CN111390964A - 一种协作机器人一体化关节的轴系结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其中，输入长轴的两端分别为电机后端和柔轮端，谐波减速器安装于柔轮端上；电机后端上设有同轴设置的电机后端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座；柔轮端上设有同轴设置的柔轮端轴承组、柔轮端内圈压环和谐波减速器。本发明可辅助实现高精度位置反馈和控制，使得谐波减速器的输入端和刚轮输出端都依赖此轴系结构在负载和各种工作环境温度条件下都获得高同轴精度，以此辅助电机后端的角度编码器和谐波减速器刚轮输出端的角度编码器获得高精度的位置信息反馈，以实现协作机器人一体化关节高精度位置反馈和控制。

Description

一种协作机器人一体化关节的轴系结构

技术领域

本发明涉及协作机器人技术领域，特别涉及一种可辅助实现高精度位置反馈的协作机器人一体化关节的轴系结构。

背景技术

工业机器人目前已大量替代人做重复性、大负载的工作。但由于其设计中没有考虑与人协作的安全措施，只能在工作时将其隔离开来，以防止人员受到伤害。近年来，一类可与人进行安全协作、共同完成特定任务的协作机器人逐渐兴起，特别是在精密装配、模具和产品检测、医疗手术等这类对精度控制要求较高的领域有着广阔的应用前景。然而进行人机协作时，对高精度控制的要求是工作空间内全方位的，而不再是以往工业机器人要求的点对点重复定位精度。这就要求只有组成协作机器人的每一个关节都需要具备高精度位置反馈和控制的能力，才能在经过标定后使协作机器人达到工作空间内全方位高精度控制的要求。

目前主流的高精度协作机器人关节结构主要是采用控制器、驱动器、直驱电机、制动器、谐波减速器依次串联形成的结构，然后在直驱电机后端和谐波减速器输出端安装角度编码器进行位置反馈和控制。角度编码器主要利用其旋转部分跟随被测轴同轴旋转，然后测量确定相对其固定部分旋转的角度位置。但在协作机器人一体化关节中，由于其角度测量原理和安装空间的限制，以及出于控制成本的考虑，角度编码器往往是直接借助关节内的轴系结构来进行角度测量，因此角度编码器对关节轴系结构的径向误差十分敏感。只有在将角度编码器旋转部分高径向精度安装在关节轴系结构上的前提条件下，才有可能实现角度编码器的高精度位置反馈，特别是在谐波减速器输出端与输入端之间要保证高同轴精度。这是由于直驱电机后端和谐波减速器输出端角度编码器的旋转部分是分别跟随谐波减速器输入端与输出端同轴旋转，而这两个角度编码器的固定部分又都是固定在一体化关节中不动的部分上，因此安装后谐波减速器输出端与输入端之间的高同轴精度是实现协作机器人一体化关节高精度位置反馈和控制的关键前提条件。

然而主流的协作机器人一体化关节结构中，只是将谐波减速器输入轴和直驱电机以及制动器依次串连起来，而谐波减速器输入端与刚轮输出端之间缺乏相应的机构来保证两者之间的同轴精度，仅有内部柔轮连接而缺乏刚性。这也会导致关节轴系结构存在整体刚性不足的问题。当刚轮输出端受自重和负载的影响，可能发生垂直于轴系轴心的位移，难以保证谐波减速器输出端与输入端之间的同轴精度。并且当直驱电机启动运行一段时间后会发热，往往会使关节中的串联结构延长而发生更大垂直于轴系轴心的形变，不利于获得高精度的位置信号反馈。同时关节部件在温度升高后延长可能导致角度编码器旋转部分和固定部分发生位置相对移动，这可能导致角度编码器获得的信号发生变化而影响测量结果。这些都将使得协作机器人一体化关节难以实现高精度控制的目标。

现在需要一种协作机器人一体化关节辅助实现高精度位置反馈的轴系结构，使得谐波减速器的输入轴和刚轮输出端都依赖此轴系结构在负载和长时间运行发热的条件下获得高同轴精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种协作机器人一体化关节的轴系结构，该结构可辅助实现高精度位置反馈和控制，同时还可以适应不同温度的工作环境，保证即使在电机发热的情况下，谐波减速器输入轴和刚轮输出端也不会因为输入长轴长度变长而影响其结构稳定和相互之间的同轴精度。

本发明的技术方案为：一种协作机器人一体化关节的轴系结构，包括输入长轴、谐波减速器、电机后端轴承组、柔轮端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、柔轮端内圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座；

输入长轴的两端分别为电机后端和柔轮端，谐波减速器安装于柔轮端上；

电机后端上设有同轴设置的电机后端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座，电机后端内圈压环设于电机后端轴承组的端面外侧，电机后端外圈压环设于电机后端内圈压环的外周，压紧于电机后端轴承组的外周，电机后端外圈座压紧于电机后端轴承组的外周，电机后端角度编码器安装座设于电机后端外圈压环的外端；

柔轮端上设有同轴设置的柔轮端轴承组、柔轮端内圈压环和谐波减速器，柔轮端内圈压环设于柔轮端轴承组的端面一侧，谐波减速器设于柔轮端轴承组的外周及端面另一侧。

进一步地，所述谐波减速器的一侧还设有谐波减速器固定座，谐波减速器固定座的一端伸入谐波减速器柔轮内空腔并压紧于柔轮端轴承组和谐波减速器之间，谐波减速器固定座的另一端与电机后端外圈座固定连接。

进一步地，所述输入长轴为中空轴，输入长轴的外壁呈多个直径渐变的圆柱结构；其中，与谐波减速器相接之处的输入长轴外壁呈二级圆柱结构，与柔轮端内圈压环和柔轮端轴承组相接之处的输入长轴外壁呈三级圆柱结构，与电机后端内圈压环和电机后端轴承组相接之处的输入长轴外壁也呈三级圆柱结构。

上述结构的输入长轴安装时，具体为：输入长轴的一端通过精密轴孔配合高同轴精度穿过谐波减速器的波发生器和柔轮后，组成谐波减速器输入端。

输入长轴靠近谐波减速器输入端的一端具有一个二级圆柱结构(即上述“与谐波减速器相接之处的输入长轴外壁呈二级圆柱结构”)，该二级圆柱结构形成的输入轴柔轮安装台阶用于安装谐波减速器波发生器和柔轮的组合件；输入长轴另一端靠近电机后端的位置和中部靠近谐波减速器波发生器的位置各有一个三级圆柱结构，分别为电机后端三级圆柱结构和柔轮端三级圆柱结构，用于安装对应的轴承组(即上述“与柔轮端内圈压环和柔轮端轴承组相接之处的输入长轴外壁呈三级圆柱结构”和“与电机后端内圈压环和电机后端轴承组相接之处的输入长轴外壁也呈三级圆柱结构”)。位于电机后端的三级圆柱结构与电机后端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、电机后端外圈座组成高同轴精度的电机后端轴承结构，且电机后端内圈压环和电机后端三级圆柱结构通过螺纹或紧固件连接，使电机后端内圈压环先压紧固定电机后端轴承组外侧轴承内圈和电机后端轴承组内侧轴承内圈，然后通过螺纹或紧固件连接电机后端外圈压环和电机后端外圈座，使电机后端外圈压环挤压电机后端轴承组外侧轴承外圈和电机后端轴承组内侧轴承外圈的方式；或电机后端外圈压环和电机后端外圈座通过螺纹或紧固件连接，使电机后端外圈压环先压紧固定电机后端轴承组外侧轴承外圈和电机后端轴承组内侧轴承外圈，然后通过螺纹或紧固件连接电机后端外圈压环和电机后端外圈座，使电机后端内圈压环挤压电机后端轴承组外侧轴承内圈和电机后端轴承组内侧轴承内圈的方式消除了轴承游隙，同时这种消除游隙的方式形成了输入长轴在各种工作环境中发生温度变化时(特别是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴长度变化时的死点)保证电机后端的角度编码器旋转部分连接到输入长轴时，角度编码器整体结构的稳定不会受到轴长度变化的影响，防止造成角度测量精度降低。柔轮端三级圆柱结构与输入轴柔轮端轴承组、谐波减速器固定座、输入轴柔轮端内圈压环组成高同轴精度的输入轴柔轮端轴承结构，且柔轮端内圈压环和柔轮端三级圆柱结构通过螺纹或紧固件连接，使柔轮端内圈压环挤压柔轮端轴承组内侧轴承内圈和柔轮端轴承组外侧轴承内圈的方式消除了轴承游隙，同时这种消除游隙的方式在柔轮端轴承组轴承外圈两侧与谐波减速器固定座之间都留有较多空隙，这样形成了输入长轴在各种工作环境为温度变化时(特别是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长的活点)输入长轴可以在此端沿轴方向随温度的变化长度自由变化而不产生沿轴径向的形变，这种结构可以保证输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是在电机启动运行一段时间后发热时，输入长轴长度的变化不会影响连接到谐波减速器刚轮输出端的角度编码器整体结构稳定，防止造成角度测量精度降低。

谐波减速器固定座与电机后端外圈座通过紧固件高同轴精度连接，谐波减速器固定座与谐波减速器的外壳通过紧固件连接，调整至谐波减速器刚轮输出端与谐波减速器固定座高精度同轴心，这样使得在安装时，谐波减速器柔轮在没有负载的情况下可以不产生垂直于轴系轴心的形变，并使谐波减速器刚轮输出端位于与关节轴系高同轴精度的位置；同时这样的双轴承组轴系结构，既可以增加一体化关节的整体刚性，保证在各种工作环境温度下谐波减速器输入端和刚轮输出端的结构稳定，并同时获得两者位置之间高同轴精度，又可以将自身结构重量和负载重量的影响均匀分散到关节轴系结构中，避免因自重和负载引发局部的形变而影响关节位置反馈和控制的精度。

输入长轴为中空轴，中心孔用于穿过协作机器人所需的气管、油管、电缆、光纤等；输入长轴靠近谐波减速器输入端的一端具有一个二级圆柱结构形成的台阶，靠外的第一级圆柱结构直径较小，略小于谐波减速器波发生器内孔直径，以便形成精密轴孔配合；输入长轴另一端靠近电机后端的位置和中部靠近谐波减速器波发生器的位置各有一个直径渐变的三级圆柱结构，这两个三级圆柱结构中各级圆柱结构直径均朝电机后端外侧方向逐级缩小，以便输入长轴在安装到谐波减速器的波发生器中组成谐波减速器的输入端之后，逐级安装输入轴柔轮端轴承组、直驱电机、制动器和电机后端轴承组等部件。在柔轮端和电机后端三级圆柱结构之间留有安装直驱电机和制动器的凹槽，以便通过键或花键安装直驱电机和制动器，凹槽形状依据直驱电机和制动器安装方式而定。在直驱电机和柔轮端轴承组之间有密封圈，可防止直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入输入轴柔轮端轴承组和谐波减速器，以免影响柔轮端轴承组和谐波减速器的正常运行和同轴精度。输入长轴的电机后端三级圆柱结构与电机后端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压、电机后端外圈座环组成电机后端消除轴承游隙的结构，同时这种消除游隙的方式形成了输入长轴在各种工作环境为温度变化时，特别是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴长度变化时的死点，保证电机后端的角度编码器旋转部分连接到输入长轴时位置不会受到轴长度变化的影响，防止造成角度测量精度降低。此外，在电机后端外圈座和输入长轴电机后端三级圆柱结构之间有密封圈，可防止直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入电机后端轴承组结构，以免影响电机后端轴承组结构正常运行和同轴精度。

电机后端三级圆柱结构外侧的第一级圆柱结构在安装时通过螺纹或紧固件与电机后端内圈压环连接，使电机后端内圈压环顶住电机后端轴承组外侧轴承内圈，电机后端三级圆柱结构的第一级圆柱结构端面有螺纹孔，可通过紧固件与电机后端角度编码器安装座高同轴精度连接，以此为高精度反馈电机位置信号和控制电机转动角度提供前提条件；电机后端三级圆柱结构的第二级圆柱结构直径略小于电机后端轴承组轴承内圈内缘直径以实现精密孔轴配合；电机后端三级圆柱结构的第三级圆柱结构直径小于电机后端轴承组轴承外圈内缘直径，且大于电机后端轴承组轴承内圈外缘直径，这样在安装时以其侧面顶住电机后端轴承组内侧轴承内圈。

柔轮端三级圆柱结构、输入轴柔轮端轴承组、谐波减速器固定座、输入轴柔轮端内圈压环组成高同轴精度的输入轴柔轮端消除轴承游隙的结构。同时这种消除游隙的方式在柔轮端轴承组轴承外圈两侧与谐波减速器固定座之间留有较多空隙，这样形成了输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长的活点，输入长轴可以在此端沿轴方向随温度变化长度自由变化而不产生沿轴径向的形变。这种结构可以保证输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是在电机启动运行一段时间后发热发热时，输入长轴长度的变化不会影响连接到谐波减速器输出端的角度编码器整体结构稳定，防止造成角度测量精度降低。

轴柔轮端三级圆柱结构内侧的第一级圆柱结构在安装时通过螺纹或紧固件与柔轮端内圈压环连接，使输入轴柔轮端内圈压环顶住柔轮端轴承组内侧轴承内圈；柔轮端三级圆柱结构的第二级圆柱结构直径略小于柔轮端轴承组轴承内圈内缘直径以实现精密孔轴配合；柔轮端三级圆柱结构的第三级圆柱结构直径小于柔轮端轴承组轴承外圈内缘直径，且大于柔轮端轴承组轴承内圈外缘直径，这样在安装时以其侧面顶住柔轮端承组外侧轴承内圈。

进一步地，所述电机后端内圈压环和柔轮端内圈压环均为环形圆柱结构。电机后端内圈压环为环形圆柱结构，在安装时通过内侧螺纹，或紧固件穿过电机后端内圈压环端面上的沉头孔与电机后端三级圆柱结构连接，使电机后端内圈压环顶住电机后端轴承组外侧轴承内圈。轴柔轮端内圈压环也为环形圆柱结构，在安装时通过内侧螺纹，或紧固件穿过柔轮端内圈压环端面上的沉头孔与柔轮端三级圆柱结构连接，使柔轮端内圈压环顶住柔轮端轴承组内侧轴承内圈。

进一步地，所述电机后端外圈压环为三级环形结构，沿输入长轴的中部向电机后端方向，三级环形结构依次为直径逐级减小的外圈压环第一级环形结构、外圈压环第二级环形结构和外圈压环第三级环形结构；外圈压环第一级环形结构通过螺纹或紧固件与电机后端外圈座连接；外圈压环第二级环形结构的内腔直径大于电机后端轴承组的轴承外圈外缘直径；外圈压环第三级环形结构的内腔直径小于电机后端轴承组的轴承外圈外缘直径，且大于电机后端轴承组的轴承内圈外缘直径；外圈压环第三级结构与电机后端内圈压环的相接处还设有密封圈。该三级环形结构中，可通过直径最大的第一级环形结构内侧螺纹，或紧固件穿过外圈压环第一级环形结构端面上的沉头孔与电机后端外圈座连接；第二级环形结构内腔直径大于电机后端轴承组轴承外圈外缘直径；第三级环形结构内腔直径小于电机后端轴承组轴承外圈内缘直径，大于轴承内圈外缘直径。安装时，第三级环形结构侧面顶住电机后端轴承组外侧轴承外圈。第三级环形结构靠近电机后端内圈压环的内圆面一侧有或无一条环形凹槽，安装时可在此环形凹槽内安装密封圈，以防外界污染物进入电机后端轴承结构中，影响轴承结构的运行稳定和同轴精度。

进一步地，所述电机后端外圈座为二级环形结构，沿输入长轴的中心向外周方向，二级环形结构依次为电机后端外圈座第一级环形结构和电机后端外圈座第二级环形结构；电机后端外圈座第一级环形结构的外周通过螺纹或紧固件与电机后端外圈压环连接，电机后端外圈座第一级环形结构的内腔中还设有一个环形台阶，环形台阶的內缘直径大于电机后端轴承组的轴承内圈外缘直径但小于轴承外圈外缘直径；电机后端外圈座第二级环形结构与谐波减速器固定座连接。该二级环形结构中，可通过直径较小的第一级环形结构外侧侧螺纹或紧固件与电机后端外圈压环连接，第一级环形结构内孔直径略大于电机后端轴承组轴承外圈外缘直径以实现精密孔轴配合，第一级环形结构内腔有一个小的环形台阶，电机后端外圈座环形台阶内缘直径大于电机后端轴承组轴承内圈外缘直径，小于轴承外圈外缘直径，安装时电机后端外圈座环形台阶顶住电机后端轴承组内侧轴承外圈，电机后端外圈座环形台阶朝向输入轴电机后端三级圆柱结构的内圆面上有或无一条环形凹槽，安装时可在此环形凹槽内安装密封圈，以此在输入轴电机后端三级圆柱结构的第三级圆柱结构和电机后端外圈座之间形成密封，防止直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入电机后端轴承组结构，以免影响电机后端轴承组结构正常运行和同轴精度。可通过紧固件穿过直径较大的第二级环形结构端面上的沉头孔与谐波减速器固定座高同轴精度相连，第二级环形结构内腔直径大于直驱电机、制动器和谐波减速器外缘直径，第二级环形结构侧壁有直驱电机和制动器的出线口，以便直驱电机和制动器连接到驱动器上进行控制。

进一步地，所述谐波减速器固定座靠近电机后端的一端为环形结构，与电机后端外圈座固定连接；该环形结构可通过紧固件与电机后端外圈座高同轴精度连接。环形结构内腔直径大于直驱电机、制动器外缘直径。环形结构侧壁有直驱电机和制动器的出线口，以便直驱电机和制动器连接到驱动器上进行控制。

谐波减速器固定座靠近谐波减速器的一端为二级环形结构，沿输入长轴的中心向外周方向，二级环形结构依次为固定座第一级环形结构和固定座第二级环形结构，固定座第一级环形结构嵌入安装于柔轮端轴承组和谐波减速器之间，固定座第二级环形结构与谐波减速器固定连接。该二级环形结构中，可通过紧固件穿过直径较大的第二级环形结构端面上的沉头孔与谐波减速器外壳高同轴精度相连，这样使得谐波减速器柔轮在没有负载的情况下不产生垂直于轴系轴心的形变，以便调整谐波减速器刚轮输出端至与关节轴系高同轴精度的位置。第一级环形结构用于安装柔轮端轴承组，第一级环形结构外径小于谐波减速器的柔轮内孔直径，以便安装时将柔轮端轴承结构安装在谐波减速柔轮内腔，有效利用空间来缩短输入长轴的长度。第一级环形结构内腔直径略大于柔轮端轴承组轴承外圈外缘直径以实现精密孔轴配合。第一级环形结构靠近柔轮端轴承组内侧轴承的位置有一个环形台阶。环形台阶内侧可安装密封圈，以防直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入轴承结构中，影响轴承结构的运行稳定和同轴精度。

进一步地，所述电机后端轴承组和柔轮端轴承组结构相同，分别包括同轴设置的两个轴承和两个垫圈，两个轴承并列安装于输入长轴上，两个垫圈分别为内垫圈和外垫圈，内垫圈设于两个轴承的内圈之间，外垫圈设于两个轴承的外圈之间。电机后端轴承组和柔轮端轴承组都可由一对相同的轴承及分别位于两个轴承内圈的和两个轴承外圈之间有着一定高度差的内外垫圈组成，或由一对经过预制已经消除游隙的轴承组成。当使用具有高低差的内外垫圈安装电机后端轴承组时，通过电机后端内圈压环先压紧固定电机后端轴承组外侧轴承内圈和电机后端轴承组内侧轴承内圈，然后通过电机后端外圈压环挤压电机后端轴承组外侧轴承外圈和电机后端轴承组内侧轴承外圈的方式，利用电机后端轴承组外垫圈厚度大于电机后端轴承组内垫圈厚度的高度差消除轴承游隙；或通过电机后端内圈压环先压紧固定电机后端轴承组外侧轴承外圈和电机后端轴承组内侧轴承外圈，然后通过电机后端内圈压环挤压电机后端轴承组外侧轴承内圈和电机后端轴承组内侧轴承内圈的方式，利用电机后端轴承组内垫圈厚度大于电机后端轴承组外垫圈厚度的高度差消除了轴承游隙。而安装柔轮端轴承组时，则通过柔轮端内圈压座挤压柔轮端轴承组内侧轴承内圈和柔轮端轴承组外侧轴承内圈的方式，利用柔轮端轴承组外垫圈厚度大于柔轮端轴承组内垫圈厚度的高度差消除轴承游隙。而使用经过预制已经消除游隙的轴承时，则只需要正常安装即可，不需要形成高度差。

进一步地，沿输入长轴的中心向外周方向，所述谐波减速器包括由内向外依次设置的波发生器、柔轮、刚轮和外壳，波发生器的内壁与输入长轴相接，柔轮位于波发生器和刚轮之间，外壳与谐波减速器固定座固定连接。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本协作机器人一体化关节的轴系结构可辅助实现高精度位置反馈和控制，使得谐波减速器的输入端和刚轮输出端都依赖此轴系结构在负载条件下获得高同轴精度，以此辅助电机后端的角度编码器和谐波减速器刚轮输出端的角度编码器获得高精度的位置信息反馈，以实现协作机器人一体化关节高精度位置反馈和控制。同时又可以适应各种工作环境温度，尤其是保证当电机启动运行一段时间后发热时，谐波减速器输入端和刚轮输出端不会因为输入轴长度变长而影响其结构稳定和相互之间的同轴精度。

另外，本协作机器人一体化关节的轴系结构中，中空的输入长轴可以方便穿过协作机器人所需的气管、油管、电缆、光纤等。输入长轴在靠近电机后端和靠近柔轮端的位置各有一个朝电机后端外侧方向逐级缩小的三级圆柱结构，分别与电机后端轴承组、电机后端外圈座、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环组成高同轴精度的电机后端消除轴承游隙的结构，以及与柔轮端轴承组、谐波减速器固定座、柔轮端内圈压环组成高同轴精度的柔轮端消除轴承游隙的结构，建立起一个高同轴精度的关节轴系结构。输入长轴和谐波减速器的波发生器与柔轮组成的谐波减速器输入端，与谐波减速器固定座同轴，通过谐波减速器外壳用紧固件将谐波减速器安装到谐波减速器固定座时，调整谐波减速器刚轮输出端至与谐波减速器固定座高同轴精度的位置，这样可使柔轮在没有负载的情况下安装时，可以不产生垂直于轴系轴心的形变，并保证谐波减速器输入端与刚轮输出端之间高精度同轴，同时提高了关节轴系整体的刚性。由于将负载和输出端自重的影响均匀分配，可确保在负载情况下，谐波减速器输入端与输出端之间可以始终保持高同轴精度，为关节高精度位置反馈和控制提供前提条件。同时柔轮端轴承结构安装在谐波减速器柔轮内腔，在不影响柔轮功能的前提下有利于缩短输入长轴的长度，方便控制加工精度和成本。另外，这一轴系结构分别形成了输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长的死点和活点，可以保证输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长不会影响与输入长轴连接的电机后端角度编码器旋转部分与固定部分的相对位置关系，以及与谐波减速器刚轮输出端连接的输出端角度编码器旋转部分与固定部分的相对位置关系，以免影响位置测量结果。

附图说明

图1为本协作机器人一体化关节的轴系结构的结构示意图。

图2为本协作机器人一体化关节的轴系结构的轴向剖面视图。

图3为电机后端轴承结构的局部放大图。

图4为谐波减速器和柔轮端轴承结构的局部放大图。

图5为电机后端轴承结构的外端面视图。

图6为输入长轴和谐波减速器的结构示意图。

上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为输入长轴，1-1为柔轮安装台阶，1-2为电机后端三级圆柱结构，1-3为柔轮端三级圆柱结构，2为电机后端轴承组，2-1为电机后端轴承组外侧轴承，2-2为电机后端轴承组内侧轴承，2-3为电机后端轴承组外垫圈，2-4为电机后端轴承组内垫圈，3为电机后端内圈压环，4为电机后端外圈压环，5为电机后端外圈座，5-1为电机后端外圈座环形台阶，5-2为电机后端外圈座出线口，6为谐波减速器固定座，6-1为谐波减速器固定座出线口，7为柔轮端轴承组，7-1为柔轮端轴承组内侧轴承，7-2为柔轮端轴承组外侧轴承，7-3为柔轮端轴承组外垫圈，7-4为柔轮端轴承组内垫圈，8为柔轮端内圈压环，9为电机后端角度编码器安装座，10为谐波减速器，10-1为波发生器，10-2为外壳，10-3为柔轮，10-4为刚轮，11为紧固件，12为密封圈。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种协作机器人一体化关节的轴系结构，如图1至图5所示，该轴系结构主要由输入长轴1、电机后端轴承组2、电机后端内圈压环3、电机后端外圈压环4、电机后端外圈座5、谐波减速器固定座6、柔轮端轴承组7、柔轮端内圈压环8、电机后端角度编码器安装座9、谐波减速器10、紧固件11和密封圈12组成。

输入长轴1的一端通过精密轴孔配合高同轴精度穿过谐波减速器10的波发生器10-1和柔轮10-3组成谐波减速器的输入端。

中空的输入长轴1靠近谐波减速器输入端的一端具有一个二级圆柱结构，该结构形成的输入轴柔轮安装台阶1-1用于安装谐波减速器波发生器10-1和柔轮10-3的组合件，输入长轴另一端靠近电机后端的位置和中部靠近谐波减速器波发生器的位置各有一个三级圆柱结构(即电机后端三级圆柱结构1-2和柔轮端三级圆柱结构1-3)，分别用于安装对应的轴承组。电机后端三级圆柱结构1-2、电机后端轴承组2、电机后端内圈压环3、电机后端外圈压环4、电机后端外圈座5组成高同轴精度的电机后端轴承结构。且通过螺纹连接电机后端内圈压环3和电机后端三级圆柱结构1-2，使电机后端内圈压环3先压紧固定电机后端轴承组外侧轴承2-1内圈和电机后端轴承组内侧轴承2-2内圈，然后通过通过螺纹连接电机后端外圈压环3和电机后端外圈座5，使电机后端外圈压环4挤压电机后端轴承组外侧轴承2-1外圈和电机后端轴承组内侧轴承2-2外圈的方式消除了轴承游隙。同时这种消除游隙的方式形成了输入长轴1在各种工作环境中发生温度变化时，特别是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴长度变化时的死点，保证电机后端的角度编码器旋转部分连接到输入长轴1时，角度编码器整体结构的稳定不会受到轴长度变化的影响，防止造成角度测量精度降低。

柔轮端三级圆柱结构1-3、柔轮端轴承组7、谐波减速器固定座6、柔轮端内圈压环8组成高同轴精度的柔轮端轴承结构，且通过螺纹连接柔轮端内圈压环8和柔轮端三级圆柱结构1-3，使柔轮端内圈压环8挤压柔轮端轴承组内侧轴承7-1内圈和柔轮端轴承组外侧轴承7-2内圈的方式消除了轴承游隙。同时这种消除游隙的方式在柔轮端轴承组7轴承外圈两侧与谐波减速器固定座6之间都留有较多空隙，这样形成了输入长轴1在各种工作环境为温度变化时，特别是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长的活点，输入长轴1可以在此端沿轴方向随温度的变化长度自由变化而不产生沿轴径向的形变。这种结构可以保证输入长轴1在各种工作环境温度条件下，尤其是在电机启动运行一段时间后发热时，输入长轴1长度的变化不会影响连接到谐波减速器刚轮10-4输出端的角度编码器整体结构稳定，防止造成角度测量精度降低。

谐波减速器固定座6与电机后端外圈座5通过紧固件11高同轴精度连接。谐波减速器固定座6与谐波减速器外壳10-2通过紧固件11连接，调整至谐波减速器刚轮10-4输出端与谐波减速器固定座6高精度同轴心，这样使得在安装时，谐波减速器柔轮10-3在没有负载的情况下可以不产生垂直于轴系轴心的形变，并使谐波减速器刚轮10-4输出端位于与关节轴系高同轴精度的位置。同时这样的双轴承组轴系结构，既可以增加一体化关节的整体刚性，保证在各种工作环境温度下谐波减速器的输入端和输出端的结构稳定，并同时获得两者位置之间高同轴精度，又可以将自身结构重量和负载重量的影响均匀分散到关节轴系结构中，避免因自重和负载引发局部的形变而影响关节位置反馈和控制的精度。

输入长轴1为中空轴，其中心孔用于穿过协作机器人所需的气管、油管、电缆、光纤等。输入长轴靠近谐波减速器输入端的一端具有一个二级圆柱结构形成的柔轮安装台阶1-1，靠外的第一级圆柱结构直径较小，略小于谐波减速器波的发生器10-1内孔直径，以便形成精密轴孔配合。输入长轴另一端靠近电机后端的位置和中部靠近谐波减速器波发生器的位置各有一个直径渐变的三级圆柱结构，这两个三级圆柱结构中各级圆柱结构直径均朝电机后端外侧逐级缩小，以便输入长轴1在安装到谐波减速器的波发生器10-1中组成谐波减速器的输入端之后，逐级安装输入轴柔轮端轴承组7、直驱电机、制动器和电机后端轴承组2。在柔轮端三级圆柱结构1-3和电机后端三级圆柱结构1-2之间留有安装直驱电机和制动器的凹槽，以便通过键或花键安装直驱电机和制动器。凹槽形状依据直驱电机和制动器安装方式而定。在直驱电机和输入轴柔轮端轴承组之间有密封圈7，可防止直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入柔轮端轴承组7和谐波减速器10，以免影响柔轮端轴承组7和谐波减速器10正常运行和同轴精度。输入长轴电机后端三级圆柱结构1-2、电机后端轴承组2、电机后端内圈压环3、电机后端外圈压环4、电机后端外圈座5组成电机后端消除轴承游隙的结构。同时这种消除游隙的方式形成了输入长轴1在各种工作环境为温度变化时，特别是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴长度变化时的死点，保证电机后端的角度编码器旋转部分连接到输入长轴1时位置不会受到轴长度变化的影响，防止造成角度测量精度降低。此外，在电机后端外圈座5和电机后端三级圆柱结构1-2之间有密封圈12，可防止直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入电机后端轴承组结构，以免影响电机后端轴承组结构正常运行和同轴精度。

电机后端三级圆柱结构外侧的第一级圆柱结构在安装时通过螺纹与电机后端内圈压环3连接，使电机后端内圈压环3顶住电机后端轴承组外侧轴承2-1内圈。电机后端三级圆柱结构1-2的第一级圆柱结构端面有螺纹孔，可通过紧固件与电机后端角度编码器安装座9高同轴精度连接，以此为高精度反馈电机位置信号和控制电机转动角度提供前提条件。电机后端三级圆柱结构1-2的第二级圆柱结构直径略小于电机后端轴承组2轴承内圈内缘直径以实现精密孔轴配合。电机后端三级圆柱结构1-2的第三级圆柱结构直径小于电机后端轴承组2轴承外圈内缘直径，且大于电机后端轴承组2轴承内圈外缘直径，这样在安装时以其侧面顶住电机后端轴承组内侧轴承2-2内圈。

柔轮端三级圆柱结构1-3、输入轴柔轮端轴承组7、谐波减速器固定座6、柔轮端内圈压环8组成高同轴精度的输入轴柔轮端消除轴承游隙的结构。同时这种消除游隙的方式在柔轮端轴承组7轴承外圈两侧与谐波减速器固定座6之间留有较多空隙，这样形成了输入长轴1在各种工作环境温度条件下，尤其是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长的活点，输入长轴1可以在此端沿轴方向随温度变化长度自由变化而不产生沿轴径向的形变。这种结构可以保证输入长轴1在各种工作环境温度条件下，尤其是在电机启动运行一段时间后发热发热时，输入长轴1长度的变化不会影响连接到谐波减速器输出端的角度编码器整体结构稳定，防止造成角度测量精度降低。

柔轮端三级圆柱结构1-3内侧的第一级圆柱结构在安装时通过螺纹与柔轮端内圈压环8连接，使柔轮端内圈压环8顶住柔轮端轴承组内侧轴承7-1内圈。柔轮端三级圆柱结构1-3的第二级圆柱结构直径略小于柔轮端轴承组7轴承内圈内缘直径以实现精密孔轴配合。柔轮端三级圆柱结构1-3的第三级圆柱结构直径小于柔轮端轴承组7轴承外圈内缘直径，且大于柔轮端轴承组7轴承内圈外缘直径，这样在安装时以其侧面顶住柔轮端承组外侧轴承7-2内圈。

电机后端轴承组2和柔轮端轴承组7都可由一对相同的轴承及分别位于两个轴承内圈的和两个轴承外圈之间的有着一定高度差的内外垫圈组成。当使用具有高低差的内外垫圈安装电机后端轴承组2时，通过电机后端内圈压环3先固定电机后端轴承组外侧轴承2-1内圈和电机后端轴承组内侧轴承2-2内圈，然后通过电机后端外圈压环挤压电机后端轴承组外侧轴承2-1外圈和电机后端轴承组内侧轴承2-2外圈的方式，利用电机后端轴承组外垫圈2-3厚度大于电机后端轴承组内垫圈2-4厚度的高度差消除轴承游隙。而安装柔轮端轴承组7时，则通过柔轮端内圈压座8挤压柔轮端轴承组内侧轴承7-1内圈和柔轮端轴承组外侧轴承7-2内圈的方式，利用柔轮端轴承组外垫圈7-3厚度大于柔轮端轴承组内垫圈7-4厚度的高度差消除轴承游隙。

电机后端内圈压环3为环形圆柱结构，在安装时通过内侧螺纹与电机后端三级圆柱结构1-2连接，使电机后端内圈压环3顶住电机后端轴承组外侧轴承2-1内圈。

电机后端外圈压环4为三级环形结构，可通过直径最大的第一级环形结构内侧螺纹与电机后端外圈座5连接。第二级环形结构内腔直径大于电机后端轴承组2轴承外圈外缘直径。第三级环形结构内腔直径小于电机后端轴承组2轴承外圈内缘直径，大于轴承内圈外缘直径。安装时，第三级环形结构侧面顶住电机后端轴承组外侧轴承2-1外圈。第三级环形结构靠近电机后端内圈压环3的内圆面一侧有一条环形凹槽，安装时可在此凹槽内安装密封圈12，以防外界污染物进入轴承结构中，影响轴承结构的运行稳定和同轴精度。

电机后端外圈座5为二级环形结构，可通过直径较小的第一级环形结构外侧侧螺纹件与电机后端外圈压环4连接。第一级环形结构内孔直径略大于电机后端轴承组2轴承外圈外缘直径以实现精密孔轴配合。第一级环形结构内腔有一个小的环形台阶，电机后端外圈座环形台阶5-1内缘直径大于电机后端轴承组2轴承内圈外缘直径，小于轴承外圈内缘直径。安装时电机后端外圈座环形台阶5-1顶住电机后端轴承组内侧轴承2-2外圈。电机后端外圈座环形台阶5-1朝向输入轴电机后端三级圆柱结构1-2的内圆面上有一条凹槽，安装时可在此凹槽内安装密封圈，以此在输入轴电机后端三级圆柱结构1-2的第三级圆柱结构和电机后端外圈座5之间形成密封，防止直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入电机后端轴承组结构，以免影响电机后端轴承组结构正常运行和同轴精度。可通过紧固件穿过直径较大的第二级环形结构端面上的沉头孔与谐波减速器固定座高同轴精度相连。第二级环形结构内腔直径大于直驱电机和制动器外缘直径。第二级环形结构侧壁有直驱电机和制动器的出线口5-2(如图5所示)，以便直驱电机和制动器连接到驱动器上进行控制。

谐波减速器固定座6靠近电机后端的一端为环形结构，可通过紧固件11与电机后端外圈座5高同轴精度连接。环形结构内腔直径大于直驱电机、制动器外缘直径。环形结构侧壁有直驱电机和制动器的出线口6-1(如图2所示)，以便直驱电机和制动器连接到驱动器上进行控制。

谐波减速器固定座6靠近谐波减速器10的一端为二级环形结构，可通过紧固件11穿过直径较大的第二级环形结构端面上的沉头孔与谐波减速器的外壳10-2高同轴精度相连，这样使得谐波减速器的柔轮10-3在没有负载的情况下不产生垂直于轴系轴心的形变，以便调整谐波减速器的刚轮10-4输出端至与关节轴系高同轴精度的位置。第一级环形结构用于安装输入轴柔轮端轴承组7，第一级环形结构外径小于谐波减速器柔轮10-3内孔直径，以便安装时将输入轴柔轮端轴承结构安装在谐波减速柔轮10-3内腔，有效利用空间来缩短输入长轴1的长度。第一级环形结构内腔直径略大于柔轮端轴承组7轴承外圈外缘直径以实现精密孔轴配合。第一级环形结构靠近柔轮端轴承组内侧轴承7-1的位置有一个环形台阶。环形台阶内侧安装密封圈，以防直驱电机和制动器运行过程中产生的粉尘进入轴承结构中，影响轴承结构的运行稳定和同轴精度。

柔轮端内圈压环8为环形圆柱结构，在安装时通过内侧螺纹与柔轮端三级圆柱结构1-3连接，使柔轮端内圈压环8顶住柔轮端轴承组外侧轴承7-2内圈。

本实施例中，利用中空的输入长轴可以方便穿过协作机器人所需的气管、油管、电缆、光纤等。输入长轴在靠近电机后端和靠近柔轮端的位置各有一个朝电机后端外侧方向逐级缩小的三级圆柱结构，分别与电机后端轴承组、电机后端外圈座、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环组成高同轴精度的电机后端消除轴承游隙的结构，以及与柔轮端轴承组、谐波减速器固定座、柔轮端内圈压环组成高同轴精度的柔轮端消除轴承游隙的结构，建立起一个高同轴精度的关节轴系结构。输入长轴和谐波减速器的波发生器与柔轮组成的谐波减速器输入端与谐波减速器固定座同轴，通过谐波减速器外壳用紧固件将谐波减速器安装到谐波减速器固定座时，调整谐波减速器刚轮输出端至与谐波减速器固定座高同轴精度的位置，这样可使柔轮在没有负载的情况下安装时，可以不产生垂直于轴系轴心的形变，并保证谐波减速器输入端与输出端之间高精度同轴，同时提高了关节轴系整体的刚性。由于将负载和输出端自重的影响均匀分配，可确保在负载情况下，谐波减速器输入端与输出端之间可以始终保持高同轴精度，为关节高精度位置反馈和控制提供前提条件。同时输入轴柔轮端轴承结构安装在谐波减速器柔轮内腔，在不影响柔轮功能的前提下有利于缩短输入轴长度，方便控制加工精度和成本。另外，这一轴系结构分别形成了输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长的死点和活点，可以保证输入长轴在各种工作环境温度条件下，尤其是电机启动运行一段时间后发热温度升高情况下轴变长不会影响与输入长轴连接的电机后端角度编码器旋转部分与固定部分的相对位置关系，以及与谐波减速器刚轮输出端连接的输出端角度编码器旋转部分与固定部分的相对位置关系，以免影响位置测量结果。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (9)

1.一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，包括输入长轴、谐波减速器、电机后端轴承组、柔轮端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、柔轮端内圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座；

输入长轴的两端分别为电机后端和柔轮端，谐波减速器安装于柔轮端上；

电机后端上设有同轴设置的电机后端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座，电机后端内圈压环设于电机后端轴承组的端面外侧，电机后端外圈压环设于电机后端内圈压环的外周，压紧于电机后端轴承组的外周，电机后端外圈座压紧于电机后端轴承组的外周，电机后端角度编码器安装座设于电机后端外圈压环的外端；

柔轮端上设有同轴设置的柔轮端轴承组、柔轮端内圈压环和谐波减速器，柔轮端内圈压环设于柔轮端轴承组的端面一侧，谐波减速器设于柔轮端轴承组的外周及端面另一侧。

2.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述谐波减速器的一侧还设有谐波减速器固定座，谐波减速器固定座的一端伸入谐波减速器柔轮内腔，并压紧于柔轮端轴承组和谐波减速器之间，谐波减速器固定座的另一端与电机后端外圈座固定连接。

3.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述输入长轴为中空轴，输入长轴的外壁呈多个直径渐变的圆柱结构；其中，与谐波减速器相接之处的输入长轴外壁呈二级圆柱结构，与柔轮端内圈压环和柔轮端轴承组相接之处的输入长轴外壁呈三级圆柱结构，与电机后端内圈压环和电机后端轴承组相接之处的输入长轴外壁也呈三级圆柱结构。

4.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述电机后端内圈压环和柔轮端内圈压环均为环形圆柱结构。

5.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述电机后端外圈压环为三级环形结构，沿输入长轴的中部向电机后端方向，三级环形结构依次为直径逐级减小的外圈压环第一级环形结构、外圈压环第二级环形结构和外圈压环第三级环形结构；外圈压环第一级环形结构通过螺纹或紧固件与电机后端外圈座连接；外圈压环第二级环形结构的内腔直径大于电机后端轴承组的轴承外圈外缘直径；外圈压环第三级环形结构的内腔直径小于电机后端轴承组的轴承外圈外缘直径，且大于输入端抽承租的轴承内圈外缘直径；外圈压环第三级结构与电机后端内圈压环的相接处还设有密封圈。

6.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述电机后端外圈座为二级环形结构，沿输入长轴的中心向外周方向，二级环形结构依次为电机后端外圈座第一级环形结构和电机后端外圈座第二级环形结构；电机后端外圈座第一级环形结构的外周通过螺纹或紧固件与电机后端外圈压环连接，电机后端外圈座第一级环形结构的内腔中还设有一个环形台阶，环形台阶的內缘直径大于电机后端轴承组的轴承内圈外缘直径但小于轴承外圈外缘直径；电机后端外圈座第二级环形结构与谐波减速器固定座连接。

7.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述谐波减速器固定座靠近电机后端的一端为环形结构，与电机后端外圈座固定连接；

谐波减速器固定座靠近谐波减速器的一端为二级环形结构，沿输入长轴的中心向外周方向，二级环形结构依次为固定座第一级环形结构和固定座第二级环形结构，固定座第一级环形结构嵌入安装于柔轮端轴承组和谐波减速器之间，固定座第二级环形结构与谐波减速器固定连接。

8.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，所述电机后端轴承组和柔轮端轴承组结构相同，分别包括同轴设置的两个轴承和两个垫圈，两个轴承并列安装于输入长轴上，两个垫圈分别为内垫圈和外垫圈，内垫圈设于两个轴承的内圈之间，外垫圈设于两个轴承的外圈之间。

9.根据权利要求1所述一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其特征在于，沿输入长轴的中心向外周方向，所述谐波减速器包括由内向外依次设置的波发生器、柔轮、刚轮和外壳，波发生器的内壁与输入长轴相接，柔轮位于波发生器和刚轮之间，外壳与谐波减速器固定座固定连接。

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