具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参见图1-14，其中图1示出了本发明的模块化关节的立体结构，图2示出了本发明的模块化关节的平面结构。如图1-2所示，关节包括：外壳1、驱动组件、输入轴2、可以输出转矩的输出轴3、谐波减速器51和第一输出转接件6；输入轴2和输出轴3均由外壳1转动支撑；驱动组件套接在输入轴2外部，并驱动连接输入轴2旋转；输出轴3包括第一端301、过渡端302和第二端303，过渡端302穿设过输入轴2的内部，第一端301和第二端303暴露在输入轴2的外部。优选的，过渡端302有少部分暴露在输入轴2的外部，为谐波减速器51的谐波减速器柔轮513提供一定安装空间。外壳1的轴向依次布置有输入轴2、谐波减速器51、第二端303和第一输出转接件6；输入轴2的输出端与第二端303的一个端面通过谐波减速器51传动连接，用以输入轴2的旋转传递给输出轴3；第二端303的另一个端面固定连接第一输出转接件6用以与另一个模块化关节连接；第二端303为盘状并设置为扭矩传感器结构。

外壳1从上到下依次包括关节上壳171、谐波基座172和关节下壳173。关节上壳171、谐波基座172整体成圆筒状，谐波基座172的内径小于关节上壳171的。其中谐波基座172的上端为阶梯轴状形成定位凸台，定位凸台与关节上壳171的端部搭接，便于两者轴向定位。关节上壳171和谐波基座172固定连接，谐波基座172和关节下壳173固定连接。外壳1采用轻量化硬质铝合金材料，减轻关节整体重量。

具体的，如图2所示，模块化关节包括外壳1以及安装在其内部的驱动组件、输入轴2、谐波减速器51、输出轴3、第一输出转接件6、制动器组件7、绝对值编码器组件8、驱动电路板4。并且谐波减速器51、驱动组件、制动盘71依次串联在输入轴2上；第一输出转接件6、绝对值编码器组件8依次串联在输出轴3上，并位于两端。

输入轴2的外部通过上深沟球轴承112和下深沟球轴承110被谐波基座172转动支撑。输入轴2的外部从上到下、从输入端到输出端依次设置有4个台肩，分别是第一台肩201、第二台肩202、第三台肩203和第四台肩204。上深沟球轴承112套接在输入轴2外部，谐波基座172的上端部固定连接有上法兰环113，上深沟球轴承112的轴承内环底部座接在第一台肩201上，上轴承112的轴承外环的顶部被上法兰环113封装。下深沟球轴承110的轴承内环顶部顶接在第三台肩203上，下深沟球轴承110的轴承外环的底部被下法兰环109封装，下法兰环109与谐波基座172的下端部固定连接。这样实现了每个轴承通过台肩和法兰进行轴向的定位，轴承的安装与连接属于现有技术，这里不再赘述。这种结构形式利于外壳1与输入轴2同轴定位，并能有效提高关节结构的紧凑性和负载自重比。

如图3所示，将输出轴3与扭矩传感器设计成一体。优选一体加工，材质也一样。传感器弹性体30设计为具有扭矩传感器功能的结构，扭矩传感器采用圆盘式应变梁。具体的，第二端303设置为传感器弹性体30，包括内缘轮31、外缘轮32、应变梁33、应变片34。内缘轮31的顶面与柔轮513的底面固定连接。依靠关节上壳171上安装的交叉滚子轴承105支撑进行旋转运动，外缘轮32与第一输出转接件6固定连接。交叉滚子轴承105的内圈安装在传感器基座35上，外圈由关节上壳171与外壳1外部的轴承压盖114固定。传感器弹性体30设有四条应变梁33，沿输出轴3的周向均匀布置为十字。应变梁33连接内缘轮31和外缘轮32，在每条应变梁的顶面开设有贯穿底面的通孔331，优选的通孔331为腰型孔以提高应变集中效果。左右两侧各贴有应变片34，用于检测应变梁的形变，进以测量弯曲应变，而起到测量关节所受扭矩的作用。一体化结构形式进一步提高了协作机器人关节的结构紧凑性，有效降低关节轴向尺寸，提高自身的负载自重比；同时，采用交叉滚子轴承105进行支撑，能够有效保证扭矩传感器不受倾覆力矩影响，极大地降低了扭矩传感器检测信号筛选难度，提高了传感器的测量精度；进一步地，扭矩传感器能够实时反馈协作机器人关节负载扭矩情况，当出现负载过大等意外情况，能反馈给驱动器，驱动器发出制动信号，提高机器人的安全防护性能。

与传统技术相比，如果要测量输出轴的扭矩，需要购买扭矩传感器，使用额外的工装将扭矩传感器安装在外壳的外部，这样会增加关节的重量还有特别是轴向的体积，费时费力。额外的工装也降低了扭矩传感器的精度。另外，因机器人关机设计千变万化，输出轴的尺寸也是各不相同，而扭矩传感器只能对应测量单一的输出轴的尺寸，两者尺寸不通用时，就需要额外的转接件连接两者。

输出轴3为中空结构，开有有贯穿所述输出轴3的轴向的通孔，便于关节内部走线。

在本发明的一个优选实施例中输出轴3还包括传感器基座35。因外缘轮32需要被外壳1转动支撑，且还固定连接第一输出转接件6。负载比较大，所以将输出轴3的端部做成了分体式结构，传感器基座35为内部开通孔的圆筒结构，与外轮缘32固定连接。由传感器基座35的侧面连接交叉滚子轴承105，传感器基座35的一个端面固定连接第一输出转接件6。传感器弹性体30的内缘轮31为第二端303的输入端，外缘轮32与传感器基座35固定连接。传感器基座35为第二端303的输出端。容易想到传感器基座35也可以和输出轴3作为一体结构。

在本发明的一个优选实施例中，驱动组件为中空电机，包括电机定子41、电机转子42，其中电机定子41与谐波基座172通过粘合剂实现固定连接，电机转子42与输入轴2通过粘合剂固定连接。电机转子42的底部座接在第二台肩202上。输入轴2的两端被外壳1转动支撑，输入轴2的中间被中空电机驱动，这样输入轴2受力比较平稳。中空电机驱动输入轴2转动，中空电机的安装是现有技术，这里不再赘述。采用中空电机能有效减小关节重量与外形尺寸，提高关节功率密度，并且中空结构便于关节内部走线，布线美观简洁。

在本发明的一个优选实施例中，输入轴2的输出端连接有谐波减速器51。谐波减速器51包括波发生器511、刚轮512、柔轮513和谐波压圈514。波发生器511通过螺栓与输入轴2固定连接，其顶部与第四台肩204搭接实现轴向定位。刚轮512通过螺栓与谐波基座172固定连接，谐波基座172的内壁面上设有对应刚轮512的台肩，使刚轮512的顶部顶接谐波基座172下端的台肩。这样保证了谐波减速器51的安装精度。谐波减速器51具有减速比高、外形尺寸小、重量轻的优点。其中，谐波减速器柔轮513置于输入轴2的端部和第二端303之间，谐波减速器柔轮513的另一端与传感器弹性体30的顶面固定连接。

更为具体的，谐波减速器柔轮513的另一端开有圆槽，圆环状的谐波压圈514安装在圆槽内，其顶面与圆槽的顶面抵接。输出轴3的对应位置为阶梯轴状，形成台肩，谐波压圈514的底面与输出轴3的台肩抵接；径向方向上，谐波压圈514又被夹在输出轴3和柔轮513之间。谐波压圈514与输出轴3的第二端303、柔轮513均固定连接。

中空电机通过输入轴2与波波发生器511连接，谐波减速器51通过减速运动、提高扭矩，将动力传输给输出轴3，输出轴3通过第一输出转接件6将运动传递到下一关节；输出轴3与扭矩传感器设计为一体，进而能够测得关节所受扭矩，通过数据线将数据传递给驱动电路板4，驱动电路板4处理数据后下达相应指令控制中空电机运动，实现关节的主动柔顺控制，提高协作机器人整体的安全可靠度。

在本发明的一个优选实施例中，制动组件7包括固设于输入轴2的输入端(远离传感器弹性体30的一端)且外周具有若干制动爪711的制动盘71、制动销73、复位弹性件75和电磁驱动组件72。制动销73设置于外壳1端部所设的安装槽11内。复位弹性件75设置于安装槽11且两端分别与安装槽11和制动销73相抵。

电磁驱动组件72设于制动销73的顶部、用于在得电时驱动制动销73沿轴向移动以使制动销73远离制动爪711并在失电时使制动销73依靠复位弹性件75复位以阻挡制动爪711。

制动盘71与输入轴2的尾端连接，电磁驱动组件72通过支撑柱74与谐波基座172的端面连接，制动销73、复位弹性件75安装在谐波基座172对应的凹槽11内。如图5-6所示，制动盘71通过螺栓与输入轴2固定连接，电磁驱动组件72通过两个支撑柱74与谐波基座172固定连接，制动销73、复位弹性件75依次安装在凹槽11内，电磁驱动组件72高度可以依靠垫片调整确保制动销73位置。制动组件7采用断电制动类型，正常工作时，电磁驱动组件72驱动制动销73下移，压缩复位弹性件75，制动销73与制动盘71互不干涉；当电磁驱动组件72得到控制信号，断电时，复位弹性件75恢复原状，推动制动销73上移，制动销73与制动盘71相互干涉，限制输入轴2转动，达到关节制动效果。

现有技术的制动方式采用磁吸附摩擦式，断电时制动器通过弹簧抱死摩擦片，进而通过制动器限制电机轴转动，上电时制动器内置电磁铁吸开摩擦片压住弹簧，电机轴自由转动。采用磁吸附摩擦制动导致制动时产生热量大，长期工作后，摩擦片产生的碎屑易进入伺服电机和减速器等核心部件，严重影响机器人的安全可靠度和工作精度。对比上述采用摩擦片制动方案，能够有效避免摩擦片碎屑对核心器件的影响，减小制动时产生的热量。

优选复位弹性件75为弹簧，关节工作状态时，电磁驱动组件72的电磁铁上电吸合，电磁铁衔铁克服弹簧力压动制动销73，制动盘71可自由旋转，在失电的情况下，电磁铁衔铁释放，在弹簧的作用下，制动销73弹起，阻挡制动盘71旋转，从而限制关节转动。

外壳1靠近制动盘71的一端设于用于供制动销73插入的凹槽11，凹槽11优选为圆柱状盲孔，相应地，制动销73为圆柱销。复位弹性件75安装于安装槽21内，且复位弹性件75的两端分别与安装槽21和制动销73相抵。具体地，复位弹性件75与凹槽11之间为间隙配合，且复位弹性件75优选为普通圆柱弹簧。为防止制动销73完全坠入凹槽11，制动销73远离凹槽11的一端设有止挡块，止挡块优选呈圆柱状，且止挡块的外径大于制动销73的外径。

电磁驱动组件72设于制动销73顶部，用于推动制动销73压向或远离制动卡爪711。电磁驱动组件72包括驱动杆、线圈和支撑座。其中，驱动杆具体为圆柱衔铁，当复位弹性件75处于自然状态时，驱动杆与止挡块的相抵，且驱动杆与制动销73同轴设置。

线圈设于驱动杆，用于带动驱动杆沿轴向滑动。当线圈得电时，线圈的产生的磁场吸合驱动杆下压，驱动杆推动制动销73克服复位弹性件75的弹性力沿轴向下移，使制动销73远离制动卡爪711，从而使制动盘71随输入轴2同步转动；当线圈失电时，复位弹性件75依靠弹性力恢复弹性变形，从而使复位弹性件75推动制动销73上移，制动销73带动驱动杆上移直至复位，使制动销73与制动卡爪711相抵，制动销73制动制动盘71转动，进而阻止输入轴2转动。支撑座具体为两根沿输入轴2的轴向延伸且设于壳体靠近制动盘7的一端的支撑柱74，支撑柱74穿过线圈外周所设的支撑孔。

制动组件7还可以包括用于检测制动销73与制动卡爪71抵接状态的状态检测件54。制动组件7的其他具体结构和控制方法可以参见申请号为CN201910689975.2，名称为《一种协作机器人及伺服电机》的中国发明专利，这里不再赘述。

在本发明的一个优选实施例中，增量式编码组件9包括读数头安装座91、读数头92、码盘93、码盘压圈94，读数头92通过读数头安装座91与谐波基座172固定连接，码盘93通过码盘压圈94与制动盘71固定连接。如图5所示，随着制动盘71与输入轴2一起转动，进而获取到关节运动数据。。

绝对值编码器组件8包括绝对值编码器定子81、绝对值编码器转子82、绝对值编码器定子安装座84及绝对值编码器转子安装座83。其中，绝对值编码器定子81通过绝对值编码器定子安装座84与谐波基座172连接，绝对值编码器转子82通过绝对值编码器转子安装座83与输出轴3固定连接，绝对值编码器转子82随输出轴3转动而转动。绝对值编码器组件8能够实时测量关节输出轴3的转动角度，有效增加关节运动精度，提高关节可靠性。

在本发明的一个优选实施例中，第一输出转接件6的位于外壳1的外部的轴向端面设置有定位销61，方便关节之间的定位对接。

第一输出转接件6为圆环状，部分暴露在外壳1的外部，第一输出转接件6的环内安装有快速电连接公头62。定位销61和快速电连接公头62，便于关节之间的相互连接，降低了安装难度。

第一输出转接件外壳1的设置第一输出转接件6的一端在第一输出转接件6的径向外部固定连接有限位块63，起到机械限位的效果，防止关节控制失效时相对转动过大，增加了关节的安全可靠度。另一个与本关节垂直的关节在对应位置装有限位螺钉，当两个关节相对转动角度超过设定时限位块63与限位螺钉相互干涉阻止关节继续相对运动，实现限位效果。

本发明的关节具有力反馈、制动、快接功能的协作机器人模块化关节，有高精度位置控制功能、力反馈柔顺控制功能、负载自重比高、结构紧凑、互换性高的特点。本发明采用模块化、一体化设计理念，关节结构简单，加工难度低，零件互换性高，结构紧凑，具有良好的扩展性以应对各种工作环境需求。

关节的位置控制包括绝对值编码器组件和增量式编码器组件双重控制，绝对值编码器的转子固定在输出轴上，绝对值编码器定子固定在谐波基座上，从而测量关节输出轴的转动位置，增量式编码器码盘通过制动盘固定在输入轴上，读数头固定在谐波基座上，从而获得关节输入轴的转动位置，通过两种位置测量能够有效降低位置测量累积误差，提高关节的位置控制精度。

本发明采用扭矩传感器与输出轴一体化设计，获取关节实时承受扭矩，提高关节整体安全可靠度，同时又减小了关节轴向尺寸与整体重量；所述输出轴与扭矩传感器一体化结构包括扭矩传感器弹性体及传感器安装基座，传感器弹性体采用圆盘十字梁的结构，应变梁的每个侧面粘贴应变片以测量弯曲应变，在应变梁上开设腰型的通孔以提高应变集中效果，输出轴整体依靠交叉滚子轴承支撑，有效抵消输出轴承受的轴向力及径向力，保障扭矩传感器信号的准确性。

本发明采用电磁-制动盘式断电制动的保护结构，制动方式采用制动盘、制动销，制动销通过电磁铁衔铁和弹簧实现上下运动；同时设有限位块的机械限位结构，保证关节工作的安全性。

本发明采用的电机组、输入轴、输出轴均为中空结构形式，方便内部走线，扩大关节的转动范围，同时使内部结构简单明晰。

本发明外壳采用轻量化硬质铝合金材料，重量轻，负载比重比大。

使用时，驱动电路板4通过电路母板40与绝对值编码器定子安装座84连接，对中空电机、绝对值编码器组件8、制动组件7供电，同时对中空电机与制动组件7进行控制，对绝对值编码器组件8进行信号处理。

中空电机、扭矩传感器、绝对值编码器组件、增量式编码器组件分别与驱动电路板4连接，驱动电路板4是本模块化关节的控制核心，起到程序存储、实时计算、信号处理和驱动控制等作用。驱动电路板4驱动中空电机进行运转，本发明采用将输出轴与扭矩传感器一体化的设计方法，采用电磁-制动盘的制动方法，同时采用关节快换装置，最大程度上减小关节轴向尺寸，避免摩擦片杂质进入关节内部，实现关节之间快速连接。

一种模块化的关节组件，如图11-14所示，包括关节Ⅰ601、关节Ⅱ602、连接两个关节的的关节快接组件400，关节快接组件400用以关节Ⅰ601和关节Ⅱ602之间的供电和信号传输。前述的一种协作机器人用的模块化关节设置为关节Ⅰ601，关节Ⅰ601的轴线与关节Ⅱ602的轴线垂直。关节I竖直放置在水平放置的关节Ⅱ的上方，两个关节整体呈一个倒置的T型分布。

关节快接组件400包括分别对应设置在关节Ⅰ的外壳1的径向外部两侧的左关节连接板402和右关节连接板404。

左关节连接板402的第一端(即上部)与关节Ⅰ的外壳的侧面固定连接。具体的，左关节连接板402的第一端固定连接有第一快接公板403，第一快接公板403是电路板性质，用来集成弹簧式连接器公端。外壳1的内部对应位置固定连接有第一快接母板401，第一快接母板401整体上为电路板，其上集成有弹簧式连接器母端。更为具体的，第一快接母板401通过第一快接母板固定座407与绝对值编码器定子安装座84连接。在关节下壳173上设有定位孔12方便与左关节连接板402的对应位置开设的连接定位销4021实现定位，确保公、母板对接准确。外壳1开设有通孔，供弹簧式连接器母端和弹簧式连接器公端形成子母接口，能够进行点触，实现左关节连接板402的第一端与关节Ⅰ的电信号的传递。

左关节连接板402的第二端(即下部)与关节Ⅱ的输出轴II的输出端固定连接。左关节连接板402的第二端固定连接有第二快接公板406，第二快接公板406为电路板性质，用来集成弹簧式连接器公端。关节Ⅱ的输出轴II的端面上固定有第二快接母板405，第二快接母板405为电路板性质，用来集成弹簧式连接器母端。

更为具体的，输出轴II的输出端的外部固定有环状的第二快接母板固定座408，其用来安装和保护第二快接母板405。对应的左关节连接板402的第二端内部开始有一个圆形的开口槽，这样第二端设为与第二快接母板固定座408形状匹配的圆盖状，第二快接公板406设置在圆盖的内部。左关节连接板402能够扣在第二快接母板固定座408上，保证连接时的稳定兼做定位作用。第二快接母板405上的弹簧式连接器母端与第二快接公板406上的弹簧式连接器公端点触，第二快接公板406与第一快接公板403电连接。

更为具体的，第二快接母板405具有标记孔，第二快接母板固定座408的对应的位置也设有标记孔，这样在安装第二快接母板405时两者的周向能够有定位标识作用，快速安装。

右关节连接板404的第一端(即上部)与关节Ⅰ固定连接。右关节连接板404的第一端与左关节连接板402的第一端相对布置。

右关节连接板404的第二端与关节Ⅱ的轴向的远离输出轴Ⅱ的端面转动连接。关节Ⅱ的外壳转动支撑有轴承，右关节连接板404的第二端能够套在轴承上，右关节连接板404对两个关节的连接具有支撑作用。

关节Ⅱ的周向上固定连接有与关节Ⅰ的第一输出转接件6同轴布置的第二输出转接件506，第一输出转接件6和第二输出转接件506分布在同一个关节组件的两端。分别来自不同关节组件的第一输出转接件6和第二输出转接件506能够互连，实现两个关节组件的模块化连接，以及两个关节组件的供电和信号传输。

优选的，第二输出转接件506的端面上设有与第一输出转接件6的定位销61位置对应的定位孔，定位孔和定位销61的配合使用，便于两个关节之间快速定位。关节Ⅱ的外壳上也设有与限位块63配合使用的限位螺钉。

本发明的关节组件采用关节快接组件的连接方式，方便关节之间快速连接、更换，提高关节的互换性。而且关节快接组件的设置实现关节Ⅱ内部的输出轴Ⅱ旋转会带动关节Ⅰ绕关节Ⅱ旋转，关节快接组件又能让两个关节之间的电信号传递又十分简单，与现有技术相比，减少了各种额外的电连接装置，方便拆卸，提高效率。

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。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。