机器人关节模块及机器人的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及机器人关节模块及机器人。


背景技术：

2.随着智能制造的快速发展，民用消费类市场与工业制造类市场对机器人的需求也相应急速增加，同时对其性能要求也越来越高。机器人关节模块由电机、减速器和编码器组成。而机器人关节模块的尺寸、重量、输出力矩直接决定了机器人整体的外形尺寸与运行性能，所以机器人所使用的关节模块尺寸、重量要求越来越小，而输出力矩的要求越来越高。
3.然而传统的机器人关节模块通常采用成品电机、减速器、扭矩传感器和编码器等成熟器件设计组合，采用多连接件将不同器件层层叠加连接的设计方案导致机器人关节模块零部件多、轴向厚度过厚的问题，这些问题严重制约着机器人产品的快速迭代。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对传统的机器人关节模块零部件多、轴向厚度过厚的问题，提供一种机器人关节模块及机器人。
5.一种机器人关节模块，其包括：
6.壳体，其内部设有与所述壳体同轴固定的转接轴，所述转接轴将所述壳体内的容置空间分隔为内容置空间和套接在所述内容置空间外周的外容置空间；
7.电机组件，其设置与所述外容置空间内，所述电机组件包括：定子，转子，以及与所述转子同轴固定的电机轴；
8.谐波减速器，其设置在所述内容置空间内；所述谐波减速器包括：凸轮轴、柔轮和刚轮；所述凸轮轴与所述电机轴固定连接；所述柔轮套接在所述凸轮轴外周，所述刚轮套接在所述柔轮外周；所述凸轮轴转动驱动所述柔轮发生形变波；
9.力矩传感器，其与所述刚轮层叠地设置在所述内容置空间内，所述力矩传感器与所述转接轴相固接，所述力矩传感器套接在所述柔轮外周并与所述柔轮相啮合连接。
10.在其中一个实施例中，还包括输出法兰，所述输出法兰与所述刚轮固定连接；
11.所述输出法兰包括：法兰盘和直轴，所述法兰盘与所述直轴同轴固接；所述直轴贯穿所述凸轮轴。
12.在其中一个实施例中，所述电机组件还包括驱动板，所述驱动板设置在所述直轴远离法兰盘的一端。
13.在其中一个实施例中，还包括编码器组件，其包括输入编码器和输出编码器；所述输入编码器和输出编码器中的电子元器件部分均集成到所述驱动板。
14.在其中一个实施例中，所述输入编码器还包括输入编码盘，所述输入编码盘设置所述电机轴的靠近所述驱动板的一侧；
15.所述输出编码器还包括输出编码盘，所述输出编码盘设置在所述直轴靠近所述驱动板的端部。
16.在其中一个实施例中，所述输入编码盘和输出编码盘沿轴向朝向同一方向。
17.在其中一个实施例中，所述刚轮为减速轴承的内轮，所述减速轴承的外轮与所述转接轴相固接；所述内轮与所述柔轮啮合连接。
18.在其中一个实施例中，所述转子套接在所述定子外周，所述定子套接在所述转接轴外周并与所述转接轴相固接。
19.在其中一个实施例中，所述谐波减速器还包括柔性轴承，若干所述柔性轴承设置在所述凸轮轴与所述柔轮间，所述刚轮与所述力矩传感器相对应位置至少设有一个所述柔性轴承。
20.一种机器人，包括上述任意一项所述的机器人关节模块，所述机器人关节模块安装在所述机器人的机械臂关节上。
21.上述机器人关节模块及机器人将力矩传感器与刚轮相叠地设置在电机组件的内部，避免传统机器人关节模块中部件间层层叠加的结构，与传统机器人关节模块相比，直接省去了谐波减速器与力矩传感器所占用的轴向尺寸，并且因为可以放大了电机组件的直径，使电机组件的输出力矩在使用相同规格减速机的状态下得到的提升。固定的力矩传感器与柔轮相啮合，与传统技术中直接在机器人关节模块的输出端加力矩传感器相比，可以避免关节负载对力矩传感器的干扰，因此更能实时、准确的反馈出机器人关节模块的输出力矩。力矩传感器不仅能检测柔轮输出的扭矩信息，还能对柔轮起到固定作用，减少了固定柔轮所需的组件，本技术通过对编码器组件、谐波减速器、电机组件、力矩传感器的优化组合，得到了一款超薄、超大力矩的机器人关节模块，同时因为超薄，也使得本技术的机器人关节模块整体的体积和重量更小，从而具备更灵活、广泛的应用价值。
附图说明
22.图1为根据本发明一实施方式提出的机器人关节模块的剖视图；
23.图2为根据本发明一实施方式提出的机器人关节模块的爆炸结构视图；
24.图中：100-壳体；110-转接轴；111-转接环；120-盖板；210-定子；220-转子；230-驱动板；310-电机轴；311-凸轮轴；321-第一柔性轴承；322-第二柔性轴承；330-减速轴承；331-内轮；332-外轮；340-柔轮；400-输出法兰；410-法兰盘；420-直轴；510-输出编码盘；520-输入编码盘；600-力矩传感器；710-第一辅助轴承；720-第二辅助轴承；810-第一限位环；820-第二限位环。
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
27.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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
31.参阅图1，图1示出了本发明一实施方式中的机器人关节模块的剖视图，本发明一实施方式提供了的机器人关节模块，包括：壳体100、电机组件、谐波减速器、力矩传感器600、输出法兰400和编码器组件。电机组件将电能转化为旋转动能，产生具有一定转速和扭矩的旋转运动输出至谐波减速器；谐波减速器接受电机组件提供的动能，进行一定比例的转速降低和扭矩提高，本技术的谐波减速器的输出轴为刚轮(即本技术中减速轴承330中的内轮331)，谐波减速器的刚轮与输出法兰400相固接，谐波减速器将旋转动能传递至输出法兰400，相较于电机组件所输出的旋转运动，输出法兰400做低转速、高扭矩的旋转运动。柔轮340的外周还套接有力矩传感器600，力矩传感器600与柔轮340相啮合，以获取谐波减速器所输出的旋转运动的扭矩信息。编码器组件设置在本技术的机器人关节模块的端部，以获取电机组件的电机轴310的输入转角信息和输出法兰400的输出转角信息。
32.结合图2所示，图2示出了本发明一实施方式提出的机器人关节模块的爆炸结构示图。壳体100整体呈上下两端均具有开口的中空筒状结构，壳体100内壁设有一水平环向延伸的环形凸起，凸起用以设置电机组件中的驱动板230。靠近凸起的一侧开口设有与壳体可拆卸连接的盖板120，便于后续对驱动板230的维护、维修和升级，延长本技术的机器人关节模块的使用寿命，降低使用成本。远离凸起的另一侧开口设有转接轴110，转接轴110其主体为中空的轴状结构，壳体100套设在转接轴110的外周，壳体100与转接轴110相固定连接。转接轴110的下端部朝向轴心方向和远离轴心方向径向延伸出环状的转接环111，远离轴心方向延伸的转接环111径向延伸至壳体100处并与壳体100相固定连接，以使得转接轴110与壳体100相固定连接，转接轴110为电机组件中的定子210提供了固定的安装基面。
33.结合图1、图2所示，电机组件包括：定子210、转子220、电机轴310和驱动板230。本技术的机器人关节模块中的电机组件为外转子电机结构，即转子220套设在定子210的外周，电机组件的输出轴为电机轴310，电机轴310与转子220相固定连接。定子210套接在转接轴110的外周，定子210与转接轴110相固定连接，转子220套接在定子210的外周，且转子220可绕自身轴心旋转；电机轴310套接在转子220的外周，电机轴310与转子220相固定连接。转接轴110、定子210、转子220和电机轴310由内至外依次套设且同轴设置。驱动板230通过线路穿过转接轴110中的中空空间与定子210和转子220相电性连接。定子210通电产生变化电磁场，转子220在电磁场中受磁力的作用发生转动，带动电机轴310旋转运动以输出动力。
34.具体地，电机轴310为中空的的轴状结构，电机轴310的上端部朝轴心方向水平延伸出传动板，传动板的中心处也具有一通孔供线路通过。电机轴310径向的截面为两左右对称的倒置的l型结构。传动板靠近轴心处朝驱动板230方向轴向突起一与电机轴310同轴的环形的凸台，凸台上设有宽度与凸台相适配的输入编码盘520，以用于检测电机组件的电机轴310所输入的输入转角信息。
35.结合图1、图2所示，谐波减速器包括：凸轮轴311、柔性轴承、柔轮340和减速轴承330。凸轮轴311为上下均具有开口的中空轴状结构，凸轮轴311与电机轴310相固定连接，凸轮轴311的上端与电机轴310的传动板内环边缘相固定连接，凸轮轴311的中空空间以用于线路的布设。柔性轴承套接在凸轮轴311的外周；柔轮340套接在柔性轴承的外周；减速轴承330套设在柔轮340的外周，减速轴承330的内轮331与柔轮340相啮合。本技术的谐波减速器中的波发生器为凸轮轴311，谐波减速器中的动力输出轮为刚轮，本技术的谐波减速器中的刚轮为减速轴承330中的内轮331。
36.具体地，柔轮340为圆筒状结构，柔轮340的外周设有环向排布的外齿，柔轮340通过柔性轴承套接在凸轮轴311的外周，电机轴310的内环壁的水平切面为圆形，电机轴310的外环壁的水平切面为椭圆形。减速轴承330套设在柔轮340外周下侧，转接轴110套设在减速轴承330的外周，减速轴承330的外轮331与转接轴110相固定连接。进一步地，减速轴承330的外轮331的外径与转接轴110的内径相适配，减速轴承330的外轮331的外环壁与转接轴110的内环壁相固定连接，减速轴承330的外轮331的下端面与朝轴心方向径向延伸的部分转接环111的上端面相抵接并相固定连接。减速轴承330的内轮331可相对于外轮331绕自身轴心转动，减速轴承330的内轮331的内环壁设有环向排布的第一内齿，内轮331套设在柔轮340的下侧外周，柔轮340和内轮331通过外齿和第一内齿啮合连接。转接轴110的内还设有力矩传感器600，力矩传感器600为环形结构，力矩传感器600的外径与转接轴110的内径相适配，力矩传感器600的外环壁与转接轴110的内环壁相固定连接。力矩传感器600的内环壁上设有环向排布的第二内齿，力矩传感器600套设在柔轮340的上侧外周，柔轮340和力矩传感器600通过外齿和第二内齿啮合连接。
37.柔轮340是一种可以发生形变的柔性齿轮，柔轮340可产生可控制的弹性形变波。柔轮340的内环壁与凸轮轴311的椭圆形外壁相贴，凸轮轴311受电机组件的电机轴310驱动而转动时使柔轮340发生径向的弹性形变。由于柔轮340的外周上侧与力矩传感器600的第二内齿相啮合，力矩传感器600与转接轴110相固接，力矩传感器600自身相对固定、不旋转，进而使得与力矩传感器600的第二内齿相啮合的柔轮340不会发生旋转。力矩传感器600受柔轮340的外齿的力的作用，检测出柔轮340所输出的力矩大小信息。柔轮340的外周下侧与
可绕自身轴心旋转的内轮331相啮合连接，柔轮340的下半部发生径向的弹性形变，引起内轮331和柔轮340的第一内齿和外齿间的相对错齿以传递动力，使内轮331绕自身轴心旋转以输出旋转运动，内轮331做相对于电机轴310转速的低转速、高扭矩的旋转运动。进一步地，根据力矩传感器600所检测到的柔轮340输出的力矩大小信息，再根据谐波减速器的第一内齿的数量、外齿的数量、及内轮331和柔轮340的尺寸等数据，可推算出内轮331输出的旋转运动的扭矩大小。
38.本技术的机器人关节模块采用外转子结构的电机组件，并将谐波减速器设置在电机组件的内部。外转子结构的电机组件相比于内转子结构的电机，外转子结构的电机能输出更大扭矩的旋转运动。由于将谐波减速器设置在电机组件内，使电机组件的电机轴310的直径大于谐波减速器的凸轮轴311的直径，对谐波减速器输入的旋转运动具有更大的扭矩，进而使本技术的机器人关节模块输出的旋转运动具有大扭矩的特性。本技术的机器人关节模块将电机结构套设在谐波减速器的外周，相较于传统机器人关节模块中将电机和谐波减速器层层叠加的结构，使得本技术的机器人关节模块轴向的尺寸更小。
39.本技术的机器人关节模块将力矩传感器600与作为刚轮的外轮331相叠地设置在电机组件的内部，避免传统机器人关节模块中部件间层层叠加的结构，与传统机器人关节模块相比，直接省去了谐波减速器与力矩传感器600所占用的轴向尺寸，并且因为放大了电机组件的直径，使电机组件的输出力矩在使用相同规格减速机的状态下得到的提升。固定的力矩传感器600与柔轮340相啮合，与传统技术中直接在机器人关节模块的输出端加力矩传感器600相比，可以避免关节负载对力矩传感器600的干扰，因此更能实时、准确的反馈出机器人关节模块的输出力矩。不仅能检测柔轮340输出的扭矩信息，还能对柔轮340起到固定作用，减少了固定柔轮340所需的组件，本技术通过对编码器组件、谐波减速器、电机组件、力矩传感器600的优化组合，得到了一款超薄、超大力矩的机器人关节模块，同时因为超薄，也使得本技术的机器人关节模块整体的体积和重量更小，从而具备更灵活、广泛的应用价值。
40.在另一实施方式中，电机组件采用内转子电机结构，定子210套接在转子220外周，定子210与壳体100的内壁相固接，转子220可相对于定子210做自旋运动。
41.进一步地，本技术的力矩传感器600为应变片式力矩传感器600，力矩传感器600包括内圈、外圈以及连接内圈和外圈的若干应变桥，外圈与转接轴110相固定连接，内圈与柔轮340相啮合连接。应变桥上粘贴有应变片组成测量电桥，当应变桥受扭矩产生微小形变后引起电桥阻值变化，应变桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。可选地，也可以根据实际情况采用其它形式的力矩传感器600，在此不作限定。
42.进一步地，在本实施方式中，减速轴承330为交叉滚子轴承，交叉滚子轴承结合了单列轴承的紧凑性和双列轴承的稳定性，使得本技术的机器人关节模块结构更加紧凑。交叉滚子轴承具有较高的抗倾覆力矩的能力，适配谐波减速器的输出端力矩大的特性的同时，交叉滚子轴承承适用于多种使用状态，例如可将机器人关节模块水平放置、竖直放置或倾斜放置，以适配本技术的机器人关节模块灵活多样的工作场景。可选地，本技术的机器人关节模块中的减速轴承330也可采用具有内轮331和外轮331的四点接触轴承、深沟球轴承等其它类型轴承，在此不作限定。
43.进一步地，在本实施方式中，柔轮340与凸轮轴311间设有两个柔性轴承，分别是与
力矩传感器600位置相对应的第一柔性轴承321和与减速轴承330相对应的第二柔性轴承322。可选地，也可以根据实际情况设置多于两个的柔性轴承，力矩传感器600和减速轴承330对应位置设有至少一个柔性轴承，在此不作限定。
44.进一步地，在力矩传感器600与柔轮340的上端部设有第二限位环820，第二限位环820与力矩传感器600、柔轮340同轴设置，第二限位环820与力矩传感器600上端面相固接并与柔轮340的上端面相抵接，避免柔轮340发生轴向的窜动。
45.结合图1、图2所示，输出法兰400包括：法兰盘410和直轴420。法兰盘410为一圆形盘状结构，法兰盘410与减速轴承330的内轮331相固接，内轮331带动法兰盘410转动。法兰盘410的轴心处设有一空心的直轴420，直轴420贯穿法兰盘410并朝向驱动板230方向延伸，直轴420穿过凸轮轴311的中空空间至靠近驱动板230处。直轴420与凸轮轴311间设有若干辅助轴承，辅助轴承套接在直轴420的外周，辅助轴承的外圈与凸轮轴311相固接，辅助轴承的内圈与直轴420相固接，辅助轴承对凸轮轴311和直轴420起到定位作用，避免凸轮轴311和直轴420相接触而影响各自的旋转状态。在本实施方式中，直轴420和凸轮轴311间设有两个辅助轴承，分别为第一辅助轴承710和第二辅助轴承720，第一辅助轴承710设置在第二辅助轴承720的上侧，第一辅助轴承710设置在靠近直轴420上端部的一侧，第二辅助轴承720设置在直轴420靠近法兰盘410的一侧。可选地，也可以根据实际情况设置多于与两个的辅助轴承，在此不作限定。直轴420的内部空间用以线路的布置，使线路与驱动板230或其它电器元器件相电性连接。法兰盘410、直轴420和内轮331同轴设置。输出法兰400为本技术的机器人关节模块的动力输出端，法兰盘410与机器人的机械臂相连接以驱动机械臂转动。
46.进一步地，所述凸轮轴311内壁朝向轴心方向径向延伸出两个环状的凸环。靠近下侧的凸环设置在第二辅助轴承720的上侧并与第二辅助轴承720相抵接，以对第二辅助轴承720起限位作用；第二辅助轴承720的下端面与法兰盘410相抵接，避免第二辅助轴承720发生轴向的窜动。靠近上侧的凸环设置在第一辅助轴承710的下侧并与第一辅助轴承710相抵接，以对第一辅助轴承710起限位作用；在第一辅助轴承710的上侧还设有第一限位环810，第一限位环810套接在直轴420的外周并与第一辅助轴承710上端面相抵接，避免第一辅助轴承710发生轴向的窜动。
47.结合图1、图2所示，编码器组件包括：输入编码器输出编码器。输入编码器包括输入编码盘520和输入感应头。输入编码盘520为环形板状结构，输入编码盘520设置在电机轴310的凸台上，输入编码盘520朝向驱动板230的一面周向等间设有若干感应件。驱动板230朝向输入编码盘520的一面，在与输入编码盘520相对应位置设有朝向输入编码盘520的输入感应头，输入感应头用以感应输入编码盘520上的感应件，以检测电机轴310的转角和转速，并直接通过驱动板230上的电路向处理器传输数据信息。
48.输出编码器包括输出编码盘510和输出感应头。输出编码盘510为环形结构，输出编码盘510的内环边缘竖直向下延伸出环形的连接部，输出编码盘510的内径与直轴420的外径相适配，输出编码盘510套接在输出法兰400的直轴420的上端外周壁上，连接部与直轴420的外周壁相固接以使得输出编码盘510与直轴420相固定连接。输出编码盘510朝向驱动板230的一面周向等间设有若干感应件。驱动板230朝向输出编码盘510的一面，在与输出编码盘510相对应位置设有朝向输出编码盘510的输出感应头，输出感应头用以感应输出编码盘510上的感应件，以检测输出法兰400的转角和转速，并直接通过驱动板230上的电路向处
理器传输数据信息。
49.输入编码器和输出编码器的电子元器件均集成在驱动板230上。
50.本技术的机器人关节模块将编码器组件均设置在机器人关节模块的上侧，通过直轴420穿过凸轮轴311延伸至驱动板230处，输出编码盘510固定在直轴420靠近编码盘的端部，输入编码盘520通过凸台设置在于输出编码盘510同一侧的空间内，并将输入编码器、输出编码器的电子元器件和感应头均集成在驱动板230上，形成输入、输出闭环的同时，减少了本技术的机器人关节模块的零部件，节省了编码器所占用的空间，并将编码器的功能高度集成，缩小了本技术的机器人关节模块的整体尺寸和重量，使本技术的机器人关节模块具备更高的适用性。
51.进一步地，凸台径向延伸一定高度，使输入编码盘520和输出编码盘510设置在同一水平面上。
52.进一步地，输入编码器和输出编码器可以是磁性编码器、光电编码器或其它编码器，且输入编码器和输出编码器的编码器种类可相同或不同，在此不作限定。
53.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。