CN113894837A - 一种关节动力单元及应用其的机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人设备技术领域，公开了一种关节动力单元及应用其的机械臂。本发明提供的关节动力单元，包括固定座、设于所述固定座内的电机单元和减速器单元，减速器单元包括内齿圈、设于内齿圈内侧的柔性外齿圈、设于柔性外齿圈内侧的凸轮，柔性外齿圈依次包括啮合部、可产生形变的柔性连接部和输出部，啮合部与内齿圈啮合传动，且啮合部的齿数少于内齿圈的齿数；凸轮与啮合部抵接并相对啮合部转动，以驱动啮合部在内齿圈内侧滚动；内齿圈固定时，啮合部在内齿圈内侧滚动，通过柔性连接部带动输出部转动；柔性外齿圈与凸轮形成容纳腔，电机单元设于容纳腔内。该关节动力单元轴向尺寸大大缩短，整体结构更加紧凑。

Description

一种关节动力单元及应用其的机械臂
技术领域
本发明涉及机器人设备技术领域，尤其涉及了一种关节动力单元及应用其的机械臂。
背景技术
集成减速器的关节动力单元是机器人的关键零部件之一，现有的减速器结构，如谐波减速器、摆线针轮减速器等尺寸较大，并且与电机单元的结构布局设置多为轴向上的串联设计，导致关节动力单元的轴向尺寸较大，结构不够紧凑。
例如：申请号为2018212673930的中国专利一种电驱动回转动力单元公开了一种电驱动回转动力单元，包括电机基座、电机单元和减速器单元，其电机单元和减速器单元即为轴向串联设计，导致整个关节动力单元的轴向尺寸较大，结构不紧凑，不利于推广使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种关节动力单元，电机单元和减速器单元耦合集成设置，轴向尺寸大大缩短，结构紧凑，利于推广使用。
本发明的目的之二在于提供一种机械臂，其关节动力单元中的电机单元和减速器单元耦合集成设置，轴向尺寸大大缩短，关节处的结构更加紧凑。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种关节动力单元，包括固定座、设于所述固定座内的电机单元和减速器单元；
所述减速器单元包括内齿圈、设于所述内齿圈内侧的柔性外齿圈、设于所述柔性外齿圈内侧的凸轮；
所述柔性外齿圈依次包括啮合部、能产生形变的柔性连接部和输出部；
所述啮合部与所述内齿圈啮合传动，且所述啮合部的齿数少于所述内齿圈的齿数；
所述凸轮与所述啮合部抵接并相对所述啮合部转动，以驱动所述啮合部在所述内齿圈内侧滚动；
所述输出部的回转中心、所述凸轮的回转中心与所述内齿圈的回转中心位于同一轴线上；
当所述内齿圈固定时，所述啮合部在所述内齿圈内侧滚动，通过所述柔性连接部带动所述输出部转动；
所述柔性外齿圈与所述凸轮形成容纳腔，所述电机单元设于所述容纳腔内。
作为优选的技术方案，
所述固定座的回转中心处固定设有定子固定轴，所述电机单元包括电机转子和电机定子；
所述电机定子固定于所述定子固定轴上，所述电机转子通过第一轴承固定于所述定子固定轴上；所述定子固定轴末端通过第二轴承与输出法兰转动连接。
作为优选的技术方案，所述凸轮与所述啮合部内侧设有柔性轴承，所述柔性轴承内圈与所述凸轮固定连接，所述柔性轴承外圈与所述啮合部固定连接。在凸轮和啮合部之间设置柔性轴承，将凸轮和啮合部之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，降低了零件的磨损，提高了差齿减速器的使用寿命。
作为优选的技术方案，所述电机转子的输出端与所述凸轮固定连接，所述电机转子的回转中心与所述凸轮的回转中心位于同一轴线上。通过电机转子直接带动凸轮转动，使凸轮驱动啮合部滚动。
作为优选的技术方案，所述电机转子输出端设有编码器，所述编码器包括相互配合的磁环与环形电路板，所述磁环与所述凸轮同心固定连接，所述环形电路板固定在所述固定座上的对应位置。
作为优选的技术方案，所述关节动力单元还包括外壳体，所述外壳体与所述固定座螺纹连接；所述输出法兰通过第三轴承与所述外壳体转动连接；所述外壳体与所述内齿圈之间设有抗冲垫，所述抗冲垫两侧分别设有与所述外壳体和所述内齿圈相配合的凸起；当所述内齿圈受到冲击载荷时，其与外壳体产生相对转动。
设置抗冲垫，当内齿圈受到瞬时峰值载荷冲击时，内齿圈可与外壳体产生相对转动，防止关节动力单元内部的零部件因外部冲击而损坏。
作为优选的技术方案，所述固定座的端面上，固定有导磁材料构成的环形中空屏蔽环片，所述环形中空屏蔽环片的中空轴线与固定座可共轴线，防止关节动力单元固定座的端面外部的其他零部件对关节动力单元内的编码器形成干扰。
所述定子固定轴靠近固定座的端面的一部或者全部，嵌套环形导磁材料构成的中空环套，防止关节动力单元定子固定轴内部穿过的各种电线对关节动力单元内的编码器形成干扰。
作为优选的技术方案，一种关节动力单元，包括电机单元和减速器单元；
所述减速器单元为中空结构，形成用于装配电机单元的容纳腔，所述电机单元轴向延伸方向与所述容纳腔轴向延伸方向相重合或相平行，以减少关节动力单元轴向尺寸。
本发明经过不断探索以及试验，设置中空结构的减速器单元，将电机单元直接装配在减速器内，实现电机单元和减速器有机耦合。
相比传统设计中的将电机单元和减速器单元各自作为独立功能整体相串联的连接方式，大大缩短了关节动力单元的轴向尺寸，并使关节动力单元的整体结构更加紧凑，构思巧妙，利用推广使用。
作为优选的技术方案，所述容纳腔沿轴向方向贯通，其至少一部截面形状与电机单元的截面形状相同，以使得容纳腔与电机单元的形状相匹配，实现电机单元能完全置入容纳腔中。电机完全置入减速器内，最大程度上缩短关节动力单元的轴向尺寸。
作为优选的技术方案，所述减速器单元包括内齿圈、设于所述内齿圈内侧的柔性外齿圈、设于所述柔性外齿圈内侧的凸轮；
所述柔性外齿圈依次包括啮合部、能产生形变的柔性连接部和输出部；
所述啮合部与所述内齿圈啮合传动，且所述啮合部的齿数少于所述内齿圈的齿数；
所述凸轮与所述啮合部抵接并相对所述啮合部转动，以驱动所述啮合部在所述内齿圈内侧滚动；
所述输出部的回转中心、所述凸轮的回转中心与所述内齿圈的回转中心位于同一轴线上；
当所述内齿圈固定时，所述啮合部在所述内齿圈内侧滚动，通过所述柔性连接部带动所述输出部转动；
所述柔性外齿圈与所述凸轮形成容纳腔，所述电机单元设于所述容纳腔内。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种机械臂，包括上述的关节动力单元。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的关节动力单元，其电机单元内置于减速器单元的柔性外齿圈内，将电机单元和减速器单元有机的耦合起来，相比传统设计中的将电机单元和减速器单元各自作为独立功能整体相串联的连接方式，大大缩短了关节动力单元的轴向尺寸，并使关节动力单元的整体结构更加紧凑。
本发明提供的机械臂，包括上述关节动力单元，其电机单元内置于减速器的柔性外齿圈内，将电机单元和减速器单元有机的耦合起来，相比传统设计中的将电机单元和减速器单元各自作为独立功能整体相串联的连接方式，大大缩短了关节动力单元的轴向尺寸，并使关节动力单元的整体结构更加紧凑。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明减速器单元的一种全剖图；
图2是本发明减速器单元的一种***图；
图3是本发明关节动力单元的一种全剖图；
图4是本发明关节动力单元的一种***图；
图5是本发明关节动力单元的一种整体示意图。
图中：1、内齿圈；2、柔性外齿圈；21、啮合部；22、柔性连接部；23、输出部；3、凸轮；4、柔性轴承；5、电机转子；6、磁环；7、环形电路板；8、外壳体；9、定子固定轴；10、输出法兰；11、抗冲垫；12、电机定子；13、容纳腔；14、固定座；15、第一轴承；16、第二轴承；17、第三轴承。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
需要说明的是，当两个元件“固定连接”或“转动连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种关节动力单元，包括外壳体8、固定座14、设于所述固定座14内的电机单元和减速器单元。
所述减速器单元包括内齿圈1、设于所述内齿圈1内侧的柔性外齿圈2、设于所述柔性外齿圈2内侧的凸轮3。
所述柔性外齿圈2依次包括啮合部21、可产生形变的柔性连接部22和输出部23，所述啮合部21与所述内齿圈1啮合传动，且所述啮合部21的齿数少于所述内齿圈1的齿数。
所述凸轮3与所述啮合部21抵接并相对所述啮合部21转动，以驱动所述啮合部21在所述内齿圈1内侧滚动。
所述输出部23的回转中心、所述凸轮3的回转中心与所述内齿圈1的回转中心位于同一轴线上；所述内齿圈1固定时，所述啮合部21在所述内齿圈1内侧滚动，通过所述柔性连接部22带动所述输出部23转动。
所述柔性外齿圈2与所述凸轮3形成容纳腔13，所述电机单元设于所述容纳腔13内。所述固定座14的回转中心处固定设有定子固定轴9。所述减速器单元为差齿减速器。
本发明提供的关节动力单元，其电机单元内置于差齿减速器的柔性外齿圈2内，将电机单元和差齿减速器有机的耦合起来，相比传统设计中的将电机单元和减速器单元各自作为独立功能整体相串联的连接方式，大大缩短了关节动力单元的轴向尺寸，并使关节动力单元的整体结构更加紧凑。
本发明电机单元的一种具体实施例：
所述电机单元包括电机转子5和电机定子12。
所述电机定子12设通孔，所述通孔内装配第一轴承15，所述电机转子5通过第一轴承15固定于所述定子固定轴9上。
所述定子固定轴9为阶段轴，其末端设有输出法兰10，所述输出法兰10通过第二轴承16固定于所述定子固定轴9上。
本发明外壳结构的一种具体实施例：
所述外壳体8与所述固定座14螺纹连接；所述输出法兰10通过第三轴承17与所述外壳体8转动连接；所述外壳体8与所述内齿圈1之间设有抗冲垫11，所述抗冲垫11两侧分别设有与所述外壳体8和所述内齿圈1相配合的凸起；当所述内齿圈1受到冲击载荷时，其可与外壳体8产生相对转动。
设置抗冲垫11，当内齿圈1受到瞬时峰值载荷冲击时，内齿圈1可与外壳体8产生相对转动，防止关节动力单元内部的零部件因外部冲击而损坏。
本发明增设柔性轴承4的一种具体实施例：
所述凸轮3与所述啮合部21内侧设有柔性轴承4，所述柔性轴承4内圈与所述凸轮3固定连接，所述柔性轴承4外圈与所述啮合部21固定连接。在凸轮3和啮合部21之间设置柔性轴承4，将凸轮3和啮合部21之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，降低了零件的磨损，提高了差齿减速器的使用寿命。
本发明传动结构的一种具体实施例：
所述电机转子5的输出端与所述凸轮3固定连接，所述电机转子5的回转中心与所述凸轮3的回转中心位于同一轴线上。通过电机转子5直接带动凸轮3转动，使凸轮3驱动啮合部21滚动。
本发明增设编码器的一种具体实施例：
所述电机转子5输出端设有编码器，所述编码器包括相互配合的磁环6与环形电路板7，所述磁环6与所述凸轮3同心固定连接，所述环形电路板7固定在所述固定座14上的对应位置。
本发明防电磁干扰的具体实施例：
所述固定座14的端面上，固定有导磁材料构成的环形中空屏蔽环片，所述环形中空屏蔽环片的中空轴线与固定座14共轴线，防止关节动力单元固定座14的端面外部的其他零部件对关节动力单元内的编码器形成干扰。
所述定子固定轴9靠近固定座14的端面的一部或者全部，嵌套环形导磁材料构成的中空环套，防止关节动力单元定子固定轴9内部穿过的各种电线对关节动力单元内的编码器形成干扰。
本发明一种较佳实施例：
一种关节动力单元，包括电机单元和减速器单元；
所述减速器单元为中空结构，形成用于装配电机单元的容纳腔13，所述电机单元轴向延伸方向与所述容纳腔13轴向延伸方向相重合或相平行，以减少关节动力单元轴向尺寸。
本发明经过不断探索以及试验，设置中空结构的减速器单元，将电机单元直接装配在减速器内，实现电机单元和减速器有机耦合。
相比传统设计中的将电机单元和减速器单元各自作为独立功能整体相串联的连接方式，大大缩短了关节动力单元的轴向尺寸，并使关节动力单元的整体结构更加紧凑，构思巧妙，利用推广使用。
本发明容纳腔13结构的一种具体实施例：
所述容纳腔13沿轴向方向贯通，其至少一部截面形状与电机单元的截面形状相同，以使得容纳腔13与电机单元的形状相匹配，实现电机单元能完全置入容纳腔13中。电机完全置入减速器内，最大程度上缩短关节动力单元的轴向尺寸。
本申请中，固定连接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种关节动力单元，其特征在于，
包括固定座(14)、设于所述固定座(14)内的电机单元和减速器单元；
所述减速器单元包括内齿圈(1)、设于所述内齿圈(1)内侧的柔性外齿圈(2)、设于所述柔性外齿圈(2)内侧的凸轮(3)；
所述柔性外齿圈(2)依次包括啮合部(21)、能产生形变的柔性连接部(22)和输出部(23)；
所述啮合部(21)与所述内齿圈(1)啮合传动，且所述啮合部(21)的齿数少于所述内齿圈(1)的齿数；
所述凸轮(3)与所述啮合部(21)抵接并相对所述啮合部(21)转动，以驱动所述啮合部(21)在所述内齿圈(1)内侧滚动；
所述输出部(23)的回转中心、所述凸轮(3)的回转中心与所述内齿圈(1)的回转中心位于同一轴线上；
当所述内齿圈(1)固定时，所述啮合部(21)在所述内齿圈(1)内侧滚动，通过所述柔性连接部(22)带动所述输出部(23)转动；
所述柔性外齿圈(2)与所述凸轮(3)形成容纳腔(13)，所述电机单元设于所述容纳腔(13)内。
2.如权利要求1所述的关节动力单元，其特征在于，
所述固定座(14)的回转中心处固定设有定子固定轴(9)，所述电机单元包括电机转子(5)和电机定子(12)；
所述电机定子(12)固定于所述定子固定轴(9)上，所述电机转子(5)通过第一轴承(15)固定于所述定子固定轴(9)上；所述定子固定轴(9)末端通过第二轴承(16)与输出法兰(10)转动连接。
3.如权利要求2所述的关节动力单元，其特征在于，
所述凸轮(3)与所述啮合部(21)内侧设有柔性轴承(4)，所述柔性轴承(4)内圈与所述凸轮(3)固定连接，所述柔性轴承(4)外圈与所述啮合部(21)固定连接。
4.如权利要求2所述的关节动力单元，其特征在于，
所述电机转子(5)的输出端与所述凸轮(3)固定连接，所述电机转子(5)的回转中心与所述凸轮(3)的回转中心位于同一轴线上。
5.如权利要求1-4任一所述的关节动力单元，其特征在于，
所述电机转子(5)输出端设有编码器，所述编码器包括相互配合的磁环(6)与环形电路板(7)，所述磁环(6)与所述凸轮(3)同心固定连接，所述环形电路板(7)固定在所述固定座(14)上的对应位置。
6.如权利要求1所述的关节动力单元，其特征在于，
所述关节动力单元还包括外壳体(8)，所述外壳体(8)与所述固定座(14)螺纹连接；所述输出法兰(10)通过第三轴承(17)与所述外壳体(8)转动连接；所述外壳体(8)与所述内齿圈(1)之间设有抗冲垫(11)，所述抗冲垫(11)两侧分别设有与所述外壳体(8)和所述内齿圈(1)相配合的凸起；当所述内齿圈(1)受到冲击载荷时，其与外壳体(8)产生相对转动。
7.如权利要求2所述的关节动力单元，其特征在于，
所述固定座(14)的端面上，固定有导磁材料构成的环形中空屏蔽环片；
所述定子固定轴(9)靠近固定座(14)的端面的一部或者全部，嵌套环形导磁材料构成的中空环套。
8.一种关节动力单元，其特征在于，
包括电机单元和减速器单元；
所述减速器单元为中空结构，形成用于装配电机单元的容纳腔(13)，所述电机单元轴向延伸方向与所述容纳腔(13)轴向延伸方向相重合或相平行，以减少关节动力单元轴向尺寸。
9.如权利要求8所述的关节动力单元，其特征在于，
所述容纳腔(13)沿轴向方向贯通，其至少一部截面形状与电机单元的截面形状相同，以使得容纳腔(13)与电机单元的形状相匹配，实现电机单元能完全置入容纳腔(13)中；
所述减速器单元包括内齿圈(1)、设于所述内齿圈(1)内侧的柔性外齿圈(2)、设于所述柔性外齿圈(2)内侧的凸轮(3)；
所述柔性外齿圈(2)依次包括啮合部(21)、能产生形变的柔性连接部(22)和输出部(23)；
所述啮合部(21)与所述内齿圈(1)啮合传动，且所述啮合部(21)的齿数少于所述内齿圈(1)的齿数；
所述凸轮(3)与所述啮合部(21)抵接并相对所述啮合部(21)转动，以驱动所述啮合部(21)在所述内齿圈(1)内侧滚动；
所述输出部(23)的回转中心、所述凸轮(3)的回转中心与所述内齿圈(1)的回转中心位于同一轴线上；
当所述内齿圈(1)固定时，所述啮合部(21)在所述内齿圈(1)内侧滚动，通过所述柔性连接部(22)带动所述输出部(23)转动；
所述柔性外齿圈(2)与所述凸轮(3)形成容纳腔(13)，所述电机单元设于所述容纳腔(13)内。
10.一种机械臂，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的关节动力单元。
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