一种具有非轴编码器的机械臂关节及机械臂的制作方法

本发明涉及机械臂设备技术领域，具体涉及一种具有非轴编码器的机械臂关节及机械臂。

背景技术：

随着工业4.0时代的到来，工业自动化程度的提高，机械臂应用较为广泛，一些特种行业更是需要一些小型化、轻质化、模块化精度高的机械臂关节，例如排爆行业、工业制造、医学治疗、军事等。随着自动化与机械化的发展，机械臂领域得到快速发展，机械臂是自动化与机械化的完美结合，四关节、五关节、六关节等机械臂结构应用范围较为广泛。机械臂关节内部结构各有千秋，现有不少机械臂结构中使用挂耳式编码器，该编码器外壳尺寸过大，导致机械臂关节外形尺寸不够小巧，同时不少编码器结构安装、拆卸不够便利，安装不够便利。

基于以上描述，亟需一种机械臂关节及具有该机械臂关节的机械臂，以解决现有机械臂关节外形尺寸不够小巧，结构复杂，重量较大，安装、拆卸不够便利的问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种具有非轴编码器的机械臂关节，该机械臂关节外形尺寸小巧，安装、拆卸便利，极大的缩短了关节长度。

本发明的目的之二在于提供一种机械臂，该机械臂具有上述的机械臂关节，该机械臂外形尺寸小巧、结构紧凑，各关节及关节内各部件安装拆卸便利，具有小型化、模块化、惯量小、轻质化的特点，动作灵活、精度高，能够实现三维空间任意姿态的控制。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现。

一种具有非轴编码器的机械臂关节，包括：

输出模组、减速器、输入模组、驱动模组；

所述驱动模组包括电机组件、刹车组件、编码器组件、控制板；

所述机械臂关节安装顺序从左至右依次为输出模组、减速器、电机组件、刹车组件、编码器组件、控制板；

所述编码器组件所使用的编码器为非轴编码器；

所述电机组件包括电机左端盖、电机模组、电机壳体、电机右端盖；

所述刹车组件包括刹车本体及刹车右侧防尘盖；

所述电机左端盖作为法兰直接连接减速器输入端，所述电机右端盖直接连接刹车本体，所述刹车右侧防尘盖直接与非轴编码器相连接；

所述减速器输出端与端盖连接。

作为优选，所述非轴编码器包括非轴编码器壳体，所述非轴编码器壳体上设置有凸点和第一安装孔；所述刹车右侧防尘盖上设置有与凸点对应的第二安装孔，以及与第一安装孔对应的第三安装孔，所述凸点嵌入对应的第二安装孔中，第一安装孔与对应的第三安装孔处通过紧固装置固定。

作为优选，所述凸点的数量至少为三个，且均匀的分布于非轴编码器壳体的端面，所述第一安装孔的数量至少为三个，且均匀的分布于非轴编码器壳体的端面。

作为优选，所述第一安装孔、第二安装孔及第三安装孔分别为螺纹孔，所述紧固装置为锁紧螺钉。

作为优选，所述电机右端盖固定在电机壳体上，刹车本体与电机右端盖通过螺钉固定连接。

作为优选，所述刹车本体的刹车转子毂与电机输入轴之间为过盈配合，通过热配的方式结合连接在一起。

作为优选，在电机轴轴腔内部设置有中空穿线管，所述中空穿线管沿轴向方向的一端部固定连接在端盖上，所述中空穿线管的两端分别通过轴承支撑，左侧轴承安装在减速器内部结构波发生器内部镗孔中，右侧轴承通过轴承支撑架支撑，轴承支撑架穿过非轴编码器与刹车右侧防尘盖相连接。

作为优选，所述电机左端盖、电机壳体、电机右端盖、刹车右侧防尘盖及轴承支撑架均采用钛合金材料制作而成。

一种机械臂，从下至上依次设置有底座、第一机械臂关节、第二机械臂关节、第一臂管、第三机械臂关节、弯头法兰、第二臂管、第四机械臂关节，所有机械臂关节使用权利要求1至8任一项所述的具有非轴编码器的机械臂关节。

作为优选，所述底座底部设有航插接头孔及多个第一安装孔，航插接头孔用来将机械臂走出的线与控制柜相连，第一安装孔用来将机械臂与安装面连接，所述底座顶部设置有第二安装孔，所述第二安装孔用来连接第一机械臂关节的减速器端盖，第一机械臂关节的电机壳与第二机械臂关节的减速器端盖相连接，第二机械臂关节的电机壳与第一臂管端面相连接，第一臂管另一端面与第三机械臂关节的电机壳相连接，第三机械臂关节的减速器端盖与弯头法兰一端面相连接，弯头法兰另一端面与第二臂管一端面相连接，第二臂管另一端面与第四机械臂关节的电机壳相连接，第四机械臂关节的减速器端盖直接作为法兰连接末端及负载。

本发明的有益效果是：

本方案提供的一种具有非轴编码器的机械臂关节结构，结构上采用定制化电机、非轴编码器，非轴编码器是一种非带耳式编码器结构，与带耳式结构相比，外形尺寸较小，与一些复杂短小的编码器结构相比，安装、拆卸较为简单方便，安装方式更加模块化，极大的缩短了关节长度。

本方案提供的机械臂主要应用于排爆领域，用于排爆作业过程中减少人员损伤。由于该机械臂具有上述的机械臂关节，所以该机械臂外形尺寸小巧、结构紧凑，各关节及关节内各部件安装拆卸便利，具有小型化、模块化、惯量小、轻质化的特点，动作灵活、精度高，能够实现三维空间任意姿态的控制。

附图说明

图1是本实施例提供的具有非轴编码器的机械臂关节的内部结构示意图；

图2是本实施例提供的非轴编码器安装方式结构示意图；

图3是本实施例提供的非轴编码器的俯视图；

图4是本实施例提供的非轴编码器的仰视图；

图5是本实施例提供的机械臂的结构示意图；

图6是本实施例提供的机械臂关节的外部结构示意图。

100-中空穿线管；101-端盖；102-左侧轴承；103-减速器；104-电机轴；105-电机模组；106-电机壳体；107-刹车本体；108-刹车转子毂；109-非轴编码器；110-轴承支撑架；111-右侧轴承；112-控制板；

201-锁紧螺钉；202-非轴编码器壳体；203-凸点；204-第一安装孔；

601-底座；602-第一机械臂关节；603-第二机械臂关节；604-第一臂管；605-第三机械臂关节；606-弯头法兰；607-第二臂管；608-第四机械臂关节；

701-减速器端盖；702-电机壳安装孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

机械臂关节实施例

如图1至图4所示，本方案提供的一种具有非轴编码器的机械臂关节，包括：输出模组、减速器103、输入模组、驱动模组。所述减速器103优选为谐波减速器，但并不局限于该种类型的减速器。

所述驱动模组包括电机组件、刹车组件、编码器组件、控制板112。所述编码器组件所使用的编码器为非轴编码器109。

所述机械臂关节安装顺序从左至右依次为输出模组、减速器103、电机组件、刹车组件、编码器组件、控制板112。

所述电机组件包括电机左端盖、电机模组105、电机壳体106、电机右端盖。电机模组105包括定子、转子。电机组件是个相对密封的构件，为了保证在运动过程中，不会存在因异物进入而减少电机寿命的现象存在。所述电机壳体106同时作为电机壳及整个关节的外壳。

所述刹车组件包括刹车本体107及刹车右侧防尘盖。刹车运动过程中会产生少量屑状物，为了防止异物进入电机，影响电机寿命，专门为刹车本体107设置刹车右侧防尘盖，刹车本体107的前端防尘盖即为电机右端盖，使刹车本体107及电机组件连接成一体。

所述电机左端盖作为法兰直接连接减速器103输入端，所述电机右端盖作为刹车本体107的左侧防尘盖直接连接刹车本体107，所述刹车右侧防尘盖直接与非轴编码器109相连接。所述电机右端盖固定在电机壳体106上，刹车本体107与电机右端盖优选为通过螺钉固定连接。非轴编码器109与刹车右侧防尘盖紧密贴合，各构件之间连接紧密，这种连接方式集成化程度高，缩短了整个关节的长度，较以往排列更加节省安装空间。

减速器103为一种中空半整机式谐波减速器，电机输出端与谐波减速器大端面即减速器输入端连接，即与谐波减速器上刚轮上孔位连接，电机输出扭矩经过减速器后，到达减速器输出端，减速器输出端与端盖101连接，将减速器103输出后的扭矩传递给下一关节或者末端来实现对负载的转移等动作。同时，端盖用于连接下一关节，同时起到封谐波减速器103油脂的作用。

所述非轴编码器109包括非轴编码器壳体202，所述非轴编码器壳体202上设置有凸点203和第一安装孔204；所述刹车右侧防尘盖上设置有与凸点203对应的第二安装孔，以及与第一安装孔204对应的第三安装孔，所述凸点203嵌入对应的第二安装孔中，第一安装孔204与对应的第三安装孔处通过紧固装置固定。

所述凸点203的数量至少为三个，且均匀的分布于非轴编码器壳体202的端面，所述第一安装孔204的数量至少为三个，且均匀的分布于非轴编码器壳体202的端面。

所述第一安装孔204、第二安装孔及第三安装孔分别为螺纹孔，所述紧固装置为锁紧螺钉201。所述第一安装孔的直径优选为1.6mm，但并不局限于此。

安装时，轻轻旋转非轴编码器壳体202至凸点203嵌入刹车右侧防尘盖的第二安装孔，最后均匀拧紧3颗m2x12锁紧螺丝201，非轴编码器109安装完成后实现记录的作用。

关节结构中使用的非轴编码器109为一种绝对值编码器，非轴编码器109的使用是该机械臂关节中的一个特点，非轴编码器109是一种非带耳式编码器结构，外形上与带耳式编码器相比，安装结构上也对关节长度的缩减十分有利，外形尺寸较小，与一些复杂短小的编码器结构相比，各模块独立且安装拆卸较为简单便利，安装方式更加模块化，起到关节的记录的作用。

于本实施例中，作为优选方案，在电机轴104轴腔内部设置有中空穿线管100，所述中空穿线管100沿轴向方向的一端部固定连接在端盖101上，为保证中空穿线管100的增加不会对机械臂关节的精度造成不良影响，中空穿线管100的支撑十分重要，中空穿线管100两端均布有轴承，即所述中空穿线管100的两端分别通过轴承支撑，左侧轴承102及右侧轴承111在结构上用来支撑中空穿线管100。左侧轴承102安装在减速器103内部结构波发生器内部镗孔中，左端轴承102由减速器波发生器腔内进行支撑，右侧轴承111通过轴承支撑架110支撑，即右端为轴承设有独立的轴承支撑架110，轴承支撑架110穿过非轴编码器109与刹车右侧防尘盖相连接。轴承支撑架110采用钛合金材质。

在电机轴104运动的过程中，中空穿线管100与电机轴104有相对运动产生，但转动较少，中空穿线管100的使用防止了内部线因直接接触快速转动的电机轴104而造成损伤，保证电机轴104内部线路不被磨损。采用双轴承支撑中空穿线管100，支撑更加平稳，中空穿线管100在关节结构安装位置同轴度更高，使关节结构在运动过程中，不会由于中空穿线管100的支撑问题对中空线路造成磨损。

中空穿线管100用来保护在电机轴104转动的过程中，控制板112上引出的线路不会由于直接接触电机轴104，转动过于频繁而对线路造成严重磨损。现有的通过电路板或编码器作为支撑，本申请通过两个轴承支撑。

于本实施例中，所述刹车本体107的刹车转子毂108与电机输入轴之间为过盈配合，通过热配的方式结合连接在一起。当关节断电时，刹车本体107通过与刹车转子毂108配合作用，起到对关节保持的作用；通电时，电机轴104正常运转。

所述控制板112用来控制关节结构。在控制板112的控制下，电机轴104带动电机转动，电机输出端与谐波减速器大端面连接，即与谐波减速器上刚轮上孔位连接，电机输出扭矩经过减速器103后，到达减速器输出端，此时扭矩被按照减速比放大，到达减速器输出端，减速器输出端与端盖101连接，将减速器103输出后的扭矩传递给下一关节或者末端来实现对负载的转移等动作。控制板116为定制化控制板，集成度较高，长度较短。电机采用定制化电机，保证了电机功率及输出扭矩情况下，电机组件中定子长度缩短。

其中输出模块包括减速器端盖102，减速器端盖102内封有油脂，减速器端盖102密封减速器，保证关节模块的精度，为减速器103工作提供润滑油脂提高减速器使用寿命，同时连接下一个关节或末端，减速器端盖102上布有特征孔，用来连接下一关节或负载。其中减速器端盖材质同样采用钛合金。

于本实施例中，所述电机左端盖、电机壳体106、电机右端盖、刹车右侧防尘盖及轴承支撑架110均采用钛合金材料制作而成。减轻了整个机械臂关节的质量，并且优化了整个机械臂关节的质量。

机械臂实施例

本方案提出一种轻质化小型化模块化多自由度机械臂，主要应用于排爆领域，用于排爆作业过程中减少人员损伤。

如图5至图6所示，本方案提供的一种机械臂，从下至上依次设置有底座601、第一机械臂关节602、第二机械臂关节603、第一臂管604、第三机械臂关节605、弯头法兰606、第二臂管607、第四机械臂关节608，所有机械臂关节使用以上实施例提供所述的机械臂关节。各可拆卸机械臂关节模型之间及与臂管之间依次通过法兰、螺钉连接，组成了整条机械手臂，模块化特征明显。任意单一关节都具有良好的密封性，关节模块两端都使用密封圈进行密封，安装螺钉位置均使用螺钉胶。

底座601作为机械手臂的开始位置，所述底座601底部设有航插接头孔及多个第一安装孔，航插接头孔用来将机械臂走出的线与控制柜相连，实现对整个机械手臂的控制。第一安装孔装有螺栓，用来将机械臂与安装面连接，所述底座601顶部设置有第二安装孔。第一机械臂关节602的减速器端盖和电机壳上分别布有螺纹孔，作为法兰连接使用；同样，第二机械臂关节603的减速器端盖及电机壳上也分别布有螺纹孔，作为法兰连接使用。所述第二安装孔用来连接第一机械臂关节602的减速器端盖，第一机械臂关节602的电机壳与第二机械臂关节603的减速器端盖相连接，第二机械臂关节603的电机壳与第一臂管604端面相连接，依次类推，第一臂管604另一端面与第三机械臂关节605的电机壳相连接，第三机械臂关节605的减速器端盖与弯头法兰606一端面相连接，弯头法兰606另一端面与第二臂管607一端面相连接，第二臂管607另一端面与第四机械臂关节608的电机壳相连接，第四机械臂关节608的减速器端盖直接作为法兰连接末端及负载。以第四机械臂关节608为例，如图5所示，第四机械臂关节608上设置的减速器端盖701和电机壳安装孔702。

于本实施例中，电机壳体106、电机左端盖、电机右端盖、刹车防尘壳、轴承支撑架110等关节内部结构零部件及第一臂管604、第二臂管607、弯头法兰606均采用钛合金，使得机械臂具有轻质化的特点。

在保证机械臂尺寸及加工精度的情况下，本方案提供的四自由度机械臂能够实现任一关节的360°旋转，定位精度高；本机械臂能够实现四关节联动旋转，相对现有技术控制简单，结构简化。

本机械臂关节模块采用定制化电机，在保证功率的情况下，电机长度大大缩短，采用模块化较强、尺寸较小的非轴编码器109，非轴编码器109较带耳式编码器长度相比，长度大大缩短，较一些复杂的定制化编码器相比，结构更加模块化。同时在结构安装过程中，电机左端盖作为法兰与减速器输入(这里指减速器大端面)直接连接，电机右端盖同时作为刹车左侧防尘盖，刹车右侧防尘盖直接与非轴编码器相连接，使得机械臂关节达到小型化、模块化、轻质化、惯量小、精度高、灵活的特点，安装集中化程度高，关节紧凑，能够实现三维空间任意姿态的控制，各关节、关节内各结构安装拆卸方便，具有极强的适应性。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。