CN114102659B - 一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其包括外壳组件、减速器组件及编码器组件，其中，外壳组件包括外壳和后盖；减速器组件包括转子、定子、轴承、轴承座、轴承座、太阳轮、行星轮、齿圈、行星架、输出端盖、齿圈支撑；编码器组件包括PCB板、光编、磁铁和输出轴。本发明公开的驱动关节采用二级行星减速器，同时将第一级减速器与定子相结合，减小了驱动关节的体积，并具有较高的减速器比，提高了扭矩/重量值；本发明采用一根贯穿两级太阳轮的输出轴布置方式，可以同时安装两个编码器，从而提升关节电机测试精度，并可以预测关节电机的磨损情况；本发明将光编与磁编相结合，减小了编码器组件的数目，提升了驱动关节的紧凑度。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节。
背景技术
对于双足机器人来讲，驱动单元是其核心部件，直接影响到机器人的运动性能，由于使用场景的限制，要求双足机器人的驱动单元具有较大输出扭矩的同时，还需要具备较为紧凑的体积，同时，还需要就有较高的控制精度。目前传统的机器人驱动关节结构主要由单个电机和减速器构成，现有的驱动关节，体积大、质量大，输出扭矩较小，相应较慢。直接影响了机器人驱动关节的运动性能和响应精度，并且影响了双足机器人的性能提升。为增加机器人驱动关节的输出扭矩，目前通常采用单级行星传动的方式，然后单级行星传动时，减速器的质量和尺寸较大，难以满足机器人关节小尺寸、轻质量的要求。因此，一体化机器人驱动关节在机器人设计智能化、结构紧凑化上具有重要意义。基于此，本发明针对了上述技术不足提出了一种改进方案。
发明内容
针对现有的驱动关节的不足，提供一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节。本发明的驱动关节结构更为紧凑，输出扭矩更大，控制精度更高。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，包括外壳组件、减速器组件及编码器组件；
所述外壳组件包括外壳、与所述外壳固定连接的后盖；
所述减速器组件包括转子、定子、支撑轴承座、第一支撑轴承座、转接轴承座、一级轴承座、一级太阳轮、一级行星轮、一级齿圈、一级行星架、二级轴承座、二级太阳轮、二级行星轮、二级齿圈、二级行星架、输出端盖、第一一级轴承、第二一级轴承、第三一级轴承、第一二级轴承、第二二级轴承、第三二级轴承、输出轴承、输出轴、齿圈支撑、第一一级支撑轴承、末端转接轴承和输出支撑轴承；
所述定子与支撑轴承座配合；所述第一支撑轴承座、第二一级轴承和一级齿圈固定于支撑轴承座内圈；所述转子与一级太阳轮相固结；所述转子与转接轴承座连接；
所述一级太阳轮分别通过第一一级轴承和第一一级支撑轴承与一级轴承座和第一支撑轴承座相连接；所述一级太阳轮与一级行星轮啮合，所述一级行星轮与一级齿圈相啮合；所述一级行星轮与一级行星架通过第三一级轴承转动连接；所述一级行星架与二级太阳轮相固结，所述一级行星架与一级轴承座相固结，所述一级行星架通过第一二级轴承与二级轴承座转动相连；所述的二级轴承座通过第二二级轴承与齿圈支撑转动相连；所述的二级行星轮与二级太阳轮相啮合，二级行星轮与二级齿圈相啮合，所述的二级行星轮通过第三二级轴承与二级行星架转动相连；所述二级行星架与二级轴承座相固结；所述的二级行星架通过输出轴承与输出端盖转动相连；所述的输出端盖与齿圈支撑相固结；所述的齿圈支撑与支撑轴承座相固结；
所述输出轴与二级行星架、输出支撑轴承配合；所述支撑轴承与一级太阳轮配合；所述输出轴通过支撑轴承与一级太阳轮转动连接；
所述的编码器组件包括PCB板、光编、磁铁；所述的PCB板与外壳相固结，所述磁铁设置于输出轴末端，光编与转子相固结。
进一步地，所述的一级太阳轮与三个一级行星轮相啮合，三个一级行星轮呈中心对称布置。
进一步地，所述的二级太阳轮与三个二级行星轮相啮合，三个二级行星轮呈中心对称布置。
进一步地，所述一级行星架通过顶丝与二级太阳轮固定连接。
进一步地，所述转子通过顶丝及机械限位的方式与转接轴承座固定，使得转子带动转接轴承座同时转动；所述转接轴承座通过末端转接轴承与外壳转动相连，使得转子转动时，所述转接轴承座相对外壳转动。
进一步地，所述一级轴承座位于第二一级轴承内圈，通过第二一级轴承与支撑轴承座转动相连。
进一步地，所述转接轴承座通过末端转接轴承与外壳相连接。
进一步地，所述齿圈支撑与外壳固定连接。
进一步地，所述后盖上开有散热孔。
进一步地，所述定子与支撑轴承座为过渡配合。
本发明的有益效果如下：
本发明的一体化驱动关节采用二级行星减速器，并将第一级减速器安装于电机定子内部，在保证较大输出扭矩的同时，极大地提升了驱动关节的结构紧凑型，提升了驱动单元的扭矩/ 重量性能。
本发明采用一根输出轴贯穿整体驱动关节内部转轴，可以同时安装绝对式及增量式编码器，通过该结构特点所安装的双编码器，可以极大提升驱动关节的控制精度，并且可以精确评估驱动关节的磨损情况。
本发明的一体化驱动关节将光编和磁编传感器同时布置于PCB板上，在保证较高控制精度的同时，极大地缩小了驱动关节尺寸，提升了驱动关节的控制性能。
附图说明
图1是本发明的结构剖面示意图；
图2是本发明的一级行星减速器示意图；
图3是本发明的二级行星减速器示意图；
图中，外壳、PCB板、后盖、转子、定子、一级轴承座、一级太阳轮、一级行星轮、一级齿圈、一级行星架、二级轴承座、二级太阳轮、二级行星轮、二级齿圈、二级行星架、输出端盖、第一一级轴承、第二一级轴承、第三一级轴承、第一二级轴承、第二二级轴承、第三二级轴承、输出轴承、光编、磁铁、输出轴、齿圈支撑、支撑轴承座、第一支撑轴承座、第一一级支撑轴承、转接轴承座、末端转接轴承和输出支撑轴承。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图-所示，本发明提出了一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节包括：外壳、PCB 板、后盖、转子、定子、一级轴承座、一级太阳轮、一级行星轮、一级齿圈、一级行星架、二级轴承座、二级太阳轮、二级行星轮、二级齿圈、二级行星架、输出端盖、第一一级轴承、第二一级轴承、第三一级轴承、第一二级轴承、第二二级轴承、第三二级轴承、输出轴承、光编、磁铁、输出轴、齿圈支撑、支撑轴承座、第一支撑轴承座、第一一级支撑轴承、转接轴承座、末端转接轴承和输出支撑轴承。
外壳组件包括外壳与后盖；外壳与后盖采用螺钉相固结，外壳与输出端盖、齿圈支撑以及PCB板相固结，起到支撑与固定驱动关节本体以及固定PCB板的作用；后盖采用凸起设计并设计开有散热孔，起到保护PCB板及降温散热的作用。
减速器组件包括转子、定子、一级轴承座、一级太阳轮、一级行星轮、一级齿圈、一级行星架、二级轴承座、二级太阳轮、二级行星轮、二级齿圈、二级行星架、输出端盖、第一一级轴承、第二一级轴承、第三一级轴承、第一二级轴承、第二二级轴承、第三二级轴承、输出轴承、输出轴、齿圈支撑、支撑轴承座、第一支撑轴承座、第一一级支撑轴承、转接轴承座、末端转接轴承和输出支撑轴承。
所述定子与支撑轴承座采用过渡配合方式，并采用胶水进行粘合固定，使该部件牢牢固定于定子内部；所述一级齿圈、第二一级轴承和第一支撑轴承座采用胶水粘合以及机械限位的方式，牢牢固定于支撑轴承座内部。
所述转子与一级太阳轮采用顶丝固定的方式紧固，当转子转动时，可以带动一级太阳轮一起转动；同时，转子通过顶丝及机械限位的方式，与转接轴承座牢牢固定在一起，使得转子可以带动转接轴承座一起转动，同时转接轴承座通过末端转接轴承与外壳转动相连，使得转子转动时，转接轴承座可以相对外壳丝滑转动；
所述一级太阳轮与一级轴承座通过第一一级轴承采用转动方式相连接，所述一级太阳轮与第一支撑轴承座通过第一一级支撑轴承转动连接，使得一级太阳轮可以绕着一级轴承座轻松转动；所述一级轴承座位于第二一级轴承内圈，通过第二一级轴承与支撑轴承座转动相连，使得一级轴承座可以绕着支撑轴承座轻松转动；一级太阳轮与三个中心对称分布的一级行星轮相啮合，一级行星轮与一级齿圈相啮合，一级行星轮通过第三一级轴承与一级行星架转动相连，而一级行星架与一级轴承座通过螺钉固结，从而组成一级行星减速器，实现对转子的一级减速；通过所述的设计及安装方式，可以将行星减速器的一级减速器布置于电机定子内部，极大地减小了电机尺寸，提升了对电机的空间利用率。一级行星架作为一级减速器的输出端，通过顶丝与二级太阳轮相固结，使得一级减速器的输出端与二级减速器的输入端固定在一起。一级行星架与二级轴承座通过第一二级轴承转动相连，使得一级行星架可以绕着二级轴承座轻松转动；二级轴承座通过第二二级轴承与齿圈支撑转动相连，使得二级轴承座可以绕着齿圈支撑轻松转动；二级太阳轮与三个中心对称分布的二级行星轮相啮合，二级行星轮与二级齿圈相啮合，二级行星轮通过第三二级轴承与二级行星架转动相连，而二级行星架与二级轴承座通过螺钉固结，从而形成二级行星减速器，实现对转子的二级减速；二级行星架通过输出轴承与输出端盖转动相连，齿圈支撑和支撑轴承座通过螺钉相连接，在保证减速器同轴度的同时，可以起到支撑与固定作用，提升了一体化关节电机的强度与机械精度，提升了一体化关节电机的性能。
所述输出轴与二级行星架、输出支撑轴承配合，完成减速器的减速功能，保证机器人驱动关节输出较大的扭矩。
编码器组件包括PCB板、光编、磁铁和输出轴；输出轴采用过盈配合及螺钉紧固的方式与二级行星架固定相连，而输出轴末端设置固定有磁铁；光编通过螺钉与转子相固结，输出轴通过输出支撑轴承与一级太阳轮转动相连，在保证输出轴同轴度的同时，也极大提升了输出轴的刚度，保证了其末端的同轴度；由于采用输出轴彻底贯穿驱动关节转轴内部的设计方案，可以同时安装光栅与磁编两种编码器，提升了该一体化驱动关节的测量精度，提升了其精度性能，并且可以用于评估驱动关节的磨损情况。同时，采用所述的安装设计方式，在保证输出轴与电机输出端固定的同时，也可以调节输出轴的末端磁铁相对于PCB板的位置，方便对磁编进行精密调节，从而极大地提升了该一体化关节的控制精度。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，包括外壳组件、减速器组件及编码器组件；
所述外壳组件包括外壳(1)、与所述外壳(1)固定连接的后盖(3)；
所述减速器组件包括转子(4)、定子(5)、支撑轴承座(28)、第一支撑轴承座(29)、转接轴承座(31)、一级轴承座(6)、一级太阳轮(7)、一级行星轮(8)、一级齿圈(9)、一级行星架(10)、二级轴承座(11)、二级太阳轮(12)、二级行星轮(13)、二级齿圈(14)、二级行星架(15)、输出端盖(16)、第一一级轴承(17)、第二一级轴承(18)、第三一级轴承(19)、第一二级轴承(20)、第二二级轴承(21)、第三二级轴承(22)、输出轴承(23)、输出轴(26)、齿圈支撑(27)、第一一级支撑轴承(30)、末端转接轴承(32)和输出支撑轴承(33)；
所述定子(5)与支撑轴承座(28)配合；所述第一支撑轴承座(29)、第二一级轴承(18)和一级齿圈(9)固定于支撑轴承座(28)内圈；所述转子(4)与一级太阳轮(7)相固结；所述转子(4)与转接轴承座(31)连接；
所述一级太阳轮(7)分别通过第一一级轴承(17)和第一一级支撑轴承(30)与一级轴承座(6)和第一支撑轴承座(29)相连接；所述一级太阳轮(7)与一级行星轮(8)啮合，所述一级行星轮(8)与一级齿圈(9)相啮合；所述一级行星轮(8)与一级行星架(10)通过第三一级轴承(19)转动连接；所述一级行星架(10)与二级太阳轮(12)相固结，所述一级行星架(10)与一级轴承座(6)相固结，所述一级行星架(10)通过第一二级轴承(20)与二级轴承座(11)转动相连；所述的二级轴承座(11)通过第二二级轴承(21)与齿圈支撑(27)转动相连；所述的二级行星轮(13)与二级太阳轮(12)相啮合，二级行星轮(13)与二级齿圈(14)相啮合，所述的二级行星轮(13)通过第三二级轴承(22)与二级行星架(15)转动相连；所述二级行星架(15)与二级轴承座(11)相固结；所述的二级行星架(15)通过输出轴承(23)与输出端盖(16)转动相连；所述的输出端盖(16)与齿圈支撑(27)相固结；所述的齿圈支撑(27)与支撑轴承座(28)相固结；
所述输出轴(26)与二级行星架(15)、输出支撑轴承(33)配合；所述支撑轴承(33)与一级太阳轮(7)配合；所述输出轴(26)通过支撑轴承(33)与一级太阳轮(7)转动连接；
所述的编码器组件包括PCB板(2)、光编(24)、磁铁(25)；所述的PCB板(2)与外壳(1)相固结，所述磁铁(25)设置于输出轴(26)末端，光编(24)与转子(4)相固结。
2.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述的一级太阳轮(7)与三个一级行星轮(8)相啮合，三个一级行星轮(8)呈中心对称布置。
3.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述的二级太阳轮(12)与三个二级行星轮(13)相啮合，三个二级行星轮(13)呈中心对称布置。
4.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述一级行星架(10)通过顶丝与二级太阳轮(12)固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述转子(4)通过顶丝及机械限位的方式与转接轴承座(31)固定，使得转子(4)带动转接轴承座(31)同时转动；所述转接轴承座(31)通过末端转接轴承(32)与外壳(1)转动相连，使得转子(4)转动时，所述转接轴承座(31)相对外壳(1)转动。
6.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述一级轴承座(6)位于第二一级轴承(18)内圈，通过第二一级轴承(18)与支撑轴承座(28)转动相连。
7.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述转接轴承座(31)通过末端转接轴承(32)与外壳(1)相连接。
8.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述齿圈支撑(27)与外壳(1)固定连接。
9.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述后盖(3)上开有散热孔。
10.根据权利要求1所述的基于行星减速器的一体化机器人驱动关节，其特征在于，所述定子(5)与支撑轴承座(28)为过渡配合。
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