基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端传动连接。进一步的，所述驱动关节还包括绝对式编码器、力矩传感器、增量式编码器等。本发明专利技术提供的驱动关节具有重量轻、响应速度快、柔顺力控制等优点，并且还可实现实时总线通信。本发明专利技术还公开了利用所述驱动关节构建形成的工业机器人，其具有轻量化、高载荷‑自重比、多自由度等特点。

Drive joint and its application based on double stator frameless torque motor

【技术实现步骤摘要】
基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其应用
本专利技术涉及一种驱动关节，特别是一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其在工业机器人中的应用，属于工业机器人领域。
技术介绍
工业机器人的关节驱动控制系统通常采用中央控制器->单轴驱动器->关节电机的控制方案，其驱动器和控制器需要放置在机械臂外部的控制柜实现，其走线多而且复杂、维护困难、可靠性差，易于造成信号干扰，影响机器人的定位和控制精度。传统工业机器人关节只考虑到了单一的运动控制，不具有柔顺力控制和阻抗控制功能，因此不能很好地适应需要柔顺控制的场合，如接触性操作任务和本质安全的人机交互。此外，低力矩-重量比的伺服电机容易造成驱动关节过于笨重和庞大，降低了机械臂的驱动效率和动态响应速度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节及其应用，从而克服现有技术的不足。为了达到前述专利技术目的，本专利技术采用了以下方案：本专利技术实施例提供了一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端传动连接。进一步的，所述驱动关节还包括绝对式编码器，用于检测所述驱动关节输出端的速度与位置信号。进一步的，所述驱动关节还包括力矩传感器，用于检测外部载荷。进一步的，所述驱动关节还包括增量式编码器，用于检测所述电机输入端的位置与速度信号。进一步的，所述驱动关节于轴向上的两端面还分别连接有驱动器和运动控制器。进一步的，所述驱动关节的输入端还设置有限位机构，用于对所述驱动关节的可转动范围进行机械限制。进一步的，所述驱动关节还可包括通讯模块，例如高速实时通信模块等。本专利技术实施例还提供了一种多自由度工业机器人，其包括至少所述的驱动关节，其中至少两个驱动关节依次连接，并且有至少一个驱动关节的轴线与至少另一个驱动关节的轴线相互垂直设置。进一步的，所述驱动关节还与末端执行器连接。进一步，所述驱动关节的输入端、输出端分别与工业机器人的输入杆件端面、输出杆件端面连接。较之现有技术，本专利技术提供的驱动关节具有重量轻、响应速度快、柔顺力控制等优点，并且还可实现实时总线通信，而利用所述驱动关节还可构建形成轻量化、高载荷-自重比、多自由度的工业机器人，具有广阔的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施例中一种基于双定子无框力矩电机的机器人驱动关节的结构示意图；图2是图1所示驱动关节的主视图；图3是本专利技术一典型实施例中一种7自由度工业机器人的结构示意图；图4是图3所示工业机器人内部的部分关节布置示意图；附图标记说明：电机外定子1、电机内定子2、转子轴3、外定子安装座4、内定子安装座5、轴承6、增量式编码器7、制动器安装座8、制动器9、控制卡10、走线管11、轴承压盖12、十字交叉滚柱轴承13、轴承座14、钢轮15、波发生器16、柔轮17、控制卡18、绝对式编码器19、柔轮连接器20、力矩传感器21、编码器连接件22、轴承23、输出法兰盘24、输出端25、输入端26、第一关节100、输出端101、输入端102、第二关节200、输出端201、输入端202、第三关节300、输出端301、输入端302、第四关节400、输出端401、输入端402、第五关节500、输出端501、输入端502、第六关节600、输出端601、输入端602、第七关节700、输出端701、输入端702。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的技术方案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用以解释本申请，并不用于限定本申请。本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。在本领域的一些设计中，是以一体化设计的驱动关节作为工业机器人(如下简称机器人)的基本驱动单元，因而驱动关节对机器人系统的运动学性能和动力学行为有决定性影响。为了达到机器人轻量化和高载荷-自重比的目标，驱动关节必须要具有极高的力矩密度。但如前所述，现有的驱动关键均不具有这样的特性。有鉴于此，本申请的专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是采用高性能双定子力矩电机结合高传动比的谐波减速器构建轻量化机器人驱动关节。相比现有技术中采用单定子力矩电机的驱动关节，本申请基于双定子力矩电机的驱动关节具有更高的功率密度、更小的体积，因此能有效地提高机器人系统的荷载-自重比。以下将对本申请的技术方案作更为详细的说明。本专利技术实施例的一个方面提供的一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端传动连接。在一些实施方式中，所述驱动关节的输出端、输入端分别设置有输出法兰端面、输入法兰端面，其中的输入法兰面可以和机器人输入杆件端面连接，输出法兰面可以和机器人的输出杆件端面连接。在一些实施方式中，所述电机中处于外定子和内定子之间的转子转动通过谐波减速器传递给输出法兰进行传动。在一些实施方式中，所述驱动关节还包括：绝对式编码器，用于检测所述驱动关节输出端的速度与位置信号；力矩传感器，用于检测外部载荷；以及增量式编码器，用于检测所述电机输入端的位置与速度信号。在一些较佳实施方式中，通过在电机输入端设置增量式编码器，以及在输出轴端设置绝对位置编码器(例如光学式绝对位置编码器)，可以有效的减小乃至消除因谐波减速器本身的柔性给驱动关节模块的运动控制精度带来的影响。在一些较佳实施方式中，通过在所述驱动关节模块的输出轴端设置力矩传感器，使驱动关节具有感知外部载荷(或输出力矩)的能力，从而实现驱动关节以及操作臂(即，机器人)的柔顺运动控制，最终实现与人共融操作的安全性。在一些实施方式中，所述转子连接在转子轴上并设于外定子和内定子之间。在一些实施方式中，所述外定子固定安装于外定子安装座内，所述内定子安装在内定子安装座的轴上，所述外定子还与内定子固定连接且两者角度匹配。在一些实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端(25)传动连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于包括双定子无框力矩电机及谐波减速器，所述电机的转子通过谐波减速器与所述驱动关节的输出端(25)传动连接。


2.根据权利要求1所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于还包括：
绝对式编码器(19)，用于检测所述驱动关节输出端(25)的速度与位置信号；
力矩传感器(21)，用于检测外部载荷；以及
增量式编码器(7)，用于检测所述电机输入端的位置与速度信号。


3.根据权利要求2所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述驱动关节的输出端(25)设置输出法兰(24)，所述输出法兰(24)与所述电机的转子通过谐波减速器传动连接，所述绝对式编码器(19)设置于所述谐波减速器的钢轮(15)和输出法兰(24)之间，所述力矩传感器(21)设置在所述谐波减速器的柔轮(17)和输出法兰(24)之间，所述钢轮(15)与柔轮(17)啮合配合，所述转子连接在转子轴(3)上并设于外定子(1)和内定子(2)之间，所述谐波减速器的波发生器(16)、增量式编码器(7)分别设置于转子轴(3)前端、后端。


4.根据权利要求3所述的基于双定子无框力矩电机的驱动关节，其特征在于：所述外定子(1)固定安装于外定子安装座(4)内，所述内定子(2)安装在内定子安装座(5)的轴上，所述外定子(1)还与内定子(2)固定连接且两者角度匹配，所述转子轴(3)的前端通过一角接触球轴承(6)与轴承座(14)连接，后端通过另一角接触球轴承(23)与内定子安装座(5)连接，所述轴承座(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慰军，孙贤备，杨桂林，陈进华，张驰，王冲冲，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33