CN107825458A - 一种一体化关节装置和机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一体化关节装置和机械臂，包括：外壳、传动机构、制动机构、驱动装置；所述外壳两端设置用于连接关节转接连杆的接口；所述传动机构、所述制动机构和所述驱动装置均设置于所述外壳内，其中，所述传动机构的传感器齿轮与所述传动机构的电机齿轮啮合，所述制动机构的制动齿轮与所述传动机构的电机齿轮啮合。一体化关节装置具有负载自重比大、体积小、集成度高、可快速连接成机械臂等特点。

Description

一种一体化关节装置和机械臂

技术领域

本发明属于机器人研究和工程技术领域，尤其涉及一种一体化关节装置和机械臂。

背景技术

机器人是集控制、机械、电子、材料等学科于一体的交叉学科，随着机器人技术的飞速发展，对***的各个组成部分提出了更高的指标要求。关节是构成机器人尤其是机械臂的重要核心部件，其整体结构、运动性能直接影响到机器人的整体操作空间、负载能力以及任务执行能力。现代工业场景下的工业机械臂需要在有限的工作空间内与工人协作完成相关工作，因此要求机械臂本体在较小的自重和自身体积的情况下，具有较大的负载能力。同时，现有的需求也要求机械臂从设计到交付的周期不断缩短，对机械臂的集成速度也提出更高的要求。现有的用于搭建机械臂的关节普遍存在重量大、负载小，体积大、集成度低、成本高的问题，从而限制了机械臂以及机器人的推广和应用。

因此，为了解决现有的机械臂关节负载自重比低、体积大、集成度低、成本高、无法快速连接成机械臂的问题，需要设计一种负载自重比大、体积小、集成度高、可快速连接成机械臂的一体化关节。

发明内容

本发明提供了一种一体化关节装置和机械臂，用以解决现有的机械臂关节负载自重比低、体积大、集成度低、成本高、无法快速连接成机械臂的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种一体化关节装置，包括：外壳、传动机构、制动机构、驱动装置；外壳两端设置用于连接关节转接连杆的接口；传动机构、所述制动机构和所述驱动装置均设置于所述外壳内，其中，传动机构的传感器齿轮与传动机构的电机齿轮啮合，制动机构的制动齿轮与传动机构的电机齿轮啮合。

进一步地，外壳包括上壳体、下壳体、底盖、中空管，上壳体与下壳体通过螺钉固连，底盖与下壳体固连，中空管与下壳体通过螺钉固连；传动机构包括伺服电机、谐波减速器、电机轴、轴承，伺服电机的定子与上壳体固连，伺服电机的转子与电机轴通过螺钉固连，电机轴与上壳体之间安装有轴承，电机轴与下壳体之间安装有轴承，电机轴与谐波减速器的波发生器固连，谐波减速器的由刚轮和柔轮组成的部件通过螺钉与上壳体固连。

进一步地，传动机构还包括电机位置传感器和位置传感齿轮组，位置传感齿轮组由相互啮合的电机齿轮和传感器齿轮组成；电机齿轮与电机轴固连，传感器齿轮与电机位置传感器通过螺钉固连，传感器齿轮与下壳体之间安装有轴承。

进一步地，电机位置传感器采用多圈绝对值编码器。

进一步地，制动机构包括制动器和制动齿轮组，制动器由制动盘、线圈组成，制动齿轮组由相互啮合的电机齿轮、制动齿轮组成；制动齿轮与制动盘固连，电机轴与电机齿轮固连，制动盘与制动齿轮通过螺钉固连，线圈与底盖固连，制动齿轮与上壳体之间安装有轴承，制动齿轮与底盖之间安装有轴承。

进一步地，驱动装置包括：驱动电路板、接口电路板、第一支架、第二支架；驱动电路板通过第一支架与下壳体固连，接口电路板通过第二支架与驱动电路板固连。

进一步地，外壳内安装用于走线的中空管。

进一步地，用于连接关节转接连杆的接口为法兰螺纹。

一种机械臂，包括若干一体化关节装置，各个一体化关节装置通过关节转接连杆连接。

本发明提供的一体化关节装置采用集成化、模块化设计，在搭建机械臂时，只需将一体化关节外壳两端的接口与关节转接连杆连接即可，缩短了机械臂的研发周期与维护成本；并且，传动机构、制动机构、驱动装置集成于外壳内，传感器齿轮与电机齿轮啮合，制动齿轮与电机齿轮啮合，相比于现有技术中传感器、制动器和电机串联布置的方式，大幅减少了关节尺寸，提升了空间利用率。

附图说明

图1是本发明提供的一体化关节装置的外表面视图；

图2是本发明提供的一体化关节装置的主剖视图；

图3是本发明提供的一体化关节装置的传动机构的主剖视图；

图4是本发明提供的一体化关节装置的制动机构的主剖视图；

图5是本发明提供的一体化关节装置的驱动装置的立体结构视图；

图6是本发明提供的一种化关节装置内传动机构、制动机构和驱动装置的安装位置示意图。

图中，上壳体1-1、下壳体1-2、底盖1-3、中空管1-4、伺服电机1-5、谐波减速器1-6、电机轴1-7、轴承1-8、电机位置传感器1-9、位置传感齿轮组1-10、电机齿轮1-10-1、传感器齿轮1-10-2、套筒1-11、制动器1-12、制动盘1-12-1、线圈1-12-2、制动齿轮组1-13、制动齿轮1-13-1、驱动电路板1-14、接口电路板1-15、第一支架1-16、第二支架1-17、螺钉1-18、螺钉1-19、螺钉1-20、轴承1-21、螺钉1-22、螺钉1-23、轴承1-24、螺钉1-25、轴承1-26、轴承1-27。

具体实施方式

本发明提供了一体化关节装置和机械臂，该一体化关节装置具有负载自重比大、体积小、集成度高、可快速连接成机械臂等特点。

下面结合实施例和附图进行详细说明。

参见图1-图5，本实施例提供的一体化关节装置包括：外壳、传动机构、制动机构、驱动装置。外壳由上壳体1-1、下壳体1-2、底盖1-3、中空管1-4组成。传动机构由伺服电机1-5、谐波减速器1-6、电机轴1-7、轴承1-8、电机位置传感器1-9、位置传感齿轮组1-10、套筒1-11组成；伺服电机由定子1-5-1、转子1-5-2组成，谐波减速器由波发生器1-6-1、刚轮和柔轮组成的部件1-6-2组成；位置传感齿轮组包括电机齿轮1-10-1和传感器齿轮1-10-2。制动机构由制动器1-12、制动齿轮组1-13组成，制动器由制动盘1-12-1、线圈1-12-2组成，制动齿轮组由电机齿轮1-10-1、制动齿轮1-13-1组成。驱动装置由驱动电路板1-14、接口电路板1-15、第一支架1-16、第二支架1-17组成。

外壳处于一体化关节装置的最外部，将传动机构、所述制动机构和所述驱动装置包覆、固定并形成关节。外壳的具体结构如下：上壳体1-1与下壳体1-2通过螺钉1-18固连，底盖1-3与下壳体1-2固连，中空管1-4与下壳体1-2通过螺钉1-19固连。

外壳的两端设置用于连接关节转接连杆的接口，例如，采用法兰螺纹作为连接关节转接连杆的接口，若干一体化关节装置与关节转接连杆通过法兰连接，可快速搭建出不同构型的机械臂。

较佳地，机械臂使用的导线，包括电源线和信号线，均从中空管通过。

本实施例提供的一体化关节装置的传动机构部分构造如下：伺服电机1-5的定子与上壳体1-1通过胶粘固连，伺服电机1-5的转子与电机轴1-7通过螺钉1-20固连，电机轴1-7与上壳体1-1之间安装有轴承1-21，电机轴1-7与下壳体1-2之间安装有轴承1-8，电机轴1-7与谐波减速器1-6的波发生器固连，谐波减速器1-6的由刚轮和柔轮组成的部件通过螺钉1-22与上壳体1-1固连；其中，柔轮装在谐波减速器1-6的波发生器上，刚轮通过十字交叉轴承装在柔轮上，刚轮和柔轮组成一个整体部件。

通过上述连接方式，使伺服电机直接驱动谐波减速器转动，省略了传统关节所用的联轴器，使关节轴向尺寸得到降低。

本实施例提供的一体化关节装置的传动机构的另一部分构造如下：电机位置传感器1-9和位置传感齿轮组1-10，位置传感齿轮组1-10由相互啮合的电机齿轮1-10-1和传感器齿轮1-10-2组成；电机齿轮1-10-1与电机轴1-7固连，传感器齿轮1-10-2与电机位置传感器1-9通过螺钉1-23固连，传感器齿轮1-10-2与下壳体1-2之间安装有轴承1-24。

电机位置传感器所选用的电机位置编码器为多圈绝对值编码器，断电后仍然能存储当前位置数值，上电后可记忆当前位置，因此选用一个编码器即可通过换算求出关节的输出位置，同时不需像传统关节一样上电后必须回到零位才能感应当前位置。由于仅使用了一个多圈绝对值编码器作为电机位置传感器，通过测量电机端位置即可推导出关节输出位置，大大降低关节成本。

本实施例提供的一体化关节装置的制动机构构造如下：制动齿轮1-13-1与制动盘1-12-1固连，电机轴1-7与电机齿轮1-10-1固连，制动盘1-12-1与制动齿轮1-13-1通过螺钉1-25固连，线圈1-12-2与底盖1-3固连，制动齿轮1-13-1与上壳体1-1之间安装有轴承1-26，制动齿轮1-13-1与底盖1-3之间安装有轴承1-27。

制动器1-12通过一组互相啮合的制动齿轮组1-13实现对电机轴1-7的抱死制动。制动器1-12可在关节上电时打开，在关节掉电后自动锁死关节，避免意外事故的发生。

现有的电机位置传感器、制动器与电机均为串联布置，从而大大增加了关节的尺寸。本发明通过位置传感齿轮组并联布置，感知电机位置，通过制动齿轮组并联布置实现关节制动，因此空间利用率更高。

本实施例提供的一体化关节装置的驱动装置构造如下：驱动电路板1-14通过第一支架1-16与下壳体1-2固连，接口电路板1-15通过第二支架1-17与驱动电路板1-14固连。

如图6所示，制动机构、驱动装置、电机位置传感器安装于下壳体内部，其各自占据下壳体体积约三分之一，从而大大提高了关节内部的紧凑程度。

本发明还提供了一种机械臂，通过将若干一体化关节装置通过关节转接连杆连接形成，机械臂的电源线和信号线从一体化关节的中空管穿过。

综上所述，本发明提供了一体化关节装置和机械臂，一体化关节装置采用集成化、模块化设计，缩短了机械臂的研发周期与维护成本，使用一体化关节装置的机械臂具有负载自重比大、体积小、集成度高、可快速连接的优点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种一体化关节装置，包括：外壳、传动机构、制动机构、驱动装置，其特征在于，

所述外壳两端设置用于连接关节转接连杆的接口；

所述传动机构、所述制动机构和所述驱动装置均设置于所述外壳内，其中，所述传动机构的传感器齿轮与所述传动机构的电机齿轮啮合，所述制动机构的制动齿轮与所述传动机构的电机齿轮啮合。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述外壳包括上壳体(1-1)、下壳体(1-2)、底盖(1-3)、中空管(1-4)，上壳体(1-1)与下壳体(1-2)通过螺钉(1-18)固连，底盖(1-3)与下壳体(1-2)固连，中空管(1-4)与下壳体(1-2)通过螺钉(1-19)固连；

所述传动机构包括伺服电机(1-5)、谐波减速器(1-6)、电机轴(1-7)、轴承(1-8)，伺服电机(1-5)的定子与上壳体(1-1)固连，伺服电机(1-5)的转子与电机轴(1-7)通过螺钉(1-20)固连，电机轴(1-7)与上壳体(1-1)之间安装有轴承(1-21)，电机轴(1-7)与下壳体(1-2)之间安装有轴承(1-8)，电机轴(1-7)与谐波减速器(1-6)的波发生器固连，谐波减速器(1-6)的由刚轮和柔轮组成的部件通过螺钉(1-22)与上壳体(1-1)固连。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传动机构还包括电机位置传感器(1-9)和位置传感齿轮组(1-10)，位置传感齿轮组(1-10)由相互啮合的电机齿轮(1-10-1)和传感器齿轮(1-10-2)组成；

电机齿轮(1-10-1)与电机轴(1-7)固连，传感器齿轮(1-10-2)与电机位置传感器(1-9)通过螺钉(1-23)固连，传感器齿轮(1-10-2)与下壳体(1-2)之间安装有轴承(1-24)。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，电机位置传感器(1-9)采用多圈绝对值编码器。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述制动机构包括制动器(1-12)和制动齿轮组(1-13)，制动器(1-12)由制动盘(1-12-1)、线圈(1-12-2)组成，制动齿轮组(1-13)由相互啮合的电机齿轮(1-10-1)、制动齿轮(1-13-1)组成；

制动齿轮(1-13-1)与制动盘(1-12-1)固连，电机轴(1-7)与电机齿轮(1-10-1)固连，制动盘(1-12-1)与制动齿轮(1-13-1)通过螺钉(1-25)固连，线圈(1-12-2)与底盖(1-3)固连，制动齿轮(1-13-1)与上壳体(1-1)之间安装有轴承(1-26)，制动齿轮(1-13-1)与底盖(1-3)之间安装有轴承(1-27)。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动装置包括：驱动电路板(1-14)、接口电路板(1-15)、第一支架(1-16)、第二支架(1-17)；

驱动电路板(1-14)通过第一支架(1-16)与下壳体(1-2)固连，接口电路板(1-15)通过第二支架(1-17)与驱动电路板(1-14)固连。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳内安装用于走线的中空管(1-4)。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于连接关节转接连杆的接口为法兰螺纹。

9.一种机械臂，其特征在于，包括若干权利要求1-7任一项所述的一体化关节装置，各个一体化关节装置通过关节转接连杆连接。