CN108422442A - 一种超小型一体化伺服关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超小型一体化伺服关节，包括超小型谐波减速器、中空力矩电机、驱动单元、壳体、输出采集轴、压板和堵盖。超小型谐波减速器中的钢轮a、钢轮b和滚子形成滚子轴承和钢轮一体化结构，凸轮套装在输出采集轴，凸轮与电机轴采用一体化结构，电机转子安装在凸轮上，电机定子安装在壳体内，壳体上端面与钢轮a固定连接。驱动单元包括驱动控制板、码盘和码盘安装板，输出采集轴的下端安装码盘安装板；码盘安装板上安装码盘；在壳体上安装压板，压板加工有圆柱凸台用于安装驱动控制板，堵盖固定在壳体的下端。本发明的伺服关节的直径为谐波减速器的直径，尺寸更小、结构更简、质量更小。

Description

一种超小型一体化伺服关节

技术领域

本发明涉及一种机器人的关节传动机构，具体是一种超小型一体化伺服关节。

背景技术

关节是机器人的重要组成部分，不同规格的关节可以根据需要搭建出不同的机器人构型，如机械臂和双足机器人等。关节主要由驱动电机和减速器组成，由驱动电机提供动力，在减速器作用下将动力输出，带动机器人的执行机构进行运动。

随着机电一体化的发展，机器人部件朝着轻型化、集成化、智能化和***化的方向发展，目前市面的机器人受限于谐波减速器的体积和输出能力，关节直径和体积较大、成本较高。同时对于传统关节机器人来说，受限于关节的控制方式和结构形式，构型较为固定，各个自由度之间的连接方式都不相同，模块化和可替换性较差，受限于此，决定了其功能的单一化、替代复杂化，无法满足复杂多变的环境和任务。

发明内容

本发明针对现有机器人关节的设计缺点，采用超小型谐波减速器提出一种超小型一体化伺服关节，具有体积小、重量轻、精度高、成本低的特点。

本发明提出的一种超小型一体化伺服关节，包括超小型谐波减速器、中空力矩电机、驱动单元、壳体、输出采集轴、压板和堵盖。

所述的超小型谐波减速器包括钢轮a、钢轮b、柔轮、凸轮、柔性轴承、滚子和轴承挡圈；在钢轮a的内壁上加工有V形环槽，与钢轮b外壁加工的V形环槽配合形成矩形环槽；滚子安装在所述的矩形环槽内；钢轮a、钢轮b和滚子形成滚子轴承和钢轮一体化结构，钢轮a作为滚子轴承的外圈，钢轮b作为内圈；钢轮a和钢轮b分别通过内齿与柔轮的外齿相啮合；柔轮、柔性轴承和凸轮按序套装，轴承挡圈安装在凸轮上，用于对柔性轴承轴向限位；所述的钢轮b与输出采集轴的上端固定连接；所述的凸轮为中空结构，套装在输出采集轴上，凸轮与电机轴采用一体化结构。

所述的壳体的上端面与钢轮a固定连接，壳体的上端面中空，套装在凸轮上。所述的中空力矩电机包括电机定子和电机转子，电机定子安装在壳体内，电机转子安装在凸轮上；电机转子与电机定子顺序套装。

所述的驱动单元包括驱动控制板、码盘和码盘安装板；在位于电机定子下方的壳体上安装有压板，压板加工有圆柱凸台，驱动控制板安装在压板的圆柱凸台上；所述的输出采集轴的下端设置台阶面，用于安装码盘安装板；码盘安装板上安装码盘。

所述的堵盖固定在壳体的下端。

所述的壳体与超小型谐波减速器的直径相同。

所述的钢轮a和钢轮b，在其端面和外环上，沿圆周上均布加工有螺纹孔；钢轮a和钢轮b的外环螺纹孔用于组装关节时连杆的安装。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)简结构、小质量：本发明设计的谐波减速器将轴承与钢轮一体化设计，比传统设计减少结构件数量、降低结构厚度、减轻了轴承壁的重量，使得一体化伺服关节重量更轻，结构更简单；

(2)尺寸小：本发明设计的一体化伺服关节的直径为谐波减速器的直径，由于谐波减速器比市场上同参数谐波减速器形式减少了一个轴承环的宽度，使得关节尺寸可以更小；

(3)大承载：本发明将轴承与钢轮一体化设计，增加柔轮与钢轮的啮合宽度，比同类产品在相同尺寸下有更高的承载能力；

(4)易安装：本发明在常规的端面安装形式基础上增加了径向安装方式，提高安装性和操作性，适用更多的应用场景；

(5)低成本：本发明结构简单，所有结构主要为回转体结构，同时柔轮采用筒状柔轮结构形式，简化加工难度，降低成本。

附图说明

图1是本发明的超小型一体化伺服关节剖面图；

图中：

1-钢轮a；2-钢轮b；3-柔轮；4-凸轮；5-柔性轴承；6-滚子；7-轴承挡圈；

8-密封圈a；9-密封圈b；10-密封圈c；11-电机定子；12-电机转子；

13-驱动控制板；14-码盘；15-码盘安装板；16-壳体；17-输出采集轴；

18-压板；19-堵盖；20-轴承a；21-轴承b；22-压紧螺母。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种超小型一体化伺服关节，包括：超小型谐波减速器、中空力矩电机和驱动单元。

其中，超小型谐波减速器主要包括：钢轮a1、钢轮b2、柔轮3、凸轮4、柔性轴承5、滚子6和轴承挡圈7。此外，超小型谐波还包括密封圈a8、密封圈b9和密封圈c10。

中空力矩电机主要包括：电机定子11和电机转子12。

驱动单元主要包括：驱动控制板13、码盘14和码盘安装板15。

超小型一体化伺服关节还包括壳体16、输出采集轴17、压板18、堵盖19、轴承a20、轴承b21。超小型谐波减速器、中空力矩电机和驱动单元中的码盘依次装配在输出采集轴17上。

如图1所示，为超小型谐波减速器的整体结构。钢轮a1为输出钢轮，相应的钢轮b2为输入钢轮。在钢轮a1的内壁上加工有V形环槽，与钢轮b外壁加工的V形环槽配合形成矩形环槽；滚子6安装在矩形环槽中。钢轮a1和钢轮b2的内齿与柔轮3的外齿相啮合，动力通过凸轮4输入，带动柔性轴承5转动变形，柔轮3发生相应变形，柔轮3与钢轮a1和钢轮b2相啮合，实现动力的传递。在钢轮a1固定时，在滚子6配合下，动力通过钢轮b2完成输出。

钢轮a1为金属材料加工成的环形回转体结构，钢轮a1的内环有直径较大和较小两部分，内环中直径较小内壁上加工有内齿，通过内齿与柔轮3外齿啮合实现动力的传动，直径较大内壁加工有V形环槽，与钢轮b2的V形环槽配合形成矩形环槽，提供滚子6安装和限位空间。

钢轮b2为金属材料加工成的环形回转体结构，内壁加工有内齿，通过内齿和柔轮3外齿啮合实现动力的传动。钢轮b2外壁加工有环形V槽，与钢轮a1的V形环槽配合形成矩形环槽，用于滚子6的安装和限位。

钢轮a1和钢轮b2之间通过滚子6实现连接。将钢轮a1作为滚子轴承的外圈，钢轮b2作为内圈，两个钢轮和滚子6形成了滚子轴承和钢轮一体化结构。

钢轮a1和钢轮b2，在其端面和外环沿圆周上均布加工有螺纹孔，作为输入钢轮和输出钢轮的安装孔。所述的超小型谐波减速器通过钢轮a1的下端面螺纹孔与壳体16连接，钢轮a1的外环螺纹孔用于组装关节时连杆的安装，另一端连杆根据实际使用需求选择钢轮b2的安装方式。输出采集轴通过标准螺钉与钢轮b2上端面固定连接。在钢轮a1两个端面和钢轮b2的外端面均加工有环形凹槽，作为密封圈a8、密封圈b9和密封圈c10的安装槽。

柔轮3为金属材料加工成的环形回转薄壁结构，外壁加工有外齿，柔轮3外齿与钢轮a1和钢轮b2的内齿分别啮合，通过柔轮3在凸轮4和柔性轴承5作用下的变形，为钢轮传递传动动力。通过调整柔轮3的宽度可改变谐波减速器输出的力矩。在柔轮3齿数固定的情况下，可通过改变钢轮a1和钢轮b2的内齿齿数比，实现谐波减速器减速比调节功能。

凸轮4为金属材料加工成的回转体结构，凸轮4与电机轴采用一体化结构，电机转子12套装在电机轴上。凸轮4为中空结构，输出采集轴17贯穿凸轮4中心孔进行安装。凸轮4的外径有较大和较小部分。外径较大的部分为椭圆结构，外径较小部分为圆柱结构。电机轴圆柱结构贯穿壳体16上端面、电机转子12和压板18，圆柱结构的下端加工有外螺纹，用于压紧螺母22的安装。在中空力矩电机作用下，凸轮4旋转运动，将动力转化为柔性轴承5的变形，柔轮3随之变形，继而实现动力的传递。凸轮4外径较大的一端加工螺纹孔，用于轴承挡圈的安装。

柔性轴承5由内环、外环和圆珠滚子组成，在凸轮4带动下内环产生变形，继而通过圆珠滚子带动外环变形，最终带动与外环连接的柔轮3的变形，实现动力传递。通过轴承挡圈7和壳体16的限位凸台进行柔性轴承5的轴向限位。

滚子6为金属材料加工成的圆柱体结构，交叉安装在钢轮a1和钢轮b2组成的矩形环槽内，实现本发明的横向和径向承载及输入钢轮和输出钢轮之间的动力传递。

轴承挡圈7为金属材料加工成的中空T型回转体结构，通过标准螺钉安装在凸轮4的一端，用于柔性轴承5的轴向限位。

电机定子11和电子转子12组成所述的中空力矩电机，电机定子11安装在壳体16内，电机转子12安装在凸轮4上。电机转子12与电机定子11顺序套装。中空力矩电机作为本发明的动力源，通过电机转子12传递给凸轮4，通过所述的超小型谐波减速器完成本发明动力的输出。

驱动控制板13安装在压板18的圆柱凸台上，中心为通孔，输出采集轴17贯穿后与码盘安装板15连接，码盘14与码盘安装板15连接。

壳体16为金属材料加工成的回转体结构，壳体16与超小型谐波减速器的直径相同。。壳体16的上端平面与超小型谐波减速器连接，在所述的平面加工环形凸台，用于柔性轴承5的轴向限位。壳体16内加工有凸台，用于电机定子11的安装。在壳体16圆周加工有两圈沉头孔，分别用于压板18和堵盖19的安装。在壳体16上安装有轴承a20，轴承a20位于安装在壳体16端面与一端。凸轮4的圆柱结构之间，轴承a20为轴转动提供支撑，减小摩擦。

输出采集轴17为T型回转轴体结构，通过标准螺钉与钢轮b连接，中心圆环贯穿凸轮4和驱动控制板13中心孔，与码盘安装板15连接。输出采集轴17中空结构为走线孔。通过输出采集轴17将钢轮b的输出信息传递给码盘14，继而通过驱动控制板13的控制，实现本发明输出的精确控制。

压板18提供轴承b21的安装孔，圆周均布加工有螺纹孔，与壳体16圆周均布的沉头孔相对应。同时，压板18加工有圆柱凸台，用于驱动控制板13的安装。在压板18上安装有轴承b21，轴承b21位于压板18与凸轮4的圆柱结构之间，轴承b21为轴转动提供支撑，减小摩擦。

堵盖19圆周均布加工有螺纹孔，与壳体16圆周均布沉头孔相对应。堵盖19中心孔为走线孔。

压紧螺母22为外六方螺母，安装在凸轮4一端，实现轴承b21的轴向限位。

本发明设计的一体化伺服关节为柱状结构，在相同参数情况下，便于应用，在同类产品相同承载情况下保持圆柱结构，提高了使用性。

超小型谐波减速器、中空力矩电机和驱动单元组合成本发明的超小型一体化伺服关节。在外界电源辅助下，通过驱动控制板13的控制，将动力通过电机转子12传递给凸轮，柔性轴承5在凸轮4作用下发生变形带动柔轮3变形，通过柔轮3和钢轮之间内外齿啮合实现动力的传递，完成动力的输出，通过输出采集轴17将钢轮b的输出信息通过码盘14反馈于驱动控制板13，继而实现精确控制。本发明提供的超小型一体化伺服关节结构更加简单、实现的尺寸可以更小，在安装本发明的一体化伺服关节时，在轴向径向都可以，可以适用更多的场景。

Claims (4)

1.一种超小型一体化伺服关节，其特征在于，包括超小型谐波减速器、中空力矩电机、驱动单元、壳体、输出采集轴、压板和堵盖；

所述的超小型谐波减速器包括钢轮a、钢轮b、柔轮、凸轮、柔性轴承、滚子和轴承挡圈；在钢轮a的内壁上加工有V形环槽，与钢轮b外壁加工的V形环槽配合形成矩形环槽；滚子安装在所述的矩形环槽内；钢轮a、钢轮b和滚子形成滚子轴承和钢轮一体化结构，钢轮a作为滚子轴承的外圈，钢轮b作为内圈；钢轮a和钢轮b分别通过内齿与柔轮的外齿相啮合；柔轮、柔性轴承和凸轮按序套装，轴承挡圈安装在凸轮上，用于对柔性轴承轴向限位；所述的钢轮b与输出采集轴的上端固定连接；所述的凸轮为中空结构，套装在输出采集轴上，所述的凸轮与电机轴采用一体化结构；

所述的壳体的上端面与钢轮a固定连接，壳体的上端面中空，套装在凸轮上；

所述的中空力矩电机包括电机定子和电机转子，电机定子安装在壳体内，电机转子安装在凸轮上；

所述的驱动单元包括驱动控制板、码盘和码盘安装板；在位于电机定子下方的壳体上安装有压板，压板加工有圆柱凸台，驱动控制板安装在压板的圆柱凸台上；所述的输出采集轴的下端设置台阶面，用于安装码盘安装板；码盘安装板上安装码盘；

所述的堵盖固定在壳体的下端。

2.根据权利要求1所述的超小型一体化伺服关节，其特征在于，所述的钢轮a和钢轮b，在其端面和外环上，沿圆周上均布加工有螺纹孔；钢轮a和钢轮b的外环螺纹孔用于组装关节时连杆的安装。

3.根据权利要求1或2所述的超小型一体化伺服关节，其特征在于，所述的凸轮为金属材料加工成的回转体结构，凸轮外径有较大和较小部分，外径较大的部分为椭圆结构，外径较小部分为圆柱结构；圆柱结构贯穿壳体上端面、电机转子和压板，在圆柱结构的下端加工有外螺纹，用于安装压紧螺母。

4.根据权利要求1所述的超小型一体化伺服关节，其特征在于，所述的驱动控制板在外界电源辅助下，将动力通过电机转子传递给凸轮，柔性轴承在凸轮作用下发生变形带动柔轮变形，通过柔轮和钢轮a、b之间内外齿啮合实现动力的传递，完成动力的输出，通过输出采集轴将钢轮的输出信息通过码盘反馈于驱动控制板。