机器人关节及机器人的制作方法

1.本公开涉及一种属于机器人技术领域，本公开尤其涉及一种机器人关节及机器人。


背景技术：

2.谐波减速器具有传动速比大、承载能力高、传动精度高、体积小、重量轻、运动平稳等优点，被广泛应用于航空、航天、能源、机器人等领域。而带力矩传感器的协作机器人，是近年机器人的发展趋势，目前的力控型机械臂主要有两个发展方向，一种是末端有六维力的力控型机械臂，一种是集成力矩传感器的模块化关节组成的力控型机械臂。而模块化关节为了集成力矩传感器，要么使用组合型谐波减速器，关节整体体积较大；要么使用组件型谐波减速器，但同时会牺牲交叉滚子轴承体积和深沟球轴承的体积，使模块化关节的寿命受影响。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种机器人关节及机器人。
4.根据本公开的一个方面，提供了一种机器人关节，其包括：
5.驱动装置，所述驱动装置用于提供驱动力；
6.谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮和刚轮，其中所述波发生器与所述驱动装置连接，以便接收所述驱动装置的驱动力并发生转动；所述柔轮通过波发生器的转动而产生变形；所述刚轮与所述柔轮配合，所述刚轮作为关节输出侧用于输出驱动力；
7.输出法兰，所述输出法兰与所述谐波减速器的刚轮连接，所述输出法兰用于向外输出驱动力；
8.力矩传感器，所述力矩传感器包括内法兰和外法兰，所述力矩传感器的内法兰与所述柔轮连接，所述力矩传感器的外法兰与交叉滚子轴承连接；以及
9.动力端外壳，所述动力端外壳作为关节固定侧，并与所述力矩传感器的外法兰连接。
10.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：
11.中空轴，所述中空轴的一端固定于所述输出法兰，所述中空轴的另一端至少部分地穿过所述波发生器和驱动装置。
12.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述波发生器与所述中空轴之间设置有第一轴承，以使得所述波发生器与所述中空轴之间能够发生相互转动。
13.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述交叉滚子轴承包括交叉滚子轴承内环、交叉滚子轴承外环以及交叉滚子，所述交叉滚子轴承内环与所述刚轮或者力矩传感器中的一者连接，所述交叉滚子轴承外环与所述刚轮或者所述力矩传感器中的一者连接。
14.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述交叉滚子轴承内环与所述交
叉滚子轴承外环之间设置密封件，所述密封件用于密封所述交叉滚子轴承。
15.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述柔轮通过柔轮安装板与所述力矩传感器固定连接，和/或，所述力矩传感器与所述柔轮之间设置摩擦部件，所述摩擦部件用于增加所述柔轮与所述力矩传感器之间的摩擦系数。
16.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：
17.动力端外壳，所述动力端外壳至少部分地环绕所述驱动装置。
18.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述波发生器与所述动力端外壳之间设置第二轴承，所述第二轴承的内环与所述波发生器的位置保持固定，所述第二轴承的外环与所述动力端外壳的位置保持固定。
19.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述波发生器形成第一内圈轴肩，所述第二轴承的内环的一端被所述第一内圈轴肩限位；所述波发生器上设置轴承限位部，所述第二轴承的内环的另一端被所述轴承限位部限位。
20.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述动力端外壳形成第一外圈轴肩，所述第二轴承的外环的一端通过所述第一外圈轴肩限位；所述动力端外壳上设置轴承外圈压板，所述第二轴承的外环的另一端被所述轴承外圈压板限位。
21.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：
22.制动装置，所述制动装置用于制动所述驱动装置。
23.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：制动器外壳，所述制动器外壳至少部分地环绕所述制动器，并且，所述制动器外壳与动力端外壳连接。
24.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，所述制动器外壳与中空轴之间设置第三轴承，所述第三轴承用于支撑所述中空轴。
25.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：
26.高速侧编码器，所述高速侧编码器用于检测驱动装置的位置和/或转速。
27.根据本公开的至少一个实施方式的机器人关节，还包括：
28.低速侧编码器，所述低速侧编码器用于检测输出法兰的位置和/或转速。
29.根据本公开的另一方面，提供一种机器人，其包括上述的机器人关节。
附图说明
30.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
31.图1是根据本公开的一个实施方式的机器人关节的结构示意图。
32.附图标记说明
33.10机器人关节
34.110驱动装置
35.111转动轴
36.112定子
37.113转子
38.120动力端外壳
39.130谐波减速器
40.131波发生器
41.132柔轮
42.133刚轮
43.140力矩传感器
44.150输出法兰
45.160中空轴
46.170交叉滚子轴承
47.171交叉滚子轴承内环
48.172交叉滚子轴承外环
49.173交叉滚子
50.180柔轮安装板
51.190第一轴承
52.200第二轴承
53.210第三轴承
54.220密封件
55.230密封法兰
56.250轴承限位部
57.260轴承外圈压板
58.270制动器
59.280制动器外壳
60.300高速侧编码器
61.301高速侧编码器磁环
62.302高速侧编码器读数头
63.310低速侧编码器
64.311低速侧编码器安装板
65.312低速侧编码器磁环
66.313低速侧编码器读数头
67.320摩擦部件。
具体实施方式
68.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
69.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
70.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分
离、互换和/或重新布置。
71.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
72.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
73.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
74.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
75.图1是根据本公开的一个实施方式的机器人关节的结构示意图。
76.如图1所示，本公开提供一种机器人关节10，其可以包括：驱动装置110，动力端外壳120，谐波减速器130，力矩传感器140以及输出法兰150等部件。其中，驱动装置110用于提供驱动力。优选地，动力端外壳120至少部分地环绕驱动装置110。
77.在本公开中，驱动装置110包括转动轴111、定子112以及转子113，定子112设置于动力端外壳120，例如通过胶粘的方式将定子112固定于动力端外壳120。本公开中，所述动力端外壳120作为关节固定侧，并与所述力矩传感器140的外法兰连接。
78.优选地，转子113设置于转动轴111，并且与转动轴111同步转动，并由此使得驱动装置110形成为无框电机。
79.根据本公开的优选实施方式，谐波减速器130连接于驱动装置110，以便接收驱动
装置110的驱动力。谐波减速器130包括柔轮132，刚轮133和波发生器131。
80.本公开中，当所述机器人关节10使用时，波发生器131用于接收机器人关节10的驱动装置110产生的驱动力并发生转动。其中，波发生器131能够通过传动轴与驱动装置110连接，或者，波发生器131直接与驱动装置110连接。优选地，本公开的波发生器131与传动轴形成一体化零器件，波发生器131直接与驱动装置110连接，以便减小机器人关节10的尺寸，使得结构更加紧凑。
81.柔轮132通过柔轮安装板180与力矩传感器140连接，例如，所述柔轮132可以连接于所述力矩传感器140的直径较小的部分。柔轮132通过波发生器131的转动而产生变形，也就是说，当波发生器131发生转动时，能够使得柔轮132产生变形。刚轮133与柔轮132配合，刚轮133作为关节的输出侧用于输出驱动力。
82.根据本公开的优选实施方式，输出法兰150通过螺钉与刚轮133的一端固定连接，以便通过输出法兰150向外输出驱动力。并且输出法兰150与刚轮133之间可以设置密封部，以使得谐波减速器130能够位于密封的空间内。
83.本公开的机器人关节10的柔轮132被固定，通过刚轮133输出驱动力。本领域的技术人员应当知晓，本公开的机器人关节10也可以将刚轮133固定，并通过柔轮132向外输出动力。
84.本公开中，力矩传感器140用于检测刚轮133向外输出驱动力的力矩，力矩传感器140的内法兰通过螺钉和柔轮安装板180与柔轮132固定连接，并且柔轮132与力矩传感器140之间设置摩擦部件320，摩擦部件320用于增加柔轮132与力矩传感器140之间的摩擦系数，从而增加驱动力的传递扭矩，提高整个机器人关节10的安全系数，防止柔轮132与力矩传感器140之间产生相对滑动。
85.优选地，力矩传感器140的内法兰即为力矩传感器140直径较小的一端，力矩传感器140的外法兰即为力矩传感器140直径较大的一端。
86.根据本公开的优选实施方式，力矩传感器140与刚轮133之间设置交叉滚子轴承170，交叉滚子轴承170包括交叉滚子轴承外环172、交叉滚子轴承内环171以及交叉滚子173。
87.其中，力矩传感器140的外法兰可以通过螺钉与交叉滚子轴承外环172连接，并且交叉滚子轴承外环172与力矩传感器140的外法兰之间可以设置密封部，以使得交叉滚子轴承外环172与力矩传感器140的外法兰之间形成密封连接。更优选地，所述力矩传感器140可以与所述交叉滚子轴承外环172一体成型。
88.本公开中，力矩传感器140能够检测柔轮132与交叉滚子轴承外环172之间的力矩，该力矩即为谐波减速器130低速侧的输出力矩。
89.优选地，交叉滚子轴承内环171通过螺钉与刚轮133固定连接，并且交叉滚子轴承内环171与刚轮133之间设置密封部，使得交叉滚子轴承内环171与刚轮133之间形成密封连接。
90.本领域的技术人员应当理解，刚轮133与交叉滚子轴承内环171也可以形成一体化零器件，使得机器人关节10的结构更加紧凑。
91.另一方面，所述刚轮133也可以连接于交叉滚子轴承外环172，此时，所述力矩传感器140连接于交叉滚子轴承内环171，关于该结构与上述结构相似，本公开不再一一详述。
92.优选地，交叉滚子轴承内环171与交叉滚子轴承外环172之间设置密封件220，以保证交叉滚子轴承170整体的密封性，并且防止灰尘、杂物进入柔轮132、刚轮133以及波发生器131中，也能够使得谐波减速器130内的油脂可以对交叉滚子轴承170实现润滑。
93.根据本公开的优选实施方式，机器人关节10包括中空轴160，中空轴160的一端通过螺钉固定于输出法兰150，中空轴160的另一端穿过波发生器131和驱动装置110并设置于动力端外壳120的外部。本领域的技术人员应当理解，中空轴160与输出法兰150也可以形成一体化零器件。
94.优选地，中空轴160的内部为中空结构，当机器人关节10使用时，中空轴160至少部分地贯穿机器人关节10，从而使得机器人用各种线缆可以从中空轴160的内部穿过，以保护线缆。
95.如图1所示，根据本公开的一个实施方式，波发生器131与中空轴160之间设置有第一轴承190，中空轴160用于支撑第一轴承190，以使得波发生器131与中空轴160之间能够发生相互转动。
96.优选地，第一轴承190与波发生器131在轴向上至少部分重叠，并且第一轴承190的两侧设置密封法兰230，使得机器人关节10的整体结构更加紧凑。
97.波发生器131与动力端外壳120之间设置第二轴承200，第二轴承200与转动轴111在轴向上至少部分重叠，使得机器人关节10的整体结构更加紧凑。第二轴承200可以用于承受波发生器131转动产生的轴向力，以保持波发生器131的位置。
98.优选地，第二轴承200的内环与波发生器131的位置保持固定，第二轴承200的外环与动力端外壳120的位置保持固定。
99.第二轴承200的四边均被固定，实现第二轴承200的完全轴向定位，此时，波发生器131的谐波轴向力可以被施加至第二轴承200，并由第二轴承200承受。
100.另一方面，第二轴承200也可以设置为轴向浮动状态，并通过弹性部件用于抵消加工误差，可以实现安装简单，成本低，可靠性高，寿命长的特点。
101.具体地，第二轴承200的内环的两端的位置均被限位，并且，第二轴承200的外环的两端的位置均被限制。
102.从结构上说，波发生器131形成有内圈轴肩，第二轴承200的内环的一端被内圈轴肩限位；波发生器131上设置轴承限位部250，第二轴承200的内环的另一端被轴承限位部250限位。优选地，轴承限位部250可以选择为卡簧等部件。
103.针对第二轴承200的外环，动力端外壳120形成外圈轴肩，第二轴承200的外环的一端通过外圈轴肩限位；动力端外壳120上设置轴承外圈压板260，第二轴承200的外环的另一端被轴承外圈压板260限位。优选地，轴承外圈压板260可以通过紧固元件或者胶粘的方式固定于柔轮安装板180。
104.根据本公开的优选实施方式，机器人关节10还包括制动器270和制动器外壳280，制动器270用于停止机器人关节10的运动。制动器270设置于驱动装置110的外部，制动器270的一个摩擦盘与中空轴160固定连接，制动器270的另一个摩擦盘与制动器外壳280固定连接，从而当两个摩擦盘摩擦接触时，实现驱动装置110的制动。
105.优选地，制动器外壳280用于保护制动器270，制动器外壳280至少部分环绕制动器270，并且制动器外壳280与动力端外壳120连接。
106.本公开中，中空轴160与制动器外壳280之间设置第三轴承210，第三轴承210用于支撑中空轴160。第三轴承210的内环与中空轴160的位置保持固定，第三轴承210的外环与制动器外壳280的位置保持固定。
107.根据本公开的优选实施方式，机器人关节10还包括高速侧编码器300，高速侧编码器300用于检测驱动装置110的转动轴111的位置和速度，高速侧编码器300包括高速侧编码器磁环301和高速侧编码器读数头302，高速侧编码器磁环301与驱动装置110的转动轴111连接，高速侧编码器读数头302可以安装于动力端外壳120，并且能够读取高速侧编码器磁环301的信息，以获取转动轴111的位置和速度。
108.本公开中，机器人关节10还包括低速侧编码器310，低速侧编码器310包括低速侧编码器安装板311、低速侧编码器磁环312以及低速侧编码器读数头313。低速侧编码器安装板311与中空轴160保持固定，例如所述低速侧编码器安装板311可以安装于中空轴160；低速侧编码器磁环312可以被固定于低速侧编码器安装板311，低速侧编码器读数头313可以被固定于制动器外壳280等部件，以通过低速侧编码器读数头313读取的低速侧编码器磁环312的信息获得中空轴的位置和转速。
109.本公开通过设置力矩传感器140使得机器人关节10具有力矩测量功能；通过采用交叉滚子轴承170直接作为机器人关节10的结构件，第一轴承190与波发生器131轴向重叠，第二轴承200与驱动装置110的转动轴111轴向重叠，以及中空轴160内部中空走线结构，使得机器人关节10整体结构更加紧凑，减小机器人关节10的整体尺寸，提高机器人关节10的灵活性。
110.根据本公开的另一方面，提供一种机器人，其包括上述的机器人关节。
111.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
112.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。在本技术的描述中，“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。
113.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。