CN211709355U - 一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节 - Google Patents

Abstract

一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，由无框力矩电机、电磁安全制动器、绝对值位置传感器、谐波减速器、输出部分、轴承和轴承架、壳体组成。其中无框力矩电机、电磁安全制动器、绝对值位置传感器安装在高速电机轴上；谐波减速器连接高速电机轴和低速输出轴；输出部分安装在低速输出轴上；轴承和轴承架固定在壳体内。本实用新型专利集合了减速装置、传感检测、制动装置为一体，采用专用伺服驱动器进行驱动。在结构上进行了创新优化，与现有产品相比，设计的一体化关节可以实现双向出力，克服了单口出力带来的受力不均以及连接方式单一等问题。该一体化关节重量轻、体积小、承受载荷大，满足仿人机器人臂部运动各项性能指标。

Description

一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节

技术领域

本实用新型涉及机器人关节技术领域，尤其是一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节。

背景技术

一体化关节，即关节作为一个独立整合单元，在其内部将伺服电机套件、安全制动器、编码器、减速器等组件经巧妙设计与机械加工后，制造成为一个统一的有机体。并且这种组合加工不能简单地认为是单纯的机械重构，因为它还包括了控制***的高度集合，控制***包括软件和硬件，如控制算法、电路等。所以模块化关节是一种集成机械传动、机电控制、驱动、通讯为一体的一体化单元。但是以往的一体化关节都为单口出力，会带来受力不均以及连接方式单一等问题，急需一种双向出力且更适合仿人机器人使用的一体化关节，以此来适应多种自由连接方式。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中一体化关节中的单口输出导致受力不均的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，包括如下所述结构。

壳体。

谐波减速器，具有柔性齿轮、刚性齿轮、减速器轴承、谐波发生器，所述刚性齿轮固定在壳体内，刚性齿轮、柔性齿轮、减速器轴承、谐波发生器共同套在高速电机轴上，该谐波减速器具有较短的轴向长度，是当前谐波减速器设计中较为紧凑的，同时具备高转矩容量，极佳的刚性使其可以承受一定的冲击载荷，还具有无齿隙、定位精度和旋转精度优良的特点。谐波发生器紧固在高速电机轴上，柔性齿轮紧固在低速输出轴上，配置于所述关节壳体内。

无框力矩电机，具有电机定子和位于定子内部的电机转子，电机转子固定在高速电机轴上，该无框力矩电机可以在紧凑的设计中提供较高的扭矩输出和功率密度以及具备一定的过载能力，采用高密度铜绕组，降低热损耗，且可以设计为空心轴，精度较高，所述电机定子固定在关节壳体内。

高速电机轴，同时与无框力矩电机的电机转子、谐波减速器的谐波发生器、电磁安全制动器固定连接，进一步地，高速电机轴为中空轴，套在低速输出轴上。

低速输出轴，通过T型设计固定连接在谐波减速器的柔性齿轮上，低速输出轴左右两端固定有主输出端法兰和副输出端法兰。

电磁安全制动器，包括定子体、定位摩擦盘、传感制动盘、外封盖。

进一步地，电磁安全制动器内部的传感制动盘与轴紧固，定子内部具有高强度电磁制动元件。将与高速电机轴紧固的制动盘限制在外封盖与定子体之间，定子体外配备摩擦环。当产生制动作用时，定子体内部的磁感线圈形成磁场，传感制动盘内部的电枢在旋转时会切割磁力线产生涡流，涡流与磁场相互产生效应形成制动力矩。同时传感制动盘因为受到电磁力作用，还会产生吸力，偏离游离位向定子体吸靠，高速旋转的制动盘与摩擦盘相互摩擦又产生摩擦制动力矩。通过电磁涡流与摩擦效应实现高效制动。

绝对值位置传感器，包括辅助支撑环、传感器环、PCB板、PCB平衡组件，其中辅助支撑环与壳体紧固连接，电磁安全制动器的外封盖与辅助支撑环左端紧固连接，绝对值位置传感器的PCB板与辅助支撑环右端紧固连接，绝对值位置传感器安装在高速电机轴上，读取高速电机轴的转速。

进一步地，所述关节壳体、高速电机轴、低速输出轴、主输出端低速输出轴轴承架、副输出端低速输出轴轴承架、副输出端高速电机轴轴承架采用7075高强度铝合金以便实现关节的轻量化设计，使该关节所搭建的模块化机器人具有较高的负载能力，以及较低的重量。

进一步地，主输出端低速输出轴承、副输出端低速输出轴轴承、副输出端高速电机轴轴承、主输出端高速电机轴轴承选用十字交叉滚子轴承，交叉滚子轴承是在内圈和外圈之间正交配置滚子的紧凑型结构的轴承。滚动面为线接触，因此轴承负荷引起的弹性变位极小，且能同时承载径向负荷、轴向负荷及为力矩等复杂的负荷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型双向输出仿人机器人用臂部一体化关节的剖面示意图。

图2是本实用新型双向输出仿人机器人用臂部一体化关节的等轴测外观示意图。

图3是本实用新型双向输出仿人机器人用臂部一体化关节的辅助支撑环示意图。

图4是本实用新型双向输出仿人机器人用臂部一体化关节的轴支撑辅助结构示意图。

图1中：100系列是无框力矩电机，包括110电机定子、120电机转子、130高速电机轴，200系列是电磁安全制动器，包括210定子体、220定位摩擦盘、230传感制动盘、240外封盖、250轴支撑辅助结构，300系列是绝对值位置传感器，包括310辅助支撑环、320传感器环、330PCB板、340PCB平衡组件，400系列是谐波减速器包括410刚性齿轮、420柔性齿轮、430减速器轴承、440谐波发生器，500系列是输出部分，包括510低速输出轴、520主输出端法兰、530副输出端法兰，600系列是轴承架和轴承，包括610主输出端低速输出轴承、620主输出端低速输出轴轴承架、630副输出端低速输出轴轴承、640副输出端低速输出轴轴承架、650副输出端高速电机轴轴承、660副输出端高速电机轴轴承架、670主输出端高速电机轴轴承，700是壳体。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1。

如图1和2所示，一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，包括如下所述结构。

壳体700，主输出端低速输出轴轴承架620、副输出端低速输出轴轴承架640、副输出端高速电机轴轴承架660、辅助支撑环310、刚性齿轮410固定在关节壳体700内。

无框力矩电机100，具有电机定子110和位于电机定子110内部的电机转子120，共同套在中空结构的高速电机轴130上，无框力矩电机100在接受到驱动器信号后开始工作，电机转子120带动高速电机轴130旋转，高速电机轴130通过谐波减速器400减速后将动力传递给低速输出轴510，低速输出轴510带动与其紧固连接的主输出端法兰520和副输出端法兰530对外部机械臂输出动力，实现仿人机器人的运动。

高速电机轴130，同时与电机转子120及谐波减速器400的谐波发生器440固定连接。

低速输出轴510，固定连接在谐波减速器400上。

电磁安全制动器200，套设于高速电机轴130上，电磁安全制动器200内部的传感制动盘230与高速电机轴130紧固，定子体210内部具有高强度电磁制动元件。当产生制动作用时，定子体210内部的磁感线圈形成磁场，传感制动盘230内部的电枢在旋转时会切割磁力线产生涡流，涡流与磁场相互产生效应形成制动力矩。同时传感制动盘230因为受到电磁力作用，还会产生吸力，偏离游离位向定子体210吸靠，高速旋转的传感制动盘230与定位摩擦盘220相互摩擦又产生摩擦制动力矩。通过电磁涡流与摩擦效应实现高效制动。

谐波减速器400，包括刚性齿轮410、柔性齿轮420、减速器轴承430、谐波发生器440，谐波发生器440是谐波减速器400的核心部件，是一种外形为椭圆形的部件，其椭圆形的凸轮外部与柔性轴承的内圈结合，谐波波发生器与高速电机轴130相连，柔性齿轮420是与谐波发生器440相结合的部件，它的开口部分外圈刻有密集的齿，厚度较薄，是一种弹性部件，刚性齿轮410是刚性的外部环状部件，其内圈刻有齿，比柔轮的齿数多。其中刚性齿轮410与壳体700紧固连接，柔性齿轮420与低速输出轴510紧固连接，谐波发生器440与高速电机轴130紧固连接，谐波减速器400连接高速电机轴130和低速输出轴510，谐波减速器400利用错齿实现减速过程，可实现100:1的减速比。

绝对值位置传感器300，包括辅助支撑环310、传感器环320、PCB板330、PCB平衡组件340，置于壳体700内，在高速电机轴旋转时，对应于高速电机轴转过的每一个位置，绝对值编码器使用绝对唯一的编码进行标记。

主输出端低速输出轴承610套置于主输出端低速输出轴轴承架620内，副输出端低速输出轴轴承630套置于副输出端低速输出轴轴承架640内，副输出端高速电机轴轴承650套置于副输出端高速电机轴轴承架660内，主输出端高速电机轴轴承670套置于壳体700内，进一步地，主输出端低速输出轴承610、副输出端低速输出轴轴承630、副输出端高速电机轴轴承650、主输出端高速电机轴轴承670选用十字交叉滚子轴承，交叉滚子轴承是在内圈和外圈之间正交配置滚子的紧凑型结构的轴承。滚动面为线接触，因此轴承负荷引起的弹性变位极小，且能同时承载径向负荷、轴向负荷及力矩等复杂的负荷。主副输出端区别仅限于对图示内容进行说明之用，其转矩和转速不存在明显差异。

图中未标出的螺钉、螺栓大多采用非标准紧固件，采用头部尺寸小的螺钉、螺栓，可有效减少轴向长度。

Claims (11)

1.一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：包括无框力矩电机（100）、电磁安全制动器（200）、绝对值位置传感器（300）、谐波减速器（400）、输出部分（500）、轴承和轴承架（600）、壳体（700）；无框力矩电机（100）包括电机定子（110）、电机转子（120）、高速电机轴（130），其中电机定子（110）安装在壳体（700）内壁上，电机转子（120）安装在高速电机轴（130）上；电磁安全制动器（200）包括定子体（210）、定位摩擦盘（220）、传感制动盘（230）、外封盖（240）、轴支撑辅助结构（250），电磁安全制动器（200）安装在高速电机轴（130）上，可在极短时间内实现制动；绝对值位置传感器（300）包括辅助支撑环（310）、传感器环（320）、PCB板（330）、PCB平衡组件（340），其中辅助支撑环（310）与壳体（700）紧固连接，电磁安全制动器（200）的外封盖（240）与辅助支撑环（310）左端紧固连接，绝对值位置传感器（300）的PCB板（330）与辅助支撑环右端紧固连接，绝对值位置传感器（300）安装在高速电机轴（130）上，读取高速电机轴（130）的转速；谐波减速器（400）包括刚性齿轮（410）、柔性齿轮（420）、减速器轴承（430）、谐波发生器（440），其中刚性齿轮（410）与壳体（700）紧固连接，柔性齿轮（420）与低速输出轴（510）紧固连接，谐波发生器（440）与高速电机轴（130）紧固连接，谐波减速器（400）连接高速电机轴（130）和低速输出轴（510）；输出部分（500）包括低速输出轴（510）、主输出端法兰（520）、副输出端法兰（530），其中主输出端法兰（520）和副输出端法兰（530）连接在低速输出轴（510）上；轴承和轴承架（600）包括主输出端低速输出轴承（610）、主输出端低速输出轴轴承架（620）、副输出端低速输出轴轴承（630）、副输出端低速输出轴轴承架（640）、副输出端高速电机轴轴承（650）、副输出端高速电机轴轴承架（660）、主输出端高速电机轴轴承（670），其中主输出端低速输出轴轴承架（620）、副输出端低速输出轴轴承架（640）、副输出端高速电机轴轴承架（660）紧固在壳体（700）上；主输出端低速输出轴承（610）、主输出端低速输出轴轴承架（620）、副输出端低速输出轴轴承（630）、副输出端低速输出轴轴承架（640）支撑低速输出轴（510）并保证其回转精度，副输出端高速电机轴轴承（650）、副输出端高速电机轴轴承架（660）、主输出端高速电机轴轴承（670）支撑高速电机轴并保证其回转精度；壳体（700）用于固定、保护、支撑上述零件。

2.根据权利要求1所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：由左至右主要元件按如下次序放置：谐波减速器（400）、无框力矩电机（100）、电磁安全制动器（200）、绝对值位置传感器（300）；各部件之间以密集的排列方式进行布局，避免某处出现较大空隙。

3.根据权利要求1或2所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：在电磁安全制动器（200）与绝对值位置传感器（300）之间，添加一辅助支撑环（310）；辅助支撑环（310）与壳体（700）紧固，电磁安全制动器（200）的外封盖（240）与辅助支撑环（310）左端紧固连接，内部的传感制动盘（230）作为旋转件，其外径应小于辅助支撑环（310）的内部直径；辅助支撑环（310）的定位孔均以电磁安全制动器（200）和绝对值位置传感器（300）的PCB板（330）的预留安装孔为基准进行设计。

4.根据权利要求3所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：绝对值位置传感器（300）的传感器环（320）与电磁安全制动器（200）的传感制动盘（230）均为旋转部件，均需与高速电机轴（130）紧固并随其高速旋转；为此设计一轴支撑辅助结构（250），其位置位于辅助支撑环（310）内部，外径小于辅助支撑环（310）的内径；通过轴支撑辅助结构（250）上的孔，将绝对值位置传感器（300）的传感器环（320）与电磁安全制动器（200）的传感制动盘（230）通过长螺钉连接并紧固在轴的凸肩处，实现主要零部件的外部固定和内部支承。

5.根据权利要求3所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：辅助支撑环（310）右端与绝对值位置传感器（300）的PCB板（330）紧固连接，考虑PCB板圆周角度不足180度，高速旋转时会导致旋转质量偏载现象，因此设计一块PCB平衡组件（340），其内外径均与PCB板相同，二者结合使用综合圆周角可达到340度，以平衡PCB板高速转动时带来的质量偏载。

6.根据权利要求1所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：低速输出轴（510）设计为T型结构，连接谐波减速器（400）的柔性齿轮（420）；低速输出轴（510）的两端连接主输出端法兰（520）和副输出端法兰（530）。

7.根据权利要求6所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：低速输出轴（510）通过连接主输出端法兰（520）和副输出端法兰（530）对外输出，实现环关节两端均匀输出力矩，实现双向出力。

8.根据权利要求1所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：高速电机轴（130）设计为空心轴，内部套实心的低速输出轴（510）；高速电机轴（130）的左端制出头部***谐波减速器（400）的谐波发生器（440），在凸肩平面制出螺纹孔配合谐波减速器（400）的安装孔进行紧固安装；高速电机轴（130）的中间与无框力矩电机转子（120）结合段，制出一挡环结构，用来定位电机转子（120）。

9.根据权利要求1所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：电磁安全制动器（200）内部的传感制动盘（230）与高速电机轴（130）紧固，定子体（210）内部具有高强度电磁制动元件；将与高速电机轴（130）紧固的传感制动盘（230）限制在外封盖（240）与定子体（210）之间，定子体（210）外配备定位摩擦盘（220）。

10.根据权利要求1所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：所用的主输出端低速输出轴承（610）、副输出端低速输出轴轴承（630）、副输出端高速电机轴轴承（650）、主输出端高速电机轴轴承（670）选用十字交叉滚子轴承，其单个轴承就能同时承受径向力、双向轴向力与倾覆力矩的共同载荷。

11.根据权利要求1所述的一种双向输出仿人机器人用臂部一体化关节，其特征是：各部件之间连接在安全的基础上，采用头部尺寸小的螺钉、螺栓，可有效减少轴向长度；各辅助支承结构采用与外壳紧固的方式，方便安装及出现故障时的拆卸。

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