【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于精密傳動技術、傳動裝置與人形機器人，特別是一種“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節。
技術介紹
1、人形機器人能夠適應人類的工作環境，能夠模仿人類行為，便于實現多模態交互指令的生成與控制，能夠對作業對象、作業環境、作業任務實現自適應，更加通用化和智能化。人形機器人不僅僅是未來產業，更是未來產業的集大成者，是大國博弈的焦點。在未來，人形機器人有望代替人類完成物流、家庭服務、工業巡檢、清潔衛生等等在人類作業環境內的操作，更可能在一些特殊環境，如野外和外太空等危險環境完成工作。
2、圍繞“機械腦、機械體、機械肢”，以具身智能賦能人形機器人為核心，實現人形機器人體能、技能和智能提升的相關技術。其中，作為人形機器人的“機械肢”，主要有靈巧手、旋轉關節和直線關節，其中直線關節應用在人形機器人手腕、手臂和腿部關節，實現在高轉速下的高進度傳動和控制，需要實現短時高承載，高精度、高動態響應的性能。
3、現有人形機器人直線關節大多行程較短，整體機身較長，無法較好適應人形機器人關節部位的空間，同時要求能夠實現直線關節高集成化、高性能、高精度、高動態響應和高性能。因此，需要設計一款基于反向式絲杠的人形機器人直線關節，其使用適應人形機器人的操作要求和運動精度。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于針對上述現有技術存在的不足，如軸向長度較長不能較好的適應人形機器人關節的空間和小導程大轉速導致絲杠副溫升和噪音條件差等，提出一種基于反向式絲杠副的人形機器人用直線關節的設
2、實現本專利技術目的的技術解決方案為：一種“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，所述直線關節整機采用“電機-螺母-軸承”一體化設計，包括電機單元、傳動單元、外殼單元和感知單元；
3、所述電機單元，用于將電能轉化為電機轉子的旋轉動能；
4、所述傳動單元，通過反式絲杠副將螺母的旋轉運動轉化為絲杠的直線運動，并將軸向載荷通過絲杠副、軸承組傳遞到殼體上去；
5、所述外殼單元，用于承受最終載荷，同時起到保護內部結構和密封作用以及給出直線關節兩端的自潤向心關節軸承的安裝部位；
6、所述感知單元，用于檢測直線關節在工作中的轉速、位移和所受拉壓力的情況。
7、進一步地，所述電機單元采用反式絲杠副螺母與電機轉子相結合的一體化設計，將電機轉子粘接在螺母外圓上，直接帶動螺母旋轉；絲杠副采用大導程的設計，同時在螺母外圓設計有對稱雙螺旋增力結構，分別在外圓上設置對稱雙螺旋增力槽，右螺旋線參數方程為：
8、
9、其中θ＝ωt,ω為角速度，b＝p/2π＝acotβ,β為螺旋升角，p為螺距；x、y是螺旋線投影到xoy面的坐標，a是螺旋線環抱的圓柱面的半徑，z是指螺旋線上面的點的高度；
10、所述對稱雙螺旋增力槽用于最大限度不影響螺母的動平衡，同時，粘接轉子磁鐵的膠固化后，在旋轉運動中給予轉子磁鐵一個徑向防脫力，以防止在旋轉過程中轉子磁鐵脫離螺母外圓，保證轉子磁鐵的貼合。
11、進一步地，所述傳動單元采用反式絲杠副螺母與角接觸球軸承內圈相結合的一體化設計，針對長螺母結構設計高功率密度大推力的偏置角接觸球軸承，且軸承滾道采取小適應度大接觸角大鋼球的設計；將螺母外圓直接作為角接觸球軸承內圈，在螺母外圓加工大接觸角軸承滾道。
12、進一步地，所述傳動單元中，反式絲杠副采用大推力軸承固定端、高強度支承端的設計，固定端采用一體化角接觸球軸承，支承端采用深溝球軸承。
13、進一步地，所述深溝球軸承的固定方式采用螺母端蓋的臺階和軸用彈性擋圈實現深溝球軸承內圈固定，外圈浮動，以實現自適應不同材料的零件在溫度變化時產生的變形量不同導致的誤差。
14、進一步地，所述傳動單元在反式絲杠副一端具有限位功能，通過同導程螺旋臺階與限位螺釘徑向接觸，實現機械零點的作用，同時避免因絲杠與端蓋的軸向面接觸導致啟動力矩增大甚至無法脫開的極端情況。
15、進一步地，所述外殼單元兩端的自潤向心關節軸承采用翻邊壓鉚工藝將外圈固定在左、右軸承套上，左軸承套與絲杠螺紋連接，右軸承套與拉壓力傳感器螺紋連接。
16、進一步地，所述左、右軸承套均采用凹端緊定螺釘徑向螺紋放松。
17、進一步地，所述感知單元包括編碼器和拉壓力傳感器，編碼器內置在直線關節內部，拉壓力傳感器一端與外殼單元的后端蓋螺紋連接，另一端與右軸承套螺紋連接，實現直線關節在工作過程中所受拉壓力的測量。
18、進一步地，所述編碼器將編碼器磁片膠粘在螺母端蓋上，編碼器pcb板連接安裝在后端蓋上，編碼器磁片隨著螺母端蓋和絲杠副的螺母一起轉動，直接通過磁片旋轉實現轉速和位移的測量。
19、本專利技術與現有技術相比，其顯著優點為：
20、(1)本專利技術將電機轉子與反式絲杠的螺母進行一體化設計，大大縮短了直線關節整機的軸向尺寸，有效利用了反式絲杠的長螺母結構。針對已有的一體化設計方案，本專利技術特別在反式絲杠的螺母外圓面設計了特殊的對稱雙螺旋導膠槽結構，在螺母外圓面車了兩段與螺母外圓軸線中心對稱的螺紋槽，實現在電機轉子帶動反式絲杠螺母外圓轉動時，給予轉子磁鐵一個軸向防脫力，實現更加平穩的運動。同時，中心對稱的結構不會破壞“螺母-電機”的動平衡，不影響電機實現高速轉動，有助于實現直線關節的高速傳動。
21、(2)本專利技術將固定端(左端)的角接觸球軸承內圈與反式絲杠的螺母進行一體化設計，直接在螺母外圓上加工軸承滾道，較常規的結構省去了軸承的軸向鎖緊機構，有效縮短了直線關節整機的軸向尺寸，減少直線關節整機的零件數量，有效減少了由安裝和裝配產生的誤差耦合，保證了直線關節整體的安裝精度和動平衡。
22、(3)本專利技術在絲杠副靠近編碼器一端具有機械限位功能，同時對于增量式編碼器，起到機械零點的作用，便于實現轉速的錄入和控制。且采用端蓋長螺釘與絲杠副臺階面實現限位功能，限位螺釘與絲杠臺階徑向接觸，避免因為絲杠與端蓋的軸向面接觸導致啟動力矩增大甚至無法脫開的極端情況，實現有效的機械限位功能。
23、(4)本專利技術在編碼器端采用不導磁的鋁制螺母端蓋配合安裝編碼器磁片，保證了編碼器磁片的磁力線完整，有利于編碼器實現精確測量；同時螺母端蓋還用于固定深溝球軸承內圈，有利于優化螺母的工藝性能，螺母端蓋的回轉體結構不會影響轉子和螺母整體的動平衡。
24、下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。
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1.一種“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述直線關節整機采用“電機-螺母-軸承”一體化設計，包括電機單元、傳動單元、外殼單元和感知單元；
2.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述電機單元采用反式絲杠副螺母與電機轉子相結合的一體化設計，將電機轉子粘接在螺母外圓上，直接帶動螺母旋轉；絲杠副采用大導程的設計，同時在螺母外圓設計有對稱雙螺旋增力結構，分別在外圓上設置對稱雙螺旋增力槽，右螺旋線參數方程為：
3.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述傳動單元采用反式絲杠副螺母與角接觸球軸承內圈相結合的一體化設計，針對長螺母結構設計高功率密度大推力的偏置角接觸球軸承，且軸承滾道采取小適應度大接觸角大鋼球的設計；將螺母外圓直接作為角接觸球軸承內圈，在螺母外圓加工大接觸角軸承滾道。
4.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述傳動單元中，反式絲杠副采用大推力軸承固定端、高強度支承端的設計，固定端采用一體化角接觸球軸承，支承
5.根據權利要求4所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述深溝球軸承的固定方式采用螺母端蓋的臺階和軸用彈性擋圈實現深溝球軸承內圈固定，外圈浮動，以實現自適應不同材料的零件在溫度變化時產生的變形量不同導致的誤差。
6.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述傳動單元在反式絲杠副一端具有限位功能，通過同導程螺旋臺階與限位螺釘徑向接觸，實現機械零點的作用，同時避免因絲杠與端蓋的軸向面接觸導致電機的啟動力矩增大甚至無法脫開的極端情況。
7.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述外殼單元兩端的自潤向心關節軸承采用翻邊壓鉚工藝將外圈固定在左、右軸承套上，左軸承套與絲杠螺紋連接，右軸承套與拉壓力傳感器螺紋連接，
8.根據權利要求7所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述左、右軸承套均采用凹端緊定螺釘徑向螺紋放松。
9.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述感知單元包括編碼器和拉壓力傳感器，編碼器內置在直線關節內部，拉壓力傳感器一端與外殼單元的后端蓋螺紋連接，另一端與右軸承套螺紋連接，實現直線關節在工作過程中所受拉壓力的測量。
10.根據權利要求9所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述編碼器將編碼器磁片膠粘在螺母端蓋上，編碼器PCB板連接安裝在后端蓋上，編碼器磁片隨著螺母端蓋和絲杠副的螺母一起轉動，直接通過磁片旋轉實現轉速和位移的測量。
...【技術特征摘要】
1.一種“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述直線關節整機采用“電機-螺母-軸承”一體化設計，包括電機單元、傳動單元、外殼單元和感知單元；
2.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述電機單元采用反式絲杠副螺母與電機轉子相結合的一體化設計，將電機轉子粘接在螺母外圓上，直接帶動螺母旋轉；絲杠副采用大導程的設計，同時在螺母外圓設計有對稱雙螺旋增力結構，分別在外圓上設置對稱雙螺旋增力槽，右螺旋線參數方程為：
3.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述傳動單元采用反式絲杠副螺母與角接觸球軸承內圈相結合的一體化設計，針對長螺母結構設計高功率密度大推力的偏置角接觸球軸承，且軸承滾道采取小適應度大接觸角大鋼球的設計；將螺母外圓直接作為角接觸球軸承內圈，在螺母外圓加工大接觸角軸承滾道。
4.根據權利要求1所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述傳動單元中，反式絲杠副采用大推力軸承固定端、高強度支承端的設計，固定端采用一體化角接觸球軸承，支承端采用深溝球軸承。
5.根據權利要求4所述的“電機-螺母-軸承”一體化設計的直線關節，其特征在于，所述深溝球軸承的固定方式采用螺母端蓋的臺階和軸用彈性擋圈實現深溝球軸承內圈固定，外圈浮動，以實現自適應不...
【專利技術屬性】
技術研發人員：祖莉，蔡灝楠，歐屹，劉建佐，劉智俊，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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