一种并联式机器人关节处用一体机的制作方法

本发明涉及电机驱动技术领域，具体涉及机器人关节处用电机、减速器及驱动系统集成一体机驱动领域，尤其是应用于服务类机器人关节处驱动的一体机。

背景技术：

一体机是机器人关节处用来驱动机器人连杆运动的驱动执行元件，它是将伺服电机、谐波减速器、驱动系统和制动系统集成在一起的新型机器人专用型驱动执行器。目前，一体机的组成结构主要有两种形式，即：标准伺服电机与谐波减速器和定制伺服电机与定制谐波减速器，其中标准伺服电机与谐波减速器是直接利用市面上标准的伺服电机，通过连接法兰和其他连接机构与谐波减速器结合在一起后形成的机器人关节驱动器件；定制伺服电机与定制谐波减速器是利用定制的伺服电机定子加上与之匹配的转轴基座和定制的谐波减速器组合后形成的机器人关节驱动器件。

标准伺服电机与谐波减速器和定制伺服电机与定制谐波减速器都是属于传动轴直接串联型一体机，就是电机主轴与减速器输出面旋转轴在一条直线上。标准伺服电机与谐波减速器组合体由于只能选用市面上通用类的伺服电机，最终的轴向组合长度只能是标准电机的长度加上连接法兰宽度再加上谐波减速器的轴向长度，总长度受限于标准电机的已确定长度而无法进一步减薄；定制伺服电机与定制谐波减速器组合体虽然可以自己定制电机端的长度，但是由于同时要考虑驱动系统、制动系统与电机本体的集成，总长度依然无法进一步减薄。

目前已经存在的两种一体机主要应用在工业多轴机器人上，对一体机轴向总长度要求不是很苛刻，但是对于目前兴起的服务类机器人行业来说，关节位置驱动元件过长的总长度将极大的限制服务类机器人对外观和自由度集成度高的需求，这也成为此类一体机的一个比较大的缺点。

具体的，现有机器人关节分传统机器人关节和串联形式的一体化关节。传统的机器人关节分为四部分：伺服电机、伺服驱动系统、减速器、机器人本体，这四部分分别为独立的零部件，伺服电机和减速器通过机械连接固定在机器人本体上，伺服驱动系统独立于机器人本体之外，通过电缆和通信线和机器人本体相连。串联形式的一体化关节将伺服电机、减速器、伺服驱动系统集成为一体化关节，伺服电机主轴和减速器主轴以串联形式连接。

上述两种机器人关节有以下问题：

第一、传统的机器人关节由伺服电机、伺服驱动系统、减速器、机器人本体四部分组成，各部分分别来自于不同厂家，机器人研发时需要设计人员将各部分配合在一起，对设计人员要求高、设计过程繁琐，设计时很容易出问题。

第二、串联形式的的一体化关节由于采用电机和减速器串联的方式，尤其是将伺服驱动系统集成后整体尺寸偏长，个别零件加工难度大，在安装高度空间有限的情况下安装困难，因此不适用于对关节长度要求高的服务类机器人。

第三、传统的机器人关节从结构上看，也是将伺服电机和减速器串联在一起，外形尺寸也偏长，也不适用于关节安装长度小的机器人。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的目的是提供一种并联式机器人关节处用一体机，伺服电机主轴与谐波减速器旋转主轴平行布置，极大的减小整体机构的轴向总长，特别适用在服务类机器人关节位置，本发明解决了伺服减速一体机轴向长度无法进一步减小的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种并联式机器人关节处用一体机，包括：

连接基座，其为空心结构；

伺服电机，其固定在所述连接基座第一端，所述伺服电机的电机轴延伸至所述连接基座内，所述电机轴延伸端上设置一第一同步带轮；

减速器，其固定在所述连接基座第二端，所述减速器的高速轴延伸至所述连接基座内，所述高速轴延伸端上设置一第二同步带轮；

其中，所述第一同步带轮与第二同步带轮通过一第一同步带联动。

优选的，所述伺服电机与减速器通过螺钉固定在所述连接基座的同一侧，所述电机轴延伸端与高速轴延伸端通过轴承连接在所述连接基座内壁上。

优选的，所述电机轴上连接一制动机构，所述电机轴上连接一高速轴编码器，所述减速器的低速端上连接一低速轴编码器，所述连接基座内部上设置一张紧机构，所述张紧机构抵触在所述第一同步带的外侧。

优选的，所述减速器为谐波减速器，所述高速轴内轴向开设有中空孔，所述中空孔内同轴间隔设置一低速轴，所述低速轴与所述减速器的低速端同步转动。

优选的，所述第一同步带轮与伺服电机本体之间的所述电机轴上设置一第三同步带轮；所述低速轴向外凸出设置一第四同步带轮；所述伺服电机与减速器之间的所述连接基座上设置一第一轴体，所述第一轴体与所述电机轴平行，所述第一轴体上转动设置有第五同步带轮和第六同步带轮，所述第五同步带轮与第三同步带轮通过一第二同步带联动，所述第六同步带轮与第四同步带轮通过一第三同步带联动，所述制动机构和高速轴编码器设置在所述第五同步带轮邻侧端的所述第一轴体上，所述低速轴编码器设置在所述第六同步带轮邻侧端的所述第一轴体上；各条所述同步带平行间隔设置，伺服驱动模块设置在所述伺服电机内。

优选的，所述高速轴编码器、伺服驱动模块和制动机构在靠近所述伺服电机末端的所述电机轴外周依次布置，所述低速轴凸出于所述高速轴延伸端并伸入至所述连接基座内壁中，所述低速轴编码器设置在所述低速轴凸出端外周的所述连接基座内壁上。

优选的，所述连接基座内壁上转动安装一与所述电机轴平行间隔设置的第二轴体，所述第二轴体上转动设置有一与所述第一同步带轮平行分布的第七同步带轮，所述第七同步带轮与所述第一同步带平行间隔设置，所述第一同步带轮与第七同步带轮通过一第四同步带联动；所述第二轴体向外凸出于所述连接基座一定距离，所述高速轴编码器设置在所述第二轴体凸出端外周的所述连接基座上，伺服驱动模块设置在所述高速轴编码器邻侧端的所述连接基座上，所述高速轴编码器和伺服驱动模块容置在一壳体内，所述壳体位于所述伺服电机和减速器之间；所述低速轴凸出于所述高速轴延伸端并伸入至所述连接基座内壁中，所述低速轴编码器设置在所述低速轴凸出端外周的所述连接基座内壁上；所述制动机构布置在靠近所述伺服电机末端的所述电机轴外周。

优选的，所述连接基座内壁上转动安装一与所述电机轴平行间隔设置的第三轴体，所述第三轴体上转动设置有一与所述第一同步带轮平行分布的第八同步带轮，所述第一同步带轮与第八同步带轮通过一第五同步带联动；所述第三轴体向外凸出于所述连接基座一定距离，所述高速轴编码器设置在所述第三轴体凸出端外周的所述连接基座上；位于所述连接基座外侧的所述低速轴上设置一第九同步带轮，所述低速轴编码器设置在所述伺服电机和减速器之间，所述低速轴编码器的输入轴上设置一第十同步带轮，所述第九同步带轮与第十同步带轮通过一第六同步带联动；各条所述同步带平行间隔设置。

优选的，伺服驱动模块和所述制动机构在靠近所述伺服电机末端的所述电机轴外周依次布置，所述低速轴编码器设置在所述伺服电机和减速器之间的所述连接基座上。

优选的，所述制动机构设置在靠近所述伺服电机末端的所述电机轴外周，所述高速轴编码器和伺服驱动模块容置在一壳体内，所述低速轴编码器安装在所述壳体内壁上，所述低速轴编码器的输入轴凸出于所述壳体，所述第十同步带轮设置在所述低速轴编码器输入轴凸出端上。

与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：

本发明的一体机结构简单紧凑，设计合理，由定制伺服电机，连接基座，同步带轮，同步带，低速轴编码器模块，定制谐波减速器，刹车制动模块，伺服驱动模块，高速轴编码器模块，张紧机构等组成，其中伺服电机主轴与谐波减速器旋转主轴平行布置，极大的减小整体机构的轴向总长，特别适用在服务类机器人关节位置，具有结构扁平，安装简单，输出稳定，结构兼容性高等优点。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是实施例一中一体机的剖视图；

图2是实施例一中一体机的整体结构示意图；

图3是张紧机构的安装结构示意图；

图4是实施例二中一体机的整体结构示意图；

图5是实施例二中一体机的爆炸图；

图6是实施例二中一体机的剖视图；

图7是实施例三中一体机的剖视图；

图8是实施例四中一体机的剖视图；

图9是实施例五中一体机的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。

实施例一

如图1-3所示，本发明提供了一种并联式机器人关节处用一体机，由伺服电机1，连接基座2，同步带轮，同步带，低速轴编码器5，谐波减速器6，刹车制动机构7，伺服驱动模块8，高速轴编码器9，张紧机构10等组成。

连接基座2为空心结构；伺服电机1固定在所述连接基座2第一端，所述伺服电机1的电机轴延伸至所述连接基座2内，所述电机轴延伸端上设置一第一同步带轮31。

减速器6固定在所述连接基座2第二端，所述减速器6的高速轴延伸至所述连接基座2内，所述高速轴延伸端上设置一第二同步带轮32；所述第一同步带轮31与第二同步带轮32通过一第一同步带41联动，从而使得伺服电机1带动减速器6转动。

本发明中，所述伺服电机1与减速器6通过螺钉固定在所述连接基座2的同一侧，以减小一体机的整体厚度，所述电机轴延伸端与高速轴延伸端通过轴承连接在所述连接基座2内壁上。

所述连接基座2内部上设置一张紧机构10，所述张紧机构10抵触在所述第一同步带41的外侧，通过调节张紧机构10将第一同步带41绷紧。

本发明中，所述减速器6为采用的是谐波减速器，所述高速轴内轴向开设有中空孔，所述中空孔内同轴间隔设置一低速轴61，所述低速轴61与所述减速器6的低速端同步转动，高速轴转动在低速轴61的外周。

伺服电机1通过螺钉和连接基座2底板相连，第一同步带轮31通过顶丝或键与电机轴相连，电机轴上端通过轴承与连接基座2上盖板固定，谐波减速器6也通过螺钉与连接基座2底板相连，谐波减速器6的高速空心轴通过顶丝与第二同步带轮32连接，电机端第一同步带轮31与谐波减速器6高速轴第二同步带轮32通过第一同步带41连接，两侧的张紧机构10可向中间张紧第一同步带41。

所述第一同步带轮31与伺服电机1本体之间的所述电机轴上设置一第三同步带轮33；所述低速轴61向外凸出设置一第四同步带轮34；所述伺服电机1与减速器6之间的所述连接基座2上设置一第一轴体，所述第一轴体与所述电机轴平行，所述第一轴体上转动设置有第五同步带轮35和第六同步带轮36，所述第五同步带轮35与第三同步带轮33通过一第二同步带42联动，制动机构7和高速轴编码器9设置在所述第五同步带轮35邻侧端的所述第一轴体上，高速轴编码器9的输入轴与第五同步带轮35同步连接，用于采集高速端转速和旋转位置；所述第六同步带轮36与第四同步带轮34通过一第三同步带43联动，所述低速轴编码器5设置在所述第六同步带轮36邻侧端的所述第一轴体上；低速轴编码器5输入轴与第六同步带轮36同步连接，用于采集低速端转速和旋转位置。

各条所述同步带平行间隔设置，伺服驱动模块8设置在所述伺服电机1内。

具体的，低速轴编码器5与减速器6低速轴61通过同步带轮34、36和第三同步带43相连，减速器6低速轴61与减速器6柔轮螺钉连接，高速轴编码器9和制动机构7与伺服电机1的电机轴通过同步带轮33、35以及第二同步带42相连。

本并联式一体机当伺服电机1启动后，电机轴通过同步带轮31、32和第一同步带41将高速旋转运动传递到谐波减速器6高速中空轴，通过同步带轮33、35以及第二同步带42与电机轴连接的高速编码器9用于记录电机轴的旋转位置，高转速运动通过谐波减速器6的减速后，由低速的柔轮将低速运动通过减速器6输出端面对外输出，通过同步带轮34、36和第三同步带43与减速器6低速轴61相连的低速编码器5用于记录与减速器6输出端面相连的低速轴61的旋转位置，再通过驱动控制系统分析高低速轴的位置信息，达到整个并联式一体机高精度的对外输出。

实施例二

如图4-6所示，伺服电机1通过螺钉和连接基座2底板相连，第一同步带轮31通过顶丝或键与电机轴相连，电机轴上端通过轴承与连接基座2上盖板固定，谐波减速器6也通过螺钉与连接基座2底板相连，谐波减速器6的高速空心轴通过顶丝与第二同步带轮32连接，电机端第一同步带轮31与谐波减速器6高速轴第二同步带轮32通过第一同步带41连接，两侧的张紧机构10可向中间张紧第一同步带41，低速轴编码器5与减速器6低速轴61通过顶丝或者过盈连接相连，减速器6低速轴61与减速器6柔轮螺钉连接，高速轴编码器9、伺服驱动模块8和制动机构7在电机轴靠近电机末端依次布置。

具体的，所述高速轴编码器9、伺服驱动模块8和制动机构7在靠近所述伺服电机1末端的所述电机轴外周依次布置，所述低速轴61凸出于所述高速轴延伸端并伸入至所述连接基座2内壁中，所述低速轴编码器5设置在所述低速轴61凸出端外周的所述连接基座2内壁上。

本并联式一体机当定制伺服电机1启动后，电机轴通过同步带轮31、32和第一同步带41将高速旋转运动传递到谐波减速器6高速中空轴，电机轴末端的高速轴编码器9记录电机轴的旋转位置，高转速运动通过谐波减速器6的减速后，由低速的柔轮将低速运动通过减速器6输出端面对外输出，安装在减速器6低速轴61上的低速轴编码器5记录与减速器6输出端面相连的低速轴61的旋转位置，再通过驱动控制系统分析高低速轴的位置信息，达到整个并联式一体机高精度的对外输出。

实施例三

如图7所示，连接基座2内壁上转动安装一与所述电机轴平行间隔设置的第二轴体21，所述第二轴体21上转动设置有一与所述第一同步带轮31平行分布的第七同步带轮37，所述第七同步带轮37与所述第一同步带41平行间隔设置，所述第一同步带轮31与第七同步带轮37通过一第四同步带44联动；所述第二轴体21向外凸出于所述连接基座2一定距离，所述高速轴编码器9设置在所述第二轴体21凸出端外周的所述连接基座2上，使得高速轴编码器9的输入轴与第二轴体21凸出端同步转动，用于采集电机轴的旋转位置。

伺服驱动模块8设置在所述高速轴编码器9邻侧端的所述连接基座2上，所述高速轴编码器9和伺服驱动模块8容置在一壳体22内，所述壳体22位于所述伺服电机1和减速器6之间，壳体22用于对高速轴编码器9和伺服驱动模块8进行防护。

所述低速轴61凸出于所述高速轴延伸端并伸入至所述连接基座2内壁中，所述低速轴编码器5设置在所述低速轴61凸出端外周的所述连接基座2内壁上，用于采集低速轴61的旋转位置；所述制动机构7布置在靠近所述伺服电机1末端的所述电机轴外周，使得制动机构7和伺服电机1本体这两部分共同组成中空伺服电机1。

如图所示，伺服电机1的虚线代表中空孔，中空孔用来通过电力线和信号线，同理，减速器6的虚线也代表中空孔。工作过程中，伺服驱动模块8控制伺服电机1主轴旋转，通过同步带轮31、32和第一同步带41将高速旋转运动传递到谐波减速器6高速中空轴，通过第四同步带44带动高速轴编码器9的旋转，高速轴编码器9的信号传给伺服驱动模块8，减速器6通过低速轴61驱动低速轴编码器5旋转，低速轴编码器5的信号传给伺服驱动模块8，从而达到整个关节系统的闭环控制。

工作停止时伺服电机1的制动机构7起刹车作用，伺服电机1停止旋转，防止断电后机器臂在转矩作用下不受控制的旋转。

实施例四

如图8所示，与实施例三的不同点在于：低速轴编码器的安装位置以及低速编码器与低速轴的连接方式不同。

具体的，位于所述连接基座2外侧的所述低速轴61上设置一第九同步带轮39，所述低速轴编码器5设置在所述伺服电机1和减速器6之间，所述低速轴编码器5的输入轴上设置一第十同步带轮38，所述第九同步带轮39与第十同步带轮38通过一第六同步带46联动；各条所述同步带平行间隔设置。

所述高速轴编码器9和伺服驱动模块8容置在一壳体22内，所述低速轴编码器5安装在所述壳体22内壁上，所述低速轴编码器5的输入轴凸出于所述壳体22，所述第十同步带轮38设置在所述低速轴编码器5输入轴凸出端上，第九同步带轮39与第十同步带轮38通过一第六同步带46联动，使得低速轴61带动低速轴编码器5旋转，采集低速轴61的旋转位置。

实施例五

如图9所示，与实施例四的区别点在于：伺服驱动模块的安装位置和低速轴编码器的安装位置。

具体的，伺服驱动模块8和所述制动机构7在靠近所述伺服电机1末端的所述电机轴外周依次布置，本实施例中，未设置有壳体，所述低速轴编码器5设置在所述伺服电机1和减速器6之间的所述连接基座2上，低速轴编码器5与低速轴61的连接方式与实施例四相同。

由上所述，本发明的并联式机器人关节的电机主轴和减速器主轴通过同步带传动，平行并联布置，并且集成有高速轴编码器、低速轴编码器、减速器、伺服驱动系统，具有使用简单、结构紧凑、整体长度小、结构扁平、精度高，属于模块化的机器人关节，更有利于在服务型机器人行业应用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。