一种中空式驱控一体化智能模块化关节的制作方法

本实用新型涉及模块化机械臂技术领域，具体是一种中空式驱控一体化智能模块化关节。

背景技术：

随着世界物质需求的极大提升，进而带动生产力极大提高，并且在“中国制造2025”的形势下，现如今对机械臂的功能要求越来越苛刻，现在市场上极需要一款结构紧凑，可重复组装拆卸，满足灵活性和可靠性的机械臂。国内外通过中空走线的方式来解决了线缆出现在机械臂外面所产的问题，如造成线缆损坏老化，破坏整体机械臂的美观性等等。但是这种中空式会增大机器成本，元器件的选用存在局限性等负面影响。目前，世界范围内的机械臂用的大多还是传统款式的机械臂设计，组装和拆卸较复杂，体积较大；很多机器人关节走线复杂，随着内部元器件和关节数量增多，会产生绕线的可能性没有得到很好地解决；关节的组装复杂，只要其中一个关节损坏整个机械臂就可能造成整机无法使用，维修十分麻烦；关节尺寸和重量过大，机械臂关节不够紧凑。上述问题如果能够得到很好的解决，将提高整体机械臂的性能，促进关节技术的发展。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种中空式驱控一体化智能模块化关节。该中空式驱控一体化智能模块化关节解决了外部走线复杂困难、容易线缆缠绕、质量和体积大、模块化程度不高等问题，不需定制硬件，有效的降低了成本。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：设计一种中空式驱控一体化智能模块化关节，其特征在于，包括左端盖、外壳、控制装置、制动装置、增量编码器、中空无框力矩电机、中空电机输出轴、谐波连接轴、谐波减速器、第一输出法兰、绝对值编码器、第二输出法兰、中空走线管、定位法兰、深沟球轴承；

所述控制装置包括PCB板、模块化驱动器、驱动器安装板，制动装置包括制动盘、推移式电磁铁，增量编码器包括增量编码器码盘、增量编码器电刷、增量编码器外盖，中空无框力矩电机包括中空电机转子、中空电机定子，谐波减速器包括谐波减速器刚轮、谐波减速器柔轮、波发生器，绝对值编码器包括绝对值编码器转子、绝对值编码器定子、绝对值编码器安装板；

控制装置、制动装置、增量编码器、中空无框力矩电机、中空电机输出轴、谐波连接轴、谐波减速器、第一输出法兰、绝对值编码器、中空走线管、定位法兰、深沟球轴承均安装在左端盖、外壳及第二输出法兰构成的空间内；所述外壳，外表面平整，内部沿外壳径向从左到右依次设有第一圆台凸起、第二圆台凸起、第三圆台凸起和第四圆台凸起，第二圆台凸起上设有第一扇形孔，第三圆台凸起设有第二扇形孔，四个圆台凸起将外壳内部空间分成五个腔体，驱动器安装板固定在第一圆台凸起的左侧面上，驱动器安装板上固定安装有模块化驱动器和推移式电磁铁，模块化驱动器的左侧与PCB板相连；第一圆台凸起的右侧设置有带孔的制动盘，推移式电磁铁固定在驱动器安装板上，推移式电磁铁的右端末端设置于制动盘的孔内；

中空电机输出轴通过深沟球轴承轴向固定在第二圆台凸起上，其左端与制动盘固定连接，其右端位于第二圆台凸起与第三圆台凸起之间的腔体内；在制动盘与第二圆台凸起之间的中空电机输出轴上安装有增量编码器，其中，增量编码器码盘套装在中空电机输出轴上，增量编码器电刷套装在增量编码器码盘上并固定在第二圆台凸起的左端端面上，增量编码器外盖套装在增量编码器电刷的外侧并一端固定在第二圆台凸起上；深沟球轴承安装在第二圆台凸起与中空电机输出轴之间的环形空隙内；

第二圆台凸起的右侧的中空电机输出轴上套装有中空电机定子，中空电机定子与第二圆台凸起的右侧面固定连接，中空电机转子套装在中空电机定子的外周并与中空电机输出轴的中空电机输出轴轴环的左端固定连接；谐波连接轴固定在中空电机输出轴的右端外侧端面上，定位法兰套装并固定在谐波连接轴上；所述第一输出法兰包括两级法兰圆台凸起，从左到右为第一法兰圆台凸起和第二法兰圆台凸起；波发生器固定在定位法兰的右端外侧端面上，谐波减速器柔轮套装在谐波减速器刚轮上并与第三圆台凸起的右侧面固定连接，谐波减速器刚轮套装在波发生器的外圈上并与第一输出法兰的左端面固定连接；绝对值编码器转子套装在第一法兰圆台凸起右端外侧端面上；绝对值编码器安装板上设置有定位环槽和扇形孔，绝对值编码器定子固定在绝对值编码器安装板的定位环槽上，扇形孔用于绝对值编码器的走线；绝对值编码器安装板与第四圆台凸起的右侧面固定连接，第一输出法兰通过其第二法兰圆台凸起与第二输出法兰的圆环凹槽固定连接，第二输出法兰的外圈的孔通过螺钉与下一个关节固定连接；

中空走线管横向设置在第一圆台凸起、制动盘、中空电机输出轴、谐波连接轴、谐波减速器刚轮、第一输出法兰内部的中空腔内，关节的线缆设置在中空走线管内；

所述模块化驱动器安装在驱动器安装板上，且模块化驱动器与PCB板连接在一起，与下一个关节中引出的线缆通过中空走线管与本关节的模块化驱动器相连接；PCB板上集成有相应的控制电路，模块化驱动器用于驱动控制中空无框力矩电机的动作，实现对关节的控制。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型模块化关节结构设计紧凑，通过中空走线的方式来避免关节动作时可能发生绕线的影响，也避免了线缆暴露在机械臂外时由于人为、空气等因素对其产生破坏的可能性。减少了线缆走线的复杂性，提高了机械臂整体的灵活性，模块化设计能够更加方便的组装。

本实用新型的突出的实质性特点是：

1)本实用新型关节的左端盖利用螺钉与关节外壳进行连接，左端盖有圆台凸起可以与外壳形成轴向定位，推移式电磁铁安装在电磁铁安装活动板的横板上，所述制动盘安装在中空电机输出轴的最左侧，这样就减小了制动装置的占地空间；增量式编码器通过顶丝安装在电机输出轴的第一轴肩，所述电机定子通过螺纹轴向拧紧与外壳的第二圆台凸起形成轴向定位，所述霍尔安装在电机定子的中端，提高换向的速率，提高电流反馈的准确性，所述电机转子通过螺钉连接到中空电机输出轴的中空电机输出轴轴环内壁上形成轴向定位，与中空电机输出轴定位凸起形成径向定位，深沟球轴承的外圈通过与第二圆台凸起形成径向固定，其内圈通过电机输出轴的第二轴肩进行轴向定位，谐波减速器的柔轮通过螺纹连接与外壳内壁的第三圆台凸起进行轴向和周向定位，谐波减速器的刚轮通过螺纹与第一输出法兰连接，然后输出力矩，所述谐波连接轴与谐波减速器的波发生器通过螺钉连接形成轴向定位，所述绝对值编码器的转子通过螺纹与第一输出法兰轴向连接，进而形成轴向和周向定位；

2)走线方式：下一个关节的线缆沿左端盖1的中心孔连接到模块化驱动器 3上；增量式编码器电刷的线缆经过驱动器安装板的中心孔连接到模块化驱动器上；中空电机定子的线缆先经过第二圆台凸起处的扇形孔沿壁经过驱动器安装板连接到模块化驱动器上；绝对值编码器定子的线缆先经过绝对值编码器安装板的扇形孔，沿壁到第三圆台凸起上的扇形孔，沿壁再经过第二圆台凸起处的扇形孔，最后沿驱动器安装板的中心孔连接到模块化驱动器上；上一关节的线缆经过中空走线管连接到模块化驱动器上，所有组成机械臂的模块化关节的线缆通过这种串联的形式连接起来，最后一个模块化关节的线缆连接到外部控制器上；

3)本实用新型关节设计为一体式外壳，整体为圆柱形，表面光滑，无凸起部分，容易加工，美观简洁。内表面于安装左端盖和安装板，空间清晰分明；结构紧凑，加工较方便，密封性较好，更能体现出模块化的特性，可以模块化组装成任意轴的机械臂，可反复拆卸，能够实现快速连接；

4)本实用新型关节采用双编码器的方式，分别通过增量式编码器与绝对值编码器来测量电机角度与连杆(机械臂)角度；

5)本实用新型关节的制动装置采用推移式电磁铁和制动盘的组合方式。断电时推移式电磁铁的铜柱伸出，铜柱卡住制动盘在一定角度范围内运动，由于谐波减速器的存在，使这角度范围很小，近似看做立即制动；通电时电磁铁的铜柱缩回，不限制机器人关节工作；该制动装置区别于传统的制动装置，制动盘更牢固可靠，占据空间小，散热速度快，加工方便成本低。

6)本实用新型中空电机输出轴、谐波连接轴、第一输出法兰和第二输出法兰均为中空结构，是为了方便下一关节的走线。采用具有CANOPEN协议的驱动器时，每个关节需要外部连线都为4根包括2根电源线和2根CAN线，连接到本发明关节的驱动器，因而机械臂的关节增多不会导致靠近基座的连线增多。

附图说明

图1为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的半剖视结构示意图；

图2为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的1/4剖视结构示意图；

图3为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的外部结构示意图；

图4为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的外壳2的内部结构示意图(剖视)；

图5为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节去掉外壳2的内部结构立体示意图；

图6为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的驱动器安装板 4的立体结构示意图；

图7为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的绝对值编码器安装板20的立体结构示意图；

图8为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的的增量编码器外盖9的立体结构示意图；

图9为本实用新型两个一种中空式驱控一体化智能模块化关节的组装示意图；

图10为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的第一输出法兰17的立体结构示意图；

图11为本实用新型中空式驱控一体化智能模块化关节的第二输出法兰21 的立体结构示意图；

图12为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的定位法兰23 的立体结构示意图；

图13为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的中空电机输出轴12的立体结构示意图；

图14为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的谐波连接轴 13的半剖结构示意图；

图15为本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节的制动盘5的立体结构示意图；

图中：1左端盖，2外壳，3模块化驱动器，4驱动器安装板，5制动盘，6 推移式电磁铁，7增量编码器码盘，8增量编码器电刷，9增量编码器外盖，10 中空电机转子，11中空电机定子，12中空电机输出轴，13谐波连接轴，14谐波减速器刚轮，15谐波减速器柔轮，16波发生器，17第一输出法兰，18绝对值编码器转子，19绝对值编码器定子，20绝对值编码器安装板，21第二输出法兰，22中空走线管，23定位法兰，24深沟球轴承，25PCB板，201第一圆台凸起，202第二圆台凸起，203第三圆台凸起，204第四圆台凸起，205扇形孔， 206形孔，401横板，402竖板，501固定基座，502盘扇，1201第一轴肩，1202 第二轴肩，1203第三轴肩，1204第一中空电机输出轴身，1205中空电机输出轴轴颈，1206第二中空电机输出轴轴身，1207中空电机输出轴定位凸起，1208 中空电机输出轴轴环，1301第一谐波连接轴定位凸起，1302谐波连接轴轴环， 1303第二谐波连接轴定位凸起，1304谐波连接轴轴身，1701第一法兰圆台凸起，1702第二法兰圆台凸起，定位环槽2001，扇形孔2002，圆环凹槽2101，法兰圆台凸起2301。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述实用新型，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本实用新型一种中空式驱控一体化智能模块化关节(简称关节，参见图 1-15)，其特征在于，包括左端盖1、外壳2、控制装置、制动装置、增量编码器、中空无框力矩电机、中空电机输出轴12、谐波连接轴13、谐波减速器、第一输出法兰17、绝对值编码器、第二输出法兰21、中空走线管22、定位法兰 23、深沟球轴承24。

所述控制装置包括PCB板25、模块化驱动器3、驱动器安装板4，制动装置包括制动盘5、推移式电磁铁6，增量编码器包括增量编码器码盘7、增量编码器电刷8、增量编码器外盖9，中空无框力矩电机包括中空电机转子10、中空电机定子11，谐波减速器包括谐波减速器刚轮14、谐波减速器柔轮15、波发生器16，绝对值编码器包括绝对值编码器转子18、绝对值编码器定子19、绝对值编码器安装板20。

控制装置、制动装置、增量编码器、中空无框力矩电机、中空电机输出轴 12、谐波连接轴13、谐波减速器、第一输出法兰17、绝对值编码器、中空走线管22、定位法兰23、深沟球轴承24均安装在左端盖1、外壳2及第二输出法兰21构成的空间内。所述外壳2(参见图4)，外表面平整，内部沿外壳径向从左到右依次设有第一圆台凸起201、第二圆台凸起202、第三圆台凸起203和第四圆台凸起204，第二圆台凸起202上设有第一扇形孔205，第三圆台凸起203 设有第二扇形孔206，四个圆台凸起将外壳2内部空间分成五个腔体，驱动器安装板4固定在第一圆台凸起201的左侧面上，驱动器安装板4上固定安装有模块化驱动器3和推移式电磁铁6，模块化驱动器3的左侧与PCB板25相连。第一圆台凸起201的右侧设置有带孔的制动盘5，推移式电磁铁6固定在驱动器安装板4上，推移式电磁铁6的右端末端设置于制动盘5的孔内。

中空电机输出轴12通过深沟球轴承24轴向固定在第二圆台凸起202上，其左端与制动盘5固定连接，其右端位于第二圆台凸起202与第三圆台凸起203 之间的腔体内。在制动盘5与第二圆台凸起202之间的中空电机输出轴12上安装有增量编码器，其中，增量编码器码盘7套装在中空电机输出轴12上，增量编码器电刷8套装在增量编码器码盘7上并固定在第二圆台凸起202的左端端面上，增量编码器外盖9套装在增量编码器电刷8的外侧并一端固定在第二圆台凸起202上。深沟球轴承24安装在第二圆台凸起202与中空电机输出轴12 之间的环形空隙内。

第二圆台凸起202的右侧的中空电机输出轴12上套装有中空电机定子11，中空电机定子11与第二圆台凸起202的右侧面固定连接，中空电机转子10套装在中空电机定子11的外周并与中空电机输出轴12的中空电机输出轴轴环 1207的左端固定连接。谐波连接轴13固定在中空电机输出轴12的右端外侧端面上，定位法兰23套装并固定在谐波连接轴13上。所述第一输出法兰17(参见图10)包括两级法兰圆台凸起，从左到右为第一法兰圆台凸起1701和第二法兰圆台凸起1702；波发生器16固定在定位法兰23的右端外侧端面上，谐波减速器柔轮15套装在谐波减速器刚轮14上并与第三圆台凸起203的右侧面固定连接，谐波减速器刚轮14套装在波发生器16的外圈上并与第一输出法兰17 的左端面固定连接。绝对值编码器转子18套装在第一法兰圆台凸起1701右端外侧端面上。绝对值编码器安装板20上设置有定位环槽2001和扇形孔2002，绝对值编码器定子19固定在绝对值编码器安装板20的定位环槽2001上，扇形孔2002用于绝对值编码器的走线；绝对值编码器安装板20与第四圆台凸起204 的右侧面固定连接，第一输出法兰17通过其第二法兰圆台凸起1702与第二输出法兰21的圆环凹槽2101固定连接，第二输出法兰21的外圈的孔通过螺钉与下一个关节固定连接。

中空走线管22贯穿设置在第一圆台凸起201、制动盘5、中空电机输出轴12、谐波连接轴13、谐波减速器刚轮14、第一输出法兰17内部的中空腔内，关节的线缆设置在中空走线管内22。

所述模块化驱动器3安装在驱动器安装板4上，且模块化驱动器3与PCB 板25连接在一起的，与下一个关节中引出的线缆通过中空走线管22与本关节的模块化驱动器3相连接；PCB板25上集成有相应的控制电路，模块化驱动器 3用于驱动控制中空无框力矩电机的动作，实现对关节的控制；

所述驱动器安装板4(参见图6)由横板401和竖板402组成，所述竖板 402为270°的扇面结构，可以方便地检修和查看制动盘5，模块化驱动器3固定在竖板402上，所有线缆均可以从驱动器板4的缺口部位经过并连接到模块化驱动器3相应接口上；所述横板401沿关节的轴线方向垂直设置在竖板402 上，横板401和竖板402为一体的，其中推移式电磁铁6通过螺钉安装在横板 401上；

所述推移式电磁铁6断电时其铜柱伸出，铜柱卡住制动盘5在一定角度范围内运动，由于谐波减速器14的存在，使这角度范围很小，近似看做立即制动；通电时推移式电磁铁6的铜柱缩回，不限制机器人关节工作；该制动装置区别于传统的制动器，制动盘5更牢固可靠，占据空间小，散热速度快，加工方便成本低。

所述制动盘5(参见图15)为六叶轮结构，所述制动盘5包括固定基座501、六个相同结构的盘叶502和最外面的盘圈503，盘叶502能够有效且稳定实现阻挡作用；六个盘叶502以固定基座501为中心均匀分布在固定基座的圆柱侧面上，每个盘叶固定在固定基座与盘圈503之间；盘叶的末端两侧对称设置有弧型凹槽，当制动时推移式电磁铁6的铜柱伸出刚好卡在弧形凹槽中，防止推移式电磁铁6的铜柱末端相对盘齿发生径向滑移而导致制动失效；所述固定基座501为底端封盖的圆筒型，固定基座501底端直接与中空电机输出轴12的左端固定；

所述中空电机输出轴12(参见图13)包括三级轴肩，从左到右依次为第一轴肩1201和第二轴肩1202和第三轴肩1203；依次设有第一中空电机输出轴身 1204、中空电机输出轴轴颈1205、第二中空电机输出轴轴身1206、中空电机输出轴定位凸起1207和中空电机输出轴轴环1208；

所述增量式编码器外盖9(参见图8)用于保护增量编码器码盘7和增量编码器电刷8；

所述谐波连接轴13(参见图14)包括第一谐波连接轴定位凸起1301、谐波连接轴轴环1302、第二谐波连接轴定位凸起1303和谐波连接轴轴身1304；

所述定位法兰23(参见图12)有一个法兰圆台凸起2301；

本实用新型中外壳2为一体化结构，内部包含模块化驱动器3和PCB板25，能够实现驱控一体化，定位方式简单方便；制动装置和增量式编码器均与中空电机输出轴12同轴安装，减少间隙，谐波减速器的波发生器16与谐波连接轴轴身1304形成径向定位，与第二谐波连接轴定位凸起1303进行轴向定位，能够有效减少传动间隙。

所述关节多个组装在一起，下一个关节的线缆沿左端盖1的中心孔连接到模块化驱动器3上；增量式编码器电刷8的线缆经过驱动器安装板4的中心孔连接到模块化驱动器3上；中空电机定子11的线缆先经过第二圆台凸起202处的扇形孔205沿壁经过驱动器安装板4连接到模块化驱动器3上；绝对值编码器定子19的线缆先经过绝对值编码器安装板20的扇形孔2002，沿壁到第三圆台凸起203上的扇形孔206，沿壁再经过第二圆台凸起202处的扇形孔205，最后沿驱动器安装板4的中心孔连接到模块化驱动器3上；上一关节的线缆经过中空走线管22连接到模块化驱动器3上，所有组成机械臂的关节的线缆通过这种串联的形式连接起来，最后一个关节的线缆连接到外部控制器上。

本实用新型关节的工作原理是：由外部控制器驱动模块化驱动器，模块化驱动器连接中空无框力矩电机，进而控制中空无框力矩电机动作。增量编码器用于速度闭环反馈，将电机的速度参数反馈给模块化驱动器，从而在电脑上显示和操作。谐波减速器用于中空无框力矩电机的减速，谐波减速器连接输出法兰，输出法兰连接下一关节。绝对值编码器用于位置闭环反馈，将输出法兰的输出位置反馈给模块化驱动器，从而在电脑上显示和反馈。

具体工作过程如下：模块化驱动器用于接收的指令，其供电电源是48V直流，再通过模块化驱动器给中空无框力矩电机供电并控制中空无框力矩电机工作；中空无框力矩电机通过中空电机输出轴12和第一输出法兰17与谐波减速器相连接，谐波减速器依靠传动比范围大从而增大输出扭矩和高减速比减速，这样谐波减速器连接第二输出法兰21，第二输出法兰21再连接到下一关节。

增量式编码器用于伺服控制系统的速度闭环反馈，模块化驱动器3为其进行供电。增量式编码器通过中空无框力矩电机将实时速度参数反馈给模块化驱动器，模块化驱动器3将速度数据上传，对中空无框力矩电机运动情况进行判断，并做出决策，运用PID控制原理，对中空无框力矩电机运动情况进行实时控制。

绝对值编码器用于伺服控制系统的位置闭环反馈，将负载端即第二输出法兰21的输出角度位置反馈给模块化驱动器3，模块化驱动器3将位置数据上传，对负载端的位置情况进行判断，并做出决策，从而提高了位置精度。

利用绝对值编码器和增量式编码器的相对位置关系，以及中空无框力矩电机的电流变化情况，可以对负载端的受力进行及时的感知以及反馈，能够一定程度上代替扭矩传感器的作用，实现负载端力的感知，使得负载端在运动时能够进行力位混合控制。所述一种中空式驱控一体化智能模块化关节为驱控一体化关节，此关节中同时配有驱动装置与控制装置,其中驱动装置主要包括中空无框力矩电机，控制装置包括模块化驱动器3与PCB板25。

尽管上面的附图说明对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施措施，上述具体实施措施仅仅是示意性的，而不是局限性的。凡是在本发明的启示下，做出的等效替换或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本实用新型所涉及的元器件均可通过经销商购买获得，未述及之处适用于现有技术。