CN102401709A - 转矩检测设备和机器人设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转矩检测设备和机器人设备。该转矩检测设备包括基部、驱动部和检测部。驱动部包括：转子，其在第一轴的方向上具有主轴；和定子，其被配置为使所述转子绕所述主轴旋转。检测部包括应变体和检测元件。应变体包括被固定到所述基部的第一端部、和被固定到所述转子的第二端部，并被设置为与所述转子同心。检测元件被设置到所述应变体上，以检测所述应变体相对于所述基部的绕所述第一轴的应变。

Description

转矩检测设备和机器人设备

技术领域

本发明涉及一种用于检测例如作用在无限旋转轴上的旋转转矩的转矩检测设备、以及包括该转矩检测设备的机器人设备(robotapparatus)。

背景技术

在现有技术中，作为测量旋转转矩的方法，已知下面的方法。具体地，在该方法中，在作为检测目标的驱动轴和支持该驱动轴以使其可旋转的固定部分之间提供应变体。通过检测应变体的形变量，测量绕驱动轴的轴作用的旋转转矩。例如，下面的日本专利No.3136816(下文称为专利文献1)公开了一种具有转矩传感器的机器人臂(robot arm)，其包括内环、外环和传感器。内环耦接到由伺服电机驱动并由减速器(reducer)减速的轴。外环耦接到机器人臂的第一构件。传感器检测由于旋转转矩引起的内环和外环之间的相对位移。这种机器人臂检测在第一构件的旋转期间产生的内环和外环之间的相对位移，从而测量作用在第一构件上的旋转转矩。

发明内容

近年来，需要开发测量例如轮的无限旋转的旋转器的旋转转矩的技术。然而，利用上述专利文献1中公开的配置，转矩传感器与被测目标一起无限地旋转。结果，附接到转矩传感器的传感器缆线缠绕在旋转轴的外周周围，使得难于正确地检测转矩。

另外，被设置在输入轴和输出轴之间的转矩传感器易受其他轴部件的影响。从而，还存在不可能精确地检测仅仅希望的旋转轴部件的转矩值的问题。

考虑上述情况，需要提供一种能够正确地检测无限旋转的旋转器的旋转转矩的转矩检测设备和机器人设备。

根据本发明的一个实施例，提供一种转矩检测设备，该转矩检测设备包括基部、驱动部和检测部。

驱动部包括在第一轴的方向具有主轴的转子和配置为使转子绕主轴旋转的定子。

检测部包括应变体和检测元件。应变体包括被固定到基部的第一端部和被固定到转子的第二端部，并与转子同心地设置。检测元件被设置到应变体上以检测应变体相对于基部的绕第一轴的应变。

在转矩检测设备中，驱动部通过定子绕第一轴旋转转子。当旋转转子时，定子接收在与转子的旋转方向相反的方向上的驱动反作用力。然后，检测部检测转子作用在定子上的驱动反作用力，从而检测转子的旋转转矩。也就是说，设置在基部和定子之间的应变体通过作用在定子上的驱动反作用力绕第一轴发生形变，并且检测元件检测应变体的应变。如上所述，在没有与转子一起旋转检测部的情况下检测转子的旋转转矩。从而，可以正确地检测无限旋转转子的旋转转矩。

通常，对于驱动部，使用电机(电力电机)。除此之外，对于驱动部，还可以使用例如旋转筒的致动器，其利用例如气动压力或液动压力的流体压力作为驱动介质来旋转转子。

转矩检测设备还可以包括框体。框体被固定到基部，以支持定子使其可以绕第一轴旋转。

在该配置中，通过框体将定子支持到基部以使其可旋转，从而可以有效地消除轴部件的除绕第一轴的相对于定子的旋转转矩之外的影响。从而，可以正确地检测仅仅绕第一轴的旋转转矩。

转矩检测设备还可以包括旋转构件。旋转构件被设置在框体周围，以便由于转子的旋转而可以绕第一轴旋转。

旋转构件被设置在框周围，从而可以实现转矩检测设备的沿第一轴的方向的尺寸的减小。结果，可容易地消除其他轴部件，从而可以防止降低检测精度。

旋转构件例如是轮胎。在该情况中，转矩检测设备被配置为旋转轮胎的轮。从而，可以正确地且高精度地检测无限旋转轮的旋转转矩。另外，可以高精度地控制对轮的旋转驱动。

对于构成检测部的应变体的配置没有特别的限制，可以使用各种配置。例如，应变体可包括轴状部，其在两端包括第一端部和第二端部。在该情况中，检测元件被提供到轴状部。

可替换地，应变体可包括第一环状体、第二环状体和连接部。第一环状体包括第一端部并被形成为具有第一直径。第二环状体包括第二端部并被形成为具有不同于第一直径的第二直径。连接部被配置为连接在第一环状体和第二环状体之间。在该情况中，检测元件被提供到连接部。

根据本发明的另一实施例，提供一种机器人设备，其包括主体、驱动部、检测部和轮。

驱动部包括在第一轴的方向具有主轴的转子和被配置为使转子绕主轴旋转的定子。

检测部包括应变体和检测元件。应变体包括被固定到主体的第一端部和被固定到转子的第二端部，并与转子同心地设置。检测元件被提供到应变体，以检测应变体相对于主体的绕第一轴的应变。

轮耦接到转子以便由于转子的旋转而绕第一轴旋转，从而移动主体。

在机器人设备中，驱动部驱动转子，从而绕第一轴旋转轮。当轮旋转时，定子接收在与轮的旋转方向相反的方向上的驱动反作用力。然后，检测部检测作用在定子上的轮的驱动反作用力，从而检测轮的旋转转矩。也就是说，通过作用在定子上的驱动反作用力，被设置在主体和定子之间的应变体绕第一轴发生形变，并且，检测元件检测应变体的应变。如上所述，在没有与轮一起旋转检测部的情况下，检测轮的旋转转矩。从而，可以正确地检测无限旋转轮的旋转转矩。

根据本发明的实施例，可以正确地检测无限旋转旋转器的旋转转矩。

根据下面的对附图所示的本发明的最佳实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1是根据本发明实施例的机器人设备的正视图；

图2是包括根据本发明实施例的转矩检测设备的轮的截面图；

图3是轮的分解透视图；

图4是示出构成转矩检测设备的应变体的形状的透视图；

图5是示出应变体的另一配置实例的透视图；

图6是示出根据另一实施例的机器人设备的正视图；

图7是根据另一实施例的机器人设备的后视图；

图8是根据另一实施例的机器人设备的平面图；

图9是根据另一实施例的机器人设备的仰视图；

图10是根据另一实施例的机器人设备的右侧视图；以及

图11是根据另一实施例的机器人设备的左侧视图。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明实施例的机器人设备的正视图。根据该实施例的机器人设备100被配置为仿人服务机器人，其能够通过多个轮142R、142L在地面(地板)5上移动。

[机器人设备]

机器人设备100包括头部分110、身体部分120、左臂部分130L和右臂部分130R、以及移动部分140。

头部分110包括头部分主体111、用于捕捉环境作为图像信息的照相机112、以及被耦接到身体部分120的颈114。身体部分120包括身体部分主体122，以及被分别耦接到左臂部分130L和右臂部分130R的左肩121L和右肩121R。

左臂部分130L和右臂部分130R分别包括第一臂131L、131R，耦接到第一臂的第二臂，以及耦接到第二臂的手135L、135R。在图1中，使得手135L、135R置于机器人的前面，第二臂相对于第一臂131L、131R向前方向弯曲约90度。从而，在图1中，第二臂分别置于手135L、135R的后面。

移动部分140包括耦接到身体部分120的移动部分主体141和多个轮142L、142R。移动部分主体141容纳用于轮142L、142R的驱动电源(例如电池)143，和用于驱动控制的控制器144等。驱动电源143和控制器144还可以用作用于构成头部分110、身体部分120和臂部分130L、130R的关节部分的致动器中的每一个的驱动电源和控制器。

例如，轮142L、142R在前后左右的四个位置处被提供到移动部分主体141的底部。所有的轮142L、142R或者至少一对左轮142L和右轮142R包括旋转驱动源。另外，其中，至少一个轮包括用于检测该轮的旋转转矩的转矩检测机构(转矩检测设备)。控制器144根据来自转矩检测机构的信号输出测量旋转转矩，并控制轮142L、142R的驱动转矩。

[转矩检测机构]

在下文中，将参考图2和图3描述包括转矩检测机构的轮的配置。这里，将描述其中将转矩检测机构应用到轮142的实例。

图2是示出轮142L的内部结构的截面图，图3是分解透视图。在图2中，X轴方向和Y轴方向表示相互正交的水平方向，而Z轴方向表示垂直方向。

转矩检测机构200包括基部20、驱动部30和检测部40。转矩检测机构200检测轮142L的旋转转矩，并将其检测信号输出到安装在移动部分主体141中的控制器144。

基部20构成移动部分主体141的一部分，并支持轮142L以使其可旋转。基部20用作静态系统，作为用于在转矩检测机构200中检测轮142L的旋转转矩的基准。

驱动部30包括转子31和定子32。驱动部30具有驱动轮142L的功能。在该实施例中，驱动部30由转子(电转子)构成。转子31包括沿平行于X轴方向的轴Lx(主轴，第一轴)延伸的驱动轴310。定子32使转子31(即，驱动轴310)绕主轴Lx旋转。对转子的种类没有特别的限制。在该实施例中，定子32包括激励线圈，转子31包括永磁体。激励线圈通过缆线320电连接到控制器144。

驱动部30包括轴承构件33和编码器34。轴承构件33在基部20侧上支持驱动轴310以使其可旋转。编码器34检测驱动轴310的旋转角或旋转量。编码器34通过缆线(未示出)电连接到控制器144。

另外，驱动部30包括管状的、容纳定子32的第一电机框35。定子32由第一电机框35一体地支持。第一电机框35的一端通过检测部分40的应变体41安装到基部20。第一电机框35的另一端被电机盖36覆盖。电机盖36在其中心具有通孔，并且驱动轴310被插入到所述通孔中。

驱动部30还包括设置在第一电机框35的外周侧上的第二电机框37(框体)。第二电机框37包括容纳第一电机框35的管状部37a和被固定在基部20上的固定端部37b。

在管状部37a和第一电机框35的外周之间设置有轴承构件38。第一电机框35由第二电机框37支持从而可旋转。固定端部37b在管状部37a的基部20侧的一端具有基本环形的法兰形状(flangeshape)。固定端部37b通过多个螺钉构件被固定到基部20。

应该注意到，在第二电机框37中，形成有切口37c，用于将用于定子32、编码器34、检测部40的检测元件42等的布线缆线拉出到驱动部30的外部。

轮142L包括将耦接到驱动轴310的减速器50和设置在减速器50的输出侧上的旋转构件54。减速器50由行星齿轮构成，其以预定的减速比减少驱动轴310的旋转速度，从而产生预定的旋转转矩。旋转构件54是形成基本球形轮胎的第一构件51、第二构件52和第三构件53的组件。

第一构件51被耦接到减速器50的外侧，并通过轴承构件55支持，以可以绕支持减速器50的齿轮箱50a旋转。这里，齿轮箱50a通过螺钉构件一体地固定到电机盖36。第二构件52和第三构件53分别耦接到第一构件51的末端。尽管旋转构件54由橡胶材料形成，但是可以使用例如塑料材料的其他材料形成旋转构件54。由于驱动部30的驱动，旋转构件54可绕轴Lx旋转。旋转构件54的形状不限于图中所示的球形，而且可以使用圆柱形。

检测部40包括应变体41和检测元件42。图4是示出应变体41的配置实例的透视图。

例如，应变体41由例如软钢或铝合金的金属材料形成，并被设置在基部20和定子32之间。应变体41包括被固定到基部20的第一法兰部41a、被固定到驱动部30的定子32的第二法兰部41b、以及将第一法兰部41a与第二法兰部41b彼此耦接的轴状部41c。

第一法兰部41a对应于将轴状部41c的一端固定到基部20的第一端部，并具有与轴状部41c同心地形成的多个螺钉孔H1。第二法兰部41b对应于将轴状部41c的另一端固定到定子32的第二端部，并具有与轴状部41c同心地形成的多个螺钉孔H2。应变体41通过穿过螺钉孔H1、H2的螺钉被固定到基部20和第一电机框35。在该实施例中，第二法兰部41b被形成为具有比第一法兰部41a的直径大的直径，并且螺钉孔H2被形成在具有比螺钉孔H1的同心圆的直径大的直径的同心圆中。在该配置中，驱动部30的电机的反作用力可以容易地被传送到轴状部41c。

轴状部41c具有中空圆柱形，并与转子31同心地设置。根据希望的检测灵敏度等，可以正确地设置轴状部41c的内直径、外直径、长度等。

应注意到，在第二法兰部41b，形成有切口41d，用于将用于定子32、编码器34等的布线缆线拉出到驱动部30的外部。

检测元件42被附接到应变体41的轴状部41c。检测元件42用于检测在轴Lx周围的轴状部41c的应变。通常，应变计基于电阻的变化测量形变量。除此之外，例如，可以使用基于磁特性变化测量形变量的元件作为检测元件。

可以使用单个检测元件42，或者可使用多个检测元件42。在使用多个检测元件42的情况下，检测元件42被附接在轴状部41c的周边的多个位置处，该多个位置相对于轴中心对称。例如，当两对夹着轴中心彼此相对的检测元件被相互桥接时，可以构成四规桥(four-gauge bridge)(惠斯通电桥)。

每个检测元件42通过布线缆线(未示出)电连接到控制器144。控制器144基于每个检测元件42的检测信号计算轴状部41c的应变量，从而测量轮142L的旋转转矩。

[操作实例]

下面将描述包括以上述方式配置的转矩检测机构200的轮142L的操作。

当驱动部30的定子32从控制器144接收驱动信号的输入，驱动部30的定子32产生旋转驱动力，通过该旋转驱动力，转子31和驱动轴310绕其轴旋转。减速器50以预定的减速比减少经由驱动轴310输入的旋转速度，从而产生被转换成预定旋转转矩的旋转驱动力。减速器50的输出被传送到旋转构件54，从而绕驱动轴310的轴Lx旋转旋转构件54。

当定子32旋转转子31，定子32接收在与转子31的旋转方向相反的方向上的驱动反作用力。然后，检测部40检测作用在定子32上的来自转子31的驱动反作用力，从而检测转子31的旋转转矩。也就是说，由于作用在定子32上的驱动反作用力，设置在基部20和定子32之间的应变体41绕轴Lx发生形变，并且检测元件42检测应变体41的应变。

控制器144基于检测元件42的输出计算轮142L的旋转转矩。对计算方法没有特别的限制，例如，使用下面的表达式来计算。

T＝τ*Zp...(1)

Zp＝π{(d₂ ⁴-d₁ ⁴)d₂}/16...(2)

τ＝ε*E/(1+v)...(3)

其中，T表示旋转转矩，τ表示剪切应力，Zp表示极截面模量，d₁表示轴状部41c的内直径，d₂表示轴状部41c的外直径，ε表示应变，E表示轴状部41c的纵向弹性模量，以及v表示泊松比。

如上所述，在该实施例的转矩检测机构200中，在没有与转子31一起旋转检测部40的情况下，检测转子31的旋转转矩。从而，可以防止连接到检测元件42的布线缆线绕轴Lx缠绕并中断，并且可以正确地检测无限旋转轮142L的旋转转矩。

另外，驱动部30经由第二电机框37被固定到基部20，从而应变体41可以高精度地检测仅仅围绕轴Lx的旋转转矩，而不会受除轴Lx之外的轴部件的影响。应注意，第一电机框35(定子32)通过轴承构件38支持，以可以绕轴Lx相对于第二电机框37旋转，从而防止定子32由于驱动反作用力而引起的旋转受到第二电机框37的干扰。

如上所述，根据该实施例，可以正确地检测无限旋转轮142L的旋转转矩。从而，可以高精度地执行对机器人设备100的移动控制。另外，还可以检测作用在处于静止状态的轮142L上的旋转转矩，从而可以根据旋转转矩的大小使机器人设备100执行预定操作。

另外，当代替将上述转矩检测机构200仅仅安装在轮142L中，例如，将转矩检测机构200安装在所有的轮中时，对机器人设备100的转动操作变得容易，从而可以改善其机动性。

尽管在上面描述了本发明的实施例，但是本发明不限于此，而且，基于本发明的技术构思可以进行各种修改。

例如，尽管在上述实施例中使用具有如图4所示的形状的应变体41作为检测部40，但是，代替此，可以使用具有如图5所示的形状的应变体71。应变体71包括第一环状体71a、第二环状体71b和连接部71c。

第一环状体71a被形成为具有第一直径，并且包括被固定到基部20的第一端部(端表面)。第二环状体71b被形成为具有第二直径，并且具有被固定到第一电机框35的第二端部(端表面)。第一环状体71a和第二环状体71b彼此同心地设置。在该实施例中，第二环状体71b被形成为具有比第一环状体71a的直径大的直径。

连接部71c将第一环状体71a与第二环状体71b彼此连接。在该实施例中，径向地设置四个连接部71c。在多个连接部71c中，预定的连接部71c被设置有检测元件42。当第二环状体71b在圆周方向上相对于第一环状体71a接收旋转转矩时，每个连接部71c发生形变。这些连接部71c的形变由检测元件42检测并被输出到控制器144。

甚至使用具有这种配置的应变体71，也可以有效地检测作用在定子32上的转子31的驱动反作用力。

服务机器人不限于如图1所示的实施例。例如，可以使用如图6至图11所示的实施例。这里，图6是正视图、图7是后视图，图8是平面图，图9是仰视图，图10是右侧视图，以及图11是左侧视图。

另外，尽管在上述实施例中作为机器人设备100的服务机器人被描述为一个实例，但是本发明不限于此。本发明还可以应用于不载人机器人(unmanned vehicle robot)等。另外，尽管在上述实施例中描述了本发明应用于检测例如轮的无限旋转的旋转构件的转矩的实例，但是本发明还可以用于检测例如机器人的关节部分的任何无限旋转的旋转构件的转矩。

本发明包含与在2010年8月24日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP2010-186887中公开的主题相关的主题，该专利申请的全部内容在此引入作为参考。

本领域技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替换，只要其在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (7)

1.一种转矩检测设备，包括：

基部；

驱动部，该驱动部包括

转子，该转子在第一轴的方向上具有主轴，和

定子，该定子被配置为使所述转子绕所述主轴旋转；以及检测部，该检测部包括

应变体，该应变体包括

被固定到所述基部的第一端部，和

被固定到所述转子的第二端部，所述应变体与所述转子同心地设置，以及

检测元件，该检测元件被设置到所述应变体上，以检测所述应变体相对于所述基部的绕所述第一轴的应变。

2.根据权利要求1所述的转矩检测设备，还包括被固定到所述基部的框体，以支持所述定子能够绕所述第一轴旋转。

3.根据权利要求2所述的转矩检测设备，还包括被设置在所述框体的周围的旋转构件，以由于所述转子的旋转而能够绕所述第一轴旋转。

4.根据权利要求3所述的转矩检测设备，其中所述旋转构件是轮胎。

5.根据权利要求1所述的转矩检测设备，其中

所述应变体包括轴状部，所述轴状部在其两端处包括第一端部和第二端部，以及

所述检测元件被设置到所述轴状部上。

6.根据权利要求1所述的转矩检测设备，其中

所述应变体包括

第一环状体，该第一环状体包括第一端部，并被形成为具有第一直径，

第二环状体，该第二环状体包括第二端部，并被形成为具有与所述第一直径不同的第二直径，以及

连接部，该连接部被配置为连接所述第一环状体与第二环状体，以及

所述检测元件被设置到所述连接部上。

7.一种机器人设备，包括

主体；

驱动部，该驱动部包括

转子，该转子在第一轴的方向上具有主轴，和

定子，该定子被配置为使所述转子绕所述主轴旋转；以及检测部，该检测部包括

应变体，该应变体包括

被固定到所述主体的第一端部，和

被固定到所述转子的第二端部，所述应变体与所述转子同心地设置，以及

检测元件，该检测元件被设置到所述应变体上，以检测所述应变体相对于所述主体的绕所述第一轴的应变，以及

轮，该轮被耦接到所述转子，以由于所述转子的旋转而绕所述第一轴旋转，从而移动所述主体。

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