CN207930693U - 一种集成化的机器人关节模组 - Google Patents

Abstract

一种集成化的机器人关节模组，包括关节输出构件、谐波减速器、关节外壳、驱动电机主体、刹车机构、集成电路模块；所述关节输出构件用于连接外部执行机构或负载；所述谐波减速器用于调节关节输出构件的转速；所述关节外壳用于固定谐波减速器、驱动电机主体、刹车机构和集成电路模块；所述驱动电机主体根据集成电路模块的指令用于驱动谐波减速器；所述刹车机构根据集成电路模块的指令用于对驱动电机主体抱闸；所述集成电路模块根据外部上位机的指令、驱动电机主体的工作状态、关节输出构件的工作状态，驱动驱动电机主体。本实用新型简化了传动结构，内部结构紧凑，安装维护更方便，提高了机器人关节模组的安全性。

Description

一种集成化的机器人关节模组

技术领域

本实用新型涉及一种模组，特别涉及一种集成化的机器人关节模组，属于机器人领域。

背景技术

机器人诞生至今，已经被广泛的应用在各个领域，如车辆装配、机械零部件加工、码垛搬运、表面打磨、颜料喷涂、板材焊接、服务医疗和军工装备等行业都是机器人热点行业。传统机器人虽然依然活跃在工业制造服务等领域，但是时代的发展使得人们的生产、生活、娱乐、医疗和服务等需求日益新颖，传统机器人无论在结构、控制和智能化方面都无法满足这些要求，人们需要更为轻便、更为集成、更为智能的机器人，并要求机器人能够安全的与人协作。但已被广泛投入各个领域的机器人，普遍存在着以下问题：(1)硬件结构上大而笨重，机械臂采用刚性大的钢铁等材料，甚至配备有臂杆平衡机构以降低非线性干扰，负载自重比低；(2)工作环境特定单一并且是预知的，机器人基座基本固定不动就可完成工种任务，缺乏灵活性；(3)集成度低，关节粗壮，一般采用行星减速，电机安装在关节上，控制器安装在控制柜中，控制线为外部走线多而杂，一般配备较大的控制柜，机器人关节的电源、电机驱动和运动规划等都由控制柜实现，这种分离式安装导致维修繁琐，存有很多安全隐患。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种集成化的机器人关节模组，采用关节输出构件、谐波减速器、关节外壳、驱动电机主体、刹车机构、集成电路模块作为机器人关节模组的核心部件，实现了机构、控制、驱动及通信于一体的集成化的机器人关节模组。

本实用新型目的通过以下技术方案予以实现：

一种集成化的机器人关节模组，包括关节输出构件、谐波减速器、关节外壳、驱动电机主体、刹车机构、集成电路模块；

所述驱动电机主体的转子与谐波减速器的输入端固定连接，同时驱动电机主体的驱动电机转子与刹车机构的转动端固定连接；所述谐波减速器的输出端与关节输出构件固定连接；所述关节输出构件与外部执行机构或负载连接；所述刹车机构的转动端同时与驱动电机主体的驱动电机转子和谐波减速器的中空输入轴均固定连接；所述电机输入端编码器的转动端与谐波减速器的输入端固定连接；所述关节输出端编码器的转动端与关节输出构件的输出轴固定连接；所述关节外壳与谐波减速器的固定端、驱动电机主体的定子、刹车机构的固定端、集成电路模块均固定连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述谐波减速器包括钢轮、柔轮；所述钢轮与关节输出构件固定连接，所述固定谐波减速器通过柔轮与关节外壳固定连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述驱动电机主体选用无框直驱电机。

上述集成化的机器人关节模组，还包括电机输入端编码器、关节输出端编码器；

所述关节外壳与电机输入端编码器的固定端、关节输出端编码器的固定端均固定连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述关节输出构件包括输出法兰和输出轴；所述输出法兰连接外部执行机构或负载；所述输出轴为中空管状；所述谐波减速器还包括中空输入轴；所述输出轴穿过中空输入轴，中空输入轴和输出轴之间留有间隙；所述输出法兰与输出轴过盈配合连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述驱动电机主体包括驱动电机定子、驱动电机转子；所述电机定子包括定子绕组、定子铁芯；所述定子铁芯与关节外壳固定连接，定子绕组和定子铁芯连接；所述驱动电机转子包括转子磁轭、转子磁钢；所述转子磁钢均匀安装在转子磁轭的圆周上；所述谐波减速器还包括中空输入轴，所述转子磁轭套装在谐波减速器的中空输入轴阶梯面上。

上述集成化的机器人关节模组，所述刹车机构包括制动器和制动器过渡固定件；所述制动器包括可释放电枢板和磁轭固定端；所述磁轭固定端与关节外壳固定连接，所述可释放电枢板与制动器过渡固定件固定连接，所述制动器过渡固定件和谐波减速器的中空输入轴固定连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述关节外壳还包括T型关节外壳、斜面套筒、端盖、过渡件；所述机器人关节模组还包括电机输入端编码器、关节输出端编码器；T型关节外壳；T型关节外壳相对的两端中，其中一端安装关节输出构件，另一端依次安装斜面套筒和端盖；

过渡件固定在T型关节外壳内；过渡件与刹车机构、电机输入端编码器、关节输出端编码器和集成电路模块均固定连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述谐波减速器还包括波发生器和中空输入轴；所述机器人关节模组还包括电机输入端编码器；波发生器与中空输入轴连接；中空输入轴与驱动电机主体的驱动电机转子的转子磁轭固定连接，同时中空输入轴与电机输入端编码器连接。

上述集成化的机器人关节模组，所述集成电路模块还包括霍尔传感器电路，霍尔传感器电路与驱动电机主体的驱动电机转子连接。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本实用新型提供的一种集成化的机器人关节模组，整个关节内部集成了驱动电机主体、谐波减速器、刹车机构、集成电路模块，中心轴轴线采用中空设计，能够来安装各部件之间的线缆，节省了结构空间，同时简化了传动结构；内部结构紧凑，实现了机器人一站式关节解决方案，优化机器人整机结构；关节壳体结构采用T型关节外壳、斜面套筒和端盖固定的形式，优化了安装调试方法，利于后期维护拆卸；斜面套筒和端盖可采用3D硬质打印，利于内部散热，提高整机性能；

(2)本实用新型提供的一种集成化的机器人关节模组，所述驱动电机主体包括无框驱动电机定子和驱动电机转子，二者直接安装在关节外壳内，驱动电机定子和驱动电机转子之间不需要电刷接触，使得关节外壳的内部结构更紧凑，安装维护更方便；

(3)本实用新型提供的一种集成化的机器人关节模组，采用电机输入端编码器和关节输出端编码器分别实时监测反馈驱动电机主体和关节输出构件的工作状态，提高了输出端位置的测量精度；同时集成电路模块通过实时监测驱动电机主体的电流，控制驱动电机主体的运动形式，减小了过载和外界碰撞的冲击，提高了机器人关节模组的安全性，并增强了机器人的智能性，人机交互效果好；

(4)本实用新型提供的一种集成化的机器人关节模组，优化了传统机器人关节模组的结构及布局设计，把传统的驱动控制器功能和驱动机构集成在关节内部，体积更小，负载自重比提高；同时极大的简化机器人关节模组的动力集成，并降低工业机器人的开发和应用门槛，让机器人制造商更加专注于其机器人应用场景的开发，而不是纠结于复杂的动力机械组件。

附图说明

图1为本实用新型一种集成化的机器人关节模组结构剖视图；

图2为本实用新型一种集成化的机器人关机模组谐波减速器示意图；

图3为本实用新型一种集成化的机器人关机模组关节外壳示意图；

图4为本实用新型一种集成化的机器人关机模组过渡件结构示意图；

图5为本实用新型一种集成化的机器人关机模组驱动电机主体组成示意图；

图6为本实用新型一种集成化的机器人关机模组刹车机构组成示意图；

图7为本实用新型一种集成化的机器人关机模组集成电路组成示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。

一种集成化的机器人关节模组，包括关节输出构件1、谐波减速器2、关节外壳3、驱动电机主体4、刹车机构5、电机输入端编码器6、关节输出端编码器7、集成电路模块8，如图1所示。

关节输出构件1用于连接外部执行机构或负载；谐波减速器2用于调节关节输出构件1的转速；关节外壳3用于固定谐波减速器2、驱动电机主体4、刹车机构5、电机输入端编码器6、关节输出端编码器7和集成电路模块8；驱动电机主体4根据集成电路模块8的指令用于驱动谐波减速器2；刹车机构5 根据集成电路模块8的指令用于对驱动电机主体4抱闸；电机输入端编码器6 用于测量驱动电机主体4的驱动电机转子42的转子磁轭421的工作状态，然后输出给集成电路模块8；关节输出端编码器7用于测量关节输出构件1的输出轴12的工作状态，然后输出给集成电路模块8；集成电路模块8根据外部上位机的指令、驱动电机主体4的工作状态、关节输出构件1的工作状态，驱动驱动电机主体4。

驱动电机主体4的转子与谐波减速器2的输入端固定连接，同时驱动电机主体4的驱动电机转子42与刹车机构5的转动端固定连接；谐波减速器2的输出端与关节输出构件1固定连接；关节输出构件1与外部执行机构或负载连接；刹车机构5的转动端同时与驱动电机主体4的驱动电机转子42和谐波减速器2的中空输入轴23均固定连接；电机输入端编码器6的转动端与谐波减速器2的输入端固定连接；关节输出端编码器7的转动端与关节输出构件1的输出轴12固定连接；关节外壳3与谐波减速器2的固定端、驱动电机主体4 的驱动电机转子42、刹车机构5的固定端、电机输入端编码器6的固定端、关节输出端编码器7的固定端、集成电路模块8均固定连接。

关节输出构件1和谐波减速器2位于驱动电机主体4的同一侧，刹车机构 5、电机输入端编码器6、关节输出端编码器7、集成电路模块8位于驱动电机主体4的另一侧。

关节输出构件1包括输出法兰11和输出轴12；输出法兰11连接外部执行机构或负载，同时输出法兰11与谐波减速器2的钢轮21固定连接；输出轴12 为中空管状；中空输入轴23套装在输出轴12上，中空输入轴23和输出轴12 留有间隙；输出法兰11与输出轴12过盈配合连接。机器人关节模组的驱动电机主体4、刹车机构5、电机输入端编码器6、关节输出端编码器7、集成电路模块8套装在输出轴12或中空输入轴23上，输出轴12和中空输入轴23组成的中空管路用于线缆的走线，节约了空间，便于设备的小型化和集成化。

谐波减速器2如图2所示，包括钢轮21、柔轮22、中空输入轴23和波发生器24；钢轮21与关节输出构件1固定连接，固定谐波减速器2通过柔轮22 与关节外壳3固定连接；波发生器24与中空输入轴23连接；中空输入轴23 与电机输入端编码器6连接；电机输入端编码器6用于测量驱动电机主体4的工作状态然后输出给集成电路模块8。中空输入轴23作为谐波减速器2的输入端，钢轮21作为谐波减速器2的输出端，柔轮22作为谐波减速器2的固定端。中空输入轴23与驱动电机主体4的驱动电机转子42的转子磁轭421固定连接。

关节外壳3包括T型关节外壳31、斜面套筒32和端盖33、过渡件34，如图3所示；T型关节外壳31；T型关节外壳31相对的两端中，其中一端安装关节输出构件1，另一端依次安装斜面套筒32和端盖33，斜面套筒32和端盖33与T型关节外壳31同轴配合连接。过渡件34与刹车机构5、电机输入端编码器6、关节输出端编码器7、集成电路模块8均固定连接，如图4所示。谐波减速器2的柔轮22、驱动电机主体4的定子铁芯411、过渡件34均与T 型关节外壳31固定连接。端盖33可实现快去装卸，方便内部结构安装和调试。

具体的，T型关节外壳31内为阶梯状内腔，内腔半径较大的一侧安装谐波减速器2，内腔半径较小的一侧设计有阶梯定位安装驱动电机定子41的定子铁芯412；在T型关节外壳31内腔设有对称凸台结构，用于连接安装过渡件34。过渡件34用于固定安装集成电路模块8、输入编码器6、输出编码器7及制动器51的磁轭固定端512。所述内腔各端面都设计螺纹孔，用于连接固定关节器件。

驱动电机主体4为无框直驱电机，如图5所示，驱动电机主体4包括驱动电机定子41、驱动电机转子42；电机定子41包括定子绕组411、定子铁芯412；定子铁芯411与关节外壳3固定连接，定子绕组411和定子铁芯412连接；驱动电机转子42包括转子磁轭421、转子磁钢422；转子磁钢422均匀安装在转子磁轭421的圆周上；转子磁轭421套装在谐波减速器2的中空输入轴23 上。定子铁芯412作为驱动电机主体4的固定端。当定子绕组411通电后定子铁芯412和转子磁轭421之间产生相互作用的旋转磁力矩，采用无框直驱电机的优点是能够直接安装在T型关节外壳31内部，结构紧凑，便于维护。

刹车机构5包括制动器51和制动器过渡固定件52，如图6所示；制动器 51包括可释放电枢板511和磁轭固定端512；磁轭固定端512与关节外壳3 固定连接，可释放电枢板511与制动器过渡固定件52固定连接，制动器过渡固定件52与谐波减速器2的中空输入轴23固定连接；驱动电机主体4的驱动电机转子42的转子磁轭421和谐波减速器2的中空输入轴23固定连接。当关节模组断电时，磁轭固定端512的磁力将可释放电枢板511吸附，产生额定扭力制动；当上电时，磁轭固定端512的永磁力和线圈磁力抵消，可释放电枢板 511被释放，制动器释放转轴。

集成电路模块8包括抱闸电路81、驱动电路82、MCU、绝对编码器电路 84、霍尔传感器电路85，如图7所示。抱闸电路81根据MCU的抱闸指令输出抱闸信号给刹车机构5。驱动电路82与驱动电机主体4连接，根据MCU的驱动指令驱动驱动电机主体4。MCU根据外部上位机的指令、驱动电机主体4 的工作状态、关节输出构件1的工作状态，输出驱动指令触发驱动电路82，输出抱闸指令给抱闸电路81。MCU可以是各种公知的控制芯片和控制电路，比如单片机、数字信号处理器、嵌入式控制器等，用于实现关节模组的旋转运动、换向控制、精度控制和智能控制功能。绝对编码器电路84用于获取驱动电机主体4的工作状态和关节输出构件1的工作状态，然后输出给MCU。霍尔传感器电路85用于测量驱动电机主体4的工作状态，然后将测量数据发送给MCU。

驱动电路82利用其内部的逆变电路对驱动电机主体4的母线电压进行换向，然后驱动电机主体4的母线输出三相交流电连接到电机的电机定子41的三相输入侧；每个定子绕组411形成方向固定的磁场，然后在相位换向的作用下，电机定子41形成周期性旋转的磁场，其旋转速度与集成电路模块8上的全桥逆变频率成正比；通过电机定子41与驱动电机转子42作用产生相应的磁场矩，通过中空输入轴23输出扭矩。

当驱动电机主体4实现旋转运动后，电机输入端编码器6测量驱动电机主体4的驱动电机转子42的位置，关节输出端编码器7测量的关节输出构件1 的输出轴12的位置，电机输入端编码器6和关节输出端编码器7将测量数据输出给绝对值编码器电路84，绝对值编码器电路84将驱动电机转子42的位置数据和输出轴12的位置数据输出给MCU，MCU根据上述数据能够获取关节最终输出的旋转运动精度，以实现更优的精度控制。此外MCU根据霍尔传感器电路85测量的驱动电机主体4的工作状态，确定驱动电机主体4的旋转方向。

抱闸控制的原理为：在需要刹车制动情况下，外部智能控制器切断制动器 51的供电电源，使磁轭固定端512的磁力吸附可释放电枢板511，进行抱闸动作，中空输入轴23停止输出。

本实用新型的关节模组采用机构、控制、驱动、通信一体化的模块化关节的设计思路。其特点是其重构性、冗余性和灵活性好、设计周期短、设计成本低并且便于维护。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：包括关节输出构件(1)、谐波减速器(2)、关节外壳(3)、驱动电机主体(4)、刹车机构(5)、电机输入端编码器(6)、关节输出端编码器(7)、集成电路模块(8)；

所述驱动电机主体(4)的转子与谐波减速器(2)的输入端固定连接，同时驱动电机主体(4)的驱动电机转子(42)与刹车机构(5)的转动端固定连接；所述谐波减速器(2)的输出端与关节输出构件(1)固定连接；所述关节输出构件(1)与外部执行机构或负载连接；所述刹车机构(5)的转动端同时与驱动电机主体(4)的驱动电机转子(42)和谐波减速器(2)的中空输入轴(23)均固定连接；所述电机输入端编码器(6)的转动端与谐波减速器(2)的输入端固定连接；所述关节输出端编码器(7)的转动端与关节输出构件(1)的输出轴(12)固定连接；所述关节外壳(3)与谐波减速器(2)的固定端、驱动电机主体(4)的定子、刹车机构(5)的固定端、集成电路模块(8)均固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述谐波减速器(2)包括钢轮(21)、柔轮(22)；所述钢轮(21)与关节输出构件(1)固定连接，所述谐波减速器(2)通过柔轮(22)与关节外壳(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述驱动电机主体(4)选用无框直驱电机。

4.根据权利要求1所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：还包括电机输入端编码器(6)、关节输出端编码器(7)；

所述关节外壳(3)与电机输入端编码器(6)的固定端、关节输出端编码器(7)的固定端均固定连接。

5.根据权利要求1～3之一所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述关节输出构件(1)包括输出法兰(11)和输出轴(12)；所述输出法兰(11)连接外部执行机构或负载；所述输出轴(12)为中空管状；所述谐波减速器(2)还包括中空输入轴(23)；所述输出轴(12)穿过中空输入轴(23)，中空输入轴(23)和输出轴(12)之间留有间隙；所述输出法兰(11)与输出轴(12)过盈配合连接。

6.根据权利要求1～3之一所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述驱动电机主体(4)包括驱动电机定子(41)、驱动电机转子(42)；所述电机定子(41)包括定子绕组(411)、定子铁芯(412)；所述定子铁芯(412)与关节外壳(3)固定连接，定子绕组(411)和定子铁芯(412)连接；所述驱动电机转子(42)包括转子磁轭(421)、转子磁钢(422)；所述转子磁钢(422)均匀安装在转子磁轭(421)的圆周上；所述谐波减速器(2)还包括中空输入轴(23)，所述转子磁轭(421)套装在谐波减速器(2)的中空输入轴(23)阶梯面上。

7.根据权利要求1～3之一所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述刹车机构(5)包括制动器(51)和制动器过渡固定件(52)；所述制动器(51)包括可释放电枢板(511)和磁轭固定端(512)；所述磁轭固定端(512)与关节外壳(3)固定连接，所述可释放电枢板(511)与制动器过渡固定件(52)固定连接，所述制动器过渡固定件(52)和谐波减速器(2)的中空输入轴(23)固定连接。

8.根据权利要求1～3之一所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述关节外壳(3)还包括T型关节外壳(31)、斜面套筒(32)、端盖(33)、过渡件(34)；所述机器人关节模组还包括电机输入端编码器(6)、关节输出端编码器(7)；T型关节外壳(31)；T型关节外壳(31)相对的两端中，其中一端安装关节输出构件(1)，另一端依次安装斜面套筒(32)和端盖(33)；过渡件(34)固定在T型关节外壳(31)内；过渡件(34)与刹车机构(5)、电机输入端编码器(6)、关节输出端编码器(7)和集成电路模块(8)均固定连接。

9.根据权利要求1～3之一所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述谐波减速器(2)还包括波发生器(24)和中空输入轴(23)；所述机器人关节模组还包括电机输入端编码器(6)；波发生器(24)与中空输入轴(23)连接；中空输入轴(23)与驱动电机主体(4)的驱动电机转子(42)的转子磁轭(421)固定连接，同时中空输入轴(23)与电机输入端编码器(6)连接。

10.根据权利要求1所述的一种集成化的机器人关节模组，其特征在于：所述集成电路模块(8)还包括霍尔传感器电路(85)，霍尔传感器电路(85)与驱动电机主体(4)的驱动电机转子(42)连接。