本发明提出了一种机电一体化智能机器人关节模组，包括关节输出轴、关节输出法兰、关节输入轴、谐波减速器、关节壳体、关节电机、电机转/定子压环、轴承座、关节壳体端盖、中空螺纹件、制动器组件、驱动器、内环编码器、外环编码器、编码器轴。本发明的机电一体化智能机器人关节模组中关节输出轴作为谐波减速器凸轮轴与电机轴的一体轴，优化了关节输出轴的结构，采用轻量的铝合金材料制作带有多级内阶梯通孔结构的关节壳体，既减轻了关节模组的质量，又实现了较多轴上部件的定位和散热，并通过编码器轴的设计，使得关节模组的结构紧凑，零件易于加工、集成化程度高；通过模块化的关节模组可实现机器人故障关节的快速更换，提高机器人工作效率。
1.一种机电一体化智能机器人关节模组，其特征在于，包括关节输出轴(1)、关节输出法兰(2)、关节输入轴(3)、谐波减速器(4)、关节壳体(6)、关节电机(7)、制动器组件(14)、驱动器(16)、内环编码器(17)、外环编码器(18)和编码器轴(19)；
所述的关节壳体(6)呈筒形，内设多级阶梯通孔；所述的关节输入轴(3)和关节输出轴(1)同轴安装在关节壳体(6)的内部，且所述的关节输入轴(3)套装在关节输出轴(1)的前部位置；所述关节输出轴(1)的前端设有关节输出法兰(2)，所述的关节输出法兰(2)与关节输出轴(1)通过限位阶梯固定，关节输出法兰(2)跟随关节输出轴(1)转动；所述的关节输出法兰(2)与关节输入轴(3)之间设有第一轴承；
所述的关节输入轴(3)上从前端至后端依次安装有谐波减速器(4)、关节电机(7)和编码器轴(19)；所述的外环编码器(18)通过编码器轴(19)安装在关节输入轴(3)上，内环编码器(17)安装在关节输出轴(1)上；关节壳体(6)的后端设有关节壳体端盖(13)；所述的关节电机(7)中的定子和转子由固持胶分别固定到关节壳体(6)内和关节输入轴(3)上，再分别由电机定子压环(8)和电机转子压环(9)进行二次固定；
所述的关节输出轴(1)的后部位置处设有驱动器(16)和制动器组件(14)，所述的驱动器(16)通过第二轴承安装在关节输出轴(1)的尾部，制动器组件(14)通过中空螺纹件(12)连接于驱动器(16)上，制动器组件(14)的制动端与编码器轴(19)之间留有间隙，启动制动后，制动器组件(14)的制动端抵接编码器轴(19)实现制动；所述的驱动器(16)通过驱动器安装板(11)固定在关节壳体(6)的内部，用于驱动关节电机(7)；所述的外环编码器(18)和内环编码器(17)与驱动器(16)相对轴向距离通过驱动器安装板(11)进行调节；
所述的关节输出轴(1)和关节输入轴(3)具有中空结构，所述的关节输出轴(1)的后端伸出所述的关节壳体(6)，通过外接的驱动器端盖(15)与驱动器(16)连接，实现驱动器(16)、制动器组件(14)和第二轴承的固定；所述的制动器组件(14)沿轴向的两侧面分别通过中空螺纹件(12)和驱动器端盖(15)实现轴向定位；所述的编码器轴(19)为中空结构，包括同轴的第一圆环体和第二圆环体，第二圆环体的内径大于第一圆环体的内径；
所述的第一圆环体的外圆环平面上设有第一环形凸起，与第一圆环体的外圆环平面构成第一阶梯，所述的第一阶梯抵接在关节输入轴(3)的后端，与关节输入轴(3)相连；所述的第二圆环体的外圆环平面上设有第二圆环凸起，与第二圆环体的外圆环平面构成第二阶梯，所述的外环编码器(18)通过固持胶固定在第二阶梯处；所述的第二圆环体的外圆面上设有第三圆环凸起，所述的第三圆环凸起与制动器组件(14)的制动端配合，在第三圆环凸起的作用下实现关节模组的制动；所述的编码器轴(19)的外壁安装有第三轴承，所述的第三轴承通过轴承座(10)固定。
2.根据权利要求1所述的机电一体化智能机器人关节模组，其特征在于，所述的关节壳体(6)内部设有用于减重及走线的通孔，关节壳体(6)前端的阶梯与谐波减速器留有间隙，以便保持关节电机(7)的定子与转子安装时的径向均匀的相对气隙。
3.根据权利要求1所述的机电一体化智能机器人关节模组，其特征在于，还包括应变片(21)，所述的应变片(21)固定于谐波减速器(4)的柔轮上，通过关节壳体(6)中的通孔进行走线。
一种机电一体化智能机器人关节模组
技术领域
[0001] 本发明涉及一种集成化、模块化的机器人关节，尤其涉及一种机电一体化智能机器人关节模组，是属于智能协作机器人领域。
背景技术
[0002] 随着新一代工业技术革命的日新月异的，发展高端智能装备和智能机器人就成为了智能制造领域的重中之重，由此对机电一体化关节模组的研发工作必然是首当其冲。现今智能协作机器人已成为机器人研究领域最为活跃的研究方向，集成了大量的先进技术，涉及到众多专业与学科知识；机械、电子、智能控制算法等系统知识在该领域得到了广泛的应用。各行各业对其产品生产质量及生产效率提出了更高的要求，大量的人工作业岗位将被专业的智能协作机器人所替代，关节模组作为组成智能协作机器人的核心单元，对机器人的性能起着至关重要的作用。因此高性能的关节模组必然具有体积重量轻，安全系数高，操作维护方便，价格低廉等优点；这些也是模块化的关节模组中需要解决的问题。
发明内容
[0003] 鉴于以上背景技术，本发明的目的在于提供一种轻量化的机电一体化智能机器人关节模组。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供一下技术方案：
[0005] 一种机电一体化智能机器人关节模组，包括关节输出轴、关节输出法兰、关节输入轴、谐波减速器、关节壳体、关节电机、制动器组件、驱动器、内环编码器、外环编码器和编码器轴；
[0006] 所述的关节壳体呈筒形，内设多级阶梯通孔；所述的关节输入轴和关节输出轴同轴安装在关节壳体的内部，且所述的关节输入轴套装在关节输出轴的前部位置；所述关节输出轴的前端设有关节输出法兰，所述的关节输出法兰与关节输入轴通过限位阶梯固定，关节输出法兰跟随关节输出轴转动；所述的关节输出法兰与关节输入轴之间设有第一轴承；
[0007] 所述的关节输入轴上从前端至后端依次安装有谐波减速器、关节电机和编码器轴；所述的外环编码器通过编码器轴安装在关节输入轴上，内环编码器安装在关节输出轴上；关节壳体的后端设有关节壳体端盖；
[0008] 所述的关节输出轴的后部位置处设有驱动器和制动组件，所述的驱动器通过第二轴承安装在关节输出轴的尾部，制动组件通过中空螺纹件连接于驱动器上，制动组件的制动端与编码器轴之间留有间隙，启动制动后，制动组件的制动端抵接编码器轴实现制动。
[0009] 优选的，所述的关节输出轴和关节输入轴具有中空结构，所述的关节输出轴的后端伸出所述的关节壳体，通过外接的驱动器端盖与驱动器连接，实现驱动器、制动器组件和第二轴承的固定。
[0010] 优选的，所述的关节壳体内部设有用于减重及走线的通孔，关节壳体前端的阶梯与谐波减速器留有间隙，以便保持关节电机的定子与转子安装时的径向均匀的相对气隙。
[0011] 优选的，所述的关节电机中的定子和转子由固持胶分别固定到关节壳体内和关节输入轴上，再分别由电机定子压环和电机转子压环进行二次固定。
[0012] 优选的，所述的制动器组件沿轴向的两侧面分别通过中空螺纹件和驱动器端盖实现轴向定位。
[0013] 优选的，所述的驱动器通过驱动器安装板固定在关节壳体的内部，用于驱动关节电机。
[0014] 优选的，所述的编码器轴为中空结构，包括同轴的第一圆环体和第二圆环体，第二圆环体的内径大于第一圆环体的内径；
[0015] 所述的第一圆环体的外圆环平面上设有第一环形凸起，与第一圆环体的外圆环平面构成第一阶梯，所述的第一阶梯抵接在关节输入轴的后端，与关节输入轴相连；所述的第二圆环体的外圆环平面上设有第二圆环凸起，与第二圆环体的外圆环平面构成第二阶梯，所述的外环编码器通过固持胶固定在第二阶梯处；所述的第二圆环体的外圆面上设有第三圆环凸起，所述的第三圆环凸起与制动组件的制动端配合，在第三圆环凸起的作用下实现关节模组的制动。
[0016] 优选的，所述的编码器轴的外壁安装有第三轴承，所述的第三轴承通过轴承座固定。
[0017] 优选的，所述的外环编码器和内环编码器与驱动器相对轴向距离通过驱动器安装板进行调节。
[0018] 优选的，还包括应变片，所述的应变片固定于谐波减速器的柔轮上，通过关节壳体中的通孔进行走线。
[0019] 本发明综合考虑了在协作机器人领域中关节模组所需要具有的技术参数，与现有技术相比，含有的有益效果有：
[0020] (1)本发明中的关节输出轴作为谐波减速器凸轮轴与电机轴的一体轴，优化了关节输出轴的结构。
[0021] (2)本发明的关节壳体设计为带有多级内阶梯通孔的结构，采用轻量的铝合金材料制作，并在关节壳体中设置有较多通孔，大大减轻了关节模组的质量，可利用该壳体结构实现较多轴上部件的定位，还可以实现安装部件紧贴壳体直接传导散热(例如关节电机、驱动器等)，且可以通过关节壳体中的通孔走线；此外，关节输入轴与输出轴均采用中空结构，使关节走线更为简便。
[0022] (3)本发明创造性的设计了编码器轴的结构，通过前端凸起部分实现与关节输入轴的连接，后端的凸起部分既实现了外环编码器的安装，也实现了与制动器组件的配合制动；所述的外编码器与关节刹车结构(制动器组件)等功能集成到编码器轴上，减少了关节模组零件的数量；且关节模组中的各零件结构均较为简单，便于加工；采用模块化的关节设计，使协作机器人关节的替换更为快速简便。
附图说明
[0023] 图1为本发明用于智能协作机器人的机电一体化关节模组结构示意图；
[0024] 图2为本发明机电一体化关节模组的关节壳体剖视图；
[0025] 图3为本发明机电一体化关节模组的编码器轴的轴测图；
[0026] 上述图中：1、关节输出轴；2、关节输出法兰；3、关节输入轴；4、谐波减速器；5、谐波减速器柔轮端盖；6、关节壳体；7、关节电机；8、电机定子压环； 9、六角铜柱；10、轴承座；11、驱动器安装板；12、中空螺纹件；13、关节壳体端盖；14、制动器组件；15、驱动器端盖；16、驱动器；17、内环编码器；18、外环编码器；19、编码器轴；20、电机转子压环；21、应变片。
具体实施方式
[0027] 为使得本发明的技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
[0028] 在本发明的描述中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0029] 参考附图1，本实施例给出了一种机电一体化智能机器人关节模组的具体结构图，包括关节输出轴1、关节输出法兰2、关节输入轴3、谐波减速器4、谐波减速器柔轮端盖5、关节壳体6、关节电机7、电机定子压环8、六角铜柱9、轴承座10、驱动器安装板11、中空螺纹件12、关节壳体端盖13、制动器组件14、驱动器端盖15、驱动器16、内环编码器17、外环编码器
18、编码器轴19、电机转子压环20、应变片21；
[0030] 如图2所示，所述的关节壳体6呈筒形，内设多级阶梯通孔；所述的关节输入轴3和关节输出轴1同轴安装在关节壳体6的内部，且所述的关节输入轴3 套装在关节输出轴1的前部位置；所述关节输出轴1的前端设有关节输出法兰2，所述的关节输出法兰2与关节输入轴3通过限位阶梯固定，关节输出法兰2跟随关节输出轴1转动；所述的关节输出法兰2与关节输入轴3之间设有第一轴承；
[0031] 本实施例中，关节壳体6采用轻量化的铝合金材料，在其内部有较多通孔，能够减轻关节的重量且利于走线，关节壳体上开有径向孔，用于与关节壳体端盖 13相连接。
[0032] 所述的关节输入轴3上从前端至后端依次安装有谐波减速器4、关节电机7 和编码器轴19；所述的外环编码器18通过编码器轴19安装在关节输入轴3上，内环编码器17安装在关节输出轴1上；关节壳体6的后端设有关节壳体端盖13。
[0033] 所述的关节输出轴1的后部位置处设有驱动器16和制动组件14，所述的驱动器16通过第二轴承安装在关节输出轴1的尾部，制动组件14通过中空螺纹件 12连接于驱动器16上，制动组件14的制动端与编码器轴19之间留有间隙，启动制动后，制动组件14的制动端抵接编码器轴19实现制动。
[0034] 本实施例中，所述的驱动器16通过驱动器安装板11固定在关节壳体6的内部，用于驱动关节电机7运动，所述的关节电机7的动力经过谐波减速器4的输出端带动关节输出轴1；所述的关节输出法兰2固定于关节输出轴1的端面上，关节输出法兰2跟随关节输出轴1同时运动。
[0035] 所述的内环编码器17安装在关节输出轴1上，用于检测关节输出轴1的位置和速度；所述外环编码器18通过编码器轴19安装在关节输入轴3上，通过编码器轴19固定轴向及径向的位置，用于检测关节电机7的位置。外环编码器18 和内环编码器17与驱动器16相对轴向距离通过驱动器安装板11进行调节。
[0036] 本实施例中给出了一种编码器轴19的具体实现方式：参考附图3所述的编码器轴19为有凸起部分的中空结构，具体包括同轴的第一圆环体和第二圆环体，第二圆环体的内径大于第一圆环体的内径；所述的第一圆环体的外圆环平面上设有第一环形凸起，与第一圆环体的外圆环平面构成第一阶梯，所述的第一阶梯抵接在关节输入轴3的后端，与关节输入轴3相连；所述的第二圆环体的外圆环平面上设有第二圆环凸起，与第二圆环体的外圆环平面构成第二阶梯，所述的外环编码器18通过固持胶固定在第二阶梯处；所述的第二圆环体的外圆面上设有第三圆环凸起，所述的第三圆环凸起与制动组件14的制动端配合安装，在第三圆环凸起的作用下实现制动。在一项具体实施中，编码器轴19的外壁安装有第三轴承(采用深沟球轴承)，可以起到支承作用，所述的第三轴承通过轴承座10 固定。
[0037] 本实施例中，所述的关节输出轴1和关节输入轴3具有中空结构，便于关节走线，且关节输入轴1穿过关节输出轴3连接于关节输出法兰2；关节输出轴1 的后端伸出所述的关节壳体6，通过外接的驱动器端盖15与驱动器16连接，实现驱动器16、制动器组件14和第二轴承的固定。
[0038] 谐波齿轮减速机是齿轮减速机中的一种新型传动结构，它是利用柔性齿轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动。所述的关节输入轴3将谐波减速器4的凸轮轴部分与关节电机7的轴加工为一体轴，谐波减速器4和关节电机7安装于关节输入轴3上；所述的应变片21固定于谐波减速器的柔轮上，应变片21通过关节壳体6中的通孔进行走线。
[0039] 所述的关节电机7由固持胶分别固定到关节壳体6和关节输入轴3上，最后由电机定子压环8和电机转子压环9进一步对其进行固定，其径向通过关节壳体 6进行限位。
[0040] 所述的制动器组件14沿轴向的两侧面分别通过中空外螺纹件12和驱动器端盖15实现轴向定位。制动器组件14的下部安装于中空螺纹件12的内螺纹中，中空螺纹件12的外螺纹连接于驱动器16的安装孔中，实现制动器组件的固定。
[0041] 本发明的关节模组可以根据本领域技术人员的公知常识，在其他部件上设置不限于图1所示的轴承零件及其轴承座，轴承可选用深沟球轴承、圆锥滚子轴承等。
[0042] 上述智能机器人关节模组工作时，通过驱动器16控制关节电机7工作，所述的关节电机7的动力经过谐波减速器4带动关节输出轴1；制动时，启动制动组件，制动端通过编码器轴19的凸起部分实现制动。
[0043] 以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不背离本发明构思的前提下，任何基于本发明技术方案基础上的简单修改、改进、等效替换等显而易见的改变，都应当视为属于本发明的保护范围之内。
