著，說明關於制動器部11的粉塵影響。制動時利用在電樞14和制動器襯片13間產生摩擦的方式而獲得制動力。因此時的摩擦而從各構件產生數微米(μ)大小的摩耗粉。該磨耗分為制動器襯片13的摩擦板係由樹脂系膜壓、半金屬或燒結合金所構成，電樞14係由碳鋼所構成，而由硬度低的電樞13的摩擦板產生者。相對於此，定子軛3和永久磁鐵2間的空隙為0.3mm~0.5mm程度，相較於發塵的摩耗粉，即使摩耗粉混入仍具備充分空隙，因此發塵的影響為極低者。例如，摩耗粉混入減速機部9時，在圓形花鍵和撓曲形花鍵間成為摩耗粉造成齒面損傷的原因。又，摩耗粉混入旋轉位置檢測部16時，成為LED光產生亂反射的原因。因此，為了縮短中空致動器的軸長，係將馬達部1和制動器部11內包在同一室而構成者。

1‧‧‧馬達部

2、126‧‧‧永久磁鐵

3‧‧‧定子軛

4、123‧‧‧電樞繞線

5‧‧‧旋轉子軛

6、118、153‧‧‧軸承

7‧‧‧密封件

8‧‧‧波形插塞

9‧‧‧減速機部

10‧‧‧輸出軸

11‧‧‧制動器部

12‧‧‧制動器線圈

13‧‧‧制動器襯片

14‧‧‧電樞

15‧‧‧中空軸

16‧‧‧旋轉位置檢測部

17‧‧‧LED

18‧‧‧狹縫式基板

19‧‧‧偵測器

91‧‧‧波形軸承

92、114、273‧‧‧圓形花鍵

93、272‧‧‧撓曲形花鍵

101‧‧‧波動齒輪裝置

102‧‧‧馬達

103‧‧‧制動器

104‧‧‧旋轉檢測器

105‧‧‧托架

111‧‧‧減速機框架

112‧‧‧

113‧‧‧輸出軸

115‧‧‧可撓性旋轉筒

116‧‧‧外齒

117‧‧‧波形軸承

121‧‧‧馬達軸

122‧‧‧馬達框架

124‧‧‧固定子鐵心

125‧‧‧固定子

127‧‧‧旋轉子

128‧‧‧馬達軛

131‧‧‧中空軛

132、151‧‧‧磁場鐵芯

133‧‧‧旋轉側永久磁鐵

134‧‧‧固定側永久磁鐵

141‧‧‧固定部

142‧‧‧旋轉部

152‧‧‧外殼部

221‧‧‧定子

222‧‧‧轉子

251‧‧‧磁氣感測器

252‧‧‧角度檢測用磁鐵

271‧‧‧波形發電機

第1圖係本發明的中空致動器之側面剖視圖。

第2圖表示第1習知例之側面剖視圖。

第3圖表示第2習知例之側面剖視圖。

1‧‧‧馬達部

2‧‧‧永久磁鐵

3‧‧‧定子軛

4‧‧‧電樞繞線

5‧‧‧旋轉子軛

6‧‧‧軸承

7‧‧‧密封件

8‧‧‧波形插塞

9‧‧‧減速機部

10‧‧‧輸出軸

11‧‧‧制動器部

12‧‧‧制動器線圈

13‧‧‧制動器襯片

14‧‧‧電樞

15‧‧‧中空軸

16‧‧‧旋轉位置檢測部

17‧‧‧LED

18‧‧‧狹縫式基板

19‧‧‧偵測器

91‧‧‧波形軸承(Wave-pline)

92‧‧‧圓形花鍵(Circular-pline)

93‧‧‧撓曲形花鍵(Flex-pline)

Claims (5)

1. 一種中空致動器，係利用馬達部、減速機部、制動器部、及旋轉位置檢測部所構成，傳遞旋轉的軸為形成中空形狀；其特徵為：前述制動器部係於磁場鐵芯(Field core)配置有制動器線圈，配置有電樞使得相對向於前述制動器線圈；前述旋轉位置檢測部係於前述磁場鐵芯配置有偵測器，配置有狹縫式基板和LED使得相對向於前述偵測器，且兼用前述制動器的磁場鐵芯和偵測器固定部。
2. 如申請專利範圍第1項之中空致動器，其中，從負荷側依序配置減速機部、馬達部、制動器部、旋轉位置檢測部，前述馬達部和前述制動器部被配置在同一室。
3. 如申請專利範圍第2項之中空致動器，其中，前述制動器部係被配置成位在前述馬達部端部近旁。
4. 如申請專利範圍第1~3項中任一項所記載之中空致動器，其中，為了不使來自前述制動器部的粉塵混入，前述減速機部及前述制動器部，是藉由密封件予以分離。
5. 如申請專利範圍第1~3項中任一項所記載之中空致動器，其中，為了不使來自前述制動器部的粉塵混入，前述馬達部及前述旋轉位置檢測部，是藉由磁場鐵芯而被分離。