WO2024139056A1 - 一种小型机械臂关节及其机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型机械臂关节及其机器人。本发明的小型机械臂关节中，在电机轴两端和中间设置有多个轴承；在谐波减速器与电机之间加装有滑动密封件，在钢轮与壳体、输出端的接触面上都配合安装密封件；控制板和输出端均为中空结构，线缆从中空结构穿过；采用磁性编码器以减小关节体积；还在电机与控制板之间相隔的壳体上安装有隔磁片等。本发明机器人的机械臂之间采用所述小型机械臂关节连接。本发明实现了一种结构紧凑、运行平稳且安全可靠的小型机械臂关节及其机器人，有效提高转动轴的平稳性，也有效防止润滑油脂进入电机内部或控制板。

Description

一种小型机械臂关节及其机器人

交叉引用

本申请基于申请号为202211677443.5、申请日为2022年12月26日的中国专利申请提出，并要求该中国专利申请的优先权，该中国专利申请的全部内容在此引入本申请作为参考。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种小型机械臂关节及其机器人。

背景技术

机械臂关节单元包括电机、谐波减速器、单元壳体以及编码器等，为保证谐波减速器有效运行，需要在谐波减速器的钢轮和柔轮之间加入适量润滑油脂，但是在关节单元工作时，不合理的结构设计会导致油脂进入电机、编码器等电器件，严重影响电器件的安全性及可靠性。密封不良还会导致油脂流至壳体外面，造成油脂的浪费及对机械臂的污染。传统设计中，电机输入轴与壳体固定端支撑件位于两处，且两处的间距较近，而支撑件与电机输出端较远，容易造成电机输入轴的不稳定性。此外，在设计中空结构穿线孔时，一般设计是加工一个大孔，将电源线和信号线一起穿过穿线孔，这样容易导致电源线对信号线传输信号的干扰。

因此，需要一种新的关节结构解决上述问题。

发明内容

针对上面需要一种新的关节结构解决上述问题的需求，本发明提供了一种结构紧凑、运行平稳且安全可靠的小型机械臂关节及其机器人。

具体地，本发明提供的一种小型机械臂关节，通过壳体将电机与谐波减速器、控制板分别相隔在不同空间内，其中还包括如下结构：

电机轴与壳体通过轴承A与轴承C同轴连接；谐波减速器与电机通过壳体和轴承C相隔，并在相隔壳体与电机轴的缝隙之间加装滑动密封件。所述的滑动密封件由密封塑料和O型圈组成。O型圈与壳体接触，密封塑料与电机轴表面接触；密封塑料的左右两侧设置挡环以进行轴向定位。在电机轴左右两端与输出端之间安装有轴承B和轴承D；轴承B和轴承D的内圈与输出端固定，外圈与电机轴上的凹槽面固定，所述凹槽面的径向尺寸大于电机轴轴孔面的径向尺寸，使得轴承B和轴承D的内圈几乎与电机轴轴孔面持平。

谐波减速器的钢轮与输出端机械固定连接，钢轮的外径为关节单元的最大外径。在钢轮与输出端的接触面上以及钢轮与壳体的接触面上都配合安装密封件。

电机的转子利用平键与电机轴连接，电机定子与壳体固定连接。电机转子左端靠近谐波减速器的一侧利用电机轴的轴肩定位，右端通过隔环轴向定位。

控制板与壳体机械固定连接，控制板和输出端均为中空结构，线缆从中空结构穿过；控制板采用电连接方式固定有两个磁性编码器，编码器感应片A对应的磁盘固定连接于电机轴，编码器感应片B对应的磁环固定连接于输出端的轴上。

所述的输出端的轴中开两个穿线孔，将关节单元的电源线和信号线分别在一个穿心孔中穿线。

所述的电机与控制板之间相隔的壳体上安装有隔磁片。

所述的轴承B和轴承D采用两面带密封圈的深沟球轴承。

本发明实现的机器人，在机械臂之间采用所述小型机械臂关节进行连接。

相比现有技术，本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明的机械臂关节，通过在电机轴左右两端与输出端之间设置两个轴承B、D，在电机轴的中间部分设置两个轴承A、C，多支撑点可有效提高转动轴的平稳性。同时，在轴承B与轴承D选用两面带密封圈的深沟球轴承，还可以起到防止谐波减速器的润滑油脂顺着电机轴与输出端的间隙流入右侧控制板的作用，避免控制板被油脂污染，造成短路等。

(2)本发明的机械臂关节在电机和减速器之间布置滑动密封件，可以有效防止润滑油脂进入电机内部。

(3)本发明的机械臂关节中，钢轮的最大外径即关节单元的最大外径，不需要在钢轮外再安装壳体，通过与密封件的配合，可以有效防止外界杂质进入减速器内部，也可以防止内部润滑油脂流出，造成油脂浪费与污染。

(4)本发明的机械臂关节中，电机转子利用平键与电机轴连接，电机转子左端靠近谐波的一侧利用轴肩定位，远离谐波的一侧通过隔环轴向定位，平键侧面与电机轴安装槽和转子安装槽都是过渡配合，采用这种连接方式拆装方便，安装可靠。

(5)本发明所设计的轴承B、D，其外圈与电机轴的凹槽面固定，凹槽面的径向尺寸远大于电机轴轴孔面的径向尺寸，使得轴承B、D的安装并未增加整体关节的径向尺寸，相较于现有设计，实现整体关节结构更加紧凑。

(6)本发明中，在电机与控制板之间加装隔磁片，电机轴采用非导磁材料铝合金材质。这两种方案的设计大大降低了电机对控制板的电磁干扰。

(7)本发明中采用磁性编码器，相较于光电编码器，其抗干扰和抗震性更好，且减小了关节单元的整体结构体积。

(8)本发明中输出端轴设计为两个穿线孔结构，可以将关节单元的电源线和信号线分开穿线，该设计可以有效避免电源线对信号线的电磁干扰。

附图说明

图1是本发明所提供的机械臂关节的内部结构示意图；

图2是本发明所提供的机械臂关节内部圆圈A处的放大图；

图3是本发明所提供的机器人的结构示意图；

图中：
1-输出端；1.1-穿线孔A；1.2-穿线孔B；2-电机轴；2.1-电机轴内部凹槽面
A；
2.2-电机轴轴孔面；2.3-电机轴内部凹槽面B；3-波发生器；3.1-内部安装面；
4-柔轮；5-钢轮；
6-电机定子；7-壳体A；8-电机转子；9-平键；10-隔磁片；11-壳体B；12-
编码器感应片A；
13-磁盘；14-控制板；15-编码器感应片B；16-磁环；17-轴承A；18-轴承B；
19-盖板；
20-轴承C；21-轴承D；22-密封件A；23-密封件B；24-滑动密封件；24.1-
密封塑料；
24.2-O型圈；25-挡环A；26-隔环；27-挡环B；28-关节单元；29-机械臂A；
30-机械臂B；
31-机械臂C；32-机械臂D；33-机械臂E；34-机械臂F。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、运行平稳的小型机械臂关节及其机器人。

如图1所示，本发明实施例实现的机械臂关节，其结构包括：

(1)输出端1具有与电机轴2同轴心的轴结构，在输出端1的轴中开两个穿线孔，分别为穿线孔A1.1，和穿线孔B1.2。这种穿线孔结构可以将关节单元的电源线和信号线分开穿线，该设计可以有效避免电源线对信号线的电磁干扰。

(2)本发明中减速器为谐波减速器，包括波发生器3，柔轮4，和钢轮5。柔轮4与钢轮5齿啮合，传动效率高。本发明中钢轮5的外径即关节单元的最大外径，不需要再在钢轮外侧加装壳体与机械臂固定。波发生器3作为转矩输入端， 通过柔轮4，将转矩输送给钢轮5。钢轮5与输出端1机械固定连接。本发明中，在钢轮5与输出端1的接触面上、与壳体A7的接触面上，通过与密封件A22、密封件B23的配合，可以有效防止外界杂质进入减速器内部，也可以防止内部润滑油脂流出。

本发明所使用的密封件可以是圆形结构，也可以是方形结构，并不限制形状。

(3)电机通过壳体分别与谐波减速器、控制板相隔，处于不同空间。电机包括电机定子6和电机转子8。电机转子8利用平键9与电机轴2连接，两端利用轴肩和隔环26轴向固定，此连接方式拆装方便，安装可靠。电机定子6与壳体A7固定连接，不限定连接方式。电机转子8左端靠近谐波减速器的一侧利用电机轴2的轴肩定位，电机转子8右端远离谐波减速器的一侧通过隔环26轴向定位。平键9侧面与电机轴2安装槽和转子安装槽都是过渡配合。

(4)本发明中波发生器3与电机轴2机械固定连接，电机轴2又与电机转子8固定连接，这就使得波发生器3与电机转子8同轴连接。

(5)本发明中加装了隔磁片10。电机在运行过程中，会产生一定的电磁干扰，为防止电机对右侧控制板14通信产生干扰，本发明中采用两种措施进行预防，一是在电机与控制板14之间加装隔磁片10，其中隔磁片10与壳体B11机械固定连接。二是电机轴2采用非导磁铝合金材质。这两种方案可大大降低电机对控制板14的电磁干扰。其中，壳体A7和壳体B11是指壳体上的不同部分，为了方便描述，对壳体不同部分进行了编号。

(6)本发明中采用磁性编码器，相较于目前大多使用的光电编码器，磁性编码器转速高，易用性好，可高度抗震，响应速度快，而且非常适合于用在安装空 间较小的场景。磁性编码器与控制板14采用电连接方式固定。本发明中有两个磁性编码器，一是编码器感应片A12，二是编码器感应片B15。编码器感应片A12对应的磁盘13固定连接于电机轴2，且是同轴连接。编码器感应片B15对应的磁环16固定连接于输出端1的轴上，也是同轴连接。编码器感应片A12用于检测电机输入端速度，编码器感应片B15用于检测输出端速度。

(7)本发明中控制板14与壳体B11机械固定连接。控制板14为中空结构，输出端1也是中空结构，线缆可以通过中空结构穿过，该结构设计可使关节单元整体结构更加紧凑。

为了防止减速器油脂对控制板14的干扰，本发明实施例还可以在控制板14的表面涂敷防护胶。

(8)本发明中电机轴2与壳体A7通过轴承A17与轴承C20同轴连接。减速器与电机通过壳体7和轴承C20相隔，由于减速器中充有润滑脂，为防止润滑脂进入电机内部，本发明中在减速器和电机之间的壳体A7与电机轴2的缝隙之间加装滑动密封件24，滑动密封件24由两部分组成：密封塑料24.1和O型圈24.2。为防止O型圈24.2出现动态磨损和挤压破坏，将O型圈24.2与固定壳体A7接触。密封塑料24.1与电机轴2表面接触，且左右两侧由挡环A25和挡环B27进行轴向定位。密封塑料24.1采用耐磨TFE(四氟乙烯)材质，O型圈24.2采用耐油的丁腈橡胶材质，可以有效提高密封性能。

(9)本发明为提高电机轴2转动的稳定性，对电机轴2增加轴承支撑，在电机轴2的左右两端与输出端1之间设计了轴承B18与轴承D21。轴承D21内圈与输出端1固定，外圈与波发生器3的内部安装面3.1和电机轴2内部凹槽面 A2.1固定，凹槽面2.1的径向尺寸远大于电机轴轴孔面2.2的径向尺寸，使得轴承D21的内圈几乎与轴孔面2.2持平，而在现有常规设计时，轴承D21外圈可能与轴孔面2.2持平，相较于此，本发明的设计会减小整体关节的径向尺寸。轴承B18内圈与输出端1固定，外圈与电机轴2的凹槽面B2.3固定，凹槽面B2.3的径向尺寸远大于轴孔面2.2的径向尺寸，使得轴承B18的安装并未增加整体关节的径向尺寸，使得整体结构更加紧凑。电机轴2可以绕输出端1自由转动。轴承B18与轴承D21还可以起到防止谐波减速器的润滑油脂顺着电机轴2与输出端1的间隙流入右侧控制板14的作用。优选地，本发明实施例中，轴承B与轴承D选用两面带密封圈的深沟球轴承。

本发明电机轴设置有轴承A～D四个支撑点，轴承A、C位于电机轴的中间位置，轴承B、D位于两端，多支撑点可有效提高转动轴的平稳性。

(10)本发明中，盖板19与壳体B11机械固定连接，防止灰尘杂质等进入电器件内。盖板19采用散热效果较好的铝材质。

如图2所示，本发明实施例实现的机器人是由机械臂A29、机械臂B30、机械臂C31、机械臂D32、机械臂E33、机械臂F34与各关节单元28组成。机械臂与机械臂之间通过关节单元28或者连接件连接。末端机械臂F33可固定连接负载，实现负载的移动或转动。机械臂中的各关节单元28具有上述机器人关节单元的功能，在此就不做介绍。

通过上述描述，获得一种小型机械臂关节及其机器人。应该理解，上述实施例中所描述的实施方式也并不代表与本申请相一致的所有实施方式，在本发明技 术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。本发明省略了对公知组件和公知技术的描述，以避免赘述和不必要地限制本发明。

Claims (9)

1. 一种小型机械臂关节，其特征在于，通过壳体将电机与谐波减速器、控制板分别相隔在不同空间内，其中：

   电机轴与壳体通过轴承A与轴承C同轴连接；谐波减速器与电机通过壳体和轴承C相隔，并在相隔壳体与电机轴的缝隙之间加装滑动密封件；所述的滑动密封件由密封塑料和O型圈组成；O型圈与壳体接触，密封塑料与电机轴表面接触；密封塑料的左右两侧设置挡环以进行轴向定位；在电机轴左右两端与输出端之间安装有轴承B和轴承D；轴承B和轴承D的内圈与输出端固定，外圈与电机轴上的凹槽面固定，所述凹槽面的径向尺寸大于电机轴轴孔面的径向尺寸，使得轴承B和轴承D的内圈几乎与电机轴轴孔面持平；

   谐波减速器的钢轮与输出端机械固定连接，钢轮的外径为关节单元的最大外径；在钢轮与输出端的接触面上以及钢轮与壳体的接触面上都配合安装密封件；

   电机的转子利用平键与电机轴连接，电机定子与壳体固定连接；电机转子左端靠近谐波减速器的一侧利用电机轴的轴肩定位，右端通过隔环轴向定位；

   控制板与壳体机械固定连接，控制板和输出端均为中空结构，线缆从中空结构穿过；控制板采用电连接方式固定有两个磁性编码器，编码器感应片A对应的磁盘固定连接于电机轴，编码器感应片B对应的磁环固定连接于输出端的轴上。
2. 根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于，所述的输出端的轴中开两个穿线孔，将关节单元的电源线和信号线分别在一个穿心孔中穿线。
3. 根据权利要求1或2所述的机械臂关节，其特征在于，所述的平键侧面与电机轴安装槽、转子安装槽都是过渡配合。
4. 根据权利要求1或2所述的机械臂关节，其特征在于，所述的电机，其与控制板之间相隔的壳体上安装有隔磁片。
5. 根据权利要求4所述的机械臂关节，其特征在于，所述的电机轴采用非导磁铝合金材质。
6. 根据权利要求4所述的机械臂关节，其特征在于，所述的控制板的表面涂敷防护胶。
7. 根据权利要求1或2所述的机械臂关节，其特征在于，所述的轴承B与轴承D选用两面带密封圈的深沟球轴承。
8. 根据权利要求1或2所述的机械臂关节，其特征在于，所述的壳体，与一个盖板机械固定连接。
9. 一种机器人，其特征在于，在机械臂之间采用如权利要求1或2所述的机械臂关节进行连接。