一种中空大扭矩微型化机器人关节的制作方法

1.本实用新型涉及机器人工程技术领域，尤其涉及一种中空大扭矩微型化机器人关节。


背景技术：

2.机器人关节是协作机器人结构中最重要的部件，对于协作机器人的负载、精度、自重等参数起关键作用。
3.在协作机器人行业快速发展过程中，主要的技术更新基本在关节当中。在当前国内市场中，关节普遍采用输出法兰、内转子电机、带交叉滚子轴承式谐波减速器、检测元件及控制元件等结构组合的方案。该方案主要缺点是体积大、重量大和集成度低，极大限制了机械臂性能的进一步提升，产生这个问题的主要原因是，在关节设计选型过程中，为了减少装配问题而选用容易装配但更体积重量更大的标准减速器，为了测量电机转速而增加的电机轴，为了实现驱动模块及检测模块的避让而增加长度，目前市场主流的产品即是这一种方案，这种方案实施虽然一定程度上减小了装配难度，更容易实现标准化，但是在重量和体积方面无法进一步压缩，严重阻碍了关节的轻量化及微型化。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供轻量化设计的关节，而提出的一种中空大扭矩微型化机器人关节。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
6.一种中空大扭矩微型化机器人关节，包括机械部件和驱动及传感器部件，其中，所述机械部件是关节组合的基础结构，能够提供标准接口实现关节与机械臂杆连接，包括谐波减速器组件、外转子电机组件和中空走线组件，所述驱动及传感器部件包含关节供电、通信、检测及控制的模块。
7.优选地，所述谐波减速器组件包括输出法兰、柔轮、固定法兰、波发生器、球轴承、柔性轴承、刚轮、后端盖、交叉滚子轴承安装座、交叉滚子轴承、交叉滚子轴承外压板、球轴承后压板和弹性挡圈，所述柔轮和所述固定法兰同心配合安装到所述输出法兰上，所述刚轮与所述后端盖同心配合固定连接，所述波发生器通过一端紧固和一端游动的方式分别与两个球轴承连接，所述交叉滚子轴承安装座与所述输出法兰连接，所述交叉滚子轴承具有一外圈和一内圈，所述交叉滚子轴承内圈与所述后端盖配合，所述交叉滚子轴承外圈与所述交叉滚子轴承安装座配合装入，所述波发生器具有连接螺纹孔。
8.优选地，所述外转子电机组件包括电机外壳、电机转子、电机定子、码盘、电机固定座，所述电机转子与所述波发生器同心配合连接，所述码盘连接在所述电机转子上，所述电机转子能够驱动所述码盘转动，所述电机定子与所述电机固定座同心配合连接，所述电机固定座与所述电机外壳同心配合连接。
9.优选地，所述中空走线组件包括微型轴承、六角钢柱、弹性固线板、橡胶护线圈、中
空转轴，所述中空转轴与所述输出法兰连接，所述弹性固线板通过两个所述六角钢柱安装在所述电机固定座上，所述微型轴承安装在所述电机固定座上。
10.优选地，所述驱动及传感器部件包括驱动电路板组件、绝对值编码器组件，所述驱动电路板组件具有增量编码器，所述驱动电路板组件通过所述六角钢柱连接在所述电机固定座上，所述码盘安装在所述电机转子上，所述增量编码器位于所述码盘的正上方，所述增量编码器能够读取所述电机转子的旋转运动信息。
11.优选地，所述绝对编码器组件具有绝对码盘，所述绝对码盘通过紧定螺钉同轴固定于所述中空转轴的后端，所述绝对码盘对应位置的检测芯片布置于所述绝对编码器组件远离所述电机外壳的一侧。
12.相比现有技术，本实用新型的有益效果为：
13.本实用新型通过使用紧凑型谐波减速器、微型外转子电机及集成式驱动及检测模块，该关节能够实现机器人系统的微型化设计，满足关节轻型化的需求，还通过调整交叉滚子轴承位置与外接负载位置，改进关节负载情况，实现了较大的关节刚性，还通过保持在较小体积和重量的情况下，保留有中间通线功能，同时适用于单关节或者多关节串联的应用场景。
附图说明
14.图1为本实用新型提出的一种中空大扭矩微型化机器人关节的剖面结构示意图。
15.图中：1、输出法兰；2、柔轮；3、固定法兰；4、波发生器；4a、连接螺纹孔；5、球轴承；6、柔性轴承；7、刚轮；8、后端盖；9、交叉滚子轴承安装座；10、交叉滚子轴承；11、交叉滚子轴承外压板；12、球轴承后压板；13、弹性挡圈；14、电机外壳；15、微型轴承；16、六角钢柱；17、弹性固线板；18、橡胶护线圈；19、中空转轴；20、绝对值编码器组件；20a、绝对码盘；21、驱动电路板组件；21a、增量编码器；22、电机转子；23、电机定子；24、码盘；25、电机固定座。
具体实施方式
16.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
17.参照图1，一种中空大扭矩微型化机器人关节，包括机械部件和驱动及传感器部件，其中，机械部件是关节组合的基础结构，能够提供标准接口实现关节与机械臂杆连接，包括谐波减速器组件、外转子电机组件和中空走线组件，驱动及传感器部件包含关节供电、通信、检测及控制的模块。
18.进一步地，谐波减速器组件包括输出法兰1、柔轮2、固定法兰3、波发生器4、球轴承5、柔性轴承6、刚轮7、后端盖8、交叉滚子轴承安装座9、交叉滚子轴承10、交叉滚子轴承外压板11、球轴承后压板12和弹性挡圈13，柔轮2和固定法兰3同心配合安装到输出法兰1上，刚轮7与后端盖8同心配合固定连接，波发生器4通过一端紧固和一端游动的方式分别与两个球轴承5连接，交叉滚子轴承安装座9与输出法兰1连接，交叉滚子轴承10具有一外圈和一内圈，交叉滚子轴承10内圈与后端盖8配合，交叉滚子轴承10外圈与交叉滚子轴承安装座9配
合装入，波发生器4具有连接螺纹孔4a。
19.其中，柔性轴承6压入波发生器4后产生变形，当柔性轴承6和波发生器4装入柔轮2的内孔后，柔轮2由原先的圆形变成椭圆形，柔轮2长轴两端附近的齿与刚轮7的齿完全啮合，柔轮2短轴两端附近的齿则与刚轮7完全脱开；
20.固定法兰3的内圈同时也作为前一个球轴承5的外支撑，刚轮7与后端盖8同心配合固定连接，连接后形成了后一个球轴承5的另一个外支撑，另外，通过球轴承后压板12和弹性挡圈13，实现了对后一个球轴承5的完全限位，防止其在受到一定轴向力时会出现轴向偏移的情况；
21.波发生器4通过一端紧固和一端游动的方式分别与两个球轴承5连接，保证其在高速转动时的平稳性；
22.交叉滚子轴承10内圈与后端盖8配合，交叉滚子轴承10外圈与交叉滚子轴承安装座9配合装入，之后通过交叉滚子轴承外压板11压紧交叉滚子轴承10的外圈，通过电机外壳14压紧交叉滚子轴承10内圈，实现对整个交叉滚子轴承10的限位；
23.至此，外部输入可以通过波发生器4的连接螺纹孔4a进行输入，而经过柔轮2与刚轮7的规律啮合运动，即可以在输出法兰1中得到稳定输出，通过增加谐波减速器的结构紧凑性，减少了使用标准带交叉滚子轴承10的谐波减速器带来的重量和体积。
24.进一步地，外转子电机组件包括电机外壳14、电机转子22、电机定子23、码盘24、电机固定座25，电机转子22与波发生器4同心配合连接，码盘24连接在电机转子22上，电机转子22能够驱动码盘24转动，电机定子23与电机固定座25同心配合连接，电机固定座25与电机外壳14同心配合连接。
25.电机转子22与波发生器4同心配合连接，作为整机的输入端；
26.电机转子22能够驱动码盘24转动，实现了对外转子电机转速的输出；
27.电机定子23与电机固定座25同心配合连接，采用粘胶的方式连接；
28.电机固定座25与电机外壳14同心配合连接，使电机定子23与电机转子22实现位置配对。
29.进一步地，中空走线组件包括微型轴承15、六角钢柱16、弹性固线板17、橡胶护线圈18、中空转轴19，中空转轴19与输出法兰1连接，弹性固线板17通过两个六角钢柱16安装在电机固定座25上，微型轴承15安装在电机固定座25上。
30.中空转轴19与输出法兰1连接，获得关节输出端的速度及位置信息；
31.中空转轴19为中空结构，具有一中心孔，该中心孔用于机器人系统的走线，由于其连接的输出端转速较低，可以对内部走线起到保护的作用；
32.弹性固线板17通过两个六角钢柱16安装在电机固定座25上，配合橡胶护线圈18实现线束在内部跟随转动时不会产生损伤；
33.微型轴承15安装在电机固定座25上，通过粘胶粘合的方式固定，可以消除中空转轴19后侧延伸轴段处于悬臂支撑状态引起的运动偏摆，进而消除运动偏摆造成的旋转运动检测结果的不准确性。
34.进一步地，驱动及传感器部件包括驱动电路板组件21、绝对值编码器组件20，驱动电路板组件21具有增量编码器21a，驱动电路板组件21通过六角钢柱16连接在电机固定座25上，码盘24安装在电机转子22上，增量编码器21a位于码盘24的正上方，增量编码器21a能
够读取电机转子22的旋转运动信息。
35.其中，增量编码器21a集成在驱动电路板组件21中，既能最大限度地减少安装结构，又能减少走线；
36.增量编码器21a位于码盘24的正上方，且与码盘24有一合适距离；
37.增量编码器21a用于读取电机转子22的旋转运动信息，增量编码器21a采集到的信息传输到驱动电路板组件21，驱动电路板组件21可以根据用户通过控制器给机器人关节预设的运动指令计算电机转子22的目标旋转状态，根据电机转子22目标旋转状态与反馈旋转状态的差异调节输出给电机定子23的各绕组的电流，调节电机转子22的运动状态，保证机器人关节按照预期的运动规律输出运动轨迹；
38.同时，增量编码器21a获得的旋转状态信息可以方便的换算出电机转子22的角位移、角速度等信息，可用于驱动电路板组件21对电机的位置环控制、速度环控制以及前馈控制，提高系统的运动控制指令响应速度。
39.进一步地，绝对值编码器组件20具有绝对码盘20a，绝对码盘20a通过紧定螺钉同轴固定于中空转轴19的后端，绝对码盘20a对应位置的检测芯片布置于绝对值编码器组件20远离电机外壳14的一侧。
40.其中，绝对值编码器组件20用于直接读取机器人关节输出端的旋转运动信息并传输到驱动电路板组件21中，驱动电路板组件21可以根据用户通过控制器给机器人关节预设的目标旋转状态与反馈旋转状态的差异调节调节电机转子22的运动状态，保证机器人关节按照预期的运动规律输出运动轨迹；
41.采用绝对值编码器组件20可以直接采集机器人关节输出端的旋转运动信息，直接对机器人关节输出端的旋转运动进行位置闭环控制，可以提高机器人关节输出端的旋转运动精度，同时，绝对值编码器组件20在掉电时不会丢失位置信息，再次上电后可以直接以当前位置为起点正常运行，而增量编码器21a在掉电时会丢失位置信息，再次上电后需要先进行回零操作然后才能正常运行，如果机器人系统在复电时不允许回零动作，机器人关节不配置绝对值编码器组件20而单独使用增量编码器21a就会遇到问题，双编码器的配合使用，可以实现关节的高精度及高稳定性。
42.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。