输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节的制作方法

本实用新型涉及一种机器人一体化关节，尤其涉及一种输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节，属于机器人技术领域。

背景技术：

通常，机器人机构通过连杆和连接连杆的关节组成。关节的作用为绕一根确定轴线转动，并能够受控的以期望的速度、合适的输出扭矩驱运动到合适的位置，同时能够确保运动的稳定性，即仅在绕前述轴线方向可以受控转动，而不会在其他方向上出现平移或旋转。这意味着，要求机器人关节的输出端能够承受径向载荷，轴向载荷和倾覆力矩。同时，关节输出的轴线稳定，轴线不会随外载荷变化、运动过程中角度变化而变化。

可见，在机器人领域，关节是机器人的核心器件，关节在外载荷作用下轴线的稳定性，决定了机器人的可控性、精度、效率。为了保证机器人关节的轴线稳定，本领域内，通常采用交叉辊子轴承，承受弯矩和剪切载荷，确保减速箱有效输出。

众所周知，当一根轴上布置有两个轴承时，该轴的轴线唯一确定，交叉辊子轴承通过特殊的结构布置，在一个轴承上集成了两个轴承，使用交叉辊子轴承的轴有唯一确定的轴线。这个特性令“寸土寸金”的机器人关节，特别是一体化关节中，低速输出端采用交叉辊子轴承成为本领域内的普遍共识。

然而，交叉辊子轴承虽较两个轴承相比结构紧凑，但仍然有以下缺点：(1)重量大：根据统计，交叉辊子轴承占到关节重量的20％以上；(2)维护要求高：交叉辊子轴承是滚动轴承，需要良好润滑和防尘措施；(3)成本高：由于交叉辊子轴承结构复杂，加工难度大，因此价格普遍较高。

如上所述，机器人关节要求输出受控的转动，这要求关节运动受到驱动控制电路的控制，在编码器的驱动下，忠实跟踪目标位置、速度、力矩等具体指标，因此，一个机器人关节的有效运作，要满足技术内涵包括：旋转运动且能够输出载荷(动力和传动系统)，确定的不受外载荷影响的轴线(支撑系统)，反馈和驱动控制系统(驱控系统)。对于常用的电机驱动的关节，上述技术内容又可以具体为，电机、减速机及其连接法兰组成的动力和传动系统；由低速端轴承和相关结构件组成的支撑系统；由驱控电路、编码器等传感器件组成的驱控系统。当上述各系统整合在一个关节中时，这种机器人关节称为一体化关节。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种不使用交叉辊子轴承，同时能满足机器人实际使用中，对关节运转轴线稳定性要求，结构轻巧的新型机器人一体化关节。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节，包括固定组件与沿确定且不变轴线转动并输出力矩的回转组件，固定组件与回转组件通过滑动轴承连接。

通过合理布置滑动轴承的形式和位置，可以实现对机器人关节运转轴线稳定。滑动轴承可选自但不限于以下四种形式中的一种或多种的组合使用：

(1)第一形式：包括第一圆管，第一圆管的内外表面为两个相互同轴的圆柱面；

(2)第二形式：包括第一圆片，第一圆片的两个平面相互平行，且第一圆片的中心开有第一圆孔；

(3)第三形式：第二圆管与第二圆片的结合体；第二圆管的内外表面为两个相互同轴的圆柱面；第二圆片的两个平面相互平行，且第二圆片的中心开有第二圆孔；第二圆管的其中一个端面与第二圆片的外周缘融为一体，且第二圆管的轴线与第二圆片所在平面垂直；

(4)第四形式：第三圆管与第三圆片的结合体；第三圆管的内外表面为两个相互同轴的圆柱面；第三圆片的两个平面相互平行，且第三圆片的中心开有第三圆孔；第三圆管的其中一个端面与第三圆孔的内周缘融为一体，且第三圆管的轴线与第三圆片所在平面垂直。

在一些实施例中，在回转组件的两端都布置有第三形式的滑动轴承，以实现回转组件与固定组件的连接。

在一些实施例中，在回转组件的同一区域同时布置有第三形式的滑动轴承和第二形式的滑动轴承的组合，以实现回转组件与固定组件的连接。

在一些实施例中，在回转组件的两端，分别布置有一套滑动轴承组，每套滑动轴承组包括一个第一形式的滑动轴承和第二形式的滑动轴承的组合，以实现回转组件与固定组件的连接。

在一些实施例中，在回转组件的同一区域同时布置有第四形式的滑动轴承和第二形式的滑动轴承的组合，以实现回转组件与固定组件的连接。

在一些实施例中，回转组件包括由减速机构连接的高速端回转组件与低速端回转组件；高速端回转组件与固定组件间存在相对转动；低速端回转组件与固定组件间存在相对转动，且低速端回转组件与固定组件之间通过滑动轴承连接。

在一些实施例中，高速端回转组件的附近设有高速端角度编码器用于测量高速端回转组件的回转角度，低速端回转组件的附近设有低速端角度编码器用于测量低速端回转组件的回转角度。

在一些实施例中，关节安装有驱动控制器用于驱动控制关节的转动，高速端角度编码器的读取装置集成安装在驱动控制器上。

在一些实施例中，低速端角度编码器采用磁编码器。

在一些实施例中，滑动轴承选用高分子耐磨材料或功能材料制成。

本实用新型还提供了上述输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节的制造方法，通过限制滑动轴承和与滑动轴承配合的结构件之间的相对尺寸偏差要求确定关节的输出轴线。

在一些实施例中，相对尺寸偏差要求包括：尺寸偏差限制和形位偏差限制。

本实用新型首先提出采用滑动轴承来替代交叉辊子轴承用于机器人关节，具有以下有益效果：

(1)体积更紧凑：通常，同种材料的挤压强度远大于其拉伸、弯曲、剪切强度，滑动轴承因其结构特点，主要承受挤压载荷，在同等承载要求下，滑动轴承体积更小，通常只需几个毫米的薄片，就能够实现要求的承载能力。

(2)重量轻：采用滑动轴承结构时，重量更轻，原因有二：其一，采用滑动轴承时结构更紧凑，因此总体使用的材料更少，重量更轻；其二，对比交叉辊子轴承，滑动轴承用的高分子材料或类似功能材料通常密度更低。以高分子材料为例，通常密度只有交叉辊子轴承所用钢材料的1/6，即便体积完全相同，重量也要减轻5/6。因此，滑动轴承的重量更轻。

(3)结构简单，成本低：相比交叉辊子轴承，滑动轴承省去了大量辊子的加工、装配、省去了辊道的研磨和硬化等诸多复杂工艺，减少了材料用量，因此具有更低的成本。

附图说明

图1是本实用新型第一个较佳实施例中一体化关节的外观结构示意图；

图2是图1中所示一体化关节的侧视结构示意图；

图3是图2中所示一体化关节沿a-a面的剖切结构示意图；

图4是图3中所示一体化关节沿b-b面的剖切结构示意图；

图5是本实用新型中的第三形式的滑动轴承的三维结构示意图；

图6是图5中所示滑动轴承的侧面结构示意图；

图7是图6中所示滑动轴承沿c-c面剖开后的受力分析图；

图8是本实用新型中的第二形式的滑动轴承的三维结构示意图；

图9是本实用新型中的第一形式的滑动轴承的三维结构示意图；

图10是本实用新型中的第四形式的滑动轴承的三维结构示意图；

图11是本实用新型第二个较佳实施例中一体化关节的剖切结构示意图；

图12是本实用新型第三个较佳实施例中一体化关节的剖切结构示意图；

图13是本实用新型第四个较佳实施例中一体化关节的剖切结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本实用新型附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“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专利和简化描述，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专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。

本实用新型提供了一种机器人一体化关节，主要包括固定组件与只能沿确定且不变轴线转动并输出力矩的回转组件，固定组件与回转组件通过滑动轴承连接。通过合理布置滑动轴承的形式和位置，可以实现对机器人关节运转轴线稳定。滑动轴承包括以下四种形式中的一种或多种的组合使用，当两组滑动轴承配对使用时，可以约束结构的倾覆力矩。

(1)第一形式的滑动轴承的形状结构如图9所示，其是圆管状，圆管的内外表面为两个相互同轴的圆柱面。第一形式的滑动轴承可以称之为：薄壁圆环结构。薄壁圆环部分可以确定轴线的位置，实现回转组件相对固定组件的径向位置约束。

(2)第二形式的滑动轴承的形状结构如图8所示，其是中心开有一个大圆孔的圆片，圆片上下两个平面相互平行。第二形式的滑动轴承可以称之为：圆环形薄片结构。圆环形薄片部分可以提供关节的轴向位置约束。

(3)第三形式的滑动轴承的形状结构如图5所示，是上述第一形式与第二形式的结合体，圆管的其中一个端面与圆片的外周缘一体成型，且圆管的轴线与圆片所在平面垂直。第三形式的滑动轴承可以称之为：带外边沿的圆环结构。

(4)第四形式的滑动轴承的形状结构如图10所示，其也是上述第一形式与第二形式的结合体，但结合方式不同。圆管的其中一个端面与圆片中心圆孔的内周缘一体成型，且圆管的轴线与圆片所在平面垂直。

机器人一体化关节的制造过程中，通过限制滑动轴承和与滑动轴承配合的结构件之间的相对尺寸偏差要求确定关节的输出轴线。相对尺寸偏差要求包括：尺寸偏差限制和形位偏差限制。具体的偏差量可通过大量加工结果的统计数据得出。

在正常工作的滑动轴承形成的回转组件与固定组件间的工作副中，轴线的晃动是通过合适的尺寸限制来满足。本实用新型中，通过限制薄壁圆环形轴承的内外直径偏差、内外径的同轴度偏差、轴承的圆度和跳动偏差实现径向的定位；通过限制圆环形薄片形滑动轴承的厚度偏差、上下两个面的平面度、平行度、端面跳动偏差，实现轴向的定位。对于带外边沿的圆环结构的滑动轴承，则可以理解为上述两类滑动轴承的组合，同时还需要限制边沿端面与轴线的垂直度。

关节内可以带有减速机，其作用是降低输出转速同时提高输出扭矩。进一步的，此类关节结构包括：固定组件、高速端回转组件和低速端回转组件。高速端回转组件和低速端回转组件与固定组件间均有相对转动，两者的转速和转向根据减速机决定，在特定的系统中保持不变。在低速端回转组件的输出端与固定组件之间设置有滑动轴承。

为了实现关节的一体化，即需要针对性的布置合适的传感器和驱动控制设备，高速端回转组件的附近设有高速端角度编码器，用于监测高速端回转组件的回转；低速端回转组件的附近设有低速端角度编码器用于监测低速端回转组件的回转。

高速端角度编码器采用磁编码器，且该编码器的读取装置集成在关节的驱动控制电路板上，结构更紧凑，重量更轻，也因此关节具有更好的效率且成本更低。

低速端角度编码器采用磁编码器。要达到相同的分辨率，目前主流的几类编码器中，磁编码器的环境稳定性更好，不易受外界油污、亮度、温度变化的干扰，且成本更低。然而，在低速端应用中，为了承载能力要求，交叉辊子轴承通常为钢材质，会干扰磁场，必须远离轴承，因而在结构上无法充分利用空间，紧凑布置。而滑动轴承所用材料通常为没有磁效应的高分子材料或功能材料，且通过合理布置，也可以达到合适的承载能力，因此采用滑动轴承能更好发挥磁编码器长处。

实施例1：

图1和图2分别是本实用新型一个较佳实施例中的机器人一体化关节的整体外观示意图和侧视示意图。为了更好地观察分析上述机器人一体化关节的内部具体结构，对图2中所示的关节沿着a-a面剖开，得到图3中所示的内部结构示意图。

对照着图3，首先介绍一体化关节的主要运动部件以及这些部件间的连接关系和相互运动关系如下：

图3中，一体化关节的机架由多个部分组合而成，其中，机架部件1的一端在100位置与机器人的基座或者上一级连杆固定连接，另一端与机架部件7固定连接。具体地，减速箱箱体5可以是谐波减速机的刚轮，或是行星减速机的外齿圈。电机定子2固定安装在机架部件1上。机架部件1、电机定子2、减速箱箱体5、机架部件7之间没有相对运动，成为一个整体。因为其通常作为固定端或者与上一级连杆固接，所以可称为“一体化关节固定端”，简称“固定端”。

电机转子3与电机定子2通过电机内部轴承确保在同一轴线上，并可以绕该轴线做相对转动，同时输出力矩。电机转子3的一端穿过电机定子2的中心孔，另一端与减速箱输入端4固定连接。具体的，减速箱输入端4可以是谐波减速机的波发生器，或是行星减速机的太阳轮。电机转子3和减速箱输入端4之间没有相对运动，成为一个整体。因为这部分随电机转动转速较高，所以可称为“一体化关节高速端”，简称“高速端”。

图中，减速箱的减速机构6的作用是通过齿轮啮合，将“高速端”较高的转速降低，同时提升力矩。具体的，减速机构6可以是谐波减速机的柔轮，或是行星减速机的行星轮及行星架等。减速机构6与减速箱输出端9固定连接；减速箱输出端9与减速箱输出端12固定连接。减速机构6、减速箱输出端9和减速箱输出端12之间没有相对运动，成为一个整体。因为其转速经过减速箱减速后较电机输出转速相对较慢，且此旋转运动是关节的最终输出，所以可称为“一体化关节低速输出端”，简称“低速端”。

在“低速端”和“固定端”之间布置了滑动轴承8和滑动轴承13，这也是技术方案中的主要创新点，在图3中滑动轴承8和滑动轴承13都以黑色加粗构件表示。其中，滑动轴承8位于机架部件7和减速箱输出端9之间，确保上述两个零件的回转轴同轴线，以及特征端面之间的相对位置固定。同样的，滑动轴承13位于机架部件1和减速箱输出端12之间，确保上述两个零件的回转轴同轴线，以及特征端面之间的相对位置固定。参考滑动轴承工作原理，滑动轴承8能够约束“低速端”绕“固定端”轴线旋转，以及“低速端”不能向图3中所示的左侧运动。滑动轴承13能够约束“低速端”绕“固定端”轴线旋转，以及“低速端”不能向图3中所示的右侧运动。这令“低速端”的运动输出方式为绕“固定端”旋转，且不能轴向窜动。

图5～图7为滑动轴承的结构示意图，以下介绍滑动轴承的构造和工作原理如下：

如图5所示为滑动轴承8的三维结构示意图，其基本形状是一种带边沿的圆环状。图6是滑动轴承8的俯视图。图7是图6中所示滑动轴承8在c-c面的剖视图。图7中的8a和8b是圆柱形的内侧和外侧圆柱面，相互之间要求同轴线，且其尺寸和与之配合的零件相适应，其配合关系在微量间隙～微量过盈之间，具体的间隙量和过盈量与零件尺寸有关。与滑动轴承8接触的两个零件分别与8a面和8b面接触，形成滑动摩擦副，这保证了滑动轴承8两侧的零件(如：机架部件7和减速箱输出端9)的回转轴同轴线。

类似的，8c面和8d面之间要求相互平行，且尺寸和与之配合的零件相适应，其配合关系在微量间隙～微量过盈之间，具体的间隙量和过盈量与零件尺寸有关。且与滑动轴承8接触的两个零件分别与8c面和8d面接触，形成摩擦副，这保证了轴承两侧的零件的特征端面之间的相互平行。

结合对图3的描述，当“低速端”与“固定端”之间有相对运动趋势时，可能会形成轴向、径向和弯矩载荷，上述载荷会转化为对滑动轴承8的8a、8b、8c、8d四个面的挤压，只要挤压产生的载荷不大于材料的许用载荷，则该摩擦副可以正常工作。

再看图3的机器人一体化关节中，除了主要运动部件外，还有其他功能器件，说明如下：

高速端和低速端均布置角度编码器，高速端编码器提高响应和定位精度，低速端编码器反馈出实际到达位置，并能通过高低速端编码器读数的偏差等信息，综合判断关节的受力状况。编码器采用磁编码器，抑制环境(如油脂、灰尘等)对编码器的干扰，读取电路集成于驱控电路板上，以进一步节省体积。

在电机转子3的一端，安装有高速端磁铁14，与电机转子3固定连接。该磁铁用于标记电机转子3的角度位置，通过安装在驱动电路板15上的磁场读取芯片，可以读取电机的角度编码。因此，高速端磁铁14和驱动电路板15上的磁场读取芯片共同组成了“高速端编码器”。由于采用滑动轴承，结构更加紧凑，可以空出空间将高速端编码器安装在关节的尾部，不然，编码器布置需要额外增加关节体积。

优选的，在减速箱输出端9的一端，安装有低速端磁环11，与“低速端”固定连接。与“高速端编码器”类似，低速端磁环11用于标记“低速端”角度位置，通过低速编码器读头10(见图4中所示)，可以读取“低速端”的角度编码。因此，低速端磁环11和低速端编码器读头10共同组成了“低速端编码器”。由于使用滑动轴承，结构紧凑，因此可以留出空间布置该编码器，不然，编码器布置需要额外增加关节体积。

在机架部件1上安装有驱动电路板15，其作用为接收上位机的控制指令、各传感器的反馈数据、以及电源，并依据一定算法控制并驱动电机运转，输出力矩，并最终形成关节的力矩输出。由于采用滑动轴承，结构紧凑，因此可以留出空间布置该编码器。不然，需要在结构上另外找地方放驱动器。

如图3中所示，关节的输入端位于图中面100所在位置，可以通过螺丝、快速锁定等方式与上一级连杆或者基座连接，输出可以根据机械臂的结构要求，选择分别位于200、300、400平面。其中，400平面平行于关节回转轴线，与输入面100垂直，适用于上下两级机械臂连杆轴线需要在空间呈90度夹角的应用场景。200平面垂直于关节回转轴线，与输入面100平行，在100平面对侧，适用于上下两级机械臂连杆轴线需要同轴串联的应用场景。300平面垂直于关节回转轴线，与输入面100平行，在100平面同侧，适用于上下两级机械臂连杆轴线需要同轴串联，且输入输出要求在同一侧的应用场景。一体化关节的对外输出方向也是灵活的。

滑动轴承8与滑动轴承13可以采用各类摩擦系数较小的耐磨材料，例如：使用iglidur材料，iglidur材料是德国igus公司生产的优质耐磨材料。除了使用iglidur材料，也可以使用聚四氟乙烯、各类尼龙、塑料、轴承合金、铜等。

结构件(如机架部件1与机架部件7)、减速箱部件(如减速机构6、减速箱输出端12、减速箱输入端4等)可以采用各种金属、非金属材料，例如：使用硬质铝合金、碳纤维，也可以使用peek高分子材料、不锈钢、钛合金、镁合金等材料，以进一步减轻关节重量。peek高分子材料即聚醚醚酮。

滑动轴承的两侧零件与滑动轴承共同构成了滑动摩擦副，因此，相关零件的材料也会对关节性能有影响，例如：使用铝合金，综合表现良好。同时，有数据和文献表明，不锈钢和经过表面硬化处理的铝合金对延长摩擦副的寿命有帮助。用某些塑料制品对减低摩擦副内的摩擦系数有帮助。具体选择配对材料时，可根据实际需要灵活搭配。

本实施例中滑动轴承的布置方式，获得更高的径向定位精度和较好的轴向窜动限制，同时有更好的承载能力。

与使用交叉辊子轴承的机器人一体化关节相比，本实施例中使用滑动轴承的机器人一体化关节具有如下优点：

(1)结构紧凑：从图3可见，利用“低速端”和“固定端”之间的狭小缝隙，就可以布置滑动轴承，从而省去了传统设计中，采用交叉辊子轴承时需留出的较大空间。类比本专利采用滑动轴承前后，一体化关节的结构尺寸对比，采用滑动轴承时，结构尺寸可以缩短20％左右。

(2)重量轻：从实用新型内容分析可见，相较采用交叉辊子轴承，采用滑动轴承时，由于滑动轴承为高分子材料，交叉辊子轴承通常为钢，密度相差6倍左右，且采用了滑动轴承后，整体结构更紧凑，结构件所需要使用的材料更少，因此，重量减轻十分明显。类比本专利采用滑动轴承前后，一体化关节的重量对比，采用滑动轴承时，关节重量可以减轻50％左右。

(3)成本低：由于滑动轴承的加工只需要满足8a、8b、8c、8d四个面之间的形位公差要求和尺寸公差要求，且材料自身价格低廉，相较交叉辊子轴承，加工大大简化，且装配工艺、调试工艺简单很多，因此，制造成本更低。

实施例2：

本实施例中的输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节的剖切结构见图11所示。本实施例与实施例1的主要区别在于：本实施例中的机器人一体化关节没有使用减速机构，电机转子3直接驱动输出端16。

在机器人一体化关节中，临近布置的一个带外边沿的圆环结构滑动轴承17和一个圆环形薄片滑动轴承18，实现了回转组件与固定组件的连接，以获得较好的径向定位精度和轴向窜动限制，同时有更紧凑的结构。

实施例3：

本实施例中的输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节的剖切结构见图12所示。本实施例与实施例1的主要区别在于：本实施例中滑动轴承采用了薄壁圆环+圆环形薄片的结构形式，相当于将实施例1中的一体成型式样的滑动轴承8与滑动轴承13替换为分体式的滑动轴承组合。

在回转组件的两端，分别布置有两组滑动轴承，每组各一个薄壁圆环形式和一个圆环形薄片形式的滑动轴承。即，在图12中左端，薄壁圆环形式滑动轴承131与圆环形薄片形式滑动轴承132组合使用。在图12中右端，薄壁圆环形式滑动轴承81与圆环形薄片形式滑动轴承82组合使用。两组滑动轴承实现回转组件与固定组件的连接，以获得更高的径向定位精度和更好的轴向窜动限制，有良好的承载能力，有良好的工艺性能。

实施例4：

本实施例中的输出端使用滑动轴承的机器人一体化关节的剖切结构见图13所示。本实施例与实施例2的主要区别在于：本实施例中滑动轴承采用了如图10所示的第四形式的滑动轴承加上如图8所示的第二形式的滑动轴承组合的结构形式。

在输出端16的两个面，分别布置有滑动轴承19与滑动轴承20，其中，滑动轴承19为第四形式的滑动轴承，滑动轴承20为第二形式的滑动轴承。两个滑动轴承配合，实现回转组件与固定组件(如图中机架部件21)的连接，以获得更高的径向定位精度和更好的轴向窜动限制，有良好的承载能力，有良好的工艺性能。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。