本发明涉及机器人关节技术领域，尤其是协作机器人模块化关节，具体涉及一种结构紧凑的协作机器人模块化关节。
背景技术：
在德国工业4.0的背景下，国家出台了“中国制造2025”计划，对高端智能装备提出要求，智能机器人行业迎来一轮新的发展契机；目前，世界制造业的生产模式正在面临着从批量生产向用户定制的转变，对柔性、智能、个性化制造有着强劲的需求；协作机器人作为机器人的重要分支，自诞生以来，便取得了高速发展，产业化进程不断加速，新晋厂商不断增加，应用领域不断拓展，商业模式不断创新。
人机协作型机器人具有人机优势互补、环境感知能力强、工作范围大、操作灵巧、工作效率高等突出优点，必将成为未来柔性制造中不可替代的重要装备和自动化手段。除了制造业以外，先进的人机协作机器人技术还可广泛应用于家政服务、3c电子、汽车零部件等多个行业领域以及核能、载人航天、探月等特殊领域，具有广阔发展前景。
用于协作机器人的模块化关节是核心部件，具有以下发展趋势：模块化、简化设计流程，缩短设计周期；具有高负载/自重比、高集成度、轻量化、高灵敏度、高精度、安全易于装配的特点。
现有技术中存在关节集成度低、质量体积大、模块化程度差、设计周期长等问题。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的在于克服现有技术中的劣势，设计一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，该关节解决了关节集成度低、质量体积大、模块化程度差、设计周期长等问题。
具体方案如下：为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，它包括关节外壳、驱动机构、电机组件和输出机构；所述驱动机构、电机组件和输出机构依次设置在关节外壳内部，电机组件的输入端与驱动机构连接，电机组件的输出端与输出机构连接。
进一步地，
所述驱动机构包括电机端编码器码盘安装座、关节伺服驱动器、关节端编码器码盘、关节端编码器读数头、关节端编码器码盘安装座、驱动器支架、电机端编码器码盘、电机端编码器读数头、制动器组件；
所述电机组件包括电机定子、内部电机转子和电机轴；
所述输出机构包括谐波减速器、低速护线管和输出法兰；
所述关节外壳包括关节壳体和关节后盖；
所述驱动器支架、关节端编码器码盘安装座、电机端编码器码盘安装座、制动器组件、电机组件和谐波减速器依次固定在关节壳体上；
驱动器支架与关节壳体固定连接，关节伺服驱动器固定在驱动器支架上，关节伺服驱动器还通过连接柱与关节壳体连接；电机端编码器读数头和关节端编码器读数头集成在驱动器支架上；
电机端编码器读数头与电机端编码器码盘对应设置，电机端编码器读数头读取电机端编码器码盘的信息，电机端编码器码盘固定连接在电机端编码器码盘安装座上，电机端编码器码盘安装座固定在电机轴外部；
关节端编码器读数头与关节端编码器码盘对应设置，关节端编码器读数头读取关节端编码器码盘的信息，关节端编码器码盘固定连接在关节端编码器码盘安装座上，关节端编码器码盘安装座固定在低速护线管外部；
低速护线管设置在电机轴的内部；
电机轴的一端设有平键，平键与制动器组件内圈摩擦片的轮毂连接，制动器组件的壳体与关节壳体固定连接；
电机定子外侧与关节壳体固定连接；内部电机转子设置在电机定子的内部；
电机轴的另一端与内部电机转子固定连接，电机轴另一端的尾部与谐波减速器的输入端固定连接；谐波减速器输出端与输出法兰的输入端固定连接；输出法兰的输出端与低速护线管尾部固定连接；
关节后盖与关节壳体连接。
进一步地，制动器组件的内圈设有密封圈安装座，密封圈安装座内设有密封圈一，密封圈一内圈与电机轴接触。
再进一步地，低速护线管与输出法兰通过螺钉连接，关节端编码器码盘安装接座与低速护线管通过螺纹连接。
再进一步地，制动器组件为磁吸摩擦式，断电时制动器通过内置弹簧抱死摩擦片，通过制动器轮毂使得电机轴停转；通电时电磁铁吸开摩擦片压住弹簧，制动器组件解除制动。
优选地，电机端编码器读数头与电机端编码器码盘之间设有垫片一。
优选地，关节端编码器读数头与关节端编码器码盘之间设有垫片二。
再进一步地，关节采用中心孔走线，线缆设置在低速护线管中部。
优选地，关节壳体与谐波减速器之间设有防尘支架，防尘支架与关节壳体之间设有橡胶环。
优选地，关节后盖与关节壳体之间压有密封圈二。
优选地，关节壳体、低速护线管和电机轴均可采用铝合金材质，关节后盖采用工程塑料材质。
进一步地，护线套通过护线套支架固定在驱动器支架的一端，关节采用中心孔走线，低速护线管将线缆与电机轴隔离开，有效保护线缆防止磨损；
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明电机端编码器码盘与关节端编码器码盘通过电机端编码器码盘安装座与关节端编码器码盘安装座分别连接在电机轴与低速护线管上，成同心布置，节约了轴向空间，使得整个关节结构紧凑，集成度更高；
2.本发明电机端编码器读数头与关节端编码器读数头均可以通过调整垫片来调整轴向距离，满足不同条件及制造误差带来的影响，增加设计柔性；
3.本发明制动器组件为磁吸摩擦式，断电时制动器通过内置弹簧抱死摩擦片，通过制动器轮毂使得电机轴无法转动；通电时电磁铁吸开摩擦片压住弹簧，制动器组件接触制动，由于采用摩擦制动式原理，当机器人急停时，相比插销式制动器更加安全可靠。不存在插销打弯和上电关节晃动问题；
4.本发明低速护线管与输出法兰通过螺钉连接，低速护线管与关节端编码器码盘安装接座可以根据设计方案要求灵活配置，增加设计柔性和多样性；
5.本发明采用轻量化超硬航空铝合金材料实现大负载轻自重，高集成度；
6.本发明采用中心孔走线，解决传统工业机器人布线困难和走线缠绕问题；低速护线管与输出法兰相连，转速低，减少线缆磨损；
7.本发明采用模块化设计，相同关节应用于机器人各关节，各组成部分均可具有互换性，易于维护。
附图说明
图1为本发明一种结构紧凑的协作机器人模块化关节的结构剖面图；
图2为本发明一种结构紧凑的协作机器人模块化关节的输出法兰和低速护线管；
图3为本发明一种结构紧凑的协作机器人模块化关节的谐波减速器；
图4为本发明一种结构紧凑的协作机器人模块化关节的制动器组件；
其中1-电机端编码器码盘安装座；2-关节伺服驱动器；3-关节端编码器码盘；4-关节端编码器读数头；5-关节端编码器码盘安装座；6-驱动器支架；7-密封圈安装座；8-密封圈；9-电机端编码器码盘；10-电机端编码器读数头；11-关节后盖；12-制动器组件；13-关节壳体；14-电机轴；15-电机组件；16-谐波减速器；17-防尘支架；18-橡胶环；19-低速护线管；20-输出法兰。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步详细描述。这些附图均为简化后的示意图，仅以示意的方式说明本发明的基本结构，但不应将此理解为本发明上述主体的范围仅限于以下说明，因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所属权利要求及等同形式来限定所请求保护主体的范围。
如图1所示，本发明的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节：
具体实施方式一：它包括关节外壳、驱动机构、电机组件和输出机构；所述驱动机构、电机组件15和输出机构依次设置在关节外壳内部，电机组件的输入端与驱动机构连接，电机组件15的输出端与输出机构连接。
具体实施方式二：
所述驱动机构包括电机端编码器码盘安装座1、关节伺服驱动器2、关节端编码器码盘3、关节端编码器读数头4、关节端编码器码盘安装座5、驱动器支架6、电机端编码器码盘9、电机端编码器读数头10、制动器组件12；
所述电机组件15包括电机定子、内部电机转子和电机轴14；
所述输出机构包括谐波减速器16、低速护线管19和输出法兰；
所述关节外壳包括关节壳体13和关节后盖11；
所述驱动器支架6、关节端编码器码盘安装座5、电机端编码器码盘安装座1、制动器组件12、电机组件15和谐波减速器16依次固定在关节壳体13上；
驱动器支架6与关节壳体13固定连接，关节伺服驱动器2固定在驱动器支架6上，关节伺服驱动器2还通过连接柱与关节壳体13连接；电机端编码器读数头10和关节端编码器读数头4集成在驱动器支架6上；
电机端编码器读数头10与电机端编码器码盘9对应设置，电机端编码器读数头10读取电机端编码器码盘9的信息，电机端编码器码盘9固定连接在电机端编码器码盘安装座1上，电机端编码器码盘安装座1固定在电机轴14外部；
关节端编码器读数头4与关节端编码器码盘3对应设置，关节端编码器读数头4读取关节端编码器码盘3的信息，关节端编码器码盘3固定连接在关节端编码器码盘安装座5上，关节端编码器码盘安装座5固定在低速护线管19外部；
低速护线管19设置在电机轴14的内部；
电机轴14的一端设有平键，平键与制动器组件12内圈摩擦片的轮毂连接，制动器组件12的壳体与关节壳体13固定连接；
电机定子外侧与关节壳体13固定连接；内部电机转子设置在电机定子的内部；
电机轴14的另一端与内部电机转子固定连接，电机轴14另一端的尾部与谐波减速器16的输入端固定连接；谐波减速器16输出端与输出法兰20的输入端固定连接；输出法兰20的输出端与低速护线管19尾部固定连接；
关节后盖11与关节壳体13连接。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：制动器组件12的内圈设有密封圈安装座7，密封圈安装座7内设有密封圈一8，密封圈一8内圈与电机轴14接触。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：低速护线管19与输出法兰20通过螺钉连接，关节端编码器码盘安装接座5与低速护线管19通过螺纹连接。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：制动器组件12为磁吸摩擦式，断电时制动器通过内置弹簧抱死摩擦片，通过制动器轮毂使得电机轴14停转；通电时电磁铁吸开摩擦片压住弹簧，制动器组件12解除制动。
由于采用摩擦制动式原理，当机器人急停时，相比插销式制动器更加安全可靠。不存在插销打弯和上电关节晃动问题。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：电机端编码器读数头10与电机端编码器码盘9之间设有垫片一；
关节端编码器读数头4与关节端编码器码盘3之间设有垫片二。
调整垫片一、调整垫片二厚度或数量满足不同使用条件及制造误差带来的影响，增加设计柔性。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：关节采用中心孔走线，线缆设置在低速护线管19中部。
关节采用中心孔走线，低速护线管19将线缆与电机轴14隔离开，有效保护线缆防止磨损。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式八：关节壳体13与谐波减速器16之间设有防尘支架17，防尘支架17与关节壳体13之间设有橡胶环18。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式九：关节后盖11与关节壳体13之间压有密封圈二。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式十：关节壳体13、低速护线管19和电机轴14均可采用铝合金材质，关节后盖11采用工程塑料材质。
其他实施方式与具体实施方式二相同。
工作原理：本发明的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节的工作过程为：关节伺服驱动器2接到控制系统启动指令后，制动器组件12通电，电磁铁吸合压缩弹簧，制动器组件12打开，关节伺服驱动器2驱动电机组件15带动电机轴14转动，从而将带动谐波减速器16输入端旋转，经过谐波减速器16减速后，谐波减速器16输出端带动输出法兰20旋转，进而实现关节输出扭矩和转速。电机端编码器读数头10读取电机轴14的转动角度与转速，关节端编码器读数头4读取输出法兰20转动角度与转速。当关节伺服驱动器2接到控制系统停止指令后，控制电机组件15减速。制动器组件12断电，弹簧复位压紧摩擦片，关节停止。
技术特征：
1.一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：它包括，关节外壳、驱动机构、电机组件(15)和输出机构；所述驱动机构、电机组件(15)和输出机构依次设置在关节外壳内部，电机组件(15)的输入端与驱动机构连接，电机组件(15)的输出端与输出机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：所述驱动机构包括电机端编码器码盘安装座(1)、关节伺服驱动器(2)、关节端编码器码盘(3)、关节端编码器读数头(4)、关节端编码器码盘安装座(5)、驱动器支架(6)、电机端编码器码盘(9)、电机端编码器读数头(10)、制动器组件(12)；
所述电机组件(15)包括电机定子、内部电机转子和电机轴(14)；
所述输出机构包括谐波减速器(16)、低速护线管(19)和输出法兰；
所述关节外壳包括关节壳体(13)和关节后盖(11)；
所述驱动器支架(6)、关节端编码器码盘安装座(5)、电机端编码器码盘安装座(1)、制动器组件(12)、电机组件(15)和谐波减速器(16)依次固定在关节壳体(13)上；
驱动器支架(6)与关节壳体(13)固定连接，关节伺服驱动器(2)固定在驱动器支架(6)上，关节伺服驱动器(2)还通过连接柱与关节壳体(13)连接；电机端编码器读数头(10)和关节端编码器读数头(4)集成在驱动器支架(6)上；
电机端编码器读数头(10)与电机端编码器码盘(9)对应设置，电机端编码器读数头(10)读取电机端编码器码盘(9)的信息，电机端编码器码盘(9)固定连接在电机端编码器码盘安装座(1)上，电机端编码器码盘安装座(1)固定在电机轴(14)外部；
关节端编码器读数头(4)与关节端编码器码盘(3)对应设置，关节端编码器读数头(4)读取关节端编码器码盘(3)的信息，关节端编码器码盘(3)固定连接在关节端编码器码盘安装座(5)上，关节端编码器码盘安装座(5)固定在低速护线管(19)外部；
低速护线管(19)设置在电机轴(14)的内部；
电机轴(14)的一端设有平键，平键与制动器组件(12)内圈摩擦片的轮毂连接，制动器组件(12)的壳体与关节壳体(13)固定连接；
电机定子外侧与关节壳体(13)固定连接；内部电机转子设置在电机定子的内部；
电机轴(14)的另一端与内部电机转子固定连接，电机轴(14)另一端的尾部与谐波减速器(16)的输入端固定连接；谐波减速器(16)输出端与输出法兰(20)的输入端固定连接；输出法兰(20)的输出端与低速护线管(19)尾部固定连接；
关节后盖(11)与关节壳体(13)连接。
3.根据权利要求2所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：制动器组件(12)的内圈设有密封圈安装座(7)，密封圈安装座(7)内设有密封圈一(8)，密封圈一(8)内圈与电机轴(14)接触。
4.根据权利要求2所述的一种设计结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：低速护线管(19)与输出法兰(20)通过螺钉连接，关节端编码器码盘安装接座(5)与低速护线管(19)通过螺纹连接。
5.根据权利要求2所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：制动器组件(12)为磁吸摩擦式，断电时制动器通过内置弹簧抱死摩擦片，通过制动器轮毂使得电机轴(14)停转；通电时电磁铁吸开摩擦片压住弹簧，制动器组件(12)解除制动。
6.根据权利要求2所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：电机端编码器读数头(10)与电机端编码器码盘(9)之间设有垫片一；
所述关节端编码器读数头(4)与关节端编码器码盘(3)之间设有垫片二。
7.根据权利要求3所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：关节采用中心孔走线，线缆设置在低速护线管(19)中部。
8.根据权利要求3所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：关节壳体(13)与谐波减速器(16)之间设有防尘支架(17)，防尘支架(17)与关节壳体(13)之间设有橡胶环(18)。
9.根据权利要求3所述的一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，其特征在于：关节后盖(11)与关节壳体(13)之间压有密封圈二。
10.根据权利要求2所述的一种设计柔性的协作机器人模块化关节，其特征在于：关节壳体(13)、低速护线管(19)和电机轴(14)均可采用铝合金材质，关节后盖(11)采用工程塑料材质。
技术总结
本发明公开了一种结构紧凑的协作机器人模块化关节，该模块化关节由依次连接的：关节壳体；关节输出法兰；低速护线管，与关节输出法兰相连；谐波减速器，与关节输出法兰及关节壳体相连；电机组件，包含定子和转子；电机轴，与电机转子相连，一端与谐波减速器输入端相连；制动器组件，磁吸摩擦式，断电抱死，上电打开，连接于电机轴上，相比插销式制动器急停安全，不会打弯挡销；电机端编码器组件；关节端编码器组件。本发明电机端编码器码盘与关节端编码器码盘同心布置，电机端编码器读数头与关节端编码器读数头集成到一起，使得关节轴向空间紧凑，集成度高，接线空间大便于操作，同时本发明的模块化关节还具有高刚度、大负载自重比特点。
技术研发人员：郭廷山;孙敬颋;陈杰
受保护的技术使用者：敬科(深圳)机器人科技有限公司
技术研发日：.12.03
技术公布日：.02.07
