Изобретение относится к области робототехники, в частности, к устройствам для приведения в движение элементов роботизированного манипулятора.

Из патента США US9561585 известен сервопривод, используемый для многоосного приводного механизма, такого как многоосевой манипулятор, роботизированная рука и др. Сервопривод содержит двигатель, редуктор, датчик крутящего момента, приводимый во вращение относительно статора мотора и предназначенный для измерения момента после редуктора, а также кольцо выходного вала, соединенную с внешней периферийной частью датчика крутящего момента. При этом кольцо выходного вала размещено на расстоянии от датчика крутящего момента в направлении статора, так что расстояние от первой торцевой поверхности датчика крутящего момента до двигателя больше, чем расстояние от первой торцевой поверхности кольца выходного вала до двигателя. Сервопривод характеризуется тем, что после установки кольца выходного вала общая длина сервопривода в направлении выходного вала не изменяется, и пространство, занимаемое сервоприводом, не увеличивается. Однако сервопривод все равно имеет достаточно большие габариты, а также не содержит средств контроля частоты вращения двигателя и выходного вала. Кроме того, присоединение приводимого сервоприводом устройства напрямую к датчику крутящего момента не всегда желательно.

Патент США US10500734 описывает сервопривод управления роботом, который состоит из корпуса, узлов двигателя, расположенных внутри корпуса и включающих в себя полый выходной вал и волновой редуктор, а также зубчатое колесо, содержащие подшипники для их соединения с возможностью вращения. Первый чувствительный элемент и первый элемент-источник в совокупности составляют датчик вращения для обнаружения вращения выходного элемента. Сервопривод имеет компактную структуру и небольшие размеры, что влияет напрямую на его размеры и вес. Однако в данном сервоприводе используется редуктор сложной конструкции, а также отсутствуют средства контроля крутящего момента и скоростей валов двигателя и редуктора.

Патент США US8291788 описывает варианты сервоприводов, представляющих собой узел поворотного привода, который предназначен для приведения в действие верхнего рычага робота. Узел поворотного привода включает в себя несущую раму цилиндрической формы, двигатель, установленный соосно с рамой, зубчатую передачу, соединенную с двигателем и размещенную внутри рамы, торсионную пружину, и выходной вал. Один конец торсионной пружины соединен с выходом зубчатой передачи с возможностью вращения, при этом торсионная пружина размещена внутри рамы. Узел также содержит два датчика абсолютного положения для определения соответственно углового положения зубчатой передачи относительно рамы и углового положения выходного вала относительно рамы.

Патент РФ RU1 85774 описывает робототехнический сервопривод, используемый в передвижной робототехнике. Робототехнический сервопривод содержит корпус с прикрепленными к нему и расположенными в нем редуктором, выходным валом, соединенным с редуктором посредством винтового соединения, абсолютным энкодером, соединенным с выходным валом редуктора через зубчатую передачу, электродвигателем с валом с зубчатым колесом, соединенным с редуктором посредством зубчатой передачи, платой управления, расположенной в корпусе со стороны электродвигателя и крепящейся посредством винтового соединения к одной из стенок корпуса. Также он содержит блокиратор вала электродвигателя, установленный возле зубчатого колеса вала и крепящийся на корпус сервопривода посредством винтового соединения со стороны редуктора. Техническим результатом является существенное энергосбережение при статических нагрузках, упрощение разработки новых робототехнических решений.

Основным недостатком известных сервоприводов является обеспечение их компактности за счет исключения из конструкции средств измерения крутящего момента, а если они присутствуют - увеличенные габариты, что является существенным для использования сервопривода в роботизированных манипуляторах.

Таким образом, существует задача создания такого сервопривода, который обладает компактной конструкцией и при этом содержит средства контроля, такие как, прежде всего, средства измерения крутящего момента и, дополнительно, средства измерения частоты вращения ротора и выходного приводного элемента, а также обеспечивает передачу большого момента.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение габаритов и массы сервопривода при одновременном повышении нагрузочной способности устройства и обеспечении возможности контроля величины передаваемого крутящего момента.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в сервоприводе, содержащем электродвигатель, циклоидальный редуктор, датчик крутящего момента и приводное кольцо. Электродвигатель имеет статор, который соединен с ободом датчика крутящего момента, и ротор, кинематически соединенный циклоидальным редуктором посредством вала. Циклоидальный редуктор включает по меньшей мере один эксцентрик с установленной на нем шестерней, имеющей отверстия для размещения в них штифтов с зазором, и зубчатое колесо с внутренним зацеплением, находящееся в зацеплении с шестерней. Приводное кольцо соединено с зубчатым колесом и вращается при вращении ротора. При этом ступица датчика крутящего момента жестко соединена со штифтами.

В заявленном сервоприводе использован циклоидальный редуктор, который, с одной стороны, выдерживает большие нагрузки благодаря тому, что одновременно в зацеплении находится примерно 40% зубьев шестерни и зубчатого колеса, что в несколько раз больше этого показателя для обычных шестеренчатых, червячных и планетарных редукторов. С другой стороны, такой тип редуктора достаточно надежен и прост в сравнении с волновым редуктором, а также занимает малый объем. Уменьшение занимаемого объема и повышение величины передаваемого момента позволило разместить в сервоприводе компактный датчик крутящего момента, состоящий из обода и ступицы, соединенных ребрами, при этом не являющийся элементом сервопривода, передающим вращение внешнему устройству, приводимому сервоприводом.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в также предпочтительных вариантах исполнения изобретения, согласно одному из которых количество зубьев шестерни на единицу меньше количества зубьев зубчатого колеса, что обеспечивает максимальное передаточное отношение и максимальный передаваемый момент циклоидального редуктора без изменения его габаритов.

Предпочтительно, если циклоидальный редуктор включает два эксцентрика и две шестерни, при этом зубчатое колесо находится в зацеплении с двумя шестернями, а штифты размещены в отверстиях, выполненных в двух шестернях. Это позволяет повысить передаваемый момент, а также уравновесить динамические нагрузки и снизить изгибающие усилия, оказываемые на редуктор. При этом эксцентрики устанавливают на валу таким образом, что шестерни развернуты на 180° друг относительно друга и их эксцентриситеты диаметрально противоположны.

Также является предпочтительным, если в сервоприводе используется комбинированный конический подшипник, на котором установлено приводное кольцо. Такой подшипник включает внутренние кольца подшипника, внешние кольца подшипника и ролики, причем ролики установлены поочередно с поворотом на 90° друг относительно друга. Конический подшипник обеспечивает компактность сервопривода за счет его интегрированности в конструкцию, способность воспринимать одновременно радиальные и осевые нагрузки, позволяет легко устранять люфты.

Для целей осуществления контроля частоты вращения и определения текущего положения ротора и приводного кольца сервопривод может дополнительно содержать соответственно датчик частоты вращения ротора и датчик частоты вращения приводного кольца. При этом шестерня датчика частоты вращения ротора и шестерня датчика частоты вращения приводного кольца предпочтительно установлены на задней крышке, соединенной с зубчатым колесом.

Далее изобретение и некоторые возможные варианты его осуществления более подробно поясняются со ссылками на фигуры, на которых показаны: на фиг. 1 - общий вид варианта исполнения заявленного сервопривода; на фиг. 2 - упрощенный вид варианта исполнения сервопривода в разрезе; на фиг. 3 - чертеж варианта исполнения сервопривода (основной вид), область А - увеличенный вид кольцевого подшипника, сечение Б-Б - увеличенный вид роликов кольцевого подшипника.

На фигурах ссылочными позициями отмечены:

1 - сервопривод; 2 - передняя крышка;

3 - датчик крутящего момента;

4 - приводное кольцо;

5 - зубчатое колесо;

6 - задняя крышка;

7, 8 - крепежные отверстия;

9 - электродвигатель;

10 -статор;

11 - ротор;

12 - вал;

13 - эксцентрик;

14 - шестерня;

15 - подшипник;

16 - отверстия шестерни;

17 -штифт;

18 - кольцевой подшипник;

19 - ступица;

20 - обод;

21.1, 21.2 - внешние кольца;

22.1, 22.2 - внутренние кольца;

23 - ролик;

24 - регулировочная шайба;

25 - датчик частоты вращения приводного кольца;

26 - датчик частоты вращения ротора;

27 - приводная шестерня датчика частоты вращения приводного кольца;

28 - шестерня датчика частоты вращения приводного кольца;

29 - магнит датчика частоты вращения приводного кольца;

30 - приводная шестерня датчика частоты вращения ротора;

31 - шестерня датчика частоты вращения ротора;

32 - магнит датчика частоты вращения ротора. На фиг. 1 приведен общий вид сервопривода 1, габаритные размеры которого по существу определяются передней крышкой 2, на которой может размещаться плата питания и управления сервоприводом 1, наружной поверхностью датчика 3 крутящего момента, наружной поверхностью приводного кольца 4, посредством которого передается крутящий момент подвижным элементам внешнего приводимого устройства, наружной поверхностью зубчатого колеса 5 с внутренним зацеплением и задней крышкой 6.

Согласно конструкции сервопривода 1 , передняя крышка 2 и датчик 3 крутящего момента являются относительно неподвижными и могут крепиться на приводимом устройстве посредством, например, винтов, для чего на наружной поверхности датчика 3 крутящего момента могут быть выполнены крепежные отверстия 7. Приводное кольцо 4, зубчатое колесо 5 и задняя крышка 6 соединены вместе, выполнены вращающимися относительно передней крышки 2 и датчика 3 крутящего момента и могут крепиться к подвижным элементам приводимого устройства посредством, например, винтов, для чего на приводном кольце 4 могут быть выполнены ответные крепежные отверстия 8. Возможны и другие варианты реализации крепления элементов сервопривода 1 к управляемому устройству и его подвижным элементам.

На фиг. 2 представлен упрощенный вид варианта заявленного сервопривода 1 в разрезе. Сервопривод 1 содержит датчик 3 крутящего момента, электродвигатель 9 со статором 10 и ротором 11, соединенный с ротором 11 вал 12, установленный в корпусе на подшипниках и на котором, в свою очередь, установлен циклоидальный редуктор. Является предпочтительным выполнение вала 12 составным, как для примера показано на фиг. 3.

Циклоидальный редуктор в общем случае включает следующие компоненты: по меньшей мере один эксцентрик 13, установленный на валу 12; шестерню 14, установленную на эксцентрике 13 через подшипник 15, при этом в шестерне 14 выполнены отверстия 16 шестерни (см. фиг. 3); зубчатое колесо 5, входящее своими внутренними зубьями в зацепление с внешними зубьями шестерни 14; штифты 17, которые проходят через отверстия 16 шестерни, причем диаметр отверстий 16 шестерни больше диаметра штифтов 17. При приведении ротора 11 во вращение начинает вращаться установленный на валу 12 эксцентрик 13, вызывая плоскопараллельное перемещение шестерни 14 в ее плоскости, определяемое величиной эксцентриситета эксцентрика 13. В свою очередь, такое перемещение шестерни 14 приводит к вращению зубчатого колеса 5 и соединенного с ним приводного кольца 4, установленных на кольцевом подшипнике 18, тем самым приводя во вращение подвижный элемент приводимого устройства (на фигурах не показан). Передаточное отношение такого редуктора определяется соотношением количества зубьев шестерни 14 и зубчатого колеса 5, и оно максимально, если количество зубьев шестерни 14 меньше количества зубьев зубчатого колеса 5 на единицу.

В кольцевом подшипнике 18 жестко закреплены штифты 17. При этом сам кольцевой подшипник 18 соединен со ступицей 19 датчика 3 крутящего момента, а обод 20 указанного датчика 3 соединен с передней крышкой 2 (см. фиг. 3). Между собой ступица 19 и обод 20 соединены ребрами (на фигурах не показаны). Размещенные на ребрах датчики деформации, например тензорезисторы или емкостные датчики (на фигурах не показаны), могут определять величину деформации ребер. Такая конструкция датчика 3 крутящего момента является достаточно компактной, а его размещение согласно настоящему изобретению позволяет легко контролировать величину передаваемого сервоприводом крутящего момента. Крутящий момент передается через шестерню 14 на штифты 17, а от штифтов 17 - на ступицу 19. При этом происходит деформация имеющих определенную гибкость ребер, которая фиксируется датчиками деформации, и по ее величине определяется передаваемый крутящий момент.

В предпочтительном варианте исполнения изобретения используются два эксцентрика 13 и, соответственно, установленные на них через два подшипника 15 две шестерни 14, как для примера показано на фиг. 2, 3. При этом эксцентрики 13 устанавливаются на валу 12 таким образом, что шестерни 14 развернуты на 180° друг относительно друга, а их эксцентриситеты диаметрально противоположны. Это позволяет дополнительно повысить максимальную величину передаваемого крутящего момента, уравновесить динамические нагрузки и снизить изгибающие усилия, оказываемые на элементы циклоидального редуктора. Согласно еще одному предпочтительному варианту исполнения заявленного сервопривода 1, подробно показанному на фиг. 3, кольцевой подшипник 18 выполняют в виде комбинированного конического подшипника, который включает внешние кольца 21.1, 21.2, внутренние кольца 22.1, 22.2 и размещенные между ними ролики 23 (см. увеличенный вид А на фиг. 3). При этом ролики 23 устанавливают поочередно с поворотом на 90° друг относительно друга (см. сечение Б-Б на фиг. 3). Такой кольцевой подшипник 18 одновременно может воспринимать радиальные и осевые нагрузки, что обычно требует использования двух подшипников, приводя к увеличению веса и размеров устройства. Кроме того, кольцевой подшипник 18 может содержать регулировочные шайбы 24, которые при такой конструкции позволяют легко устранять люфты. Таким образом, использование подобного кольцевого подшипника 18 позволяет снизить габариты и массу сервопривода 1 при сохранении или даже повышении его нагрузочной способности.

Кроме того, сервопривод 1 может содержать датчик 25 частоты вращения приводного кольца и/или датчик 26 частоты вращения ротора для контроля частоты вращения и текущего положения соответственно приводного кольца 4 и ротора 11.

Для измерения частоты вращения и определения положения приводного кольца 4 на штифтах 17 закрепляется приводная шестерня 27 датчика частоты вращения приводного кольца, с которой своими зубьями сцеплена шестерня 28 датчика частоты вращения приводного кольца. В свою очередь, указанная шестерня 28 установлена на задней крышке 6 через подшипники с возможностью вращения и содержит магнит 29 датчика частоты вращения приводного кольца. Как было указано выше, приводное кольцо 4, зубчатое кольцо 5 и задняя крышка 6 соединены, так что вращение приводного кольца 4 вызывает вращение задней крышки 6. При этом шестерня 28, обкатываясь по приводной шестерне 27, вращается вместе с установленным в ней магнитом 29 вокруг своей оси, совершая тем самым планетарное движение. Перемещение магнита 29 датчика фиксируется датчиком 25 частоты вращения приводного кольца, и таким способом определяется частота вращения и положение приводного кольца 4.

Для измерения частоты вращения и определения положения ротора 11 на валу 12 установлена приводная шестерня 30 датчика частоты вращения ротора, с которой своими зубьями сцеплена шестерня 31 датчика частоты вращения ротора. В свою очередь, указанная шестерня 31 установлена на задней крышке 6 через подшипники с возможностью вращения и содержит магнит 32 датчика частоты вращения ротора. Вращение установленной на валу 12 приводной шестерни 30 приводит к вращению шестерни 31 и, соответственно, вращению магнита 32 относительно датчика 26 частоты вращения ротора. Таким способом определяется частота вращения и положение ротора И.

Заявленный сервопривод характеризуется компактной и легкой конструкцией, повышенной нагрузочной способностью и при этом включает средства измерения передаваемого крутящего момента.