CN111828549A - 一种四足机器人关节动力模组 - Google Patents

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Abstract

一种四足机器人关节动力模组，包括外壳，以及设置在外壳内的电机和减速机，所述电机包括定子铁芯内圈、外转子磁体保持架，所述减速机包括太阳轮、行星轮、行星轮支撑轴、行星减速机齿圈、力矩输出法兰盘，所述定子铁芯内圈固设于外壳内，所述外转子磁体保持架套设在定子铁芯内圈的周侧，所述力矩输出法兰盘可转动地设于外壳上，所述行星轮支撑轴固设于力矩输出法兰盘上，所述行星轮套接在行星轮支撑轴的周面，所述太阳轮固设于外转子磁体保持架上，若干所述行星轮围绕设置在所述太阳轮的周侧，所述行星减速机齿圈固设于外壳内并套设在若干所述行星轮的周侧。本发明的电机和减速机一体化，减小空间占用，执行关节响应速度快。

Description

一种四足机器人关节动力模组
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤指一种四足机器人关节动力模组。
背景技术
目前，在全球范围内，很多研究机构都在积极设计四足机器人，且四足机器人逐渐商用化。因为结构、重力、动力、强度的约束，常见的四足机器人的体重在20公斤到100公斤居多，成本高，并且因为体积和重量都偏大，严重影响到产品商业化的速度。因此如何做得更轻、更小，成为突破四足机器人商业化的关键。
如上所述，把四足机器人重量做的更轻、体积做的更小、价格做的更低，是比较关键的要点，以上要点在四足机器人核心组件中，关节动力模组的设计正是本申请所要描述的。常规机器人的关节动力模组设计电机与减速机在轴向上长度直接叠加，这会造成轴向尺寸过大，不利于四足机器人多关节空间上的最小化，而且因为电机和减速机的分开设计，增多冗余部件，不利于减轻重量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种四足机器人关节动力模组，电机和减速机一体化，有效节省空间的占用，力矩输出法兰盘的转动惯量小，执行关节响应速度快。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种四足机器人关节动力模组，包括外壳，以及设置在外壳内的电机和减速机，所述电机包括定子铁芯内圈、外转子磁体保持架，所述减速机包括太阳轮、行星轮、行星轮支撑轴、行星减速机齿圈、力矩输出法兰盘，所述定子铁芯内圈固设于外壳内，所述外转子磁体保持架套设在定子铁芯内圈的周侧，且外转子磁体保持架的内壁设有转子磁铁组，所述力矩输出法兰盘可转动地设于外壳上，所述行星轮支撑轴固设于力矩输出法兰盘上，所述行星轮套接在行星轮支撑轴的周面，所述太阳轮固设于外转子磁体保持架的中心轴线上，若干所述行星轮围绕设置在所述太阳轮的周侧，且太阳轮与行星轮啮合，所述行星减速机齿圈固设于外壳内并套设在若干所述行星轮的周侧，且行星轮与行星减速机齿圈啮合。
进一步地，所述外转子磁体保持架的中心设有编码器磁铁，所述外壳上设有用于检测所述编码器磁铁转动信息的位置编码器芯片。
进一步地，所述外转子磁体保持架上固设有超低功耗霍尔检测元件，所述超低功耗霍尔检测元件用于检测定子铁芯内圈和转子磁铁组之间的磁极更替，所述超低功耗霍尔检测元件与位置编码器芯片电性连接。
进一步地，所述减速机还包括行星减速机支架，所述行星轮支撑轴的一端与法兰盘固定连接，所述行星轮支撑轴的另一端与行星减速机支架固定连接。
进一步地，所述行星减速机支架容纳在外转子磁体保持架的内部空间。
进一步地，所述外壳上开设有与力矩输出法兰盘对应的工作口，所述行星轮支撑轴贯穿力矩输出法兰盘并从工作口伸出。
进一步地，所述外壳内一体成型有齿圈放置薄壁，所述行星减速机齿圈固定装配在所述齿圈放置薄壁内。
进一步地，所述外转子磁体保持架的中心部分通过转子轴承与外壳转动连接，所述太阳轮的端部通过太阳轮旋转轴承与力矩输出法兰盘转动连接。
进一步地，所述外壳包括固定主壳体和输出组件端盖，所述固定主壳体和输出组件端盖上设有对应的固定孔，通过固定件依次***固定孔，所述输出组件端盖与固定主壳体固定连接。
进一步地，所述输出组件端盖包括中心体和环边体，所述中心体和环边体内外套设，且环边体通过若干连接支撑翅与中心体固定连接。
本发明的有益效果在于：本发明的电机和减速机为串联结构，即电机和减速机在轴向长度上叠加，这样电机和减速机可以分开装配和测试，便于四足机器人的组装；通过将电机和减速机一体化，减少了冗余部件的设计，显著减少轴向长度和重量，有利于四足机器人多关节空间上的最小化，减少多部件叠加耦合，提高对精度的需求；并且，本发明采用的是外转子电机，外转子磁体保持架通过行星减速机齿轮组连接力矩输出法兰盘，使得力矩输出法兰盘的转动惯量小，机器人执行关节响应速度会比较快。
附图说明
图1是本发明实施例的前视角结构示意图；
图2是本发明实施例的的后视角结构示意图；
图3是本发明实施例的前视角零件***图；
图4是本发明实施例的后视角零件***图；
图5是本发明实施例的前视图；
图6是图5的A-A处剖视图；
图7是本发明实施例的侧视图；
图8是图7的B-B处剖视图。
附图标号说明：
1-外壳；
11-固定主壳体；12-输出组件端盖；13-电机驱动线路板；14-后保护端盖；
121-齿圈放置薄壁；122-工作口；123-固定孔；124-固定件；125-中心体；126-环边体；127-连接支撑翅；
21-定子铁芯内圈；22-外转子磁体保持架；23-外转子磁铁组；24-编码器磁铁；25-超低功耗霍尔检测元件；26-转子轴承；27-太阳轮旋转轴承；
31-太阳轮；32-行星轮；33-行星轮支撑轴；34-行星减速机齿圈；35-力矩输出法兰盘；36-行星减速机支架；37-连接孔；38-力矩输出端轴承；39-行星轮固定轴承。
具体实施方式
请参阅图1-2，本发明关于一种四足机器人关节动力模组，包括外壳1，以及设置在外壳1内的电机和减速机，如图3-4，所述电机包括定子铁芯内圈21、外转子磁体保持架22，所述减速机包括太阳轮31、行星轮32、行星轮支撑轴33、行星减速机齿圈34、力矩输出法兰盘35，如图5-8，所述定子铁芯内圈21固设于外壳1内，所述外转子磁体保持架22套设在定子铁芯内圈21的周侧，且外转子磁体保持架22的内壁设有转子磁铁组，所述力矩输出法兰盘35可转动地设于外壳1上，所述行星轮支撑轴33固设于力矩输出法兰盘35上，所述行星轮32套接在行星轮支撑轴33的周面，所述太阳轮31固设于外转子磁体保持架22的中心轴线上，若干所述行星轮32围绕设置在所述太阳轮31的周侧，且太阳轮31与行星轮32啮合，所述行星减速机齿圈34固设于外壳1内并套设在若干所述行星轮32的周侧，且行星轮32与行星减速机齿圈34啮合。
本发明提供的四足机器人的关节动力模组，主要由外转子电机、内置行星减速机和外固定壳体三大部分组成。定子铁芯内圈21固定装配在外壳1内，外转子磁体保持架22与外壳1转动连接并套设在定子铁芯内圈21的周侧。容易理解的是，电机还包括驱动器，驱动器用于控制外转子磁体保持架22内的转子磁铁组与定子铁芯内圈21发生相对转动，使外转子磁体保持架22产生转动。显而易见的是，电机其余部分的结构及连接方式均可采用现有外转子电机的设置；同样地，减速机其余部分的结构及连接方式均可采用现有减速机的设置，在此不一一赘述。
本发明的四足机器人关节动力模组的工作原理如下：
如图8所示，工作时，定子铁芯内圈21固定不动，外转子磁体保持架22通过其上的外转子磁铁组23与定子铁芯内圈21发生磁性作用产生转动，太阳轮31跟随外转子磁体保持架22同步转动；太阳轮31通过与三个行星轮32的啮合带动三个行星轮32自转，三个行星轮32在自转的同时与行星减速机齿圈34作啮合运动，从而形成绕太阳轮31的公转，完成减速作用。三个行星轮32通过三个行星轮支撑轴33带动力矩输出法兰盘35作圆周运动，减速后的力矩由力矩输出法兰盘35输出，最终电机经过减速机输出力矩。
本发明的电机和减速机为串联结构，即电机和减速机在轴向长度上叠加，具体表现为行星减速机齿轮组(太阳轮31、行星轮32、行星减速机齿圈34)和电机定子组(定子铁芯内圈21)的空间位置为长度叠加，这样电机和减速机可以分开装配和测试，便于四足机器人的组装；通过将电机和减速机一体化，减少了冗余部件的设计，显著减少轴向长度和重量，有利于四足机器人多关节空间上的最小化，减少多部件叠加耦合，提高对精度的需求；并且，本发明采用的是外转子电机，外转子磁体保持架22通过行星减速机齿轮组连接力矩输出法兰盘35，使得力矩输出法兰盘35的转动惯量小，机器人执行关节响应速度会比较快。此外，电机和减速机部分通过外壳1包围保护，当关节受到外力冲击时不会直接冲击到电机和减速机部分，提高了强度。
请参阅图1-4，作为本实施例的一种优选方式，所述外壳1包括固定主壳体11和输出组件端盖12，所述固定主壳体11和输出组件端盖12上设有对应的固定孔123，通过固定件124依次***固定孔123，所述输出组件端盖12与固定主壳体11固定连接。
本实施例中，所述输出组件端盖12盖设在固定主壳体11的前端。需要说明的是，固定主壳体11的前端指的是力矩输出的一端，固定主壳体11的后端指的是与前端相反的一端。固定主壳体11的后端还设有电机驱动线路板13，所述电机驱动线路板13上集成有驱动电路，用于控制电机的转动。电机驱动线路板13的表面盖设有后保护端盖14。
本实施例中的固定孔123为螺牙孔，固定件124为螺栓，固定主壳体11与输出组件端盖12套合时，二者的螺牙孔一一对准，通过螺栓旋入螺牙孔，固定主壳体11和输出组件端盖12连接在一起，通过上述方式使得外壳1的组装方法简单，便于拆修。前后端盖平面设计，进一步减少轴向尺寸。
请参阅图3-4，作为本实施例的一种优选方式，所述输出组件端盖12包括中心体125和环边体126，所述中心体125和环边体126内外套设，且环边体126通过若干连接支撑翅127与中心体125固定连接。
通过若干辐射状分布的连接支撑翅127来连接中心体125和环边体126，采用楼口设计节约了原材料，降低了制造成本，减轻了输出组件端盖12的重量。封闭设计可做为备选方案，防水防尘。同样地，固定主壳体11也采用上述镂空结构，不再赘述。
作为本实施例的一种优选方式，定子铁芯线圈固定在固定主壳体11内，直接作为力矩输出固定部分，使得电机部分设计简洁。
请参阅图3-4，作为本实施例的一种优选方式，所述外转子磁体保持架22的中心设有编码器磁铁24，所述固定主壳体11上设有用于检测所述编码器磁铁24转动信息的位置编码器芯片。
位置编码器芯片集成在电机驱动线路板13上，编码器磁铁24转动时，位置编码器芯片通过解析磁场变化产生的输出电压信号，就能够识别出编码器磁铁24的旋转位置，从而可以精确的反应出转子和定子的相对电角度位置，为伺服控制提供精确的位置反馈信号。
请参阅图3-4，作为本实施例的一种优选方式，所述外转子磁体保持架22上固设有超低功耗霍尔检测元件25，所述超低功耗霍尔检测元件25用于检测定子铁芯内圈21和转子磁铁组之间的磁极更替，所述超低功耗霍尔检测元件25与位置编码器芯片电性连接。
电机经过减速机输出力矩，这种关节组件，力矩输出法兰盘35旋转180度，需要电机(外转子磁体保持架22)旋转3圈。因此编码器只能记录外转子磁铁组23与定子铁芯内圈21的相对位置，并以此位置换算出力矩输出法兰盘35的绝对位置，在***上电后，绝对位置要每次重新寻找零点。
为解决关机后绝对位置的保持与跟踪问题，本实施例在外转子磁体保持架22的圆周边缘位置安置有超低功耗霍尔检测元件25，需要说明的是，此处的超低功耗指的是***断电后，超低功耗霍尔检测元件25只需要10微安的电流就能工作。***断电后，此超低功耗霍尔检测元件25在超低功耗下工作，当外界触动腿部时候，转子部分会被迫发生转动，此时外转子磁体保持架22会发生转动，外转子磁体保持架22上的超低功耗霍尔检测元件25会检测到磁级的更替，去迅速触发位置编码器芯片醒来而恢复工作状态，进行准确计数。这样在***断电后，重新上电时，机器人的主控CPU读取位置编码器芯片上关于的力矩输出法兰盘35的位置信息，省去了每次上电时重新找零的麻烦。需要说明的是，此处超低功耗霍尔检测元件25对的位置编码器芯片的唤醒电路可以采用本领域的现有技术，该唤醒电路的具体设置不是本发明所要保护的内容，故本发明对该唤醒电路的具体设置不作限定和详述。
作为本实施例的一种优选方式，所述减速机还包括行星减速机支架36，所述行星轮支撑轴33的一端与法兰盘固定连接，所述行星轮支撑轴33的另一端与行星减速机支架36固定连接。
行星减速器支架和力矩输出法兰盘35分别位于行星轮32的前后两方，三个行星轮支撑轴33以等边三角形的位置固定在行星减速器支架上，力矩输出法兰盘35与三个行星轮支撑轴33连接，三个行星轮32通过行星轮固定轴承39套接在各自的行星轮支撑轴33上。行星减速器支架为三个行星轮支撑轴33及三个行星轮32提供了稳定的安装位置，保证行星轮32的自转和公转运动过程的平稳性。
请参阅图3-4、7-8，作为本实施例的一种优选方式，所述行星减速机支架36容纳在外转子磁体保持架22的内部空间。
具体地，外转子磁体保持架22的中心轴线上设有安装太阳轮31的空心圆柱座，所述太阳轮31的一端插接在该空心圆柱座内，所述行星减速机支架36通过轴承套接在该空心圆柱座的周面。通过将外转子磁体保持架22的内部留出空间，容纳行星减速机支架36部分，从而减少本四足机器人关节动力模组的轴向高度，有效的节省了对空间的占用。
请参阅图1-4，作为本实施例的一种优选方式，所述输出组件端盖12上开设有与力矩输出法兰盘35对应的工作口122，所述行星轮支撑轴33贯穿力矩输出法兰盘35并从工作口122伸出。
力矩输出法兰盘35从输出组件端盖12上的工作口122露出，力矩输出法兰盘35的端面对应三个行星轮支撑轴33的位置处开设有连接孔37，行星轮支撑轴33贯穿连接孔37突出为销钉状，作为连接下一级的连接销。行星轮支撑轴33穿过力矩输出法兰盘35上的连接孔37并突出一节变为径向力矩销钉，增加了径向抗扭力强度。
请参阅图3-4，作为本实施例的一种优选方式，所述输出组件端盖12内一体成型有齿圈放置薄壁121，所述行星减速机齿圈34固定装配在所述齿圈放置薄壁121内。
输出组件端盖12的输出组件端盖12内设有齿圈放置薄壁121，行星减速机齿圈34就安装在该齿圈放置薄壁121内，不需要多余零件件介入行星减速机齿圈34与输出组件端盖12做填充，降低加工难度。
作为本实施例的一种优选方式，所述外转子磁体保持架22的中心部分通过转子轴承26与固定主壳体11转动连接，所述太阳轮31的端部通过太阳轮31旋转轴承27与力矩输出法兰盘35转动连接。
采用上述方案，外转子磁体保持架22、太阳轮31均与外壳1连接，保证了外转子磁体保持架22及太阳轮31运动的平稳性，同时通过轴承减少了转动过程中的磨损。
作为本实施例的一种优选方式，所述力矩输出法兰盘35通过力矩输出端轴承38与输出组件端盖12转动连接。
力矩输出法兰盘35通过力矩输出端轴承38装配在输出组件端盖12内，保证了力矩输出法兰盘35的运动平稳，减少了力矩输出法兰盘35的磨损。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：包括外壳，以及设置在外壳内的电机和减速机，所述电机包括定子铁芯内圈、外转子磁体保持架，所述减速机包括太阳轮、行星轮、行星轮支撑轴、行星减速机齿圈、力矩输出法兰盘，所述定子铁芯内圈固设于外壳内，所述外转子磁体保持架套设在定子铁芯内圈的周侧，且外转子磁体保持架的内壁设有转子磁铁组，所述力矩输出法兰盘可转动地设于外壳上，所述行星轮支撑轴固设于力矩输出法兰盘上，所述行星轮套接在行星轮支撑轴的周面，所述太阳轮固设于外转子磁体保持架的中心轴线上，若干所述行星轮围绕设置在所述太阳轮的周侧，且太阳轮与行星轮啮合，所述行星减速机齿圈固设于外壳内并套设在若干所述行星轮的周侧，且行星轮与行星减速机齿圈啮合。
2.根据权利要求1所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述外转子磁体保持架的中心设有编码器磁铁，所述外壳上设有用于检测所述编码器磁铁转动信息的位置编码器芯片。
3.根据权利要求2所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述外转子磁体保持架上固设有超低功耗霍尔检测元件，所述超低功耗霍尔检测元件用于检测定子铁芯内圈和转子磁铁组之间的磁极更替，所述超低功耗霍尔检测元件与位置编码器芯片电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述减速机还包括行星减速机支架，所述行星轮支撑轴的一端与法兰盘固定连接，所述行星轮支撑轴的另一端与行星减速机支架固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述行星减速机支架容纳在外转子磁体保持架的内部空间。
6.根据权利要求1所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述外壳上开设有与力矩输出法兰盘对应的工作口，所述行星轮支撑轴贯穿力矩输出法兰盘并从工作口伸出。
7.根据权利要求1所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述外壳内一体成型有齿圈放置薄壁，所述行星减速机齿圈固定装配在所述齿圈放置薄壁内。
8.根据权利要求1所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述外转子磁体保持架的中心部分通过转子轴承与外壳转动连接，所述太阳轮的端部通过太阳轮旋转轴承与力矩输出法兰盘转动连接。
9.根据权利要求1所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述外壳包括固定主壳体和输出组件端盖，所述固定主壳体和输出组件端盖上设有对应的固定孔，通过固定件依次***固定孔，所述输出组件端盖与固定主壳体固定连接。
10.根据权利要求8所述的一种四足机器人关节动力模组，其特征在于：所述输出组件端盖包括中心体和环边体，所述中心体和环边体内外套设，且环边体通过若干连接支撑翅与中心体固定连接。
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