CN107848119A - 用于机器人手臂的驱动布置 - Google Patents

Abstract

一种机器人手臂，其包括彼此联接的多个肢状件，所述手臂从底座延伸到远端肢状件，所述远端肢状件承载工具或用于工具的附接点，所述远端肢状件通过旋转关节附接到第二肢状件，并且所述手臂包括电动机，所述电动机具有主体和驱动轴，所述驱动轴布置成用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转，其中，所述电动机的所述主体与所述远端肢状件固定。

Description

用于机器人手臂的驱动布置

背景技术

本发明涉及用于机器人关节的驱动布置。

需要用于操纵对象的机器人(例如，可以是工业机器人或外科手术机器人)通常具有手臂，该手臂由刚性元件组成，该刚性元件由若干柔性关节串联在一起。该关节可以为任何类型，但通常为旋转关节或旋转关节和棱柱关节的结合。手臂从底座(底座的位置可以是固定的或可移动的)延伸并且终止于工具或用于工具的附接件。工具可以例如为握持、切割、照明、放射或成像的工具。手臂中的最后关节可以称为腕部。腕部可以允许围绕仅仅单个轴线的运动，或者腕部可以是复杂的或复合的联接关节，该联接关节允许围绕多个轴线的旋转。正如我们的同时待审的专利申请PCT/GB2014/053523所公开的，腕部可以提供两个滚动关节，该滚动关节的轴线一般纵向于手臂、由俯仰关节/偏转关节两个关节分开，该俯仰关节/偏转关节的轴线一般横向于手臂。

在外科手术机器人的情况下，存在对手臂的(一个或多个)远端关节的设计产生影响的若干重要标准。

1.期望手臂、特别是其远端部(腕部位于其中)具有较小的尺寸。这允许多个此类机器人手臂在极靠近的附近处工作并且因此打开手臂可执行外科手术的较宽范围。

2.期望手臂的远端部的外轮廓关于手臂的长度是圆形对称的。这允许远端部纵向地旋转至某个其它设备或患者，而无需在其靠近另外的机器人的情况下进行重新定位。

3.期望关节能够传递较高的转矩，使得它们可以承载较重的工具并且将较高的加速度传递至工具前端。

4.期望关节为刚性的，具有小的反冲或弹性或者不具有反冲或弹性，使得当工具前端已经定位时该工具前端将固定在适当的位置。用于使反冲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，但这需要高级别的维护并且可导致磨损的齿轮颗粒释放到手臂内。

5.期望所有关节均具有位置传感器和力/转矩传感器，使得控制机构可以从这些传感器获取数据。

6.期望机器人手臂的远端部尽可能是轻质的，以减小必然由机器人手臂的较近端关节施加的力。

7.典型机器人手臂带有线缆，该线缆将电力提供到其驱动电动机以及可能提供到工具，并且将来自传感器(例如位置传感器、转矩传感器和成像传感器)的信号传递返回。期望手臂包括用于这种电缆的路径穿入手臂的内部。

重要标准的数量使得难以设计对所有要求进行最佳平衡的手臂。

一个具体的问题是如何将电动机和传动装置装配在机器人手臂的远端部分中。布置应当是紧凑的但是还允许较高的刚度以及转矩传递。许多现有设计对这些标准中的一者进行了妥协。

存在对于机器人手臂的远端部分的驱动布置进行改善的需求。

发明内容

根据本发明，提供了一种机器人手臂，其包括彼此联接的多个肢状件，所述手臂从底座延伸到远端肢状件，所述远端肢状件承载工具或用于工具的附接点，所述远端肢状件通过旋转关节附接到第二肢状件，并且所述手臂包括电动机，所述电动机具有主体和驱动轴，所述驱动轴布置成用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转，其中，所述电动机的所述主体与所述远端肢状件固定。

所述第二肢状件可以包括围绕所述旋转关节的轴线设置的带内齿的齿轮。所述驱动轴可以承载与所述带内齿的齿轮啮合的、用于对所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转进行驱动的齿轮。

所述手臂可以包括用于对所述手臂的逐个所述肢状件围绕相应的所述关节的相对运动进行驱动的多个其它电动机。每一个所述电动机可以均位于其相应的所述关节的近端。

所述远端肢状件可以承载用于工具的附接点。所述远端肢状件可以包括工具电动机，所述工具电动机具有主体和驱动轴，所述主体与所述远端肢状件固定，所述驱动轴暴露在附接点处。

所述第二肢状件可以包括耦接件和所述第二肢状件的其余部分，所述耦接件包括：耦接件底座，其能够附接到所述第二肢状件的所述其余部分；至少一个轴承，其用于支撑所述远端肢状件，并且用于允许所述耦接件底座和所述远端肢状件围绕所述旋转关节的轴线的相对旋转；齿轮，其能够由所述远端肢状件的所述电动机的所述驱动轴啮合，以用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转；和转矩传感器装置，所述耦接件底座通过所述转矩传感器装置附接到所述齿轮。

机器人可以是外科手术机器人。工具可以是外科手术工具。

附图说明

现在将参照附图通过示例描述本发明。

在附图中：

图1是外科手术机器人手臂的总体示意图。

图2更详细地示出图1中手臂的腕部处的旋转轴线。

图3从远端以及一侧示出了第一腕部机构的一部分。

图4从远端以及另一侧示出了第一腕部机构的一部分。

图5从近端以及一侧示出了第二腕部机构的一部分。

图6从远端以及一侧示出了第二腕部机构的一部分。

图7从远端以及一侧示出了第三腕部机构。

图8从远端以及另一侧示出了第三腕部机构。

图9示出了第三腕部机构在从一侧观察的中心纵向平面上的剖视图。

图10示出了第三腕部机构在从另一侧观察的中心纵向平面上的剖视图。

图11示出了机器人手臂中的通信路径。

图12示出了用于机器人手臂的终端模块的纵向截面。

图13示出了图12的具有附接驱动接口的模块。

具体实施方式

已经发现以下将要描述的腕部机构能够为机器人腕部的至少一些关节或者为其它应用提供紧凑且机械有益的布置。

图1示出了具有手臂1的外科手术机器人，该手臂1从底座2开始延伸。手臂包括若干刚性的肢状件3。肢状件由旋转关节4耦接。最近端肢状件3a由关节4a耦接到底座。最近端肢状件和其它肢状物件由其他关节4串联地耦接。腕部5由四个单独的旋转关节组成。腕部5将手臂的一个肢状件(3b)耦接到最远端肢状件(3c)。最远端肢状件3c承载用于外科手术器械或工具9的附接件8。手臂的每一个关节4具有一个或多个电动机6和一个或多个位置传感器和/或转矩传感器7，一个或多个电动机6可以操作以引起相应的关节处的旋转运动，一个或多个位置传感器和/或转矩传感器7提供与该关节处的当前配置和/或负载有关的信息。为了清晰，在图1中仅仅示出一些电动机和传感器。手臂大体可以是如我们的共同待审专利申请PCT/GB2014/053523中描述的。用于工具的附接点8可以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到手臂的成型部，(ii)用于从/向工具通信电功率和/或光学功率和/或数据接口，以及(iii)用于对工具的一部分的运动进行驱动的机械驱动器。一般地，优选将电动机布置在由该电动机驱动运动的关节的近端以改善重量分布。如下文讨论的，手臂可以分配具有用于电动机、转矩传感器和编码器的控制器。这些控制器通过通信总线连接到控制单元10。

控制单元10包括处理器11和存储器12。存储器12以非瞬态方式存储软件，该软件可以由处理器执行以控制电动机6的操作从而使得手臂1以本文描述的方式进行操作。具体地，软件可以(例如，通过分布的控制器)控制处理器11以使得电动机根据来自传感器7的输入和来自外科医生命令接口13的输入进行驱动。控制单元10耦接到电动机6以用于根据由软件的执行生成的输出驱动电动机。控制单元10耦接到传感器7以用于接收来自传感器的感测输入，以及耦接到命令接口13以用于接收来自命令接口的输入。例如，相应的耦接件每一者可以是电缆或光缆，或者可以通过无线连接来提供。命令接口13包括一个或多个输入装置，由此用户可以要求手臂以期望的方式运动。例如，输入装置可以是可手动操作机械输入装置(例如控制手柄或操纵杆)或者非接触式输入装置(例如光学姿态传感器)。存储在存储器12中的软件配置成按照预定控制策略响应于这些输入并且由此引起手臂的关节的运动。控制策略可以包括安全特征，该安全特征响应于命令输入使手臂的运动适度。因此总之，命令接口13处的外科医生可以控制机器人手臂1来以执行期望外科手术的方式运动。控制单元10和/或命令接13可以远离手臂1。

图2更详细地示出了机器人的腕部5。腕部包括四个旋转关节300、301、302、303。关节串联地布置，并且手臂的刚性部分从每一个关节延伸到下一个关节。腕部的最近端关节300将手臂部分4b结合到手臂部分310。关节300具有“滚动”旋转轴线304，其中，该旋转轴线304大体地指向沿着手臂的肢状件4b的延伸方向，其中肢状件4b紧邻腕部的关节的近端。腕部的次最远端关节301将手臂部分310结合到手臂部分311。关节301具有“俯仰”旋转轴线305，该旋转轴线305垂直于在关节300和301的所有配置中的轴线304。腕部的次最远端关节302将手臂部分310结合到手臂部分311。关节302具有“偏转”旋转轴线306，该旋转轴线306垂直于在关节301和302的所有配置中的轴线305。在腕部的一些配置中，轴线306还垂直于轴线304。腕部的次最远端关节303将手臂部分311结合到手臂部分4c。关节303具有“滚动”旋转轴线307，该旋转轴线307垂直于在关节302和303的所有配置中的轴线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(优选地与轴线304共线)。优选地，轴线305和306彼此相交，由此得到特别紧凑的配置。对于腕部的一些配置，关节300和303可以定位成使得轴线304和307可以穿过轴线305、306的交点。

腕部的这种设计是有益的，这是因为允许附接到手臂部分4c的远端部处的附接点8的工具具有较大范围的运动，并且腕部能够组装为相对紧凑的形式以及在运动范围的某些部分处不存在奇点(在奇点处可能要求各个关节处具有超高速率的运动)。

图3和图4示出了适于实施图1中手臂1的腕部5的一部分的机构的一个示例。图3和图4(如图5至图10一样)专注与图2中标记为301和302的关节相关联的机构。

在腕部5的区域中，刚性手臂部分310、311具有中空外壳或壳体310'、310”、311'。外壳界定手臂的大部分外表面，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，并且手臂的电动机、传感器、线缆和其他部件可以容纳于该空隙内。外壳可以由金属(例如，铝合金或钢)形成或者由复合材料(例如，纤维增强树脂复合材料，例如树脂增强碳纤维)形成。外壳构成手臂部分的刚性结构的附接在相应关节之间的部分。外壳可以包括如下文相对于图7的实施例所示的结构框架。

在图3和图4中，为了清晰，手臂部分310的外壳示出为两部分：310'和310”，这两部分示为轮廓并且彼此分解。省略手臂部分4b和4c的外壳以及与关节300和303相关联的机构。手臂部分311的外壳部分地示出，其大部分从凸出部311'开始延伸。

手臂部分310的外壳(由外壳部分310'和310”构成)和手臂部分311的外壳(从凸出部311'开始延伸)相对于彼此能够围绕两个旋转轴线(示为20和21)运动。这些旋转轴线对应于图2的轴线305、306。轴线20和21正交。轴线20和21相交。中心耦接器28通过轴承29、30安装到手臂部分310。耦接器在轴承29、30之间延伸。轴承29、30将耦接器与手臂部分310保持为固定，但是允许耦接器和该手臂部分围绕轴线20进行相对旋转，因此界定与图2中关节301对应的旋转关节。另外的轴承31将远端外壳连接器凸出部311'附接到耦接器28。轴承31将远端外壳连接器凸出部311'与耦接器28保持为固定，但是允许凸出部和耦接器绕围绕轴线21进行相对运动，因此界定与图2中关节302对应的旋转关节。

两个电动马达24、25(参见图4)安装在手臂部分310中。电动机驱动相应的驱动轴26、27，驱动轴26、27延伸进入腕部机构的中间。轴26驱动围绕轴线20的旋转。轴27驱动围绕轴线21的旋转。驱动轴26在其远端部终止于蜗轮32。蜗轮32啮合锥齿轮33，锥齿轮33与耦接器28固定。驱动轴27在其远端部终止于蜗轮34。蜗轮34啮合在35处大体示出的齿轮系，该齿轮系终止于另外的蜗轮36。蜗杆形式的小齿轮36啮合带双曲面齿的锥齿轮37，带双曲面齿的锥齿轮37与远端外壳连接器311'固定。

齿轮33形成为扇形齿轮：即，其有效弧度(在图3和图4的示例中限定其齿的弧度)小于360°。

齿轮系35由耦接器28支撑。齿轮系包括与蜗杆34啮合的输入齿轮38。输入齿轮38定位成其旋转轴线相对于耦接器28与轴线20一致。这是指不论耦接器28相对于手臂部分310围绕轴线20如何配置，输入齿轮均可以持续地啮合蜗杆34。其轴线与轴线20平行的一系列另外的齿轮将传动从输入齿轮38传递到轴40上的输出齿轮39，其中，输出齿轮39的旋转轴线相对于承载器28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支撑。

现在将描述腕部机构的操作。对于围绕轴线20的运动，电动机24操作以驱动轴26相对于手臂部分310旋转。这驱动锥齿轮33以及由此耦接器28和远端外壳凸起部311'相对于手臂部分310围绕轴线20旋转。对于围绕轴线21的运动，电动机25操作以驱动轴27相对于手臂部分310旋转。这驱动锥齿轮37以及由此远端外壳凸起部311'相对于手臂部分310围绕轴线21旋转。将观察到，如果驱动轴26旋转的同时驱动轴27保持静止，使得驱动耦接器28旋转，则齿轮38也将相对于耦接器28旋转，从而引起远端外壳连接器凸起部311'围绕轴线21的寄生运动。为防止这种情况，手臂的控制系统10配置成使得，在需要时，存在与驱动轴26的运动串列的驱动轴27的补偿运动以使围绕轴线21的运动与围绕轴线20的运动分离。例如，如果需要引起外壳310、311仅围绕轴线20的相对运动，则电动机24操作以引起该运动，同时电动机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益于帮助制造特别紧凑的机构。

1.锥齿轮33为部分圆形形式(即，其齿不环绕完整的圆)是方便的。例如，齿轮33可以环绕小于270°或小于180°或小于90°。这允许其它锥齿轮37的至少一部分定位成与齿轮33一致的圆相交的方式，该圆围绕齿轮33的轴线并且具有与齿轮33的最外侧部分相同的半径。尽管该特征可以有助于减小复合关节的范围的尺寸，但是特别重要的是，在图2所示类型的腕部中包括一对滚动关节以及在它们之间的一对俯仰关节/偏转关节，因为在该类型的关节中，在俯仰关节/偏转关节中存在冗余度并且因此即使围绕轴线20的运动受到限制手臂的远端部仍然可实现较大范围中的位置。

2.如果部分齿轮33围绕轴线20旋转(由此承载器28枢转到次最近端手臂部分310)而非围绕轴线21旋转则是方便的，这是因为部分齿轮还可以被切除以容纳与所述圆相交的轴40。这通过允许蜗杆36位于锥齿轮33与齿轮系35相对的一侧上而节省空间。然而，在其它设计中，部分齿轮可用于围绕轴线21的旋转，所以齿轮37可以为部分圆的形式。

3.如果蜗杆32、34位于轴线20与锥齿轮37相对的一侧上(存在包括轴线20的平面，该平面的一侧上为蜗杆32、34，以及该平面的另一侧上为锥齿轮37)则是方便的。这有助于提供紧凑的封装布置。

4.如果蜗杆34位于锥齿轮33的与蜗杆36相对的一侧上和/或齿轮系35唯一地位于锥齿轮33的与蜗杆36相对的侧部上则是方便的。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，这是因为允许其由位于其相应外半径的平面内的蜗杆进行驱动。然而，该齿轮也可以为带外齿的齿轮，该带外齿的齿轮的外表面与蜗杆32、34或带径向齿的齿轮啮合。

6.锥齿轮33方便地定位成介于蜗杆32和34之间。这有助于电动机24、25的封装。

7.锥齿轮和与其啮合的蜗轮可以方便地为双曲面或斜轴线形式，例如这允许在相对紧凑的形式中具有较高的转矩容量。

图5和图6示出了腕部机构的第二形式，其适于将关节301、302设置在图2所示类型的腕部中。

如图5所示，腕部包括一对刚性外壳310'、311'，该刚性外壳310'、311'分别限定图2中手臂部分310、311的外表面。310'为更近端的外壳。由外壳310'、311'形成的手臂部分可以相对于彼此围绕轴线62、63枢转，其中轴线62、63分别对应于图2的轴线305、306。轴线62、63正交。轴线62、63相交。外壳310'、311'界定手臂在腕部的区域中的外部于并且是中空的，以容纳旋转机构和用于线缆等穿过的空间，这将在下文将进行更详细描述。外壳可以由金属(例如，铝合金或钢)形成或者由复合材料(例如，纤维增强树脂复合材料，例如树脂增强碳纤维)形成。外壳构成手臂部分的附接在相应关节之间的主要刚性结构。

图6从远端以及一侧示出了相同的机构，其中为了清晰移除外壳311'。

外壳310'通过十字形耦接器64耦接到外壳311'。耦接器具有沿着手臂的长度延伸的中心管65，该中心管65界定通过其中心的管道。第一手臂66、67和第二手臂68、69从管开始延伸。外壳310'、311'每一者通过旋转关节(即，以限制为能够仅通过围绕单个轴线的旋转相对于耦接器运动的方式)附接到耦接器64。第一手臂66、67通过轴承70、71附接到外壳310'，其中该轴承70、71允许这些第一手臂和外壳310'之间的围绕轴线62的旋转。第二手臂68、69通过轴承72、73附接到外壳311'，其中轴承72、73允许这些第二手臂和外壳311'之间的围绕轴线63的旋转。第一锥齿轮74与第一手臂66、67同心。第一锥齿轮与耦接器64固定，并且相对于两个外壳310'的近端一者能够自由地旋转。第二锥齿轮75与第二手臂68、69同心。第二锥齿轮与两个外壳311'的远端一者固定，并且相对于耦接器64能够自由地旋转。

两个轴76、77操作复合关节的运动。轴从外壳310'的近端一者内延伸到关节的中心区域。每一个轴在其近端部附接到相应的电动马达的轴(未示出)，电动机的壳体固定到近端外壳310'的内部。因此，轴76、77可以通过电动机驱动以相对于近端外壳310'旋转。

轴76和其相关的电动机操作围绕轴线62的运动。轴76在其远端部终止于与锥齿轮74啮合的蜗轮78。轴76的旋转引起锥齿轮74相对于外壳310'围绕轴线62的旋转。锥齿轮74与耦接器64固定，耦接器64继而承载远端外壳311'。因此，轴76的旋转引起外壳310'、311'围绕轴线62的相对旋转。

轴77及其相关电动机操作围绕轴线63的运动。为此，轴77需要最终通过蜗轮79驱动锥齿轮75，其中蜗轮79由耦接器64承载。该蜗轮的旋转可以引起耦接器和远端外壳311'的相对旋转。为此，将驱动从轴77传递经过由承载器64承载的一对齿轮80、81到达承载蜗轮79的轴。轴77从近端侧接近承载器64。齿轮80、81位于耦接器的远端侧上。轴77穿过由耦接器的中心处的管65限定的管道。为适应耦接器64相对于第一外壳310'的运动，轴77具有沿着其长度万向关节或虎克关节82。万向关节82位于轴线62上。为了取代虎克关节，轴可以具有另外形式的柔性耦接件，例如，弹性耦接件(其可以与轴为一体的)或恒定速率关节的形式。

已经发现该机构能够提供用于围绕轴线62和63的旋转的特别紧凑的轻质刚性驱动布置，而不需要对外壳的运动进行过度限制的机构部件。其允许两个电动机容纳在近端外壳中，这减小了远端重量。

图5和图6中所示机构的各个方面有益于帮助制造特别紧凑的机构。

1.锥齿轮74为部分圆形形式(即，其齿不环绕完整的圆)是方便的。例如，齿轮74可以环绕小于270°或小于180°或小于90°。这允许其它锥齿轮75的至少一部分定位成与齿轮74一致的圆相交的方式，该圆围绕齿轮74的轴线并且具有与齿轮74的最外侧部分相同的半径。尽管该特征可以有助于减小复合关节的范围的尺寸，但是特别重要的是，在图2所示类型的腕部中包括一对滚动关节以及在它们之间的一对俯仰关节/偏转关节，因为在该类型的关节中，在俯仰关节/偏转关节中存在冗余度并且因此即使围绕轴线62的运动受到限制手臂的远端部仍然可实现较大范围中的位置。如图6所示，锥齿轮74在未被齿包围的区域中具有减小的半径。可以以相同的方式制造其他实施例中的部分圆锥齿轮。

2.齿轮74和/或75方便地设置为锥齿轮，这是因为允许其由位于其相应外半径的平面内的蜗杆进行驱动。然而，该齿轮也可以为带外齿的齿轮，该带外齿的齿轮的外表面与蜗杆76、79或带径向齿的齿轮啮合。

4.锥齿轮和与其啮合的蜗轮可以方便地为斜轴线形式，例如这允许在相对紧凑的形式中具有较高的转矩容量。

图7至图10示出了腕部机构的另外形式。在这些图中，省略手臂部分310、311的外壳以露出手臂部分内的结构。近端手臂部分310具有结构框架100，该结构框架在一些图中以轮廓示出。远端手臂部分311具有结构框架101。手臂部分310和311能够相对于彼此围绕轴线102、103旋转，其中轴线102、103分别对应于图2的轴线305、306。承载器104将手臂部分310、311耦接在一起。承载器104通过轴承105、190附接到手臂部分310。这些轴承界定手臂部分310和承载器104之间的围绕轴线102的旋转关节。承载器104通过轴承106附接到手臂部分311。这些轴承界定手臂部分311和承载器104之间的围绕轴线103的旋转关节。围绕轴线102的第一锥齿轮107与承载器104固定。围绕轴线103的第二锥齿轮108与手臂部分311固定。

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。

两个电动机109、110固定到手臂部分310的框架100。电动机109驱动轴111。轴111为刚性的并且终止于与锥齿轮107啮合的蜗杆118。当电动机109操作时，轴111相对于近端手臂部分310旋转，从而驱动锥齿轮107以及由此耦接器104和手臂部分311以围绕轴线102相对于手臂部分310旋转。电动机110驱动轴112。轴112在其远端附近具有与锥齿轮108啮合的蜗杆113。为适应锥齿轮108相对于电动机110的运动，当耦接器104围绕轴线102运动时，轴112包括一对万向关节114、115和花键耦接器116，其中该花键耦接器116容纳轴112的轴向延伸和回缩。轴112的成品部件通过轴承117安装到耦接器104。

锥齿轮107为部分圆形形式(即，其齿不环绕完整的圆)是方便的。例如，齿轮107可以环绕小于270°或小于180°或小于90°。这允许其它锥齿轮108的至少一部分定位成与齿轮107一致的圆相交的方式，该圆围绕齿轮107的轴线并且具有与齿轮107的最外侧部分相同的半径。尽管该特征可以有助于减小复合关节的范围的尺寸，但是特别重要的是，在图2所示类型的腕部中包括一对滚动关节以及在它们之间的一对俯仰关节/偏转关节，因为在该类型的关节中，在俯仰关节/偏转关节中存在冗余度并且因此即使围绕轴线102的运动受到限制手臂的远端部仍然可实现较大范围中的位置。

齿轮107和/或108方便地设置为锥齿轮，这是因为允许其由位于其相应外半径的平面内的蜗杆进行驱动。然而，该齿轮也可以为带外齿的齿轮，该带外齿的齿轮的外表面与蜗杆111、112或带径向齿的齿轮啮合。

锥齿轮和与其啮合的蜗轮可以方便地为斜轴线形式，例如这允许在相对紧凑的形式中具有较高的转矩容量。

可以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的轴线不需要相交并且不需要正交。

-锥齿轮或其带外齿的齿轮等同部件不需要通过蜗杆驱动。它们可以通过其它齿轮驱动。

-锥齿轮中的任一者或两者可以是部分齿轮。

-在上文给出的示例中，机构形成用于机器人手臂的腕部的一部分。这些机构可以用于其它应用，例如用于机器人手臂的其它部分、用于机器人工具、以及用于非机器人应用(例如，相机的控制头部)。

如以上参照图1讨论的，每一个关节均设置有转矩传感器，该转矩传感器感测围绕该关节的轴线施加的转矩。将来自转矩传感器的数据提供到控制单元10以用于控制手臂的操作。

图9和图10示出一个转矩传感器及其安装布置的截面。转矩传感器150测量围绕轴线103(即，从承载器104到远端手臂框架101)施加的转矩。如上文描述的，锥齿轮108与框架101固定并且能够相对于承载器104围绕轴线103旋转。锥齿轮108包括径向延伸齿轮部151(其齿轮齿152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。颈部153的内壁和外壁是圆柱形轮廓。一对辊轮或滚珠轴承座圈106、154在颈部的外部周围紧密地配合。轴承位于承载器104的杯状部中并且将颈部153保持在相对于承载器的适当位置，同时允许锥齿轮108相对于承载器围绕轴线103的旋转。

转矩传感器150具有径向延伸的顶部凸缘155、轴向细长扭力管156(其从顶部凸缘开始延伸)和在扭力管的与凸缘相对的端部处的内部带螺纹底座157。顶部凸缘155邻接锥齿轮108的齿轮部151。顶部凸缘通过螺栓158与齿轮部固定。扭力管156在锥齿轮108的颈部153内延伸。扭力管的外壁是圆柱形轮廓。底座157的外部配置有花键结构，该花键结构与框架101中的对应结构刚性接合以将两者保持为围绕轴线103的固定关系。螺栓159延伸穿过框架101并且延伸到底座157中以将它们夹持在一起。因此，是转矩传感器150将锥齿轮108附接到手臂框架101，并且围绕轴线103施加的转矩通施加经过转矩传感器。扭力管具有中空内部和相对于其扭力管150的较薄壁。当转矩施加经过转矩传感器时，扭力管存在轻微扭转变形。扭力管的偏转由固定到扭力管的内壁的应变仪160测量。应变仪形成指示扭转的电输出，其中该电输出提供围绕轴线103的转矩的表示。应变仪可以为另外的形式：例如，提供光学输出的光学干涉应变仪。

为了从转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到框架101的转矩传递。为此，优选地减小锥齿轮108的颈部153和转矩传感器的底座157之间的摩擦。一种可能性是设置在锥齿轮的颈部与转矩传感器和扭力管两者的底座之间的间隙。然而，这可以允许在横向于轴线103的方向上将剪切力施加到扭力管，这本身由于将应变仪160暴露于扭力之外的其它力所以减小转矩传感器的精度。另外的选择是将轴承座圈引入锥齿轮108的颈部的内部和转矩传感器的底座157的外部之间。然而，这实质上将增加机构占据的体积。然而，已经表明图8所示的布置具有良好的结果。将套筒或衬套161设置在扭力管156周围和锥齿轮108的颈部153内。套筒的尺寸设计成使得其与颈部153的内壁和扭力管156的外壁连续地接触，其中扭力管156也为圆柱形轮廓。套筒的整个内表面接触扭力管156的外部。套筒的整个外表面接触颈部153的内表面。套筒构造成使得其将相对较小的摩擦施加在颈部和扭力管之间：例如，套筒可由低摩擦力或自润滑材料形成或者涂布有上述材料。套筒由大体不可压缩的材料形成，使得其可防止转矩传感器在横向于轴线103的剪切力条件下变形。例如，套筒可以由塑料材料(例如尼龙、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，或涂布有上述材料。

为了机构的简单组装以及为了将套筒161保持在合适的位置，锥齿轮108的颈部153的内壁在162处是向内的阶梯状，162靠近远离径向延伸齿轮部151的端部。当套筒161位于颈部153和扭力管156之间并且转矩传感器的头部155使用螺栓接到齿轮部151时，套筒在径向上(在扭力管和颈部之间)和轴向上(在转矩传感器的头部155和锥齿轮的颈部153的内表面的台阶162之间)均保持为受到限制(captive)。优选地，颈部153在超过台阶162的区域163中的内半径使得颈部在该区域中的内表面与转矩传感器150隔开从而防止摩擦转矩在两者之间传递。

类似的布置可以用于围绕图7至图10的实施例的另一个轴线102的转矩传感器，以及用于其它图的实施例的转矩传感器。

霍尔效应传感器用于感测关节的旋转位置。每一个位置传感器均包括布置在一个旋转轴线周围的材料环。该环具有一系列的均匀隔开的交替的北磁极和南磁极。具有传感器阵列的传感器芯片与环相邻，该传感器阵列包括多个霍尔效应装置，该霍尔效应装置可以检测磁场并且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关节在360°范围内的每一个位置与来自成对磁性传感器的唯一的一组的输出相关联。这可以通过在每一个环上设置不同数量的磁极并且使磁极的数量和环的数量彼此互质来实现。已知采用该普遍原理的霍尔效应位置传感器用于机器人和其它应用。

更具体地，一对交替磁化环以及相关联的传感器与每一个关节相关联。每一个环均围绕其相应的关节的轴线同心地布置。环与关节的一侧上的元件固定，并且传感器与关节的另一侧上的元件固定；因此，当存在机器人手臂围绕相应的关节的旋转时，存在每一个环及其相应传感器的相对旋转运动。每一个单独的传感器测量相关联的环相对于该传感器定位在一对磁极之间的何处。不能够从单独传感器的输出来确定环上的哪一个磁极对在该传感器的上方。因此，单独传感器可以仅以相对方式来使用并且需要标定功率直到获知关节的绝对位置。然而，通过使用设计成使得每一个环中的磁极对的数量不具有共同因数的一对环，可以结合来自两个传感器的磁极对之间的测量结果，并且在不需要标定的情形下计算出关节的绝对位置。

磁性环和传感器在图7至图10中示出。对于提供围绕轴线102的旋转的关节，通过磁性环200和201以及传感器202和203来感测位置。对于提供围绕轴线103的旋转的关节，通过磁性环210和211以及传感器212和未示出的另外的传感器来感测位置。磁性环200与承载器104固定并且安装在承载器的一侧上。磁性环201与承载器104固定并且安装到承载器的相对于磁性环200的另一侧上。磁性环200和201为平面的，并且布置成垂直于轴线102并且以轴线102上为中心。传感器202和203与手臂部分310的框架100固定。传感器202安装成与环200的一侧相邻。传感器203安装成与环201的一侧相邻。线缆204、205传送来自传感器202、203的信号。磁性环210与承载器104固定并且安装在承载器的凸缘220的一侧上。磁性环211与承载器104固定并且安装在凸缘220的相对于磁性环200另一侧上。磁性环210、211为平面的，并且布置成垂直于轴线103并且以轴线103为中心。传感器212和用于围绕轴线103旋转的另外的传感器与手臂部分311的框架101固定。传感器212安装成与环210的一侧相邻。另一个传感器安装成与环211的一侧相邻。

因此，在图7至图10的布置中，通过两个多极磁性环感测围绕轴线102、103的每一者的旋转，其中每一个多极磁性环均具有各自相关联的传感器。每一个传感器生成表示相应环上的相对于传感器的最近磁极的相对位置的多位元信号。通过将两个环上的磁极的数量布置为互质，传感器的输出相结合地指示关节在360°范围内的配置。这允许关节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，与每一个关节相关联的两个环(即，在一边的环200、201以及在另一边的环210、211)定位成大体沿着相应的关节的轴线彼此偏离。环200位于承载器104的主体的一侧上的轴承190附近，而环201位于承载器104的相对侧上的轴承105附近。环210位于凸缘220的一侧上，而环211位于凸缘220的另一侧上。每一个环均由片材制成，该片材在垂直于环围绕放置的轴线的平面中为扁平的。每对磁性环(即，在一边的环200、201和在另一边的环210、211)在沿着其相应的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，成对环可以在相应的关节的相对侧上，如环200。201。方便地，附接有两对成对的环的承载器104径向向外延伸以位于当在包括环的相应旋转轴线的平面中观察时位于该环的径向位置。因此，例如，凸缘220在径向上位于环210和211之间。方便地，相应的关节可以由两个轴承支撑或界定，一个轴承沿着相应轴线在关节的一侧上并且处于关节上的极端位置，并且该关节的环或每一个环可以在垂直于轴线的平面中重叠轴承的相应一者。方便地，用于环的传感器可以安装在由关节联接的手臂部分上。传感器可以安装在手臂部分的相对侧上。

通过使环隔开，可以极大地改善安装有相关联的传感器的关节和/或手臂部分的封装。使环隔开允许有更多机会来将环定位在方便的位置并且允许传感器隔开，这本身提能够供封装优点。优选地，关节相比于环上的若干磁极是足够刚性的，使得关节在负载下的扭转不会不利地影响测量结果。例如，优选地，关节为足够刚性的，使得在其最大额定操作负载条件下，关节的元件即使隔开也不能扭转太多而使得能够引起传感器处的磁转变的量级的变化。除了运动之外，这还允许对于所有负载条件的方向进行检测。

手臂部分311位于手臂部分310的远端。手臂部分310位于围绕图7至图10中所示轴线102和103的关节的近端。如参照图1讨论的，来自转矩传感器的数据和位置传感器的数据被反馈到控制单元10。期望数据通过延伸穿过手臂本身的有线连接来传送。

每一个手臂部分均包括电路板。图7至图10示出了由手臂部分311承载的电路板250。每一个电路板均包括数据编码器/解码器(例如，集成电路251)。编码器/解码器将信号在相应手臂部分的本地使用格式和用于沿着手臂的数据传输使用的格式之间转换。例如：(a)在手臂部分本地，位置传感器可以在它们经过磁极转变时返回位置读数，转矩传感器可以返回指示当前感测到的转矩的模拟信号或数字信号，并且驱动电动机可能需要脉冲宽度调制驱动信号；而(b)对于沿着手臂的数据传输格式，可以使用通用数据传输协议(其可以为包数据协议，例如以太网)。因此，编码器/解码器可以接收沿着手臂从控制单元10传输的数据包并且解释其数据以形成用于任何本地电动机的控制信号，并且可以接收本地感测到的数据并且将其转换成打包形式以用于传输到控制单元。沿着手臂的电路板可以通过通信线缆链接在一起，使得来自相对较远的板的通信经过较近的板。

一般地，不期望将数据从手臂的一个部件馈送到手臂的较远端部件。这样做将导致线缆不必要地在手臂的远端延伸，从而增加远端处分布的重量；并且因为电路板链接在一起，所以一旦数据已经发送到较远端的板，则次最近端的板无论如何也将处理该数据以将其转发。

围绕轴线102、103的复合关节具有旋转位置传感器202、203(用于围绕轴线102的旋转)和212(用于围绕轴线103的旋转)。传感器202、203安装在手臂部分310的框架100上，该框架100位于由传感器来测量其运动的关节的近端。沿着线缆204、205馈送来自位置传感器202、203的数据，其中线缆204、205沿着手臂部分310通向传感器的近端。传感器202安装在手臂部分311的框架101上。来自位置传感器202的数据沿着线缆馈送到相同手臂部分上的电路板250。在每一种情况下，相比于收集数据的元件，数据未被传送到手臂的更远端元件。

围绕轴线102、103的复合关节具有转矩传感器150(用于围绕轴线103的旋转)和191(用于围绕轴线102的旋转)。转矩传感器150、191感测到的数据以原生形式由柔性线缆传输到电路板250。在电路板250处，编码器/解码器251将感测到的数据编码成例如以太网包，并且将其传送到控制单元10。因此，不同于将数据馈送到更远端手臂部分310的电路板以进行编码，来自转矩传感器的数据被传送到更远端手臂部分的电路板以用于编码，然后通过线缆使数据从该电路板在沿着臂的远端方向上传送。

在图11中示出这种布置。手臂部分310包括电路板195，其中，电路板195接收来自位置传感器202的数据并且将命令数据提供到电动机109、110。手臂部分311包括电路板250，其中，电路板250接收来自位置传感器212和转矩传感器150、191的数据。电路板250编码感测到的数据并且传输数据通过数据总线196到达电路板195，其中，电路板195通过链路197将数据朝向控制单元10转发。位置传感器202通过线缆直接地连接到电路板195。位置传感器212和转矩传感器150、191通过线缆直接地连接到电路板195。

如图2所示，手臂部分4c由手臂部分311支撑并且可以相对于手臂部分4c围绕轴线307旋转。图12示出了穿过包括手臂部分4c的模块的截面。模块具有底座400和与底座固定的侧壁440。底座400附接到手臂部分311的远端的端面401(参见图7)。手臂部分4c在403处大体示出。手臂部分4c能够相对于底座围绕与图2的轴线307对应的轴线402旋转的。为此，手臂部分4c通过轴承430、431安装到侧壁440，其中轴承430、431界定侧壁440和手臂部分4c之间的围绕轴线402的旋转关节。

手臂部分4c具有容纳其内部部件的外壳404。这些部件包括电路板405和电动机406、407。电动机406、407固定到外壳404，因此它们不能够相对于外壳404旋转。外壳404通过轴承430、431而相对于底座400自由地旋转。通道408延伸通过模块的内部以容纳从电路板250穿过电路板405的通信线缆(未示出)。该通信线缆传输以下信号，该信号在电路板405的编码器/解码器解码时引起发出控制信号以控制电机406、407的操作。

轴承430和431尽可能在侧壁440内隔开。轴承430和431由电动机406、407和相关传动系统的全部长度隔开。这使得该轴承对于其尺寸提供给远端肢状件404的稳定性最大化。与轴承更靠近地定位相比，通过使轴承的间距最大化，可以使用较小以及由此较轻质的轴承。

电动机406驱动手臂部分4c相对于手臂部分311的旋转。因此，电动机406驱动外壳404相对于底座400的旋转。底座400具有中心凸出部410。一般地，关于图9和图10讨论类型的转矩传感器附接到凸出部410。转矩传感器具有包括底座411、扭力管412和径向延伸头部413的一体构件。转矩传感器的底座411与底座400的凸出部410固定。如同图9和图10所述的转矩传感器，套筒421围绕转矩传感器的扭力管延伸以使扭力管免于受到剪切力并且减小扭力管和周围部件(其为底座400)之间的摩擦。

带内齿的齿轮420与转矩传感器的头部413固定。电动机406驱动承载小齿轮415的轴414。小齿轮415啮合带内齿的齿轮420。因此，当电动机406操作时，其驱动小齿轮415旋转并且这引起手臂部分4c(其中，电动机406为臂部分4c的一部分)围绕轴线402旋转。生成的围绕轴线402的转矩通过转矩传感器的扭力管412传送到底座400，从而允许该转矩由附接到扭力管的应变仪来测量。

电动机407的轴450通过驱动接口(图12中未示出)对器械提供驱动。图13示出了图12的具有附接的驱动接口(在448处大体示出)的模块。驱动接口元件在驱动接口448处露出。在图13中，可见标记为451和452的两个驱动接口元件。电动机轴450驱动驱动接口元件451的运动。驱动接口元件451被限制成平行于轴线402而线性地移动。电动机轴450驱动丝杠453，而丝杠453引起驱动接口元件451平行于丝杠453的纵向方向而线性地移动。第二电机轴(未示出)以相应的方式驱动驱动接口元件452的运动。

器械的器械接口在驱动接口处附接到机器人手臂。器械具有在其器械接口处露出的器械接口元件。这些器械接口元件的每一者均具有相对于驱动接口元件互补的形状和位置。由于器械口对接驱动口，所以器械接口元件接合驱动接口元件中对应的一者。由此，每一个器械接口元件的运动由其对应的驱动接口元件约束。因此，驱动驱动接口元件驱动器械接口元件，从而引起驱动从机器人手臂传递到器械。

器械可拆卸地接合到机器人手臂。换言之，器械接口对接到驱动接口凭借的机构为快速脱开型。这允许在大致不引起由机器人承担的操作的延迟的情形下，附接到机器人手臂的器械在操作期间切换到其他部件。

来自转矩传感器411、412、413的转矩数据被传送到手臂部分311上的电路板250以用于编码。手臂部分4c的旋转位置可以由传感器445来感测，传感器445由手臂部分4c承载并且检测安装在外壳404的内部上的环446、447上的磁极之间的转变。来自传感器445的数据被传送到手臂部分4c的电路板405以用于编码。

在手臂部分310中，驱动围绕关节102和103的旋转的电动机安装在这些关节的近端。如上文所讨论的，通过避免重量放置成更靠近手臂的远端以改善重量分布。作为对比，驱动手臂部分4c的旋转的电动机安装在手臂部分4c中而非手臂部分311中。尽管这由于需要将电动机406安装在更远端所以可能被认识是不利的，但是已经发现，这使得手臂部分311特别地紧凑。电动机406可以平行于向器械提供驱动的(一个或多个)电动机(例如，407)而封装在手臂部分4c中：即，使得电动机与垂直于轴线402的共同平面相交。这意味着在手臂部分4c中并入电动机406无需使手臂部分4c大体上更长。另外，通过将电动机与手臂部分311相对地安装在手臂部分4c中，滚动关节303能够定位成更靠近偏转关节302和俯仰关节301。因此，滚动-俯仰-偏转-滚动组合腕部关节更紧凑，这增加了其敏捷性。

关节的驱动可通过摩擦装置而非带齿的齿轮完成。

由此，申请人在以下程度上独立地公开了在此描述的每一个个体特征以及两个或更多此类特征的任意组合：不论此类特征或者特征组合是否解决了本文公开的任何问题并且并非限制权利要求的范围，按照本领域技术人员的公知常识这些特征或者组合均能够基于本说明书而作为整体实施。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的个体特征或特征组合组成。鉴于前面的描述，在本发明的范围内进行各种修改对于本领域技术人员而言显而易见的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种机器人手臂，其包括彼此联接的多个肢状件，所述手臂从底座延伸到远端肢状件，所述远端肢状件通过旋转关节附接到第二肢状件，并且所述手臂包括电动机，所述电动机具有主体和驱动轴，所述驱动轴布置成用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转，其中，所述电动机的所述主体与所述远端肢状件固定；

其中，所述远端肢状件承载用于包括驱动接口的工具的附接点，并且所述远端肢状件包括工具电动机，所述工具电动机具有工具电动机主体和工具电动机驱动轴，所述工具电动机主体与所述远端肢状件固定，所述工具电动机驱动轴用于驱动所述驱动接口的驱动接口元件，其中，所述电动机和所述工具电动机与所述旋转关节的旋转轴线垂直的共同平面相交。

2.根据权利要求1所述的机器人手臂，其中，所述第二肢状件包括围绕所述旋转关节的轴线设置的带内齿的齿轮，并且所述驱动轴承载与所述带内齿的齿轮啮合的、用于对所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转进行驱动的齿轮。

3.根据权利要求1或2所述的机器人手臂，其中，所述手臂包括用于对所述手臂的逐个所述肢状件围绕相应的所述关节的相对运动进行驱动的多个其它电动机，并且每一个所述电动机均位于其相应的所述关节的近端。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手臂，其中，所述驱动接口配置成能够拆卸地附接到所述工具。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手臂，其中，所述工具电动机配置成平行于所述旋转关节的轴线线性地驱动所述驱动接口元件。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手臂，其中，所述第二肢状件包括耦接件和所述第二肢状件的其余部分，所述耦接件包括：

耦接件底座，其能够附接到所述第二肢状件的所述其余部分；

至少一个轴承，其用于支撑所述远端肢状件，并且用于允许所述耦接件底座和所述远端肢状件围绕所述旋转关节的轴线的相对旋转；

齿轮，其能够由所述远端肢状件的所述电动机的所述驱动轴啮合，以用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转；以及

转矩传感器装置，所述耦接件底座通过所述转矩传感器装置附接到所述齿轮。

7.根据权利要求6所述的机器人手臂，其中，所述耦接件包括两个轴承，所述轴承用于支撑所述远端肢状件并且用于允许所述耦接件底座和所述远端肢状件围绕所述旋转关节的轴线的相对旋转，所述两个轴承通过所述远端肢状件的所述电动机沿着所述旋转关节的轴线分开。

8.一种大体如本文参照附图的图12描述的机器人手臂。

9.一种大体如本文参照附图的图13描述的机器人手臂。

Claims (10)

1.一种机器人手臂，其包括彼此联接的多个肢状件，所述手臂从底座延伸到远端肢状件，所述远端肢状件承载工具或用于工具的附接点，所述远端肢状件通过旋转关节附接到第二肢状件，并且所述手臂包括电动机，所述电动机具有主体和驱动轴，所述驱动轴布置成用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转，其中，所述电动机的所述主体与所述远端肢状件固定。

2.根据权利要求1所述的机器人手臂，其中，所述第二肢状件包括围绕所述旋转关节的轴线设置的带内齿的齿轮，并且所述驱动轴承载与所述带内齿的齿轮啮合的、用于对所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转进行驱动的齿轮。

3.根据权利要求1或2所述的机器人手臂，其中，所述手臂包括用于对所述手臂的逐个所述肢状件围绕相应的所述关节的相对运动进行驱动的多个其它电动机，并且每一个所述电动机均位于其相应的所述关节的近端。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手臂，其中，所述远端肢状件承载用于包括驱动接口的工具的附接点，并且所述远端肢状件包括工具电动机，所述工具电动机具有主体和驱动轴，所述主体与所述远端肢状件固定，所述驱动轴用于驱动所述驱动接口的驱动接口元件。

5.根据权利要求4所述的机器人手臂，其中，所述驱动接口配置成能够拆卸地附接到所述工具。

6.根据权利要求4或6所述的机器人手臂，其中，所述驱动轴配置成平行于所述旋转关节的轴线线性地驱动所述驱动接口元件。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机器人手臂，其中，所述第二肢状件包括耦接件和所述第二肢状件的其余部分，所述耦接件包括：

耦接件底座，其能够附接到所述第二肢状件的所述其余部分；

至少一个轴承，其用于支撑所述远端肢状件，并且用于允许所述耦接件底座和所述远端肢状件围绕所述旋转关节的轴线的相对旋转；

齿轮，其能够由所述远端肢状件的所述电动机的所述驱动轴啮合，以用于驱动所述远端肢状件相对于所述第二肢状件围绕所述旋转关节的旋转；以及

转矩传感器装置，所述耦接件底座通过所述转矩传感器装置附接到所述齿轮。

8.根据权利要求7所述的机器人手臂，其中，所述耦接件包括两个轴承，所述轴承用于支撑所述远端肢状件并且用于允许所述耦接件底座和所述远端肢状件围绕所述旋转关节的轴线的相对旋转，所述两个轴承通过所述远端肢状件的所述电动机沿着所述旋转关节的轴线分开。

9.一种大体如本文参照附图的图12描述的机器人手臂。

10.一种大体如本文参照附图的图13描述的机器人手臂。