紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节制造技术

本实用新型专利技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节涉及一种用于机器人的关节结构。其目的是为了提供一种对外力感知能力强、扭矩输出密度高、使用安全性好的紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节。本实用新型专利技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节包括力矩传感器、编码器组件、谐波减速器单元、电机单元和伺服驱动器，力矩传感器安装在减速器壳体的内部，编码器组件包括输出端编码器和电机端编码器，输出端编码器用于测量整体关节输出法兰的运动角度，谐波减速器单元与力矩传感器连接，所述电机单元带动中空轴转动，中空轴与谐波减速器单元连接，所述伺服驱动器驱动电机单元，电机单元转动的相位角由电机端编码器反馈到伺服驱动器中。驱动器中。驱动器中。

【技术实现步骤摘要】
紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节


[0001]本技术涉及一种机器人关节，特别是涉及一种紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，

技术介绍

[0002]多关节机器人，通常也称为机械臂，其最常见的表现形态是协作机器人，如六轴或七轴关节的协作机器臂。在该使用场景下的协作机械臂，多需要与人类发生实际的物理接触，典型的为工作生产中的拖动示教与碰撞检测等，基于此应用需求，协作机器人的伺服关节应具备高性能的运动能力，具体体现在对外力感知的高精度、整体硬件的高度紧凑轻量化、任意工况下的高度安全性与强劲的扭矩输出密度。
[0003]在对精确外力感知的应用需求下，目前主流的技术方案为伺服关节中采用通过电机电流环反馈或集成力矩传感器、低刚度弹性体的方式来观测外力值；而在轻量化与紧凑化的需求下，市面上的伺服关节多采用铝合金与碳纤维材质、通过金属件有限元分析与一体化设计等方式来降低重量并提升设计的紧凑度；而在伺服关节的工作安全性上，目前的主流技术方案为伺服关节多采用带电池的单圈绝对值式编码器，或多个单圈绝对值编码器读数比对的形式来确保伺服关节位置信息的准确性，同时也通过采用插针式或者摩擦片式的制动抱闸来保证伺服关节运动过程中发生紧急情况的制动性；而对于提升伺服关节的扭矩输出密度，主流的做法为采用高减速比谐波减速器单元与大扭矩无框力矩电机的组合，同时将关节自身的重量在设计环节做严格控制。
[0004]而针对目前市面上常见的协作机器人伺服关节，仍然存在如下的不足之处：
[0005]1)通过电机电流环观测外力值缺乏高精度性能，尤其是针对较小外力值的观测，此点是由于伺服关节一般需求比较高的输出扭矩，因此需要集成谐波减速器单元，而谐波减速器单元的反驱静摩擦力较大，且因为大量润滑脂的引入，带来时变与温变的不确定性，很难预先获得谐波减速器单元精确静摩擦力(启动扭矩)的精确建模；
[0006]2)伺服关节的自重与尺寸较大，由此集成后的机械臂难以做到高度的轻量与紧凑化，此点一方面是由于伺服关节集成的谐波减速器单元一般都会搭配厂商自带的交叉滚子轴承，该交叉滚子轴承未考虑在保证应有强度下的轻量化设计；另一方面是由于相关支撑壳体未做精细的有限元轻量化设计；最后是相关核心零件诸如无框力矩或者抱闸选型未考虑在保证基本性能下的定制化减重；
[0007]3)采用单圈绝对值编码器的伺服关节需要定期更换电池，存在一定的安全隐患；
[0008]4)插针式抱闸在紧急制动情况下仍会发生输出端小角度的偏转，存在一定的安全隐患。

技术实现思路

[0009]本技术要解决的技术问题是提供一种对外力感知能力强、扭矩输出密度高、使用安全性好的紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节。
[0010]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，包括力矩传感器、编码器组件、谐波减速器单元、电机单元和伺服驱动器，所述力矩传感器安装在减速器壳体的内部，所述编码器组件包括输出端编码器和电机端编码器，所述输出端编码器用于测量整体关节输出法兰运动角度，所述谐波减速器单元与力矩传感器连接，所述电机单元带动中空轴转动，中空轴与谐波减速器单元连接，所述伺服驱动器驱动电机单元，电机单元转动的相位角由电机端编码器反馈到伺服驱动器中。
[0011]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述力矩传感器与减速器壳体之间安装有独立的交叉滚子轴承。
[0012]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述力矩传感器向关节的集成方式包括外圈轴向固定圆环和内圈轴向固定圆环。
[0013]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述输出端编码器包括输出端编码器磁环和输出端编码器读数头，输出端编码器磁环与力矩传感器固定连接，输出端编码器读数头安装在减速器壳体上。
[0014]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述谐波减速器单元包括柔轮、钢轮、波发生器和柔轮压板。
[0015]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述柔轮压板对柔轮采用迷宫密封的方式。
[0016]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述中空轴的轴体和摩擦片式抱闸进行连接。
[0017]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述中空轴的两端是由第一深沟球轴承和第二深沟球轴承进行双端支撑。
[0018]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述电机端编码器包括电机端编码器磁环和电机端编码器读数头。
[0019]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其中所述伺服驱动器一端安装有金属散热板。
[0020]本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节与现有技术不同之处在于，本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节通过设置轻量化的谐波减速器单元来放大电机单元输出的扭矩，同时设置无框力矩电机和大面积的镁铝合金散热板以解决上文提及的高扭矩密度(输出扭矩/质量)输出能力的问题；通过设置高精度的力矩传感器，以获得精确的外力感知能力；通过设置高刚度的交叉滚子轴承、超薄的摩擦片式抱闸、高度镂空的中空轴和驱控一体化的伺服驱动器单元，使伺服关节做到整体的高度轻量化与高度紧凑一体化；设置交叉滚子轴承、编码器组件和摩擦片式抱闸可以提高伺服关节在人机交互过程中的高度运动安全性，即异端双编的配置解决了因电池电量耗尽而带来的绝对位置丢失的安全隐患。
[0021]下面结合附图对本技术的紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节作进一步说明。
附图说明
[0022]图1为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节的结构示意图；
[0023]图2为图1中A
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A向剖视图；
[0024]图3为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节的立体图；
[0025]图4为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节中力矩传感器俯视方向的立体图；
[0026]图5为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节中力矩传感器仰视方向的立体图；
[0027]图6为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节中谐波减速器单元的结构示意图；
[0028]图7为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节中输出端编码器的剖视图；
[0029]图8为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节中电机端编码器的剖视图；
[0030]图9为本技术紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节中摩擦片式抱闸的剖视图；
[0031]图中标记示意为：1
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力矩传感器；2
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交叉滚子轴承；3
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输出端编码器磁环；4
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输出端编码器读数头；5
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柔轮；6
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钢轮；7
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定子；8
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转子；9
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中空轴；10
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其特征在于：包括力矩传感器、编码器组件、谐波减速器单元、电机单元和伺服驱动器，所述力矩传感器安装在减速器壳体的内部，所述编码器组件包括输出端编码器和电机端编码器，所述输出端编码器用于测量整体关节输出法兰的运动角度，所述谐波减速器单元与力矩传感器连接，所述电机单元带动中空轴转动，中空轴与谐波减速器单元连接，所述伺服驱动器驱动电机单元，电机单元转动的相位角由电机端编码器反馈到伺服驱动器中。2.根据权利要求1所述的紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其特征在于：所述力矩传感器与减速器壳体之间安装有独立的交叉滚子轴承。3.根据权利要求1所述的紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其特征在于：所述力矩传感器向关节的集成方式包括外圈轴向固定圆环和内圈轴向固定圆环。4.根据权利要求1所述的紧凑轻量型高性能力控的机器人伺服关节，其特征在于：所述输出端编码器包括输出端编码器磁环和输出端编码器...

【专利技术属性】
技术研发人员：任赜宇，庹华，张雷，韩峰涛，曹华，韩建欢，张佳俊，李振国，孙晨光，
申请(专利权)人：珞石北京科技有限公司，
类型：新型
国别省市：