CN111890410A - 一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，包括关节壳体、永磁同步电动机、谐波减速器、电机端编码器、输出端编码器、制动器、驱动器等。本发明由永磁同步电机带动谐波减速器转动，利用输出返回轴将输出端编码器后置。电机端集成扁平式掉电永磁保护制动器，可在紧急状况下制动关节并保持姿态。关节后端集成驱动器和控制器。采用电机输出主轴和波发生器一体化的机械结构设计，能够有效的减少关节质量，简化关节结构，增加结构刚度。采用中空走线的布线方式，能够实现关节电机的360°连续转动。采用CAN总线通信方式，可实现多关节通信控制。该发明有效的增加了关节集成度、定位精度和稳定性，减轻关节质量，简化了走线。

Description

一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节。

背景技术

随着协作机器人技术的发展，对其核心零部件也提出了更高的要求。协作机器人关节是机器人运动的核心部件，模块化、轻量化、高精度的一体化机器人关节是机器人关节的发展趋势。协作机器人因其自身的特点对关节提出了，小型化，轻量化、扭矩自重比大、高精度、高度集成一体化关节模组。随着集成技术的发展，也对协作机器人关节提出了驱控一体的要求，来减低协作机器人关节在机器人中使用的难度。

传统的机器人关节多采用减速器和电机的简单组合，无法做到高度集成，关节缺少核心部件或者冗余部件，多数关节没有根据协作机器人的特性要求集成和减少部件。传统的协作机器人关节根据减速原理可以分为减速箱关节、行星减速器关节、谐波减速器关节。减速箱式关节和行星减速器关节拥有价格成本低，设计结构简单的优点，但是在搭建机器人中减速箱式关节和行星减速器不容易实现中空走线结构，并且减速比低，无法在大扭矩需求下使用，谐波减速器关节能更好的满足协作机器人的要求。传统的协作机器人关节在结构上使用谐波减速器壳体，输出端编码器壳体、输出法兰盘、转接固定件或法兰、多个轴承固定架、联轴器、制动器固定架等。结构复杂、体积较大。

根据国家标准GB11291要求，协作机器人需要满足危险识别能力，机器人关节作为协作机器人的核心驱动硬件，需要满足紧急制动的能力，拥有专用扁平、小体积、大孔径的机器人关节制动器的机器人关节能够最好的满足国家标准的要求。现有的机器人关节多采用卡盘式、插销式、通用式制动器，卡盘式和插销式制动器有制动间隙，不能做到完全定位，通用永磁式制动器口径小、制动力矩过大、质量体积过大、不能很好的满足协作机器人对关机质量的要求。

如上，传统的协作机器人关节存在以下问题：结构复杂且沉重，体积庞大；集成程度不够、各部分之间没有做到共用结构；协作机器人关节集缺少关键部件，如制动器、输出端编码器、驱动控制器等。

发明内容

本发明根据协作机器人的特性要求，采用单一壳体设计，电机主轴和波发生器一体化主轴设计，集成双编码器，采用扁平化专用永磁失电制动器，能够更好的满足国家标准和协作机器人性能的要求。

本发明的目的在于克服上述现有的技术不足，解决了传统制动器结构复杂的问题，简化结构减少连接件和固定件，使关节简单化轻量化；采用扁平大口径电磁制动器，增加制动精度的同时减少关机体积，驱控一体且预留力矩传感器安装法兰和中空走线结构，可根据需要在末端或任意关节加装力矩传感器。

为了解决技术问题本发明采用的技术方案是：

一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，包括壳体、谐波减速器、磁同步电动机、谐波减速器、电机端编码器、末端编码器、温度传感器，制动器、驱动器、关节主轴、末端返回轴、密封轴承和油封。谐波减速器、磁同步电动机、谐波减速器、电机端编码器、末端编码器、温度传感器，制动器、驱动器、关节主轴、末端返回轴、密封轴承和油封均集成在壳体中。通过末端返回轴，将转速信息传会壳体内部的编码器。驱动控制器集成在关节的最后。

本发明采用单一壳体设计方法，将主轴承固定件与壳体设计为一体结构，谐波减速器通过法兰固定在壳体上，采用钢轮固定方法；永磁同步电机通过胶粘固定在壳体电机仓内；谐波减速器波发生器与电机主轴设计为一体结构，主轴上安装主轴承、电机转子、制动器转子、增量编码器转子、骨架油封转子，主轴固定在谐波减速器内并且通过电机定子，通过前后轴承固定在壳壳体中；返回轴固定在谐波减速器柔轮上，并且通过中空主轴返回到壳体内部，返回主轴上安装绝对编码器转子；编码器定子安装在壳体上。

进一步地，关节的壳体采用航空铝合金制成。

进一步地，动力组件包括永磁同步电机和谐波减速器；永磁同步电机和谐波减速器之间通过一体化主轴连接，主轴为谐波波发生器和永磁同步电机转子共用的机械结构。谐波减速器通过刚轮固定的方式直接与壳体连接，永磁同步电机定子通过胶粘的方式固定在壳体电机仓中，主轴利用两个密封轴承与末端连接法兰和壳体轴承法兰固定。

进一步地，主轴与谐波减速器主轴一体化设计，减少固定件，缩短主轴长度，主轴两端由轴承固定，壳体内安装轴承固定法兰。

进一步地，本发明的测速组件包括两个编码器，分别为末端绝对编码器和电机端增量编码器。电机端增量编码器直接固定在关节主轴上，末端输出编码器固定在末端输出法兰的返回轴上，该返回轴一端通过法兰固定在末端输出法兰上，另一端固定在壳体内部的支撑轴承上。

进一步地，本制动器选用扁平大口径永磁失电制动器，该制动器固定在轴承法兰上。关节在运转中失电或接受到制动指令，将使用摩擦制动原理，抱死主轴制动。

进一步地，驱动控制器选用圆形结构，集成驱动器和控制器为一体，该驱动器同时拥有CAN总线通信、串口通信、和WIFI无线通信，拥有温度传感器、和振动传感器。CAN通信拥有网络各节点之间的数据通信实时性强的特点，可将多个机器人关节通过CAN总线连接与上位机通信，连接方式见图6，该关节可以通过WIFI无线模块传输关节的转速、电流、位置、温度、振动信息可根据需要配合上位机进行运行检测和数据处理的二次开发，WIFI信息传输示意图如图7。

进一步地，通过中空轴可以实现360°连续转动。

本发明高度集成了谐波减速器、永磁同步电机、编码器、制动器、驱动器、控制器、传感器等，可以通过法兰快速安装，通过总线串联使用，具有广阔地应用前景。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明采用共有机械结构的集成设计，采用谐波电机共用一个主轴的设计方式，将返回轴轴承固定件安装在制动器内，有效的减少关节长度，相比传统给机电执行器在不删减关键部件的前提下拥有更扁平的结构。

本发明在满足性能要求的基础上，省略了谐波壳体、联轴器或轴连接法兰、主轴轴承固定件、省略掉谐波减速器输入端的密封轴承，采用骨架油封来进行润滑油密封。采用双编码器中控走线结构，后置输出端编码器直接固定在关节壳体上，省略了编码器固定件。有效的减小了关节体积和重量。

采用高精度输出端绝对编码器和谐波电机共用一个主轴的设计方式有效的增加绝对定位精度和重复定位精度。

采用扁平大口径永磁失电制动器，能够有效的增加制动精度，相比传统永磁制动器有效的利用了壳体中的空间，使关节更扁平。

附图说明

图1、机器人关节剖视图。

图2、机器人关节外部结构图。

图3、机器人关节传动结构示意图。

图4、机器人关节主轴示意图。

图5、机器人关节控制示意图。

图6、机器人关节CAN总线连接示意图。

图7、机器人关节运行检测示意图。

附图中：1-输出法兰；2-谐波减速器；3-骨架油封固定件；4-主壳体；5-主轴轴承盘；6-主轴轴承；7-制动器；8-返回轴轴承固定件；9-驱动控制器；10-主轴密封轴承；11-波发生器；12-骨架油封；13-永磁同步电动机；14-关节主轴；15增量编码器；16返回轴轴承；17-绝对编码器；18-密封壳体。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。其中附图仅用于示例性说明，仅是示意图并非实物，不能理解为本专利地限制。为了更好的说明本发明，附图中有放大或者缩小，并不代表实际尺寸。附图中某些公知结构及其说明可能有所省略。

本发明中相同地部件采用相同地标号，

实施例

如图1至图4为本发明地第一实施例，包括壳体4，连接负载和机器人关节地输出法兰盘1，法兰盘上带有返回轴，壳体4中有一体化主轴轴承固定件5，主轴14上有一体化谐波减速器波发生器结构，主轴14上固定有永磁同步电动机13的转子，定制失电制动器7的转子部分和增量编码器15、绝对编码器17的转子部分；主轴14通过轴承11和轴承6分别固定于输出法兰盘1和壳体4上；返回轴的固定件8上固定有驱动控制器9、失电制动器7的定子结构和返回轴轴承16；一体化主轴轴承固定件上固定有主轴轴承6和增量编码器15的定子结构；密封壳体18固定在壳体后端。

壳体4于谐波减速器2通过钢轮上4个固定螺栓固定，谐波减速器上其他12个螺栓孔用于将机器人关节固定在机器人的固定件上。谐波减速器2和壳体4之间有骨架油封12，谐波减速器2和输出法兰盘1之间有密封轴承10，采用骨架油封12和密封轴承10来对谐波减速器进行密封，防止润滑油泄露。

增量编码器转子通过胶粘固定在主轴4上，增量编码器定子固定在主轴轴承固定件5上，实现公用固定件，减少机械结构的目的。

制动器7转子通过过盈配合与主轴4连接，定子安装在返回轴轴承固定件8上，失电制动时能够提供5N·M的制动力矩。

绝对编码器定子安装在返回轴固定件8的外侧，绝对编码器的转子安装在返回轴的末端，输出法兰带动负载运动转动，通过返回轴将角度加速度传送到绝对编码器。

为了保证密封壳体18和壳体4的密封性，安装时使用密封垫圈增加整体密封性。关节的壳体采用航空铝合金制成，该壳体包括谐波减速器固定法兰、电机仓、制动器仓和传感器仓。后端由3D打印材料制成驱动控制仓。

本设计中空口径7MM满足中空走线要求，中空走线可以增加机器人关节的旋转范围，使其能够进行360°连续旋转。

永磁同步电机13定子安装在壳体的电机仓内，永磁同步电机13的转子安装在主轴14上，电机线路通过一体化轴承固定件5上的通孔与驱动控制板连接。

本发明改进了谐波减速器和电机的连接方式，减去了谐波减速器和电机间的密封轴承，采用骨架油封来进行密封。达到了减少机械结构增加集成度的目的，电机后端用轴承固定主轴，能够更好的抑制径向跳动，增加***稳定性。

本发明减少了制动器固定架，增量编码器固定架，绝对编码器固定架，通过螺栓或铜柱将制动器，编码器固定在轴承固定件上，减少了机械结构，增加了***稳定性。

图4是空心主轴，该主轴设计一体化的波发生器结构，阶梯主轴预留了各个阶梯的尺寸余量，实际装配中，有效的减少了精度对真个机器人关节的影响。

关节采用双编码器提高定位精度，通过电流环、速度环、位置环对关节进行高精度控制和定位，控制流程见图5，关节电机通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，控制电机转矩；驱动控制器通过检测关节点极端编码器的相对信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定；位置环是最外环，通过检测关节末端编码器位置信号来确定电机位置。

本发明采用CAN总线通信，可将多个机器人关节通过总线连接。内置温度传感器、振动传感器、电机输入端编码器、输出端编码器，可对其转速、转矩电流、位置、振动信息、温度信息进行总线实时监控，也可以通过内置WIFI模块进行无线通信对其运行状态监控。

Claims (9)

1.一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：谐波减速器、磁同步电动机、谐波减速器、电机端编码器、末端编码器、温度传感器，制动器、驱动器、关节主轴、末端返回轴、密封轴承和油封均集成在壳体中；通过末端返回轴，将转速信息传会壳体内部的编码器；驱动控制器集成在关节的末端。

2.根据权利要求1所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：采用单一壳体设计方法，主轴承固定件与壳体为一体结构，谐波减速器通过法兰固定在壳体上；永磁同步电机通过胶粘固定在壳体电机仓内；谐波减速器波发生器与电机主轴设计为一体结构，主轴上安装主轴承、电机转子、制动器转子、增量编码器转子、骨架油封转子，主轴固定在谐波减速器内并且穿过电机定子，通过前后轴承固定在壳壳体中；返回轴固定在谐波减速器柔轮上，并且通过中空主轴返回到壳体内部，返回主轴上安装绝对编码器转子；编码器定子安装在壳体上。

3.根据权利要求1或2所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：壳体采用航空铝合金制成。

4.根据权利要求1或2所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：动力组件包括永磁同步电机和谐波减速器；永磁同步电机和谐波减速器之间通过一体化主轴连接，主轴为谐波波发生器和永磁同步电机转子共用的机械结构；谐波减速器通过刚轮固定的方式直接与壳体连接，永磁同步电机定子通过胶粘的方式固定在壳体电机仓中，主轴利用两个密封轴承与末端连接法兰和壳体轴承法兰固定。

5.根据权利要求1或2所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：主轴与谐波减速器主轴一体化设计，主轴两端由轴承固定，壳体内安装轴承固定法兰。

6.根据权利要求1所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：测速组件包括两个编码器，分别为末端绝对编码器和电机端增量编码器；电机端增量编码器直接固定在关节主轴上，末端输出编码器固定在末端输出法兰的返回轴上，该返回轴一端通过法兰固定在末端输出法兰上，另一端固定在壳体内部的支撑轴承上。

7.根据权利要求1所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：制动器选用扁平大口径永磁失电制动器，该制动器固定在轴承法兰上；关节在运转中失电或接受到制动指令，将使用摩擦制动原理，抱死主轴制动。

8.根据权利要求1所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：驱动控制器选用圆形结构，集成驱动器和控制器为一体，该驱动器同时拥有CAN总线通信、串口通信、和WIFI无线通信，拥有温度传感器、和振动传感器；CAN通信拥有网络各节点之间的数据通信实时性强的特点，将多个机器人关节通过CAN总线连接与上位机通信，关节通过WIFI无线模块传输关节的转速、电流、位置、温度、振动信息根据需要配合上位机进行运行检测和数据处理的二次开发。

9.根据权利要求1所述的一种具备运行状态监测功能的驱控一体化协作机器人关节，其特征在于：通过中空轴实现360°连续转动。

Images