CN119343544A - 用于机器人或机器人关节的具有制动功能的电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于机器人的电机驱动装置(1)，包括壳体(2)；包括电机轴元件(3)，该电机轴元件相对于壳体(2)，绕旋转轴(A)可旋转地安装；包括制动元件(4)，该制动元件包括棘轮(4a)，其中，制动元件(4)与壳体(2)连接，并且棘轮(4a)相对于壳体(2)可以移动，以启用电机驱动装置(1)的制动功能，其中，棘轮(4a)在棘轮(4a)的锁定位置啮合环形构件(5)；包括制动盘元件(6)，该制动盘元件附接至电机轴元件(3)；其中，环形构件(5)相对于制动盘元件(6)可以旋转，并且提供至少一组摩擦表面，以在制动盘元件(6)和环形构件(5)之间提供给定的静摩擦或给定的动摩擦，其中，摩擦表面在垂直于旋转轴(A)的平面上延伸，以在用于机器人关节的电机驱动装置(1)中提供改进的制动功能。

Description

用于机器人或机器人关节的具有制动功能的电机驱动装置

技术领域

本公开涉及一种用于机器人或机器人关节的电机驱动装置，该电机驱动装置具有壳体、相对于壳体可绕旋转轴旋转安装的电机轴元件以及制动元件，该制动元件包括棘轮。制动元件连接到壳体，并且棘轮相对于壳体可以移动，以便实现电机驱动装置的制动功能，其中棘轮在棘轮的锁定位置啮合电机驱动装置的环形构件。

机器人，例如制造机器人，通常包括多个机器人关节，这些关节由各自的电机驱动装置驱动。电机驱动装置不仅给机器人关节提供快速且精确的驱动，而且还具有制动功能。相应的制动机构不仅需要在一般情况下可靠工作，还需要适用于紧急制动。

目前，机器人关节的制动技术主要有两种。一种是离合式制动器，另一种是所谓的销式制动器。已知的离合式制动器价格昂贵、占用空间大、重量重，因此，下文不予考虑。

销式制动器包括电磁驱动器，该驱动器通过使销与电机的旋转环形构件啮合来阻止电机的旋转。根据旋转环形构件的形状，该旋转环形构件也可以称为制动星。与离合器式制动器相比，销式制动器更便宜、更轻、更小，并且更易于安装和维护。

EP 3 045 273 B1中描述了一种示例性销式制动器，该文献描述了一种机器人关节。所述文献公开了一种能够承受零级停止(紧急情况SC0)的销式制动器。零级停止的特点是立即切断机器驱动器的电源，也就是说，它涉及不受控制的停止。不受控制的停止意味着通过切断机器启动器的电源来停止机器运转。因此，电磁驱动器的销可能会全速与电机驱动装置的旋转环形构件啮合。在这种紧急情况SC0中，销式制动器的销通常无法承受由紧急情况SC0产生的力。这是因为要由销停止的旋转环形构件与机器人关节的所有旋转部件连接，例如转子、轴、变速箱、负载等。因此，转子和其他旋转部件的惯性和速度必须由销吸收。这会损坏销或相互作用的旋转环形构件。

在EP 3 045 273 B1中，通过在制动星和其余旋转部件之间添加滑动联轴器来克服此问题，这使得制动星在被销停止时，一旦滑动联轴器的静摩擦力被克服，制动机构的销就可以从负载上脱开。然而，EP 3 045 273 B1中描述的系统非常占用空间，此外，不能产生可靠、明确的制动力。

因此，本公开所要解决的问题可以视为在机器人关节的电机驱动装置中提供改进的制动功能，具体而言，允许电机驱动装置紧凑设计的制动功能。

发明内容

独立权利要求的内容可以解决上述问题。优选实施例从从属权利要求、说明书和附图中可以明显看出。

一方面涉及一种用于机器人关节的电机驱动装置，该电机驱动装置包括壳体、电机轴元件和带有棘轮的制动元件。壳体可以包括齿轮、电机定子、控制电子器件和其他元件。电机轴元件相对于壳体，绕旋转轴可旋转地安装，即枢轴式安装。电机轴元件可以是转子的一部分。制动元件机械地连接到壳体，即该制动元件附接或固定在壳体上。棘轮相对于壳体可以在锁定位置和释放位置之间沿线性方向来回移动，以便启用电机驱动装置的制动功能。为此，棘轮被配置为在棘轮的锁定位置啮合电机驱动装置的环形构件。具体而言，制动元件可以被配置为用于紧急制动功能，即用于零级停止。

此外，电机驱动装置包括制动盘元件和上述环形构件。制动盘元件附接至电机轴元件，即固定或安装至电机轴元件。制动盘元件也可以是电机轴元件的一部分，即制动盘元件和电机轴元件可以是一体式设计。因此，在这种情况下，制动盘元件也可以被视为固定在电机轴元件上，因为它们是一体式的。作为优选，制动盘元件和电机轴元件不仅绕相同的旋转轴旋转，而且以相同的转速旋转。环形构件相对于制动盘元件和壳体可旋转地安装，并且绕相同的旋转轴旋转。因此，电机轴元件、环形构件和制动盘元件可以同轴设置。

提供至少一组摩擦表面，以便在制动盘元件和环形构件之间提供给定的静摩擦和/或给定的动摩擦。所述摩擦可以称为制动摩擦，制动摩擦是必须调整/设定以实现适当的制动功能的摩擦。其中，一组摩擦表面包括两个彼此面对的摩擦表面，并且在预期使用期间通过两个表面的物理相互作用提供静态和/或动态摩擦。对应的表面可以是电机驱动装置的相邻的任意两个元件的表面，例如，制动盘元件、环形构件的表面，以及下文提到的弹性元件、轴承盘元件或摩擦盘元件的表面。无论如何，摩擦表面在垂直于旋转轴的平面中延伸。

作为优选，给定的静摩擦选择得足够小，以防止在紧急停止的情况下损坏制动盘元件或环形构件，并且给定的动摩擦选择得足够大，以便足够快地停止电机以用于当前的应用。这可以通过选择适当的材料或各摩擦表面的涂层，或诸如下面提到的弹性元件之类的附加元件来实现，以增加摩擦力。

这样做的优点是，电机停止所需的摩擦力是在具有大直径的明确定义的表面上实现的。制动盘元件的使用还将方向从现有技术中摩擦所需的径向力改变为轴向力。摩擦的轴向方向，即制动功能的摩擦力的制动力，以及更大的直径导致制动摩擦力的杠杆作用增加。因此，制动所需的力更小并且可以更精确地调整。因此，在摩擦力的大小方面也可以进行更加灵活地设计。此外，可以调整摩擦表面的尺寸而无需在轴向上占用更多空间。因此，可以实现更灵活但更紧凑的电机驱动装置。

作为一优选实施例，电机驱动装置包括弹性元件，该弹性元件被配置为沿平行于旋转轴的方向将环形构件压向制动盘元件或制动盘元件的一部分。弹性元件可以是环形形状，并且可以围绕旋转轴与环形构件同轴设置。这带来的优点是可以精确且可靠地调节摩擦力，也就是说，摩擦力不会随着时间的推移而显著减小。为此，弹性元件可以由金属制成。

作为另一优选实施例，电机驱动装置包括位于弹性元件和环形构件之间的轴承盘元件，优选地，弹性元件安装在制动盘元件或电机轴元件上。优选地，轴承盘元件是低摩擦轴承盘元件。这意味着轴承盘元件被设计成在相对于相邻元件旋转时仅提供最小的摩擦。这带来的优点是，弹性元件和/或轴元件处的摩擦最小化，从而减少弹性元件和/或轴元件的撕裂。这确保弹性元件保持其弹力，从而确保在电机驱动装置的整个使用寿命期间保持预期的摩擦量，而无需显著的结构空间要求。

作为另一优选实施例，电机驱动装置包括设置在环形构件和制动盘元件之间的摩擦盘元件。具体而言，环形构件可以沿轴向设置在轴承元件和摩擦元件之间。优选地，摩擦盘元件是高摩擦盘元件。因此，与上述低摩擦轴承盘元件相比，它与相邻元件之间具有更高的摩擦力。这带来的优点是可以实现制动盘元件和环形构件之间的更高摩擦力，因此可以在相同的紧凑设计中实现更快的制动。

优选地，轴承元件和/或摩擦元件除了包括主要垂直于旋转轴延伸的盘状部件(法兰)之外，还包括管状部件，该管状部件的外径与环形构件的内径相适配。这带来的优点是，各个元件可以相互插入，从而提供不同元件相对于彼此的更精确的引导。这使得制动元件的性能更精确且更明确。

作为另一优选实施例，提供制动盘元件与环形构件之间摩擦的摩擦表面的内径比电机轴元件的直径至少大50％，作为优选，至少大两倍，甚至更优选地至少大三倍。电机轴元件的直径可以是电机轴元件的最小外径和/或电机轴元件的内径。优选地，电机轴元件的直径在制动盘元件的直接附近测量。这带来的优点是摩擦力的杠杆作用得到改善，从而导致更大的制动力而无需在轴向方向上占用更多空间。

作为又一优选实施例，环形构件在其径向外表面，包括至少一个闩锁鼻，优选地，包括至少三个闩锁鼻或凸耳，闩锁鼻或凸耳从环形构件的主延伸平面突出到与旋转轴平行的方向上。所述闩锁鼻被配置为仅在棘轮的锁定位置与棘轮啮合。棘轮和闩锁鼻可以被配置为在锁定位置上，使得棘轮不延伸到环形构件的主延伸平面中。这带来的优点是，如果制动力过大，可以通过使所述闩锁鼻变形来吸收制动力。相应地，闩锁鼻可以被设计成用于吸收制动力，即，被设计成在制动力过大时变形，从而使得环形构件的其余部分不变形。例如，闩锁鼻可以被设计成弹性的。根据闩锁鼻的数量，使用闩锁鼻还可以在电机高速旋转时将棘轮移动到有效锁定位置。原则上，较少的闩锁鼻可以使得棘轮在较高的转速下到达锁定位置，但一旦到达锁定位置，将导致较大的间隙。可以通过向其端部逐渐变细的闩锁鼻，或沿旋转轴方向的延伸小于原始闩锁鼻的附加闩锁鼻来克服这一问题。然后，棘轮将首先与原始闩锁鼻啮合，使电机轴元件停止，并与附加闩锁鼻啮合，从而在电机轴元件停止后，以减小的间隙将电机轴元件固定在给定位置。

作为又一优选实施例，电机驱动装置包括磁性和/或光学编码器目标盘元件，优选使用磁性弹性体制造，或由磁性弹性体制成，编码器目标盘元件施加在制动盘元件上。由于不需要单独的编码器环，因此具有所需空间更小的优点。

作为又一优选实施例，棘轮可以平行于旋转轴移动，并由被动弹性机构自动驱动到锁定位置，当另一个机构被激活时，该激活的机构将棘轮保持在释放位置。因此，在释放位置，环形构件可以自由旋转，而棘轮不会与其啮合。这样做的好处是紧急制动功能非常简单，在这个紧急制动功能中，实际上需要信号和/或电力将棘轮保持在释放位置，由于当另一个机构因缺少信号/电力而停用时，被动弹性机构会将棘轮驱动到锁定位置，因此信号和/或电力的缺失会自动激活制动机构。

其他方面涉及一种机器人关节或机器人，具有根据所述实施例之一的电机驱动装置。

上述特征和特征组合，也包括简介中描述的特征和特征组合，以及图中描述或图中单独公开的特征和特征组合，不仅可以单独使用或以描述的组合方式使用，还可以在不脱离本发明范围的情况下，与其他特征一起使用，或者不使用某些公开的特征。因此，图中未明确显示和描述但可通过分别组合图中公开的各个特征而产生的实施例也是本发明的一部分。因此，如果一个实施例具有原始独立权利要求中未包含的某些特征或特征的组合，那么这些实施例也应被视为已经公开。此外，如果某些实施例具有不同于或超出从属权利要求中描述的特征组合的特征，那么这些实施例也应被视为已经公开

具体实施方式

下文将通过示意图进一步描述示例性实施例。其中，

图1示出了用于机器人关节的电机驱动装置的示例性实施例的分解视图；

图2示出了图1所示的示例性实施例的侧视图；以及

图3示出了所述示例性实施例的剖面视图。

在不同的图中，相同或功能相同的元件使用相同的参考符号。

图1示出了用于机器人关节的电机驱动装置1，包括壳体2、电机轴元件3和制动元件4。在本示例中，壳体2包括齿轮和控制单元(本文未详细描述)。电机轴元件3绕旋转轴A可旋转地安装，相对于壳体2可旋转。制动元件4包括棘轮4a(图2、3)，并且机械地连接到壳体2。棘轮4a相对于壳体2可以移动，以便实现电机驱动装置1的制动功能。为此，棘轮4a可以在棘轮4a的锁定位置啮合环形构件5。此外，电机驱动装置1包括制动盘元件6，制动盘元件6固定在电机轴元件3上。环形构件5相对于制动盘元件6以及相对于壳体2可旋转地安装。此外，至少一组摩擦表面提供制动盘元件6和环形构件5之间的摩擦。这些摩擦表面在垂直于旋转轴A的平面中延伸。

在本实施例中，制动盘元件6实际上是夹层制动盘元件6，具有第一制动盘元件部件6a和第二制动盘元件部件6b，其中在本实施例中，附加元件设置在两个部件6a、6b之间。这样就可以预先配置包括附加元件的制动盘元件6，并将这些元件安装为一个整体，即简单且可靠。在另一种设计中，第二制动盘元件部件6b的功能可以由电机轴元件3提供。例如，电机轴元件3可以形成支架，承担本实施例中的第二制动盘元件部件6b的功能。

示例性附加元件之一可以是弹性元件7，弹性元件7在此为环形，设置在电机驱动装置1中，以沿平行于旋转轴A的方向将环形构件5压向制动盘元件6，即制动盘元件6的第一部件6a。另一个示例性附加元件是位于弹性元件7和环形构件5之间的轴承盘元件8，其中弹性元件7安装在制动盘元件6的第二部件6b上。轴承盘元件8在本示例中是低摩擦轴承元件，因此在环形构件5被阻止的情况下，即在制动的情况下，轴承盘元件8可以保护弹性元件7。

另一个示例性附加元件是设置在环形构件5和制动盘元件6(在本示例中为制动盘元件6的第一部件6a)之间的摩擦盘元件9。这里，环形构件5设置在轴承盘元件8和摩擦盘元件9之间。由于轴承盘元件8是低摩擦元件，而摩擦盘元件9是高摩擦元件，因此环形构件5和制动盘元件6之间产生的摩擦几乎完全由摩擦盘元件9和弹性元件7将环形构件5压向制动盘元件6的力决定。因此，可以非常精确地定义摩擦，即预设摩擦。

在本实施例中，电机驱动单装置1还包括磁性编码器目标盘元件10，磁性编码器目标盘元件10呈环形并且贴附在制动盘元件6上，也就是贴附在制动盘元件6的第一部件6a上。

环形构件5包括至少一个闩锁鼻5a，这里确切地说是三个闩锁鼻5a，三个闩锁鼻5a从环形构件5的主延伸平面突出到与旋转轴A平行的方向上。所述闩锁鼻5a被配置为仅在棘轮4a的锁定位置与棘轮4a啮合。

图2示出了摩擦盘元件9的细节，摩擦盘元件9的盘状部件9a主要垂直于旋转轴A延伸，摩擦盘元件9的管状部件9b主要沿旋转轴A延伸。管状部件9b的外径fto与环形构件5的内径ai相适配，以使摩擦盘元件9和环形构件5精确可靠地配合。图3更详细地示出了不同的直径。因此，在本示例中，摩擦盘元件9和制动盘元件6提供的摩擦表面的内径fi比制动盘元件6附近的电机轴元件3的直径s至少大三倍。

因此，摩擦盘元件9以及轴承盘元件8在电机轴元件3和环形构件5之间提供确定的轴承和确定的摩擦扭矩。因而不会出现磨损并可以延长使用寿命。由于弹性元件7的存在，扭矩将在轴承的使用寿命内保持恒定，并且可以在确定系统的制动扭矩时将其考虑在内。

闩锁鼻5a也可以制成弹性的，这样紧急制动情况下发生的大撞击可被弹簧状弹性结构吸收，该弹性结构仅受弹性变形的影响，而不必由电机驱动装置的较硬部件或元件吸收。因此，紧急制动力矩的能量至少可部分地被弹性变形吸收，并在克服静摩擦时重新吸收。

下面简单描述展示电机驱动装置1的制动机构的工作原理：

当制动元件4未制动时，即棘轮4a克服弹性机构4b提供的弹力而被挡住，因而未与环形构件5啮合时，由于环形构件5与制动盘元件6之间的摩擦力，环形构件5以与电机轴元件3相同的转速自由旋转。

当发生(紧急)制动情况并且棘轮4a沿与旋转轴A平行的方向被向前驱动至环形构件5时，其在某个点处与闩锁鼻5a之一啮合。因此，尽管环形构件5和摩擦盘元件9之间存在静摩擦力，环形构件5仍会立即停止旋转。一旦克服了静摩擦力，停止的环形构件5和仍在旋转的制动盘元件6之间的动摩擦力或滑动力会减慢电机轴元件3的旋转，从而实现制动功能。

Claims (10)

1.用于机器人的电机驱动装置(1)，具体而言，用于机器人关节，包括

-壳体(2)；

-电机轴元件(3)，所述电机轴元件(3)相对于所述壳体(2)，绕旋转轴(A)可旋转地安装；

-制动元件(4)，所述制动元件(4)包括棘轮(4a)，其中，所述制动元件(4)与所述壳体(2)连接，并且所述棘轮(4a)相对于所述壳体(2)可以移动，以启用所述电机驱动装置(1)的制动功能，其中，所述棘轮(4a)在棘轮(4a)的锁定位置啮合环形构件(5)；

其特征在于，

-制动盘元件(6)，所述制动盘元件(6)附接至所述电机轴元件(3)；

并且，

-所述环形构件(5)相对于所述制动盘元件(6)可以旋转；以及

-提供至少一组摩擦表面，以在所述制动盘元件(6)和所述环形构件(5)之间提供给定的静摩擦或给定的动摩擦，其中，所述摩擦表面在垂直于所述旋转轴(A)的平面上延伸。

2.根据前述权利要求所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

弹性元件(7)被配置为沿平行于所述旋转轴(A)的方向将所述环形构件(5)压向所述制动盘元件(6)的至少一部分(6a)。

3.根据前述权利要求所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

在所述弹性元件(7)与所述环形构件(5)之间设置轴承盘元件(8)。

4.根据前述权利要求之一所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

在所述环形构件(5)与所述制动盘元件(6)之间设置摩擦盘元件(9)，具体而言，所述环形构件(5)设置在所述轴承盘元件(8)与所述摩擦盘元件(9)之间。

5.根据前述两项权利要求之一所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

所述轴承盘元件(8)和/或所述摩擦盘元件(9)除了包括主要垂直于所述旋转轴(A)延伸的盘状部件(9a)之外，还包括管状部件(9b)，所述管状部件的外径(fto)与所述环形构件(5)的内径(ai)相适配。

6.根据前述权利要求之一所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

提供所述制动盘元件(6)与所述环形构件(5)之间摩擦的摩擦表面的内径(fi)比所述电机轴元件(3)的直径(s)至少大50％，作为优选，至少大两倍。

7.根据前述权利要求之一所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

所述环形构件(5)在其外表面，包括至少一个闩锁鼻(5a)，作为优选，包括至少三个闩锁鼻(5a)，所述闩锁鼻从所述环形构件(5)的主延伸平面突出到与所述旋转轴(A)平行的方向上，其中所述闩锁鼻(5a)被配置为仅在所述棘轮(4a)的锁定位置与所述棘轮(4a)啮合。

8.根据前述权利要求之一所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

施加在所述制动盘元件(6)上的磁性和/或光学编码器目标盘元件(10)，优选使用磁性弹性体制造，或由磁性弹性体制成。

9.根据前述权利要求之一所述的电机驱动装置(1)，

其特征在于，

所述棘轮(4a)可以平行于所述旋转轴(A)移动，并由弹性机构(4b)驱动到所述锁定位置，当另一个机构被激活时，所述另一个机构将所述棘轮(4a)保持在释放位置。

10.机器人关节或机器人，具体而言，移动机器人，具有根据前述权利要求之一所述的电机驱动装置(1)。