一种电动关节及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种电动关节及机器人。

背景技术

伴随着机器人技术发展，模块化、轻量化已成为各种轮式移动机器人、机械臂、穿戴式机器人以及其他机器人的共同需求和趋势。电动关节作为机器人中的核心部件，电动关节整体上决定了机器人的外形尺寸、负载能力、运动速度和精度、乃至整个机器人的研发周期和寿命。

针对特种机器人，如四足机器人与外骨骼机器人，总体设计要求机器人的电动关节需在保证关节性能的情况下，体积、重量和尺寸应较小。

因此目前亟需轻量化、小尺寸且结构紧凑的电动关节。

发明内容

(一)本发明所要解决的问题是：现有的机器人关节组件结构体积较大，重量较重，较难满足如今对机器人关节轻量化、小尺寸的需求。

(二)技术方案

一种电动关节，包括无框永磁同步电机和行星减速机构；其中：

所述无框永磁同步电机包括定子、转子铁芯、转子保持架和电机转轴，所述定子呈环形，所述转子铁芯环绕于所述定子的外侧，所述转子保持架与所述转子铁芯的侧端面固定连接，所述转子保持架与电机转轴相连接，以使得转子铁芯动作时带动所述电机转轴转动，所述电机转轴设置于所述定子的内部、且轴线于所述定子的轴线重合；

所述行星减速机构包括行星架组件、第一轴承和第二轴承，所述行星架组件具有太阳轮、行星轮组件以及内齿环，所述太阳轮的轴线与所述电机转轴的轴线共线、且与所述电机转轴固定连接，且所述内齿环的外侧面连接于所述定子的内壁上；

所述第一轴承和所述第二轴承分别安装在所述行星架组件沿所述太阳轮轴线方向排列的两个端面上；

所述第一轴承用于与所述电机转轴转动连接；所述第二轴承用于与所述太阳轮的输出端转动连接；所述第一轴承和所述第二轴承均为自润滑塑料轴承。

根据本发明的一个实施例，所述行星减速机构中：

所述行星轮组件包括行星架一、行星架二以及多个行星齿轮；

多个所述行星齿轮设置于所述内齿环内，且与所述内齿环相啮合，所述太阳轮的轴线与所述内齿环的轴线重合、且与各所述行星齿轮之间，且同时与多个所述行星齿轮相啮合；

所述行星架一和所述行星架二分别位于所述内齿环沿所述太阳轮轴线方向相对的两侧，且均与所述内齿环同轴设置，所述行星架一和所述行星架二之间通过螺钉固定连接，多个所述行星齿轮通过销轴转动安装于所述行星架一和所述行星架二之间；

所述第一轴承安装于所述行星架一上且与所述行星架一同轴设置，所述第二轴承安装于所述行星架二上且与所述行星架二同轴设置。

根据本发明的一个实施例，所述定子具有圆柱状腔体，所述内齿环的外侧面安装于所述腔体的内壁上，所述行星架二从所述定子的腔体中伸出。

根据本发明的一个实施例，所述电动关节还包括外壳和端盖，所述外壳呈瓶盖状，所述端盖安装于所述外壳的开口端，所述外壳的端面开设有供所述行星架二穿过的圆孔；

所述定子的朝向所述外壳的端面固定于所述外壳的内壁上；所述外壳的端面内壁上安装有第三轴承，所述行星架二与所述第三轴承转动连接；所述端盖上开设有孔体，所述孔体内安装有第四轴承，所述第四轴承与所述电机转轴转动连接；

所述第三轴承和所述第四轴承均为自润滑塑料轴承。

根据本发明的一个实施例，所述转子保持架的直径与所述转子铁芯的直径相同，在所述转子保持架的边缘处均匀开设有多个与磁钢相适配的插槽。

根据本发明的一个实施例，所述外壳的端面上开设有多个通孔，在所述定子朝向所述外壳的端面上开设有多个与所述螺钉孔一一对应的螺钉孔。

根据本发明的一个实施例，所述外壳的内壁上开设有凹槽，所述凹槽与所述圆孔同轴设置，所述第三轴承安装于所述凹槽内。

根据本发明的一个实施例，所述外壳开口端的端面上设有多个内侧板，所述端盖朝向所述外壳的侧面上设有多个与所述内侧板一一对应的边沿板，所述内侧板和所述边沿板之间通过螺丝相固定。

根据本发明的一个实施例，所述自润滑塑料轴承的内圈和外圈均为塑料圈，所述自润滑塑料轴承的滚珠为高强度钢珠。

一种机器人，包括上述的一种电动关节。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种电动关节，包括无框永磁同步电机和行星减速机构；其中：

无框永磁同步电机包括定子、转子铁芯、转子保持架和电机转轴，定子呈环形，转子铁芯环绕于定子的外侧，转子保持架与转子铁芯的侧端面固定连接，转子保持架与电机转轴相连接，以使得转子铁芯动作时带动电机转轴转动，电机转轴设置于定子的内部、且轴线于定子的轴线重合；行星减速机构包括行星架组件、第一轴承和第二轴承，行星架组件具有太阳轮、行星轮组件以及内齿环，太阳轮的轴线与电机转轴的轴线共线、且与电机转轴固定连接，且内齿环的外侧面连接于定子的内壁上；第一轴承和第二轴承分别安装在行星架组件沿太阳轮轴线方向排列的两个端面上；第一轴承用于与电机转轴转动连接；第二轴承用于与太阳轮的输出端转动连接；第一轴承和第二轴承均为自润滑塑料轴承。

对电动关节的内部结构进行了改进，通过塑料轴承替换传统的金属轴承，以减轻电动关节的重量，使得电动关节更加轻量化。由于内齿环的外侧面连接于定子的内壁上，使得行星减速机构设置于无框永磁同步电机的内部，这样能最大程度减小电动关节的轴向尺寸，使得电动关节的结构更加紧凑，体积更加小巧。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例一提供的结构图；

图2为本发明实施例一提供的在图1的基础上拆卸掉外壳和端盖后的第一方向的结构图；

图3为本发明实施例一提供的在图1的基础上拆卸掉外壳和端盖后的第二方向的结构图；

图4为本发明实施例一提供的无框永磁同步电机的结构图；

图5为本发明实施例一提供的转子保持架和磁钢的连接图；

图6为本发明实施例一提供的行星减速机构和第三轴承的第一视角图；

图7为本发明实施例一提供的行星减速机构和第三轴承的第二视角图；

图8为本发明实施例一提供的外壳的结构图；

图9为本发明实施例一提供的端盖的结构图。

图标：1、外壳；101、内侧板；2、端盖；201、边沿板；3、行星减速机构；301、行星架一；302、行星架二；303、行星齿轮；304、内齿环；305、第一轴承；306、第二轴承；307、销轴；308、第一螺钉；4、无框永磁同步电机；401、转子铁芯；402、定子；403、磁钢；404、电机转轴；5、第三轴承；6、转子保持架；7、第四轴承；8、螺栓。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：如图1-图9所示，本发明的一个实施例提供了一种电动关节，包括无框永磁同步电机4和行星减速机构3；其中：无框永磁同步电机4包括定子402、转子铁芯401、转子保持架6和电机转轴404，定子402呈环形，转子铁芯401环绕于定子402的外侧，转子保持架6与转子铁芯401的侧端面固定连接，转子保持架6与电机转轴404相连接，以使得转子铁芯401动作时带动电机转轴404转动，电机转轴404设置于定子402的内部、且轴线于定子402的轴线重合；行星减速机构3包括行星架组件、第一轴承305和第二轴承306，行星架组件具有太阳轮、行星轮组件以及内齿环304，太阳轮的轴线与电机转轴404的轴线共线、且与电机转轴404固定连接，且内齿环304的外侧面连接于定子402的内壁上；第一轴承305和第二轴承306分别安装在行星架组件沿太阳轮轴线方向排列的两个端面上；第一轴承305用于与电机转轴404转动连接；第二轴承306用于与太阳轮的输出端转动连接；第一轴承305和第二轴承306均为自润滑塑料轴承。

本实施例中，行星减速机构中的第一轴承305和第二轴承306均为自润滑塑料轴承。这样通过塑料轴承替换传统的金属轴承，以减轻电动关节的重量，使得电动关节更加轻量化。

由于行星减速机构3上的第一轴承305和第二轴承306位于电动关节的内部，以往在对这两个轴承进行润滑时，需要拆卸掉端盖2，取出行星减速机构3后再使用润滑油进行润滑，操作繁琐。而本实施例中的第一轴承305和第二轴承306不用添加油或脂类润滑剂即可正常工作，也就无需再对轴承进行润滑。

此外，由于内齿环304的外侧面连接于定子402的内壁上，使得行星减速机构3内置于无框永磁同步电机4的内部，这样能最大程度减小电动关节的轴向尺寸，使得电动关节的结构更加紧凑，体积更加小巧。

作为优选的实施例，行星轮组件包括行星架一301、行星架二302以及多个行星齿轮303；多个行星齿轮303设置于内齿环304内，且与内齿环304相啮合，太阳轮的轴线与内齿环304的轴线重合、且与各行星齿轮303之间，且同时与多个行星齿轮303相啮合；行星架一301和行星架二302分别位于内齿环304沿太阳轮轴线方向相对的两侧，且均与内齿环304同轴设置，行星架一301和行星架二302之间通过螺钉固定连接，多个行星齿轮303通过销轴307转动安装于行星架一301和行星架二302之间；第一轴承305安装于行星架一301上且与行星架一301同轴设置，第二轴承306安装于行星架二302上且与行星架二302同轴设置。

进一步的，如图6和图7所示，行星齿轮303设置有三个，三个行星齿轮303设置于内齿环304内，且与内齿环304相啮合，太阳轮设置于三个行星齿轮303之间，且同时与三个行星齿轮303相啮合。行星架一301设置于内齿环304的靠近端盖2的一侧，行星架二302设置于内齿环304与行星架一301相对的一侧，且行星架一301和行星架二302均与内齿环304同轴设置，行星架一301和行星架二302之间形成有间隙，三个行星齿轮303和太阳轮设置于该间隙中。

优选的，行星架采用分体设计，行星架一301和行星架二302之间通过第一螺钉308可拆卸连接，每个行星齿轮303中均同轴转动安装有销轴307，销轴307的两端分别与行星架一301和行星架二302相连接。这样的设计方式便于行星架的加工，同时还方便行星齿轮303的装配。

具体的，在行星架一301的中心处设有圆孔，第一轴承305固定安装在该圆孔中，电机转轴404的一端穿过第一轴承305后与太阳轮相固定，电机转轴404与第一轴承305转动连接。在行星架二302的中心处也开设有圆孔，第二轴承306固定安装在该圆孔内，太阳轮的输出端伸入到第二轴承306内且与第二轴承306转动连接。

需要说明的是，自润滑塑料轴承是经过特殊材料处理，不添加油或脂类润滑剂即可正常工作的轴承，使用自润滑塑料轴承替换现有的粉末冶金含油轴承，不仅可以提高电动关节的轻量化程度，而且还能降低电动关节噪音。而且电机转轴404与第一轴承305之间的传动噪音以及太阳轮输出端与第二轴承306之间的传导噪音都很小。

电机转轴404转动以带动太阳轮转动，由于太阳轮与三个行星齿轮303相啮合，同时行星齿轮303与内齿环304相啮合，这样随着太阳轮的旋转，三个行星齿轮303在自转的同时还围绕着太阳轮的轴线做公转运动，又行星齿轮303通过销轴307安装在行星架一301和行星架二302之间，因此又会带动行星架一301和行星架二302做旋转运动。

作为优选的实施例，在行星架二302朝向行星架一301的侧面上均匀开设有三个螺钉孔，三个螺钉孔围绕着行星架二302的轴线设置。相应的在行星架一301的侧面上均匀开设三个安装孔，这三个安装孔与三个螺钉孔一一对应，这样在安装行星架一301和行星架二302时，只需将行星架一301和行星架二302相对齐，使得行星架一301上的安装孔与行星架二302上的螺钉孔相对齐，之后使用第一螺钉308插入到行星架一301上的安装孔内并拧紧第一螺钉308即可。

需要知道的是，如图6所示，在行星架一301上开设三个销轴孔，这三个销轴孔围绕着行星架一301的轴线均匀设置，且三个销轴孔与三个安装孔相互交错设置。同样的，在行星架二302上也开设三个销轴孔，这三个销轴孔与行星架二302上的三个螺钉孔也是相互交错设置。

作为优选的实施例，如图4所示，无框永磁同步电机4包括定子402、转子铁芯401、转子保持架6和电机转轴404。定子402和转子铁芯401均呈圆环状，定子402的外径小于转子铁芯401的外径，定子402和转子铁芯401同轴设置，且定子402设置于转子铁芯401的内部。进一步的，转子保持架6呈圆盘状，转子保持架6设置于行星架一301的一侧，转子保持架6的边缘与转子铁芯401的侧端面固定连接，在转子保持架6的中心处开设有供电机转轴404穿过的圆孔，电机转轴404的侧面固定于该圆孔的内壁上。

转子铁芯401做高速旋转运动以带动转子保持架6旋转，转子保持架6带动电机转轴404旋转，因电机转轴404的一端与太阳轮相固定，从而能带动太阳轮做高速旋转运动。

需要知道的是，现有的电动关节中，行星减速机构3与无框永磁同步电机4同轴设置，但是行星减速机构3是与无框永磁同步电机4是相平行设置的，两者在轴线方向上没有重合区域。这种的电动关节的轴向尺寸大，体积大。而且电机转轴404的长度长，从而导致电动关节的重量大。

而本实施例中，优选的，如图2所示，行星减速机构3中的内齿环304的外侧面固定于定子402的内壁上，以使得行星减速机构3中的行星架一301、内齿环304、三个行星齿轮303和太阳轮均位于定子402的内部，只有行星架二302从定子402的内部伸出。通过将行星减速机构3的大部分结构设置到定子402的内部，以此缩短电动关节的轴向尺寸，使结构更加紧凑，电动关节的体积更加小巧且重量小。

需要知道的是，以往在贴敷定子402和转子铁芯401之间的磁钢403时，只能按顺序一片一片的将磁钢403贴敷到定子402的外侧面上。这样会出现两个问题，第一，相邻磁钢403间的间隙难以把控，经常导致磁钢403间的间隙出现误差，从而影响到无框永磁同步电机4运行。第二，安装磁钢403时由于缺乏有效的限位，导致装配难度大。

而本实施例中，如图5所示，在转子保持架6朝向转子铁芯401的一侧围绕着转子保持架6的轴线均匀开设多个插槽，该插槽与磁钢403相适配。

这样在安装磁钢403时，可先利用胶水将转子保持架6与转子铁芯401相连，然后朝磁钢403的安装面上涂上胶水，之后对准转子保持架6上的插槽将磁钢403插入到转子铁芯401和定子402外侧面之间，使得磁钢403插入到转子保持架6上的插槽内，同时磁钢403的安装面也贴合到定子402的外侧面上。由于转子保持架6上的插槽是按照磁钢403的分布间隔均匀分别的，这样实际安装时，相邻的磁钢403之间的间隙都是均匀的，不会出现相邻磁钢403之间的间隙不一的情况。此外，由于转子保持架6上的插槽起到简单限位磁钢403的作用，进而磁钢403的位置不会出现偏移，减轻了安装难度。

作为优选的实施例，如图1、图2和图3所示，电动关节还包括外壳1和端盖2，外壳1呈瓶盖状，外壳1的右端具有开口，无框永磁同步电机4安装在外壳1的内部，端盖2安装于外壳1的开口端，在外壳1的左侧端面开设有供行星架二302穿过的圆孔。

可选的，如图2所示，在外壳1的左侧端面上围绕着外壳1的轴线均匀开设有多个通孔。如图4所示，在定子402朝向外壳1的端面上绕着定子402的轴线均匀开设有多个与通孔一一对应的螺钉孔。

在安装无框永磁同步电机4时，只需将无框永磁同步电机4放入到外壳1内，并调整其角度，使得定子402上的螺钉孔与外壳1端面上的通孔相对齐。之后从外壳1的左侧朝通孔内插入螺栓8或螺钉，然后拧动螺栓8或螺钉，使得螺栓8或螺钉螺入到定子402的螺钉孔内。

优选的，如图8所示，在外壳1的内壁上开设有凹槽，凹槽与外壳1左侧端面上的圆孔同轴设置，在该凹槽内安装有第三轴承5。再结合图1，当无框永磁同步电机4安装到位后，行星减速机构3中的行星架二302穿过第三轴承5，行星架二302与第三轴承5转动连接。

进一步的，第三轴承5为自润滑塑料轴承，以此减轻整个电动关节的重量。

优选的，如图3和图9所示，在端盖2的中心处开设有孔体，孔体内安装有第四轴承7，电机转轴404的输入端与第四轴承7转动连接。第四轴承7为自润滑塑料轴承，在减轻整个电动关节的重量的同时，还无需润滑。

作为可选的实施例，如图8所示，在外壳1开口端的端面上设有六个内侧板101，每个内侧板101上均开设两个螺纹孔，在端盖2朝向外壳1的侧面上设有六个与内侧板101一一对应的边沿板201，每个边沿板201上均开设两个通孔。在连接外壳1和端盖2时，只需将端盖2贴合到外壳1的外口端处，然后转动端盖2使得端盖2上边沿板201与外壳1上的内侧板101相对齐，最后利用螺钉将边沿板201和内侧板101相连接即可。密封效果好，且安装简单。

本电动关节在工作时，无框永磁同步电机4中转子铁芯401带动转子保持架6转动从而带动电机转轴404一起转动，电机转轴404旋转以带动太阳轮随之旋转，由于太阳轮与三个行星齿轮303相啮合，同时行星齿轮303与内齿环304相啮合，这样随着太阳轮的旋转，三个行星齿轮303在自转的同时还围绕着太阳轮的轴线做公转运动，又行星齿轮303通过销轴307安装在行星架一301和行星架二302之间，因此又会带动行星架一301和行星架二302做旋转运动，以使得行星架二302的左侧的输出端旋转。

实施例二：

一种机器人，其包括实施例一中的电动关机。由于机器人具备上述电动关节，使得本机器人同时具备上述电动关节的所有优点。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。