一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器。


背景技术：

2.工业机器人的快速发展已广泛涉猎各个领域，四足机器人就是工业机器人的其中一种。四足机器人是一种拥有四条腿，自带导航、图像识别、语音传输、自主路径规划等高度智能化的自主移动机器人，能够根据周边环境，自主识别各类物体和智能越障，自主导航和自主规划运动路径，实时传回图像和语音交互，主要用于安保巡逻、监控安防、物流配送等领域。
3.四足机器人的工作承重量以及自身运动灵活性都是影响其产品性能的重要因素。机器人在工作中除了自身重量外，还有额外的负重，例如物流配载，以及自身携带的供电锂电池，其四足运动是由机器人不同部位的多个执行器来协调驱动，因此对执行器的基本要求是“尺寸小(轻薄)、扭矩大、效率高、重量轻”。大多数现有技术是通过无刷电机与减速机相配合，使电机工作在高转速高效率区，依赖减速机的减速而提供大的输出扭矩。常规技术方案一般是：电机和减速机分别设计和制造、最后两组件通过轴向串联装配，但此类方案会存在尺寸大，重量重，零部件数量多，成本高等问题而不符合本领域的应用要求。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供了一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器，以更好地解决执行器所需“尺寸小(结构紧凑)、重量轻、零部件数量多”的应用要求。
5.本发明主要采用以下技术方案：
6.一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器，包括外壳、前端盖、后板，其中外壳内设有电机转子、电机定子及减速机，减速机包括减速机内齿圈、行星轮组件、太阳轮轴，其特征在于，所述外壳的第一端面连接所述前端盖，其第二端面连接所述后板，连接后的所述前端盖、外壳和后板构成第一容置空间；所述电机转子、电极定子和减速机置于第一容置空间内；所述减速机内置于所述电机定子，所述电机定子直接连接于所述减速机内齿圈的外圆周表面。
7.优选的，所述减速机内齿圈既用于行星减速机构的组成部分，又用于电机定子的安装。
8.优选的，所述行星轮组件连接输出法兰，所述输出法兰外侧设有交叉滚子轴承，用于承受动力输出端各个方向的载荷。
9.优选的，所述执行器还包括电机驱动板，所述电机驱动板设置于所述后板相对所述第一容置空间的外侧面。
10.优选的，所述执行器还包括电路板罩，所述电路板罩设置于所述电机驱动板外侧，用于罩住所述电机驱动板。
11.优选的，所述太阳轮轴是用于整体结构的支撑轴，在所述太阳轮轴外表面加工有一圈轮齿用于与所述行星轮组件啮合传动，所述太阳轮轴靠近所述后板的一端与所述电机转子刚性连接。
12.优选的，执行器整机结构共包含三个轴承：交叉滚子轴承、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承；所述交叉滚子轴承和所述第二深沟球轴承用于支撑所述减速机的整个旋转零部件，所述第一深沟球轴承和所述第二深沟球轴承用于支撑所述电机转子的转动。
13.优选的，执行器整机结构中使用的螺钉均采用沉头螺钉。
14.优选的，所述外壳沿其外侧圆周方向均匀分布设有弧形凸起，在其中的一个凸起内部设有导线通孔。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明减速机内齿圈的外圆周表面与电机定子内孔直接连接，减速机内齿圈不仅是行星减速机构的组成部分还是电机定子的安装座，通过一单独零件同时替代了多个零件功能，实现与电机的深度融合，此结构不仅减少了零部件的数量，有效控制整机径向与轴向尺寸，使整体结构更加紧凑，还安装工艺简单，装配精度高、可靠性高。在输出法兰侧安装有交叉滚子轴承，可抵挡各个方向上的载荷，并安全地将受力传递到外壳上，保护减速机内部的传动部件以及电机部件均不受外部载荷影响，使整体结构可靠性高，使用寿命长。
附图说明
16.图1为本发明的一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器的爆炸图；
17.图2为本发明的一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器的剖面图；
18.图3为本发明实施例的电机定子结构示意图；
19.图4为图2中a处的局部放大图；
20.图5为本发明实施例的执行器整装结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的在本实施例的应用对象选择的是四足机器人，但并不受限此执行器在其他类型的机器人中应用。
22.本发明提供了一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器，由图1和图2可知，包括电机定子1、电机转子2、减速机3、外壳4、前端盖5、后板6、电机驱动板7及电路板罩8，其中电机为无刷外转子电机，减速机3采用行星减速机构。外壳4的第一端面4a连接前端盖5，第二端面4b连接后板6，连接后的所述前端盖5、外壳4和后板6构成第一容置空间，第一容置空间内含有电机转子2、电机定子1和减速机3。减速机3设于电机定子1内部，减速机3的一端连接电机转子2作为动力输入端且位于第一容置空间内靠近后板6的一侧，减速机3的另一端作为动力输出端且位于第一容置空间内靠近前端盖5的一侧。电机驱动板7设置于后板6相对第一容置空间的外侧面，电机驱动板7外侧设有电路板罩8。
23.由图2内置减速机的机器人用无刷外转子执行器的剖面图可知，减速机3采用行星减速机构，主要包括减速机内齿圈30、行星轮组件、太阳轮轴32及内齿圈后端盖33，行星轮
组件包括行星轮35、行星轮轴36和行星架37，在传动过程中太阳轮轴32为动力输入组件，减速机内齿圈30固定不动，行星轮组件为动力输出组件，太阳轮轴32的转动带动行星轮组件转动，此传动方式将太阳轮轴32连接的电机转子2高速转动通过行星轮组件以一定的减速比实现降速输出，增加输出扭矩。由图4中a处的局部放大图可知，减速机3内置于电机定子1中，减速机内齿圈30的外圆周表面与电机定子1内孔直接连接，其内圆周表面设有内齿并与行星轮35轮齿啮合连接，减速机内齿圈30不仅是行星减速机构的组成部分还是电机定子1的安装座，实现与电机的深度融合，减少了减速机3单独所需外壳和电机定子1单独的安装座，此结构不仅减少了零部件的数量，有效控制整机径向与轴向尺寸，使整体结构更加紧凑，还安装工艺简单，电机定子1安装座与减速机内齿圈30为同一零件，减少了零件加工和安装中的累积误差，提高了同轴度，使装配精度高、可靠性高。减速机内齿圈30一端与前端盖5之间固定连接，此实施例中优选螺钉连接，也可选螺栓、螺柱等连接方式，此处不做限制；减速机内齿圈30的另一端与内齿圈后端盖33固定连接，两者内部构成的内部空间主要容置行星轮组件。在传动过程中，行星轮组件实现对太阳轮轴32转速的减速传动。行星轮组件靠近内齿圈后端盖33的一端通过行星轮轴36连接行星架37，另一端通过行星轮轴36连接输出法兰34实现动力输出。在太阳轮轴32外表面加工有一圈轮齿用于与行星轮35啮合传动，即作为太阳轮进行动力传动。太阳轮轴32不仅位于行星减速机构的中心，属于减速机3的行星传动的一部分，还位于电机转子2的转动轴线上，太阳轮轴32靠近后板6的一端与电机转子2刚性连接，也属于电机转子2旋转体的一部分。可见太阳轮轴32将电机轴和减速机轴合二为一，是整体结构的唯一支撑轴，这样整体轴向长度仅由一个支撑长度来决定，此结构使整机轴向结构更为扁平紧凑并降低了成本。在内齿圈后端盖33内安装有第二深沟球轴承11，此轴承不仅是支撑减速机3的重要组成部分，还是电机转子2的支撑轴承。
24.无刷电机包括外侧电机转子2和内部的电机定子1，无刷电机的电机定子1由片状的硅钢片叠压而成，定子冲片101设计成很多个齿、槽相间的结构，在定子冲片的外表面涂覆一层环氧层，电机的绕组线圈102由漆包线绕制在每个齿上，并连接起来构成三相电机绕组，通过外部电路改变电机定子1形成的磁场，从而驱动电机转子2环绕电机定子1转动。电机转子2与减速机内部太阳轮轴32的一端刚性连接，电机转子2转动时带动太阳轮轴32转动。由图3可知，电机定子1有一个很大的内孔103，内部用于安装减速机3。定子内孔103的孔内圆周表面与减速机内齿圈30的外圆周表面直接固定连接，两者之间的连接方式可选择过盈压装或粘胶等，此处不做限制。此结构实现了对单独一零件的充分利用，本发明可以将定子安装座、减速机外壳、内齿圈合并成单独的一个零件，统称为“减速机内齿圈”，减速机内齿圈30一个零件同时替代了多个零件功能，减少了减速机3单独所需外壳和电机定子1单独的安装座，此结构不仅减少了零部件的数量，有效控制整机径向与轴向尺寸，使整体结构更加紧凑，还安装工艺简单，电机定子1安装座与减速机内齿圈30为同一零件，减少了零件加工和安装中的累积误差，提高了同轴度，使配精度高、可靠性高。执行器整机结构主要取决于电机的外径和叠厚，行星减速机构安装时完全或者部分的内置于电机定子1内孔中，仅行星减速机的输出法兰34轴向外凸出少许，此结构对执行器整机结构的影响很小，不仅保证整机轴向尺寸扁平紧凑，还使整机径向结构紧凑，有效缩小径向尺寸。
25.执行器的外壳4通过与前端盖5和后板6固定连接，形成第一容置空间，实现对减速机3内置电机结构的整体包覆，外壳4的尺寸由电机的外径尺寸决定。在此实施例中，外壳4
沿着外侧圆周方向均匀分布设有弧形凸起，在凸起中设有用于与螺钉配合的安装孔401，前端盖5和后板6通过螺钉穿入此安装孔401分别安装于外壳4的两端面，此连接较为牢固。在设有的凸起中，在其中一个凸起内部设置呈一定空间的表面光滑的通孔作为导线通孔402，此导线通孔402主要用于执行器内部相关线路的布置，使内部线路走线清楚简洁。
26.执行器的前端盖5通过螺钉固定连接于外壳4的一端面，其外侧圆周方向也设有与外壳4相对应连接的弧形凸起，其中心位置设有一圆形通孔。通孔内由外向里依次安装有交叉滚子轴承9、输出法兰34、第一深沟球轴承10，第一深沟球轴承10用于与太阳轮轴32的一端配合连接。通孔内远离第一容置空间的一端也相应设有交叉滚子外挡板13和油封12。前端盖5处于第一容置空间内的一侧用于连接减速机内齿圈30，两者结合内齿圈后端盖33可以作为一个组合部件整体进行拆装，结构简单，安装工艺方便快捷。
27.在减速机输出法兰34侧安装有交叉滚子轴承9，执行器在四足机器人的应用场景中，动力输出端(减速机的输出法兰34)会频繁承受轴向推、拉载荷、径向载荷和扭转载荷。而交叉滚子轴承9因其滚子在内轮和外轮间间隔交叉地彼此呈直角方式排列，可以承受各个方向的载荷(如轴向、径向或动量载荷等)，并且因滚子与轨道表面成线状接触，其承载能力强，内外圈地尺寸被最小限度地小型化，特别极薄型式是接近于极限地小型尺寸，具有高刚性，最适合于工业用机器人地关节部或旋转部。本发明中，在减速机输出法兰34侧安装交叉滚子轴承9，可以将各个方向上的载荷抵抗住，并安全地将受力传递到外壳4上，保证减速机内部的太阳轮轴32、行星轮组件、减速机内齿圈30以及电机定子1、电机转子2均不受外部载荷影响，使整体结构可靠性高，使用寿命长。
28.在本发明中，执行器整机结构的转动共计使用三个轴承：交叉滚子轴承9、第一深沟球轴承10、第二深沟球轴承11。交叉滚子轴承9和第二深沟球轴承11构成两端支撑结构，共同支撑整个减速机的旋转零部件，两端支撑可靠性高。电机转子2的转动支撑由第一深沟球轴承10和第二深沟球轴承11来担当，也构成两端支撑。其中第二深沟球轴承11既是减速机3的支撑轴承，同时又是电机转子2的支撑轴承，因此轴承用量可以由常规的数量四降低为数量三，成本得以降低。并且电机支撑的第一深沟球轴承10被设置在减速机的交叉滚子轴承内侧，即减速机的双端支撑内部套入了电机的双端支撑，这样整体轴向长度仅由一个支撑长度来决定。减速机3和电机的结合更加简便，不仅降低成本，还能使执行器整体结构紧凑，简单且可靠。
29.执行器的后板6通过螺钉固定连接于外壳4的另一端面，后板6相对第一容置空间的外侧面安装有电机驱动板7。电机驱动板7控制电机转子2的转动，设置在后板6外侧面远离了电机主要发热部件(定子绕组线圈102)，因此电机驱动板7上电子元器件环境温度得以降低，使得寿命和可靠性得到提升。另外，在电机驱动板7外侧设置电路板罩8，电路板罩8把电机驱动板7整体罩住，可防止灰尘、雨水、异物入侵，提高系统可靠性和环境适应性。
30.本发明执行器的整体结构运转原理：电机驱动板7控制电机的运转，电机定子1根据设计需要通过电流换向驱动电机定子1外侧电机转子2的转动，电机转子2与太阳轮轴32刚性连接，电子转子2带动太阳轮轴32(太阳轮)转动。太阳轮轴32转动进而驱动位于电机定子1内部的减速机3，太阳轮为主动轮，减速机内齿圈30同时作为电机定子1安装座固定不动，太阳轮带动行星轮组件运转，行星轮组件转速通过连接于行星轮轴36端部的输出法兰34输出，此传动过程实现将电机转子2转速降速输出，增加扭矩的目的。
31.图5为本发明实施例的执行器整装结构示意图，本发明执行器的整机尺寸由外壳4(电机的外径尺寸)、电机的定子1叠片厚度、电机驱动板7、电路板罩8等尺寸共同决定，并主要取决于电机的外径和叠厚。减速机3因完全或者部分内置在电机定子1内孔中，此结构中仅减速机3的输出法兰34轴向外凸出少许，其中，减速机内齿圈30的外圆周表面与电机定子内孔103直接连接，其内圆周表面设有内齿并与行星轮35轮齿啮合连接，减速机内齿圈30不仅是行星减速机构的组成部分还是电机定子1的安装座，减速机内齿圈30一个零件同时替代了多个零件功能，实现与电机的深度融合，此结构有效控制整机径向与轴向尺寸，使整体结构更加紧凑，还安装工艺简单，使作业装配精度高、可靠性高。此执行器更便于应用到对尺寸结构限制要求高的领域，如机器人手臂、关节等。整机安装中所用螺钉均为沉头螺钉，使整个执行器外表面规整、美观，便于安装和使用。
32.综上所述，本发明提供了一种内置减速机的机器人用无刷外转子执行器。减速机内齿圈30的外圆周表面与电机定子内孔103直接连接，其内圆周表面设有内齿并与行星轮35轮齿啮合连接，减速机内齿圈30不仅是行星减速机构的组成部分还是电机定子1的安装座，使整体结构更加紧凑，还安装工艺简单，使作业装配精度高、可靠性高。另外，在输出法兰34侧安装有交叉滚子轴承9，可抵挡各个方向上的载荷，并安全地将受力传递到外壳上，保护减速机内部的传动部件以及电机部件均不受外部载荷影响，使整体结构可靠性高，使用寿命长。
33.以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。