CN111805523A - 一种一体化电动关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化电动关节模组，其包括：外壳，呈筒形；无框伺服电机，用于提供动力，包括：定子和位于定子外侧的转子，转子转动地设置于外壳内；行星减速机构，设置在定子内侧，包括太阳轴、行星齿轮、内齿轮和行星架，太阳轴与转子连接以随转子一起转动，内齿轮与外壳连接，且内齿轮的外侧壁设置有定子，行星架与啮合设置于太阳轴和内齿轮之间的行星齿轮连接，作为一体化电动关节模组的动力输出端；编码器，位于外壳内，设置于太阳轴上；和电机驱动器，位于外壳内，与编码器和定子连接。通过上述方案使关节模组结构紧凑，减小了关节模组外形尺寸，并具有轻型化、模块化的特点，适合作为基本的驱动运动单元搭建各种机器人。

Description

一种一体化电动关节模组

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种一体化电动关节模组。

背景技术

伴随着工业升级和机器人技术发展，模块化、轻量化已成为各种轮式移动机器人、足式移动机器人、机械臂、穿戴式机器人以及其他机器人的共同需求和趋势。机器人关节模组作为机器人中独立传动单元及核心组成部分，它整体上决定了机器人的外形尺寸大小、负载能力、运动速度和精度、乃至整条机器人的研发周期和寿命。

而现有技术中普遍采用高转速大力矩中空电机、高减速比减速器、大功率电机驱动器进行高度集成，使得关节模组结构趋于细长、注重速度和精度，同时也牺牲部分力矩。例如，足式机器人腿部关节要求响应快、输出力矩大、重量轻等，即要求关节减速比不能太高、运动需迅速，与此同时，又需要兼顾具有稳定的输出力矩以及过载能力。

综上所述，开发一款高集成度的、能集成驱动传动控制于一体的电动关节模组，同时解决所存在的结构复杂、体积大、动作精度较低的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化电动关节模组，以解决上述存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一体化电动关节模组，其包括：外壳，呈筒形；无框伺服电机，用于提供动力，包括：定子和位于所述定子外侧的转子，所述转子转动地设置于所述外壳内；行星减速机构，设置在所述定子内侧，包括太阳轴、行星齿轮、内齿轮和行星架，所述太阳轴与所述转子连接以随所述转子一起转动，所述内齿轮与所述外壳连接，且所述内齿轮的外侧壁设置有所述定子，所述行星架与啮合设置于所述太阳轴和所述内齿轮之间的行星齿轮连接，并作为所述一体化电动关节模组的动力输出端；编码器，位于所述外壳内，设置于所述太阳轴上；和电机驱动器，位于所述外壳内，与所述编码器和所述定子连接。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述电机驱动器呈板状，开有通孔，所述通孔内转动设置有第一轴承，所述第一轴承的外圈与所述转子连接，所述第一轴承的内圈与所述外壳连接。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述编码器位于所述第一轴承的内圈内。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述电机驱动器包括：相对设置并通过支撑杆连接的控制板和功率板；所述控制板相对所述功率板靠近所述行星架；所述控制板和/或所述控制板开有所述通孔。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述第一轴承为十字交叉轴承。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述行星减速机构还包括：压盖，与所述行星架相对设置并连接于所述行星齿轮的两侧；和第二轴承，所述第二轴承的内圈套接有所述太阳轴，所述第二轴承的外圈套接有所述压盖。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述行星减速机构还包括：连接杆，位于所述内齿轮和太阳轴之间，所述连接杆的一端与所述行星架连接，所述连接杆的另一端与所述压盖连接。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述所述行星减速机构还包括：第三轴承，所述第三轴承的外圈与所述外壳连接，所述第三轴承的内圈的一端与所述行星架连接，所述第三轴承的内圈的另一端作为所述一体化电动关节模组的动力输出。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述转子包括：回转架和永磁磁钢；所述回转架呈筒型，所述回转架的外侧壁与所述外壳的内侧壁有间隔，所述回转架的内侧壁设置有所述永磁磁钢，所述回转架的一端与所述外壳转动连接。

在如上所述的一体化电动关节模组中，优选地，所述内齿轮通过端盖与所述外壳连接，所述内齿轮和所述端盖在所述外壳的轴向上相对设置，所述内齿轮与所述端盖之间设置有O型密封圈，所述内齿轮与所述定子设置有唇型密封圈。

本发明的技术方案具有的有益效果：

通过将无框伺服电机、行星减速机构、编码器和电机驱动器集成为一体，并设置于外壳内，形成了一种集成化的关节模组。该关节模组结构紧凑，极大地减小了关节模组外形尺寸，并具有轻型化、模块化的特点，适合作为基本的驱动运动单元搭建各种轮式移动机器人、足式移动机器人、机械臂、穿戴式机器人等。该关节模组能实现高精度运动控制，具有较高可靠性，同时输出力矩大，外形尺寸可以扁平。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例提供的一种一体化电动关节模组的***结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种一体化电动关节模组的剖视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种一体化电动关节模组的行星减速机构的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种一体化电动关节模组的立体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种一体化电动关节模组的立体结构示意图。

附图标记说明：

1、端盖；2、第三轴承；3、行星减速机构；

31、行星齿轮；32、行星架；33、内齿轮；34、滚针轴承；35、压盖；36、滚针轴；37、第二轴承；38、太阳轴；

4、无框伺服电机；5、回转架；6、第一轴承；7、电机驱动器；71、控制板；72、功率板；8、编码器；9、外壳；10、编码器；11、套筒；12、螺钉；13、第一O型密封圈；14、定子；15永磁磁钢；16、Vd型橡胶密封圈；17、第二O型密封圈。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明中一体化电动关节模组的结构如图1～5所示，其包括无框伺服电机4、行星减速机构3、编码器(或称编码器检测装置)8、电机驱动器(或称驱动控制器)7和外壳9。其中，无框伺服电机4作为一体化电动关节模组的动力输入，通过行星减速机构3实现一体化电动关节模组的动力输出。由于本模组为关节模组，所以外壳9可以称为关节外壳。

外壳9呈筒形，以形成容纳空间。外壳9可以包括：筒体和与筒体的一端连接的筒底。无框伺服电机4用于提供动力，其设置于外壳9内，包括定子(或称电机定子)14和转子(或称电机转子)，转子位于定子14的外侧，即无框伺服电机4采用外转子结构。图5中面对读者的是外壳9的筒底。

转子包括：永磁磁钢15和回转架5。回转架5转动地设置于外壳9内，并位于定子14的外侧，回转架5的内侧壁设置有永磁磁钢15(设置的方式可以是粘接或嵌入)以使永磁磁钢15与回转架5同步转动，永磁磁钢15与定子14之间有间隙。粘接时可选用高强度粘结剂。

行星减速机构3与无框伺服电机4连接，用于对无框伺服电机4提供的旋转速度进行减速，然后输出，其设置于外壳9内，并位于定子14内侧。具体地，行星减速结构3包括：太阳轴38、行星齿轮31、内齿轮(或称内齿圈)33和行星架32。太阳轴38作为行星减速机构3的输入端，并与转子的回转架5连接以在回转架5的带动下与回转架5一起转动，从而形成本模组的高速轴。行星齿轮31位于太阳轴38和内齿轮33之间，并分别与两者啮合。行星架32与行星齿轮31连接，如行星齿轮31套接有一轴承，该轴承内套接有一轴，行星架32安装于该轴的一端上，进而使得行星架32随着行星齿轮31的转动而转动，从而可以将行星架32作为行星减速机构3的输出端，即本模组的输出端(或称为低速输出轴)。该轴承和轴可以选用滚针轴承34和滚针轴36。内齿轮33与外壳9连接，具体地，可连接于端盖(或称关节端盖)1上，端盖1在与外壳9的筒体连接，此时端盖1和筒底位于筒体的两侧。在内齿轮33的外侧壁上设置有定子14，使得内齿轮33和定子14均为该关节模组的静止部件，即在该关节模组运行过程中，两者静止不动，对于行星减速机构3来说，行星减速机构3采用的是内齿轮33固定，太阳轴38输入，行星架32输出的结构。设置定子14的方式可以是粘接在内齿轮31的外侧壁上，配合方式是过渡或过盈配合，如此可以增加连接可靠性，防止松动剂脱落。可选地，行星减速机构3为单极行星减速器，行星齿轮31的数目为多个，可以是3个或其他数值。为降低啮合噪声、提高精度，行星减速机构3的啮合采用斜齿轮啮合(即齿是斜齿)。应用时，太阳轴38与回转架5刚性连接，并与之同步转动，同时太阳轴38作为行星减速机构3的输入，其与行星齿轮31啮合，通过齿轮啮合作用带动行星齿轮31围绕太阳轴38进行旋转，得到减速目的，进而通过与行星齿轮31连接的行星架32实现力矩的输出。行星架32可以称为行星架输出法兰。

编码器10用于检测太阳轴38的位置和速度信息，其设置于太阳轴38上并位于外壳9内。电机驱动器7位于外壳9内，与编码器10和定子14信号连接，用于接收编码器10检测的太阳轴38的位置和速度信号，然后对其处理得到指令信号，该指令信号用于控制无框伺服电机4动作。得到指令信号的方式以及控制的方式均为现有技术，本实施例对此不进行详细说明。

通过将无框伺服电机4、行星减速机构3、编码器10和电机驱动器7集成为一体，并设置于外壳9内，形成了一种集成化的关节模组，因此可以将其称为一种集成驱动传动控制于一体的电动关节模组。该关节模组结构紧凑，极大地减小了关节模组外形尺寸，并具有轻型化、模块化的特点，适合作为基本的驱动运动单元搭建各种轮式移动机器人、足式移动机器人、机械臂、穿戴式机器人等。该关节模组能实现高精度运动控制，具有较高可靠性，同时输出力矩大，外形尺寸可以扁平。

回转架5可以通过第一轴承6转动地设置于外壳9内。为了便于集成，电机驱动器7呈板状，其上开有通孔，通孔内设置有第一轴承6，通孔的孔壁与第一轴承6的外圈之间有间隔，即内径大于该外圈的外径以避免第一轴承6的外圈与通孔发生干涉，此时，电机驱动器7置于第一轴承6的外圈与外壳9之间的空间内，利于减小关节模组的外形尺寸，第一轴承6的外圈与回转架5连接以使该外圈随着回转架5的转动而转动，第一轴承6的内圈与外壳9连接以使外壳9提供支撑，如此使得本关节模组结构紧凑的同时，较常规的轴承外圈固定，内圈转动的设置方式，还提高了结构强度。回转架5呈筒形，具有筒体和筒底，筒底与太阳轴38连接，筒体上设置有永磁磁钢15。

编码器10置于第一轴承6的内圈内，即位于该内圈形成的空腔内，其外径可以小于该内圈的内径，以利于减小关节模组外形尺寸。编码器10包括编码器转子和编码器定子，编码器转子设置在太阳轴38上以随太阳轴38同步转动，从而利于实时检测关节位置和速度信息。设置的方式可以是通过紧定螺钉固定在太阳轴38上。编码器定子位于编码器转子外侧，并设置在外壳9上，可以通过套筒11和螺钉12设置，套筒11的两端分别设置有内螺纹，套筒11的一端与外壳9通过螺钉连接，套筒11的另一端通过螺钉12与编码器定子连接。套筒11两端的内螺纹的旋向不同，如此利于稳定连接。优选地，编码器10采用精度高、体积小的增量型编码器。

电机驱动器7采用双层板结构，其包括：控制板71和功率板72。功率板72搭载有功率器件，控制板71搭载有控制组件。功率板72相对于控制板71靠近筒底，换言之，远离关节模组的动力输出端，如此利于功率板72的散热。控制板71和功率板72通过支撑杆连接形成整体机构。电机驱动器7的通孔可以开设在控制板71上，还可以开设在功率板72上，又可以既开设在控制板71上，又开设在功率板72上，两种板上的通孔相对以形成一个贯通的孔，其内径大于第一轴承6的外圈的外径，此时，两种板均呈环形结构。

第一轴承6采用谐波减速器器用刚性轴承，该类轴承具有很高的刚度、精度以及复合承载能力，尤其适用于采用斜齿轮啮合的行星减速机构。第一轴承6可以为十字交叉轴承，由于其滚动体为圆柱滚子，互成90°地垂直排列在V型滚道中，使得该轴承可同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩等各个方向的载荷。应用时，可以采用带法兰的SHG系列十字交叉轴承，该系列轴承内、外圈法兰均仅提供一个配合安装面，即先将回转架与轴承外圈法兰进行螺纹连接，而轴承内圈法兰通过螺纹连接固定在外壳9上。

在关节模组中各部件转动时，为了提供更好地支撑或相互支持，行星减速机构3还包括：压盖(或称行星架压盖)35和第二轴承37。压盖35与行星齿轮31连接以在行星齿轮31的带动下转动，连接方式可参见关于行星架32与行星齿轮31的连接方式，由于压盖35与行星架32都与行星齿轮31连接，因此两者可以共用一根轴，此时该轴的另一端伸出与轴配合的轴承外，并与压盖35连接。压盖35和行星架32相对设置并位于行星齿轮31的两侧，在图2中，压盖35位于行星齿轮31的右侧，行星架32位于行星齿轮31的左侧。第二轴承37的内圈套接有太阳轴38以随太阳轴38一起转动，其为高速转动，第二轴承37的外圈套接有压盖35以随行星齿轮31一起转动，其为低速转动。通过设置第二轴承37，使得高速轴侧采用了双支撑方式(第二轴承+第一轴承)，相对仅设置的第一轴承6，新增一支撑点，避免了悬臂结构，能分担齿轮啮合产生的轴向和径向载荷，提升关节模组寿命。该轴承可以选用球轴承或滚柱轴承，具体根据承受载荷或工作条件限制来确定。

在压盖35和行星架32之间连接有连接杆，如此使得两者连接为一个整理，并形成分体笼式行星架，连接杆位于内齿轮33和太阳轴38之间，并与行星齿轮31有间隔，如此利于行星架32和压盖35的同步转动。连接杆的数量可以为一个，也可以为多个。

为了提高支撑强度，减少应用时关节模组负载对行星减速机构3的损坏，行星减速机构3还包括：第三轴承2，第三轴承2的外圈与外壳9连接，第三轴承2的内圈的一端与行星架32连接，第三轴承2的内圈的另一端作为一体化电动关节模组的动力输出，使得关节负责由第三轴承承载，并直接将力传递给外壳9上。第三轴承优选采用谐波减速器器用刚性轴承，可以为十字交叉轴承，应用时，可以采用带法兰的CSG系列十字交叉轴承，该系列轴承的外圈法兰提供一个配合安装面，而内圈法兰提供正、反两个方向配合安装面，正方向(如图2中向左方向)配合安装面上分布一组螺纹孔，而反方向(如图2中向右方向)配合安装面上不仅分布一组螺纹孔，还有一组用于定位的销孔。将行星架32与该轴承内圈法兰的反方向配合安装面进行螺纹连接，为提高传动进度，可***定位销，而正方向配合安装面作为输出面。轴承外圈法兰可通过螺纹连接与外壳连接，具体地，可连接于端盖1上，端盖1在与外壳9的筒体连接。当第三轴承2与第二轴承37同时存在时，行星减速机构3采用了双支撑方式，其输入侧采用第二轴承37支撑，即第二轴承37的内圈随太阳轴38高速旋转，而第二轴承37的外圈随压盖35低速旋转。

为了便于内齿轮与外壳的连接，在外壳9的一端(与外壳9的筒底相对的一端)设置有端盖1，其可以通过螺钉与外壳9连接，内齿轮33和端盖1在外壳9的轴向上相对设置，内齿轮位于端盖的内侧(如图2中的右侧)，内齿轮33与端盖1之间设置有第一O型密封圈13以实现静密封，内齿轮33与定子14之间设置有唇型密封圈以实现动密封，唇形密封圈采用Vd型橡胶密封圈16。如此设置密封圈，可以防止行星减速机构3内部油脂泄露(通常为了使啮合更为顺滑，减小啮合摩擦和噪声，提高零部件寿命，在行星减速机构、轴承内部会灌注润滑油)，保证防尘防水性能，保证内部精密零件损坏，还能够防止发生松动、脱落等现象，增加不同部件之间连接的可靠性。为了增加密封性，太阳轴38与回转架5之间设置有第二O型密封圈17，即两者的配合安装面之间设置有第二O型密封圈17。

电机驱动器7上设有DC48V电源接口、RS485通讯接口、CAN或EtherCAT通信接口，如此方便对接多种上层控制器及常见控制器。通过DC48V电源接口外接蓄电池等电源，为电机驱动器7提供电能，DC48V电源更加安全，具有欠压、过压、过流、过温等保护功能。RS485通讯接口和EtherCAT通信接口用于连接通讯线缆，以传输数据信号；CAN总线为无线传输方式，节省布线，使得结构更加简单、轻巧，通过上述接口能够方便对接多种上层控制器及常见控制器，实用性更好。无框伺服电机4的动力线可以经过端盖1、外壳9与电机驱动器7相连。具体的，驱动控制器7与无框伺服电机4、编码器22信号连接，既可以通过RS485通讯接口或EtherCAT通信接口进行有线连接通讯，也可通过CAN总线进行无线连接通讯。

端盖1、关节外壳9的筒底及回转架17均采用铝合金压铸制成，并在满足强度前提下，适当对其在径向方向开减重孔，以及对外壳9的筒体在轴向方向开有减重孔，能够提高制造效率，降低零部件成本，具有较好散热性能，同时减轻关节模组的整体重量。

本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

通过将无框伺服电机、行星减速机构、编码器和电机驱动器集成为一体，并设置于外壳内，形成了一种集成化的关节模组。该模组结构紧凑，极大地减小了关节模组外形尺寸，并具有轻型化、模块化的特点，适合作为基本的驱动运动单元搭建各种轮式移动机器人、足式移动机器人、机械臂、穿戴式机器人等。该关节模组能实现高精度运动控制，具有较高可靠性，同时输出力矩大，外形尺寸可以扁平。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化电动关节模组，其特征在于，所述一体化电动关节模组包括：

外壳，呈筒形；

无框伺服电机，用于提供动力，包括：定子和位于所述定子外侧的转子，所述转子转动地设置于所述外壳内；

行星减速机构，设置在所述定子内侧，包括太阳轴、行星齿轮、内齿轮和行星架，所述太阳轴与所述转子连接以随所述转子一起转动，所述内齿轮与所述外壳连接，且所述内齿轮的外侧壁设置有所述定子，所述行星架与啮合设置于所述太阳轴和所述内齿轮之间的行星齿轮连接，并作为所述一体化电动关节模组的动力输出端；

编码器，位于所述外壳内，设置于所述太阳轴上；和

电机驱动器，位于所述外壳内，与所述编码器和所述定子连接。

2.根据权利要求1所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述电机驱动器呈板状，开有通孔，所述通孔内转动设置有第一轴承，所述第一轴承的外圈与所述转子连接，所述第一轴承的内圈与所述外壳连接。

3.根据权利要求2所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述编码器位于所述第一轴承的内圈内。

4.根据权利要求2所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述电机驱动器包括：相对设置并通过支撑杆连接的控制板和功率板；

所述控制板相对所述功率板靠近所述行星架；

所述控制板和/或所述控制板开有所述通孔。

5.根据权利要求2所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述第一轴承为十字交叉轴承。

6.根据权利要求1所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述行星减速机构还包括：

压盖，与所述行星架相对设置并连接于所述行星齿轮的两侧；和

第二轴承，所述第二轴承的内圈套接有所述太阳轴，所述第二轴承的外圈套接有所述压盖。

7.根据权利要求6所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述行星减速机构还包括：

连接杆，位于所述内齿轮和太阳轴之间，所述连接杆的一端与所述行星架连接，所述连接杆的另一端与所述压盖连接。

8.根据权利要求1或6所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述所述行星减速机构还包括：

第三轴承，所述第三轴承的外圈与所述外壳连接，所述第三轴承的内圈的一端与所述行星架连接，所述第三轴承的内圈的另一端作为所述一体化电动关节模组的动力输出。

9.根据权利要求1所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述转子包括：回转架和永磁磁钢；

所述回转架呈筒型，所述回转架的外侧壁与所述外壳的内侧壁有间隔，所述回转架的内侧壁设置有所述永磁磁钢，所述回转架的一端与所述外壳转动连接。

10.根据权利要求1所述的一体化电动关节模组，其特征在于，所述内齿轮通过端盖与所述外壳连接，所述内齿轮和所述端盖在所述外壳的轴向上相对设置，所述内齿轮与所述端盖之间设置有第一O型密封圈，所述内齿轮与所述定子之间设置有唇型密封圈。

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