一种机器人模块化串联关节的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人模块化串联关节。

背景技术

随着科技的发展，自动化程度提高，新型产业要求机器人能够实现人机协作，从而实现人类较难达成的精确度，并让人类远离危险的环境或工作，这就要求机器人能感知安全力、具较高的负载自重比。

机器人串联关节结构是机器人的核心组成部件，其性能在整个机器人运动过程中显得尤为重要，具有柔性化、模块化、集成化、安全、灵巧的特点。但是，在机器人技术领域内，还有一些技术问题需要解决，主要包括：1.中空电机安装问题：中空电机的安装方式有热套、冷压、板压以及胶粘等几种，需要控制装配工艺，装配繁琐；2.内部走线方式单一：均为中空电机走线；3.刹车不及时：若电机正在高速转动时，刹车挡片的突点碰到电磁铁挡块时，极易使电磁挡块发生偏移，导致电机无法及时停转。

因此，确有必要设计一款机器人串联关节结构以解决上述问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种机器人模块化串联关节，具有结构紧凑、线组磨损低、装配简单、安全性高的特点，可提高机器人在狭窄空间作业的能力。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种机器人模块化串联关节，所述机器人模块化串联关节包括关节连接法兰、与所述关节连接法兰连接的关节连接架、与所述关节连接架连接的端盖和关节壳体，以及置于所述关节壳体内的中空电机组件、谐波减速机组件、刹车组件、编码器组件、驱动器组件；

所述谐波减速机组件、刹车组件均与所述中空电机组件连接，所述编码器组件与谐波减速机组件连接，所述中空电机组件、谐波减速机组件、刹车组件、编码器组件均与所述驱动器组件电性连接；

所述关节壳体通过轴承组件与所述关节连接架连接，且所述关节连接架、轴承组件、关节壳体、驱动器组件均设有过线孔，用于侧边走线。

进一步地，所述关节连接法兰与关节连接架通过密封组件连接，其中所述密封组件包括内密封圈和外密封圈。

进一步地，所述中空电机组件包括电机定子、电机转子、胀紧套和转子轴套，所述电机定子与关节壳体连接。

进一步地，所述胀紧套包括内圈与外圈，且所述胀紧套的内圈与外圈的截面均呈楔形。

进一步地，所述刹车组件包括刹车电磁铁、刹车固定板、压力弹簧和法兰挡片，所述刹车电磁铁通过所述刹车固定板与关节壳体相连，所述压力弹簧置于所述刹车电磁铁与刹车固定板之间，所述法兰挡片与转子轴套相连，所述胀紧套置于所述转子轴套与法兰挡片之间。

进一步地，所述刹车电磁铁的下端设有短轴，所述刹车固定板的底部设有通孔，在系统断电时，所述刹车电磁铁在所述压力弹簧的回复力下其短轴穿过所述刹车固定板的通孔。

进一步地，所述编码器组件包括增量式编码器、绝对式编码器和编码器安装座，所述增量式编码器的外壳与关节壳体连接，所述绝对式编码器的本体通过支撑架与所述关节壳体连接，所述增量式编码器的转轴通过所述法兰挡片与转子轴套连接。

进一步地，所述谐波减速机组件包括谐波减速机本体、减速机返回轴、减速机输入轴，所述谐波减速机本体与关节壳体相连；所述减速机返回轴依次穿过所述减速机本体、减速机输入轴、法兰挡片、增量式编码器、支撑架，所述减速机返回轴的一端与所述关节连接架的一端连接、另一端与所述绝对式编码器连接，所述电机转子通过所述转子轴套与减速机输入轴连接。

进一步地，所述轴承组件包括轴承座辅件、轴承座、滚珠轴承、旋转轴，所述轴承座辅件、轴承座、滚珠轴承、旋转轴均设有过线孔。

进一步地，所述驱动器组件包括驱动安装板和安装在所述驱动安装板上的驱动器，所述驱动器组件与中空电机组件相垂直布置。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)结构紧凑，驱动器组件与电机组件相垂直布置，可大大缩短串联关节的横向尺寸，可运用于狭窄空间作业的机器人；(2)关节布线采用内部侧边走线，电机控制线、编码器控制线和刹车电磁铁控制线均依次穿过关节壳体过线孔、驱动安装板过线孔与驱动器连接；下一关节的线组依次穿过关节连接架过线孔、旋转轴过线孔、轴承座过线孔、关节壳体过线孔、驱动安装板过线孔；该布线方式减少走线路程，减少线组磨损；(3)电机装配简单，电机转子轴套与减速机输入轴之间的连接采用楔形胀紧套连接，节省空间，且电机转子轴套与减速机输入轴配合的同心度高，工艺简单，使中空电机的装配简单可靠；(4)刹车可靠，若电机正在高速转动时，法兰挡片的突点碰到电磁铁挡块时，极易使电磁挡块发生偏移，导致电机无法及时停转，本发明的刹车固定板底部设有通孔，刹车电磁铁下端设有短轴，在系统断电时，刹车电磁铁在压力弹簧的回复力下其短轴恰好穿过通孔，而通孔的设置使电磁铁挡块在刹车时受力更加合理，偏移量小，刹车安全可靠。

附图说明

图1是本发明的机器人模块化串联关节的剖面结构示意图；

图2是本发明的机器人模块化串联关节的立体结构示意图；

图3是本发明的机器人模块化串联关节的刹车组件示意图；

图4是本发明的机器人模块化串联关节的胀紧套剖面示意图。

图中：1.关节连接法兰、2.密封组件、2-1.内密封圈、2-2.外密封圈、3.关节连接架、4.端盖、5.中空电机组件、5-1.电机定子、5-2.电机转子、5-3.胀紧套、5-31.内圈、5-32.外圈、5-4.转子轴套、6.谐波减速机组件、6-1.减速机本体、6-2.减速机返回轴、6-3.减速机输入轴、7.增量式编码器、8.法兰挡片、9.支撑架、10.刹车组件、10-1.刹车电磁铁、10-2.刹车固定板、10-3.压力弹簧、11.编码器组件、11-1.绝对式编码器、11-2.编码器安装座、12.挡线板、13.轴承组件、13-1.轴承座辅件、13-2.轴承座、13-3.滚珠轴承、13-4.旋转轴、14.密封环、15.关节壳体、16.驱动器组件、16-1.驱动器、16-2.驱动安装板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图1-4所示，本发明的实施例公开了一种机器人模块化串联关节，包括关节连接法兰1、密封组件2、关节连接架3、端盖4、关节壳体15以及置于所述关节壳体15内的中空电机组件5、谐波减速机组件6、刹车组件10、编码器组件11、驱动器组件16。所述关节连接法兰1与关节连接架3通过密封组件2连接，且所述关节连接法兰1与关节连接架3位于所述关节壳体15的上方，其中，所述密封组件2包括内密封圈2-1和外密封圈2-2；所述端盖4与关节连接架3连接，且位于所述关节壳体15的侧边，优选的，所述端盖4的数量为两个，且对称设于所述关节壳体15的两侧。所述关节壳体15的一端(图中以右端为例)通过轴承组件13与所述关节连接架3的一端(图中以右端为例)相连，所述轴承组件13包括轴承座辅件13-1、轴承座13-2、滚珠轴承13-3、旋转轴13-4。

所述中空电机组件5、谐波减速机组件6、刹车组件10、编码器组件11均与所述关节壳体15连接，所述谐波减速机组件6、刹车组件10均与所述中空电机组件5连接，所述编码器组件11与谐波减速机组件6连接，所述驱动器组件16的轴线与所述中空电机组件5的轴线相垂直。

所述中空电机组件5包括电机定子5-1、电机转子5-2、胀紧套5-3和转子轴套5-4，所述电机定子5-1与关节壳体15连接，所述电机转子5-2通过所述转子轴套5-4与减速机输入轴6-3连接。所述胀紧套5-3置于所述转子轴套5-4与法兰挡片8之间，且包括内圈5-31与外圈5-32，优选的，所述胀紧套5-3的内圈5-31与外圈5-32的截面均呈楔形。所述中空电机组件5用于提供动力，将电能转化为动能，在启动后，所述电机转子5-2转动。

所述谐波减速机组件6包括谐波减速机本体6-1、减速机返回轴6-2、减速机输入轴6-3，所述谐波减速机本体6-1与关节壳体15相固连，所述减速机返回轴6-2依次穿过所述减速机本体6-1、减速机输入轴6-3、法兰挡片8、增量式编码器7、支撑架9(图中以从左至右为例)，所述减速机返回轴6-2的一端(图中以左端为例)与所述关节连接架3的一端(图中以左端为例)相连，另一端(图中以右端为例)与绝对式编码器11-1相连。所述谐波减速机组件6用于减速，将输入的速度按照相应的减速比进行减速后再输出。

所述刹车组件10包括刹车电磁铁10-1、刹车固定板10-2、压力弹簧10-3和法兰挡片8，所述法兰挡片8与转子轴套5-4相连，所述刹车电磁铁10-1通过所述刹车固定板10-2与关节壳体15相连；所述压力弹簧10-3置于所述刹车电磁铁10-1与刹车固定板10-2之间，所述刹车电磁铁10-1的下端设有短轴，所述刹车固定板10-2的底部设有通孔，在系统断电时，所述刹车电磁铁10-1在所述压力弹簧10-3的回复力下，其短轴恰好穿过所述刹车固定板10-2的通孔，而通孔的设置使电磁铁挡块在刹车时受力更加合理，偏移量小，刹车安全可靠。

所述编码器组件11包括增量式编码器7、绝对式编码器11-1和编码器安装座11-2，所述增量式编码器7的转轴通过所述法兰挡片8与转子轴套5-4连接，所述增量式编码器7的外壳与关节壳体15连接；所述绝对式编码器11-1的码盘通过所述编码器安装座11-2与减速机返回轴6-2相连接，所述绝对式编码器11-1的本体通过支撑架9与所述关节壳体15相连。所述增量式编码器7与电机转子5-2同步转动，测量电机的转角与转速信息并反馈至驱动器16-1；所述绝对式编码器11-1的码盘与减速机返回轴6-2同步转动，测量关节的转角信息并反馈至驱动器16-1。

所述驱动器组件16包括驱动器16-1与驱动安装板16-2，所述驱动器16-1与驱动安装板16-2均内置于所述关节壳体15的底部，其轴线与所述中空电机组件5的轴线相垂直。所述驱动安装板16-2用于安装所述驱动器16-1，所述驱动器16-1内含有各个组件(例如，所述中空电机组件5、谐波减速机组件6、编码器组件11、刹车组件10等)的电气接口以及用于控制所述中空电机组件5、谐波减速机组件6、编码器组件11、刹车组件10等的控制模块，所述驱动器16-1对关节轨迹进行插补运算，结合所述编码器组件11的测量信号，计算并输出电机控制指令；接收并发送其他控制指令；例如，将输入48v电压转换为12v以及5v电压，分别用于所述编码器组件11及刹车组件10的输入电源。

所述关节连接架3、旋转轴13-3、滚珠轴承13-2、轴承座13-1、关节壳体15、驱动器组件16均设有过线孔，用于侧边走线。挡线板12设于所述关节壳体15内的一端(图中以右端为例)，用于阻隔线组，使线组按照既定路线布线。密封环14设于所述关节壳体15的两侧，用于密封。

本发明的的实施例安装过程如下：

1、关节壳体内的零部件安装：

(1)将所述电机定子5-1与关节壳体15粘粘在一起，例如，用胶粘粘时，须注意胶不能残留在所述电机定子5-1内壁以及关节本体的其它装配面；

(2)将所述谐波减速机组件6与关节壳体15固定连接(例如，用螺钉)；将轴用卡簧从一端(图中以右端为例)装到所述减速机输入轴6-3上，用于所述电机转子5-2的轴向定位；

(3)将所述胀紧套5-3的内圈5-31和外圈5-32置于所述转子轴套5-4内的凹陷处，并与所述转子轴套5-4、电机转子5-2一同装到所述减速机输入轴6-3上；

(4)将所述法兰挡片8与转子轴套5-4固定连接(例如，通过螺钉)，所述法兰挡片8与转子轴套的5-4轴向间隙越小，所述胀紧套5-3被压的越紧，所述电机转子5-2与减速机输入轴6-3的径向连接越牢固可靠；

(5)将所述增量式编码器7的动盘与法兰挡片8固定连接(例如，通过螺钉)，所述增量式编码器7的定盘与关节壳体15固定连接(例如，通过螺钉)；

(6)将所述支撑架9与关节壳体15固定连接(例如，通过螺钉)；

(7)将所述编码器安装座11-2与减速机返回轴6-2固定连接(例如，通过螺钉)，所述绝对式编码器11-1的动盘与编码器安装座11-2连接(例如，通过螺钉)，所述绝对式编码器11-1的定盘与支撑架9固定连接(例如，通过螺钉)；

(8)将所述挡线板12与支撑架9固定连接(例如，通过六角铜柱)；

(9)将所述驱动安装板16-2安装在所述关节壳体15上(例如，通过螺钉)，将驱动器16-1安装在所述驱动安装板16-2上(例如，通过螺钉)，将电机控制线、刹车电磁铁控制线、增量式编码器控制线、绝对式编码器控制线穿过所述关节壳体15的过线孔，连接在所述驱动器16-1的各相应接口处；

(10)将所述内密封圈2-1安装在所述关节连接法兰1上，然后将所述关节连接法兰1与关节壳体15相连(例如，通过螺钉)，最后将所述外密封圈套2-2在所述内密封圈2-1上。

2、关节连接架的安装：

(1)将所述轴承座13-2、滚珠轴承13-3安装在所述旋转轴13-4上，并一起装到所述关节连接架3的一端(图中以右端为例)，通过所述旋转轴13-4上的螺钉与其固定连接；

(2)将所述关节连接架3的另一端(图中以左端为例)与所述减速机返回轴6-2固定连接；

(3)将所述轴承座辅件13-1从所述关节壳体15与关节连接架3的一端(图中以右端为例)的间隙中塞入，与所述轴承座13-2固定连接(例如，通过螺钉)；

(4)将所述关节壳体15两侧的密封环14套入到所述关节壳体15上；将两个端盖3分别固定到所述关节连接架3的两侧(例如，通过螺钉)。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)结构紧凑，驱动器组件与电机组件相垂直布置，可大大缩短串联关节的横向尺寸，可运用于狭窄空间作业的机器人；(2)关节布线采用内部侧边走线，电机控制线、编码器控制线和刹车电磁铁控制线均依次穿过关节壳体过线孔、驱动安装板过线孔与驱动器连接；下一关节的线组依次穿过关节连接架过线孔、旋转轴过线孔、轴承座过线孔、关节壳体过线孔、驱动安装板过线孔；该布线方式减少走线路程，减少线组磨损；(3)电机装配简单，电机转子轴套与减速机输入轴之间的连接采用楔形胀紧套连接，节省空间，且电机转子轴套与减速机输入轴配合的同心度高，工艺简单，使中空电机的装配简单可靠；(4)刹车可靠，若电机正在高速转动时，法兰挡片的突点碰到电磁铁挡块时，极易使电磁挡块发生偏移，导致电机无法及时停转，本发明的刹车固定板底部设有通孔，刹车电磁铁下端设有短轴，在系统断电时，刹车电磁铁在压力弹簧的回复力下其短轴恰好穿过通孔，而通孔的设置使电磁铁挡块在刹车时受力更加合理，偏移量小，刹车安全可靠。

值得说明的是：在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，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，或一体地连接，可以是机械连接，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发明中的具体含义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。