无虚位电机模组的制作方法

本发明涉及执行元件领域，尤其涉及一种无虚位电机模组。

背景技术：

伺服执行元件是机器人技术中非常重要的一部分，目前机器人领域中常用的伺服执行元件有以下几种：

1.电机加谐波减速器加编码器，如多自由度协作机械臂，大型仿人机器人的手臂及腿部，大多都采用谐波减速的方式；

2.电机加普通减速器，由于普通减速器存在虚位，所以这种方式一般不会直接用做机器人关节，常用于轮子的驱动；

3.舵机，常用于航模船模小型机器人关节等不需要很高精度的场景。

其中，电机加谐波减速器的方式性能最好，能够做到没有齿轮间隙，但是谐波减速器的制造成本高，价格一直居高不下；电机加普通减速器的方式成本低，但是由于齿轮间隙使最终输出轴出现虚位，输出精度低；舵机价格低，控制方便，也有虚位的缺点。以上三种类型的执行元件因很难做到成本与性能的均衡，而使得各自的应用场景受到了限制。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种无虚位电机模组，其具有结构简单、成本低廉的优点，并可有效地消除输出轴的虚位。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

无虚位电机模组，包括主输出轴以及多个驱动单元，每一所述驱动单元具有能够输出旋转运动的副输出轴；

所述主输出轴上设有取力件，每一所述副输出轴上设有与所述取力件相接合的传动件，每一所述驱动单元能够通过所述传动件和所述取力件为所述主输出轴施加驱动力；

所述主输出轴输出力为0，一部分所述驱动单元为所述主输出轴施加正向驱动力，另一部分所述驱动单元为所述主输出轴施加与正向驱动力大小相等的反向驱动力；

所述主输出轴输出力不为0，所述主输出轴上的负载不高于阈值时，一部分所述驱动单元为所述主输出轴施加正向驱动力，另一部分所述驱动单元为所述输出轴施加小于正向驱动力的反向驱动力，所述主输出轴上的负载高于阈值时，所述驱动单元为所述主输出轴施加正向驱动力。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述驱动单元为电机。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述主输出轴与所述副输出轴平行设置，所述副输出轴沿所述主输出轴的周向均匀或对称分布。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，多个所述电机圆周紧密分布。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述电机的数量为偶数个，当所述电机存在对主输出轴的正向驱动力和反向驱动力时，相邻的所述电机的输出力相反或间隔的所述电机提供输出力。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述取力件与所述传动件为相互啮合的齿轮，所述取力件的齿径大于所述传动件的齿径。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述取力件为与所述主输出轴同轴连接的内齿圈，所述传动件为与所述副输出轴同轴连接的齿轮。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述无虚位电机模组还包括机壳，所述主输出轴与所述机壳之间设有滚动轴承，且所述主输出轴至少一端自所述机壳中露出。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述机壳包括圆筒、顶盖和底盖，所述圆筒一面开口，另一面设有托板，托板上设有容许所述主输出轴穿过的通孔，所述顶盖与所述托板之间围合成用于容置所述传动件和所述取力件的腔体，所述底盖与所述托板之间围合成用于容置所述驱动单元的腔体。

作为所述的无虚位电机模组的进一步可选的方案，所述无虚位电机模组还包括编码器，所述主输出轴上设有编码器和/或每一所述副输出轴上设有所述编码器；

和/或，所述无虚位电机模组还包括驱动电路板，所述驱动电路板用于驱动每一所述驱动单元动作。

本发明的无虚位电机模组至少具有如下有益效果：

多个驱动单元可以对主输出轴输出不同方向的驱动力，使得主输出轴无论在输出力或不输出力时均不存在虚位，具有较高的定位精度和驱动精度，且多个驱动单元能够对主输出轴的虚位形成动态补偿，不受无虚位电机模组因长时间使用而产生磨损的影响。同时多个副输出轴共同驱动一个主输出轴能够将扭矩均分，在电机模组的同等体积下，能够具有更大的功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例1提供的无虚位电机模组的轴测结构示意图；

图2示出了本发明实施例1提供的无虚位电机模组的剖面第一角度示意图；

图3示出了本发明实施例1提供的无虚位电机模组的剖面第二角度示意图。

主要元件符号说明：

100-电机模组；110-主输出轴；111-法兰盘；120-驱动单元；121-副输出轴；130-取力件；131-连接盘；140-传动件；150-机壳；151-圆筒；151a-托板；152-顶盖；153-底盖；160-编码器；170-驱动电路板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

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。

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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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。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。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种无虚位电机模组，下文简称为电机模组100。电机模组100可以应用于航空航天、航海、仿生机械、机床、仪表、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织机械、农业机械、医疗器械以及机器人等设备中，作为该设备的作动执行元件。电机模组100的输出轴不存在转动虚位，能够满足机构运作的高精度要求。

请一并参阅图2～3，电机模组100包括主输出轴110以及多个驱动单元120，每一驱动单元120具有能够输出旋转运动的副输出轴121。主输出轴110上设有取力件130，每一副输出轴121上设有与取力件130相接合的传动件140，每一驱动单元120能够通过传动件140和取力件130为主输出轴110施加驱动力。传动件140通过与取力件130的接合将副输出轴121的动力传动至取力件130上，取力件130与主输出轴110连接，从而带动主输出轴110一同动作，将多个副输出轴121的动力传动至主输出轴110上。

主输出轴110输出力为0时，即保持在一角度时，一部分驱动单元120为主输出轴施加正向驱动力，另一部分驱动单元120为主输出轴施加与正向驱动力大小相等的反向驱动力。主输出轴110输出旋转运动，正向驱动力与反向驱动力的大小相等、方向相反，从而使得驱动单元120对主输出轴110的驱动力之和为0，进而使得主输出轴110受力平衡，保持其转角。提供正向驱动力的驱动单元120将主输出轴110的反向转动余量消除，提供反向驱动力的驱动单元120将主输出轴110的正向转动余量消除，进而消除主输出轴110的静态虚位，保证主输出轴110的定位精度。

上述，一部分正向驱动单元120加上另一部分反向驱动单元120可以为所有的驱动单元120，也可以为部分的驱动单元120，当为部分的驱动单元120时，其余的驱动单元120可以不工作，即不对主输出轴110施加任何驱动力，由此达到节能降耗的效果。

可以理解的是，主输出轴110输出力为0时，用于保持主输出轴110转动角度的驱动力无需过大，该正反向的驱动力的大小可以略大于主输出轴110在不转时所受到的负载，避免造成不必要的功耗。

需要说明的是，当主输出轴110输出力时的启动伊始，由于主输出轴110静态下受到的反向扭力，使得主输出可以无虚位启动。

主输出轴110输出力不为0时，分为两种情况：

1.主输出轴110上的负载不高于阈值时，一部分驱动单元120为主输出轴110施加正向驱动力，另一部分驱动单元120为主输出轴110施加小于正向驱动力的反向驱动力，主输出轴110上的负载高于阈值时，驱动单元120为主输出轴110施加正向驱动力。负载较小时，通过将一部分的驱动单元120设置成为主输出轴110提供反向驱动力，从而能够使得主输出轴110有一定的反向力输出趋势，消除主输出轴110在输出力方向上的动态虚位。

可以理解的是，另一部分驱动单元120为主输出轴110施加反向驱动力是一种相对正向驱动力的驱动力，反向驱动包括主动驱动和被动驱动。主动的反向驱动力可以为与正向驱动力方向相反的驱动力，被动的反向驱动力可以为驱动单元120不输出动力，由于主输出轴110与其的相对动力输出，从而使得不输出力的驱动单元120为主输出轴110提供相对的反向驱动力。

2.主输出轴110上的负载高于阈值时，驱动单元120为主输出轴110提供正向驱动力，由此能够保证驱动单元120能够为主输出轴110提供强劲的动力，保证其能够驱动负载动作。同时当负载高于阈值时，主输出轴110受到的负载的反向的扭力能够将主输出轴110在输出力方向上的虚位进行消除。

该主输出轴110上的负载阈值的设定需要满足主输出轴110在转动时能够该负载的扭力能够将主输出轴110在输出力方向上的间隙消除即可，可以根据电机模组100的功率、使用情况具体进行灵活设定。

主输出轴110上的负载可以由设于主输出轴110上的力矩传感器进行实时检测，从而对各个驱动单元120的动作进行控制，也可以直接对各个驱动单元120进行控制从而调节主输出轴110扭矩的大小。

上述，电机模组100的多个驱动单元120可以对主输出轴110输出不同方向的驱动力或不同的驱动转速，使得主输出轴110无论在输出力或不输出力时均不存在虚位，具有较高的定位精度和驱动角位移精度。

由于多个驱动单元120之间的反向输出力使得主输出轴110的虚位得以消除，同时由于反向输出力并不受到虚位电机模组100因长时间使用而产生磨损的影响，是一种动态虚位消除的方式，能够对不同大小的虚位形成有效的消除。

本实施例中，驱动单元120为电机，每一电机具有独立的副输出轴121，从而独立地为主输出轴110提供驱动力。电机模组100通过传动件140和取力件130将多个电机的动力整合起来并由主输出轴110输出。多个副输出轴121共同驱动一个主输出轴110能够将扭矩均分，在与传统电机同等体积下，本电机模组100能够具有更大的功率，或在同等功率下，体积更小。

主输出轴110与副输出轴121平行设置，多个驱动单元120沿主输出轴110的周向设置，从而使得主输出轴110与副输出轴121之间的传动能够在平行的轴向上传动。电机在主输出轴110外圆周分布，使得电机模组100具有更为紧凑的结构，使得电机模组100具有更为规则的外观。

多个驱动单元120沿主输出轴110的周向均匀或对称分布，均匀分布或对称分布有利于驱动单元120输出力矩的均匀分布，使得主输出轴110的轴向受力均匀，保证主输出轴110动力输出的稳定性。

驱动单元120，即副输出轴121的数量为多个，可以为两个、三个、四个、五个、六个甚至更多。进一步地，驱动单元120的数量为偶数个，即两个、四个、六个甚至更多。

当主输出轴110保持在一角度时，相邻的副输出轴121输出大小相等方向相反的驱动力。当主输出轴110在不高于阈值负载下单向输出力时，相邻的副输出轴121输出相反的驱动力，且输出力方向上的正向驱动力大于反向驱动力；或者相邻的两两副输出轴121中的一个为主输出轴110提供正向驱动力，另一个不工作，当主输出轴110转动时不工作的副输出轴121对主输出轴110形成正向输出力的阻力。这种设置能够使得正向驱动力和反向驱动力的分布更加均匀，且能够对主输出轴110的转动虚位进行分段消除，有效地抑制主输出轴110在消除虚位时发生转动，影响定位精度。

取力件130与传动件140为相互啮合的齿轮，二者之间形成了齿轮传动副，能够将副输出轴121的动力稳定、可靠、高效地传递至主输出轴110。同时取力件130和传动件140之间采用齿轮传动的方式还能够使得一个取力件130与多个传动件140相接合，多个副输出轴121上的传动齿轮共同作用最后一级取力齿轮既将电机模组100结构紧凑化，又使得最终输出的扭矩均匀地分布与各个传动齿轮，受力时同时啮合的齿数增多，减轻了传动齿轮的载荷。

取力件130的齿径大于传动件140的齿径，如此传动件140与取力件130之间相当于形成了减速机构，电机模组100相当于集成了减速机在其中。传动件140与取力件130不仅将驱动单元120的动力传递至主输出轴110，还对该动力起到了降低转速、提升扭矩的作用。

本实施例中，取力件130为与主输出轴110同轴连接的内齿圈，传动件140为与副输出轴121同轴连接的齿轮。取力件130与传动件140之间形成内啮合，如此使得取力件130与传动件140之间形成的传动机构在具有较大的传动比的同时，占用较小的空间，有利于实现大传动比以及紧凑化的结构设计。

在另一实施例中，取力件130还可以为与主输出轴110同轴连接的齿轮，从而使得取力件130与传动件140之间形成外啮合。

在又一实施例中，取力件130也可以包括多个取力齿轮，多个取力齿轮可以同轴设置，与不同的传动齿轮啮合。

在其他一实施例中，取力齿轮还可以为齿轮副，从而增强其减速效果，同理，传动齿轮也可以为齿轮副，增加传动级。

上述，消除主输出轴110的虚位，即为消除取力内齿圈与传动齿轮之间的间隙，静态下通过传动齿轮的反向转动，从而使得取力内齿圈和传动齿轮的齿紧密接合。

为了保证电机模组100的紧凑化设置，驱动单元120沿主输出轴110的周向紧密排布，即相邻的电机的外壳相接触或形成较小的间隙。多个电机的内切圆柱面落在同一圆柱面上，外切圆柱面落在同一圆柱面上，由此使得电机模组100具有更多的驱动单元120时，仍能具有较小的体积。

电机模组100还包括机壳150，主输出轴110与机壳150之间设有滚动轴承，且主输出轴110至少一端自机壳150中露出，由此实现动力输出。机壳150将驱动单元120、传动件140和取力件130容置于其中，仅将主输出轴110自机壳150中露出，实现动力的输出，使得电机模组100成为一个整体。

进一步地，机壳150为柱状的壳体，包括圆筒151、顶盖152和底盖153。圆筒151一面开口，另一面设有托板151a，托板151a上具有容许主输出轴110穿过的通孔。托板151a之上设有滚动轴承，滚动轴承的内圈连接有取力内齿圈，顶盖152盖合在滚动轴承的外圈上并固定在圆筒151上，从而将滚动轴承和取力件130固定在托板151a与顶盖152之间。驱动单元120即电机的壳体固定在托板151a的底面，副输出轴121自托板151a的顶面伸出并与传动齿轮连接，传动齿轮啮合在取力内齿圈上。取力内齿圈设于连接盘131上，主输出轴110的端部设有与连接盘131相连接的法兰盘111，法兰盘111嵌设于连接盘131中，二者形成了动力输出盘。

底盖153连接在圆筒151的开口面上，将圆筒151的开口面封堵，从而形成了内中空、外封闭的机壳150。本实施例中，主输出轴110自底盖153上伸出，并与底盖153之间设有滚动轴承，即滚动轴承的内圈连接在主输出轴110上，外圈与底盖153连接。

本实施例中，电机模组100包括6个驱动单元120，6个驱动单元120的内切圆柱面与主输出轴110之间形成小间隙，该间隙满足不影响主输出轴110的转动即可，6个驱动单元120的外切圆柱面与机壳150，具体为圆筒151的内壁贴合或形成小间隙。

电机模组100还包括编码器160，编码器160设于主输出轴110上，用于感测和控制主输出轴110的转角，对主输出轴110形成精准的角度定位以及转角控制。

电机模组100还包括驱动电路板170，驱动电路板170用于驱动每一驱动单元120动作，通过独立控制每一驱动单元120的动作，能够对每一驱动单元120输出的动力方向、大小形成控制，进而能够对电机模组100的主输出轴110能够在静态或动态下无虚位的工作。

底盖153与驱动单元120的底部之间形成有一定的间隙，能够用于容置编码器160和驱动电路板170。编码器160同轴连接在主输出轴110上，驱动电路板170连接在底盖153上并且具有容许主输出轴110穿过的通孔。

上述，取力内齿圈与机壳150之间通过一个大轴承实现固定，也可以改变取力内齿圈与连接盘131之间的结构，将连接盘131的连接结构收小，从而与机壳150之间可以采用较小的轴承实现固定。滚动轴承可以选用深沟球轴承或交叉滚子轴承。还可以直接将滚动轴承的内圈定制为具有内齿，作为内齿圈，顶盖152的结构随着取力件130的结构的改变而改变。

主输出轴110可以为中空轴，与取力内齿圈固定可以随着取力内齿圈一同转动，两端均自机壳150中伸出作为输出轴。当然，主输出轴110也可以为插设于中空轴中的输出轴，中空轴与机壳150作为一体，主输出轴110做成单侧输出轴，也可以不设置中空轴。

编码器160可以为磁编码器，也可以为光电编码器，除了可以设置在主输出轴110上，还可以设置在副输出轴121上，也就是采用自带编码器的电机，对每一副输出轴121的输出角位移进行控制。

驱动电路板170除了可以集成在电机模组100中，还可以放在外部的驱动器中，对电机模组100实现控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。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或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。