CN107848115B - 机械臂的通信路径 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械臂，所述机械臂在所述臂的第一肢状件和所述臂的第二肢状件之间具有复合接头，所述臂的所述第二肢状件处于所述第一肢状件的远侧，所述臂包括：耦接器元件，所述耦接器元件由具有第一旋转轴线的第一回转接头联接至所述臂的所述第一肢状件以及由具有第二旋转轴线的第二回转接头联接至所述臂的所述第二肢状件；第一和第二旋转位置传感器，所述第一和第二旋转位置传感器分别用于感测所述臂绕着所述第一接头和所述第二接头的配置；第一和第二力矩传感器，所述第一和第二力矩传感器分别用于感测绕着所述第一接头和所述第二接头所施加的力矩；控制单元，所述控制单元用于控制所述臂的操作；第一通信单元和第二通信单元，所述第一通信单元由所述臂承载并且位于所述耦接器的近侧，所述第二通信单元由所述臂承载并且位于所述耦接器的远侧，每个通信单元均能够以第一数据格式将接收自所述位置和/或力矩传感器的一者或多者的数据编码成数据包，并且根据不同于所述第一数据格式的基于包的数据协议将这些包传送至所述控制单元；其中所述第一位置传感器由在所述第一肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第一通信单元，以将表示关于所述第一接头的感测的位置的数据传递至所述第一通信单元以用于编码，并且所述第一力矩传感器由在所述第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第二通信单元，以将表示关于所述第一接头的感测的力矩的数据传递至所述第二通信单元以用于编码。

Description

机械臂的通信路径

技术领域

本发明涉及机械臂内的通信。

背景技术

用于操纵对象所需的机器人(其可例如为工业或手术机器人)通常具有臂，该臂由刚性元件组成，该刚性元件由多个柔性接头串行联结在一起。接头可为任何类型，但通常为回转接头，或回转接头和棱柱接头的组合。臂延伸自基部，基部的位置可为固定的或可移动的，并且终止于工具或工具的附接件。工具可例如为握持、切割、照明、放射或成像工具。臂中的成品接头可称为腕部。腕部可允许仅绕着单个轴线的运动，或其可为复杂的或复合关节接头，该关节接头允许绕着多个轴线的旋转。如我们的共同待审专利申请PCT/GB2014/053523所公开的，腕部可提供两个滚动接头，该滚动接头的轴线一般纵交于臂，由两个俯仰/偏转接头分开，该俯仰/偏转接头的轴线一般横向于臂。

在手术机器人的情况下，存在多个重要标准，这些重要标准影响臂的远侧接头的设计。

1.期望的是，臂，特别是腕部所在的远侧部具有较小的尺寸。这允许多个此类机械臂就近地工作，并且因此开辟了较宽广范围的臂可执行的外科手术。

2.期望的是，臂的远侧部的外部轮廓相对于臂的长度为圆形对称的。这允许远侧部纵向地旋转至一些其它设备或患者，而无需在其靠近另一机器人的情况下进行重新定位。

3.期望的是，接头能够递送高力矩，使得它们可承载较重工具并且将高加速度递送至工具末端。

4.期望的是，接头为刚性的，且具有小的或不具有反冲力或弹性，使得当工具末端已定位时，其将固定于适当位置。用于使反冲力最小化的常规方法为将一个或多个齿轮元件设计为牺牲性的，但这需要高水平的维护，并且可导致所磨损齿轮颗粒释放于臂内。

5.期望的是，所有关节接头具有位置和力/力矩传感器，使得控制机构可从这些传感器获取数据。

6.期望的是，机械臂的远侧部尽可能轻，以减小由机械臂的较近侧接头所必须施加的力。

7.典型机械臂承载了线缆，该线缆将电力提供至其驱动电机并且也许提供至工具，并且从传感器(诸如位置传感器、力矩传感器和成像传感器)传递回信号。期望臂包括此类线缆的路径以在臂的内部中穿过。

重要标准的数量使得难以设计对所有要求进行最佳平衡化的臂。

一个特定问题为如何布置臂的传感器和电机以例如与中央控制器通信，该中央控制器可远离臂。如果将臂的尺寸最小化，那么通信的路径必须布置成使得它们有效利用可用空间。

存在对于机械臂的改善通信布置的需求。

发明内容

根据本发明，提供了一种机械臂，该机械臂在臂的第一肢状件和臂的第二肢状件之间具有复合接头，该臂的第二肢状件处于第一肢状件的远侧，该臂包括：耦接器元件，该耦接器元件由具有第一旋转轴线的第一回转接头联接至臂的第一肢状件以及由具有第二旋转轴线的第二回转接头联接至臂的第二肢状件；第一和第二旋转位置传感器，该第一和第二旋转位置传感器分别用于感测臂绕着第一接头和第二接头的配置；第一和第二力矩传感器，该第一和第二力矩传感器分别用于感测绕着第一接头和第二接头所施加的力矩；控制单元，该控制单元用于控制臂的操作；第一通信单元和第二通信单元，该第一通信单元由臂承载并且位于耦接器的近侧，该第二通信单元由臂承载并且位于耦接器的远侧，每个通信单元均能够以第一数据格式将接收自位置和/或力矩传感器的一者或多者的数据编码成数据包，并且根据不同于第一数据格式的基于包的数据协议将这些包传送至控制单元；其中第一位置传感器由在第一肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至第一通信单元，以将表示关于第一接头的所感测位置的数据传递至第一通信单元以用于编码，并且第一力矩传感器由在第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至第二通信单元，以将表示关于第一接头的所感测力矩的数据传递至第二通信单元以用于编码。

第二位置传感器可由在第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至第一通信单元，以将表示关于第二接头的所感测位置的数据传递至第二通信单元以用于编码。

第二力矩传感器可由在第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至第二通信单元，以将表示关于第二接头的所感测力矩的数据传递至第二通信单元以用于编码。

该或每个物理数据链路均可为电气线缆。

每个通信单元能够缓冲接收自位置和/或力矩传感器的数据，并且随后将该数据传送至控制单元。

第二通信单元可经由第一通信单元连接至控制单元。

第一肢状件可包括电机以用于驱动绕着第一接头和第二接头的运动。电机可由物理数据链路连接至第一通信单元以用于从第一通信单元接收命令信号。

第一轴线和第二轴线可为正交的。第一轴线和第二轴线可彼此相交。

第一接头和第二接头可为机器人的腕部的一部分。

根据本发明的第二方面，提供了一种机械臂，该机械臂包括第一肢状件和第二肢状件，该第二肢状件处于第一肢状件的远侧，并且由单个回转接头联接至第一肢状件，单个回转接头用于将第一肢状件和第二肢状件绕着旋转轴线相对于彼此连接；该臂包括：力矩传感器，该力矩传感器用于感测绕着接头的力矩；控制单元，该控制单元用于控制机械臂的操作；以及第一通信单元，该第一通信单元由臂承载并且位于回转接头的远侧，该通信单元能够以第一数据格式将接收自力矩传感器的数据编码成数据包，并且根据不同于第一数据格式的基于包的数据协议将这些数据包传送至控制单元；其中力矩传感器由沿着第二肢状件运行的物理数据链路连接至第一通信单元，以将表示关于接头的所感测力矩的数据传递至第一通信单元以用于编码。

机械臂还可包括：旋转位置传感器，该旋转位置传感器用于感测臂绕着旋转轴线的配置；以及第二通信单元，该第二通信单元由臂承载并且位于回转接头的近侧，该第二通信单元能够以第一数据格式将接收自位置传感器的数据编码成数据包，并且根据不同于第一数据格式的基于包的数据协议将这些数据包传送至控制单元。旋转位置传感器可由沿着第一肢状件运行的物理数据链路连接至第二通信单元，以将表示臂绕着旋转轴线的配置的数据传递至第二通信单元以用于编码。

第二通信单元可由第一肢状件承载。

机械臂还可包括驱动齿轮，该驱动齿轮与第二肢状件紧固，并且绕着旋转轴线可旋转地安装以相对于第一肢状件旋转。位置传感器与第一肢状件紧固，并且与位置刻度相关联，该位置刻度与第二肢状件紧固。

位置传感器可安装至第一肢状件，并且位置刻度安装于旋转轴线周围。

第一通信单元可经由第二通信单元连接至控制单元。

机械臂还可包括旋转位置传感器以用于感测臂绕着旋转轴线的配置。第一通信单元还能够以第一数据格式将接收自位置传感器的数据编码成数据包，并且根据不同于第一数据格式的基于包的数据协议将这些数据包传送至控制单元。旋转位置传感器可由沿着第二肢状件运行的物理数据链路连接至第一通信单元，以将表示臂绕着旋转轴线的配置的数据传递至第一通信单元以用于编码。

机械臂还可包括驱动齿轮，该驱动齿轮与第二肢状件紧固，并且绕着旋转轴线可旋转地安装以相对于第一肢状件旋转。位置传感器可与驱动齿轮紧固，并且与位置刻度相关联，该位置刻度与第一肢状件紧固。

位置刻度可布置于旋转轴线周围。

第一通信单元可由第二肢状件承载。

机械臂还可包括驱动齿轮，该驱动齿轮与第二肢状件紧固，并且绕着旋转轴线可旋转地安装以相对于第一肢状件旋转。力矩传感器可将驱动齿轮联接至第二肢状件。

每个物理数据链路均可为电气线缆。

每个通信单元能够缓冲接收自位置和/或力矩传感器的数据，并且随后将该数据传送至控制单元。

附图说明

现将参考附图通过实例的方式描述本发明。

图中：

图1为手术机械臂的一般表示。

图2更详细地示出了图1的臂的腕部处的旋转轴线。

图3从远侧和一侧示出了第一腕部机构的一部分。

图4从远侧和另一侧示出了第一腕部机构的一部分。

图5从近侧和一侧示出了第二腕部机构的一部分。

图6从远侧和一侧示出了第二腕部机构的一部分。

图7从远侧和一侧示出了第三腕部机构。

图8从远侧和另一侧示出了第三腕部机构。

图9以剖视图示出了从一侧所观察的中心纵向平面上的第三腕部机构。

图10以剖视图示出了从另一侧所观察的中心纵向平面上的第三腕部机构。

图11示出了机械臂中的通信路径。

图12示出了机械臂中通信路径的可选布置。

图13示出了由回转接头分开的机械臂的肢状件中的通信路径。

图14以纵截面示出了机械臂的终端模块。

具体实施方式

下文进行描述的腕部机构已发现对至少一些的机器人腕部的接头或对其它应用提供紧凑和机械有利布置。

图1示出了具有臂1的手术机器人，臂1延伸自基部2。臂包括多个刚性肢状件3。这些肢状件由回转接头4联接。最近侧肢状件3a由接头4a联接至基部。其和其它肢状件由接头4的其它者串行联接。腕部5由四个单独回转接头组成。腕部5将一个肢状件(3b)联接至臂的最远侧肢状件(3c)。最远侧肢状件3c承载手术器械或工具9的附接件8。臂的每个接头4均具有一个或多个电机6以及一个或多个位置和/或力矩传感器7，一个或多个电机6可操作以引起相应接头处的旋转运动，一个或多个位置和/或力矩传感器7提供有关该接头处的当前配置和/或负载的信息。为清楚起见，仅一些电机和传感器示出于图1中。臂通常可如我们的共同待审专利申请PCT/GB2014/053523所描述的。工具的附接点8可适当地包括以下项中的任一者或多者：(i)允许工具机械地附接至臂的信息，(ii)用于将电气和/或光学功率和/或数据通信至和/或自工具的接口，以及(iii)用于驱动一部分工具的运动的机械驱动器。一般来讲，优选的是，电机布置于接头近侧(电机驱动接头的运动)，以改善重量分布。如下文所讨论的，电机、力矩传感器和编码器的控制器可以臂进行分布。这些控制器经由通信总线连接至控制单元10。

控制单元10包括处理器11和存储器12。存储器12以非暂态方式存储软件，该软件可由处理器执行以控制电机6的操作来引起臂1以本文所描述的方式进行操作。特别地，软件可控制处理器11以引起电机(例如，经由所分布控制器)根据来自传感器7和来自医师命令界面13的输入进行驱动。控制单元10联接至电机6以用于根据由软件的执行所生成的输出驱动它们。控制单元10联接至传感器7以用于接收来自传感器的所感测输入，并且联接至命令界面13以用于接收来自其的输入。例如，相应的耦接件可各自为电气或光学线缆，或可通过无线连接来提供。命令界面13包括一个或多个输入装置，用户由此可请求臂以期望的方式运动。例如，输入装置可为可手动操作输入装置(诸如控制手柄或操纵杆)，或非接触输入装置(诸如光学姿态传感器)。存储于存储器12中的软件配置成响应于这些输入并且引起臂的接头的相应移动(按照预定控制策略)。控制策略可包括安全特征，该安全特征响应于命令输入而减速臂的运动。因此，总之，命令界面13处的外科医生可控制机械臂1来以执行期望外科手术的方式移动。控制单元10和/或命令界面13可远离臂1。

图2更详细地示出了机器人的腕部5。腕部包括四个回转接头300,301,302,303。这些接头串行布置，其中臂的刚性部分从每个接头延伸至下一接头。腕部的最近侧接头300将臂部分4b结合至臂部分310。接头300具有“滚动”旋转轴线304，其一般沿着臂的肢状件4b的限度指向，肢状件4b紧邻腕部的关节接头的近侧。腕部的下一最远侧接头301将臂部分310结合至臂部分311。接头301具有“俯仰”旋转轴线305，其在接头300和301的所有配置中垂直于轴线304。腕部的下一最远侧接头302将臂部分310结合至臂部分311。接头302具有“偏转”旋转轴线306，其在接头301和302的所有配置中均垂直于轴线305。在腕部的一些配置中，轴线306还垂直于轴线304。腕部的下一最远侧接头303将臂部分311结合至臂部分4c。接头303具有“滚动”旋转轴线307，其在接头302和303的所有配置中均垂直于轴线306。在腕部的一些配置中，轴线307还垂直于轴线305并且平行于轴线304(并且优选地与之共线)。优选的是，轴线305和306彼此相交，因为这得到特别紧凑的配置。接头300和303可定位成使得轴线304和307对于腕部的一些配置可穿过轴线305,306的交点。

腕部的这种设计的有利之处在于，其允许从在臂部分4c的远侧端部处附接至附接点8的工具的宽广范围的移动，但其中腕部能够以较紧凑的形式进行组装，并且在运动范围的某些部分处存在异常(这可需要单独接头处的超高速率的运动)。

图3和图4示出了适于实现图1中臂1的腕部5的一部分的机构的一个实例。图3和图4专注于(关于图5至图10)与图2中的接头设计301和302相关联的机构。

在腕部5的区域中，刚性臂部分310,311具有中空外部外壳或壳体310'，310”，311'。外壳限定臂的大部分外表面，并且包括空隙，该空隙由相应外壳的外壁部分地或完全地环绕，并且臂的电机、传感器、线缆和部件可容纳于该空隙内。外壳可由金属形成(例如，铝合金或钢)，或由复合物形成(例如，纤维增强树脂复合物，诸如树脂增强碳纤维)。外壳构成臂部分的刚性结构的一部分，该刚性结构的一部分附接于相应接头之间。外壳可包括结构框架，如下文相对于图7的实施例所示的。

在图3和图4中，为清楚起见，臂部分310的外壳示出为两部分：310'和310”，这两部分以轮廓绘出并且彼此分解。臂部分4b和4c的外壳省略，如同与接头300和303相关联的机构。臂部分311的外壳部分地示出，大部分延伸自凸壁311'。

臂部分310的外壳(由外壳部分310'和310”构成)和臂部分311的外壳(延伸自凸壁311')相对于彼此绕着两个旋转轴线(以20和21示出)为可移动的。这些旋转轴线对应于图2的轴线305,306。轴线20和21为正交的。轴线20和21相交。中心耦接器28由轴承29,30安装至臂部分310。耦接器在轴承29,30之间延伸。轴承29,30将耦接器与臂部分310保持紧固，例外的是，它们允许耦接器和该臂部分绕着轴线20的相对旋转，从而限定对应于图2的接头301的回转接头。另一轴承31将远侧外壳连接器凸壁311'附接至耦接器28。轴承31将远侧外壳连接器凸壁311'与耦接器28保持紧固，例外的是允许凸壁和耦接器绕着轴线21的相对运动，从而限定对应于图2的接头302的回转接头。

两个电机24,25(参见图4)安装于臂部分310中。电机驱动相应的驱动轴26,27，驱动轴26,27延伸至腕部机构的中间。轴26驱动绕着轴线20的旋转。轴27驱动绕着轴线21的旋转。驱动轴26在其远侧端部终止于蜗杆齿轮32。蜗杆齿轮32接合锥齿轮33，锥齿轮33与耦接器28紧固。驱动轴27在其远侧端部终止于蜗杆齿轮34。蜗杆齿轮34接合一般以35示出的齿轮系，该齿轮系终止于另一蜗杆齿轮36。蜗杆形式小齿轮36接合双曲面带齿锥齿轮37，双曲面带齿锥齿轮37与远侧外壳连接器311'紧固。

齿轮33形成为扇形齿轮：即，其操作弧度(由其齿的弧度限定于图3和图4的实例中)小于360°。

齿轮系35由耦接器35承载。齿轮系包括输入齿轮38，输入齿轮38接合蜗杆34。输入齿轮38定位成，其相对于耦接器28的旋转轴线与轴线20一致。这意味着，输入齿轮可持续接合蜗杆34，而不论耦接器28相对于臂部分310关于轴线20的配置。一系列其它齿轮(其轴线与轴线20平行)将驱动从输入齿轮38传递至轴40上的输出齿轮39(其相对于承载器28的旋转轴线与轴线20平行但偏离)。轴40终止于蜗杆36。轴40平行于轴线20延伸。齿轮系35的齿轮连同轴40一起由耦接器28承载。

现将描述腕部机构的操作。关于绕着轴线20的运动，电机24操作以驱动轴26来相对于臂部分310旋转。这驱动锥齿轮33并且因此驱动耦接器28和远侧外壳凸壁311'以相对于臂部分310绕着轴线20旋转。关于绕着轴线21的运动，电机25操作以驱动轴27来相对于臂部分310旋转。这驱动锥齿轮37并且因此驱动远侧外壳凸壁311'以相对于臂部分310绕着轴线21旋转。将观察到，如果驱动轴26旋转，从而驱动耦接器28旋转，同时驱动轴27保持静止，那么齿轮38也将相对于耦接器28旋转，从而引起远侧外壳连接器凸壁311'绕着轴线21的寄生运动。为防止这点，臂的控制系统10配置成使得，在需要时，存在与驱动轴26的运动串联的驱动轴27的补偿运动，以使绕着轴线21的运动与绕着轴线20的运动分离。例如，如果需要引起外壳310,311仅绕着轴线20的相对运动，那么电机24操作以引起该运动，同时电机25以这样的方式同时操作以防止输入齿轮38相对于承载器28旋转。

图3和图4中所示机构的各个方面有利于将机构制备为特别紧凑的。

1.方便的是，锥齿轮33为部分圆形形式：即，其齿不涵盖完整圆圈。例如，齿轮33可涵盖小于270°或小于180°或小于90°。这允许至少一部分的其它锥齿轮37绕着齿轮33的轴线以这样的方式(其与齿轮33一致的圆圈相交)进行定位，并且具有与齿轮33的最外侧部分相同的半径。尽管该特征可有助于减小复合接头的范围的尺寸，但是其特别重要的是，在图2所示类型的腕部中包括一对滚动接头与它们之间的一对俯仰/偏转接头，因为在该类型的接头中，在俯仰/偏转接头之中存在冗余度并且因此可实现臂的远侧端部的宽广范围的位置，即使绕着轴线20的运动受限制。

2.方便的是，部分齿轮33用于绕着轴线20的旋转，承载器28通过轴线20枢转至下一最近侧臂部分310，如相对于绕着轴线21的旋转，因为部分齿轮还可切除以容纳与所述圆圈相交的轴40。这通过允许蜗杆36位于锥齿轮33与齿轮系35相对的侧部上而节省空间。然而，在其它设计中，部分齿轮可用于绕着轴线21的旋转，所以齿轮37可为部分圆形形式。

3.方便的是，蜗杆32,34位于轴线20与锥齿轮37相对的侧部上：即，存在包括轴线20的平面，该平面的一侧上为蜗杆32,34并且该平面的另一侧上为锥齿轮37。这有助于提供紧凑的封装布置。

4.方便的是，蜗杆34位于锥齿轮33与蜗杆36相对的侧部上和/或齿轮系35唯一地位于锥齿轮33与蜗杆36相对的侧部上。这同样有助于提供紧凑的封装布置。

5.齿轮33和/或37方便地设置为锥齿轮，因为允许它们从位于其相应外半径的平面内的蜗杆进行驱动。然而，它们可为外部带齿齿轮，该外部带齿齿轮由蜗杆32,34或径向带齿齿轮接合于其外部表面上。

6.锥齿轮33方便地定位成插置于蜗杆32和34之间。这有助于电机24,25的封装。

7.锥齿轮和啮合它们的蜗杆齿轮可方便地为双曲面或偏斜轴线形式，例如

这些齿轮以较紧凑的形式允许较高的力矩容量。

图5和图6示出了适于将接头301,302提供于图2所示类型的腕部中的第二形式的腕部机构。

如图5所示，腕部包括一对刚性外部外壳310',311'，刚性外部外壳310',311'分别限定图2的臂部分310,311的外部表面。310'为更近侧的外壳。由外壳310',311'形成的臂部分可相对于彼此绕着轴线62,63枢转，轴线62,63分别对应于图2的轴线305,306。轴线62,63为正交的。轴线62,63相交。外壳310',311'将臂的外部限定于腕部的区域中并且为中空的，以容纳旋转机构以及用于穿过线缆等的空间，如下文将更详细描述的。外壳可由金属形成(例如，铝合金或钢)，或由复合物形成(例如，纤维增强树脂复合物，诸如树脂增强碳纤维)。外壳构成臂部分的主要刚性结构，该主要刚性结构附接于相应接头之间。

图6从远侧和一侧示出了相同机构，其中为清楚起见，外壳311'移除。

外壳310'由十字形耦接器64联接至外壳311'。耦接器具有中心管65，中心管65限定通过其中心的管道，从而一般沿着臂的长度运行。第一臂66,67和第二臂68,69延伸自管。外壳310',311'的每一者均由回转接头附接至耦接器64：即，以其局限于能够通过绕着单个轴线的旋转仅相对于耦接器移动的方式。第一臂66,67由轴承70,71附接至外壳310'，轴承70,71允许这些第一臂和外壳310'之间绕着轴线62的旋转。第二臂68,69由轴承72,73附接至外壳311'，轴承72,73允许这些第二臂和外壳311'之间绕着轴线63的旋转。第一锥齿轮74与第一臂66,67同心。第一锥齿轮与耦接器64紧固，并且相对于两个外壳310'的近侧一者为旋转自由的。第二锥齿轮75与第二臂68,69同心。第二锥齿轮与两个外壳311'的远侧一者紧固，并且相对于耦接器64为旋转自由的。

两个轴76,77操作复合接头的运动。轴从外壳310'的近侧一者内延伸至接头的中心区域。每个轴在其近侧端部附接至相应电机(未示出)的轴，电机的壳体固定至近侧外壳310'的内部。这样，轴76,77可由电机驱动以相对于近侧外壳310'旋转。

轴76和其相关电机操作绕着轴线62的运动。轴76在其远侧端部终止于蜗杆齿轮78，蜗杆齿轮78接合锥齿轮74。轴76的旋转引起锥齿轮74相对于外壳310'绕着轴线62的旋转。锥齿轮74与耦接器64紧固，耦接器64继而承载远侧外壳311'。因此，轴76的旋转引起外壳310',311'绕着轴线62的相对旋转。

轴77和其相关电机操作绕着轴线63的运动。为实现这点，其必须最终借助于蜗杆齿轮79驱动锥齿轮75，蜗杆齿轮79由耦接器64承载。该蜗杆齿轮的旋转可引起耦接器和远侧外壳311'的相对旋转。为实现这点，将驱动从轴77通过由承载器64承载的一对齿轮80,81传送至承载蜗杆齿轮79的轴。轴77从近侧侧部接近承载器64。齿轮80,81位于耦接器的远侧侧部上。轴77穿过由管65限定于耦接器的中心的管道。为适应耦接器64相对于第一外壳310'的运动，轴77沿着其长度具有万向接头或虎克接头82。万向接头82放置于轴线62上。替代虎克接头，轴可具有另一形式的柔性耦接件，例如，弹性耦接件(其可与轴为一体的)或恒定速率接头的形式。

该机构已发现能够对绕着轴线62和63的旋转提供特别紧凑的轻质刚性驱动布置而无需机构的部件(这些部件过度地限制外壳的运动)。其允许两个电机容纳于近侧外壳中，这减小了远侧重量。

图5和图6中所示机构的各个方面有利于将机构制备为特别紧凑的。

1.方便的是，锥齿轮74为部分圆形形式：即，其齿不涵盖完整圆圈。例如，齿轮74可涵盖小于270°或小于180°或小于90°。这允许至少一部分的其它锥齿轮75绕着齿轮74的轴线以这样的方式(其与齿轮74一致的圆圈相交)进行定位，并且具有与齿轮74的最外侧部分相同的半径。尽管该特征可有助于减小复合接头的范围的尺寸，但是其特别重要的是，在图2所示类型的腕部中包括一对滚动接头与它们之间的一对俯仰/偏转接头，因为在该类型的接头中，在俯仰/偏转接头之中存在冗余度并且因此可实现臂的远侧端部的宽广范围的位置，即使绕着轴线62的运动受限制。如图6所示，锥齿轮74在未由其齿所涵盖的区域中为减小半径。其它实施例的部分圆形锥齿轮可以相同的方式形成。

2.齿轮74和/或75方便地设置为锥齿轮，因为允许它们从位于其相应外半径的平面内的蜗杆进行驱动。然而，它们可为外部带齿齿轮，该外部带齿齿轮由蜗杆76,79或径向带齿齿轮接合于其外部表面上。

4.锥齿轮和啮合它们的蜗杆齿轮可方便地为偏斜轴线形式，例如

这些齿轮以较紧凑的形式允许较高的力矩容量。

图7至图10示出了另一形式的腕部机构。在这些图中，臂部分310,311的外壳省略，从而暴露臂部分内的结构。近侧臂部分310具有结构框架100，结构框架在一些图中以外形示出。远侧臂部分311具有结构框架101。臂部分310和311相对于彼此绕着轴线102,103为可旋转的，轴线102,103分别对应于图2的轴线305,306。承载器104将臂部分310,311联接在一起。承载器104由轴承105,190附接至臂部分310。这些轴承限定臂部分310和承载器104之间绕着轴线102的回转接头。承载器104由轴承106附接至臂部分311。这些轴承限定臂部分311和承载器104之间绕着轴线103的回转接头。绕着轴线102的第一锥齿轮107与承载器104紧固。绕着轴线103的第二锥齿轮108与臂部分311紧固。

如同本文所描述的其它机构，承载器104位于肢状件310,311的内侧。

两个电机109,110固定至臂部分310的框架100。电机109驱动轴111。轴111为刚性的并且终止于蜗杆118，蜗杆118接合锥齿轮107。当电机109操作时，轴111相对于近侧臂部分310旋转，从而驱动锥齿轮107和因此耦接器104和臂部分311以相对于臂部分310绕着轴线102旋转。电机110驱动轴112。轴112在其远侧端部附近具有蜗杆113，蜗杆113接合锥齿轮108。为适应锥齿轮108相对于电机110的运动，当耦接器104绕着轴线102移动时，轴112包括一对万向接头114,115和花键耦接器116，花键耦接器116适应轴112的轴向延伸和回缩。轴112的成品部件由轴承117安装至耦接器104。

方便的是，锥齿轮107为部分圆形形式：即，其齿不涵盖完整圆圈。例如，齿轮107可涵盖小于270°或小于180°或小于90°。这允许至少一部分的其它锥齿轮108绕着齿轮107的轴线以这样的方式(其与齿轮107一致的圆圈相交)进行定位，并且具有与齿轮107的最外侧部分相同的半径。尽管该特征可有助于减小复合接头的范围的尺寸，但是其特别重要的是，在图2所示类型的腕部中包括一对滚动接头与它们之间的一对俯仰/偏转接头，因为在该类型的接头中，在俯仰/偏转接头之中存在冗余度并且因此可实现臂的远侧端部的宽广范围的位置，即使绕着轴线102的运动受限制。

齿轮107和/或108方便地设置为锥齿轮，因为允许它们从位于其相应外半径的平面内的蜗杆进行驱动。然而，它们可为外部带齿齿轮，该外部带齿齿轮由附接至轴111,112的蜗杆或外部带齿齿轮接合于其外部表面上。

锥齿轮和啮合它们的蜗杆齿轮可方便地为偏斜轴线形式，例如

这些齿轮以较紧凑的形式允许较高的力矩容量。

可对上文所描述的机构做出各种变更。例如且非限制地：

-对应于轴线305,306的轴线无需相交并且无需为正交的。

-锥齿轮或其外部带齿齿轮等同物无需由蜗杆驱动。它们可由其它齿轮驱动。

-任一者或两者锥齿轮可为部分齿轮。

-在上文所给出的实例中，机构形成机械臂的腕部的一部分。这些机构可用于其它应用，例如用于机械臂的其它部分，用于机器人工具，以及用于非机器人应用，诸如相机的控制头部。

如上文参考图1所讨论的，每个接头均提供有力矩传感器，该力矩传感器感测关于该接头的轴线所施加的力矩。将来自力矩传感器的数据提供至控制单元10以用于控制臂的操作。

图9和图10以剖视图示出了力矩传感器的一者和其安装布置。力矩传感器150测量关于轴线103所施加的力矩：即，从承载器104至远侧臂框架101。如上文所描述的，锥齿轮108与框架101紧固，并且相对于承载器104绕着轴线103为可旋转的。锥齿轮108包括径向延伸齿轮部151(其齿轮齿152从其在轴向方向上延伸)和轴向延伸颈部153。颈部、径向延伸齿轮部和齿彼此为一体的。颈部153的内壁和外壁为圆形圆柱形轮廓。一对辊或滚珠轴承座圈106,154紧密地配合于颈部的外部周围。轴承坐落于承载器104的杯状物中并且将颈部153相对于承载器保持于适当位置，同时允许锥齿轮108相对于承载器绕着轴线103的旋转。

力矩传感器150具有径向延伸顶部凸缘155、轴向细长扭力管156(其延伸自顶部凸缘)，以及与凸缘相对的扭力管的端部处的内部带螺纹基部157。顶部凸缘155邻接锥齿轮108的齿轮部151。由螺栓158将顶部凸缘与齿轮部保持紧固。扭力管156在锥齿轮108的颈部153内部延伸。扭力管的外壁为圆形圆柱形轮廓。基部157的外部配置有花键结构，该花键结构与框架101中的对应结构型面接合以将两者保持为关于轴线103的固定关系。螺栓159延伸通过框架101并且延伸至基部157中以将它们夹持在一起。因此，其为力矩传感器150，力矩传感器150将锥齿轮108附接至臂框架101，并且绕着轴线103所施加的力矩通过力矩传感器来施加。扭力管对于其扭力管150具有中空内部和较薄的壁。当力矩通过力矩传感器来施加时，存在扭力管的轻微扭力变形。扭力管的偏转由应力计160测量，应力计160固定至扭力管的内壁。应力计形成指示扭力的电气输出，该电气输出提供绕着轴线103的力矩的表示。应力计可为另一形式：例如提供光学输出的光学干涉应力计。

为从力矩传感器获得最准确的输出，应避免以绕过扭力管156的方式从锥齿轮108至框架101的力矩传递。为此，优选的是减小锥齿轮108的颈部153和力矩传感器的基部157之间的摩擦力。一种可能性为提供锥齿轮的颈部与力矩传感器和扭力管两者的基部之间的间隙。然而，这可允许将剪切力在横向于轴线103的方向上施加至扭力管，该剪切力通过将应力计160暴露于扭力之外的其它力将自身减小力矩传感器的精度。另一选项为将轴承座圈引入锥齿轮108的颈部的内部和力矩传感器的基部157的外部之间。然而，这将实质上增加机构所占据的体积。替代地，图8所示的布置已示出得到良好的结果。套筒或轴衬161设置于扭力管156周围和锥齿轮108的颈部153内。套筒的尺寸设定成使得其连续接触颈部153的内壁和扭力管156的外壁，扭力管156也为圆形圆柱形轮廓。套筒的内部表面的整体接触扭力管156的外部。套筒的外部表面的整体接触颈部153的内部表面。套筒构造成使得其将较小摩擦力施加于颈部和扭力管之间：例如，套筒可由低摩擦力或自润滑材料形成或以其进行涂布。套筒由大体不可压缩材料形成，使得其可防止力矩传感器在横向于轴线103的剪切力条件下的变形。例如，套筒可由塑料材料(诸如尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE)或乙缩醛(例如，

))或石墨或浸渍有润滑剂的金属形成，或以其进行涂布。

为机构的简易组装起见，并且为将套筒161保持到位，锥齿轮108的颈部153的内壁在其远离径向延伸齿轮部151的端部附近向内形成台阶162。当套筒161位于颈部153和扭力管156之间并且力矩传感器的头部155栓接至齿轮部151时，套筒在径向上(在扭力管和颈部之间)和轴向上(在力矩传感器的头部155和锥齿轮的颈部153的内部表面的台阶162之间)均保持系留。优选的是，区域163中超过台阶162的颈部153的内半径使得该区域中的颈部的内部表面与力矩传感器150隔开，从而防止两者之间的摩擦力矩传递。

类似布置可用于绕着图7至图10的实施例的另一轴线102的力矩传感器，并且可用于其它图的实施例的力矩传感器。

霍尔效应传感器用于感测接头的旋转位置。每个位置传感器均包括布置于旋转轴线的一者周围的环的材料。该环具有一系列的规则隔开交替北磁极和南磁极。具有传感器阵列的传感器芯片相邻于环，该传感器阵列包括多个霍尔效应装置，该霍尔效应装置可检测磁场并测量环上的磁极相对于传感器阵列的位置以提供指示该相对位置的多位元输出。磁极的环布置成使得相应接头在360°范围内的每个位置与来自成对磁性传感器的唯一组的输出相关联。这可通过将不同数量的磁极提供于每个环上并使磁极和环的数量彼此互质来实现。采用该通用原理的霍尔效应位置传感器已知用于机器人和其它应用。

更具体地，与每个接头相关联的是一对交替磁化环和相关联传感器。每个环绕着其相应接头的轴线同心地布置。环与接头的一侧上的元件紧固，并且传感器与接头的另一侧上的元件紧固；因此，当存在机械臂绕着相应接头的旋转时，存在每个环和其相应传感器的相对旋转运动。每个单独传感器测量相关联环相对于该传感器定位于一对磁极之间的位置。其不可从单独传感器的输出来确定，环上磁极对的输出高于该传感器。因此，单独传感器可仅以相对方式来使用并且将需要以功率校准直至获知接头的绝对位置。然而，通过利用设计成使得每个环中磁极对的数量不具有共同因数的一对环，可能的是组合来自两个传感器的极对间测量结果并且算出接头的绝对位置而无需校准。

因此，磁性环操作为位置刻度以确定绕着旋转轴线的臂部分310和311之间的旋转位置。每个传感器均可与相应的位置刻度相关联。用于测量臂部分311相对于臂部分310绕着给定旋转轴线的旋转位置的传感器可与布置于该轴线周围的位置刻度相关联。传感器和其相关位置刻度可位于接头的相对侧上，它们与该接头相关联使得当臂绕着该相关接头连接时在传感器和刻度之间存在相对旋转。这允许对由接头所连接的两个臂部分之间的相对运动进行测量。

磁性环和传感器示出于图7至图10中。对于提供绕着轴线102的旋转的接头，位置借助于磁性环200和201和传感器202和203来感测。对于提供绕着轴线103的旋转的接头，位置借助于磁性环210,211、传感器212和未示出的另一传感器来感测。磁性环200与承载器104紧固，并且安装于承载器的一侧上。磁性环201与承载器104紧固，并且在承载器的另一侧上安装至磁性环200。磁性环200,201为平坦的，并且布置成垂直于轴线102并且居中于轴线102上。传感器202和203与臂部分310的框架100紧固。传感器202安装成相邻于环200的侧部。传感器203安装成相邻于环201的侧部。线缆204,205承载来自传感器202,203的信号。磁性环210与承载器104紧固，并且安装于承载器的凸缘220的一侧上。磁性环211与承载器104紧固，并且在凸缘220的另一侧上安装至磁性环200。磁性环210,211为平坦的，并且布置成垂直于轴线103并且居中于轴线103上。传感器212和用于绕着轴线103旋转的另一传感器与臂部分311的框架101紧固。传感器212安装成相邻于环210的侧部。另一传感器安装成相邻于环211的侧部。

因此，在图7至图10的布置中，绕着轴线102,103的每一者的旋转借助于两个多极磁性环来感测，每个多极磁性环均具有相应的关联传感器。每个传感器生成表示相应环上最近磁极相对于传感器的位置的多位元信号。通过对两个环上的磁极的数量布置为互质的，传感器的输出组合地指示接头在360°范围内的配置。这允许接头的旋转位置在该范围内进行检测。此外，在图7至图10的布置中，与每个接头相关联的两个环(即，一方面，环200,201，另一方面，环210,211)定位成沿着相应接头的轴线大体彼此偏离。环200在轴承190附近位于承载器104的本体的一侧上，而环201在轴承105附近位于承载器104的相对侧上。环210位于凸缘220的一侧上，而环211位于凸缘220的另一侧上。每个环由材料片材制成，材料片材在垂直于轴线的平面中为平坦的，环绕着该轴线设置。每对的磁性环(即，一方面，环200,201，另一方面，环210,211)在沿着其相应轴线的方向上彼此隔开一定距离，该距离大于该对环的厚度5倍并且更优选地大于10倍或大于20倍。方便地，一对环可在相应接头的相对侧上，如同环200,201。方便地，一对两个环附接至其的承载器104径向向外延伸以放置于径向位置，该径向位置当在包括相应旋转轴线的平面中观察时在环之间。因此，例如，凸缘220径向上置于环210和211之间。方便地，相应接头可由两个轴承支撑或限定，一个轴承沿着相应轴线在接头的任一侧上，并处于接头上的极端位置，并且该接头的环或每个环可在垂直于轴线的平面中重叠轴承的相应一者。方便地，环的传感器可安装于臂部分上，该臂部分由接头来连接。传感器可安装于臂部分的相对侧上。

通过隔开环，接头和/或臂部分的封装(相关联传感器安装于其中)可被极大地改善。隔开环允许更多机会来将环定位于方便位置，并且允许传感器隔开，这些传感器可自身提供封装优点。优选的是，接头相比于环上的磁极的数量为足够的刚性，使得接头的扭力在负载条件下将不会不利地影响测量结果。例如，优选的是，接头具有足够刚性，使得在其最大额定操作负载条件下，接头的元件不可扭转太多使得其可引起传感器处磁性过渡量级的变化，即使它们隔开。对于所有负载状况，除了运动之外，这还允许检测方向。

因此，在图7至图10所示的布置中，通过测量每个传感器相对于布置于相关旋转轴线周围的其相关刻度的位置，传感器202,203和212分别感测臂部分311相对于臂部分310绕着轴线102和103的旋转位置。在上述实例中，刻度采用磁性环或轨道200,201和202,203的形式。换句话讲，通过分别测量这些传感器相对于相关刻度210和211的位置，传感器202和203测量臂部分311相对于臂部分310绕着轴线102的旋转位置，其中刻度210和211均绕着轴线102设置。通过测量该传感器相对于绕着轴线103设置的相关刻度211的位置，传感器212测量臂部分311相对于臂部分310绕着轴线103的旋转位置。

臂部分311位于臂部分310的远侧。臂部分310位于绕着图7至图10的轴线102和103的接头的近侧。如参考图1所讨论的，来自力矩传感器和位置传感器的数据被反馈至控制单元10。可期望的是，数据通过有线连接来传送，该有线连接运行通过臂自身。

每个臂部分包括电路板。图7至图10示出了由臂部分311所承载的电路板250。每个电路板包括数据编码器/解码器(例如，集成电路251)。编码器/解码器在本地用于相应臂部分的格式和用于沿着臂的数据传输的格式之间转换信号。例如：(a)本地用于臂部分的格式，位置传感器可返回位置读数(随着它们经过磁极过渡)，力矩传感器可返回指示当前所感测力矩的模拟或数字信号，并且驱动电机可要求脉冲宽度调制驱动信号；而(b)用于沿着臂的数据传输的格式，可使用通用数据传输协议(其可为包数据协议，诸如以太网)。因此，编码器/解码器可接收沿着臂从控制单元10所输送的数据包并且解释其数据以形成任何本地电机的控制信号，并且可接收本地所感测数据并且将其转换成打包形式以用于传输至控制单元。沿着臂的电路板可通过通信线缆链接在一起，使得从较远侧板的通信经由较近侧板。

一般来讲，期望的是不将数据从臂的一个部件馈送至臂的较远侧部件。这样做将涉及在臂中不必需地朝向远侧运行的线缆，从而增加远侧分布重量；并且因为电路板链接在一起，所以一旦数据已发送至较远侧板，则下一最近侧板将无论如何处理该数据以将其转发。

然而，还可期望的是，由于适当地布置此类电缆的潜在困难，将横穿接头的线缆的数量最小化以避免它们由接头的连接损坏和/或避免它们干扰接头连接。在某些情况下，这两个要求可冲突，意味着电缆的适当布置可涉及处理该冲突。

下文描述的是多种线缆的布置及其对位置和力矩传感器的连接，这可适于处理该冲突以用于机械臂的不同具体实施。

待描述的第一布置示于图7至图10中。

绕着轴线102,103的复合接头具有旋转位置传感器202,203(用于绕着轴线102的旋转)和212(用于绕着轴线103的旋转)。传感器202,203安装于臂部分310的框架100上，该框架100位于接头的近侧，该接头的运动由传感器来测量。来自位置传感器202,203的数据沿着线缆204,205馈送，线缆204,205沿着臂部分310通向传感器的近侧。传感器212安装于臂部分311的框架101上。来自位置传感器212的数据沿着线缆馈送至相同臂部分上的电路板250。在每一种情况下，相比于其中数据被收集的元件，数据未传送至臂的更远侧元件。

绕着轴线102,103的复合接头具有力矩传感器150(用于绕着轴线103的旋转)和191(用于绕着轴线102的旋转)。力矩传感器150,191所感测的数据以原生形式由柔性线缆承载至电路板250。在电路板250处，编码器/解码器251将所感测数据编码成例如以太网包，并且将其传送至控制单元10。因此，不同于馈送至更远侧臂部分310的电路板以用于编码，来自力矩传感器的数据被传送至更远侧臂部分的电路板以用于编码，并且然后由线缆从该电路板在沿着臂的远侧方向上传送。

这种布置示出于图11中。臂部分310包括电路板195，电路板195从位置传感器202接收数据并且将命令数据提供至电机109,110。臂部分311包括电路板250，电路板250从位置传感器212和力矩传感器150,191接收数据。电路板250编码所感测数据并且将其经数据总线196传送至电路板195，电路板195经由链路197将其转发朝向控制单元10。位置传感器202由线缆直接地连接至电路板195。位置传感器212和力矩传感器150,191由线缆直接地连接至电路板250。电路板250和电路板195由数据总线196连接。位置传感器212和力矩传感器150,191经由电路板250(和数据总线196)联接至电路板195。

因此，在图11所示的布置中，力矩传感器150和191均由相应数据线缆连接至位于远侧臂部分311中的电路板250。一个位置传感器(传感器212)还由数据线缆连接至电路板250；并且一个位置传感器(传感器202)由数据线缆连接至位于近侧臂部分310中的电路板195。

该布置的各个方面可有利于使臂中位于远侧的部件的数量最小化，同时还使横穿接头的线缆的数量最小化。

例如，通常期望的是测量“输出”力矩(即，实际上横跨接头所施加的力矩)，而非“输入”力矩(即，在施加至接头之前由接头致动器(例如，电机)所提供的力矩)，因为这可提供机械臂运动的更精确控制。因此，在图7至图10所示的布置中，力矩传感器191将驱动齿轮107联接至承载器104，并且力矩传感器150将驱动齿轮108联接至远侧臂部分311。力矩传感器191可附接至驱动齿轮107和承载器104两者；并且力矩传感器191可附接至驱动齿轮108和远侧臂部分311两者。因此，力矩传感器191位于齿轮107的下游；即，力矩从齿轮107通过驱动系串行地传输至力矩传感器191，进而传输至承载器104。类似地，力矩传感器150位于齿轮108的下游；因此，力矩从齿轮108通过驱动系串行地传输至力矩传感器150，进而传输至臂部分311。因为力矩传感器151位于驱动齿轮108的远侧，所以对于该力矩传感器便利的是经由数据线缆连接至由远侧臂部分311所承载的电路板250。这避免了力矩传感器150的数据线缆横穿复合接头。

对于位置传感器而言，通常还期望的是测量接头运动的实际输出(例如，绕着接头的臂部分310和311之间的相对位置)，而非测量接头致动器的输出(例如，轴111和/或112的旋转位置)。这是因为所测量接头位置相比于用于驱动接头的驱动致动器的所测量位置可对于控制系统提供更精确的输入数据。为直接地测量接头的位置，每个传感器位于接头的一侧上并且与位于该接头的另一侧上的相应磁性轨道或刻度相关联。当臂绕着接头连接时，传感器和其相关刻度之间的相对旋转运动用于确定臂部分相对于彼此绕着该接头的位置。传感器经由数据线缆对表示关于接头的所感测位置的数据进行通信。即，传感器为附接至数据线缆的有线部件。位置刻度可为无线部件，例如在刻度为磁性环的情况下。

因此，便利的情况为：传感器202(其测量绕着轴线102的臂部分310和承载器104之间的位置)位于臂部分310内；以及传感器212(其测量承载器104和臂部分311之间的位置)位于臂部分311内。换句话讲，传感器202位于接头的近侧，并且传感器212位于接头的远侧，并且两个相关刻度200,210位于承载器104上。换句话讲，有线部件位于接头的相对侧上，并且无线部件位于插置于有线部件之间的承载器上。这样，传感器202可经由数据线缆连接至其本地电路板195，并且传感器212可经由数据线缆连接至其本地电路板250，从而避免每一数据线缆横穿接头。

在图11所示的布置中，力矩传感器191连接至位于远侧臂部分311内的电路板250。在某些具体实施中，这可为最便利的布置；然而，在其它具体实施中，对于传感器191可较便利的是(根据设计或制造观点)经由数据线缆连接至位于近侧臂部分310中的电路板195。尽管这将要求数据线缆横穿具有旋转轴线102的接头，然而，可物理上更容易以这种方式布置传感器和线缆以装配至机器人的设计中或在其制造期间组装至机器人中。

图12示出了该另选布置的实例。

近侧臂部分310示出为经由腕部5连接至远侧臂部分311。近侧臂部分310同样包括位于接头的近侧的电路板195。位置传感器202和力矩传感器191均经由相应线缆直接地连接至电路板195，以将数据从这些传感器传输至电路板。电路板195编码来自传感器202和191的所感测数据并且经由数据链路197将其通信至控制单元10。臂部分311包括位于接头的远侧的电路板250。位置传感器212和力矩传感器150经由相应数据线缆直接地连接至电路板250。电路板250编码来自传感器150和212的所感测数据，并且经由数据总线196将其通信至电路板195。因此，数据总线196横穿接头。同样，传感器202和212位于腕部5的复合接头的相对侧上，即，传感器202和212由复合接头(和承载器104)分开。

位置传感器和力矩传感器和其数据线缆在机械臂内的布置已参考复合接头进行讨论。然而，数据传感器对于通信单元的位置和连接还考虑用于回转接头(即，具有单自由度的接头)。

图13示出了用于回转接头的位置传感器和力矩传感器在机械臂内的布置，该回转接头连接两个相邻肢状件或臂部分。

特别地，臂部分501经由单个接头503连接至臂部分502。臂部分502位于臂部分501的远侧。接头503为具有单旋转轴线504(取向至该视图中的页面中)的回转接头，单旋转轴线504允许臂部分502相对于臂部分501进行连接。其它接头不将臂部分501和502彼此连接。电机505驱动驱动轴506以绕着其纵向轴线旋转。驱动轴506已在其终端附连轴齿轮507(在该实例中为小齿轮的形式)。齿轮507接合驱动齿轮508(在该实例中示为锥齿轮)。齿轮508布置于轴线504周围，并且可旋转地安装于与该轴线一致的轴(未示出)上。齿轮508与远侧臂部分502紧固。当电机505驱动轴506时，轴齿轮507的旋转驱动齿轮507绕着其旋转轴线504旋转，继而引起臂部分502相对于臂部分501绕着轴线504连接。

位置传感器单元(通常以511表示)测量接头503的旋转位置。位置传感器单元包括传感器512和相关位置刻度513。传感器512位于近侧臂部分501内。其可安装至臂部分501内的元件(例如，框架)。位置刻度513与驱动齿轮508紧固，并且布置于旋转轴线504周围(为清楚起见，仅一部分的刻度513示于图13中)。因此，传感器512和刻度513位于接头503的相对侧上，并且因此当臂部分501和502相对于彼此绕着轴线504连接时(即，当接头503连接时)经历相对旋转运动。位置刻度513可为磁性轨道或环的形式，如上文参考图7至图10所描述的。位置刻度可以与如上文所描述的磁性环200，201，210和212相同的方式操作。

在接头的相对侧上具有位置传感器和位置刻度允许对接头位置进行直接地测量，如相对于测量接头致动器输出的位置(诸如驱动轴506的位置)。这为有利的，因为所测量接头位置相比于接头致动器的输出对于控制单元10可为更有用输入。

力矩传感器单元514测量绕着接头503所施加的力矩。力矩传感器可坐落于轴上，驱动齿轮508绕着该轴旋转。力矩传感器514可为与力矩传感器150和191相同的布置，并且以与其相同的方式操作。力矩传感器514将驱动齿轮508联接至臂部分502。力矩传感器514可连接至齿轮508和臂部分502两者。因此，力矩传感器514可插置于驱动齿轮508和臂部分502之间。因此，力矩传感器514位于齿轮508的下游或远侧，使得当接头503连接时，力矩从齿轮508通过传感器514串行地传输至臂部分502。如上文所描述的，此类布置允许传感器514测量通过接头503所施加的力矩，如相对于接头致动器的输出力矩。这为有利的，因为通过接头所施加的力矩的感测值可对于机械臂的控制单元提供更精确的输入。

机械臂包括电路板形式的通信单元509和510。通信单元509位于臂部分501中，并且通信单元510位于臂部分502中。因此，通信单元509在接头503的近侧；并且通信单元510在接头503的远侧。通信单元509和510由数据总线517互连。

通信单元509由沿着近侧臂部分501延伸的数据线缆515连接至传感器512。线缆515可将传感器512直接地连接至通信单元509。数据线缆515将接头503的所感测位置数据通信至通信单元509。该数据可称为原始数据。通信单元509编码所感测数据并且经由通信链路516将所编码数据通信至控制单元10。通信链路516可为物理链路，诸如线缆或数据总线。通信单元509可以与上文所描述的电路板195相同的方式操作。特别地，通信单元509可将来自传感器512的所感测数据打包(例如，以太网包)并且将这些包通信至控制单元。通信单元509还可将命令数据提供至电机505。命令数据可经由物理链路(例如，线缆)提供，该物理链路将通信单元509和电机505互连。

通信单元510由沿着远侧臂部分502延伸的数据线缆518连接至力矩传感器514。线缆518可直接地连接力矩传感器514和通信单元510。线缆518将通过接头503所施加的所感测力矩数据(其可称为原始数据)通信至通信单元510。通信单元510可操作来以与上文所描述的电路板250相同的方式编码所感测的力矩数据。通信单元510编码所感测力矩数据，并且经由数据总线517将所编码力矩数据通信至通信单元509。因此，所编码感测力矩数据沿着臂从通信单元510朝向远侧通信至通信单元509。因此，力矩传感器514经由远侧通信单元510联接至近侧通信单元509。

因此，在图13所示的布置中，所感测位置数据在接头503的上游或近侧通信(即，在相对于接头503的近侧方向上)。另一方面，所感测力矩数据在接头503的下游或远侧通信(即，在相对于接头503的远侧方向上)。

这种布置的有利之处在于，其允许将来自位置传感器和力矩传感器的所感测数据通信至通信单元，而无需具有承载横穿接头503的数据的数据线缆。这限制了经由总线517仅横穿接头503至通信单元的数据通信。

可对图11至图13所示的实施例做出各种修改和另选方案。例如：

在图13中，位置传感器512由数据线缆连接至由近侧臂部分501所承载的通信单元509。这是因为传感器512由近侧臂部分501承载并且相关位置刻度513由远侧臂部分502承载，使得传感器512和刻度513在接头513的相对侧上。在另选布置中，传感器512可由远侧臂部分502承载，并且相关位置刻度513可由近侧臂部分501承载。例如，位置刻度可布置于旋转轴线504周围(如之前)，但与臂部分501紧固，并且相对于臂部分502(和因此驱动齿轮508)绕着轴线504为可旋转的。传感器512可与驱动齿轮508和臂部分502紧固，并且因此，当接头503连接时，传感器和臂部分仍经历相对运动。如果传感器512由远侧臂部分502承载，那么对于传感器便利的是由沿着臂部分502运行的数据线缆连接至通信单元510，而非通信单元509。这同样避免对来自传感器512的所感测数据进行通信的数据线缆横穿接头。

将传感器连接至图13的布置中的电路板的线缆已描述为数据线缆。数据线缆可为电气线缆。另选地，传感器和电路板可由一些其它类型的物理数据链路(诸如光纤)连接。

对于图11至图13的每种布置而言，物理数据链路可位于机械臂内的各个位置。在一组实例中，每个臂部分或肢状件包括限定该臂部分的外表面或壁的壳体。物理数据链路可在外壁内运行。在另选组的实例中，物理数据链路可安装于外壁的外部。例如，它们可各自安装至外壁的外表面。

图13的布置已描述为仅包括单位置传感器512和相关位置刻度513。该布置可包括沿着旋转轴线504的方向与传感器512和刻度513侧向地隔开的第二传感器和相关位置刻度。这将允许对接头504的角度位置进行确定，而无需执行校准步骤。

图13中的位置刻度已描述为磁性轨道或环。环布置于轴线504周围。在另一个实例中，位置刻度可为布置于轴线504周围的电阻性或导电性轨道的形式。在这种情况下，传感器512可包括附接至轨道的导电刷。当接头503连接时，刷相对于轨道移动。这改变了轨道上的点和刷之间的电阻，使得电阻为刷位置的函数。然后，传感器利用所测量的电阻来确定刷(和因此接头503)位置。

图13的驱动齿轮508和轴齿轮507已仅选择为实例以示出回转接头。应当理解，图13中的传感器和数据线缆的布置适用于用于使回转接头连接的其它类型的齿轮装置。例如，驱动齿轮508可为凸壁齿轮、锥齿轮、双曲面齿轮等。轴齿轮507可为凸壁齿轮、锥齿轮、蜗杆等。

如图2所示，臂部分4c由臂部分311承载并且可相对于臂部分4c绕着轴线307旋转。图14示出了穿过包括臂部分4c的模块的剖面图。模块具有基部400和侧壁440，侧壁440与基部紧固。基部400附接至臂部分311的远侧端部的端面401。(参见图7)。臂部分4c一般以403指示。臂部分4c相对于基部绕着对应于图2的轴线307的轴线402为可旋转的。为此，臂部分4c由轴承430,431安装至侧壁440，轴承430,431限定侧壁440和臂部分4c之间绕着轴线402的回转接头。

臂部分4c具有外壳404，外壳404容纳其内部部件。这些部件包括电路板405和电机406,407。电机406,407固定至外壳404，因此它们不可相对于外壳404旋转。外壳404借助于轴承430,431相对于基部400自由旋转。通道408运行通过模块的内部以容纳从电路板250穿行至电路板405的通信线缆(未示出)。通信线缆承载信号，该信号当由电路板405的编码器/解码器进行解码时引起其发出控制信号以控制电机406,407的操作。

电机406驱动臂部分4c相对于臂部分311的旋转。因此，电机406驱动外壳404相对于基部400的旋转。基部400具有中心凸出部410。

一般来讲，关于图9和图10所讨论类型的力矩传感器附接至凸出部410。力矩传感器具有包括基部411、扭力管412和径向延伸头部413的一体构件。力矩传感器的基部411与基部400的凸出部410紧固。如同图9和图10的力矩传感器，套筒421在力矩传感器的扭力管周围延伸以保护其免于剪切力并且以减小其和周围部件(其为基部400)之间的摩擦力。

内部带齿齿轮420与力矩传感器的头部413紧固。电机406驱动轴414，轴414承载小齿轮415。小齿轮415接合内部齿轮420。因此，当电机406操作时，其驱动小齿轮415旋转并且这引起臂部分4c(电机406为臂部分4c的一部分)绕着轴线402旋转。绕着轴线402的所得力矩通过力矩传感器的扭力管412被传送至基部400，从而允许该力矩由附接至扭力管的应力计来测量。

用于附接至器械的接合部示出于图14中。电机407的轴440暴露于接合部处以用于对器械提供驱动。

来自力矩传感器411,412,413的力矩数据被传送至臂部分311上的电路板250以用于编码。臂部分4c的旋转位置可由传感器445来感测，传感器445由臂部分4c承载并且检测环446,447上的磁极之间的过渡，环446,447安装于外壳404的内部上。来自传感器445的数据被传送至臂部分4c的电路板405以用于编码。

驱动绕着接头102和103的旋转的电机在臂部分310中安装于这些接头的近侧。如上文所讨论的，通过避免重量放置成更靠近臂的远侧端部，这改善了重量分布。相比之下，驱动臂部分4c的旋转的电机安装于臂部分4c中而非臂部分311中。尽管这由于其需要将电机406安装于更远侧可视为不利的，但是已发现，这允许臂部分311为尤其紧凑的。电机406可平行于一个或多个电机(例如，407)封装于臂部分4c中，该一个或多个电机提供对器械的驱动：即，使得电机与垂直于轴线402的共用平面相交。这意味着电机406在臂部分4c中的并入无需使臂部分4c实质上更长。

替代带齿齿轮，接头的驱动器可通过摩擦装置。

申请人特此以分离方式公开了本文所描述的各个单独特征和两个或更多个此类特征的任何组合，为此，此类特征或组合能够作为整体根据本领域技术人员的公知常识基于本说明书来进行，而不论此类特征或特征的组合是否解决本文所公开的任何问题，并且不限于权利要求书的范围。申请人指出，本发明的多个方面可由任何此类单独特征或特征的组合组成。根据前述描述，对本领域的技术人员将显而易见的是，在本发明的范围内可做出各种修改。

Claims (23)

1.一种机械臂，所述机械臂在所述臂的第一肢状件和所述臂的第二肢状件之间具有复合接头，所述复合接头包括第一回转接头和第二回转接头，所述臂的所述第二肢状件处于所述第一肢状件的远侧，所述臂包括：

耦接器元件，所述耦接器元件由具有第一旋转轴线的所述第一回转接头联接至所述臂的所述第一肢状件，并且由具有第二旋转轴线的所述第二回转接头联接至所述臂的所述第二肢状件；

第一和第二旋转位置传感器，所述第一和第二旋转位置传感器用于分别感测所述臂绕着所述第一回转接头和所述第二回转接头的配置；

第一和第二力矩传感器，所述第一和第二力矩传感器用于分别感测绕着所述第一回转接头和所述第二回转接头所施加的力矩；

控制单元，所述控制单元用于控制所述臂的操作；

第一通信单元和第二通信单元，所述第一通信单元由所述第一肢状件承载并且位于所述耦接器元件的近侧，所述第二通信单元由所述第二肢状件承载并且位于所述耦接器元件的远侧，每个通信单元均能够以第一数据格式将接收自所述旋转位置和/或力矩传感器中的一者或多者的数据编码成数据包，并且根据不同于所述第一数据格式的基于包的数据协议将这些包传送至所述控制单元；

其中，所述第一旋转位置传感器由在所述第一肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第一通信单元，以将表示关于所述第一回转接头的感测的位置的数据传递至所述第一通信单元以用于编码，并且所述第一力矩传感器由在所述第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第二通信单元，以将表示关于所述第一回转接头的感测的力矩的数据传递至所述第二通信单元以用于编码。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其中，所述第二旋转位置传感器由在所述第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第二通信单元，以将表示关于所述第二回转接头的感测的位置的数据传递至所述第二通信单元以用于编码。

3.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第二力矩传感器由在所述第二肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第二通信单元，以将表示关于所述第二回转接头的感测的力矩的数据传递至所述第二通信单元以用于编码。

4.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第二力矩传感器由在所述第一肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第一通信单元，以将表示关于所述第二回转接头的感测的力矩的数据传递至所述第一通信单元以用于编码。

5.根据权利要求1所述的机械臂，其中，所述第二旋转位置传感器由在所述第一肢状件的外壁内运行的物理数据链路连接至所述第一通信单元，以将表示关于所述第二回转接头的感测的位置数据的数据传递至所述第一通信单元以用于编码。

6.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，每个物理数据链路均为电气线缆。

7.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，每个通信单元均能够缓冲接收自所述旋转位置和/或力矩传感器的数据，并且随后将该数据传送至所述控制单元。

8.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第二通信单元经由所述第一通信单元连接至所述控制单元。

9.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第一肢状件包括电机以用于驱动绕着所述第一回转接头和所述第二回转接头的运动，并且所述电机由物理数据链路连接至所述第一通信单元以从所述第一通信单元接收命令信号。

10.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线彼此横向。

11.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线彼此相交。

12.根据权利要求1或2所述的机械臂，其中，所述第一回转接头和所述第二回转接头为机器人的腕部的一部分。

13.一种机械臂，所述机械臂包括第一肢状件和第二肢状件，所述第二肢状件处于所述第一肢状件的远侧，并且由单个回转接头联接至所述第一肢状件，所述单个回转接头用于将所述第一肢状件和所述第二肢状件绕着旋转轴线相对于彼此连接；所述臂包括：

力矩传感器，所述力矩传感器用于感测绕着所述回转接头的力矩；

旋转位置传感器，所述旋转位置传感器用于感测所述臂绕着所述旋转轴线的配置；

控制单元，所述控制单元用于控制所述机械臂的操作；

第一通信单元，所述第一通信单元由所述第二肢状件承载并且位于所述回转接头的远侧，所述第一通信单元能够以第一数据格式将接收自所述力矩传感器的数据编码成数据包，并且根据不同于所述第一数据格式的基于包的数据协议将这些数据包传送至所述控制单元；以及

第二通信单元，所述第二通信单元由所述臂承载并且位于所述回转接头的近侧，所述第二通信单元能够以第一数据格式将接收自所述旋转位置传感器的数据编码成数据包，并且根据不同于所述第一数据格式的基于包的数据协议将这些数据包传送至所述控制单元；

其中，所述力矩传感器由沿着所述第二肢状件运行的物理数据链路连接至所述第一通信单元，以将表示关于所述回转接头的感测的所述力矩的数据传递至所述第一通信单元以用于编码，并且所述旋转位置传感器由沿着所述第一肢状件运行的物理数据链路连接至所述第二通信单元，以将表示所述臂绕着所述旋转轴线的配置的数据传递至所述第二通信单元以用于编码。

14.根据权利要求13所述的机械臂，其中，所述第二通信单元由所述第一肢状件承载。

15.根据权利要求13或14所述的机械臂，还包括驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述第二肢状件紧固，并且可旋转地绕着所述旋转轴线安装以相对于所述第一肢状件旋转，其中，所述旋转位置传感器与所述第一肢状件紧固，并且与位置刻度相关联，所述位置刻度与所述第二肢状件紧固。

16.根据权利要求15所述的机械臂，其中，所述旋转位置传感器安装至所述第一肢状件并且所述位置刻度布置于所述旋转轴线周围。

17.根据权利要求13或14所述的机械臂，其中，所述第一通信单元经由所述第二通信单元连接至所述控制单元。

18.根据权利要求13所述的机械臂，还包括旋转位置传感器以用于感测所述臂绕着所述旋转轴线的配置；其中，所述第一通信单元还能够以第一数据格式将接收自所述旋转位置传感器的数据编码成数据包，并且根据不同于所述第一数据格式的基于包的数据协议将这些数据包传送至所述控制单元；并且其中，所述旋转位置传感器由沿着所述第二肢状件运行的物理数据链路连接至所述第一通信单元，以将表示所述臂绕着所述旋转轴线的配置的数据传递至所述第一通信单元以用于编码。

19.根据权利要求18所述的机械臂，还包括驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述第二肢状件紧固，并且可旋转地绕着所述旋转轴线安装以相对于所述第一肢状件旋转，其中，所述旋转位置传感器与所述驱动齿轮紧固，并且与位置刻度相关联，所述位置刻度与所述第一肢状件紧固。

20.根据权利要求19所述的机械臂，其中，所述位置刻度布置于所述旋转轴线周围。

21.根据权利要求13或14所述的机械臂，还包括驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述第二肢状件紧固，并且可旋转地绕着所述旋转轴线安装以相对于所述第一肢状件旋转，其中，所述力矩传感器将所述驱动齿轮联接至所述第二肢状件。

22.根据权利要求13或14所述的机械臂，其中，每个物理数据链路为电气线缆。

23.根据权利要求13或14所述的机械臂，其中，每个通信单元均能够缓冲接收自所述旋转位置和/或力矩传感器的数据并且随后将该数据传送至所述控制单元。

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