一种关节驱动装置

技术领域

本发明属于机电控制领域，具体而言，本发明涉及可用于机器人的关节驱动装置。

背景技术

关节驱动装置作为目前机器人执行操作过程中的关键性核心部件，得到越来越多的关注，而根据机器人使用环境、领域的拓展，人们对现有机器人执行部件的输出扭矩和运动精度、安全性以及小型化提出越来越高的需求。

现有大部分关节电机采用了驱动电机与行星减速器组合的驱动方式，如现有技术CN206092825U，公开了关节电机壳体内平行安装的电机和减速装置，磁编码器和控制电路板22，其中磁编码器设置在减速装置输出轴上。该现有技术存在的主要问题是，这种关节电机本身不具备自锁和保护功能，在工程应用中关节电机发生故障或其他原因掉电时，关节电机无法保持当前位置，关节执行端易发生突然下坠进而带来潜在的安全隐患。

现有技术CN106104984B虽然公开了在旋转电机的一侧设置电磁制动器，并在停电时可以对旋转电机的旋转轴进行保持，但为了增加该具有保护功能的制动装置，就需要对电机结构进行特殊改动，即需要在转动电机结构中设置保护装装置，导致电机结构复杂且体积较大，但是作为机器人关节电机，为了获得大扭矩，复杂的电机结构会导致关节超重而最终无法正常工作；同时通常的关节电机在运行过程中需要位置保持时均采用电机本身的通电电磁力来为外部提供扭矩，此时电机线圈发热快，温升迅速且无法长期保持，改造后的电机结构很容易被烧毁而无法工作。

此外，现有技术CN204794553U公开在驱动装置壳体内平行安装的电机和NGW行星减速器，通过位置传感器信号反馈、电机霍尔信号进行电机闭环控制。虽然其给出了在电机中构建信号反馈闭环系统，但其采用的传感器的设置位置以及电连接方式较为复杂，且无法适用于空间有限且对于结构设置精度要求较高的机器人关节内。

有鉴上述现有技术存在的技术问题，特提出本发明。

发明内容

基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种关节驱动装置，包括：

壳体；电机，容纳于所述壳体内；减速系统，与所述电机平行设置且容纳于所述壳体内；所述电机为双出轴电机，其第一输出轴通过传动机构与所述减速系统输入轴连接；与第一输出轴相对的第二输出轴上设有电磁制动器，其中，所述电磁制动器在所述电机的第二输出轴上的位置位于所述减速系统输出轴在所述电机的第二输出轴上的投影范围内。本发明中，电机优选采用双出轴的直流电机设备，电机轴向延伸方向与所述减速系统轴向延伸方向平行，通过将所述电磁制动器设置在减速系统输出轴同侧方向的特点空间内，实现了在电机和减速系统不相互干扰的状态下以最为紧凑的方式设置于壳体中，大大提升了关节驱动器内部空间的利用效率。

进一步，所述电机的第二输出轴上设有第一角度读取单元，所述第一角度读取单元在所述电机的第二输出轴上的位置位于所述减速系统输出轴在所述电机的第二输出轴上的投影范围内。第一角度读取单元相比于所述电磁制动器更靠近第二输出轴末端，即电机主体、电磁制动器、第一角度读取单元三者轴向依次排列，在不增加电机结构复杂程度的前提下使得整体结构更加紧凑，关节驱动装置内部空间安排更为合理，满足了关节驱动装置内部狭小的安装空间需求。

进一步，所述减速系统输出轴上设有第二角度读取单元，所述电磁制动器、所述第一角度读取单元以及所述第二角度读取单元中的至少两个电连接于同一电路板上。其中优选地，电磁制动器、所述第一角度读取单元以及所述第二角度读取单元均电连接至该电路板朝向所述电机以及所述减速系统的一侧。通过优化电磁制动器、所述第一角度读取单元以及所述第二角度读取单元三者的布置位置，使得关节驱动装置中各个感测、控制元件以最短的电连接方式与电路板连接，一方面缩短了电气连接线路长度，节省关节驱动装置内部空间；另一方面合理的电连接布局方式，大大提升电气安全性和稳定性。

进一步，所述电磁制动器和所述第一角度读取单元沿所述电机的第二输出轴依次排布并与所述第二输出轴同轴设置。电磁制动器和第一角度读取单元与电机的第二输出轴同轴，从而以空间占用率最低的方式排布各控制、感测元件。

进一步，所述传动机构至少包括一惰齿轮，所述惰齿轮的转动轴分别与电机的第一输出轴、所述减速系统的输入轴平行，且三者不共面。通过将上述三个轴错位排布，在不明显增加关节驱动装置厚度的前提下，有效减少电机与减速系统之间的间距，减少驱动装置内部空置空间，提升了内部空间的利用率。本发明中传动机构除包含惰齿轮外，还可以包括安装在电机的第一输出轴上的电机同步齿轮、行星减速器输入轴齿轮，电机的第一输出轴依次与传动机构中的电机同步齿轮、惰齿轮、行星减速器输入轴齿轮连接，进而将电机输出的力矩传递至所述减速系统的输入轴。其中，电机同步齿轮优选为斜齿轮，电机的第一输出轴与该斜齿轮(即电机同步齿轮)过盈压装在一起。

进一步，所述电磁制动器至少包括动摩擦机构和静摩擦机构，其中所述动摩擦机构套设于所述电机的第二输出轴上并随所述电机转动；所述静摩擦机构在与所述动摩擦机构相对应的位置周向环绕所述电机的第二输出轴，并与所述壳体连接。当出现意外断电时，动摩擦机构和静摩擦机构接触，两者间产生摩擦扭矩，经过电机轴、传动机构以及减速系统逐级放大为关节电机提供制动力矩。作为优选方式，动摩擦机构和静摩擦机构可以采用片状结构，即形成动摩擦片和静摩擦片，本发明中动摩擦片与所述电机的第二输出轴同轴并套设在所述第二输出轴上，并通过花键套与第二输出轴固定连接，实现与第二输出轴同步转动。此外，所述静摩擦片可以直接与壳体固定连接也可以通过其他部件与壳体固定连接，本发明中的静摩擦片可以采用本领域常规的制动器静摩擦片的结构，以能够实现在断电时，能够与动摩擦片接触并产生摩擦扭矩为准。

进一步，所述第一角度读取单元为磁编码器，其包括磁环和第一读取部，所述磁环位于所述电机的第二输出轴端部，所述第一读取部在与所述磁环相对应的位置与所述电路板电连接。所述第一读取部读取随电机第二输出轴转动的磁环转动角度信息，进一步将角度信息通过电路板传输至控制单元。本发明中第一读取部可以安装在电磁制动器上，也可以直接设置于所述电路板上，第一读取部的具体结构可以采用本领域磁编码器的常规结构，以能够实现读取所述磁环旋转角度信息为准。

进一步，所述第二角度读取单元为磁编码器，包括磁珠和第二读取部，与所述减速系统输出轴同步传动的检测齿轮和所述磁珠同心设置，所述第二读取部在与所述磁珠相对应的位置与所述电路板电连接。第二读取部可以以磁编芯片的形式直接设置于所述电路板上，可以采用本领域磁编码器其他常规结构，以能够实现读取所述磁珠随检测齿轮转动而发生的角度变化信息为准。本发明中，所述磁珠在检测齿轮的驱动下与所述检测齿轮同心转动，进而所述第二读取部读取所述减速系统输出轴的转动信息。

本发明中通过在电机转动轴以及减速系统输出轴上分别设置磁编码器，可以实时、精确获取电机和减速系统角度信息，通过对电机角度信息和减速系统输出轴角度信息处理、控制，从而形成关节驱动装置各个转动元件转动角度的闭环控制。

进一步，所述壳体包括依次连接的第一壳体、第二壳体、第三壳体以及第四壳体，其中，所述电机和所述减速系统位于所述第三壳体内；所述减速系统的输出轴端部由所述第四壳体伸出；所述传动机构位于所述第一壳体和第二壳体构成的空间内。通过设置四个依次连接的壳体，从而将关节驱动装置内部分隔成三个相对独立、互不干扰的空间，且各个壳体均能够起到支撑强固作用，便于对各个转轴元件的位置进行定位和支撑，提升驱动装置的稳定性和安全性。

进一步，所述减速系统为包括至少三级行星减速，包括至少一级斜齿轮行星减速传动，以及至少两级直齿轮行星减速传动。通过优选减速器级数、各级齿轮结构、设置方式等可以实现对减速比精确控制。

基于上述技术方案，本发明具有如下优点：

1、通过对关节驱动装置内电磁制动器设置位置的优化，在不改变电机内部结构的前提下，实现了在电机和减速系统不相互干扰的状态下以最为紧凑的方式设置于壳体中，大大提升了关节驱动器内部空间的利用效率。

2、通过优化电磁制动器、所述第一角度读取单元以及所述第二角度读取单元三者的布置位置，使得关节驱动装置中各个感测、控制元件以最短的电连接方式与电路板连接，一方面缩短了电气连接线路长度，节省关节驱动装置内部空间；另一方面合理的电连接布局方式，大大提升电气安全性和稳定性。

3、通过在电机转动轴以及减速系统输出轴上分别设置磁编码器，可以实时、精确获取电机和减速系统角度信息，通过对电机角度信息和减速系统输出轴角度信息处理、控制，从而形成关节驱动装置各个转动元件转动角度的闭环控制。

附图说明

图1为本发明关节驱动装置正视图；

图2为图1中关节驱动装置右视图；

图3为图2中A-A截面剖视图；

图4为图2中B-B截面剖视图；

图5为图1中C-C截面剖视图。

附图标记说明：

1-第一壳体，2-第二壳体，3-第三壳体，4-第四壳体，5-主舵盘，6-指示灯，7-副舵盘，8-直流电机主体，9-第一输出轴，10-第二输出轴，11-电磁制动器，12-花键套，13-磁环，14-第一读取部，15-电机同步齿轮，16-传动机构中的惰齿轮，17-行星减速器输入轴，18-输入轴支撑轴承，19-三级行星减速器，20-行星减速器输出轴，21-滚针轴承，22-输出轴齿轮，23-电路板，24-检测齿轮，25-磁珠，26-保护壳，27-第二读取部，28-深沟球轴承，29-行星减速器输入轴齿轮。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明的技术内容作详细说明。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

如图1-2所示本实施例中关节驱动装置的壳体外部结构。壳体包括依次固定连接的第一壳体1、第二壳体2、第三壳体3以及第四壳体4，各壳体接触面设有定位销，通过螺钉将各个壳体固定连接，壳体精确控制尺寸公差，使得螺钉与各部位壳体上螺纹孔配合使用，从而能满足多种安装需求。当然除了螺钉固定方式，还可以采用本领域其他常规固定方式，以实现各个壳体间稳固连接为准。其中，第四壳体4端面上设有减速器输出轴穿过的通孔和指示灯6；在该通孔外侧，减速器输出轴末端加工出的花键紧密连接主舵盘5，第一壳体1上在与减速器输出轴同轴的位置安装有可以自由转动的副舵盘7，进而实现驱动装置对机器人执行端进行驱动。驱动装置核心部件电机以及减速系统位于第三壳体3内，为了及时排出内部热量，保证设备运行安全，在该第三壳体3侧壁上开设散热孔。

本实施例中，通过设置四个依次连接的壳体，从而将关节驱动装置内部分隔成三个相对独立、互不干扰的空间，且各个壳体均能够起到支撑强固作用，便于对壳体内各个转轴元件的位置进行定位和支撑，提升驱动装置的稳定性和安全性。

接下来，结合图3-5对本实施例中关节驱动装置所述壳体内部各部件结构和连接方式进行详述。

如图3所示，壳体内包括双出轴式直流电机和减速系统，其中，直流电机轴向延伸方向与减速系统轴向延伸方向平行。其中，该直流电机至少包括直流电机主体8以及分别由其两端伸出的第一输出轴8和第二输出轴10，该直流电机主体8容纳于第三壳体3内。减速系统与所述电机平行设置且同样容纳于第三壳体3内，本实施例中减速系统优选为三级行星减速器。电机的第一输出轴9通过传动机构与行星减速器输入轴17连接，从而将转动力矩转递到行星减速器，该行星减速器输入轴17通过输入轴支撑轴承18稳定支撑于第二壳体2。其中，传动机构包括依次传动连接的电机同步齿轮15、惰齿轮16以及行星减速器输入轴齿轮29。具体地如图3、5所示，直流电机的第一输出轴9上安装有电机同步齿轮15，通过传动机构中的惰齿轮16与行星减速器输入轴齿轮29中依次传动连接，并将电机输出的力矩传递至所述减速系统的输入轴，上述同步齿轮15、惰齿轮16以及行星减速器输入轴齿轮29形成二级齿轮减速，该具有二级减速的传动机构位于由第一壳体1和第二壳体2两者间构成的间隔内，通过增设第二壳体2，提升二级齿轮减速机构的安装稳固性和运行的稳定性。

本实施例中，所述传动机构中的惰齿轮16的转动轴分别与电机的第一输出轴9、行星减速器输入轴17平行，且三者不共面，通过将上述三个轴错位排布，在不明显增加关节驱动装置厚度的前提下，有效减少电机与行星减速器19之间的间距，减少驱动装置内部空置空间，提升了内部空间的利用率。此外，本实施例中电机同步齿轮15优选斜齿轮，电机的第一输出轴与该斜齿轮过盈压装在一起。而为了获得不同的减速比，可替换地，也可以根据实际需要，灵活调整传动机构中齿轮级数和齿轮结构。

直流电机主体8与第一输出轴9相对的第二输出轴10上同轴设有电磁制动器11，其中，电磁制动器11在电机的第二输出轴10上的位置位于行星减速器输出轴20在电机的第二输出轴10上的投影范围内。其中，该电磁制动器11包括动摩擦片和静摩擦片，其中动摩擦片套设于所述电机的第二输出轴10上并随电机转动；静摩擦片(图中未示)在与动摩擦片相对应的位置周向环绕所述电机的第二输出轴10，并与所述壳体连接。当出现意外断电时，动摩擦片和静摩擦片接触，两者间产生摩擦扭矩，经过电机轴、传动机构以及减速系统逐级放大为关节电机提供制动力矩。本实施例中动摩擦片同轴套设在所述第二输出轴10上并通过花键套12与第二输出轴10固定连接，实现与第二输出轴同步转动。此外，静摩擦片可以通过螺钉直接与壳体固定连接也可以通过其他部件与壳体固定连接，静摩擦片结构可以采用本领域常规的制动器静摩擦片的结构，以能够实现在断电时，能够与动摩擦片接触并产生摩擦扭矩为准。

相比于现有技术中将制动器设置在电机外壳内部，本发明无需改变现有双出轴电机结构，在不改变电机主体结构的前提下，通过将所述电磁制动器设置在减速系统输出轴同侧方向的特点空间内，实现了在电机和减速系统不相互干扰的状态下以最为紧凑的方式设置于壳体中，大大提升了关节驱动器内部空间的利用效率。

电机的第二输出轴10端部同轴设有第一角度读取单元，第一角度读取单元在电机的第二输出轴10上的位置位于所述减速系统输出轴在所述电机的第二输出轴上的投影范围内。其中，第一角度读取单元相比于所述电磁制动器11更靠近第二输出轴末端，即电机主体、电磁制动器、第一角度读取单元三者轴向依次排列，在不增加电机结构复杂程度的前提下使得整体结构更加紧凑，关节驱动装置内部空间安排更为合理，满足了关节驱动装置内部狭小的安装空间需求。

所述第一角度读取单元为磁编码器，其包括磁环13和第一读取部14，磁环13位于第二输出轴10的端部，第一读取部14在与磁环13相对应的位置与所述电路板电连接。第一读取部14能够读取随电机第二输出轴10转动的磁环13角度信息，并将电机转动角度信息通过电路板传输至控制单元。可替换地，第一读取部14可以安装在电磁制动器11上，也可以直接设置于所述电路板上，第一读取部14的具体结构可以采用本领域磁编码器的常规结构，以能够实现读取所述磁环13角度信息为准。

本实施例中的减速系统为三级行星减速器19，具体如图3-4所示，第一级采用斜齿轮，第二三级采用直齿轮，第三级的行星轮轴固定在行星减速器输出轴20朝向减速器19的端面上，行星减速器输出轴20朝向第四壳体4延伸方向上依次套设有滚针轴承21和深沟球轴承28，其中深沟球轴承28安装固定于第四壳体4上，滚针轴承21和深沟球轴承28共同支撑行星减速器输出轴20，为行星减速器输出轴20提供足够的径向力和弯矩，确保减速器运行稳定。其中，行星减速器输出轴20朝向行星减速器19的一侧安装在第三壳体3内，进而本实施例中关节驱动装置内部的直流电机和减速器19主体均位于第三壳体3之内并被有效保护。可替代第，可以根据需要通过灵活调整行星减速器的级数、各级齿轮结构、设置方式等，以实现对减速比精确控制。

本实施例中，行星减速器输出轴20上设有第二角度读取单元，且驱动装置中的电磁制动器11、所述第一角度读取单元以及所述第二角度读取单元均电连接至该电路板23朝向电机主体8和减速器19的一侧，第二角度读取单元为磁编码器，包括磁珠25和第二读取部27。其中，行星减速器输出轴20上安装有输出轴齿轮22，位于输出轴齿轮22侧方设有检测齿轮24啮合等比传动(即同步传动)，磁珠2同心安装于该检测齿轮24转轴上，第二读取部27在与磁珠25相对应的位置与电路板23电连接。检测齿轮24的等比传动机构位于保护壳26内。本实施例中第二读取部27以磁编芯片的形式直接设置于电路板23上，可替换地，也可以采用本领域磁编码器其他常规结构，以能够实现读取所述磁珠随检测齿轮转动而发生的角度变化信息为准。

本实施例中通过在电机转动轴以及减速系统输出轴上分别设置磁编码器，可以实时、精确获取电机和减速系统角度信息，通过对电机角度信息和减速系统输出轴角度信息处理、控制，从而形成关节驱动装置各个转动元件转动角度的闭环控制。此外，通过优化电磁制动器、所述第一角度读取单元以及所述第二角度读取单元三者的布置位置，使得关节驱动装置中各个感测、控制元件以最短的电连接方式与电路板连接，一方面缩短了电气连接线路长度，节省关节驱动装置内部空间；另一方面合理的电连接布局方式，大大提升电气安全性和稳定性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。