CN105965504B - 关节驱动装置和机器人装置 - Google Patents

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Abstract

本发明使得机器人装置的关节驱动装置能够利用简单、便宜、较小、重量轻和坚固的构造来非常精确地测量关节驱动扭矩以及精确和可靠地执行关节扭矩控制，同时不会受到横轴力的影响。一种关节驱动装置，包括：壳体单元，固定于第一连杆；轴承，安装在壳体单元中，并适于可旋转地支撑第二连杆；驱动单元，容纳于壳体单元中，并适于旋转地驱动第二连杆；支撑单元，安装在驱动单元和壳体单元之间，并适于将驱动单元支撑在壳体单元上；以及传感器，适于检测在支撑单元上产生的扭矩。以及一种机器人装置，包括多个关节驱动装置，每个关节驱动装置驱动机器人臂的多个关节中的一个，其中，所述多个关节驱动装置中的至少一个根据上述关节驱动装置来提供。

Description

关节驱动装置和机器人装置
技术领域
本发明涉及一种关节驱动装置，该关节驱动装置设有被可枢转地支撑在第一连杆上的第二连杆，并适于控制第一连杆和第二连杆的相对方位；本发明还涉及一种机器人装置，该机器人装置装备有所述关节驱动装置。
背景技术
近年来，铰接式机器人操纵器已经越来越广泛地使用，并将它们的应用延伸至多个领域，例如与人的协作工作和在工厂中的装配工作，其中，机器人需要执行灵活的运动。这样的机器人装置需要稳定和宽泛的力控制功能，以便跟随外部力。因此，要求构造基于关节水平的扭矩控制(扭矩伺服机构)的控制系统，而不是通常广泛使用的、基于关节位置控制(位置伺服机构)的运动控制系统。扭矩控制需要扭矩检测单元，该扭矩检测单元能够精确检测由机器人臂的关节输出的扭矩。
作为这种类型的机器人装置，例如已知一种多关节机器人，该多关节机器人由多个连杆组成，这些连杆通过多个关节驱动轴联接。这样的多关节机器人臂构造成使得作用在末端侧的部件上的力积累和作用于基部部件(基座或安装件)上。为了提高机器人的响应性和运动性，需要使得整个机器人紧凑和重量轻。为此，需要减小驱动机构的尺寸和重量。
通常，对于这种类型的关节驱动装置，已知这样的构造，其中，适于经由轴承(该轴承适于可旋转地支撑输出连杆)来测量关节的输出扭矩的扭矩检测装置安装在关节驱动装置(包括马达和减速机构)的输出轴(最后级)和输出连杆的驱动轴之间。通常，这种类型的扭矩检测装置由适于根据所施加的扭矩而变形的应变仪或弹性部件以及适于(例如光学地或磁地)检测弹性部件的变形量或扭曲量的传感器装置。
例如，装备有扭矩传感器的机器人臂在“A.Albu-Schaeffer,S.Haddadin,Ch.Ott,A.Stemmer,T.Wimboeck,G.Hirzinger”的“DLR轻量化机器人：用于人类环境中的机器人的设计和控制概念”工业机器人：国际期刊，第34卷第5期第376-385页(2007年)(“The DLRlightweight robot:design and control concepts for robots in humanenvironments”，Industrial Robot:An International Journal,Vol.34,Iss:5,pp.376-385(2007)”)中公开(下文中称为A.Albu-Schaeffer等人的文章)。在A.Albu-Schaeffer等人的文章中公开的机器人臂包括：内部环，该内部环与由伺服马达经由谐波齿轮系来驱动的轴联接；外部环，该外部环与机器人臂的第一部件联接；以及扭矩传感器，该扭矩传感器适于测量扭矩，即内部环和外部环之间的旋转扭矩。利用在A.Albu-Schaeffer等人的文章中公开的机器人臂，当扭矩环绕第一部件的旋转轴作用时在内部环和外部环之间产生的相对位移被检测作为扭矩传感器的弹性部件的扭曲，从而测量作用在第一部件上的旋转扭矩。
不过，在A.Albu-Schaeffer等人的文章所述的构造中，扭矩传感器与测量物体一起旋转，从而使得例如附接在扭矩传感器上的传感器电缆随着驱动轴的运动而变形。因此存在这样的问题：当来自传感器电缆的反作用力不能忽略时，例如当机器人关节有较大操作角度时，很难精确地检测扭矩。还有，对于A.Albu-Schaeffer等人的文章所述的构造，电缆布线机构将变复杂，不容易保证传感器电缆的耐久性。
还有，作为用于球形轮胎(该球形轮胎适于使机器人装置运动)的驱动系统的扭矩检测装置，例如在日本专利申请公开No.2012-047460中提出了这样的构造。在日本专利申请公开No.2012-047460中公开的构造包括驱动单元，该驱动单元由转子和定子组成，其中，转子具有沿第一轴向方向的心轴，定子使转子绕心轴旋转。扭矩检测装置包括应变体和检测元件，其中，应变体与转子同心地布置，并设有固定于基部部分的第一端部部分和固定于定子的第二端部部分，同时检测元件附接于应变体，并适于检测应变体环绕第一轴线的扭曲。
不过，在日本专利申请公开No.2012-047460介绍的构造中，扭矩检测装置的应变体(弹性部件)布置在基部部分和用于驱动机构的支撑机构(轴承)之间。对于这种构造，作用在驱动扭矩输出连杆上的力直接作用在应变体上，从而引起这样的问题：当所述构造应用于机器人装置的关节机构时，扭矩传感器对于横轴分量很敏感。因此，传感器输出值可能在扰动力(而不是环绕驱动轴的所需扭矩)的影响下波动，这可能导致不能准确地检测输出扭矩(下文中，该问题将称为与其它轴向干涉或称为串扰)。
日本专利申请公开No.2012-047460提出一种构造，其中，驱动机构由支撑机构(该支撑机构由轴承和框架体组成)可枢转地支撑，以便降低如上所述的作用在扭矩传感器的弹性部件上的横轴力的影响。不过，由于支撑驱动机构的支撑机构，这种构造将增加复杂性和增大尺寸。特别是，当人们试图将日本专利申请公开No.2012-047460的构造应用于机器人装置的关节时，对于用于驱动机构的支撑机构的轴承，必须保证刚性和强度等于或高于连杆(这些连杆经由关节联接)的刚性和强度，以便维持整个关节的刚性和强度。因此，作为机器人装置的关节驱动装置，关节区域可能变得质量和尺寸都太大。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是使得机器人装置的关节驱动装置能够利用简单、便宜、较小、重量轻和坚固的结构来非常精确地测量关节驱动扭矩以及精确和可靠地执行关节扭矩控制，同时不会受到横轴力的影响。
根据本发明的方面，一种关节驱动装置，包括：壳体单元，该壳体单元固定于第一连杆；轴承，该轴承安装在壳体单元中，并适于可旋转地支撑第二连杆；驱动单元，该驱动单元容纳于壳体单元中，并适于旋转地驱动第二连杆；支撑单元，该支撑单元安装在驱动单元和壳体单元之间，并适于将驱动单元支撑在壳体单元上；以及传感器，该传感器适于检测在支撑单元上产生的扭矩。
根据本发明，扭矩传感器安装在驱动单元和壳体单元之间，以便检测在适于将驱动单元支撑在壳体单元上的支撑单元上产生的扭矩。扭矩传感器能够固定于第一连杆(固定连杆)，从而不需要对用于向扭矩传感器供电和交换信号的传感器电缆进行布线。这使得整个驱动机构的结构简单和紧凑，从而使得整个机器人装置能够减轻重量。还有，能够防止由于关节驱动装置的旋转运动而引起的、传感器电缆的变形，这能够防止传感器电缆损坏以及由于传感器电缆的变形阻力而引起的扭矩检测精度降低。
还有，本发明构造成利用轴承和壳体单元来支撑作用在第二连杆(输出连杆)上的、除了所希望的测量物体的旋转扭矩之外的力分量。因此，除了要检测的旋转扭矩之外的横轴力(扰动力)分量不会作用在用于检测在支撑单元上产生的扭矩的扭矩传感器上。这不需要安装另外的支撑机构来支撑扭矩传感器和驱动单元，能够将整个关节驱动装置构造成简单和紧凑，因此很容易减小关节驱动装置的尺寸和重量，并保证关节驱动装置的刚性。因此，本发明能够减小使用该关节驱动装置的整个机器人装置的尺寸和重量，并提高机器人装置的响应性和灵活性。
通过下面参考附图对示例实施例的说明，将清楚本发明的其它特征。
附图说明
图1是表示能够实施本发明的机器人装置的示意构造的解释图。
图2是表示根据本发明第一实施例的关节驱动装置的构造的解释图。
图3是表示根据本发明第二实施例的关节驱动装置的剖面结构的示意图。
图4是表示根据本发明第三实施例的关节驱动装置的剖面结构的示意图。
图5是表示根据本发明第一实施例的扭矩传感器的示例外部形状的透视图。
图6是表示组成图5的扭矩传感器的弹性体的示例形状的透视图。
图7是表示根据本发明第三实施例的扭矩传感器的示例外部形状的透视图。
图8是表示组成图7的扭矩传感器的弹性体的示例形状的透视图。
图9是表示组成图7的扭矩传感器的弹性体的示例形状的剖视图。
图10是表示在根据本发明的关节驱动装置中将作用在输出连杆上的力传递给固定连杆的路径的解释图。
图11是表示在普通关节驱动装置中将作用在输出连杆上的力传递给固定连杆的路径的解释图。
图12是示意表示在图10和11的构造中力的传递路径的解释图。
具体实施方式
下面将参考附图介绍本发明的示例实施例。应当知道，下面所述的实施例只是示例性，且本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以合适地改变构造细节。还有，在本发明实施例中引用的数字值是指导方案，并不是限制本发明。
[第一实施例]
如图1中所示，机器人装置1包括机器人本体2和用于控制该机器人本体2的控制装置3。机器人本体2装备有手21，作为在例如六轴线竖直多关节机器人臂(下文中称为臂)20的前端部分中的端部执行器。臂20包括7个连杆61至67以及适于使得连杆61至67可摆动或可枢转地联接在一起的六个关节驱动装置71至76。
手21通过附接于臂20的最前侧连杆67而被支撑，并且构造成使得手21的运动(位置和方位的变化)或力将通过臂20的运动来调节。手21包括手本体24和多个手指23，这些手指23布置成可相对于手本体24运动并构造成能够抓紧工件W。
控制装置3包括CPU 30，CPU 30由通用微处理器等来组成。CPU 30通过执行储存在例如ROM 31中的机器人控制程序来控制机器人本体2的运动。这样，RAM 32用作用于程序执行的工作区域。应当知道，ROM 31的程序储存区域可以由可重写的储存介质，例如EEPROM(电可擦可编程只读存储器)来构成。在这种情况下，机器人控制程序能够安装在ROM 31中，或者通过从闪存或光盘(未示出)提供程序和控制数据而进行更新。
还有，控制装置3包括接口33。接口33用于将控制信息发送给机器人本体2和从机器人本体2侧输入检测信息，其中，控制信息用于控制关节驱动装置71至76或手21的运动，而检测信息由后面介绍的扭矩传感器(52s)提供。还有，接口33可以包括网络接口等。在这种情况下，机器人控制程序能够安装在ROM 31中，或者使用从网络接收的程序和控制数据来更新。上述网络接口也能够用于与机器人教导终端(示教器)和离线控制终端通信，以便用于创建和编辑机器人控制程序(终端均未示出)。
图2表示了作为关节驱动装置71至76的实例的、臂20的关节驱动装置72的剖面结构。图2中所示的构造也可用于臂20的其它关节驱动装置71至76。关节驱动装置72的后面提及的部件由符合规范所需的强度和刚性的材料例如金属、树脂等来制造。
在图2中，关节驱动装置72包括作为驱动机构的基部侧部件(固定连杆)的连杆62(第一连杆)和作为驱动机构的输出侧部件(输出连杆)的连杆63(第二连杆)。连杆62(固定连杆)和连杆63(输出连杆)构造成通过轴承54而可旋转地联接，轴承54是被支撑在壳体单元255上的关节支撑机构。
轴承54约束连杆63相对于连杆62的旋转运动，以便只允许环绕驱动轴的旋转运动。轴承54具有支撑作用在连杆63上的六维(平移)力和力矩中的五个力/力矩(图2)的功能，除了环绕关节驱动轴的旋转扭矩之外。例如，广泛用于机器人关节机构的交叉滚子轴承能够用于轴承54，但是这并不是限制性的，具有类似功能的其它轴承部件也能够使用。
在图2中，箭头90表示作用在连杆63上的力。作用在连杆63上的力(90)能够认为是以下分量的合力。
-给定关节的、要测量的旋转扭矩(环绕z轴线)901
-作用在连杆63上的横轴力当中的旋转力矩分量(x方向)902
-作用在连杆63上的横轴力当中的旋转力矩分量(y方向)903
-作用在连杆63上的横轴力当中的平移力分量(x方向)904
-作用在连杆63上的横轴力当中的平移力分量(y方向)905
-作用在连杆63上的横轴力当中的平移力分量(z方向)906
当下面介绍的旋转驱动源51操作时，产生旋转扭矩(环绕z轴线)901，从而控制连杆63相对于连杆62的方位(角度)。这样，用作关节支撑机构的轴承54约束关节环绕关节轴线(交替的长短划线)的旋转运动，同时支撑上述横轴力902至906。
关节驱动装置72包括壳体单元55，该壳体单元55构造为总体近似筒形形状，用于容纳驱动单元80，该驱动单元80由旋转驱动源51和减速机构53组成。壳体单元55储存用于驱动关节所需的部件以及用于测量输出扭矩所需的部件。
根据本实施例，当特定部件刚性地固定在另一部件上时，联接(固定)区域称为“固定部分”。对于在“固定部分”中的联接(固定)，使用例如螺纹连接(细节未示出)的技术。例如，固定部分551是壳体单元55的一部分，壳体单元通过固定部分551而固定于关节驱动装置72的基部侧连杆62。
根据本实施例的壳体单元55包括轴承54，该轴承54适于可旋转地支撑(第二)连杆63。还有，壳体单元55容纳驱动单元80，该驱动单元80适于旋转驱动(第二)连杆63。特别是，驱动单元80被支撑在壳体单元55中，使得枢轴(驱动轴)将如下所述地相互重合。首先，驱动单元80的旋转驱动源51的驱动轴51a与减速机构53的输入端531联接。还有，减速机构53由谐波齿轮机构等组成，输入端531和输出端533同轴地布置，连杆63的枢轴与输出端533联接。
适于将驱动单元80支撑在壳体单元55上的支撑单元(532、56、52)提供于驱动单元80和壳体单元55之间。支撑单元包括减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56以及扭矩检测装置52。保持部件56和固定部分532是大致环形形状(凸缘形)的部件，可以设想，需要时，近似柱形形状的凹口(开口孔)形成于它们的前表面和后表面中，以便接收旋转驱动源51或减速机构53的前端或后端。
旋转驱动源51例如通过螺纹连接(未示出)等牢固地固定在保持部件56上，保持部件56例如通过螺纹连接(未示出)等牢固地固定在减速机构53的固定部分532。因此，旋转驱动源51和减速机构53一体地联接(牢固固定)在一起，组成驱动单元80。
然后，驱动单元80经由扭矩检测装置52而与壳体单元55联接(牢固固定)。还有，第二连杆63(该第二连杆63是输出连杆)能够绕安装于壳体单元55中的轴承54枢转，连杆63的驱动轴与减速机构53的输出端533联接。
因此，驱动单元80通过支撑单元(减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56和扭矩检测装置52)和安装于壳体单元55中的轴承54而被容纳和支撑在壳体单元55中。也就是，驱动单元80通过支撑单元(减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56和扭矩检测装置52)和轴承54而被容纳和支撑在壳体单元55的中心位置处，使得筒形壳体单元55的中心线将与驱动轴线匹配。
下面将介绍容纳于壳体单元55中的部件的详细构造和布置方式以及关节驱动和扭矩测量的操作原理。
产生转动力(扭矩)以使得关节旋转的旋转驱动源51例如由电马达(伺服马达)组成。旋转驱动源51包括：旋转编码器，用于测量马达的旋转角度；以及制动器，用于保持马达旋转角度(都未示出)。还有，旋转驱动源51与马达布线电缆572连接，以便电驱动马达、相对于旋转编码器输入和输出信号以及控制制动器的接通/断开(ON/OFF)操作。
减速机构53由减速机构53的输入端531、输出端533和固定部分532来组成。减速机构53的传动机构由例如已知的谐波齿轮机构组成。根据本实施例，可以设想，减速机构53的减速比为例如大约1:100。
旋转驱动源51的输出旋转地驱动减速机构53的输入端531，减速机构53根据减速比来增大由旋转驱动源产生的扭矩(同时以减速比来降低旋转角度)，并通过输出端533来输出增大了的旋转扭矩。因此，由旋转驱动源51产生的扭矩增加至适合于驱动关节的水平，由轴承54约束的连杆63由减速机构53的输出扭矩的剩余旋转自由度(环绕驱动轴的旋转自由度)来有效驱动。
这里，能够由较小的电马达高效产生的扭矩通常远远小于驱动关节所需的扭矩。另一方面，额定转速比关节的输出轴所需的转速大得多。因此，通常大部分机器人使用具有大约1:30至1:200的高减速比的减速机构53。这种小马达和具有高减速比的减速机构53的组合具有使得构造紧凑的优点，但是具有这样的问题：减速机构53由于摩擦和旋转阻力而引起较大的扭矩损失。
因此，输出至关节的输出级的旋转扭矩不能通过简单地测量马达扭矩(例如通过测量与马达扭矩成比例的马达电流)来精确把握。还有，围绕驱动系统(包括减速机构)的扭矩损失主要由非线性物理现象，例如摩擦引起，从而使得精确建模很困难，并导致较差的可重复性。这使得校正通过马达电流检测到的马达扭矩值并且从而计算实际输出扭矩的处理极其困难。因此，如果关节必须根据精确扭矩检测来控制，则需要通过安装扭矩检测装置来测量关节驱动装置的输出扭矩。
如上所述，本实施例采用了这样的构造，其中，驱动单元80通过支撑单元(减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56和扭矩检测装置52)和安装于壳体单元55中的轴承54而被容纳和支撑在壳体单元55中。这样，本实施例使用布置于支撑单元上的扭矩检测装置52来检测在支撑单元上产生的扭矩。
如上所述，关节驱动装置72的驱动单元80由旋转驱动源51和减速机构53组成。然后，如图2中所示，减速机构53的固定部分532经由保持部件56而与扭矩检测装置52联接。而且，扭矩检测装置52通过例如螺纹连接(细节未示出)而与提供于壳体单元55内的凸缘部分55a联接(牢固固定)。
根据本实施例，驱动单元80的支撑单元(减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56和扭矩检测装置52)与驱动单元80成一体，并与轴承54一起将驱动单元80支撑在壳体单元55中。
扭矩检测装置52的构造实例在图5中表示。图5的扭矩检测装置52由外部部件(盖)522和弹性体521组成。如图所示，外部部件522和弹性体521大致为环形形状(环形)，并设有螺纹孔521a和521b，用于与驱动单元80(的保持部件56)和壳体单元55的凸缘部分55a连接。
还有，扭矩检测装置52包括传感器电缆571，用于从扭矩传感器52s(图2)得到输出。传感器电缆571与布置于第一连杆62(固定连杆)的外壳621内的关节控制器57连接，如图2中所示。还有，关节控制器57经由马达布线电缆572而与旋转驱动源51连接。关节控制器57经由电缆40而与控制装置3连接，扭矩检测装置52将扭矩传感器52s的输出传递给控制装置3(的接口33)，并接收由控制装置3使用的驱动信号，以便控制驱动单元80。
下面，考虑操作驱动单元80，使得关节驱动装置72的连杆62和63的相对方位将处于预定角度，或者使得连杆62和63将保持在特定的相对方位。这样，如由扭矩检测装置52的位置(图2)可见，一旦接收来自驱动单元80的驱动扭矩的反作用力，扭矩检测装置52的弹性体521根据反作用力的幅值而变形。通过使用扭矩传感器52s(图2)来检测弹性体521的变形，能够检测在驱动单元80的支撑单元(减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56和扭矩检测装置52)上产生的扭矩。扭矩传感器52s能够是光学传感器、磁传感器或者使用任意检测方法的任意其它传感器装置。扭矩值能够被当成由驱动单元80产生的、(实际)用于关节驱动装置72的驱动扭矩。
图5中的扭矩检测装置52的弹性体521能够具有例如图6中所示的构造。图6的弹性体521包括内部环部分5212、外部环部分5211以及构造成使得内部环部分5212和外部环部分5211联接在一起的辐条状可弹性变形部分5213。内部环部分5212和外部环部分5211设有螺纹孔521a和521b，用于分别与驱动单元80(的保持部件56)和壳体单元55的凸缘部分55a连接。也就是，弹性体521在它的内周侧固定于驱动单元80，在它的外周侧固定于壳体单元55的内表面。
例如，扭矩传感器52s(图2)附接成检测可弹性变形部分5213的变形量。这能够经由扭矩传感器52s(图2)来测量在驱动单元80的支撑单元(减速机构53的固定部分532、旋转驱动源51的保持部件56和扭矩检测装置52)上产生的扭矩(在图2中环绕z轴线的旋转力矩)。
一旦接收到由关节驱动装置72的驱动单元80输出的扭矩的反作用力(反扭矩)时，如图5和6中所示构造的扭矩检测装置52能够经由所述反扭矩来检测驱动单元80的驱动扭矩。
也就是，对于本实施例的构造，扭矩检测单元并不安装在构造成相对于第一连杆62(固定连杆)旋转的第二连杆63(输出连杆)侧。根据本实施例，尽管扭矩检测装置52布置在第一连杆62侧(在壳体单元55和驱动单元80之间)，但是也能够测量由关节驱动装置输出的扭矩。
对于本实施例的构造，传感器电缆571(图2)不需要横过关节驱动装置72的运动部件来铺设。因此，这不需要对传感器电缆571布线，从而使得整个驱动机构的构造简单和紧凑，因此能够降低整个机器人装置的重量。还有，不需要考虑由于关节驱动装置72的旋转运动而导致的、传感器电缆571的变形，这能够防止例如由于传感器电缆571的变形阻力而引起的扭矩检测精度降低。还有，能够防止由于传感器电缆571的重复变形以及在电缆和电缆支撑单元之间的滑动而引起的电缆寿命降低，且能够大大提高机器人装置的可靠性。
还有，根据本实施例，关节驱动装置72的驱动单元80的驱动扭矩能够在不受由横轴力引起的扰动的影响的情况下进行检测。这里，图10表示了根据本实施例作用在关节驱动装置72的连杆63(输出连杆)上的力和力矩的传递路径。图10示意地表示了与对应于图2的关节驱动装置72的构造等效的构造。在图10中，作用在与图2中相对应的各个部件上的力由大写字母表示，同时与上面使用的参考标号相对应的参考标号表示在括号内。
还有，图12通过由箭头来提取和表示传递路径而表示了力在图10的部件之间的传递路径。在图12中由虚线表示的路径T1和由实线表示的路径T2分别等价于图11中的路径T1和T2。
在图10和12中，参考符号O表示输出连杆(连杆63)的输出，B表示关节支撑机构(轴承54)的输出，GO表示驱动单元(80：旋转驱动源51和减速机构53)的输出。还有，GS表示驱动单元(80)的固定部分(532)，GI表示驱动单元(80)的输入端(531)。还有，M表示旋转驱动源(51)，C表示壳体单元(55)、GM表示固定部件，F表示要与壳体的固定连杆(连杆62)联接的固定部分，TS表示扭矩检测装置(52)。
在图10和12中，当机器人装置执行动作时，六维(平移)力和力矩(902至906)作用在输出连杆(连杆63)上，如上面在图2中所述。在本实施例中，人们希望通过扭矩检测装置来测量的是环绕关节驱动轴的旋转扭矩901。横轴力(902至906)是引起扭矩检测装置干扰的扰动力。
如上所述，扰动力(除了环绕关节驱动轴的旋转扭矩之外的五个力/力矩(902至906))由轴承54(关节支撑机构)支撑。因此，如图10中所示，作用在输出上的横轴扰动力经由轴承而由壳体单元支撑，并传递给在基部侧的固定连杆(连杆62)(图10中的路径T2)。
经由驱动单元80(旋转驱动源51和减速机构53)作用在扭矩检测装置TS(52)上的力经过图10中的路径T1，并且只包含环绕关节驱动轴的扭矩，不包含扰动力。在图12中，特别是，根据本实施例的关节驱动扭矩(TS-1)如由虚线所示来传递，通过路径TS-3(该路径TS-3对应于图10的扭矩检测装置TS)，并传递给壳体单元(C)。路径(T1：虚线)与横轴扰动力的路径(T2：实线)分离，扭矩检测装置TS(图10：52)不受到横轴扰动力的影响。
下面，与本实施例比较，在图11中表示了力在普通关节驱动装置上的传递。在图11中，部件和力由与图10中的对应部件和力相同的字母标记来表示。
在图11的关节驱动装置中，扭矩检测装置TS布置在固定连杆(F)和壳体(C)之间。因此，图11的关节驱动装置构造成使得横轴力(路径T2)与要检测的、环绕关节驱动轴的扭矩(路径T1)一起直接作用在扭矩检测装置TS上。因此，在图11的构造中，横轴力引起增大的干扰，从而很难进行精确的扭矩检测。
例如，在图12中，与图11的扭矩检测装置TS相对应的路径TS-2由环绕关节驱动轴的扭矩(虚线)和由横轴力引起的干扰(实线)共用。也就是，对于图11的普通构造，扭矩检测装置TS不能通过使得扭矩与由横轴力引起的干扰(实线)分离而检测环绕关节驱动轴的要检测扭矩(虚线)。
另一方面，如图10和12中所示，根据本实施例的关节驱动装置(该关节驱动装置构造成使得横轴扰动力不作用在扭矩检测装置(TS；52)上)能够在不受横轴力干涉和干扰的影响的情况下精确地检测关节驱动扭矩。而且，与普通技术(例如，日本专利申请公开No.2012-047460)相比，本实施例的构造不需要另外的支撑机构来支撑扭矩传感器和驱动单元。这使得机器人臂的整个关节部分的构造简单和紧凑，从而很容易降低整个驱动机构的重量和保证驱动机构的刚性。这又能够降低整个机器人装置的重量，从而能够提高机器人的响应性和灵活性。
下面，通过引用通过基于具体数字值进行的计算而获得的结果来介绍根据本实施例的关节驱动装置的横轴干涉的程度。这里，将计算和比较扭矩检测装置52的弹性体521通过关节的输出扭矩而变形的变形量以及壳体单元通过横轴力而变形的变形量。
可以设想，这样的计算实例可用于处于可运输质量为大约2kg的较小竖直多关节机器人。扭矩检测装置52的弹性体521沿扭矩测量方向(图2中的z轴线方向)的扭转刚性K为大约20000Nm/rad(与减速机构的刚性相比足够高)。扭矩检测装置52通过利用扭矩传感器(52s)来测量弹性体521的内部环部分5212相对于外部环部分5211的变形量而测量扭矩。
由位移测量传感器(该位移测量传感器能够是光、磁或任意其它传感器)构成的扭矩传感器(52s)例如环绕弹性体521安装在半径R＝30mm的周边(或圆弧)内。
这里，当考虑机器人的推动操作以及加速和减速动作时，作用在图2的关节驱动装置72上的平移力的最大值P为沿x方向大约300N。同样，作用在关节上的扭矩T为大约50Nm。还有，在图2中，壳体单元的外径D为90mm，壳体单元的内径d为85mm，材料为铝合金(纵向弹性模量E＝90Gpa)。还有，从支撑关节的轴承54至扭矩检测装置52的安装位置的距离L为30mm。
这时，当关节输出额定扭矩时由扭矩传感器52s输出的、内部环的变形量dXT由下面的表达式(1)来给出。
dXT＝R×T/K＝0.03(m)×50(Nm)/20,000(Nm/rad)＝75(μm)…(1)
这里，当壳体单元建模为具有简单筒形截面的梁时，该梁的惯性几何力矩由下面的表达式(2)来给出。
I＝π(D4-d4)/32＝1.6×10-6(m2)…(2)
因此，由横轴力的最大值P引起的、扭矩传感器52s的位移检测单元的变形量dXdis由下面的表达式(3)来给出。
dXdis＝PL3/3EI＝0.023(μm)…(3)
如上所述，可以看见，对于本实施例的构造，在传感器的弹性体通过扭矩测量而变形的变形量与弹性体通过横轴扰动力而变形的变形量之间存在不小于3000倍的差异。也就是，本实施例能够在几乎不受到由横轴力引起的干扰的情况下而检测关节驱动扭矩，且在不受到由横轴力引起的干扰的情况下精确地检测关节驱动扭矩。
应当知道，上面所示的数字值只是在本实施例中的示例，决不是限制本发明。还有，根据本发明实施例，六轴线竖直多关节机器人臂用作臂20，但是轴线的数目能够根据使用和目的而合适变化。例如，上述关节驱动装置的构造也能够很容易地用于平行连杆机器人臂的关节。还有，尽管图1中的臂20的连杆61至67长度固定，但是也可以采用例如使用线性促动器的可伸缩连杆。
还有，尽管在本实施例中，能够通过单个机构实施所需支撑功能的交叉滚子轴承用作轴承54(关节支撑机构)，但是支撑机构的具体构造并不局限于此。例如，多角度轴承可以使用，或者关节支撑功能可以通过组合其它形式的轴承机构来实施。而且，尽管比率1:100表示为减速机构53的减速比，但是这并不是限制，减速机构53的减速比可以设置成任意合适值。
还有，在本发明实施例中，驱动单元(关节扭矩产生机构)80通过组合旋转驱动源51(例如电马达)和减速机构53(例如谐波齿轮机构)来构成。不过，关节驱动单元80的形式并不局限于此，例如，没有减速机构的直接驱动马达也可以使用。还有，能量源并不局限于电操作驱动机构，液压或其它流体驱动机构也能够实施为与上述类似的部件布置方式。
[第二实施例]
如图2和表达式(3)中所示，可以看见，扭矩检测装置52的弹性体521的外部环部分5211的变形量受到在壳体单元55上的安装位置与支撑关节的轴承54之间的距离L的很大影响。因此，当扭矩检测装置52(弹性体521)能够布置成靠近轴承54时，横轴干涉的量能够进一步减小。
例如，如图3中所示，用于将扭矩检测装置52(弹性体521)附接在壳体单元55上的凸缘部分55b布置成比图2中的凸缘部分(55a)更靠近轴承(关节支撑机构)54。这时，扭矩检测装置52(弹性体521)安装在减速机构53的固定部分532和凸缘部分55b之间。结构的其余部分与图2类似。
在图3的构造中，扭矩检测装置52(弹性体521)布置在驱动单元80的固定部分(减速机构53的固定部分532)和壳体单元55之间，与第一实施例相同。不过，在图3中，扭矩检测装置52(弹性体521)在轴承(关节支撑机构)54与驱动单元80之间的位置处，更特别地，在更靠近支撑第二连杆63的轴承54的位置处附接在壳体单元55上。
这样，通过使得扭矩检测装置52在更靠近轴承54的位置处附接在壳体单元55上以及在更靠近轴承54的位置处执行检测，横轴干涉的量能够进一步减小，从而能够进行更精确的扭矩检测。
[第三实施例]
在上述实施例中，扭矩检测装置52的弹性体521表示为具有例如环形形状(环形)。不过，关节驱动装置72可以构造为如图4中所示地使用扭矩检测装置52，该扭矩检测装置52采用例如如图7至9中所示的不同形状的弹性体。
本实施例使用例如图7中所示的扭矩检测装置52。扭矩检测装置52包括：弹性体521；外部部件(盖)522，该外部部件522构造成保护弹性体521；以及传感器电缆571。该扭矩检测装置52具有近似筒形的总体形状。
如图8中所示，弹性体521包括用作第一固定部分的凸缘5211a和用作第二固定部分的凸缘5212a。凸缘5211a和5212a通过成筒形形状的可弹性变形部分5213联接在一起，并结合成例如图9中所示的横截面形状。
构造为如图7至9中所示的扭矩检测装置52包含至如图4中所示的关节驱动装置72中。也就是，扭矩检测装置52的凸缘5211a固定在驱动单元80的保持部件56上，凸缘5212a固定在壳体单元的、在第一连杆62侧的内表面上。由光学传感器、磁传感器等组成的扭矩传感器(52s；未示出)例如布置在可弹性变形部分5213的内表面(或外表面)上的合适位置处，以便能够检测可弹性变形部分5213的扭转或凸缘5211a和5212a的相对位移。
如上所述，扭矩检测装置52由筒形弹性体521制成，在一端处固定在驱动单元80的保持部件56的一端上，这与第一实施例相同，并在另一端处固定在壳体单元55的、在第一连杆62侧的内表面上。关节驱动装置72的构造的其余部分与第一实施例(图2)类似。
本实施例能够通过测量筒形弹性体521(可弹性变形部分5213)的扭转变形量(或扭曲量)来测量扭矩(环绕图2中所示的Z轴线的旋转力矩)。因此，与第一实施例相同，关节驱动扭矩能够在不受横轴干涉(干扰)的情况下精确地检测。特别是，根据本实施例，扭矩检测装置52的筒形弹性体521(可弹性变形部分5213)在一端处固定在壳体单元55的、几乎不会由于横轴力而变形的基部(在连杆62侧)。这使得关节驱动扭矩能够在不受到横轴干涉(干扰)的情况下精确地检测。
还有，本实施例能够简化扭矩检测装置52的构造，减小扭矩检测装置52的尺寸和重量，并降低扭矩检测装置52的生产成本。特别是，通过将扭矩检测装置52的弹性体521(可弹性变形部分5213)构造成筒形形状，扭矩检测装置52能够利用关节驱动装置72中在驱动单元80的旋转驱动源51周围的空间。还有，扭矩检测装置52的弹性体521能够构造成具有相对较大尺寸，且不是非常高分辨率的便宜扭矩传感器能够用于检测弹性体521的变形。
[其它实施例]
本发明的实施例还能够通过系统或装置的计算机来实现，该计算机读出和执行记录在储存介质(该储存介质也可以更广泛地称为“非临时计算机可读介质”)上的计算机可执行指令(例如一个或多个程序)，以便执行一个或多个上述实施例的功能，和/或该计算机包括一个或多个电路(例如专用集成电路(ASIC)，用于执行一个或多个上述实施例的功能。或者本发明实施例还能够通过由系统或装置的计算机执行的方法来实现，例如通过从储存介质中读出和执行计算机可执行的指令，以便执行一个或多个上述实施例的功能，和/或控制一个或多个电路，以便执行一个或多个上述实施例的功能。计算机可以包括一个或多个处理器(例如中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))，并可以包括分开的计算机或分开的处理器构成的网络，以便读出和执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或储存介质提供给计算机。储存介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的储存器、光盘(例如压缩盘(CD)、数字通用盘(DVD)或蓝光盘(BD)TM)、闪存装置、存储卡等中的一个或更多个。
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
尽管已经参考示例实施例介绍了本发明，但是应当知道，本发明并不局限于所述示例实施例。下面的权利要求的范围将根据最广义地解释，以便包含所有这些变化形式以及等效构造和功能。

Claims (14)

1.一种关节驱动装置，包括：
壳体单元，该壳体单元固定于第一连杆；
驱动单元，该驱动单元容纳于壳体单元中，并适于旋转地驱动第二连杆；
轴承，该轴承固定于壳体单元，所述轴承适于可旋转地支撑第二连杆并且被构造成将第二连杆联接到壳体单元；
支撑单元，该支撑单元构造成将驱动单元联接到壳体单元并且构造成将驱动单元支撑在壳体单元上，其中所述支撑单元包括弹性体，该弹性体构造成根据驱动单元沿第二连杆的旋转方向相对于壳体单元的运动而变形，其中：驱动单元由支撑单元支撑于壳体单元并且还经由第二连杆由所述轴承支撑于壳体单元；以及
传感器，该传感器构造成检测弹性体的变形；
其中：所述驱动单元还包括旋转驱动源、减速机构和保持部件，所述保持部件将旋转驱动源和减速机构彼此连接；以及
所述支撑单元设置在壳体单元内并且设置在驱动单元与壳体单元之间，所述支撑单元通过将保持部件和壳体单元彼此连接而相对于壳体单元支撑驱动单元。
2.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：保持部件设置在旋转驱动源与减速机构之间。
3.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：传感器基于弹性体的位移测量扭矩。
4.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：驱动单元被支撑于壳体单元使得驱动单元的一部分没有直接接触壳体单元。
5.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：传感器经由弹性体的变形量来检测施加于支撑单元的扭矩；以及弹性体和传感器构成扭矩检测装置。
6.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：支撑单元具有内部环部分和外部环部分，内部环部分结合至驱动单元，外部环部分结合至壳体单元；以及
弹性体将驱动单元和壳体单元结合在一起，使得驱动单元和壳体单元能够沿第二连杆的旋转方向相对运动。
7.根据权利要求6所述的关节驱动装置，其中：
还设置有固定部分，该固定部分被构造成支撑减速机构；
壳体单元通过凸缘部分固定于径向外部环部分；
旋转驱动源通过保持部件固定于径向内部环部分；以及
减速机构通过固定部分固定于径向内部环部分。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的关节驱动装置，其中：驱动单元被支撑于壳体单元，使得驱动单元的驱动轴线与第二连杆的旋转轴线匹配。
9.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：当驱动单元沿着使第二连杆相对于壳体单元旋转的方向运动时，弹性体变形。
10.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：旋转驱动源的电缆和传感器的电缆固定于第一连杆。
11.根据权利要求1所述的关节驱动装置，其中：弹性体具有筒形形状，传感器具有筒形形状的外部部件。
12.一种机器人装置，具有机器人臂，所述机器人臂包括至少一个设置有根据权利要求1所述的关节驱动装置的关节。
13.一种使用根据权利要求12的机器人装置制造物品的制造方法。
14.一种用于根据权利要求1所述的关节驱动装置的控制方法，其中：
提供控制装置，所述控制装置构造成控制所述旋转驱动源；以及
所述控制装置获取来自传感器的检测值并且基于所述检测值控制所述旋转驱动源。
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