CN111212710A - 驱动器和具有可靠的扭矩传感器布置的机器人 - Google Patents

Abstract

提供了一种机器人系统的驱动器和一种机器人。该驱动器可以包括：中心轴，连接到所述中心轴的外壳，同轴地安装在所述中心轴上的输入法兰和输出法兰，扭矩传感器，以及电机组件。所述输入法兰和所述输出法兰通过多个轴承与所述外壳和所述中心轴中的至少一个径向地固定。所述扭矩传感器连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩。所述电机组件联接到所述输入法兰。从所述扭矩传感器的任一侧传递的干扰可以与传感器相隔离。因此，可以提高所述扭矩传感器的读数的可靠性。

Description

驱动器和具有可靠的扭矩传感器布置的机器人

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典35U.S.C.§119(e)要求于2018年10月9日提交的申请号为62/743,303，名称为“具有高保真扭矩传感的高紧凑性轴基准旋转驱动系统”的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明大体涉及机器人技术，更具体地涉及具有可靠的扭矩传感器布置的驱动器和机器人。

背景技术

扭矩传感器通常应用于机器人技术中的各种任务，并且是实现机器手臂的扭矩控制的重要部件。在基于扭矩控制的机器手臂中，机器手臂的每个关节(即，驱动系统/驱动器)可以包括扭矩传感器，其用于测量在闭环控制系统中用于使用的输出扭矩。然而，将灵敏扭矩传感器集成到机器人的关节中存在很多挑战。例如，为了使由于传感器串扰而引起的误差最小化，一般需要将扭矩传感器与不在感应方向上的力和力矩解耦。另外，传统的关节驱动系统可能使用外壳作为部件的唯一基准，这可能导致用于相关扭矩传感器的机械设计复杂且笨重。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种驱动器和具有可靠的扭矩传感器布置的机器人，其可以提高包含在驱动器中的扭矩传感器读数的可靠性。

为了解决上述的问题，本发明采取了一种技术方案以提供一种机器人系统的驱动器。该驱动器可以包括：中心轴，连接到所述中心轴的外壳，同轴地安装在所述中心轴上的输入法兰和输出法兰，扭矩传感器，以及电机组件。所述输入法兰和所述输出法兰通过多个轴承与所述外壳和所述中心轴中的至少一个径向地固定。所述扭矩传感器连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩。所述电机组件联接到所述输入法兰。

为了解决上述的问题，本发明采取了一种技术方案以提供一种具有多个驱动器和多个连接件的机器人。所述多个连接件通过所述驱动器依次连接。每个所述驱动器可以包括：中心轴，连接到所述中心轴的外壳，同轴地安装在所述中心轴上的输入法兰和输出法兰，扭矩传感器，以及电机组件。所述输入法兰和所述输出法兰通过多个轴承与所述外壳和所述中心轴中的至少一个径向地固定。所述扭矩传感器连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩。所述电机组件联接到所述输入法兰。

为了解决上述的问题，本发明采取了一种技术方案以提供一种机器人系统的驱动器。所述驱动器可以包括：中心轴，外壳，电机，谐波传动器，输入法兰，输出法兰，以及扭矩传感器。所述外壳可以连接到所述中心轴。所述电机、所述谐波传动器、所述输入法兰和所述输出法兰可以通过多个轴承同轴地安装在所述中心轴上。所述电机可以联接到所述谐波传动器，所述谐波传动器的输出端可以联接到所述输入法兰。所述扭矩传感器可以连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且可以配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩。

根据本发明的一些实施例，所述输入法兰和所述输出法兰可以与所述外壳和/或所述中心轴径向地固定，所述扭矩传感器可以连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间。因此，从所述扭矩传感器的任一侧传递的干扰可以与所述扭矩传感器相隔离。相应地，可以提高所述扭矩传感器的读数的可靠性。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将简要描述在实施例的描述中所使用的附图。以下描述中的附图仅是本发明的示例性实施例。对于本领域普通技术人员而言，基于这些附图，不需要任何创造性的劳动即可以得到其他实施例。

图1是示出了根据本发明实施例的驱动器的内部结构的示意图。

图2示出了根据本发明实施例的驱动器的示例性扭矩传感器布置。

图3示出了根据本发明实施例的驱动器的示例性扭矩传感器布置。

图4示出了根据本发明实施例的驱动器的示例性扭矩传感器布置。

图5示出了根据本发明实施例的驱动器的谐波传动器的示例性结构。

图6示出了根据本发明实施例的驱动器的电机的示例性结构。

图7示出了根据本发明实施例的机器人的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图和示例来详细说明本发明。所描述的实施例仅是示例，仅仅代表本发明的实施例的子集。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员可以在不做出创造性劳动前提下就可以想到其他的实施例，所有这些实施例都落入本发明的保护范围中。

图1示出了根据本发明的一个实施例的驱动器10的示例性内部结构。图1中示出的驱动器10可包括：外壳11，中心轴12，电机组件13，输入法兰14，扭矩传感器15和输出法兰16。

外壳11可连接到中心轴12。例如，中心轴12可以在左端用螺栓固定到外壳11，以及可以在右端由两个轴承引导。在该示例中，外壳11和中心轴12可以使用彼此作为基准。其他部件可以使用外壳11或中心轴12或它们二者作为用于对中的基准。在本发明的一些方面，中心轴12可以是中空的，以允许电线穿过。例如，中心轴12可以开设有中心通道121，中心通道121可以容纳驱动器的控制电缆(未示出)。输入法兰14和输出法兰16可以同轴地(直接地或者间接地)安装在中心轴12上。轴承20可以用于将输入法兰14和输出法兰16与中心轴12同轴地对准，与此同时仍允许相对旋转运动。

在一个实施例中，如图2所示，轴承20可以包括第一轴承201、第二轴承202和第三轴承203。第一轴承201可以连接在输入法兰14和中心轴12之间。第二轴承202可以连接在输出法兰16和中心轴12之间。第三轴承203可以连接在输出法兰16和外壳11之间。

在其他实施例中，如图3所示，轴承20可以包括第一轴承204、第二轴承205和第三轴承206。第一轴承204可以连接在输入法兰14和外壳11之间。第二轴承205可以连接在输出法兰16和外壳11之间。第三轴承206可以连接在输出法兰16和中心轴12之间。在本发明的其他示例中，轴承20可以被不同地布置，以使输入法兰14和输出法兰16可以适当地连接到外壳11或中心轴12或它们二者。

例如，在图4中所示出的实施例中，中心轴12可以可旋转地连接到外壳11，输出法兰16可以固定到中心轴12，使得输出法兰16和中心轴12可以相对于外壳11一起旋转。在该示例中，轴承20可以仅包括第一轴承207和第二轴承208，第一轴承207位于输入法兰14和中心轴12之间，第二轴承208位于输出法兰16和外壳11之间。在本发明的一些方面中，轴承20可以是角接触轴承。在其他方面中，轴承20可以具有足够的轴向载荷额定值，例如是深沟球轴承。

参见图1至4，在一些方面中，扭矩传感器15可以连接在输入法兰14和输出法兰16之间。扭矩传感器15可以用来测量通过输入法兰14和输出法兰16传递的扭矩。扭矩传感器15可以是本领域中已知的任何合适的扭矩传感器。例如，扭矩传感器15可以包括两个刚性板(未示出)，两个刚性板分别连接到输入法兰14和输出法兰16，并且两个刚性板可以通过弹性部件连接。一对或多对信号对可以安装在两个刚性板上。在该示例中，传递的扭矩可以是弹性部件的变形结果(即，在两个刚性板之间的位移)并且基于信号对的读数而被估算。

在前面的实施例中，输入法兰14和输出法兰16可以与外壳11和/或中心轴12径向地固定，扭矩传感器15连接在输入法兰14和输出法兰16之间。相应地，从扭矩传感器15的任一侧传递的干扰可以通过输入法兰14、输出法兰16以及轴承20而与扭矩传感器15相隔离。因此，可以改善扭矩传感器15读数的可靠性。

在一些示例中，轴承20可以用于抵抗由其他内部部件产生的轴向干扰。当具有驱动器10的关节受到来自于不同方向的载荷时，中心轴12和外壳11可以相应地提供刚性保护，使得：(1)扭矩传感器15仅测量轴向扭矩，以及(2)来自于其他方向的载荷不能穿透刚性轴基准结构。另外，由任何的驱动器10部件(例如，电机组件13)产生的振动或者其他干扰不会影响具有驱动器10的关节的其他部件，这是因为中心轴12和外壳11提供了强有力的支撑来抵抗以阻止振动传播。例如，振动可能会被中心轴12的刚度减弱。因此，扭矩传感器15可用于采集高保真的读数，此读数能反映在驱动器10处施加到机器手臂上的实际轴向扭矩。

参见图2，驱动器10还可以包括轴套22。轴套22可以设置在中心轴12的周围，并且设置在第一轴承21和第二轴承202之间，以便于在第一轴承201和第二轴承202之间保持预定距离。在这种示例中，在第一轴承201和第二轴承202之间的距离可以通过调节轴套22的尺寸来改变。

在各种示例中，驱动器10还可以包括限位螺母23。如图2所示，限位螺母23可以通过螺纹连接的方式连接到输出法兰16。由此，当限位螺母23旋转时，可以调节限位螺母23的轴向位置。限位螺母23可以用于限制第一轴承201和第二轴承202相对于中心轴12的轴向位置。在其他实施例中，限位螺母23可以通过螺纹连接的方式连接到输入法兰14，并且类似地用于限制轴承20的轴向位置。在一些示例中，在外壳11、中心轴12、输入法兰14和/或输出法兰15上可以形成有用于限制轴承201、202和203的轴向位置的突出部。

参见图1和图5，示例的驱动器的电机组件13可以包括电机(未标示)和谐波传动器133。谐波传动器133可以联接在电机和输入法兰14之间。电机可以包括电机定子131和电机转子132。电机定子131可以安装在外壳11上，而电子转子132可以通过电机轴承(未标示)可转动地连接到中心轴12。谐波传动器133可以包括波发生器1331、刚性齿轮(circularspline)1332和柔性齿轮(flexspline)1333。波发生器1331可以与电机转子132的输出端连接。刚性齿轮1332可以与外壳11固定。柔性齿轮1333可以与输入法兰14联接。

在一些示例中，波发生器1331和柔性齿轮1333都可以通过多个谐波传动器轴承1334可旋转地连接到中心轴12。在这些示例中，谐波传动器133可以以非常严格的公差同心地对准，以防止扭矩波动以及改善谐波传动器133的耐用性。如图5所示，示例的谐波传动器133使用与中心轴12对准的外壳11和一对轴承1334一起作为基准，以满足对准要求。在示例性设计中，波发生器1331和柔性齿轮1333的基准位置沿着中心轴12可以非常接近，从而避免了公差叠加到多个零件上，并有助于确保符合谐波传动器133的严格的公差。

在本发明的一些方面，无框电机可以用在驱动器10中，以满足驱动器10的结构紧凑和高扭矩密度的要求。这种电机可以包括电机定子131和电机转子132，电机定子131和电机转子132需要适当的安装结构以保证同心度。如图6中所示，电机定子131可以包括组装在一起的线圈1311和环形固定部1312。环形固定部1312可以配合外壳11的内表面。具体地，在一些示例中，环形固定部1312的外径可基本等于外壳11的内径，环形固定部1312在安装期间可以滑动进入外壳11中。

在一些示例中，径向螺钉1313可以将环形固定部1312固定在外壳11上。在这些示例中，电机定子1312可以更加容易地安装在外壳11上。这种组件配置可以消除当固定电机定子1312时发生错误而需替换整个外壳11的需要，这与基于粘合剂的方案不同。

在一些示例中，驱动器10还可以包括其他部件。例如，制动器19可以安装在中心轴12上或外壳11上，用于制止电机组件13的旋转。编码器读取器17可以连接到输出法兰16，而相应的编码器盘18可以连接到中心轴12。

图7示出了本发明的示例性机器人300，例如，该机器人300可以是工业机器人。示例性机器人300可包括多个驱动器32和多个连接件31。多个连接件31可以通过驱动器32依次连接。至少部分驱动器可以具有如前面任一实施例所描述的类似的结构。在一些实施例中，机器人300可以包括比图7中所示出的部件更多的部件或者更少的部件。例如，可以使一些部件组合或者可以采用不同类型的部件。例如，机器人300还可以包括I/O设备、网络访问设备、通信总线、处理器、存储器、传感器等等。在本发明的一些方面中，机器人300的处理器可以获取通过每个驱动器32的扭矩传感器检测到的扭矩，以实现闭环扭矩控制。

应该理解的是，这里所描述的示例的各种改变和修改对于本领域技术人员来说是明显的。可以在不脱离本申请的精神和范围的情况下进行这些改变和修改，并且不会减少其预期的优点。因此，其旨在由所附的权利要求覆盖这些改变和修改。

Claims (20)

1.一种机器人系统的驱动器，包括：

中心轴；

外壳，连接到所述中心轴；

输入法兰和输出法兰，同轴地安装在所述中心轴上，其中，所述输入法兰和所述输出法兰通过多个轴承与所述外壳和所述中心轴中的至少一个径向地固定；

扭矩传感器，连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩；以及

电机组件，联接到所述输入法兰。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述多个轴承包括：

第一轴承，连接在所述输入法兰和所述外壳之间；

第二轴承，连接在所述输出法兰和所述外壳之间；以及

第三轴承，连接在所述输出法兰和所述中心轴之间。

3.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述多个轴承包括：

第一轴承，连接在所述输入法兰和所述中心轴之间；

第二轴承，连接在所述输出法兰和所述中心轴之间；以及

第三轴承，连接在所述输出法兰和所述外壳之间。

4.根据权利要求3所述的驱动器，还包括：

轴套，设置在所述中心轴周围，并且设置在所述第一轴承和所述第二轴承之间，以在所述第一轴承和所述第二轴承之间保持预定距离。

5.根据权利要求4所述的驱动器，还包括：

限位螺母，通过螺纹连接的方式连接到所述输入法兰或者所述输出法兰，其中，所述限位螺母配置成限制所述第一轴承和所述第二轴承的轴向位置。

6.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，

所述电机组件包括电机和谐波传动器，其中，所述谐波传动器联接在所述电机和所述输入法兰之间，以及

所述电机包括：

电机定子，安装在所述外壳上；以及

电机转子，通过电机轴承可旋转地连接到所述中心轴。

7.根据权利要求6所述的驱动器，其特征在于，所述谐波传动器包括：

波发生器，与所述电机转子的输出端联接；

刚性齿轮，与所述外壳固定；以及

柔性齿轮，与所述输入法兰联接，

其中，所述波发生器和所述柔性齿轮通过多个谐波传动器轴承可旋转地连接到所述中心轴。

8.根据权利要求6所述的驱动器，其特征在于，

所述电机定子包括线圈和环形固定部，其中，所述线圈和所述环形固定部组装在一起；以及

所述环形固定部配合所述外壳的内表面，并且通过径向螺钉连接到所述外壳。

9.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，

所述中心轴开设有穿过所述中心轴的中心通道，用于容纳所述驱动器的控制电缆。

10.一种机器人，具有多个驱动器和多个连接件，其中所述多个连接件通过所述多个驱动器依次连接，且所述多个驱动器的每一个包括：

中心轴；

外壳，连接到所述中心轴；

输入法兰和输出法兰，同轴地安装在所述中心轴上，其中，所述输入法兰和所述输出法兰通过多个轴承与所述输入法兰和所述输出法兰中的至少一个径向地固定；

扭矩传感器，连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩；以及

电机组件，联接到所述输入法兰。

11.根据权利要求10所述的机器人，其特征在于，所述多个轴承包括：

第一轴承，连接在所述输入法兰和所述中心轴之间；

第二轴承，连接在所述输出法兰和所述中心轴之间；以及

第三轴承，连接在所述输出法兰和所述外壳之间。

12.根据权利要求11所述的机器人，还包括：

轴套，设置在所述中心轴周围，并且设置在所述第一轴承和所述第二轴承之间，以在所述第一轴承和所述第二轴承之间保持预定距离。

13.根据权利要求12所述的机器人，还包括：

限位螺母，通过螺纹连接的方式连接到所述输入法兰或者所述输出法兰，其中，所述限位螺母配置成限制所述第一轴承和所述第二轴承的轴向位置。

14.根据权利要求10所述的机器人，其特征在于，

所述电机组件包括电机和谐波传动器，其中，所述谐波传动器联接在所述电机和所述输入法兰之间，以及

所述电机包括：

电机定子，安装在所述外壳上；以及

电机转子，通过电机轴承可旋转地连接到所述中心轴。

15.根据权利要求14所述的机器人，其特征在于，所述谐波传动器包括：

波发生器，与所述电机转子的输出端联接；

刚性齿轮，与所述外壳固定；以及

柔性齿轮，与所述输入法兰联接，

其中，所述波发生器和所述柔性齿轮通过多个谐波传动器轴承可旋转地连接到所述中心轴。

16.根据权利要求14所述的机器人，其特征在于，

所述电机定子包括线圈和环形固定部，其中，所述线圈和所述环形固定部组装在一起；以及

所述环形固定部配合所述外壳的内表面，并且通过径向螺钉连接到所述外壳。

17.根据权利要求10所述的机器人，其特征在于，

所述中心轴开设有穿过所述中心轴的中心通道，用于容纳所述驱动器的控制电缆。

18.一种机器人系统的驱动器，包括中心轴、外壳、电机、谐波传动器、输入法兰、输出法兰以及扭矩传感器，其中，

所述外壳连接到所述中心轴；

所述电机、所述谐波传动器、所述输入法兰和所述输出法兰通过多个轴承同轴地安装在所述中心轴上；

所述电机联接到所述谐波传动器，所述谐波传动器的输出端联接到所述输入法兰；

所述扭矩传感器连接在所述输入法兰和所述输出法兰之间，并且配置成测量通过所述输入法兰和所述输出法兰传递的扭矩。

19.根据权利要求18所述的驱动器，还包括：

至少一个法兰轴承布置在所述输入法兰和所述输出法兰中的至少一个和所述外壳之间。

20.根据权利要求18所述的驱动器，其特征在于，

所述中心轴开设有穿过所述中心轴的中心通道，用于容纳所述驱动器的控制电缆。

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