一种多级紧凑型电驱动关节模组及机器人

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及的是一种多级紧凑型电驱动关节模组及机器人。

背景技术：

目前继工业机器人、协作机器人成熟和推广之后，各大著名高校研究机构以及企业开始移动机器人的研究投入了极大的人力和物力。移动机器人主要分为轮式机器人和足式机器人两大类，足式机器人相较于轮式机器人具有几个明显的优点：

1.足式机器人或足型载具可以运行在任何轮式机器人不能工作的表面上。有适应于不同的表面的不同的轮子，但是没有一个标准能工作在任何表面上。此外，轮式是被设计于工作在准备好的表面比如光滑表面、道路、轨道等等。

2.腿式机器人可以跳过或者跨越障碍物，而轮式机器人需要用某种方式穿过它或者采取另外的路径。

3.轮式机器人需要运行在连续的路径中，而腿式机器人可以跨过分离的路径前进。

腿式机器人可以避免在轮式机器人中无法避免的不必要的立足点。

现有技术中，足式机器人用的驱动关节很多都是采用电机与一级减速机分离式，没有集成在一起，导致关节驱动结构体积大。如果仅简单缩小关节驱动结构体积，则造成模组输出的力矩较小，也就是说，现有技术的驱动关节模组无法兼具体积小和输出力矩大的优势。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种多级紧凑型电驱动关节模组及机器人，旨在解决现有技术中关节驱动无法兼具体积小和输出力矩大的优势的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多级紧凑型电驱动关节模组，其中，包括：

定子法兰，具有容纳空间；

穿线管，位于所述容纳空间内；

一级输出法兰和二级输出法兰，与所述穿线管连接；

一级减速机，套设在所述穿线管外并与所述一级输出法兰连接；

二级减速机，套设在所述穿线管外并与所述二级输出法兰连接；

电机转子，与所述穿线管连接；

电机定子，设置于所述定子法兰；

其中，所述电机定子围绕所述一级减速机设置，所述电机转子围绕所述电机定子设置；所述二级减速机位于所述电机定子外。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述定子法兰包括：

盖体；

外侧壁，与所述盖体连接；

内侧壁，位于所述外侧壁内；

连接壁，所述连接壁的两端分别连接所述外侧壁和所述内侧壁；

所述电机定子设置在所述内侧壁外。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述一级减速机包括：

一级内齿圈，设置于所述内侧壁；

一级太阳轮，套设连接在所述穿线管外；

一级行星轮，与所述一级输出法兰转动连接，且所述一级行星轮分别与所述一级内齿圈、所述一级太阳轮啮合。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述一级输出法兰上设置有一级行星架；所述一级行星架上设置有一级行星销钉，所述一级行星轮与所述一级行星销钉转动连接。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述电机转子通过转子输出轴与所述穿线管连接；所述转子输出轴上设置有通孔，所述一级太阳轮位于所述通孔内。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述多级紧凑型电驱动关节模组还包括：

支承盖，设置于所述盖体；

编码器读数头，设置于所述支承盖；

编码器磁环，围绕所述通孔的边缘设置。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述多级紧凑型电驱动关节模组还包括：

编码器盖，与所述盖体连接；

所述支承盖和所述编码器读数头均位于所述编码器盖内。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述二级减速机包括：

二级内齿圈，设置于所述外侧壁；

二级太阳轮，套设在所述穿线管外；

二级行星轮，与所述二级输出法兰转动连接，且所述二级行星轮分别与所述二级内齿圈、所述二级太阳轮啮合。

所述的多级紧凑型电驱动关节模组，其中，所述一级输出法兰位于所述内侧壁内，所述一级输出法兰在所述内侧壁内转动，所述一级输出法兰与所述内侧壁通过一级法兰轴承转动连接；和/或

所述二级输出法兰位于所述外侧壁内，所述二级输出法兰在所述外侧壁内转动，所述二级输出法兰与所述内侧壁通过二级法兰轴承转动连接；和/或

所述电机定子设置于所述内侧壁外，所述电机定子和所述外侧壁之间具有间隙，所述电机转子位于所述间隙内，所述电机转子在所述间隙内转动。

一种机器人，其中，包括：

如上述任意一项所述的多级紧凑型电驱动关节模组。

有益效果：本申请采用无框力矩外转子电机，并将一级减速机嵌到电机定子内，达到减小驱动关节模组的体积，同时在电机端面再串联第二级减速机，达到增大减速比，从而达到增大模组的力矩输出。

附图说明

图1是本发明中多级紧凑型电驱动关节模组的第一立体图。

图2是本发明中多级紧凑型电驱动关节模组的第二立体图。

图3是本发明中多级紧凑型电驱动关节模组的截面图。

图4是本发明中多级紧凑型电驱动关节模组的第一爆炸图。

图5是本发明中多级紧凑型电驱动关节模组的第二爆炸图。

图6是本发明中一级减速机的结构示意图。

图7是本发明中一级减速机的截面图。

图8是本发明中多级紧凑型电驱动关节模组的第三爆炸图。

图9是本发明中二级减速机的结构示意图。

图10是本发明中一级减速机和二级减速机的结构示意图。

图11是本发明中一级减速机和二级减速机的第一截面图。

图12是本发明中一级减速机和二级减速机的第二截面图。

附图标记说明：

1、电机转子；2、电机定子；3、定子法兰；3a、盖体；3b、外侧壁；3b1、第一段；3b2、第二段；3b3、第三段；3c、内侧壁；3d、连接壁；4、一级内齿圈；5、一级行星轮；6、一级行星架；7、一级行星销钉；8、一级行星轮轴承；9、一级行星轮轴衬套；10、一级太阳轮；11、编码器磁环；12、一级太阳轮轴承；13、一级行星架轴承；14、支承盖；15、编码器读数头；16、编码器盖；17、输出轴轴承；19、转子输出轴；19a、通孔；21、一级法兰轴承；22、一级输出法兰；24、二级内齿圈；26、交叉滚子轴承衬套；27、交叉滚子轴承；28、二级行星架；29、二级行星轮；30、二级太阳轮；31、穿线管；32、二级行星轮轴承；33、二级输出法兰；34、二级行星轮轴衬套；35、轴用弹性挡圈。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

请同时参阅图1-图12，本发明提供了一种多级紧凑型电驱动关节模组的一些实施例。

如图1-图3所示，本发明的一种多级紧凑型电驱动关节模组，包括：

定子法兰3，具有容纳空间；

穿线管31，位于所述容纳空间内；

一级输出法兰22和二级输出法兰33，与所述穿线管31连接；

一级减速机，套设在所述穿线管31外并与所述一级输出法兰22连接；

二级减速机，套设在所述穿线管31外并与所述二级输出法兰33连接；

电机转子1，与所述穿线管31连接；

电机定子2，设置于所述定子法兰3；

其中，所述电机定子2围绕所述一级减速机设置，所述电机转子1围绕所述电机定子2设置；所述二级减速机位于所述电机定子2外。

值得说明的是，本申请采用无框力矩外转子电机，并将一级减速机嵌到电机定子2内，达到减小驱动关节模组的体积，同时在电机端面再串联第二级减速机，达到增大减速比，从而达到增大模组的力矩输出。当然也减小了驱动关节模组的重量，从而减小足式机器人的整体重量，达到提高足式机器人续航能力的效果。

无框力矩电机：力矩电机采用的是恒磁阻无刷电机的设计，电机由环形定子和环形转子组成，定子不采用齿形叠片设计，而是由光滑的圆筒形的叠片构成，转子由多极稀土永磁磁极和环形空心轴构成，这种结构的特点是保证拥有较大的气隙，且整个工作气隙内磁阻是均匀的，因此电机具有无磁槽力矩的优点。力矩电机是一种特殊类型的永磁无刷同步电机，由于负载直接连接转子，不需要任何传动件，因此力矩电机属于直接驱动技术。力矩电机也是一种“无框”电机。也就是说电机没有外壳、轴承或测量系统。这些部件由机器制造商根据所需性能选择，或成套购买。与传统电机不同，力矩电机规格主要取决于扭矩，而不是功率。而且，最大扭矩决定了电机可实际产生的扭矩和连续扭矩决定电机能连续提供的扭矩。应用的负荷周期决定对最大扭矩或连续扭矩的依赖程度。

可以理解的是，本申请中电机定子2为环形定子，电机转子1为环形转子。穿线管31为中空管，穿线管31可供线路通过。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1、图3-图5以及图8所示，所述定子法兰3包括：

盖体3a；

外侧壁3b，与所述盖体3a连接；

内侧壁3c，位于所述外侧壁3b内；

连接壁3d，所述连接壁3d的两端分别连接所述外侧壁3b和所述内侧壁3c；

所述电机定子2设置在所述内侧壁外。

具体地，定子法兰3包括四个部分，盖体3a、外侧壁3b、内侧壁3c以及连接壁3d。连接壁3d的两端分别连接外侧壁3b的底部和内侧壁3c的底部。连接壁3d呈环形，外侧壁3b连接在环形的连接壁3d的外侧，内侧壁3c连接在环形的连接壁3d的内测。盖体3a和外侧壁3b可拆卸连接，外侧壁3b分成三段，分别为依次设置的第一段3b1、第二段3b2以及第三段3b3，第一段3b1与盖体3a连接，第二段3b2与第一段3b1连接，第二段3b2、连接壁3d以及内侧壁3c一体设置，第三段3b3与第二段3b2连接。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图7所示，所述一级减速机包括：

一级内齿圈4，设置于所述内侧壁3c；

一级太阳轮10，套设连接在所述穿线管31外；

一级行星轮5，与所述一级输出法兰22转动连接，且所述一级行星轮5分别与所述一级内齿圈4、所述一级太阳轮10啮合。

减速机是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、摆线传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间起到减速增扭作用的传动装置，在二者之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。

具体地，一级内齿圈4设置在内侧壁3c的顶部的内侧，为了限制一级内齿圈4的位移，防止一级内齿圈4的移动，在内侧壁3c上设置一级内齿圈压盖，通过一级内齿圈压盖和内侧壁3c夹持一级内齿圈4。此外，在一级内齿圈4的外侧设置若干个第一平面结构，在内侧壁3c上设置有第二平面结构，第一平面结构和第二平面结构采用面面接触，从而限定一级内齿圈4在周向上的移动。一级太阳轮10是指位于一级减速机中心的轮，一级行星轮5是指围绕在一级太阳轮10四周的轮。一级行星轮5两端分别与一级内齿圈4、一级太阳轮10啮合。一级行星轮5可以有多个，如图6和图7所示，采用3个一级行星轮5，可以提高一级减速机的稳定性。

一级减速机的一级内齿圈4通过过盈配合、涂胶等方式安装在定子法兰3上，同时通过一级内齿圈压盖限制一级减速机一级内齿圈4的轴向运动，一级内齿圈压盖通过螺纹紧固件固定在定子法兰3上。一级减速机的一级太阳轮10带动一级减速机的一级行星轮5在一级减速机的一级内齿圈4内部既做绕着一级行星销钉7做自转运动，又绕着一级减速机的一级太阳轮10做公转运动。

穿线管31通过螺纹紧固件固定在二级输出法兰33上，使得线缆通过中间孔的时候不直接跟高速运转的一级减速机的一级太阳轮10接触，而是和低速运转的穿线管31接触，已到减小线缆磨损的效果，同时使用耐磨损的密度小的材料制作穿线管31，穿线管31的外壁和一级减速机的一级太阳轮10的内壁应留有空隙，防止穿线管31和一级减速机一级太阳轮10之间的摩擦导致磨损。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图7所示，所述一级输出法兰22上设置有一级行星架6；所述一级行星架6上设置有一级行星销钉7，所述一级行星轮5与所述一级行星销钉7转动连接。

具体地，为了进一步提高一级行星轮5转动的稳定性，在一级输出法兰22上设置一级行星架6，一级行星架6和一级输出法兰22分别位于一级行星轮5的上下两侧，并通过一级行星销钉7连接。一级行星轮5与所述一级行星销钉7通过一级行星轮轴承8转转动连接，一级行星轮轴承8对一级减速机一级行星轮5具有支承和限位的作用。一级行星轮轴承8有两个，两个一级行星轮轴承8之间设置有一级行星轮轴衬套9，一级行星轮轴衬套9对一级行星轮轴承8具有支撑和限位的作用。一级行星架轴承13位于一级行星架6和转子输出轴19之间，一级行星架轴承13对一级行星架6具有支承和限位的作用。

一级行星销钉7安装在一级行星架6上，同时通过螺纹紧固件将一级行星架6、一级行星销钉7、一级输出法兰22连为一体，这样一级减速机一级行星轮5的公转运动就能够转化为关节模组一级输出法兰22以中心轴为转轴的回转运动。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图4所示，所述电机转子1通过转子输出轴19与所述穿线管31连接；所述转子输出轴19上设置有通孔19a，所述一级太阳轮10位于所述通孔19a内。

具体地，电机转子1通过转子输出轴19与穿线管31连接，从而电机转子1转动时，带动转子输出轴19、穿线管31以及一级输出法兰22转动。转子输出轴19上设置有通孔19a，一级太阳轮10位于通孔19a内，转子输出轴19通过一级太阳轮10与穿线管31连接。

转子输出轴19与电机转子1通过螺纹紧固件进行连接，使电机转子1的转动和转矩能够传递到转子输出轴19上；转子输出轴19与一级减速机的一级太阳轮10连接在一起，这样使得电机转子1的转动和转矩能够通过转子输出轴19传递到一级减速机一级太阳轮10上。

为了避免一级行星架6晃动，一级行星架6与一级太阳轮10之间设置有一级太阳轮轴承12。且一级行星架6与转子输出轴19之间设置一级行星架轴承13，从而从内外两侧对一级行星架6进行限位。

为了避免转子输出轴19和电机转子1晃动，转子输出轴19与盖体3a之间设置输出轴轴承17，从而对转子输出轴19和电机转子1进行限定。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图5所示，所述多级紧凑型电驱动关节模组还包括：

支承盖14，设置于所述盖体3a；

编码器读数头15，设置于所述支承盖14；

编码器磁环11，围绕所述通孔19a的边缘设置。

编码器：编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

具体地，在盖体3a上设置支承盖14，并在支承盖14上设置编码器读数头15，编码器磁环11设置在转子输出轴19上，具体围绕在通孔19a外。穿线管31穿过支承盖14和编码器读数头15，从而穿线管31中的电线可以与编码器读数头15连接。

编码器磁环11通过过盈配合、涂胶等方式固定在转子输出轴19上，这样使得电机转子1的转动能够通过转子输出轴19传递到编码器磁环11上；

盖体3a通过螺纹紧固件、过盈配合、涂胶等方式与定子法兰3连接在一起，编码器读数头15安装支承盖14通过螺纹紧固件、过盈配合、涂胶等方式与盖体3a连接在一起，编码器读数头15通过纹紧固件、过盈配合、涂胶等方式与编码器读数头15安装支承盖14连接在一起；这样编码器读数头15就能读取编码器磁环11的转动位置，进而对关节模组进行伺服位置控制。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3-图5所示，所述多级紧凑型电驱动关节模组还包括：

编码器盖16，与所述盖体3a连接；

所述支承盖14和所述编码器读数头15均位于所述编码器盖16内。

具体地，为了对编码器读数头15进行保护，在盖体3a上设置编码器盖16，将支承盖14和编码器读数头15罩在里面以保护编码器读数头15。编码器盖16通过螺纹紧固件、过盈配合、涂胶等方式与盖体3a连接在一起，对关节模组具有防尘防水的作用。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3以及图7所示，所述一级输出法兰22位于所述内侧壁3c内，所述一级输出法兰22在所述内侧壁3c内转动，所述一级输出法兰22与所述内侧壁3c通过一级法兰轴承21转动连接。

具体地，一级输出法兰22位于内侧壁3c内，并可在内侧壁3c内转动。一级输出法兰22通过一级法兰轴承21与内侧壁3c的内侧转动连接。也即是说，定子法兰3和一级输出法兰22之间具有一级法兰轴承21，对一级输出法兰22具有支承和限位的作用。一级法兰轴承21有两个，两个一级法兰轴承21之间设置有一级输出法兰轴承衬套。两个一级法兰轴承21之间具有关节模组一级输出法兰轴承衬套，对关节模组一级输出法兰轴承具有支撑和限位的作用。为了限制一级法兰轴承21的位移，在内侧壁3c的底部设置轴承压盖，通过内侧壁3c和轴承压盖夹持一级法兰轴承21。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3、图6以及图7所示，所述电机定子2设置于所述内侧壁3c外，所述电机定子2和所述外侧壁3b之间具有间隙，所述电机转子1位于所述间隙内，所述电机转子1在所述间隙内转动。

具体地，电机定子2围绕设置在内侧壁3c外，电机定子2于外侧壁3b之间具有间隙，电机转子1位于间隙内，并可在间隙内转动。电机定子2通过过盈配合、涂胶等方式固定在定子法兰3上；电机转子1属于外转子，安装在电机定子2的外圈，电机转子1与电机定子2之间有空隙，使得电机转子1可以相对电机定子2自由转动。

制动抱闸：制动抱闸在电机得电前是处于抱紧状态，使得电机不能转动，电机得电使能后，制动抱闸松开，这时就可以控制电机转动。制动抱闸的主要作用是机器因故障突然断电时，能使机器停止运作，不因惯性和重力等因素继续运转造成事故。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2、图3、图7、图11以及图12所示，所述二级输出法兰33位于所述外侧壁3b内，所述二级输出法兰33在所述外侧壁3b内转动，所述二级输出法兰33与外侧壁3b通过二级法兰轴承转动连接。

具体地，二级输出法兰33位于外侧壁3b(具体位于第三段3b3)内，并可在外侧壁3b内转动。二级输出法兰33通过交叉滚子轴承27与外侧壁3b的内侧转动连接。也即是说，定子法兰3和二级输出法兰33之间具有交叉滚子轴承27，对二级输出法兰33具有支承和限位的作用。交叉滚子轴承27上侧设置有交叉滚子轴承衬套26，下侧设置有轴用弹性挡圈35，对交叉滚子轴承27具有支撑和限位的作用。为了限制交叉滚子轴承27的位移。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3、图3以及图9-图12所示，所述二级减速机包括：

二级内齿圈24，设置于所述外侧壁3b；

二级太阳轮30，套设在所述穿线管外；

二级行星轮29，与所述二级输出法兰33转动连接，且所述二级行星轮29分别与所述二级内齿圈24、所述二级太阳轮30啮合。

具体地，二级内齿圈24设置在外侧壁3b的内侧(具体设置在第二段3b2的内侧)，为了限制二级内齿圈24的位移，防止二级内齿圈24的移动，在二级内齿圈24的下侧被交叉滚子轴承衬套26限位，通过交叉滚子轴承衬套和外侧壁3b夹持二级内齿圈24。此外，在二级内齿圈24的外侧设置若干个第三平面结构，在外侧壁3b上设置有第四平面结构，第三平面结构和第四平面结构采用面面接触，从而限定二级内齿圈24在周向上的移动。二级太阳轮30是指位于二级减速机中心的轮，二级行星轮29是指围绕在二级太阳轮30四周的轮。二级行星轮29两端分别与二级内齿圈24、二级太阳轮30啮合。二级行星轮29可以有多个，如图3和图7所示，采用3个二级行星轮29，可以提高二级减速机的稳定性。

二级太阳轮30与一级输出法兰22卡接，也就是说，一级输出法兰22转动时，可以带动二级太阳轮转动。

二级减速机的二级内齿圈24通过过盈配合、涂胶等方式安装在定子法兰3上，同时通过交叉滚子轴承衬套26限制二级减速机的二级内齿圈24的轴向运动，交叉滚子轴承衬套26通过螺纹紧固件固定在定子法兰3上。二级减速机的二级太阳轮30带动二级减速机的二级行星轮29在二级减速机的二级内齿圈24内部既做绕着二级行星销钉做自转运动，又绕着二级减速机的二级太阳轮30做公转运动。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3、图7、图9-图12所示，所述二级输出法兰33上设置有二级行星架28；所述二级行星架28上设置有二级行星销钉，所述二级行星轮29与所述二级行星销钉转动连接。

具体地，为了进一步提高二级行星轮29转动的稳定性，在二级输出法兰33上设置二级行星架28，二级行星架28和二级输出法兰33分别位于二级行星轮29的上下两侧，并通过二级行星销钉连接。二级行星轮29与所述二级行星销钉通过二级行星轮轴承32转转动连接，二级行星轮轴承32对二级减速机二级行星轮29具有支承和限位的作用。二级行星轮轴承32有两个，两个二级行星轮轴承32之间设置有二级行星轮轴衬套34，二级行星轮轴衬套34对二级行星轮轴承32具有支撑和限位的作用。

二级行星销钉安装在二级行星架28上，同时通过螺纹紧固件将二级行星架28、二级行星销钉、二级输出法兰33连为一体，这样二级减速机的二级行星轮29的公转运动就能够转化为关节模组二级输出法兰33以中心轴为转轴的回转运动。

基于上述任意一实施例所述的多级紧凑型电驱动关节模组，本发明还提供一种机器人的较佳实施例：

本发明实施例的一种机器人，包括：

如上述任意一实施例所述的多级紧凑型电驱动关节模组。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。