[發明專利]一種具有單編碼器的協作機器人關節

在審

• 申請號: 202011265328.8
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112454419A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 胡明偉;孫宏偉;鄒金欣;李萌萌;趙昀;何家健;王晶晶;楊迎霞
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一六研究所;江蘇杰瑞科技集團有限責任公司
• 主分類號: B25J17/02
• 分類號: B25J17/02
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐

本發明公開了一種具有單編碼器的協作機器人關節，屬于機器人技術領域。該關節包括輸出法蘭、力矩傳感器、諧波減速器、無框直驅力矩電機、輸入法蘭、多圈絕對值編碼器、制動器，其中輸出法蘭和輸入法蘭可相對轉動，無框直驅力矩電機的輸出端通過諧波減速器與扭力傳感器和輸出法蘭連接，無框直驅力矩電機的輸入端與制動器和絕對值編碼器連接。本發明的協作機器人關節具有力感知、絕對位置記憶、回零等功能，由其組成的協作機器人能夠在半結構環境下與人協同作業，該協作機器人關節具有高精度力感知功能、結構緊湊、剛度高、可擴展性好等優點。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，特別涉及一種具有單編碼器的協作機器人關節。

背景技術

協作機器人能夠將自身的高精度、高忍耐性與人類的靈活適應能力相結合，具有人機融合、安全易用、靈敏精準及靈活通用的特征，不僅適應工業領域中小批量、多品種、用戶定制的柔性制造需求，在應對老齡化的社會服務、康復醫療等領域也有潛在的應用前景。近年來，作為協作機器人重要組成部分的模塊化一體化關節的研發日益受到人們的重視，輕質、高能量密度的機器人關節能夠實現協作機器人的輕質、大負載自重比、靈活易用、安全性高、能夠與人協同作業等優點。

目前，協作機器人關節一般采用雙編碼器運動控制方法，安裝于關節輸出端的絕對值編碼器用于獲得輸出端的實際位移和絕對位置，實現絕對位置記憶(掉電保護)和回零功能，安裝于電機端的增量式編碼器用于電機位置、速度等伺服環控制。同時，基于雙編碼器的全狀態反饋能夠實現力感知功能。但這種雙編碼器結構使關節結構復雜，對關節中心走線管直徑要求較高，力感知精度低，難以實現高精度的柔順控制。為解決問題，專利CN210061184U采用多圈絕對值編碼器實現了機器人關節的運動控制，但該方式無法實現高精度的力感知功能。專利CN109895122A等采用絕對值編碼器和力矩傳感器實現驅動裝置的運動控制和力感知，但是該裝置無法實現絕對位置記憶(掉電保護)和回零功能，同時因為制動器的缺失導致了關節無法緊急制動和保持，存在一定的安全隱患。專利CN108015799A等采用編碼器和力矩傳感器實現驅動裝置的運動控制和力感知，但是該裝置無法實現絕對位置記憶(掉電保護)和回零功能，同時由于電機與減速器的軸線錯開設置，導致結構復雜、中空走線困難。

所以在精準力感知、絕對位置記憶、高精度運動學控制、精準回零的約束下，提高機器人關節結構緊湊性、降低關節結構復雜性和生產制造成本是本技術領域人員亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術存在的問題，提供一種具有單編碼器的協作機器人關節，該關節具有力感知、絕對位置記憶、回零等功能，并具有高精度、高剛度、結構緊湊、大中心孔、成本低等優點，由其組成的協作機器人能夠在半結構環境下與人協同作業。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種具有單編碼器的協作機器人關節，該關節包括無框直驅力矩電機、驅動器和固定于某一基座上的輸入法蘭，所述無框直驅力矩電機包括無框直驅力矩電機定子和無框直驅力矩電機轉子，其中無框直驅力矩電機轉子安裝在轉子安裝軸上，該安裝軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承安裝在輸入法蘭上，無框直驅力矩電機定子安裝在輸入法蘭上；

所述轉子安裝軸的輸出端即電機的輸出端依次連接諧波減速器和力矩傳感器，力矩傳感器的外圈連接轉接法蘭的內圈，轉接法蘭的外圈連接輸出法蘭；所述輸入法蘭和輸出法蘭之間設置十字交叉滾珠軸承，且該軸承的內圈安裝在輸入法蘭上，外圈安裝在輸出法蘭上；驅動器驅動無框直驅力矩電機進行旋轉運動，進而帶動諧波減速器、力矩傳感器、轉接法蘭、輸出法蘭相對于輸入法蘭進行轉動；

所述轉子安裝軸的輸入端即電機的輸入端連接對電機進行制動的制動器，以及反饋電機位置的多圈絕對值編碼器；

所述驅動器上設置驅動器擴展板，用于為所述力矩傳感器、無框直驅力矩電機、制動器、多圈絕對值編碼器、驅動器提供穩壓直流電源，還用于擴展驅動器的針腳。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：