CN112512753A - 用于机械手的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于布置在机器人系统的机械手的两个轴件之间的关节的驱动装置，其用于驱动一个轴件相对于另一个轴件旋转并具有驱动一个驱动轴(8)的马达(7)、联接至一个轴件并通过驱动轴(8)被直接或间接旋转的输出件(3,4)和电路板(13)，在该电路板上布置有用于由驱动轴(8)提供的驱动的传感器装置(18)和用于由输出件(3,4)提供的输出的传感器装置(22)。

Description

用于机械手的驱动装置

本发明涉及用于机器人系统的机械手的两个轴件之间关节的驱动装置。

机器人系统或机器人臂的机械手中所用的驱动单元用于安置机械臂的轴件，该轴件通常是多轴设计的以相对于相邻轴件是可运动的且优选是可旋转的。在两个相邻轴件之间的最终活动性通过机械手的轴件数量导致机器人系统的相应的自由度。

在工业机器人的情况下使用驱动单元，该驱动单元允许轴件绕横向于其纵向延伸方向的轴线旋转。其它驱动装置被设计成允许绕轴件的纵轴线旋转。为此通常采用尺寸适当的马达，马达可以与相应的减速器合作。

在轻型机器人中，驱动装置被安装在轴件的独立壳体中，这是因为这种机器人的机械手的壳体基本上被设计成外骨骼状。

在从现有技术中已知的驱动装置中，通常在输出侧设置至少一个传感器装置用于检测输出件的位置、扭矩和/或转速，该输出件使一个轴件相对于另一轴件旋转。为了检测由马达驱动的驱动轴的驱动速度、驱动扭矩和/或位置，在马达侧或驱动侧还设有另一个传感器装置。

为了实现特别紧凑的设计，德国专利号102016004810提出一种驱动装置，特别是用在轻型机器人中的驱动装置，在此，两个传感器装置都布置在单个印刷电路板上。

用于设于机器人系统的机械手的两个轴件之间的关节的用于将一个轴件相对于另一个轴件驱动旋转的驱动装置包括驱动一个驱动轴的马达和联接至这个轴件并通过驱动轴被间接或直接旋转的输出件，其中，设有印刷电路板(PCB)，在印刷电路板上布置有用于由驱动轴提供的驱动的传感器装置和用于由输出件提供的输出的传感器装置，其中，用于驱动的传感器装置和用于输出的传感器装置布置在印刷电路板的相对两侧上。

此外，设置有传感器轴，该输出件不可转动地联接至该传感器轴，该传感器轴穿过印刷电路板中的开口地延伸至印刷电路板的与马达相对的一侧，以及一个位置环或传感器环在印刷电路板上方设置在传感器轴的轴向端面区域中，该传感器环与用于输出的传感器装置相互作用。传感器环可旋转地安装在轴承座中并且以不可旋转的方式与传感器轴联接。

在如图1举例所示的现有技术的驱动装置的这样的实施例中，在马达的输出端、通常是输出轴与关于可旋转安装在印刷电路板上方的传感器环在输出侧的传感器装置之间设置几个部件，例如齿轮箱、各种输出和轴承件、传感器轴等。这些部件形成一个公差链，其各自公差最终都参与到公差链中，因此当在与实际输出侧相对的位置、即在印刷电路板上通过传感器轴返回检测到输出时，各自公差误差自然相加。因此如果需要，与输入侧即驱动侧的传感器环与分配给它的位置传感器之间的间隙相比，输出侧的传感器环与分配给它的位置传感器之间的间隙可能会变得太大。另外，位置传感器和传感器环的表面无法完全彼此平行，而是可能或多或少地稍微倾斜。两者都可能导致以下严重的测量误差。

但这对高精度控制有害，通过顺应性来控制的机器人尤其绝对需要高精度控制。因此，输出侧传感器环和相应的位置传感器之间间隙应有窄公差。

基于上述内容，本发明的目的是提供一种用于尤其但非排他地具有轻型结构的机器人系统的机械手的两个轴件之间关节的驱动装置，其消除从现有技术中知道的上述缺点，尤其能够实现紧公差的传感器装置并由此提高关于驱动侧参数和输出侧参数的检测的可靠性。

该目的通过根据权利要求1和权利要求2的驱动装置以及根据权利要求10的机器人来实现。

因此，本发明涉及一种用于布置在机器人系统的机械手的两个轴件之间的关节的驱动装置，其用于一个轴件相对于另一轴件的旋转驱动，该驱动装置具有：驱动一个驱动轴的马达；被联接到一个轴件并通过驱动轴被直接或间接旋转的输出件；印刷电路板，其上设置有用于由驱动轴提供的驱动的传感器装置和用于由输出件提供的输出的传感器装置，用于驱动的传感器装置和用于输出的传感器装置布置在印刷电路板的彼此相对侧上；和传感器轴，该输出件不可转动地被固定至传感器轴并且该传感器轴穿过印刷电路板中的开口地延伸到印刷电路板的与马达相对的一侧；和传感器环，其在印刷电路板上方布置在传感器轴的轴向端面区域中，该传感器环与用于输出的传感器装置相互作用，该传感器环可旋转地安装在轴承座中并且不可旋转地联接至传感器轴，其中根据本发明，设有至少一个被布置和设计用于断开或中断从马达到传感器环的公差链的机构。

根据本发明，这样的机构能以至少一个滚珠轴承的形式实现，优选为径向轴承，借此可以将传感器环可旋转地安装在轴承座中。

在该驱动装置的一个有利实施例中，该传感器环被联接至轴承套，轴承套不可转动地被联接至传感器轴。该传感器轴例如可被如此压入轴承套中，即，在它们之间形成摩擦连接。在此可使用适当的机构如公差环或压环。

然后，轴承套本身通过滚珠轴承可旋转地安装在轴承座中。

根据该驱动装置的另一实施例，该轴承座可被直接联接、例如被螺纹联接到印刷电路板。于是，该轴承座被布置在印刷电路板的与马达和驱动装置的其它部件相对的一侧。

在该驱动装置的一个有利实施例中，该轴承座可被牢固联接至马达壳体的穿过印刷电路板的壳体部。

为了能够实现通过布置在单个印刷电路板上的传感器装置记录下驱动侧参数和输出侧参数，本发明规定，由马达驱动的驱动轴被设计成空心轴，传感器轴以一径向距离穿过该空心轴，该驱动轴一直延伸到印刷电路板。

优选地，用于输出和驱动的传感器装置是有着相同设计的传感器，这进一步简化了评估电子装置。

在根据本发明的一个优选实施例中进一步规定，用于驱动的传感器环和用于输出的传感器环在印刷电路板的两侧彼此完全相对。

为了精确地平面引导用于驱动的传感器环，本发明规定，优选建设性地且在结构上尽可能靠近该传感器环地布置径向轴承，该径向轴承在轴向上与输出端相对地在马达壳体内引导驱动轴。

通过给用于输出用传感器环的径向轴承和驱动轴用径向轴承配备相应的定位，可以将两个传感器环相对于分配给它们的传感器芯片尽可能平行且同心地布置和引导，由此可保持极低的轴向公差偏差和角度公差偏差，并且几乎不会发生测量误差。

用于输出的传感器装置和用于输出的传感器装置布置在单个印刷电路板上本身已被证明不易出故障和出错，这也可以实现评估算法编程的明显简化。通过例如利用在轴承座中的至少一个径向轴承的传感器轴的传感器环的转动支承来进一步解耦输出侧的公差链，这种布置的易出故障性可被进一步降低。

因为以下事实，即，由于存在根据本发明的装置，故从马达到输出侧传感器装置的公差链可被断开，故例如各部件的在此公差链范围内的生产相关的公差误差可能在检测输出和相应评估时被完全漠视。这甚至允许其中一些部件能以更大的公差和进而更低的成本来制造。

因而，就此而言，本发明也涉及一种具有机械手的机器人，该机械手包括多个轴件，轴件在布置于机械手轴件之间的至少一个关节内具有根据上述实施例的驱动装置。

其它的优点和特征来自对如附图所示的实施例的描述，其中：

图1示出根据现有技术的驱动装置的轴向纵截面图；

图2示出根据本发明的驱动装置的轴向纵截面图；

图3示出在输出侧的传感器装置的支承的截面放大图；和

图4示出根据本发明的由轴承座、轴承套和径向轴承构成的机构。

为了理解起见，图1以沿旋转轴线即驱动装置的纵向延伸方向的横截面图示出示例性的现有技术的驱动装置，例如从德国专利号102016004810中知道的装置。

如可以看到地，该驱动装置基本上由旋转对称设计的零部件组成，由此实现模块化设计，其中几个模块在轴向上在功能上相互作用并相互接合。每个模块都可单独互换并且可以借助适当设计和配置的联接技术相互联接。

图1所示的驱动装置主要由四个功能不同的驱动模块组成。

第一驱动模块M1包括容纳在壳体2中的齿轮单元1例如应变波齿轮。齿轮单元1的输出件通过输出轴3以不可旋转的方式、即传递扭矩方式被联接到第二驱动模块M2的壳体4。第二驱动模块M2用于输出并且为此以不可旋转的方式被联接至机械手或机器臂的轴件(未示出)，而第一驱动模块M1的壳体2被联接至机械手的另一个轴件(未示出)。第二驱动模块M2的壳体4通过径向轴承5可相对于第一驱动模块M1的壳体2旋转地安装。

与第二驱动模块M2轴向对置地，第三驱动模块M3被附接到第一驱动模块M1，第三驱动模块M3具有壳体6，该壳体中布置有驱动一个马达或驱动轴8的马达7。

驱动轴8通过第一径向轴承9可旋转地安装在齿轮单元1附近并通过第二径向轴承10可旋转地安装在壳体6用盖11中，由此居中安装在驱动装置内。

具有用于传感器和控制电子装置的印刷电路板13或PCB的第四驱动模块M4经由连接件或间隔件12被附接到第三驱动模块M3的壳体6或与之相关的盖11。

马达7的呈空心轴状的驱动轴8穿过盖11地延伸到PCB13的面向盖11的一侧。

第二驱动模块M2的壳体4在其端面处通过法兰14被不可转动地螺纹拧紧到传感器轴16的法兰15上。

如可在图1中看到地，传感器轴16以一径向距离穿过输出轴3和马达7的驱动轴8，并且延伸穿过印刷电路板13中的开口到达印刷电路板13的与第三驱动模块M3相对的一侧。

驱动轴8的面向电路板13的轴向端面包括传感器环17，而被分配给传感器环17的传感器芯片18被布置在印刷电路板13上。传感器环17安装在限位环19上，使得传感器环17随驱动轴8旋转。

传感器轴16还在其轴向端面具有传感器环20，该传感器环也被固定在相应的限位环21中，并因此在印刷电路板13上在分配给传感器环20的传感器芯片22上方旋转。

为了准确同心地且平行于传感器芯片22地引导传感器轴16的传感器环20，在此现有技术中，径向滑动导向机构23被布置在印刷电路板13上，其被螺纹紧固至间隔件12。

为了准确同心地且平行于传感器芯片18地引导驱动轴8的传感器环17，第三驱动模块M3的第二径向轴承10被布置成尽可能靠近印刷电路板13。

广义上，本发明涉及模块M4的一个替代实施例，因此原则上与其它模块M1至M3及其组成部件的实际实施例无关。但是，如可从图2中看到地，原则上可以与现有技术相似地实现这些模块M1至M3的结构。

在示意性示出驱动装置的类似轴向横截面图的图2中，为了简单起见，相同的零部件配设有相同的附图标记。

如现有技术中那样，用于输出的传感器环20相对于位置传感器或传感器芯片22可旋转地安装，而不是通过滑动导向件23。

而是本发明规定了，传感器环20不可旋转地联接至轴承套24。轴承套24的形状和设计允许其不可旋转地联接至传感器轴16。传感器轴16被如此压入轴承套24中，即，优选在它们之间在中间插入公差补偿环或类似部件25的情况下形成摩擦连接。但原则上也可以想到传力配合和/或形状配合。

轴承套24通过径向轴承26被可旋转地安装在轴承座27的壳体内。轴承座27通过螺钉28被牢固拧紧到马达7的壳体11的壳体部29上，壳体部29至少部分穿过印刷电路板13中的开口30。

Claims (10)

1.一种用于布置在机器人系统的机械手的两个轴件之间的关节的驱动装置，所述驱动装置用于一个轴件相对于另一轴件的旋转驱动，所述驱动装置具有：

驱动驱动轴(8)的马达(7)；

输出件(3,4)，所述输出件(3,4)联接到一个轴件并通过所述驱动轴(8)被直接或间接旋转；

印刷电路板(13)，在所述印刷电路板上布置有用于由所述驱动轴(8)提供的驱动的传感器装置(18)和用于由所述输出件(3,4)提供的输出的传感器装置(22)，用于驱动的所述传感器装置(18)和用于输出的所述传感器装置(22)布置在所述印刷电路板(13)的彼此相对侧上；和

传感器轴(16)，所述输出件(3,4)以不可转动的方式被联接至所述传感器轴(16)，所述传感器轴(16)穿过所述印刷电路板(13)中的开口延伸到所述印刷电路板(13)的与所述马达(7)相对的一侧，并且传感器环(20)在所述印刷电路板(13)上方布置在所述传感器轴(16)的轴端面区域内，所述传感器环(20)与用于输出的所述传感器装置(22)相互作用，所述传感器环(20)以可旋转的方式安装在轴承座(27)中并且以不可旋转的方式联接至所述传感器轴(16)，其特征在于，设有至少一个机构(26)，该至少一个机构(26)被布置和设计用于断开从所述马达(7)的所述驱动轴(8)至所述传感器环(20)的公差链。

2.一种用于布置在机器人系统的机械手的两个轴件之间的关节的驱动装置，所述驱动装置用于一个轴件相对于另一轴件的旋转驱动，所述驱动装置具有：

驱动驱动轴(8)的马达(7)；

输出件(3,4)，所述输出件(3,4)被联接到一个轴件且通过所述驱动轴(8)被直接或间接旋转；

印刷电路板(13)，在所述印刷电路板上布置有用于由所述驱动轴(8)提供的驱动的传感器装置(18)和用于由所述输出件(3,4)提供的输出的传感器装置(22)，用于驱动的所述传感器装置(18)和用于输出的所述传感器装置(22)布置在所述印刷电路板(13)的彼此相对侧上；和

传感器轴(16)，所述输出件(3,4)以不可转动的方式联接到所述传感器轴(16)，所述传感器轴(16)穿过所述印刷电路板(13)中的开口延伸到所述印刷电路板(13)的与所述马达(7)相对的一侧，并且传感器环(20)在所述印刷电路板(13)上方布置在所述传感器轴(16)的轴端面区域内，所述传感器环(20)与用于输出的所述传感器装置(22)相互作用，所述传感器环(20)以可旋转的方式安装在轴承座(27)中并且以不可旋转的方式联接到所述传感器轴(16)，其特征在于，所述传感器环(20)通过至少一个滚珠轴承(26)以可旋转的方式安装在所述轴承座(27)中。

3.根据权利要求2所述的驱动装置，其中，所述传感器环(20)被联接至轴承套(24)，所述轴承套以不可旋转的方式被联接至所述传感器轴(16)。

4.根据权利要求3所述的驱动装置，其中，所述轴承套(24)通过摩擦联接被联接至所述传感器轴(16)。

5.根据权利要求3或4所述的驱动装置，其中，所述轴承套(24)以可旋转的方式安装在所述轴承座(27)中，所述轴承座(27)被固定联接至所述印刷电路板(13)。

6.根据权利要求3或4所述的驱动装置，其中，所述轴承座(27)被固定联接至所述马达壳体(11)的壳体部(29)，所述壳体部(29)至少部分穿过所述印刷电路板(13)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的驱动装置，其中，所述驱动轴(8)以空心轴形式形成，且所述传感器轴(16)以一径向距离穿过所述驱动轴(8)并延伸至所述印刷电路板(13)。

8.根据权利要求7所述的驱动装置，其中，用于容纳管线部件的所述传感器轴(16)被设计为空心轴。

9.根据权利要求8所述的驱动装置，其中，在所述驱动轴(8)的面向所述印刷电路板(13)的轴端面处设置有传感器环(17)，所述传感器环(17)与用于驱动的所述传感器装置(18)配合，其中，用于驱动的所述传感器环(17)和用于输出的所述传感器环(20)在所述印刷电路板(13)的两侧完全相对。

10.一种具有由若干个轴件组成的机械手的机器人，所述机器人包括在布置于所述机械手的轴件之间的至少一个关节内的根据权利要求1至9所述的驱动装置。

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