CN107718036A - 一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节 - Google Patents

一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节 Download PDF

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Abstract

一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，包括谐波减速器(1)、无框电机(2)、制动器(3)、增量编码器(4)、绝对编码器(5)、高速电机轴(6)、低速中空轴(7)、输出法兰(8)、电机轴轴承(9、10)、中空轴轴承(11)、驱动器(12)、壳体(13)、第一轴承架(14)、第二轴承架(15)、第三轴承架(17)、关节间连接线缆(16)、过渡轴(18)；电机转子(22)、增量编码器(4)和制动器(3)安装在高速电机轴(6)，绝对编码器(5)安装在低速中空轴(7)上。本发明控制精度高，关节中空走线，结构紧凑，集成度高，重量轻，功率密度大，且具有可靠的制动器，整体结构曲线圆滑、无棱角，安全可靠，人机协作性好。

Description

一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节
技术领域
本发明涉及一种机器人关节。
背景技术
传统的机器人结构大而笨重，负载自重比低，人机交互的危险程度高，传统的机器人关节集成度低，关节粗壮，控制线管路外部走线，多而杂，不能满足如空间、战场、家庭和服务业等工作环境的需求。
轻量化机器人关节采用中空走线，本体结构重量减轻，负载自重比高，可以很好应用在现代服务、家庭、空间等领域，能够解决上述问题，在成本上大大降低了机械臂的应用成本。但现有市面上一体化关节不具备速度位置双反馈的伺服控制，关节不够圆滑，有棱角或有螺钉外漏，可能伤人，且没有可靠的关节制动器，人及协作性较差，单关节重量较大，机械臂的使用适应性方面还是有待提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，关节的中空轴采用高速轴和低速轴分开，避免高速转轴对电缆造成磨损破坏。关节的电机、减速机、制动器、电机轴等结构件均采用轻量化的结构设计，最大程度降低关节本体结构的重量。
本发明所采用的技术方案是：一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，包括谐波减速器、无框电机、制动器、增量编码器、绝对编码器、高速电机轴、低速中空轴、输出法兰、电机轴轴承、中空轴轴承、驱动器、壳体、第一轴承架、第二轴承架、第三轴承架、关节间连接线缆；无框电机包括电机定子、电机转子，电机定子固定安装在壳体内壁上，电机转子安装在高速电机轴上；增量编码器安装在高速电机轴上，读取高速电机轴的转速；高速电机轴通过两侧的电机轴轴承分别安装在第一轴承架、第三轴承架上，第一轴承架、第三轴承架固定在壳体内，高速电机轴一端与谐波减速器输入端连接，另一端与制动器连接，通过制动器实现失电制动；制动器、谐波减震器固定在壳体内；在高速电机轴内的低速中空轴一端通过输出法兰与谐波减速器输出端连接，另一侧通过中空轴轴承和第二轴承架安装在壳体内，端部与绝对编码器连接；驱动器通过支架安装在壳体内，驱动无框电机旋转；关节间连接线缆穿过低速中空轴与驱动器连接。
所述制动器包括制动器定子、制动器转子、转子毂；制动器定子固定在第三轴承架上，转子毂安装在高速电机轴上，制动器转子套在转子毂上；制动时，制动器定子通过磁力使得制动器转子、转子毂停止旋转。
还包括过渡轴；所述绝对编码器包括绝对编码器磁环、绝对编码器读头；绝对编码器磁环通过过渡轴安装在低速中空轴端部，绝对编码器读头安装在第二轴承架上，读取低速中空轴的转动位置；过渡轴为环形结构，内圈套在低速中空轴上，外圈与绝对编码器磁环配合连接。
所述增量编码器包括增量编码器磁环、增量编码器读头，增量编码器磁环固定安装在高速电机轴上，增量编码器读头安装在壳体上，增量编码器读头读取高速电机轴的转速。
所述增量编码器磁环与高速电机轴为过盈配合H7/s6。
所述电机轴轴承或中空轴轴承为深沟球轴承。
所述转子毂为四角削平的方形结构，中心处开有通孔，转子毂通过螺钉与高速电机轴在侧面固定，方形结构的边长为25mm、高度为13.5mm、内径为20mm,材料为不锈钢2Cr13。
所述输出法兰上开有用于确定关节机械零位的凹槽，与壳体端口的零位凹槽对齐。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明最大程度的选用中空孔径大的谐波减速器、无框电机、制动器、增量编码器和绝对编码器，并且限制制动器孔径的转子毂经过适应本发明结构的优化设计，使关节的电缆从中间穿过成为可能。关节的中空轴采用高速轴和低速轴分开，避免高速转轴对电缆造成磨损破坏。为了避免中空轴因悬臂变形而可能和高速轴发生摩擦，本发明低速轴与壳体之间安装了轴承。关节的电机、减速机、刹车等部分均采用轻量化的结构设计，最大程度降低关节本体结构的重量；
(2)本发明采用电机端增量编码器和输出端绝对编码器的双反馈控制方式，可以实现内环速度控制和外环位置控制，控制精度高；
(3)本发明由于采用无励磁动作制动器，失电时制动，可以实现机械臂的保持功能，在突发意外掉电时，能够最大程度的保护机械臂旁边的操作人员以及机械臂本体；
(4)本发明外部曲线圆滑，无尖锐棱角，且所有螺钉均不外漏，最大程度避免人机协作过程中，机械臂对操作人员的伤害；
(5)本发明通过壳体侧方的一圈螺钉与另一个关节的输出法兰上对应的一圈钥匙孔实现关节间的连接，连接方式简单，结构紧凑，且隐藏螺钉。
(6)本发明每个关节和不同关节之间均设置机械零位，使关节的转动角度对称分布在机械零位两侧，避免电缆过度缠绕，发生损坏。
附图说明
图1为本发明的结构示剖面图；
图2为本发明的斜视图；
图3为转子毂的零件图；
图4为过渡轴的零件图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
如图1、图2所示，一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，包括谐波减速器1、无框电机2、制动器3、增量编码器4、绝对编码器5、高速电机轴6、低速中空轴7、输出法兰8、电机轴轴承9、10、中空轴轴承11、驱动器12、壳体13、第一轴承架14、第二轴承架15、第三轴承架17、关节间连接线缆16、过渡轴18；；无框电机2包括电机定子21、电机转子22，电机定子21用胶粘在壳体13内壁上，电机转子22用胶粘在高速电机轴6上；增量编码器4安装在高速电机轴6上，读取高速电机轴6的转速；高速电机轴6通过两侧的电机轴轴承9、10分别安装在第一轴承架14、第三轴承架17上，第一轴承架14、第三轴承架17固定在壳体13内，高速电机轴6一端与谐波减速器1输入端连接，另一端与制动器3连接，通过制动器3实现失电制动；制动器3固定在壳体13内；在高速电机轴6内的低速中空轴7一端通过法兰与谐波减速器1输出端连接，另一侧通过中空轴轴承11和第二轴承架15安装在壳体13内，端部与绝对编码器5连接；驱动器12通过支架安装在壳体13内，驱动无框电机2旋转；关节间连接线缆16穿过低速中空轴7与驱动器12连接。
所述制动器3包括制动器定子31、制动器转子32、转子毂33；制动器定子31固定在第三轴承架17上，转子毂33安装在高速电机轴6上，制动器转子32套在转子毂33上；制动时，制动器定子31通过磁力使得制动器转子32、转子毂33停止旋转。
如图4所示，所述绝对编码器5包括绝对编码器磁环51、绝对编码器读头52；绝对编码器磁环51通过过渡轴18安装在低速中空轴7端部，绝对编码器读头52安装在第二轴承架16上，读取低速中空轴7的转动位置；过渡轴18为环形结构，内圈套在低速中空轴7上，外圈与绝对编码器磁环51配合连接。
所述增量编码器4包括增量编码器磁环41、增量编码器读头42，增量编码器磁环41过盈安装在高速电机轴6上，增量编码器读头42安装在壳体12上，增量编码器读头42读取高速电机轴6的转速。
所述增量编码器磁环41与高速电机轴6为过盈配合H7/s6。
所述壳体13为圆筒形结构，通过侧壁上向外伸出的与轴线垂直的圆筒臂与其他关节或机械臂臂杆连接。壳体13表面为光滑圆柱面，没有外漏螺钉。
所述电机轴轴承9、10或中空轴轴承11为深沟球轴承。
如图3所示，所述转子毂33为方形结构，中心处开有通孔，转子毂33通过螺钉与高速电机轴6在侧面固定。
所述输出法兰8上开有用于确定关节机械零位的凹槽，与壳体12端口的零位凹槽对齐，使得关节在零位两侧各360°的范围内旋转，避免关节单方向旋转角度过大，使电缆缠绕过紧，损害元器件、接插件和电缆。
本发明的一体化关节总体长度为190mm，外径85mm，重量2.2kg，输出扭矩最大可达到15Nm，最大转速为40r/min，关节精度0.01°。总体结构紧凑，重量轻。
工作原理：
通过上位机发控制指令给驱动器12，驱动无框电机2旋转，从而使得电机转子22所在的高速电机轴6旋转，经过谐波减速器1的减速，输出法兰8带动低速中空轴7低速旋转，增量编码器4用于测量高速电机轴6的转速，绝对编码器5用于检测低速中空轴7的位置，即关节的输出角度。制动器3为无励磁动作制动器，关节工作时，给制动器供电，不工作时制动器失电制动。
实施例1：
转子毂33为方形结构，中心处开有通孔，通过螺钉与高速电机轴6在侧面固定，转子毂33边长a为25mm、高度b为12.5mm，内径c为20mm,四角削平，其中两个角有两个用于螺钉连接的沉头孔，材料为不锈钢2Cr13。无框电机2采用的是科尔摩根TBMS-6013-A,电机定子21和电机转子22之间的间隙为0.5mm，电机定子21和电机转子22用螺纹胶乐泰640分别粘在壳体13和高速电机轴6上，谐波减速器是SHD-17-100-2SH,电机轴轴承9、10、中空轴轴承11均为深沟球轴承。制动器定子31、制动器转子32采用的是三木BXR-050-10LE。
本发明控制精度高，关节中空走线，集成度高，重量轻，且具有可靠的无励磁动作制动器，在意外掉电时能够保证机械臂周围操作人员的安全，关节外部曲线圆滑、无棱角，所有螺钉均不外漏，便于人机协作。关节之间的安装采用螺钉倒插进钥匙孔，反向拧钉的方式，能够最大程度的是结构紧凑和隐藏所有螺钉。
电机选用的是无框力矩电机，适用于体积小而紧凑、轻重量、低惯量的需求，功率密度高，电机定子直接粘在关节的壳体上。
本发明的减速机采用谐波减速机，减速比大，体积和重量大幅度降低。传动平稳，无冲击，噪音小。传动效率高，寿命长。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：包括谐波减速器(1)、无框电机(2)、制动器(3)、增量编码器(4)、绝对编码器(5)、高速电机轴(6)、低速中空轴(7)、输出法兰(8)、电机轴轴承(9、10)、中空轴轴承(11)、驱动器(12)、壳体(13)、第一轴承架(14)、第二轴承架(15)、第三轴承架(17)、关节间连接线缆(16)；无框电机(2)包括电机定子(21)、电机转子(22)，电机定子(21)固定安装在壳体(13)内壁上，电机转子(22)安装在高速电机轴(6)上；增量编码器(4)安装在高速电机轴(6)上，读取高速电机轴(6)的转速；高速电机轴(6)通过两侧的电机轴轴承(9、10)分别安装在第一轴承架(14)、第三轴承架(17)上，第一轴承架(14)、第三轴承架(17)固定在壳体(13)内，高速电机轴(6)一端与谐波减速器(1)输入端连接，另一端与制动器(3)连接，通过制动器(3)实现失电制动；制动器(3)、谐波减震器(1)固定在壳体(13)内；在高速电机轴(6)内的低速中空轴(7)一端通过输出法兰(8)与谐波减速器(1)输出端连接，另一侧通过中空轴轴承(11)和第二轴承架(15)安装在壳体(13)内，端部与绝对编码器(5)连接；驱动器(12)通过支架安装在壳体(13)内，驱动无框电机(2)旋转；关节间连接线缆(16)穿过低速中空轴(7)与驱动器(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：所述制动器(3)包括制动器定子(31)、制动器转子(32)、转子毂(33)；制动器定子(31)固定在第三轴承架(17)上，转子毂(33)安装在高速电机轴(6)上，制动器转子(32)套在转子毂(33)上；制动时，制动器定子(31)通过磁力使得制动器转子(32)、转子毂(33)停止旋转。
3.根据权利要求1或2所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：还包括过渡轴(18)；所述绝对编码器(5)包括绝对编码器磁环(51)、绝对编码器读头(52)；绝对编码器磁环(51)通过过渡轴(18)安装在低速中空轴(7)端部，绝对编码器读头(52)安装在第二轴承架(16)上，读取低速中空轴(7)的转动位置；过渡轴(18)为环形结构，内圈套在低速中空轴(7)上，外圈与绝对编码器磁环(51)配合连接。
4.根据权利要求3所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：所述增量编码器(4)包括增量编码器磁环(41)、增量编码器读头(42)，增量编码器磁环(41)固定安装在高速电机轴(6)上，增量编码器读头(42)安装在壳体(12)上，增量编码器读头(42)读取高速电机轴(6)的转速。
5.根据权利要求4所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：所述增量编码器磁环(41)与高速电机轴(6)为过盈配合H7/s6。
6.根据权利要求1或2所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：所述电机轴轴承(9、10)或中空轴轴承(11)为深沟球轴承。
7.根据权利要求2所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：所述转子毂(33)为四角削平的方形结构，中心处开有通孔，转子毂(33)通过螺钉与高速电机轴(6)在侧面固定，方形结构的边长为25mm、高度为13.5mm、内径为20mm,材料为不锈钢2Cr13。
8.根据权利要求1或2所述的一种双反馈紧凑型高精度中空一体化关节，其特征在于：所述输出法兰(8)上开有用于确定关节机械零位的凹槽，与壳体(12)端口的零位凹槽对齐。
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