一种智能一体化机器人关节

技术领域

本发明涉及机器人关节传动及控制技术领域，特别是涉及一种无需力和力矩传感器实现力位控制的智能一体化机器人关节。

背景技术

工业机器人已经广泛应用于汽车、3C电子等工业领域，随着其智能化程度的提升，工业机器人在冶金、矿山、石油、化工等行业应用得越来越广泛。当工业机器人在自由空间运动时，往往需要高刚度以提高运动精准性，该种情况下采用位置控制即可满足要求。但当末端执行器与作业环境中的障碍物发生接触时，仅依靠位置控制已经不能满足要求，一般需要通过力位混合控制才能完成作业任务。现有工业机器人的力位控制一般基于力或力矩传感器通过反馈控制实现，该方法需要依赖于力或力矩传感器以及复杂的算法，从而使作业系统复杂且成本较高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种智能一体化机器人关节，用于解决现有技术中机器人关节在实现力位控制时，需要依赖力或力矩传感器以及算法复杂而造成其传动作业系统结构复杂、成本较高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种智能一体化机器人关节，包括主电机、调节电机、行星齿轮传动机构和外齿轮，所述主电机为行星齿轮传动机构的主输入，所述外齿轮与行星齿轮传动机构转动连接，所述调节电机通过外齿轮作为行星齿轮传动机构的调节输入，所述行星齿轮传动机构为所述机器人关节的输出部分。

进一步，所述行星齿轮传动机构具有两个自由度。

进一步，所述行星齿轮传动机构为简单行星齿轮传动机构、渐开线少齿差行星齿轮传动机构或摆线针轮行星齿轮传动机构中的一种。

进一步，所述简单行星齿轮传动机构包括输入轴、太阳轮、行星轮、行星架和齿圈，所述输入轴的两端分别与太阳轮和主电机相连接，所述太阳轮与行星轮相啮合，所述行星轮安装在行星架上，所述齿圈设有外齿和内齿，所述齿圈的内齿与行星轮相啮合，所述齿圈的外齿与外齿轮相啮合，所述外齿轮与调节电机相连接，所述行星架为简单行星齿轮传动机构的输出部分。

进一步，所述渐开线少齿差行星齿轮传动机构包括输入轴、行星轮、输出机构和齿圈，所述输入轴的两端分别与行星轮和主电机相连接，所述齿圈设有外齿和内齿，所述齿圈的内齿与行星轮相啮合，所述齿圈的外齿与外齿轮相啮合，所述外齿轮与调节电机相连接，所述输出机构与行星轮相连接，输出机构为渐开线少齿差行星齿轮传动机构的输出部分。

进一步，所述摆线针轮行星齿轮传动机构包括输入轴、偏心转臂轴承、摆线轮、针齿、输出机构和针齿圈，所述输入轴与主电机相连接，所述摆线轮通过偏心转臂轴承支撑在输入轴上，所述摆线轮相对于针齿圈偏心设置，所述摆线轮与针齿相啮合，所述针齿圈设有外齿和内齿，所述针齿圈的内齿与针齿相啮合，所述针齿圈的外齿与外齿轮相啮合，所述外齿轮与调节电机相连接，所述输出机构为摆线针轮行星齿轮传动机构的输出部分。

进一步，所述行星齿轮传动机构为具有大传动比的传动装置，传动比为11以上，以保证位置控制的精准性。

进一步，所述行星齿轮传动机构与外齿轮构成的传动机构具有小传动比的装置，传动比为1～11，以便进行力控制。

进一步，所述输出机构为柱销式输出机构或浮动盘式输出机构。

本发明第二方面提供一种机器人，包括第一方面所述的智能一体化机器人关节。

进一步，所述行星齿轮传动机构的输出部分连接有连杆，所述连杆与机器人关节臂相连接，以控制机器人动作。

如上所述，本发明的智能一体化机器人关节，具有以下有益效果：

本发明中的机器人关节，通过监测调节电机电流，可以计算出施加在机器人关节上的力矩，便于实现力控制；通过监测调节电机的转速，可感知到机器人关节的动态碰撞，便于提高机器人运行的安全性。

本发明中的行星传动装置可同时实现位置控制和力控制，安全性高，且上述功能的实现不依赖于力和力矩传感器以及复杂的算法，降低了设备成本及作业系统的复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例中智能一体化机器人关节的结构示意图；

图2为本发明实施例1中渐开线少齿差行星齿轮传动机构的结构示意图；

图3为本发明实施例2中简单行星齿轮传动机构的结构示意图；

图4为本发明实施例3中摆线针轮行星齿轮传动机构的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

附图标记说明：

主电机1、调节电机2、行星齿轮传动机构3、输入轴31、行星轮32、输出机构33、齿圈34、外齿轮4、连杆5、太阳轮6、行星架7、针齿8、摆线轮9、针齿圈10。

本发明提供了一种无需力和力矩传感器实现力位控制的智能一体化机器人关节，包括主电机、调节电机、行星齿轮传动机构、外齿轮，所述行星齿轮传动机构具有两个自由度，所述主电机作为行星齿轮传动机构的主输入，所述调节电机通过外齿轮作为行星齿轮传动机构的调节输入，行星齿轮传动机构的输出作为该智能一体化关节的输出。所述行星齿轮传动机构可以为具有两个自由度的简单行星齿轮传动机构、渐开线少齿差行星齿轮传动机构或摆线针轮行星齿轮传动机构，但不限于此。具体的，所述行星齿轮传动机构为具有大传动比的传动装置，传动比为11以上，以保证位置控制的精准性；所述行星齿轮传动机构与外齿轮构成的传动机构具有小传动比的装置，传动比为1～11，以便进行力控制。

常见的行星齿轮传动机构的3个构件中，如简单行星齿轮传动机构中，3个构件分别指太阳轮、行星架和齿圈，一般情况下首先需要固定其中一个(行星架)，然后一个做输入(太阳轮)，一个做输出(齿圈)；本发明的特点在于将行星齿轮传动机构中的3个构件，没有固定构件，两个做输入(太阳轮和齿圈)，一个做输出(行星架)，构建一体化关节，基于结构特点通过算法实现了不依赖传感器实现力控的目的。

本发明的智能一体化机器人关节具有以下有益效果：

(1)本关节通过监测调节电机电流，可以计算出施加在关节上的力矩，便于实现力控制。

(2)本关节通过监测调节电机的速度感知到动态碰撞，便于提高机器人运行的安全性。

(3)本关节可以同时实现位置控制和力控制，同时提高了安全性。

(4)本关节上述功能的实现均不依赖于力和力矩传感器以及复杂的算法，降低了成本及作业系统的复杂度。

具体实施过程如下：

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的智能一体化机器人关节包括主电机1、调节电机2、行星齿轮传动机构3、外齿轮4，所述行星齿轮传动机构3为渐开线少齿差行星齿轮传动机构。渐开线少齿差行星齿轮传动机构包括输入轴31、行星轮32、输出机构33和齿圈34，齿圈34同时具有外齿和内齿，齿圈34的内齿与行星轮32相啮合，齿圈34的外齿与外齿轮4相啮合，外齿轮4与调节电机2相连接，输出机构33与行星轮32相连接。输入轴31的两端分别与行星轮32和主电机1相连接，主电机1作为行星齿轮传动机构3的主输入。调节电机2通过外齿轮4作为行星齿轮传动机构3的调节输入。输出机构33为渐开线少齿差行星齿轮传动机构的输出部分，输出机构33可选择常用的柱销式输出机构33或浮动盘式输出机构33，输出机构33连接有连杆5，连杆5与机器人关节臂相连接，以控制机器人动作。当关节在自由空间要驱动连杆5运动到指定位置时，由主电机1进行驱动控制，调节电机2保持静止锁定状态。当主电机1顺时针旋转时，输入轴31顺时针旋转。由于此时调节电机2位静止锁定状态，因此外齿轮4为静止状态，与外齿轮4相啮合的齿圈34也为静止状态。当行星轮32顺时针公转时，行星轮32通过与齿圈34啮合产生逆时针的自转运动。输出机构33将行星轮32的自转运动以1∶1输出，因此输出机构33将产生逆时针旋转运动，从而控制连杆5逆时针旋转到指定位置，实现了该关节的位置控制功能。

当关节驱动连杆5运动到指定位置后遇到环境中的障碍物时，由主电机1和调节电机2共同进行驱动控制。当主电机1顺时针旋转时，输入轴31顺时针旋转。由于此时连杆5遇到障碍物将不能产生旋转运动，因此输出机构33将保持静止，行星轮32将不能产生自转运动。行星轮32顺时针公转的同时与齿圈34的内齿进行啮合，使齿圈34产生逆时针的旋转，通过齿圈34与外齿轮4的啮合，外齿轮4产生顺时针的旋转，从而将力矩传递给调节电机2。在关节遇到障碍物的情况时，通过监测调节电机2的电流，就可以计算出施加在关节上的力矩，便于实现力控制；通过监测调节电机2的旋转速度，就可以感知到动态碰撞，便于提高机器人运行的安全性。

调节电机2的电流和旋转速度都是便于直接获取的参数，因此本发明可以在不依赖昂贵的力和力矩传感器以及复杂的算法的情况下，实现力位控制提高安全性，从而降低了机器人作业系统的成本及复杂度。

实施例2

如图1和图3所示，本实施例的智能一体化机器人关节包括主电机1、调节电机2、行星齿轮传动机构3、外齿轮4，所述行星齿轮传动机构3为简单行星齿轮传动机构。简单行星齿轮传动机构包括输入轴31、太阳轮6、行星轮32、行星架7和齿圈34，太阳轮6与行星轮32相啮合，行星轮32安装在行星架7上，齿圈34同时具有外齿和内齿，齿圈34的内齿与行星轮32相啮合，齿圈34的外齿与外齿轮4相啮合，外齿轮4与调节电机2相连接。输入轴31的两端分别与太阳轮6和主电机1相连接，主电机1作为行星齿轮传动机构3的主输入。调节电机2通过外齿轮4作为行星齿轮传动机构3的调节输入。行星架7为简单行星齿轮传动机构的输出部分，行星架7连接有连杆5，连杆5与机器人关节臂相连接，以控制机器人动作。

当关节在自由空间要驱动连杆5运动到指定位置时，由主电机1进行驱动控制，调节电机2保持静止锁定状态。当主电机1顺时针旋转时，输入轴31顺时针旋转。由于此时调节电机2位静止锁定状态，因此外齿轮4为静止状态，与外齿轮4相啮合的齿圈34也为静止状态。太阳轮6顺时针自转时，带动与其相啮合的行星轮32逆时针旋转，行星轮32与齿圈34的内齿进行啮合，但齿圈34为静止状态，因此行星轮32会沿着齿圈34的内齿进行逆时针公转运动。行星架7将行星轮32的自转运动以1∶1输出，因此行星架7将产生逆时针旋转运动，从而控制连杆5逆时针旋转到指定位置，实现了该关节的位置控制功能。

当关节驱动连杆5运动到指定位置后遇到环境中的障碍物时，由主电机1和调节电机2共同进行驱动控制。当主电机1顺时针旋转时，输入轴31顺时针旋转。由于此时连杆5遇到障碍物将不能产生旋转运动，因此行星架7将保持静止，行星轮32将不能产生公转运动。太阳轮6顺时针自转的同时带动与其相啮合的行星轮32逆时针旋转，行星轮32与齿圈34的内齿进行啮合，使齿圈34产生顺时针的旋转，通过齿圈34与外齿轮4的啮合，外齿轮4产生逆时针的旋转，从而将力矩传递给调节电机2。在关节遇到障碍物的情况时，通过监测调节电机2的电流，就可以计算出施加在关节上的力矩，便于实现力控制；通过监测调节电机2的旋转速度，就可以感知到动态碰撞，便于提高机器人运行的安全性。

调节电机2的电流和旋转速度都是便于直接获取的参数，因此本发明可以在不依赖昂贵的力和力矩传感器以及复杂的算法的情况下，实现力位控制提高安全性，从而降低了机器人作业系统的成本及复杂度。

实施例3

如图1和图4所示，本实施例的智能一体化机器人关节包括主电机1、调节电机2、行星齿轮传动机构3、外齿轮4，所述行星齿轮传动机构3为摆线针轮行星齿轮传动机构。摆线针轮行星齿轮传动机构包括输入轴31、偏心转臂轴承、摆线轮9、针齿8、输出机构33和针齿圈10，输出机构33为常用的柱销式输出机构33或浮动盘式输出机构33，输入轴31与主电机1相连接，主电机1作为行星齿轮传动机构3的主输入；摆线轮9通过偏心转臂轴承支撑在输入轴31上，摆线轮9相对于针齿圈10偏心设置，摆线轮9与针齿8相啮合，针齿圈10设有外齿和内齿，针齿圈10的内齿与针齿8相啮合，针齿圈10的外齿与外齿轮4相啮合，外齿轮4与调节电机2相连接，调节电机2通过外齿轮4作为行星齿轮传动机构3的调节输入；输出机构33为摆线针轮行星齿轮传动机构的输出部分。输出机构33连接有连杆5，连杆5与智能一体化机器人关节臂相连接，以控制机器人动作。

当关节在自由空间要驱动连杆5运动到指定位置时，由主电机1进行驱动控制，调节电机2保持静止锁定状态。当主电机1顺时针旋转时，输入轴31顺时针旋转，带动摆线轮9顺时针自转。由于此时调节电机2位静止锁定状态，因此外齿轮4为静止状态，与外齿轮4相啮合的针齿圈10也为静止状态。由于针齿8与摆线轮9相啮合，当摆线轮9顺时针自转时，针齿8将产生逆时针的自转运动，由于针齿8与针齿圈10的内齿相啮合，针齿8自转的同时会带动摆线轮9发生顺时针公转。输出机构33将摆线轮9的公转运动以1∶1输出，因此输出机构33将产生顺时针旋转运动，从而控制连杆5顺时针旋转到指定位置，实现了该关节的位置控制功能。

当关节驱动连杆5运动到指定位置后遇到环境中的障碍物时，由主电机1和调节电机2共同进行驱动控制。当主电机1顺时针旋转时，输入轴31顺时针旋转。由于此时连杆5遇到障碍物将不能产生旋转运动，因此输出机构33将保持静止，摆线轮9将不能产生自转运动。摆线轮9顺时针公转的同时与针齿8进行啮合，使针齿8产生逆时针的旋转，由于针齿8与针齿圈10的内齿啮合，针齿圈10发生顺时针自转，通过针齿圈10与外齿轮4的啮合，外齿轮4产生逆时针的旋转，从而将力矩传递给调节电机2。在关节遇到障碍物的情况时，通过监测调节电机2的电流，就可以计算出施加在关节上的力矩，便于实现力控制；通过监测调节电机2的旋转速度，就可以感知到动态碰撞，便于提高机器人运行的安全性。

调节电机2的电流和旋转速度都是便于直接获取的参数，因此本发明可以在不依赖昂贵的力和力矩传感器以及复杂的算法的情况下，实现力位控制提高安全性，从而降低了机器人作业系统的成本及复杂度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。