一种驱控一体双编码器结构模块化关节的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种驱控一体双编码器结构模块化关节。

背景技术：

随着机器人产业的发展，医疗康复、空间探索、工业生产等领域对机器人的要求越来越高，不只要求机器人的作业精度，还要求机器人能适应不同的环境，能够具有多种功能，所以模块化的关节应运而生。传统的机器人功能单一，关节之间结构联系密切，不能单独拆卸某个关节，所以不能根据环境和作业的要求重新组合关节；关节的尺寸和重量大、集成度低，庞大的关节不能满足机器人作业的要求；关节之间走线复杂混乱，随着关节和内部功能器件的增多，机器人的接线数增多，使得关节之间出现外部走线和绕线的问题。

而现有的模块化关节，例如专利文献“一种中空式智能模块化关节CN 104416579 A”和“一种中空结构的双臂机器人模块化关节CN 104400794 B”，绝对值编码器安装在末端输出法兰上，绝对值编码器定子的导线需穿过谐波减速器和中空电机等器件连接在驱动器上，导致需要为绝对值编码器单独预留走线孔，走线孔几乎穿过整个关节，使得关节结构复杂，走线困难；关节外壳的厚度不足以加工螺纹孔安装后盖，导致关节外壳为法兰结构，有凸起边缘用于后盖的连接，不仅使得外壳加工困难、美观度差，而且加大了关节的尺寸，影响机器人的作业；关节内虽然有两个编码器，但是驱动器不支持快速数据读取的CANOPEN协议，无法配置PDO读取两个编码器的数据，读取两个编码器的数据速度不能满足实时监测的要求。为了机器人技术的发展，使模块化关节更广泛应用于工业和服务领域，关节的尺寸、走线和读取编码器的数据问题亟待解决。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种驱控一体双编码器结构模块化关节。该模块化关节解决了现有关节尺寸大，走线困难，读取编码器数据速度慢等问题。

一种驱控一体双编码器结构模块化关节，包括输出法兰、谐波减速器、中空电机、中空电机输出轴、增量编码器、制动器、绝对值编码器、驱动器、后盖和关节外壳；输出法兰、后盖及关节外壳构成封闭空间，其特征在于：该关节还包括绝对值编码器连接轴，中空电机输出轴内套接绝对值编码器连接轴，绝对值编码器连接轴的一端与输出法兰的内侧连接，另一端安装绝对值编码器，谐波减速器穿过绝对值编码器连接轴并安装在中空电机输出轴的一端，中空电机、增量编码器及制动器依次安装在中空电机输出轴上，驱动器安装在绝对值编码器与后盖之间的空间内；

所述关节外壳为圆柱形，关节外壳的内表面一端设有用于连接谐波减速器柔轮的关节外壳凸起，在关节外壳凸起的后端均匀分布有三个关节外壳第一棱柱，在关节外壳第一棱柱的后端均匀布置用于连接后盖的关节外壳第二棱柱；

所述输出法兰设有用于谐波减速器刚轮连接定位的输出法兰凹槽，在输出法兰凹槽的外侧均布有用于与下一关节连接的螺纹孔，在输出法兰凹槽的内侧均布有用于连接谐波减速器刚轮的通孔；在输出法兰凹槽的中心设有用于走线的中心通孔，中心通孔周围轴向设有输出法兰凸起，在输出法兰凸起上设有顶丝孔，通过顶丝与绝对值编码器连接轴连接；输出法兰与谐波减速器柔轮在轴向设有用于放置连接下一关节的螺钉的空间；

所述谐波减速器包括谐波减速器刚轮、谐波减速器柔轮和波发生器，谐波减速器刚轮一侧与输出法兰的输出法兰凹槽连接固定，谐波减速器刚轮另一侧与波发生器轴向定位，同时密封波发生器；所述谐波减速器柔轮与关节外壳凸起固定连接；波发生器的另一端与中空电机输出轴连接；

所述中空电机输出轴为阶梯轴结构，依次设有中空电机输出轴轴环、中空电机输出轴定位凸起和中空电机输出轴轴颈；中空电机输出轴轴环与中空电机转子连接，中空电机输出轴轴环的外壁与谐波减速器柔轮的内壁贴合，中空电机输出轴定位凸起用于中空电机转子的径向定位；

在关节外壳第一棱柱上连接中空电机定子连接板；所述中空电机定子连接板中间通过轴承支撑中空电机输出轴轴颈；中空电机定子连接板上设有用于安装增量编码器电刷的电刷凹槽、用于安装“L”型板的板凹槽及电磁铁通孔；

所述绝对值编码器连接轴为中空细长结构，一侧有用于绝对值编码器定位和连接的绝对值编码器连接轴定位凸起，另一侧通过顶丝与输出法兰连接，嵌套在中空电机输出轴中，使绝对值编码器和增量编码器位于中空电机的同一侧；在中空电机输出轴和绝对值编码器连接轴之间安装有“O”型圈；

所述增量编码器包括增量编码器码盘和增量编码器电刷，增量编码器码盘通过螺钉连接在码盘连接板上，所述码盘连接板通过顶丝与中空电机输出轴固定；增量编码器电刷安装在电刷凹槽内；

所述制动器包括电磁铁、制动盘和“L”型板，电磁铁安装在“L”型板上，“L”型板安装在中空电机定子连接板的板凹槽内，电磁铁能穿过中空电机定子连接板的电磁铁通孔；所述制动盘中心设有定位凸起，该定位凸起上有顶丝孔，通过顶丝安装在中空电机输出轴的直径最小端；电磁铁的铁芯弹出时恰好与制动盘接触；

中空电机输出轴依次穿过中空电机、中空电机定子连接板、增量编码器和制动盘；所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子和绝对值编码器转子，所述绝对值编码器定子安装在绝对值编码器定子连接板上，所述绝对值编码器定子连接板周围设有用于保护绝对值编码器定子的绝对值编码器定子凸起，中间为用于安装绝对值编码器转子的空腔，绝对值编码器定子连接板的外侧再与绝对值编码器连接板固定在一起；

绝对值编码器转子安装在绝对值编码器转子连接板上，所述绝对值编码器转子连接板为中空结构，且在边缘设置有绝对值编码器转子凸起，绝对值编码器转子凸起插入绝对值编码器定子和绝对值编码器转子的中间孔中，绝对值编码器转子连接板的中空结构用于关节走线；绝对值编码器转子连接板再与绝对值编码器连接轴定位凸起连接；绝对值编码器定子与绝对值编码器转子的轴向有规定的安装距离；

所述绝对值编码器连接板中间有用于走线的通孔，绝对值编码器连接板通过长单头六角铜柱连接中空电机定子连接板，通过短单头六角铜柱连接驱动器；所述驱动器与绝对值编码器和增量编码器通过导线及接口板连接。

上述的驱控一体双编码器结构模块化关节，在绝对值编码器定子连接板与绝对值编码器连接板之间、绝对值编码器转子连接板与绝对值编码器连接轴之间设有垫片。

上述的驱控一体双编码器结构模块化关节，所述驱动器能支持CANOPEN协议，驱动器与绝对值编码器和增量编码器通过导线及接口板连接，驱动器通过配置PDO快速读取增量编码器和绝对值编码器监测的位置信息，并形成中空电机的速度闭环反馈和整个关节的位置闭环反馈。

上述的驱控一体双编码器结构模块化关节，所述驱动器的接口板只具有接口转换的功能，整体尺寸小于驱动器的尺寸。

上述的驱控一体双编码器结构模块化关节，所述后盖中间有用于关节走线的通孔，四周有用于与下一关节连接的通孔，后盖的内侧设有用于与关节外壳定位的后盖凸起结构。

上述的驱控一体双编码器结构模块化关节，所述制动盘为圆形。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型绝对值编码器定子与绝对值编码器转子不能直接连接到关节里，采用中空的绝对值编码器定子连接板和中空且边缘凸起的绝对值编码器转子连接板可以分别用于绝对值编码器定子与绝对值编码器转子的安装和保护，还可以用垫片控制绝对值编码器定子和绝对值编码器转子的轴向安装距离。

2.本实用新型绝对值编码器通过绝对值编码器连接轴与增量编码器位于中空电机同一侧，中空电机的另一侧没有需要导线连接的器件，所以不需要预留走线孔。相比绝对值编码器在输出法兰端上的关节，不用加大关节的尺寸使预留走线孔穿过谐波减速器和中空电机。

3.本实用新型关节外壳为一体结构，外表面平整，无凸起结构，内表面的棱柱结构使外壳不会因为连接而加大尺寸，内表面的棱柱结构用于安装中空电机定子连接板和后盖，简化了外壳内表面和外表面结构，容易加工。

4.本实用新型的绝对值编码器连接板通过长单头六角铜柱与中空电机定子连接板连接，驱动器通过短单头六角铜柱与绝对值编码器连接板连接，结构简单易拆卸，不用设置复杂外壳内表面来安装连接绝对值编码器连接板及驱动器。

5.本实用新型中空电机输出轴一端连接中空电机转子与波发生器，连接端厚度为8mm，相比其他关节，缩小了连接距离，减小了中空电机与谐波减速器的传动误差。且此端外壁与谐波减速器柔轮内壁贴合，起到了波发生器的密封作用，防止漏油对关节内部器件造成损伤。

6.本实用新型制动器包括电磁铁和制动盘，电磁铁断电时弹出铁芯与制动盘摩擦制动，因为制动盘与中空电机输出轴连接，转动力矩小于1N·M，所以铁芯与制动盘的摩擦可以使中空电机输出轴立即制动。相对于传统的制动器，本实用新型制动器体积小，结构简单易安装。现有的新松和UR关节制动器，制动盘是六角结构，制动时最多有60度的制动延迟，无法做到立即制动。

7.本实用新型考虑了关节内部器件的走线，中空电机定子连接板上的电磁铁通孔大于电磁铁，可以用于中空电机的走线。绝对值编码器连接板小于关节外壳内径，电磁铁、中空电机和增量编码器电刷的导线可以沿关节外壳内壁走线，用绝缘胶布固定，与驱动器的接口板连接。

8.本实用新型绝对值编码器连接轴为中空细长结构，方便下一关节的走线。采用具有CANOPEN协议的驱动器时，下一关节的接线为2根电源线和2根CAN线且都连接到本实用新型关节的驱动器，也就是说每个关节需要外部连线都为4根，不会因为机械臂的关节增多导致靠近基座的连线增多。

9.本实用新型驱动器支持CANOPEN协议，可以配置PDO读取增量编码器和绝对值编码器的数据，比一般驱动器支持CAN协议，配置SDO读取数据快速及时，可以满足双编码器对关节位置和速度数据的实时监测要求。而且市面上支持CANOPEN协议的驱动器对角线尺寸都大于150mm，集成到关节中造成关节尺寸偏大，本实用新型驱动器自带的接口板对角线为203mm，尺寸太大，不能集成到关节中，本实用新型采用的驱动器的接口板对角线为90mm，只保留了接口转换的功能，可以很好的与驱动器匹配集成到关节中，关节尺寸可以控制在100mm以内。

附图说明

图1为本实用新型关节的二维剖面结构示意图；

图2为本实用新型关节的立体结构剖面结构示意图；

图3为本实用新型关节的中空电机输出轴5的结构示意图；

图4为本实用新型关节的绝对值编码器连接轴3的立体结构示意图；

图5为本实用新型关节的中空电机定子连接板11的立体结构示意图；

图6为本实用新型关节的绝对值编码器的分离示意图；

图7为本实用新型关节的制动器的立体结构示意图；

图8为本实用新型关节的长单头六角铜柱26和短单头六角铜柱17的结构示意图；

图9为本实用新型关节的驱动器20的结构示意图；

图10为本实用新型关节的后盖18的结构示意图；

图11为本实用新型关节的关节外壳28的立体结构示意图；

图12为本实用新型关节的输出法兰1的立体结构示意图；

图13为本实用新型关节的走线示意图。

其中：1为输出法兰，2为谐波减速器刚轮，3为绝对值编码器连接轴，4为波发生器，5为中空电机输出轴，6为谐波减速器柔轮，7为中空电机转子，8为中空电机定子，9为码盘连接板，10为增量编码器码盘，11为中空电机定子连接板，12为电磁铁，13为“L”型板，14为制动盘，15为绝对值编码器定子连接板，16为绝对值编码器定子，17为短单头六角铜柱，18为后盖，19为接口板，20为驱动器，21为绝对值编码器转子连接板，22为绝对值编码器转子，23为绝对值编码器连接板，24为轴承，25为增量编码器电刷，26为长单头六角铜柱，27为“O”型圈，28为关节外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本实用新型一种驱控一体双编码器结构模块化关节(简称关节，参见图1-13)包括输出法兰1、谐波减速器、中空电机、中空电机输出轴5、绝对值编码器连接轴3、增量编码器、制动器、绝对值编码器、驱动器、后盖18和关节外壳28；输出法兰1、后盖18及关节外壳28构成封闭空间，中空电机输出轴5内套接绝对值编码器连接轴3，绝对值编码器连接轴3的一端与输出法兰1的内侧连接，另一端安装绝对值编码器，谐波减速器穿过绝对值编码器连接轴3并安装在中空电机输出轴5的一端，中空电机、增量编码器及制动器依次安装在中空电机输出轴5上，驱动器20安装在绝对值编码器与后盖18之间的空间内；

如图11所示，所述关节外壳28为圆柱形，外表面平整，无凸起结构，关节外壳28的内表面一端设有用于连接谐波减速器柔轮6的关节外壳凸起28-1，在关节外壳凸起28-1的后端均匀分布有三个关节外壳第一棱柱28-2，在关节外壳第一棱柱28-2的后端均匀布置用于连接后盖18的关节外壳第二棱柱28-3；

如图12所示，所述输出法兰1设有用于谐波减速器刚轮2连接定位的输出法兰凹槽1-1，在输出法兰凹槽1-1的外侧均布有用于与下一关节连接的螺纹孔1-3，在输出法兰凹槽1-1的内侧均布有用于连接谐波减速器刚轮2的通孔1-4；在输出法兰凹槽1-1的中心设有用于走线的中心通孔1-5，中心通孔周围轴向设有输出法兰凸起1-2，在输出法兰凸起1-2上设有顶丝孔，通过顶丝与绝对值编码器连接轴3连接；输出法兰1与谐波减速器柔轮6在轴向有一定距离用于放置连接下一关节的螺钉；

如图1所示，所述谐波减速器包括谐波减速器刚轮2、谐波减速器柔轮6和波发生器4，谐波减速器刚轮2一侧与输出法兰1的输出法兰凹槽1-1连接固定，谐波减速器刚轮2另一侧与波发生器4轴向定位，同时密封波发生器4，防止一侧漏油；所述谐波减速器柔轮6与关节外壳凸起28-1固定连接；波发生器4的另一端与中空电机输出轴5连接；

所述中空电机输出轴5(参见图3)为阶梯轴结构，依次设有中空电机输出轴轴环5-1、中空电机输出轴定位凸起5-2和中空电机输出轴轴颈5-3；中空电机输出轴轴环5-1与中空电机转子7连接，中空电机输出轴轴环5-1的外壁与谐波减速器柔轮6的内壁贴合，起到了波发生器4的密封作用，防止由于漏油而对关节内部器件造成损伤，中空电机输出轴定位凸起5-2用于中空电机转子7的径向定位；

在关节外壳第一棱柱28-2上连接中空电机定子连接板11；所述中空电机定子连接板11(参见图5)中间通过轴承24支撑中空电机输出轴轴颈5-3；中空电机定子连接板11上设有用于安装增量编码器电刷25的电刷凹槽11-3、用于安装“L”型板13的板凹槽11-1及电磁铁通孔11-2；

如图4所示，所述绝对值编码器连接轴3为中空细长结构，一侧有绝对值编码器连接轴定位凸起3-1用于绝对值编码器的定位和连接，另一侧通过顶丝与输出法兰1连接，并嵌套在中空电机输出轴5中，使绝对值编码器和增量编码器位于中空电机的同一侧，中空电机的另一侧没有需要导线的器件，所以不需要预留走线孔，相比绝对值编码器在输出法兰端上的关节，不用加大关节的尺寸使预留走线孔穿过谐波减速器和中空电机；

所述增量编码器包括增量编码器码盘10和增量编码器电刷25，增量编码器码盘10通过螺钉连接在码盘连接板9上，所述码盘连接板9通过顶丝与中空电机输出轴5固定；增量编码器电刷25安装在电刷凹槽11-3内；

所述制动器(参见图7)包括电磁铁12、制动盘14和“L”型板13，电磁铁12安装在“L”型板13上，“L”型板13安装在中空电机定子连接板的板凹槽11-1内，电磁铁12能穿过中空电机定子连接板的电磁铁通孔11-2，不影响其工作；所述制动盘14中心设有定位凸起，该定位凸起上有顶丝孔，通过顶丝安装在中空电机输出轴5的直径最小端；电磁铁的铁芯弹出时恰好与制动盘14接触；

中空电机输出轴5依次穿过中空电机、中空电机定子连接板11、增量编码器和制动盘14；

如图6所示，所述绝对值编码器包括绝对值编码器定子16和绝对值编码器转子22，所述绝对值编码器定子16安装在绝对值编码器定子连接板15上，所述绝对值编码器定子连接板15周围设有用于保护绝对值编码器定子16的绝对值编码器定子凸起15-1，中间为用于安装绝对值编码器转子22的空腔，绝对值编码器定子连接板15的外侧再与绝对值编码器连接板23固定在一起；

绝对值编码器转子22安装在绝对值编码器转子连接板21上，所述绝对值编码器转子连接板为中空结构，且在边缘设置有绝对值编码器转子凸起21-1，绝对值编码器转子凸起21-1插入绝对值编码器定子16和绝对值编码器转子22的中间孔中，用于定位，绝对值编码器转子连接板21的中空结构用于关节走线；绝对值编码器转子连接板21再与绝对值编码器连接轴定位凸起3-1连接；绝对值编码器定子16与绝对值编码器转子22的轴向有规定的安装距离，可以在绝对值编码器定子连接板15与绝对值编码器连接板23之间、绝对值编码器转子连接板21与绝对值编码器连接轴3之间加入不同数量和厚度的垫片来改变他们的轴向安装距离；

所述绝对值编码器连接板23中间有用于走线的通孔，绝对值编码器连接板23通过长单头六角铜柱26连接中空电机定子连接板11，通过短单头六角铜柱17连接驱动器20；

所述驱动器20能支持CANOPEN协议，驱动器20与绝对值编码器和增量编码器通过导线及接口板连接，驱动器20通过配置PDO快速读取增量编码器和绝对值编码器监测的位置信息，并形成中空电机的速度闭环反馈和整个关节的位置闭环反馈。

在中空电机输出轴5和绝对值编码器连接轴3之间安装有“O”型圈27，“O”型圈27起支撑和密封的作用，使两轴的传动旋转互不干扰。

如图8所示，所述短单头六角铜柱17的螺孔端用于连接驱动器20，另一端安装在绝对值编码器连接板23上。所述长单头六角铜柱26的螺孔端用于连接绝对值编码器连接板23，另一端安装在中空电机定子连接板11上。单头六角铜柱结构简单易拆卸，不需要在关节外壳内表面设置复杂的安装结构。

驱动器20自带的接口板太大使关节尺寸较大，本申请的接口板19只保留了接口转换的功能，整体尺寸小于驱动器20的尺寸。接口板19上具有用于连接驱动器20上的针脚20-1的插针板，和用于连接中空电机、增量编码器、绝对值编码器、制动器和上一关节驱动器的导线的相应接线插口。

如图10所示，所述后盖18中间有通孔用于关节走线，四周有通孔均布用于与下一关节连接，后盖18的内侧设有用于与关节外壳28定位的后盖凸起结构18-1。

如图13所示，加粗的黑线为本实用新型关节各器件和上一关节的导线，中空电机定子连接板的电磁铁通孔11-2大于电磁铁12，可以用于中空电机的走线。绝对值编码器连接板23小于关节外壳28内径，电磁铁12、中空电机和增量编码器电刷25的接线可以沿关节外壳28内壁走线，用绝缘胶布固定，与驱动器的接口板19连接。上一关节的接线穿过输出法兰1的中心孔和绝对值编码器连接轴3与驱动器的接口板19连接。

本实用新型驱控一体双编码器结构模块化关节的工作过程及原理是：将控制信号输入驱动器20，驱动器20将信号放大并输入中空电机定子8，中空电机转子7根据控制信号开始带动中空电机输出轴4转动，中空电机输出轴4带动波发生器5转动，波发生器5与谐波减速器柔轮6谐波传动减速，谐波减速器刚轮2带动输出法兰1转动输出。增量编码器监测中空电机转子7的转动位置，驱动器20通过导线读取位置数据信息。绝对值编码器监测输出法兰1的转动位置，驱动器20通过导线读取位置数据信息。当关节通电时，电磁铁12通电吸合铁芯，关节正常作业，当关节断电时，电磁铁吸合消失，铁芯在弹簧的作用下弹出与制动盘接触摩擦制动。

尽管上面的附图说明对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施措施，上述具体实施措施仅仅是示意性的，而不是局限性的。凡是在本实用新型的启示下，做出的等效替换或变形，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。