[发明专利]一种协作机器人一体化关节的轴系结构

说明书

本发明公开一种协作机器人一体化关节的轴系结构，其中，输入长轴的两端分别为电机后端和柔轮端，谐波减速器安装于柔轮端上；电机后端上设有同轴设置的电机后端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座；柔轮端上设有同轴设置的柔轮端轴承组、柔轮端内圈压环和谐波减速器。本发明可辅助实现高精度位置反馈和控制，使得谐波减速器的输入端和刚轮输出端都依赖此轴系结构在负载和各种工作环境温度条件下都获得高同轴精度，以此辅助电机后端的角度编码器和谐波减速器刚轮输出端的角度编码器获得高精度的位置信息反馈，以实现协作机器人一体化关节高精度位置反馈和控制。

技术领域

本发明涉及协作机器人技术领域，特别涉及一种可辅助实现高精度位置反馈的协作机器人一体化关节的轴系结构。

背景技术

工业机器人目前已大量替代人做重复性、大负载的工作。但由于其设计中没有考虑与人协作的安全措施，只能在工作时将其隔离开来，以防止人员受到伤害。近年来，一类可与人进行安全协作、共同完成特定任务的协作机器人逐渐兴起，特别是在精密装配、模具和产品检测、医疗手术等这类对精度控制要求较高的领域有着广阔的应用前景。然而进行人机协作时，对高精度控制的要求是工作空间内全方位的，而不再是以往工业机器人要求的点对点重复定位精度。这就要求只有组成协作机器人的每一个关节都需要具备高精度位置反馈和控制的能力，才能在经过标定后使协作机器人达到工作空间内全方位高精度控制的要求。

目前主流的高精度协作机器人关节结构主要是采用控制器、驱动器、直驱电机、制动器、谐波减速器依次串联形成的结构，然后在直驱电机后端和谐波减速器输出端安装角度编码器进行位置反馈和控制。角度编码器主要利用其旋转部分跟随被测轴同轴旋转，然后测量确定相对其固定部分旋转的角度位置。但在协作机器人一体化关节中，由于其角度测量原理和安装空间的限制，以及出于控制成本的考虑，角度编码器往往是直接借助关节内的轴系结构来进行角度测量，因此角度编码器对关节轴系结构的径向误差十分敏感。只有在将角度编码器旋转部分高径向精度安装在关节轴系结构上的前提条件下，才有可能实现角度编码器的高精度位置反馈，特别是在谐波减速器输出端与输入端之间要保证高同轴精度。这是由于直驱电机后端和谐波减速器输出端角度编码器的旋转部分是分别跟随谐波减速器输入端与输出端同轴旋转，而这两个角度编码器的固定部分又都是固定在一体化关节中不动的部分上，因此安装后谐波减速器输出端与输入端之间的高同轴精度是实现协作机器人一体化关节高精度位置反馈和控制的关键前提条件。

然而主流的协作机器人一体化关节结构中，只是将谐波减速器输入轴和直驱电机以及制动器依次串连起来，而谐波减速器输入端与刚轮输出端之间缺乏相应的机构来保证两者之间的同轴精度，仅有内部柔轮连接而缺乏刚性。这也会导致关节轴系结构存在整体刚性不足的问题。当刚轮输出端受自重和负载的影响，可能发生垂直于轴系轴心的位移，难以保证谐波减速器输出端与输入端之间的同轴精度。并且当直驱电机启动运行一段时间后会发热，往往会使关节中的串联结构延长而发生更大垂直于轴系轴心的形变，不利于获得高精度的位置信号反馈。同时关节部件在温度升高后延长可能导致角度编码器旋转部分和固定部分发生位置相对移动，这可能导致角度编码器获得的信号发生变化而影响测量结果。这些都将使得协作机器人一体化关节难以实现高精度控制的目标。

现在需要一种协作机器人一体化关节辅助实现高精度位置反馈的轴系结构，使得谐波减速器的输入轴和刚轮输出端都依赖此轴系结构在负载和长时间运行发热的条件下获得高同轴精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种协作机器人一体化关节的轴系结构，该结构可辅助实现高精度位置反馈和控制，同时还可以适应不同温度的工作环境，保证即使在电机发热的情况下，谐波减速器输入轴和刚轮输出端也不会因为输入长轴长度变长而影响其结构稳定和相互之间的同轴精度。

本发明的技术方案为：一种协作机器人一体化关节的轴系结构，包括输入长轴、谐波减速器、电机后端轴承组、柔轮端轴承组、电机后端内圈压环、电机后端外圈压环、柔轮端内圈压环、电机后端外圈座和电机后端角度编码器安装座；