CN103153555A - 带检测机构的回转致动器及关节单元 - Google Patents

Abstract

在带检测机构的回转致动器(1)中，电动机(30)及减速机(40)以同心状态配置在圆筒状外壳(2)的内部，回转臂(9)的回转位置检测用的刻度尺(14)配置在圆筒状外壳(2)的圆形外周面(3)上，位置检测器(15)装设在沿圆形外周面(3)进行回转的回转臂(9)的与圆形外周面(3)相对的相对部(10)中。由刻度尺(14)和位置检测器(15)所构成的检测机构对能沿圆筒状外壳(2)的圆形外周面(3)在有限的角度范围内进行回转的回转臂(9)的回转位置进行检测。能实现一种将各部件以同心状态进行配置、适用作手指关节单元的、轴长较短、小型且紧凑的带检测机构的回转致动器。

Description

带检测机构的回转致动器及关节单元

技术领域

本发明涉及一种包括能沿圆筒状外壳的圆形外周面在有限的角度范围内进行回转的回转臂的回转致动器，此外，还涉及一种包括用于检测回转臂的回转位置的检测机构的小型且结构紧凑的回转致动器。

背景技术

在机器人臂部的手腕和肘等关节部、机器人手部的手指关节部等中安装有致动器，该致动器使安装在关节部的关节轴上的构件在有限的角度范围内进行旋转或回转。作为这样的致动器，如专利文献1中记载的那样，已知有一种将电动机与减速机同轴状地串联连接，并使与它们的中心轴线同轴配置的关节轴绕该中心轴线进行旋转的结构。此外，如专利文献2中记载的那样，已知有一种通过由一对伞齿轮所构成的减速齿轮机构传递电动机输出旋转而使与电动机轴正交的关节轴进行旋转的结构。

此处，作为用于检测关节轴的旋转位置、回转位置的检测机构，如专利文献1中记载的那样，已知有一种利用配置在反射板外侧的反射型光传感器对形成在减速机的输出轴的外周面上的反射板进行检测的结构。此外，如专利文献3中记载的那样，已知有一种在同轴状地安装在转轴上的圆筒旋转体的外周面上形成刻度尺，利用配置在外周侧的反射型光传感器对其进行检测的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006-141101号公报

专利文献2：日本专利特开2004-122339号公报

专利文献3：日本专利特开平08-254439号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在专利文献1中记载的那样的使关节轴绕电动机轴线进行旋转的致动器中，由于成为将电动机与减速机串联连结的结构，因此，轴长变长。因此，有时不适合在轴长较短的机器人手部的手指单元的关节等中使用。此外，作为检测致动器的旋转位置的检测机构，在将专利文献3中记载的光学式旋转编码器安装在电动机轴或关节轴等上的情况下，轴长会进一步变长，对关节部的小型化、紧凑化不利。

鉴于上述问题，本发明的技术问题在于提供一种回转致动器，该回转致动器包括用于对能沿圆筒状外壳的圆形外周面在有限的角度范围内进行回转的回转臂的回转位置进行检测的检测机构，并具有适于用作手指关节单元的、小型且紧凑的结构。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述技术问题，本发明的回转致动器的特征在于，具有：圆筒状外壳；固定支轴及旋转输出轴，该固定支轴及旋转输出轴从圆筒状外壳的两端面朝向外侧同轴状地突出；回转臂，该回转臂包括架设在固定支轴与旋转输出轴之间且与圆筒状外壳的圆形外周面相对的相对部，并能沿圆形外周面在有限的角度范围内进行回转；刻度尺，该刻度尺为了检测回转臂的回转位置而在圆形外周面上沿其圆周方向形成；位置检测器，该位置检测器为了读取刻度尺而装设在回转臂的相对部中；电动机，该电动机以同心状态组装在圆筒状外壳的内部；以及减速机，该减速机为了将电动机的输出旋转进行减速后输出给旋转输出轴，在圆筒状外壳的内部，以同心状态组装在电动机的内侧，回转臂的一端被固定支轴支承成能自由旋转，另一端与旋转输出轴连结。

此处，作为刻度尺，使用一种沿圆周方向以规定的间隔形成有光反射面的刻度尺，能使用反射型光传感器作为位置检测器，该反射型光传感器包括：发光元件，该发光元件对刻度尺射出检测光；以及接收元件，该接收元件接收被刻度尺的反射面反射后的检测光成分。

此外，能使用具有以下结构的圆筒状外壳，即，包括：圆筒状主体部，该圆筒状主体部形成有圆形外周面；第一端板部，该第一端板部对圆筒状主体部的一端进行封闭；以及第二端板部，该第二端板部对圆筒状主体部的另一端进行封闭。在此情况下，固定支轴与第一端板部一体形成，旋转输出轴以贯通在第二端板部上形成的通孔的状态进行配置，并利用安装在该通孔的内周面上的轴承将旋转输出轴支承成能自由旋转的状态。

此外，同心状地组装在圆筒状外壳内的电动机包括：电动机定子，该电动机定子安装在圆筒状主体部的内周面上并呈圆筒状；电动机转子，该电动机转子空开一定的间隙同心状地配置在电动机定子的内侧，并包括圆筒部及对该圆筒部的第一端板部一侧的端部进行封闭的圆盘部，该电动机转子呈杯状；电动机轴,该电动机轴同心状地固定在电动机转子的圆盘部的中心部，并贯通该圆盘部进行延伸；以及磁力检测元件，该磁力检测元件为了检测电动机转子的磁极位置而安装在第二端板部的内侧端面上，电动机轴的第一端板部一侧的轴端部被安装在第一端板部的内侧端面的中心部的轴承支承成能自由旋转的状态。

此外，作为同心状地组装在该结构的电动机内侧的减速机，能使用包括刚性内齿齿轮、挠性外齿齿轮及波动发生器的波动齿轮减速机。此情况下的波动齿轮减速机的各构成零件采用下面的结构即可。

刚性内齿齿轮包括与第二端板部一体形成的圆筒部分，该圆筒部分以同心状态配置在电动机转子的上述圆筒部的内侧，其前端延伸至电动机转子的圆盘部的附近位置，并在该前端内周面部分形成有内齿，挠性外齿齿轮包括：能在径向上挠曲的挠性圆筒部分；对该挠性圆筒部分的一端进行封闭的隔膜；形成在该隔膜的中心部分的轴套；以及形成在挠性圆筒部分的开口端的外周面部分的外齿，该挠性外齿齿轮呈杯状，在刚性内齿齿轮的内侧，以轴套朝向第二端板部一侧的状态配置成同心状态，轴套与旋转输出轴以同轴状态相连结，外齿与内齿相对，波动发生器包括：刚性凸轮板，该刚性凸轮板以同心状态形成在电动机轴的从圆盘部朝内侧突出的轴部分上，并具有椭圆形轮廓；以及波形轴承，该波形轴承安装在刚性凸轮板的外周面上，挠性外齿齿轮的挠性圆筒部分上形成有外齿的开口端部分通过该波动发生器而挠曲成椭圆状，并在该椭圆状的长轴方向的两端与内齿啮合，电动机轴的内侧的轴端部被以同轴状态安装在挠性外齿齿轮的轴套上的轴承支承成能自由旋转的状态。

接下来，将本发明的带检测机构的回转致动器串联连结，从而构成用作机器人手部的手指等的多级式的回转致动器。为此所使用的本发明的带检测机构的回转致动器的特征在于，外壳侧连结部形成在圆筒状外壳的圆形外周面上，臂侧连结部形成在回转臂的相对部的外周面上，外壳侧连结部与臂侧连结部能从圆筒状外壳的圆形外周面的径向相互连结。

发明的效果

在本发明的带检测机构的回转致动器中，电动机及减速机以同心状态配置在圆筒状外壳的内部，回转臂的回转位置检测用的刻度尺配置在圆筒状外壳的圆形外周面上，位置检测器装设在沿圆形外周面进行回转的回转臂的与圆形外周面相对的相对部中。即，以回转致动器的中心轴线为中心，减速机、电动机、圆筒状外壳、形成在圆筒状外壳的圆形外周面上的刻度尺、装设在回转臂的与圆形外周面相对的相对部中的位置检测器按此顺序从内侧朝向外侧同心状地进行配置。因此，能实现轴长较短、小型且结构紧凑的带检测机构的回转致动器。

此外，检测机构由形成在圆筒状外壳的圆形外周面上的刻度尺以及装设在回转臂的沿圆形外周面进行回转的相对部中的位置检测器所构成。作为设置上述刻度尺及位置检测器的空间，能利用回转致动器的构成零件即圆筒状外壳的圆形外周面及回转臂的相对部的内部，因此，无需在回转致动器的轴线方向或径向上追加专用的设置空间。因此，无需为了附加检测机构而增加回转致动器的轴长或直径，能实现小型且紧凑的带检测机构的回转致动器。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的带检测机构的回转致动器的主视图及侧视图。

图2是以图1(b)的A-A线剖切带检测机构的回转致动器时的纵剖视图。

图3是表示连结成多级的带检测机构的回转致动器的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对应用了本发明的带检测机构的回转致动器的实施方式进行说明。

图1是表示本发明的实施方式所涉及的带检测机构的回转致动器的主视图及侧视图。带检测机构的回转致动器1(以下有时也简称为“回转致动器1”)包括供各构成零件装入的圆筒状外壳2。该圆筒状外壳2包括一定宽度的圆形外周面3、位于该圆筒状外壳2的中心轴线1a方向的两侧的圆形第一外侧端面4及第二外侧端面5，圆形外周面3与第一外侧端面4、第二外侧端面5之间分别通过圆弧面3a、3b而平滑地连续。

圆筒状的安装用凸缘6从圆筒状外壳2的圆形外周面3朝径向外侧突出，能将回转致动器1安装在规定的部位。此外，固定支轴7及旋转输出轴8分别从两侧的第一外侧端面4及第二外侧端面5以与中心轴线1a同轴的状态朝外侧突出。回转臂9架设在上述固定支轴7及旋转输出轴8之间。

回转臂9是沿圆筒状外壳2的外周面的U字形的臂，其中央部分成为以一定间隙与圆筒状外壳2的圆形外周面3相对的相对部10。回转臂9的一侧的第一臂端部11经由轴承19(参照图2)以能自由旋转的状态安装在固定支轴7上，另一侧的第二臂端部12与旋转输出轴8连结而得到固定。若使旋转输出轴8旋转，则回转臂9以中心轴线1a为中心，沿圆筒状外壳2的圆形外周面3在有限的角度范围内进行回转。本例中，将相对于安装用凸缘6构成180度的角度位置(图中所示的朝向上方的位置)设为中立位置9A，回转臂9能以此为中心，在前后小于180的角度范围内、例如在位置9B至9C的范围内进行回转。

能利用光学式的旋转编码器13对回转臂9的回转位置(旋转输出轴8的旋转位置)进行检测。光学式的旋转编码器13包括：粘贴在圆筒状外壳2的圆形外周面3上的刻度尺板14；以及装设在回转臂9的相对部10中的位置检测器15。刻度尺板14是粘贴在包含回转臂9的回转角度范围的角度范围内的一定宽度的板，在其表面上沿圆周方向以一定的间隔形成有由光反射面构成的刻度尺。位置检测器15是反射型光传感器，其包括：对刻度尺板14的表面射出检测光的发光元件；以及接收被光反射面反射后的检测光成分的接收元件。

接下来，图2是在图1(b)的A-A线进行剖切时的回转致动器1的纵剖视图。参照该图对回转致动器1的内部结构进行说明。首先，圆筒状外壳2包括：形成有圆形外周面3的圆筒状主体部21；以及对该圆筒状主体部21的中心轴线1a方向的一端进行封闭的第一端板部22和对另一端进行封闭的第二端板部23。在第一端板部22的中心一体地形成有固定支轴7。在第二端板部23的中心形成有通孔23a，轴承24安装在通孔23a的内周面上，旋转输出轴8被轴承24支承成能自由旋转的状态。

将电动机30及波动齿轮减速机40以同心状态安装在圆筒状外壳2的内部。电动机30包括卷绕有定子线圈31的圆筒状的电动机定子32，在其内侧，以一定的间隙同心状态地配置有电动机转子34，在该电动机转子34上安装有转子磁体33。电动机定子32安装在圆筒状外壳2的圆筒状主体部21的内周面上。电动机转子34包括圆筒部34a、从该圆筒部34a的第一端板部22一侧的端部朝内侧延伸的圆盘部34b，并且电动机转子34呈杯状，转子磁体33安装在圆筒部34a上。电动机轴35同心状地固定在电动机转子的圆盘部34b的中心部。

电动机轴35贯通圆盘部34b而朝其两侧突出。电动机轴35的朝第一端板部22一侧突出的轴端部35a被安装在第一端板部22的内侧端面的中央的轴承36支承成能自由旋转的状态。电动机轴35的朝相反侧突出的轴端部35b如后所述被安装在波动齿轮减速机40的减速旋转输出构件一侧的轴承37支承成能自由旋转的状态。

此处，在与电动机转子34的转子磁体33相对的第二端板部23的内侧端面的外周侧的部位安装有电动机磁极位置检测用的磁力检测元件、例如霍尔元件38。电动机30例如是三相电动机，基于从霍尔元件38获取到的检测信号生成表示其UVW相的各相的位置的信号。

接下来，将波动齿轮减速机40同心状地组装在电动机30的电动机转子34的圆筒部34a的内侧。波动齿轮减速机40包括刚性内齿齿轮41、杯状的挠性外齿齿轮42及椭圆形轮廓的波动发生器43。刚性内齿齿轮41包括与第二端板部23一体形成的圆筒部分41a，该圆筒部分41a以同心状态配置在电动机转子34的圆筒部34a的内侧。圆筒部分41a的前端延伸到电动机转子34的圆盘部34b的附近位置，在其前端内周面部分形成有内齿41b。

杯状的挠性外齿齿轮42包括：能在径向上挠曲的挠性圆筒部分42a；对该挠性圆筒部分42a的一端进行封闭的隔膜42b；形成在该隔膜42b的中心部分的轴套42c；以及形成在挠性圆筒部分42a的开口端的外周面部分的外齿42d。将挠性外齿齿轮42以轴套42c朝向第二端板部23一侧的状态同心状态地配置在刚性内齿齿轮41的圆筒部分41a的内侧，并使外齿42d与内齿41b相对。本例中，旋转输出轴8与轴套42c一体形成。

波动发生器43包括：椭圆形轮廓的刚性凸轮板43a；以及安装在刚性凸轮板43a的外周面上的波形轴承43b。刚性凸轮板43a与电动机轴35的从电动机转子34的圆盘部34b朝内侧突出的轴部分同心状态地一体形成。挠性外齿齿轮42的形成有外齿42d的开口端部分因波动发生器43而挠曲成椭圆状，并在该椭圆状的长轴方向的两端与内齿41b啮合。

此处，在挠性外齿齿轮42的内侧，将朝电动机轴35一侧开口的杯状的轴承构件44同轴状态地固定在轴套42c上。电动机轴35的内侧的轴端部35b被安装在该轴承构件44中的轴承37支承成能自由旋转的状态。

对该结构的回转致动器1的动作进行说明。若驱动电动机30使电动机轴35旋转，则与电动机轴35连结的波动齿轮减速机40的波动发生器43一体地进行旋转。由此，挠性外齿齿轮42与刚性内齿齿轮41的啮合位置在圆周方向上进行移动(进行旋转)。挠性外齿齿轮42与刚性内齿齿轮41相比齿数少2n(n为正整数)片，通常少2片。因此，若啮合位置发生移动，则在两个齿轮41与42之间产生与齿数差相对应的相对旋转。由于刚性内齿齿轮41是固定侧，因此，挠性外齿齿轮42进行减速旋转。即，与挠性外齿齿轮42连结的旋转输出轴8进行旋转，与旋转输出轴8连结的回转臂9沿圆筒状外壳2的圆形外周面3进行回转。

利用光学式的旋转编码器13能检测出回转臂9的回转位置。在未图示的电动机驱动控制装置中，基于回转臂9的回转位置及电动机30的磁极位置来驱动控制电动机30，能将回转臂9定位在作为目标的回转位置上。本例中，使用粘贴在圆筒状外壳2的圆形外周面3上的刻度尺。即，与将刻度尺配置在其他部分的情况相比，将刻度尺配置在回转臂9的回转半径最大的部分。因此，能提高检测机构的分辨率。

(应用例)

本例的回转致动器1能用作机器人的关节单元，例如机器人臂部的肘关节单元、手腕关节单元、机器人手部的手指关节单元等。在此情况下，为了构成多关节的手指，优选能将由本例的回转致动器所构成的手指关节单元进行串联连结而多级化。

为此，例如，如图3所示，将安装用凸缘6(外壳侧连结部)预先配置在回转致动器1的圆筒状外壳2的圆形外周面3上，并将臂侧连结部16安装在回转臂9的相对部10的外周面上。而且，预先使臂侧连结部16成为能与安装用凸缘6(外壳侧连结部)连结的结构。由此，如图中虚线所示，能将回转致动器1多级连结而构成多关节手指单元。

符号说明

1带检测机构的回转致动器

2圆筒状外壳

3圆形外周面

4第一外侧端面

5第二外侧端面

6安装用凸缘

7固定支轴

8旋转输出轴

9回转臂

9A中立位置

9B、9C回转位置

10相对部

11第一臂端部

12第二臂端部

13光学式的旋转编码器

14刻度尺

15位置检测器

16臂侧连结部

19轴承

21圆筒状主体部

22第一端板部

23第二端板部

24轴承

30电动机

31定子线圈

32电动机定子

33转子磁体

34电动机转子

34a圆筒部

34b圆盘部

35电动机轴

35a、35b轴端部

36、37轴承

38霍尔元件

40波动齿轮减速机

41刚性内齿齿轮

41a圆筒部分

41b内齿

42挠性外侧齿轮

42a挠性圆筒状主体部

42b隔膜

42c轴套

42d外齿

43波动发生器

43a刚性凸轮板

43b波形轴承

44轴承构件

Claims (7)

1.一种带检测机构的回转致动器，其特征在于，具有：

圆筒状外壳；

固定支轴及旋转输出轴，该固定支轴及旋转输出轴从所述圆筒状外壳的两端面朝向外侧同轴状地突出；

回转臂，该回转臂架设在所述固定支轴与所述旋转输出轴之间且包括与所述圆筒状外壳的圆形外周面相对的相对部，该回转臂能沿所述圆形外周面在有限的角度范围内进行回转；

刻度尺，该刻度尺为了检测所述回转臂的回转位置而在所述圆形外周面上沿其圆周方向形成；

位置检测器，该位置检测器为了读取所述刻度尺而装设在所述回转臂的所述相对部中；

电动机，该电动机以同心状态组装在所述圆筒状外壳的内部；以及

减速机，该减速机为了将所述电动机的输出旋转进行减速后输出给所述旋转输出轴，在所述圆筒状外壳的内部，以同心状态组装在所述电动机的内侧，

所述回转臂的一端被所述固定支轴支承成能自由旋转，另一端与所述旋转输出轴相连结。

2.如权利要求1所述的带检测机构的回转致动器，其特征在于，

所述刻度尺沿所述圆周方向以规定的间隔形成有光反射面，

所述位置检测器是反射型光传感器，其包括：发光元件，该发光元件对所述刻度尺射出检测光；以及接收元件，该接收元件接收被所述刻度尺的反射面反射后的检测光成分。

3.如权利要求1所述的带检测机构的回转致动器，其特征在于，

所述圆筒状外壳包括：圆筒状主体部，该圆筒状主体部形成有所述圆形外周面；第一端板部，该第一端板部对圆筒状主体部的一端进行封闭；以及第二端板部，该第二端板部对所述圆筒状主体部的另一端进行封闭，

所述固定支轴与所述第一端板部一体形成，

所述旋转输出轴贯通在所述第二端板部上形成的通孔进行延伸，并被安装在该通孔的内周面上的轴承支承成能自由旋转的状态。

4.如权利要求3所述的带检测机构的回转致动器，其特征在于，

所述电动机包括：

电动机定子，该电动机定子安装在所述圆筒状主体部的内周面上并呈圆筒状；

电动机转子，该电动机转子空开一定的间隙同心状地配置在电动机定子的内侧，并包括圆筒部及对该圆筒部的所述第一端板部一侧的端部进行封闭的圆盘部，该电动机转子呈杯状；

电动机轴,该电动机轴同心状地固定在所述电动机转子的所述圆盘部的中心部，并贯通该圆盘部进行延伸；以及

磁力检测元件，该磁力检测元件为了检测所述电动机转子的磁极位置而安装在所述第二端板部的内侧端面上，

所述电动机轴的所述第一端板部一侧的轴端部被安装在所述第一端板部的内侧端面的中心部的轴承支承成能自由旋转的状态。

5.如权利要求4所述的带检测机构的回转致动器，其特征在于，

所述减速机是包括刚性内齿齿轮、挠性外齿齿轮及波动发生器的波动齿轮减速机，

所述刚性内齿齿轮包括与所述第二端板部一体形成的圆筒部分，该圆筒部分以同心状态配置在所述电动机转子的所述圆筒部的内侧，其前端延伸至所述电动机转子的所述圆盘部的附近位置，并在该前端内周面部分形成有内齿，

所述挠性外齿齿轮包括：能在径向上挠曲的挠性圆筒部分；对该挠性圆筒部分的一端进行封闭的隔膜；形成在该隔膜的中心部分的轴套；以及形成在所述挠性圆筒部分的开口端的外周面部分的外齿，所述挠性外齿齿轮呈杯状，在所述刚性内齿齿轮的内侧，以所述轴套朝向所述第二端板部一侧的状态配置成同心状态，所述轴套以同轴状态与所述旋转输出轴相连结，所述外齿与所述内齿相对，

所述波动发生器包括：刚性凸轮板，该刚性凸轮板以同心状态形成在所述电动机轴的从所述圆盘部朝内侧突出的轴部分上，并具有椭圆形轮廓；以及波形轴承，该波形轴承安装在刚性凸轮板的外周面上，所述挠性外齿齿轮的所述挠性圆筒部分上形成有所述外齿的开口端部分通过该波动发生器而挠曲成椭圆状，并在该椭圆状的长轴方向的两端与所述内齿啮合，

所述电动机轴的内侧的轴端部被同轴状态地安装在所述挠性外齿齿轮的所述轴套上的轴承支承成能自由旋转的状态。

6.如权利要求1至5中任一项所述的带检测机构的回转致动器，其特征在于，

在所述圆筒状外壳的圆形外周面上形成有外壳侧连结部，

在所述回转臂的所述相对部的外周面上形成有臂侧连结部，

所述外壳侧连结部与所述臂侧连结部能从所述圆筒状外壳的所述圆形外周面的径向相互连结。

7.一种机器人的关节单元，其特征在于，

该机器人的关节单元由权利要求1至6中任一项所述的带检测机构的回转致动器所构成。

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