CN107116575B - 一种一体化旋转驱动执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化旋转驱动执行器，包括电机、同轴减速器和轴法兰；电机设有电机编码器，并由驱动电路板驱动；同轴减速器的输入端与电机配合，同轴减速器设有减速器编码器；轴法兰为设有法兰盘的输出轴，法兰盘与同轴减速器的输出端配合，输出轴输出转动信号。该驱动执行器工作时，驱动电路板驱动电机，通过编码器能够获取电机的转速和同轴减速器输出端的转速，根据转速情况可以通过驱动电路板对转速进行调节，实现精确控制。该驱动执行器将驱动器、电机、编码器、同轴减速器集成了一个小巧灵活的整体，提高了安装和使用的便利性。该驱动执行器结构紧凑，体积小，输出扭矩大，易于控制，控制精度高，安全性高。

Description

一种一体化旋转驱动执行器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种一体化旋转驱动执行器。

背景技术

近些年来随着工业技术的发展，智能机器人在工业、医疗、服务等领域与人有了更多的接触。

传统机器人采用电机-减速器-负载线性传动的刚性关节。刚性关节具有结构简单、体积紧凑、定位精准等优点，能满足工业生产的要求。但刚性关节不能对外界环境做出及时的响应，这使得搭载刚性关节的机器人的兼容性差，能量效率低下且能耗很大，机器人与环境发生刚性碰撞时，可能会损坏昂贵设备或伤及人畜。

目前，伺服一般为驱动器和电机分离，二者通过线缆连接，这样连接线较多，布线麻烦，且线路易受外界干扰，接触不良或老化容易影响整体运行。尤其编码器线随着距离的增大，外界环境干扰的增强，通信质量会明显下降。

现有伺服大都采用内转子电机，其成本高，体积大，扭矩小，过载能力弱。电机、驱动器、编码器分离使得线路杂乱抗干扰能力弱，并且导致整体体积大。

现有伺服整体体积大，性价比低，能源利用率低，安全性低。

发明内容

本发明的目的是提供了一种一体化旋转驱动执行器，该一体化旋转驱动执行器结构紧凑，集成化，小型化，低成本，高性能，具有柔性控制等高级控制。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一体化旋转驱动执行器，包括电机、同轴减速器和轴法兰；所述电机设有电机编码器，并由驱动电路板驱动；所述同轴减速器的输入端与所述电机配合，所述同轴减速器设有减速器编码器；所述轴法兰为设有法兰盘的输出轴，所述法兰盘与所述同轴减速器的输出端配合，所述输出轴输出转动信号。

可选的，所述同轴减速器为谐波传动减速器，所述谐波传动减速器由内到外依次为内圈凸轮、柔性轴承、上钢轮和下钢轮；所述内圈凸轮为所述输入端，与所述电机配合；所述下钢轮与外壳连接，所述上钢轮为所述输出端，与所述法兰盘连接。

可选的，还设有扭簧缓冲器和末端编码器，所述扭簧缓冲器的内圈与所述输出轴配合，所述扭簧缓冲器的外圈法兰输出转动信号。

可选的，所述法兰盘外侧从下到上依次设有第一端盖、第二端盖、第三端盖和第四端盖；所述第一端盖和所述第二端盖位于所述法兰盘外侧，二者与所述法兰盘之间设有交叉滚子轴承；所述第三端盖和所述第四端盖位于所述扭簧缓冲器的外侧，二者与所述扭簧缓冲器之间设有交叉滚子轴承。

可选的，所述法兰盘与所述扭簧缓冲器之间设有编码器电路板，且所述编码器电路板位于所述第二端盖和所述第三端盖之间；所述减速器编码器的转子设于所述法兰盘的上端面，所述减速器编码器的定子设于所述编码器电路板的下侧；所述外圈法兰的下端面设有所述末端编码器的转子，所述末端编码器的定子设于所述编码器电路板的上侧。

可选的，所述编码器电路板通过通路与所述驱动电路板连通，所述通路从上到下依次穿过所述第三盖板、所述第二盖板、所述第一盖板和所述外壳。

可选的，所述同轴减速器为行星减速器，所述行星减速器由内到外依次为太阳轮、行星轮、保持架和内齿圈；所述太阳轮为所述输入端，与所述电机配合；所述内齿圈与所述外壳连接，所述保持架为所述输出端，与所述法兰盘连接。

可选的，所述同轴减速器为摆线针轮减速器，所述摆线针轮减速器包括偏心轴、摆线盘、输出保持架和针齿壳；所述偏心轴为所述输入端，与所述电机配合；所述针齿壳与所述外壳连接，所述输出保持架为所述输出端，与所述法兰盘连接。

可选的，所述电机设于驱动电路板的上侧，所述电机编码器的转子设于所述电机的转子的下端面，所述电机编码器的定子设于所述驱动电路板的上侧。

可选的，所述电机编码器的转子的外侧套设结构件。

可选的，还包括同步传动机构和转轴，所述电机和所述转轴并列设置，所述电机的转子通过所述同步传动机构带动所述转轴转动，所述转轴与所述同轴减速器的所述输入端配合。

可选的，所述电机和所述转轴均位于所述驱动电路板的上侧；所述电机编码器的转子设于所述电机的转子的下端面，所述电机编码器的定子设于所述驱动电路板的上侧；所述转轴设有转轴编码器，所述转轴编码器的转子设于所述转轴的下端面，所述转轴编码器的定子设于所述驱动电路板的上侧。

本发明提供的一体化旋转驱动执行器，包括电机、同轴减速器和轴法兰；电机设有电机编码器，并由驱动电路板驱动；同轴减速器的输入端与电机配合，同轴减速器设有减速器编码器；轴法兰为设有法兰盘的输出轴，法兰盘与同轴减速器的输出端配合，输出轴输出转动信号。

该一体化旋转驱动执行器工作时，驱动电路板驱动电机，电机启动后带动同轴减速器和轴法兰，经过同轴减速器减速后，通过轴法兰的输出轴输出转动信号。电机设有电机编码器，同轴减速器设有减速器编码器，通过编码器能够获取电机的转速和减速器输出端的转速，根据转速情况可以通过驱动电路板对转速进行调节，实现精确控制。该驱动执行器将驱动器、电机、编码器、同轴减速器集成了一个小巧灵活的整体，提高了安装和使用的便利性。该驱动执行器结构紧凑，体积小，输出扭矩大，易于控制，控制精度高，安全性高。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明所提供的一体化旋转驱动执行器第一种具体实施方式的剖视图；

图2为图1所示的一体化旋转驱动执行器的另一个剖面的立体图；

图3为本发明所提供的一体化旋转驱动执行器第二种具体实施方式的剖视图；

其中，图1至图3中的附图标记和部件名称之间的对应关系如下：

电机1；驱动电路板11；编码器电路板12；结构件13；

同轴减速器2；内圈凸轮21；柔性轴承22；上钢轮23；下钢轮24；

轴法兰3；法兰盘31；输出轴32；

扭簧缓冲器4；内圈41；外圈法兰42；

外壳5；第一端盖51；第二端盖52；第三端盖53；第四端盖54；交叉滚子轴承55；通路56；

同步传动机构6；

转轴7；转轴编码器71。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参考图1至图3，图1为本发明所提供的一体化旋转驱动执行器第一种具体实施方式的剖视图，图2为图1所示的一体化旋转驱动执行器的另一个剖面的立体图，图3为本发明所提供的一体化旋转驱动执行器第二种具体实施方式的剖视图。

在一种具体的实施方式中，本发明提供了一种一体化旋转驱动执行器，包括电机1、同轴减速器2和轴法兰3；电机1设有电机编码器，并由驱动电路板11驱动；同轴减速器2的输入端与电机1配合，同轴减速器2设有减速器编码器；轴法兰3为设有法兰盘31的输出轴32，法兰盘31与同轴减速器2的输出端配合，输出轴32输出转动信号。

该一体化旋转驱动执行器工作时，驱动电路板11驱动电机1，电机1启动后通过同轴减速器2带动轴法兰3，经过同轴减速器2减速后，通过轴法兰3的输出轴32输出转动信号。电机1设有电机编码器，同轴减速器2设有减速器编码器，通过两个编码器能够获取电机1的转速和同轴减速器2输出端的转速，根据转速情况可以通过驱动电路板11对转速进行调节，实现精确控制。

该一体化旋转驱动执行器将驱动器、电机1、编码器、同轴减速器2集成了一个小巧灵活的整体，提高了安装和使用的便利性，体积小线路连接方便，抗干扰能力强。成本低精度高，驱动采用低成本高性能的设计方案，设计驱动电路板11，通过这样的方式优化提升性能。

优选的，电机1为无刷电机，采用外转子电机，转子在外面，磁扭矩半径大，所以扭矩密度高。结构可以做得扁平，这样可适合空轴，外径大，可以用更大的码盘，这样编码器分辨率更高。转子惯量大，电机过载能力强。

该一体化旋转驱动执行器结构紧凑，体积小，输出扭矩大，易于控制，控制精度高，安全性高。

需要说明的是，同轴减速器2可以为谐波传动减速器、行星减速器或摆线针轮减速器，或者其他可以实现同轴减速的减速器，下面以谐波传动减速器为例对本发明的技术方案做具体说明。

一种优选的实施方式中，同轴减速器2为谐波传动减速器，谐波传动减速器由内到外依次为内圈凸轮21、柔性轴承22、上钢轮23和下钢轮24；内圈凸轮21为输入端，与电机1配合；下钢轮24与外壳5连接，上钢轮23为输出端，与法兰盘31连接。

如图1所示，电机1的传动轴与内圈凸轮21配合，上钢轮23与法兰盘31连接，下钢轮24与外壳5连接。电机1的传动轴带动内圈凸轮21转动时，下钢轮24保持不动，内圈凸轮21通过柔性轴承22带动上钢轮23差速转动，起到减速的作用。谐波传动减速器传动速比大，体积小，传动精度高，传动效率高，运动平稳。

进一步具体的实施方式中，还设有扭簧缓冲器4和末端编码器，扭簧缓冲器4的内圈41与输出轴32配合，扭簧缓冲器4的外圈法兰42输出转动信号。

扭簧缓冲器4采用扭簧作为蓄能机构来缓冲外部负载的突变，还可以通过扭簧的相对转动测得外部负载的大小。扭簧缓冲器4能够起到柔性缓冲的作用，减速器编码器和末端编码器配合可以得知扭簧缓冲器4的变形量，进而得知末端输出的扭矩，能够实现柔性控制等各种高级控制；还可以根据扭簧缓冲器4的变形状态，得知减速器2是否正常工作。通过实时感知输出扭矩，对扭矩进行无极调节，能够达到类似肌肉似得柔韧性能控制，使得该驱动执行器可以用在机器人的关节处，自动化设备中的转台，旋转气缸，步进电机，等旋转执行机构。通过编码器和扭簧缓冲器4的配合实现对负载的智能感知，能够防止碰撞。

一种具体的实施方式中，法兰盘31外侧从下到上依次设有第一端盖51、第二端盖52、第三端盖53和第四端盖54；第一端盖51和第二端盖52位于法兰盘31外侧，二者与法兰盘31之间设有交叉滚子轴承55；第三端盖53和第四端盖54位于扭簧缓冲器4的外侧，二者与扭簧缓冲器4之间设有交叉滚子轴承55。

如图1所示，通过第一端盖51和第二端盖52固定轴法兰3，通过第三端盖53和第四端盖54固定扭簧缓冲器4。在轴法兰3与端盖之间，扭簧缓冲器4与端盖之间分别设置了交叉滚子轴承55，交叉滚子轴承55可以承受多个方向的载荷，可以承受较大的轴向载荷和径向载荷。

在轴法兰3的外圆周开槽，作为交叉滚子轴承55的内圈，在第一端盖51和第二端盖52内圆周分别开槽，共同构成交叉滚子轴承55的外圈，减少了交叉滚子轴承55的安装尺寸，节省了空间，有助于进一步减小了驱动执行器的整体尺寸。

类似的，扭簧缓冲器4的外圆周开槽，作为交叉滚子轴承55的内圈，在第三端盖53和第四端盖54内圆周分别开槽，共同构成交叉滚子轴承55的外圈，进一步减小了驱动执行器的整体尺寸。

进一步优选的实施方式中，法兰盘31与扭簧缓冲器4之间设有编码器电路板12，且编码器电路板12位于第二端盖52和第三端盖53之间；减速器编码器的转子设于法兰盘31的上端面，减速器编码器的定子设于编码器电路板12的下侧；外圈法兰42的下端面设有末端编码器的转子，末端编码器的定子设于编码器电路板12的上侧。

编码器电路板12设置在法兰盘31和扭簧缓冲器4之间，能够分别获取法兰盘31的转速和扭簧缓冲器4的外圈法兰42的转速，进而能够获得扭簧的变形，进而得知输出的扭矩。

减速器编码器的定子和末端编码器的定子均设置在编码器电路板12上。轴法兰3转动时，位于法兰盘31的上端面转子与编码器电路板下侧的定子相互配合将角位移转换成电信号；扭簧缓冲器4的外圈法兰42转动时，外圈法兰42下侧的末端编码器的转子与编码器电路板上侧的定子配合将角位移转换成电信号。

一种具体的实施方式中，编码器电路板12通过通路56与驱动电路板11连通，通路56从上到下依次穿过第三盖板53、第二盖板52、第一盖板51和外壳5。

如图2所示，通路56从上到下依次穿过第三盖板53、第二盖板52、第一盖板51和外壳5，将编码器电路板12与驱动电路板11相连，驱动电路板11根据各编码器的反馈的速度调整电机1转速，能够精确控制输出转速、扭矩等。

通过设置通路56，直接将编码器电路板12与驱动电路板11相连，能够省去多条线的杂乱，抗干扰能力强。同时，电机、驱动、编码器均集成在一个金属壳体内，采用单总线连接，能够屏蔽电磁干扰，保证***稳定可靠，也不会对外界产生干扰。

第二种优选的实施方式中，同轴减速器2为行星减速器，行星减速器由内到外依次为太阳轮、行星轮、保持架和内齿圈；太阳轮为输入端，与电机1配合；内齿圈与外壳连接，保持架为输出端，与法兰盘31连接。

电机1的传动轴带动太阳轮转动，行星轮在太阳轮和内齿圈之间差速转动，起到减速的作用，内齿圈与外壳连接保持不动，连接各行星轮的保持架输出转动，与法兰盘31连接。

第三种优选的实施方式中，同轴减速器2为摆线针轮减速器，摆线针轮减速器包括偏心轴、摆线盘、输出保持架和针齿壳；偏心轴为输入端，与电机1配合；针齿壳与外壳连接，输出保持架为输出端，与法兰盘31连接。

电机1带动偏心轴转动，偏心轴带动摆线盘差速转动并偏心移动，同时摆线盘与针齿壳配合，针齿壳与外壳连接保持不动，通过输出保持架输出摆线盘的转动。

上述各具体的实施方式中，电机1设于驱动电路板11的上侧，电机编码器的转子设于电机1的转子的下端面，电机编码器的定子设于驱动电路板11的上侧。

将电机编码器的转子粘贴在电机1的转子的下端面，同时将电机编码器的定子设置在驱动电路板11的上侧，电机编码器的转子随着电机1的转子转动时，能够与定子配合获得电机1的转动情况。

进一步具体的实施方式中，电机编码器的转子的外侧套设结构件13。

如图1所示，在电机编码器的转子上套设有结构件13，结构件13能够加大转子的附着面积，提高电机编码器的安装精度，粘接强度，稳定性和准确度。

综上所述，该驱动执行器的主要运动过程为，电机1通过轴输入带动内圈凸轮21旋转，产生谐波，通过柔性轴承22带动减速器的柔轮啮合上钢轮23和下钢轮24，上下钢轮产生相对差速转动实现降低减速增扭。通过轴法兰3减速输出给扭簧缓冲器4，扭簧缓冲器4的外圈法兰42带动末端负载。

第三端盖53、第四端盖54与扭簧缓冲器4形成了一个菱形轨道，设置交叉滚子轴承，可以承受轴向力与径向力，能承受各种末端负载。第一端盖51、第二端盖52与轴法兰3形成了一个菱形轨道，同样设置了交叉滚子轴承，能承受轴向力与径向力，能够保证扭簧缓冲器4只承受扭转力矩，不承受末端负载轴向力。

将电机、驱动、编码器集成在一个金属外壳里。金属壳全包裹形成电磁屏蔽层，抗干扰能力强，且不会对外界电器产生干扰。

在具体的实施方式中，电机1与同轴减速器2可以直接配合，也可以通过其他结构间接配合，如图3所示。

另一种优选的实施方式中，还包括同步传动机构6和转轴7，电机1和转轴7并列设置，电机1的转子通过同步传动机构6带动转轴7转动，转轴7与同轴减速器2的输入端配合。

通过设置同步传动机构6，使电机1与同轴减速器2等机构平行设置，使得驱动执行器的整体厚度更薄，该结构能够满足某些特殊结构的使用要求。同步传动机构6可以为带传动，齿轮传动，或其他可以实现同步传动的机构。

进一步具体的实施方式中，电机1和转轴7均位于驱动电路板11的上侧；电机编码器的转子设于电机1的转子的下端面，电机编码器的定子设于驱动电路板11的上侧；转轴7设有转轴编码器71，转轴编码器71的转子设于转轴7的下端面，转轴编码器71的定子设于驱动电路板11的上侧。

电机1通过同步传动机构6带动转轴7转动，转轴7与同轴减速器2配合，为电机1和转轴7分别设置编码器，获取电机1和转轴7的实际转动情况，可以判断转轴7转动过程中与电机1是否同步，是否有延迟，便于对输出进行精确的控制。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种一体化旋转驱动执行器，其特征在于，包括外壳、电机、同轴减速器、轴法兰、扭簧缓冲器和末端编码器；所述电机设有电机编码器，并由驱动电路板驱动；所述同轴减速器的输入端与所述电机配合，所述同轴减速器设有减速器编码器；所述轴法兰为设有法兰盘的输出轴，所述法兰盘与所述同轴减速器的输出端配合，所述输出轴输出转动信号；

所述扭簧缓冲器的内圈与所述输出轴配合，所述扭簧缓冲器的外圈法兰输出转动信号；

所述法兰盘外侧从下到上依次设有第二端盖和第三端盖；所述第二端盖位于所述法兰盘外侧，所述第三端盖位于所述扭簧缓冲器的外侧；

所述法兰盘与所述扭簧缓冲器之间设有编码器电路板，且所述编码器电路板位于所述第二端盖和所述第三端盖之间；所述减速器编码器的转子设于所述法兰盘的上端面，所述减速器编码器的定子设于所述编码器电路板的下侧；所述末端编码器的转子设置于所述外圈法兰的下端面，所述末端编码器的定子设于所述编码器电路板的上侧。

2.如权利要求1所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，所述同轴减速器为谐波传动减速器，所述谐波传动减速器由内到外依次为内圈凸轮、柔性轴承、上钢轮和下钢轮；所述内圈凸轮为所述输入端，与所述电机配合；所述下钢轮与所述外壳连接，所述上钢轮为所述输出端，与所述法兰盘连接。

3.如权利要求1所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，进一步包括第一端盖和第四端盖，所述法兰盘外侧从下到上依次设置第一端盖、第二端盖、第三端盖和第四端盖；所述第一端盖和所述第二端盖位于所述法兰盘外侧，二者与所述法兰盘之间设有交叉滚子轴承；所述第三端盖和所述第四端盖位于所述扭簧缓冲器的外侧，二者与所述扭簧缓冲器之间设有交叉滚子轴承。

4.如权利要求3所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，所述编码器电路板通过通路与所述驱动电路板连通，所述通路从上到下依次穿过所述第三端盖、所述第二端盖、所述第一端盖和所述外壳。

5.如权利要求1所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，所述同轴减速器为行星减速器，所述行星减速器由内到外依次为太阳轮、行星轮、保持架和内齿圈；所述太阳轮为所述输入端，与所述电机配合；所述内齿圈与所述外壳连接，所述保持架为所述输出端，与所述法兰盘连接。

6.如权利要求1所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，所述同轴减速器为摆线针轮减速器，所述摆线针轮减速器包括偏心轴、摆线盘、输出保持架和针齿壳；所述偏心轴为所述输入端，与所述电机配合；所述针齿壳与所述外壳连接，所述输出保持架为所述输出端，与所述法兰盘连接。

7.如权利要求1至6任一项所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，所述电机设于驱动电路板的上侧，所述电机编码器的转子设于所述电机的转子的下端面，所述电机编码器的定子设于所述驱动电路板的上侧。

8.如权利要求7所述的一体化旋转驱动执行器，其特征在于，所述电机编码器的转子的外侧套设结构件。