CN109551483A - 一种具有力矩反馈的机械臂关节及其力矩计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种具有力矩反馈的机械臂关节及其力矩计算发方法，包括电机、受所述电机驱动的副齿轮、与所述副齿轮啮合的主齿轮、扭矩传感装置、主轴，所述扭矩传感装置至少包括扭转部、电机角度传感器和主轴角度传感器；扭转部套设于所述主轴，且一端固定于所述主轴上，另一端套设有所述主齿轮，受所述主齿轮驱动。本申请实施例还公开了一种机械臂关节力矩计算方法。本申请的具有力矩反馈的机械臂关节，能够提高力矩测量精度，并能够降低使用成本。

Description

一种具有力矩反馈的机械臂关节及其力矩计算方法

技术领域

本发明涉及机械臂关节驱动结构技术领域，具体是一种具有力矩反馈的机械臂关节及其力矩计算方法。

背景技术

现有的工业机器人关节，多采用离轴式光电编码器作为位置反馈传感器。例如中国专利CN748189073A公开的一种双电机驱动模块化关节，其包括：输出轴与外壳转动连接，与输出齿轮固连；输出轴包括沿轴向延伸的通孔，外壳包括与通孔相对应的穿孔，通孔和穿孔用于安放线路；输出轴还包括径向的通道，通道与零位检测模块配合确定输出轴的零位；第一齿轮、第二齿轮均与输出齿轮啮合，且第一齿轮和第二齿轮不干涉；第一伺服电机连接第一齿轮和第一电机编码器；第二伺服电机连接第二齿轮和第二电机编码器。该技术优点在于采用双电机驱动模块化关节，可以消除输出齿轮与驱动装置间的间隙，使得传动更为精密。

但是，上述技术方案存在着获取的关节力矩精度低、噪声大的问题，具体来说是，其关节力矩是由电机电流的测量值估算所得，该估计值需排除减速机摩擦的影响，摩擦力的建模较为困难，故而影响该技术方案的关节力矩的精度，且没有输出轴编码器，无法直接准确测量输出角度，只能通过电机端编码器反馈值和传动减速比进行换算，进而导致多数工业协作型机械臂只能进行诸如碰撞、拖动等工作，无法进行精细的力控操作，限制了机器人的应用。

发明内容

本发明的第一个技术目的在于克服上述技术问题，从而提供一种具有力矩反馈的机械臂关节，其通过采用同轴式扭矩传感装置的设置，解决关节力矩的精确反馈问题，能够较为有效地解决传统机械臂关节的反馈器件成本过高的问题；本发明的第二个技术目的在于，提供该种具有力矩反馈的机械臂关机的力矩计算方法。

为实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种具有力矩反馈的机械臂关节，包括电机、受所述电机驱动的副齿轮、与所述副齿轮啮合的主齿轮、扭矩传感装置、主轴，所述扭矩传感装置至少包括扭转部、电机角度传感器和主轴角度传感器；所述扭转部套设于所述主轴，且一端固定于所述主轴上，另一端套设有所述主齿轮，受所述主齿轮驱动。

优选地，所述电机角度传感器设置于所述电机的输出轴上，所述主轴角度传感器靠近所述主轴的尾端设置。

优选地，所述电机角度传感器设置于所述电机的输出轴上，所述主轴角度传感器设置于所述主轴的轴线的延长线上。

优选地，所述电机角度传感器为磁编码器，所述主轴角度传感器为磁编码器。

优选地，所述电机角度传感器为光电编码器，所述主轴角度传感器为光电编码器。

优选地，所述电机角度传感器包括电机角度传感器芯片、与所述电机角度传感器芯片配合的电机磁钢，所述电机磁钢固设于所述电机的输出轴上；所述主轴角度传感器包括主轴角度传感器芯片、与所述主轴角度传感器芯片配合的主轴磁钢，所述主轴角度传感器芯片固设于所述主轴的轴线延长线上。

优选地，所述电机磁钢和所述主轴磁钢位于该具有力矩反馈的机械臂关节的同一侧。

优选地，所述电机磁钢与所述电机角度传感器芯片正对且间距设置，所述主轴磁钢与所述主轴角度传感器芯片正对且间距设置。

优选地，所述主轴为中空轴，所述主轴磁钢通过尾磁钢托与所述主轴的端面同轴正对且间距地固定设置在所述主轴的尾端。

优选地，所述电机角度传感器芯片、所述主轴角度传感器芯片均设置在传感驱动电路板上，所述传感驱动电路板位于该具有力矩反馈的机械臂关节的尾部。

优选地，所述扭转部为敏感筒，所述敏感筒为筒状结构，其内腔壁上设有限位凸块，所述主轴的表面设有与该限位凸块相配合的限位凸起。

优选地，该具有力矩反馈的机械臂关节包括2个或多个所述电机，2个或多个所述电机分别驱动设置于其输出轴上的副齿轮，2个或多个所述副齿轮均与所述主齿轮啮合。

优选地，所述电机为自带减速机的减速电机。

本发明的第二个实施例提供了一种机械臂关节力矩计算方法，所述电机角度传感器芯片检测所述电机磁钢的转动角度α，所述主轴角度传感器芯片检测所述主轴磁钢的转动角度β，所述扭转部的转矩系数为K、长度为L，所述副齿轮与所述主齿轮的减速比为i_m，

所述扭矩传感装置输出的扭矩值为T，

根据本发明的第一个方面，通过采用角度传感器和扭转部构成扭矩传感装置，能够利用电机角度传感器和主轴角度传感器的归一化差值、扭转部的弹性系数，计算得到主轴上的力矩，该测量力矩与实际输出力矩之间误差仅仅为输出轴承的摩擦力，远远小于减速机的摩擦力，从而无需对摩擦力进行建模，使力矩的计算更为容易、扭矩测量更加精确。另一个方面，同轴传感器较离轴传感器成本更低，能够降低机械臂关机的制造成本。

与此同时，本申请中扭矩传感装置所涉及的扭转部与主轴合为一体，扭矩传感装置所涉及的角度传感器也同时承担伺服反馈功能，使得扭矩传感装置与本申请的具有力矩反馈的机械臂关节设计紧密融合，不占用独立空间，结构紧凑高效。

进一步地，通过电机磁钢和主轴磁钢的位置关系的设计，能够同时满足了中空走线要求。并将角度反馈器件(电机磁钢、主轴磁钢)统一置于本申请的具有力矩反馈的机械臂关节的后部，便于角度传感器的位置布局，降低本申请的具有力矩反馈的机械臂关节使用的限制性。

更进一步地，本申请通过采用至少一个减速电机产生主要驱动力，至少一个减速电机作为从动件提供反向消隙力，齿轮间隙被压紧消除，使主齿轮不能在齿轮间隙中自由转动，从而提升了位置输出的精度，并取代了传统消隙采用的价格高昂的谐波传动减速器，降低了使用成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的具有力矩反馈的机械臂关节的结构示意图。

附图标记说明：1-减速电机，2-副齿轮，3-主齿轮，41-扭转部，42-电机角度传感器，421-电机磁钢，422-电机角度传感器芯片，43-主轴角度传感器，431-主轴磁钢，432-主轴角度传感器芯片，433-尾磁钢托，5-主轴，51-主轴输出法兰，6-传感驱动电路板，71-输出轴承，72-动力侧轴承，73-尾轴承，74-敏感筒轴承。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例：参考图1所示的一种具有力矩反馈的机械臂关节，包括电机1、受电机1驱动的副齿轮2、与副齿轮2啮合的主齿轮3、扭矩传感装置、主轴5和壳体，副齿轮2通过平键固定安装在电机1的输出轴上。该具有力矩反馈的机械臂关节的壳体上螺接电机1、设置在主轴5输出端一侧的输出轴承71、设置在电机1输出轴上的动力侧轴承72、设置在主轴5上靠近主齿轮3的尾轴承73和传感驱动电路板6，主轴5通过输出轴承71与壳体固定设置，在主轴5的的自由端设置有主轴输出法兰51，主轴输出法兰51与主轴5、敏感筒41为一体式或刚性连接，主轴5通过输出轴承71和尾轴承73与壳体转动连接。电机1内置有控制电机1的传感驱动板，在该具有力矩反馈的机械臂关节运动过程中，传感驱动板驱动电机1转动。在本实施例中，电机1为自带减速机的电机。电机1包括2个减速电机，其中1个为驱动电机，1个为从动电机。2个减速电机分别驱动设置于其输出轴上的副齿轮2，2个副齿轮2均与主齿轮3啮合。在驱动电机提供驱动力时，从动电机可以提供反向消隙力，齿轮间隙被压紧消除，使主齿轮3不能在齿轮间隙中自由转动，达到多电机协同消隙的效果，从而提高位置输出的精度。

具体地，扭矩传感装置包括扭转部41、电机角度传感器42和主轴角度传感器43。在本实施例中，扭转部41为敏感筒，敏感筒为筒状结构，在该具有力矩反馈的机械臂关节输出扭矩范围内具有一定的扭转弹性而不屈服。敏感筒的内腔壁上设有限位凸块，主轴5的表面设有与该限位凸块相配合的限位凸起，敏感筒套设在主轴5上，一端焊接或螺接在主轴5的前端，并通过限位凸块和限位凸起的配合进行位置限制。扭转筒的另一端套设有主齿轮3，扭转部41的外壁与主齿轮3的齿轮孔内壁键连接，受主齿轮3驱动。主齿轮3与扭转部41的尾端固定连接，主齿轮3带动扭转部41的尾端转动，扭转部41带动主轴3转动，主轴输出法兰51随之转动。敏感筒可由于主轴输出法兰51带动的负载弹性变形。

由于敏感筒的刚度低，敏感筒无法在径向支撑主齿轮3，主齿轮3容易偏离轴心，在敏感筒与主轴5的连接处设置了敏感筒轴承74。敏感筒轴承74套在高刚度的主轴5，敏感筒的尾端套在敏感筒轴承74上，敏感筒轴承74上。其中，敏感筒轴承74与主齿轮3位于敏感筒轴向的同一位置，敏感筒轴承74用于在径向支撑敏感筒，使主齿轮3在受力时，其轴心与该具有力矩反馈的机械臂关节的轴心相重合。

作为本实施例的一种优选地实施方式，电机角度传感器42，设置于电机1的输出轴上，电机角度传感器42通过胶接与电机1的输出轴固定连接。主轴角度传感器43靠近所述主轴5的尾端设置，在本实施例中，主轴5的尾端是与主轴5输出端相对的一端。主轴传感器43在该具有力矩反馈的机械臂关节内的位置处于该具有力矩反馈的机械臂关节的后部，在本实施例中，主轴传感器43为由同轴式编码器组成的传感器。

作为本实施例的另一种优选地实施方式，电机角度传感器42，设置在电机1的输出轴上，电机角度传感器42通过胶接与电机1的输出轴固定连接。主轴角度传感器43，其设置在主轴5上，主轴角度传感器43与主轴5胶接进行固定，在本实施例中，主轴传感器43为由同轴式编码器组成的传感器。

借由上述结构，通过采用角度传感器和扭转部4构成扭矩传感装置，能够利用电机角度传感器42和主轴角度传感器43的归一化差值、扭转部的弹性系数，计算得到主轴5上的力矩，该测量力矩与实际输出力矩之间误差仅仅为输出轴承的摩擦力，远远小于减速机的摩擦力，从而无需对摩擦力进行建模，使力矩的计算更为容易、扭矩测量更加精确。另一个方面，同轴传感器较离轴传感器成本更低，能够降低机械臂关机的制造成本。与此同时，本申请中扭矩传感装置所涉及的扭转部与主轴5合为一体，扭矩传感装置所涉及的角度传感器也同时承担伺服反馈功能，使得扭矩传感装置与该具有力矩反馈的机械臂关节设计紧密融合，不占用独立空间，结构紧凑高效。

在本实施例中，电机角度传感器42、主轴角度传感器43可以是光电编码器也可以是磁编码器。

在本实施例其他的一些实施方式中，主轴传感器43还可以是离轴式传感器角度传感器。当角度传感器采用磁编码器时，离轴式角度传感器的环形磁钢(即离轴磁)安装在主轴5的尾端(主轴5的尾端指的是主轴5上与输出端相对的一端)，磁钢的环形的轴线与主轴5同轴，主轴5的轴线延长线不穿过磁钢实体，传感器芯片正对着环形磁钢的实体部分设置，主轴5的轴线延长线不穿过芯片，中空走线的线缆穿过主轴5并从环形磁钢的中孔穿过；当角度传感器采用光电编码器时，离轴式角度传感器的环形码盘(即离轴光电)安装在主轴5的尾端(主轴5的尾端指的是主轴5上与输出端相对的一端)，码盘的环形的轴线与主轴5同轴，主轴5的轴线延长线不穿过码盘实体，传感器芯片正对着环形码盘的实体部分设置，主轴5的轴线延长线不穿过芯片，中空走线的线缆穿过主轴5并从环形满盘的中孔穿过。

作为本实施例的一种优选地实施方式，采用磁编码器作为角度传感器的组件。电机角度传感器42包括电机角度传感器芯片422、与电机角度传感器芯片422配合的电机磁钢421，电机磁钢421与电机1的输出轴螺接以固定。主轴角度传感器43包括主轴角度传感器芯片432、与主轴角度传感器芯片432配合的主轴磁钢431，主轴磁钢431螺接于主轴5上。电机磁钢421与电机1的输出轴同轴转动，主轴磁钢431与主轴5同轴转动。

基于上述结构，电机磁钢421和主轴磁钢431设置位置可以是在维持该具有力矩反馈的机械臂关节正常运转达到技术动作的前提下在该具有力矩反馈的机械臂关节内的任意位置，作为一种优选，电机磁钢421和主轴磁钢431位于同一侧，其均靠近该具有力矩反馈的机械臂关节的尾部设置。将角度反馈器件(电机磁钢、主轴磁钢)统一置于该具有力矩反馈的机械臂关节的后部，能够便于角度传感器的位置布局，提高该具有力矩反馈的机械臂关节的紧凑性，降低该具有力矩反馈的机械臂关节使用的限制性。

电机磁钢421与电机角度传感器芯片422正对且间距设置，主轴磁钢431与主轴角度传感器芯片432正对且间距设置。在电机磁钢421和主轴磁钢431转动时，电机角度传感器芯片422和主轴角度传感器芯片432分别接收电机磁钢421和主轴磁钢431的转动信号，并转化为电信号进行角度采集。

作为本实施例的一种优选，主轴5为中空轴，主轴磁钢431通过尾磁钢托433与主轴5的端面正对且间距地固定设置在主轴5的尾端。即尾磁钢托433一端焊接或螺接固定设置在主轴5的末端，另一端上安装有主轴磁钢431。尾磁钢托433与主轴5端面的间距使得主轴磁钢431和主轴5的中空处留有空隙，该具有力矩反馈的机械臂关节的内部的线缆能够通过该空隙完成在主轴5内的中空走线，优化该具有力矩反馈的机械臂关节的内的空间利用。

电机1的输出轴与副齿轮2固定连接，电机1的输出轴与电机磁钢421固定连接。尾磁钢托433与主轴2固定连接，主轴5带动尾磁钢托433转动，尾磁钢托433上安装的主轴磁钢431也随之转动。

在本实施例中，电机角度传感器芯片422、主轴角度传感器芯片432均设置在传感驱动电路板6上，传感驱动电路板6位于该具有力矩反馈的机械臂关节的尾部。通过主轴磁钢431、电机磁钢421和传感驱动电路板6均设置在该具有力矩反馈的机械臂关节的尾部，节省了该具有力矩反馈的机械臂关节内的安装空间，降低了该具有力矩反馈的机械臂关节的使用限制。传感驱动电路板6与电机角度传感器芯片422和主轴角度传感器芯片432电性连接，传感驱动电路板6用于处理数据、收发指令至芯片，完成与电机角度传感器42、主轴角度传感器43的数据交互。

扭转部41为敏感筒，其在主齿轮3的驱动下发生扭转，扭转后的敏感筒具有较大的回转力，主轴5在回转力的驱动下发生转动。通过电机磁钢421与电机1的同轴转动以及主轴磁钢431与主齿轮3的同轴转动，实现了采用廉价且高精度的同轴式磁电式编码器的使用，降低了扭矩传感装置的使用成本。扭矩传感装置所涉及的扭转部41与主轴5合为一体、涉及的角度传感器也同时承担伺服反馈功能，使得扭矩传感装置与该具有力矩反馈的机械臂关节设计紧密融合，不占用独立空间，结构紧凑高效。

在本实施例中，电机角度传感器芯片422检测电机磁钢421的转动角度α。主轴角度传感器芯片432检测主轴磁钢431的转动角度β，扭转部41的转矩系数为K、长度为L，副齿轮2与主齿轮(3)的减速比为i_m，扭矩传感装4)输出的扭矩值为T，

本申请的具有力矩反馈的机械臂关节，通过本申请的扭转传感器，和多个减速电机协同驱动本申请的具有力矩反馈的机械臂关节、使得齿轮间隙被压紧消除，使得扭矩测量更为精确。本申请的具有力矩反馈的机械臂关节，适用于同轴式编码器和离轴式编码器进行角度获取。根据需要选择编码器的类型进行装配，在低成本生产或城中，采用同轴式编码器、多个电机驱动替代谐波传动减速器，能够大大的降低使用成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有力矩反馈的机械臂关节，包括电机(1)、受所述电机(1)驱动的副齿轮(2)、与所述副齿轮(2)啮合的主齿轮(3)、扭矩传感装置、主轴(5)，其特征在于，所述扭矩传感装置至少包括扭转部(41)、电机角度传感器(42)和主轴角度传感器(43)；所述扭转部(41)套设于所述主轴(5)，且一端固定于所述主轴(5)上，另一端套设有所述主齿轮(3)，受所述主齿轮(3)驱动。

2.根据权利要求1所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机角度传感器(42)设置于所述电机(1)的输出轴上，所述主轴角度传感器(43)靠近所述主轴(5)的尾端设置。

3.根据权利要求1所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机角度传感器(42)设置于所述电机(1)的输出轴上，所述主轴角度传感器(43)设置于所述主轴(5)的轴线的延长线上。

4.根据权利要求1所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机角度传感器(42)为磁编码器，所述主轴角度传感器(43)为磁编码器。

5.根据权利要求1所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机角度传感器(42)为光电编码器，所述主轴角度传感器(43)为光电编码器。

6.根据权利要求4所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机角度传感器(42)包括电机角度传感器芯片(422)、与所述电机角度传感器芯片(422)配合的电机磁钢(421)，所述电机磁钢(421)固设于所述电机(1)的输出轴上；所述主轴角度传感器(43)包括主轴角度传感器芯片(432)、与所述主轴角度传感器芯片(432)配合的主轴磁钢(431)，所述主轴角度传感器芯片(432)固设于所述主轴(5)的轴线延长线上。

7.根据权利要求6所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机磁钢(421)和所述主轴磁钢(431)位于该具有力矩反馈的机械臂关节的同一侧。

8.根据权利要求6所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述电机磁钢(421)与所述电机角度传感器芯片(422)正对且间距设置，所述主轴磁钢(431)与所述主轴角度传感器芯片(432)正对且间距设置。

9.根据权利要求7所述的具有力矩反馈的机械臂关节，其特征在于，所述主轴(5)为中空轴，所述主轴磁钢(431)通过尾磁钢托(433)与所述主轴(5)的端面同轴正对且间距地固定设置在所述主轴(5)的尾端。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的机械臂关节力矩计算方法，其特征在于，所述电机角度传感器芯片(422)检测所述电机磁钢(421)的转动角度α，所述主轴角度传感器芯片(432)检测所述主轴磁钢(431)的转动角度β，所述扭转部(41)的转矩系数为K、长度为L，所述副齿轮(2)与所述主齿轮(3)的减速比为i_m，

所述扭矩传感装置输出的扭矩值为T，