CN216000572U - 伺服关节的双编码器***及伺服关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种伺服关节的双编码器***及伺服关节，所述双编码器***包括：电路板；第一编码器磁环，所述第一编码器磁环相对于所述电路板旋转自如地设置；第二编码器磁环，所述第二编码器磁环相对于所述电路板旋转自如地设置并且套设于所述第一编码器磁环的径向外侧；第一芯片，所述第一芯片设置于所述电路板并用于检测所述第一编码器磁环的反馈信号；以及第二芯片，所述第二芯片设置于所述电路板并用于检测所述第二编码器磁环的反馈信号。利用本实用新型的双编码器***及伺服关节，能够在提高伺服关节的输出精度的同时，使伺服关节的结构紧凑并解决具有异端双编码器的伺服关节走线困难、密封不良等问题。

Description

伺服关节的双编码器***及伺服关节

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体来说，涉及一种伺服关节的双编码器***及伺服关节。

背景技术

协作机器人是设计成和人类在共同工作空间中可近距离直接接触的机器人。因此，协作机器人更注重本体的安全性、高集成性、安装便利性以及使用方式的简单化。基于上述需求，协作机器人一般要求本体更加轻量化，具有更高的负载自重比。因此，协作机器人的本体通常通过不同负载能力的高度集成化的伺服关节的模块化组合来提高协作机器人的本体的集成度，实现协作机器人的本体轻量化的同时简化协作机器人的内部走线，并实现安装便利性。

针对目前市面上常见的协作机器人的伺服关节，仍然存在如下不足之处。首先，对于采用仅在电机端配置一个多圈绝对值编码器方案的伺服关节来说，为了保持多圈计数，需要定期更换电池。而且，由于谐波减速机存在约100arc-sec的传递误差，因此如果仅配置一个电机端编码器，则在进行位置控制时，通过谐波减速机后的实际位置存在一定误差。其次，对于采用异端双编码器方案的伺服关节来说，由于增加了输出端的位置反馈，提高了伺服关节的输出精度，但由于增加一个编码器，一方面造成伺服关节的结构尺寸增大，降低了伺服关节的紧凑性，另一方面存在走线困难，伺服关节密封不良等风险。

因此，需要对现有编码器***及伺服关节的结构进行优化。

需要说明的是，以上背景技术部分所公开的信息仅用于增强对本实用新型背景的理解，因此其可能包含不构成对本领域技术人员已知的现有技术的信息。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题中的一个或多个，本实用新型提供一种伺服关节的双编码器***及伺服关节。

本实用新型的伺服关节的双编码器***包括：电路板；第一编码器磁环，所述第一编码器磁环相对于所述电路板旋转自如地设置；第二编码器磁环，所述第二编码器磁环相对于所述电路板旋转自如地设置并且套设于所述第一编码器磁环的径向外侧；第一芯片，所述第一芯片设置于所述电路板并用于检测所述第一编码器磁环的反馈信号；以及第二芯片，所述第二芯片设置于所述电路板并用于检测所述第二编码器磁环的反馈信号。

本实用新型还提供一种伺服关节，所述伺服关节包括：所述双编码器***；减速器单元，所述减速器单元的输出轴的一端与所述第一编码器磁环固定连接；以及电机单元，所述电机单元的电机轴的一端与所述第二编码器磁环固定连接。

根据本实用新型一实施例，所述电机单元包括：外壳，所述外壳包括电机定子外壳和与所述电机定子外壳固定连接的制动器固定壳；电机定子，所述电机定子与所述电机定子外壳固定连接；电机转子，所述电机转子套设于所述电机定子的径向内侧并与穿设于所述电机转子的轴孔的所述电机轴固定连接；以及制动器，所述制动器的一端与所述电机轴配合地设置，所述制动器的另一端与所述制动器固定壳固定连接。

根据本实用新型一实施例，所述制动器为摩擦片式制动器。

根据本实用新型一实施例，所述电机轴的两端分别与第一深沟球轴承的内圈和第二深沟球轴承的内圈固定连接。

根据本实用新型一实施例，所述第一深沟球轴承的外圈与所述电机定子外壳固定连接，所述第二深沟球轴承的外圈与所述制动器固定连接。

根据本实用新型一实施例，所述减速器单元包括：谐波减速机，所述谐波减速机包括柔轮、设置于所述柔轮的内圈的波发生器以及设置于所述柔轮的外圈的钢轮；谐波减速机安装板，所述谐波减速机安装板套设于所述谐波减速机的径向外侧；以及关节输出法兰，所述关节输出法兰与所述谐波减速机安装板的一端固定连接，其中，所述波发生器的一端与所述电机轴固定连接，以使所述电机单元产生的动力通过所述谐波减速机进行扭矩放大，并通过所述关节输出法兰进行动力传输，所述输出轴与所述关节输出法兰的内侧固定连接，并通过第三深沟球轴承与所述波发生器配合，以使所述输出轴能够随着所述关节输出法兰一起旋转并与所述波发生器形成相对旋转。

根据本实用新型一实施例，所述伺服关节还包括驱动器单元，所述驱动器单元包括：驱动器转接板，所述驱动器转接板与所述双编码器***固定连接；以及伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述驱动器转接板固定连接。

根据本实用新型一实施例，所述双编码器***还包括与所述电路板的外侧固定连接的电路板支撑件，所述电路板支撑件的一端与所述驱动器转接板固定连接，所述电路板支撑件的另一端与所述制动器固定壳固定连接。

根据本实用新型一实施例，所述驱动器单元还包括与所述伺服驱动器固定连接的束线板，在所述束线板安装有束线保护件。

利用本实用新型的双编码器***及伺服关节，能够在提高伺服关节的输出精度的同时，使伺服关节结构紧凑并解决具有异端双编码器的伺服关节走线困难、密封不良等问题。

附图说明

以下将详细参考附图示出的特定示例性实施例，对本实用新型的上述和其他特征进行说明，所述示例性实施例在下文中仅以说明的方式给出，因此并不限制本实用新型，其中：

图1是示出根据本实用新型一实施例的双编码器***的立体结构示意图。

图2是示出根据本实用新型一实施例的双编码器***的截面图。

图3是示出根据本实用新型一实施例的伺服关节的立体结构示意图。

图4是示出根据本实用新型一实施例的伺服关节的截面图。

符号说明

1 伺服关节

10 双编码器***

11 电路板

12 第一编码器磁环

13 第二编码器磁环

14 编码器电路板支撑件

15 平端紧定螺钉

20 电机单元

21 电机定子

22 电机定子外壳

23 电机转子

24 电机轴

25 制动器

26 制动器固定壳

27 第一深沟球轴承

28 第二深沟球轴承

30 驱动器单元

31 伺服驱动器

32 驱动器转接板

33 束线板

34 束线保护件

40 减速器单元

41 谐波减速机安装板

42 关节输出法兰

43 输出轴

44 第三深沟球轴承

45 波发生器

具体实施方式

以下通过具体实施例对本实用新型进行详细描述，以使本领域普通技术人员能够容易地根据本说明书公开的内容实施本实用新型。以下所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而非全部。基于本说明书所描述的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不发生冲突的情况下，本说明书中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

首先，结合图1和图2来说明根据本实用新型一实施例的伺服关节的双编码器***10。其中，图1是示出根据本实用新型一实施例的双编码器***10的立体结构示意图，图2是示出根据本实用新型一实施例的双编码器***10的截面图。

如图1和图2所示，双编码器***10包括电路板11以及相对于电路板11旋转自如地设置的第一编码器磁环12和第二编码器磁环13，并且，第二编码器磁环13套设于第一编码器磁环12的径向外侧。另外，虽然未图示，但是在电路板11还可以设置有用于检测第一编码器磁环12的反馈信号的第一芯片和用于检测第二编码器磁环13的反馈信号的第二芯片(其中，第一芯片和第二芯片也可以称为读数芯片)。

通过将第一编码器磁环12和第二编码器磁环13以套设的方式设置并且相对于电路板11旋转自如地设置，从而形成同端共面的双编码器***10，由此，能够提高伺服关节的输出精度的同时，实现伺服关节的结构紧凑性并解决采用异端双编码器***时伺服关节走线困难、密封不良等问题。

另外，如图2所示，在本实施例中，电路板11的外侧可以固定连接有电路板支撑件14。通过这样的设计，能够方便地将双编码器***10与其他单元连接。

接下来，结合图3和图4来说明根据本实用新型一实施例的伺服关节1。其中，图3是示出根据本实用新型一实施例的伺服关节1的立体结构示意图，图4是示出根据本实用新型一实施例的伺服关节1的截面图。

如图3所示，伺服关节1包括双编码器***10、电机单元20、驱动器单元30和减速器单元40。

具体来说，如图4所示，双编码器***10包括电路板11、相对于电路板11旋转自如地设置的第一编码器磁环12、位于电路板11且与第一编码器磁环12对应地设置的第一芯片(省略图示)、相对于电路板11旋转自如地设置且套设于第一编码器磁环12的径向外侧的第二编码器磁环13、位于电路板11且与第二编码器磁环13对应地设置的第二芯片(省略图示)、以及固定连接于电路板11的径向外侧的编码器电路板支撑件14。

进一步来说，电机单元20包括电机定子21、套设于电机定子21的径向内侧的电机转子23、穿设于电机转子的轴孔的电机轴24、用于制动电机轴24的制动器25以及容纳以上部件的外壳。其中，外壳包括电机定子外壳22和与电机定子外壳22固定连接的制动器固定壳26。具体来说，电机定子21与电机定子外壳22固定连接，电机转子23与电机轴24固定连接。制动器25的一端与电机轴24配合地设置，制动器25的另一端与制动器固定壳26固定连接。制动器固定壳26与电机定子外壳22例如通过螺栓固定连接，从而形成完整的电机单元20。当制动器25打开时，制动器25的转子可以随同电机轴24同步旋转，当制动器25闭合时，制动器25通过将转子抱死从而导致电机轴24停止运动从而形成制动。

如图4所示，在本实施例中，优选电机轴24的两端分别与第一深沟球轴承27和第二深沟球轴承28的内圈固定连接，第一深沟球轴承27的外圈与电机定子外壳22固定连接，第二深沟球轴承28的外圈与制动器25固定连接。如此，形成双端支撑电机轴24，从而保证电机轴24运转的平稳性。

进一步来说，在本实施例中，制动器25可以优选为摩擦片式制动器。这是因为，如果采用以往的插针式制动器，则在紧急制动情况下仍会发生输出端小角度地偏转，存在一定的安全隐患。另外，插针式制动器存在导致机器人开机上电后伺服关节卡住不动的情况，降低机器人稳定性。通过将制动器25设置为摩擦片式制动器，能够克服以上缺点，保证伺服关节制动的安全性。

进一步来说，在本实施例中，电机单元20可以优选采用无框力矩电机作为驱动。采用无框力矩电机不仅能够提高伺服关节的力控精度，而且能够增大伺服关节的输出力矩，特别适用于协作机器人。

另外，减速器单元40包括谐波减速机、套设于谐波减速机的径向外侧的谐波减速机安装板41、固定连接于谐波减速机安装板41的关节输出法兰42以及固定连接于关节输出法兰42的输出轴43。具体来说，谐波减速机可以具有本领域常规设置的柔轮、设置于柔轮的内圈的波发生器45以及设置于柔轮的外圈的钢轮。关节输出法兰42与谐波减速机安装板41的一端固定连接。谐波减速机安装板41与电机定子外壳22固定连接。波发生器45的一端与电机轴24通过螺栓等固定连接，波发生器45的另一端与柔轮配合地设置。由此，电机轴24的旋转会带动波发生器45旋转，从而使电机单元20产生的动力通过谐波减速机进行扭矩放大，并通过关节输出法兰42对外进行动力传输。另外，输出轴43的一端与关节输出法兰42的内侧固定连接，并通过第三深沟球轴承44与波发生器45配合，以使输出轴43能够随着关节输出法兰42一起旋转并与波发生器45形成相对旋转。

如图4所示，双编码器***10的第一编码器磁环12与输出轴43的一端固定连接，第二编码器磁环13与电机单元20的电机轴24的一端固定连接。即，与输出轴43连接的第一编码器磁环12和与电机轴24连接的第二编码器磁环13位于同一侧且设置于同一个面(即电路板11侧)。另外，编码器电路板支撑件14的一端与制动器固定壳26固定连接。利用设置于电路板11上的第一芯片和第二芯片，可分别根据第一编码器磁环12和第二编码器磁环13的反馈信息来获取减速器端和电机端的实时位置信息。应予说明，如图4所示，第一编码器磁环12可以通过平端紧定螺钉15与输出轴43固定连接。

另外，驱动器单元30包括伺服驱动器31、驱动器转接板32和束线板33。具体来说，驱动器转接板32与编码器电路板支撑件14的另一端固定连接，伺服驱动器31与驱动器转接板32固定连接，束线板33与伺服驱动器31固定连接。通过这样的设置，将驱动器单元30集成至伺服关节1中，能够有效降低机器人的走线复杂性。另外，如图4所示，优选在束线板33安装有束线保护件34，从而保护在机器人运动中穿过伺服关节1中空的线束不被损伤。在本实施例中，束线保护件34为束线胶圈。

本实施例的伺服关节1的整体工作原理如下。

由机械臂上层运动控制器规划下发的运动指令通过伺服驱动器31进行处理，来拖动由电机定子21和电机转子23组成的无框力矩电机，同时，由第二编码器磁环13和电路板11组成的电机端编码器将无框力矩电机所旋转的具体相位角反馈到伺服驱动器31中，进行闭环电机FOC拖动，并且，由第一编码器磁环12和电路板11组成的输出端编码器将伺服关节输出端的实时位置信息反馈到伺服驱动器31中，形成位置闭环。

综上所述，根据本实用新型的技术方案，具有如下技术效果：

(1)通过在输出端位置增加反馈编码器，将伺服关节通过减速器单元后的实际输出位置利用输出端编码器反馈到驱动器单元进行闭环处理，从而解决单编码器伺服关节存在的位置误差问题。

(2)通过针对电机端和输出端的双编码器连接结构的定制化紧凑性设计，将作为输出端编码器磁环的第一编码器磁环和作为电机端编码器磁环的第二编码器磁环采用大环套小环的方式分别与输出轴和电机轴连接，并通过在一个编码器电路板中的分别增加两个读数芯片(即第一芯片和第二芯片)，用以检测内外圈编码器的反馈信号，从而形成同端共面的紧凑型双磁环编码器***。而且，双编码器的通讯线可就近与伺服驱动器连接，省去异端双编码器的中空走线或伺服关节外部长距离走线，从而在提高伺服关节的输出精度的同时，实现伺服关节结构紧凑性并解决异端双编码器关节走线困难、密封不良等问题。

(3)采用摩擦片式制动器，保证伺服关节制动的安全性。

(4)通过伺服关节结构件轻量化设计及紧凑性设计，实现伺服关节较高的扭矩密度。

(5)通过将双编码器***、电机单元、驱动器单元和减速器单元进行一体化而构成一体化伺服关节，从而形成高度集成的紧凑型伺服执行单元，特别适用于对结构紧凑轻量化、输出精度与输出能力要求高的多关节式协作机器人的应用场景。

可以理解，附图中所示的结构仅为示意，还可包括比图中所示更多或者更少的模块或组件，或者具有与图中所示不同的配置。值得说明的是，当采用本说明书未能穷尽列举的实施例来实施本实用新型时，本领域技术人员可以对相关的部件的结构、位置或功能的设置进行适应性的调整。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本实用新型范围内的另外实施例。此外，本文所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、尺寸、材料做出相应修改而不脱离本实用新型的保护范围。

在本申请中，反意连接词的使用旨在包括连接词。定或不定冠词的使用并不旨在指示基数。具体而言，对“该”对象或“一”和“一个”对象的引用旨在表示多个这样对象中可能的一个。此外，可以使用连接词“或”来传达同时存在的特征，而不是互斥方案。换句话说，连接词“或”应理解为包括“和/或”。术语“包括”是包容性的并且具有与“包含”相同的范围。

上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实施方式的可能示例，并且仅仅为了清楚理解本实用新型的原理而提出。在基本上不脱离本文描述的技术的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内。

在本说明书中提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被完整引用至本说明书作为参考。

此外应理解，在阅读了本实用新型的上述说明内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型做出各种改动或修改，这些等同形式同样落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种伺服关节的双编码器***，其特征在于，所述双编码器***包括：

电路板；

第一编码器磁环，所述第一编码器磁环相对于所述电路板旋转自如地设置；

第二编码器磁环，所述第二编码器磁环相对于所述电路板旋转自如地设置并且套设于所述第一编码器磁环的径向外侧；

第一芯片，所述第一芯片设置于所述电路板并用于检测所述第一编码器磁环的反馈信号；以及

第二芯片，所述第二芯片设置于所述电路板并用于检测所述第二编码器磁环的反馈信号。

2.一种伺服关节，其特征在于，所述伺服关节包括：

如权利要求1所述的双编码器***；

减速器单元，所述减速器单元的输出轴的一端与所述第一编码器磁环固定连接；以及

电机单元，所述电机单元的电机轴的一端与所述第二编码器磁环固定连接。

3.根据权利要求2所述的伺服关节，其特征在于，所述电机单元包括：

外壳，所述外壳包括电机定子外壳和与所述电机定子外壳固定连接的制动器固定壳；

电机定子，所述电机定子与所述电机定子外壳固定连接；

电机转子，所述电机转子套设于所述电机定子的径向内侧并与穿设于所述电机转子的轴孔的所述电机轴固定连接；以及

制动器，所述制动器的一端与所述电机轴配合地设置，所述制动器的另一端与所述制动器固定壳固定连接。

4.根据权利要求3所述的伺服关节，其特征在于，所述制动器为摩擦片式制动器。

5.根据权利要求3所述的伺服关节，其特征在于，所述电机轴的两端分别与第一深沟球轴承的内圈和第二深沟球轴承的内圈固定连接。

6.根据权利要求5所述的伺服关节，其特征在于，所述第一深沟球轴承的外圈与所述电机定子外壳固定连接，所述第二深沟球轴承的外圈与所述制动器固定连接。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的伺服关节，其特征在于，所述减速器单元包括：

谐波减速机，所述谐波减速机包括柔轮、设置于所述柔轮的内圈的波发生器以及设置于所述柔轮的外圈的钢轮；

谐波减速机安装板，所述谐波减速机安装板套设于所述谐波减速机的径向外侧；以及

关节输出法兰，所述关节输出法兰与所述谐波减速机安装板的一端固定连接，

其中，所述波发生器的一端与所述电机轴固定连接，以使所述电机单元产生的动力通过所述谐波减速机进行扭矩放大，并通过所述关节输出法兰进行动力传输，

所述输出轴与所述关节输出法兰的内侧固定连接，并通过第三深沟球轴承与所述波发生器配合，以使所述输出轴能够随着所述关节输出法兰一起旋转并与所述波发生器形成相对旋转。

8.根据权利要求3～6中任一项所述的伺服关节，其特征在于，所述伺服关节还包括驱动器单元，所述驱动器单元包括：

驱动器转接板，所述驱动器转接板与所述双编码器***固定连接；以及

伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述驱动器转接板固定连接。

9.根据权利要求8所述的伺服关节，其特征在于，所述双编码器***还包括与所述电路板的外侧固定连接的电路板支撑件，所述电路板支撑件的一端与所述驱动器转接板固定连接，所述电路板支撑件的另一端与所述制动器固定壳固定连接。

10.根据权利要求8所述的伺服关节，其特征在于，所述驱动器单元还包括与所述伺服驱动器固定连接的束线板，在所述束线板安装有束线保护件。

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