CN113787538B - 驱动机构、机器人装置、方法、可读介质及支承构件 - Google Patents

驱动机构、机器人装置、方法、可读介质及支承构件 Download PDF

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Abstract

本发明提供驱动机构、机器人装置、方法、可读介质及支承构件，所述驱动机构包括：第一联接部；第二联接部，其相对于第一联接部进行相对摆动或相对旋转；驱动部分，其由第一联接部支承并且施加用于驱动第二联接部的驱动力；传感器，其被布置在驱动部分和第二联接部之间并且输出驱动部分的位移和第二联接部的位移；和配线构件，其由第一联接部、第二联接部和驱动部分来支承。

Description

驱动机构、机器人装置、方法、可读介质及支承构件
本申请是申请日为2017年1月5日，申请号为201780006771.3(国际申请号为PCT/JP2017/000129)，发明名称为“驱动机构、机器人臂、机器人系统和制造产品的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及使第二联接部(link)相对于第一联接部进行相对摆动或相对旋转的驱动机构、包括驱动机构的机器人臂、以及包括用于控制机器人臂的控制单元的机器人系统。
背景技术
近年来，关节型机器人(操纵器)的使用有所增加，并且对于机器人需要灵活操作的领域(诸如与人类的合作工作或者工厂中的组装工作)，关节型机器人具有较宽的应用范围。
这种机器人需要跟随外力的稳定且较宽的力控制(顺应控制)。为了进行力控制，优选地形成基于关节的扭矩控制(扭矩伺服)的系统，来替代已被广泛使用并且基于关节的位置控制(位置伺服)的系统。因此，需要驱动机构利用检测扭矩的传感器(扭矩传感器)准确地检测作用在各个关节的扭矩。
典型的机器人的结构包括，通过关节彼此连接的联接部，使得机器人能够做出各种运动。在机器人臂的近端部分和远端部分之间需要布置如下配线构件，诸如用于将动力或电信号传送至布置在各个关节上的致动器或传感器的电线、以及用于驱动被安装在机器人臂的远端部分上的末端执行器的电线或管道。以跨移动较大距离的关节的方式来布置配线构件。例如，PTL 1公开了一种包括线缆保持器的机器人臂，线缆保持器用于固定在整个线缆保持器上基本上线性延伸的配线构件。
引用列表
专利文献
PTL 1:日本特开昭58-211888号公报
发明内容
技术问题
然而，由于机器人臂的操作而变形的配线构件的反作用力是，对被驱动的各个关节的阻力。通过传统结构，由于配线构件的变形而产生的反作用力直接作用在机器人臂的各个联接部上。布置扭矩传感器以检测各个联接部和驱动部分之间的扭矩。当由于配线构件的反作用力而产生的扭矩(力矩)作用在各个联接部上时，不能以高灵敏度和高精度检测由于外力而作用在联接部上的扭矩。
如上所述，由于扭矩的检测灵敏度降低，因此无法以高灵敏度在机器人臂中控制扭矩，并且存在扭矩控制的响应度降低的问题。由于扭矩检测的准确性降低，因此无法在机器人臂中准确地控制扭矩，并且存在机器人臂的远端部分处的力控制的准确性降低的问题。
鉴于以上，本发明的目的在于，降低由配线构件施加的反作用力的影响，从而以高灵敏度和高精度检测由于外力而作用于各个联接部的扭矩。
解决方案
本发明的驱动机构包括：第一联接部；第二联接部，其相对于第一联接部进行相对摆动或相对旋转；驱动部分，其由第一联接部支承并且施加用于驱动第二联接部的驱动力；传感器，其被布置在驱动部分和第二联接部之间并且输出驱动部分的位移和第二联接部的位移；和配线构件，其由第一联接部、第二联接部和驱动部分来支承。
根据本发明，由于配线构件的变形而产生的反作用力作用在输出构件上。因此，能够阻止配线构件的反作用力影响与通过检测部分检测的扭矩相对应的物理量。因此，能够以高灵敏度和高精度来检测由于外力而作用在各个联接部的扭矩。
附图说明
图1是根据第一实施例的机器人系统的立体图。
图2是根据第一实施例的驱动机构的立体图。
图3是根据第一实施例的驱动机构的剖视图。
图4中的(a)是扭矩传感器的立体图。
图4中的(b)是扭矩传感器的传感器本体的立体图。
图5是根据第一实施例的驱动机构的支承构件的立体图。
图6中的(a)是根据第一实施例的驱动机构的支承构件的正视图。图6中的(b)是沿图6中的(a)中的线VIB-VIB截取的支承构件的剖视图。
图7是根据第二实施例的驱动机构的剖视图。
图8是根据第三实施例的驱动机构的剖视图。
图9是根据第三实施例的驱动机构的支承构件的立体图。
图10是比较示例中的驱动机构的侧视图。
图11是比较示例中的驱动机构的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述实施本发明的实施例。
第一实施例
图1是根据第一实施例的机器人系统的立体图。如图1所示，机器人系统100包括机器人200和用作控制机器人200的控制单元的控制设备300。机器人200包括具有关节J1至J6(例如六个关节)的竖直关节型机器人臂201和对应于末端执行器的机器人手202。
机器人臂201包括联接部210至216。联接部210至216通过关节J1至J6相互连接，从而能够摆动(也称为能够转动或能够弯曲)或旋转。根据本实施例，机器人臂201包括六个关节J1至J6：其中三个关节J2、J3、J5能够摆动，三个关节J1、J4、J6能够旋转。关节J1至J6包括各自的驱动机构71至76。与机器人臂201的近端部分相对应的近端联接部(基部)210被固定至台架。
机器人手202被安装在与机器人臂201的远端部分相对应的远端联接部216上并且通过远端联接部216支承。机器人手202的运动(位置或姿势)或力通过机器人臂201的操作来调整。机器人手202包括手本体220和能够相对于手本体220移动并且能保持工件W的手指221。
控制设备300和机器人200通过配线构件40彼此相互连接，配线构件例如是其中系有例如信号线或电源线的电线的线缆。在气动或液压机器人的情况下，配线构件40的示例包括管道。配线构件40是柔性的，并且从机器人臂201的近端部分(静止端)延伸至远端部分(自由端)。形成配线构件40的电线被连接至关节J1至J6的马达和传感器以及机器人手202的马达和传感器。
图2是根据第一实施例的驱动机构72的立体图。图3是根据第一实施例的驱动机构72的剖视图。关节J2的驱动机构72包括机器人臂201的近端部分侧的与第一联接部相对应的联接部211和与第二联接部相对应的联接部212，联接部212相对于联接部211进行相对摆动并且位于机器人臂201的远端部分侧。
根据本实施例，联接部211是静止联接部(也被称为基部侧联接部)，联接部212是能够相对于静止联接部移动的输出联接部(也被称为可移动联接部或外围侧联接部)。驱动机构72还包括驱动部分50、配线构件40、支承配线构件40的支承构件41和扭矩传感器82。
驱动部分50通过联接部211支承，并且施加使联接部212相对于联接部211关于中心轴(旋转轴)C摆动的驱动力。也就是说，驱动部分50在联接部211和联接部212之间施加扭矩。
配线构件40以跨联接部211和联接部212的方式在垂直于中心轴C的方向上延伸。扭矩传感器82根据一次侧和二次侧之间的位移检测扭矩，并且根据本实施例检测作用在联接部212上的扭矩。
联接部211和联接部212通过对应于关节支承机构的轴承722可旋转地彼此相互连接。轴承722限制联接部212相对于联接部211的相对运动，使得联接部212仅能够关于对应的关节的中心轴C旋转。根据本实施例，轴承722是广泛用于关节的交叉滚子轴承。
驱动部分50包括对应于旋转驱动源的电动马达51和减小电动马达51的旋转速度并施加旋转力的减速器53。根据本实施例，驱动部分50包括将电动马达51的旋转力传送至减速器53的输入轴的传送机构52。
电动马达51包括用于测量马达的旋转角度的旋转编码器(未示出)和用于维持马达的旋转角度的制动器(未示出)。电动马达51被连接至配线，用于对马达进行电驱动、向旋转编码器传送信号和从旋转编码器接收信号、以及控制制动器的打开操作和关闭操作。配线被包含在配线构件40中。
配线构件40在纵向方向上的一部分通过固定构件42固定至联接部211，并且在纵向方向上的与通过固定构件42固定的部分不同的另一部分通过固定构件43固定至联接部212。配线构件40在联接部211和联接部212内部延伸。根据本实施例，配线构件40的置于通过固定构件42固定的部分和通过固定构件43固定的部分之间的部分通过支承构件41支承。配线构件40的比通过固定构件43固定至联接部212的部分更接近远端的部分连接至马达和传感器，该马达和传感器被布置在比关节J2更接近远端的联接部的内部。
根据本实施例，减速器53是应变波齿轮减速器。减速器53包括输入轴531、固定至输入轴531的波发生器532、柔性齿轮533和刚性齿轮534。刚性齿轮534固定至轴承722的内轮。轴承722的外轮固定至联接部211。旋转构件54固定至刚性齿轮534。减速器53的驱动力被施加至旋转构件54。因此，旋转构件54绕中心轴C旋转。
传送机构52包括固定至电动马达51的旋转轴511的滑轮522、固定至减速器53的输入轴531的滑轮523、和缠绕在滑轮522和523上的环形正时带521。
通过电动马达51施加的驱动力通过滑轮522、正时带521和滑轮523传送并且使减速器53的输入轴531旋转。减速器53将通过电动马达51施加的扭矩增大对应于减速比的量(同时将旋转角度减小对应于减速比的量)，并且从旋转构件54施加增大的扭矩。因此，通过电动马达51施加的扭矩通过减速器53增大至适合驱动相应的关节的水平。通过减速器53施加的扭矩使由轴承722支承的联接部212主动地摆动。
根据该实施例，关节J1至J6(图1)包括各自的扭矩传感器82。控制设备300基于扭矩传感器82的检测结果对机器人臂201进行顺应控制。
电动马达51可有效施加的扭矩值远小于驱动各个关节所需要的扭矩。额定旋转速度远大于各个关节的输出轴所需要的旋转速度。因此，根据本实施例，减速器53是具有大约1：30至1:200(例如1:100)的高减速比的减速器(例如应力波齿轮减速器)。主要原因是使机构紧凑。因此，需要具有高减速比的减速器，并且由于速度降低造成的在驱动部分50内的旋转阻力和摩擦力，扭矩损失增大。
因此，仅通过测量马达扭矩(或者测量与马达扭矩成比例的马达电流)无法准确地掌握各个关节的输出段的扭矩。另外，扭矩损失主要由诸如摩擦的非线性物理现象造成。因此，精确建模是困难的，并且由于缺乏再现性而难以校正输出扭矩。因此，各个扭矩传感器需要准确地测量驱动部分在输出侧的扭矩。鉴于此，根据本实施例，其中一个扭矩传感器82被布置在驱动部分50的输出侧(旋转构件54)和联接部212之间。减速器53的减速比不限于上述值。
现在将参考附图描述比较示例的驱动机构。图10是比较示例中的驱动机构70X的侧视图。图11是比较示例中的驱动机构70X的剖视图。
图11例示了沿中心线截取的图10例示的驱动机构70X的截面。驱动机构70X包括联接部211X、联接部212X、配线构件40X、轴承722X、驱动部分50X和扭矩传感器82X。驱动部分50X通过联接部211X支承。驱动部分50X在输出侧连接至联接部212X，其中扭矩传感器82X置于驱动部分50X和联接部212X之间。因此，驱动部分50X使联接部212X摆动，其中扭矩传感器82X置于驱动部分50X和联接部212X之间。
配线构件40X通过固定构件41X和42X固定至联接部211X的外侧壁和联接部212X的外侧壁。配线构件40X被引导至机器人臂的内部并且连接至传感器和马达，以驱动位于前面的关节、位于更前面的关节、或者末端执行器。
联接部211X是在机器人臂的近端部分侧的静止联接部。联接部212X是在机器人臂的远端部分侧的通过驱动部分驱动的输出联接部。联接部211X和联接部212X通过轴承722X可旋转地彼此相互连接。具体地，驱动部分50X包括马达51X和减速器53X，并且通过联接部211X支承，联接部212X连接至输出侧的驱动部分50X，其中扭矩传感器82X置于驱动部分50X和联接部212X。扭矩传感器82X以测量内轮和外轮的相对位移的方式，测量通过驱动部分50X施加的输出扭矩Tdrv。
在此要考虑的是，当联接部212X的端部与外部环境接触时处于静态平衡(力平衡)。也就是说，要考虑的是，控制关节扭矩以控制图10中的外力Flink。
如图10所示，Tlink是由外力Flink关于相应的关节的中心轴CX施加的力矩(扭矩)。扭矩Tlink由以下表达式(1)表达。在该表达式中，R是从关节的中心轴CX到外力Flink的作用点的距离。
Tlink＝R×Flink (1)
当发生如图10所示的变形时，固定至联接部212X的配线构件40X对联接部212X施加反作用力fdis。如图10所示，Tdis是由反作用力fdis关于关节的中心轴CX施加的力矩(扭矩)。扭矩Tdis由以下表达式(2)表达。在该表达式中，r是关节的中心轴CX与固定构件42X之间的距离(到配线构件的反作用力的作用点的距离)。
Tdis＝r×fdis (2)
扭矩传感器82X被布置在驱动部分50X和联接部212X之间，并且扭矩传感器82X所测量的扭矩TJTS等于驱动部分50X的输出扭矩Tdrv。
TJTS＝Tdrv (3)
鉴于以上内容，驱动机构70X关于联接部212X的中心轴CX施加的扭矩的平衡由以下表达式(4)表示。
(TJTS＝)Tdrv＝Tlink+Tdis (4)
在比较示例中驱动机构70X的扭矩传感器82X所测量的扭矩TJTS不等于驱动联接部212X的扭矩Tlink。也就是说，扭矩传感器82X测量的扭矩TJTS通过将由配线构件40X的变形产生的反作用扭矩Tdis叠加至由外力产生的扭矩Tlink获得。
比较示例中的驱动机构70X的两个联接部211X和212X彼此相互连接，并且由驱动部分50X和扭矩传感器82X形成的动力传送通道、以及延伸至马达51X、传感器等的配线构件40X被置于两个联接部211X和212X之间。因此，在比较示例的驱动机构70X中，在两个联接部之间经由两个通道传送力，并且由于跨关节延伸的配线构件40X的变形阻力而产生的反作用力矩Tdis如死区一样影响关节扭矩测量。
根据本实施例，驱动部分50在输出侧(旋转构件54)连接至扭矩传感器82，其中支承构件41位于驱动部分50和扭矩传感器82之间。也就是说，支承构件41连接(固定)至响应于驱动部分50的驱动力而旋转的旋转构件54。
图4中的(a)是其中一个扭矩传感器的立体图。图4中的(b)是扭矩传感器的传感器本体的立体图。各扭矩传感器82包括传感器本体820和覆盖传感器本体820的外部构件(盖)830。
传感器本体820包括对应于一次连接构件(接近驱动部分的构件)的内轮构件821、对应于二次连接构件(联接部侧构件)的外轮构件822、可弹性变形的多个弹性变形构件823、和安装在其中一个弹性变形构件823上的检测部分824。内轮构件821、外轮构件822、弹性变形构件823、和检测部分824形成作为单元的传感器本体820(扭矩传感器82)。
内轮构件821、外轮构件822和弹性变形构件823例如通过切割圆柱形材料而一体地形成。扭矩的检测结果(信号)经由线缆401输出至控制设备300。线缆401是配线构件40的一部分。
内轮构件821和外轮构件822各自具有环形(环形形状)。内轮构件821位于外轮构件822的内部。内轮构件821和外轮构件822关于中心轴C彼此同轴。弹性变形构件823关于内轮构件821和外轮构件822的中心轴C在圆周方向上以一定间隔径向布置。各个弹性变形构件823的一个径向端直接连接至内轮构件821。弹性变形构件823的另一径向端直接连接至外轮构件822。因此弹性变形构件823的两端通过内轮构件821和外轮构件822支承。
弹性变形构件823弹性变形到对应于内轮构件821和外轮构件822之间的扭矩的程度。也就是说，弹性变形构件823响应于从联接部212施加的旋转力矩(扭矩)而弹性变形。与内轮构件821和外轮构件822相同材料形成的各个弹性变形构件823较薄从而弹性变形。因此，弹性构件823的弹性变形使外轮构件822关于中心轴C(关于图4中的(b)中的Z轴)旋转，并且相对于内轮构件821发生相对移位。
内轮构件821和外轮构件822各自具有螺栓孔831和832。内轮构件821通过未示出的螺栓固定(连接)至支承构件41。外轮构件822通过未示出的螺栓固定至联接部212。因此，内轮构件821与支承构件41(旋转构件54)一起旋转，并且外轮构件822与联接部212一起旋转。也就是说，旋转构件54、支承构件41、和内轮构件821形成施加驱动部分50的驱动力的输出构件60。因此，各个弹性变形构件823的一端直接通过输出构件60支承(间接地通过驱动部分50在输出侧支承)，并且弹性变形构件823的另一端直接通过外轮构件822支承(间接地通过联接部212支承)。由于输出构件60被分成三个构件54、41和821，因此驱动机构72容易制造。
检测部分824检测与由于外力而作用在联接部212上的扭矩相对应的物理量，联接部212对应于相对于联接部211摆动的输出联接部，联接部211对应于静止联接部。具体地，检测部分824是如下应变仪，该应变仪根据由于弹性变形构件823的弹性变形而产生的外轮构件822(联接部212)相对于内轮构件821的位移(即，弹性变形构件823的变形(应变)的程度)，来检测对应于扭矩的物理量。
检测部分824的检测结果对应于作用在内轮构件821与外轮构件822之间的关于中心轴C的旋转力矩(扭矩)。因此，控制设备300接收各个扭矩传感器82的检测部分824的检测结果作为扭矩值。
配线构件40通过输出构件60支承，具体地通过扭矩传感器82和驱动部分50之间的支承构件41支承。因此，通过当关节J2摆动时弯曲的配线构件40施加的反作用力被施加至输出侧的驱动部分50(减速器53)，不会直接作用在联接部212上，并且不太可能被施加至联接部212。
因此，阻止了配线构件40的反作用力影响与通过检测部分824检测的扭矩相对应的物理量。因此，能够以高灵敏度和高精度来检测由于外力而作用在联接部212的扭矩(与其对应的物理量)。结果，提高了机器人臂201的顺应控制的准确性。
配线构件40的位于支承构件41和固定构件43之间的部分不存在相对运动(除了扭矩传感器82和联接部结构的弹性变形之外)。因此，即使在关节J2发生摆动的情况下，配线构件40的位于支承构件41和固定构件43之间的部分也几乎不发生变形。因此，通过配线构件40施加至联接部212的力在固定构件43处被支承并且几乎不改变。因此，扭矩传感器82(检测部分824)不受由于配线构件40的变形而产生的反作用力(扭矩干扰)的影响，并且能够以高灵敏度和高精度来检测由于外力而单独作用在联接部212的扭矩。
现在将详细描述通过扭矩传感器82(检测部分824)检测的扭矩。如在表达式(1)至(4)中，Tdrv是驱动部分50施加的扭矩。Tlink是由于作用在联接部212的外力而产生的关于关节J2的中心轴C的力矩(扭矩)。Tdis是由于配线构件40的反作用力产生的关于关节J2的中心轴C的力矩(扭矩)。TJTS是通过扭矩传感器82(检测部分824)检测的扭矩。
由于如上所述配线构件40的反作用力通过输出构件60支承，而不直接作用在联接部212上，因此能够认为，输出构件60仅机械地连接至联接部212，其中扭矩传感器82被置于输出构件60和联接部212之间。因此，作用在扭矩传感器82的扭矩的平衡被如下给出。
TJTS＝Tlink (5)
作用在输出构件60上的扭矩包括三种扭矩：驱动部分50的输出扭矩Tdrv、由于配线构件40的反作用力产生的扭矩Tdis、和扭矩传感器的支承扭矩(通过扭矩传感器检测的扭矩的反作用扭矩)。类似地，相对于输出构件60的扭矩的平衡给出如下表达式。
TJTS＝Tdis+Tdrv (6)
这表示，扭矩传感器检测的扭矩包括驱动部分施加的扭矩和配线构件的反作用扭矩。
因此能够无死区地以高精度和高灵敏度检测扭矩。因此，可以提高对机器人臂201的各个关节的扭矩控制的灵敏度和准确性，并且能实现以高响应度进行对关节的扭矩控制。因此，提高了机器人臂201的远端部分处的力控制(顺应控制)的准确性。
另外，无需进行校正控制(诸如基于配线构件的变形程度来假定配线构件的反作用力)以及为获取校正数据而进行的预备实验。机构和控制不复杂。能够提高对各个关节的扭矩控制的灵敏度、准确性和响应度。
图5是根据第一实施例的驱动机构的支承构件的立体图。支承构件41包括与安装在旋转构件54上的第一安装部分相对应的安装部分411和与安装在扭矩传感器82的内轮构件821上的第二安装部分相对应的安装部分412。支承构件41还包括机械地夹紧配线构件40以固定配线构件40的固定部分413。
安装部分411和412各自具有平板形状并且用作牵拉配线构件40的引导部。固定部分413被布置(形成)在安装部分411和安装部分412之间。固定部分413形成在垂直于中心轴C的方向上从旋转构件54的轴向中心(中心轴C)朝向联接部212偏移的位置处。
图6中的(a)是根据第一实施例的驱动机构的支承构件的前视图，图6中的(b)是沿着图6中的(a)中的线VIB-VIB截取的支承构件的剖视图。图6中的(b)例示了当联接部212摆动时与联接部212一起摆动的支承构件41，和通过支承构件41支承的配线构件40。如图6中的(a)所示，支承构件41在远离关节J2的中心轴C的位置处固定(支承)配线构件40，配线构件40沿着关节J2被牵拉。因此，即使当关节J2摆动时，配线构件40的运动不会由于受到其它部件的干涉而被阻碍，并且配线构件40可以在不引起过大应力的情况下弯曲。
上文描述了关节J2的驱动机构72。进行摆动的关节J3和J5的其他驱动机构73和75可以具有与驱动机构72相同的结构。因此进一步提高了对机器人臂201的力控制(顺应控制)的准确性。
第二实施例
下文将描述根据本发明的第二实施例的驱动机构。图7是根据第二实施例的驱动机构的剖视图。在图7中，与第一实施例中的部件相同的部件以相同的附图标记表示，并且省略了其描述。
根据第二实施例的驱动机构72A与根据第一实施例的驱动机构72的不同在于，基部侧联接部和外围侧联接部被颠倒。也就是说，根据第一实施例，第一联接部是对应于基部侧联接部的联接部211，并且第二联接部是对应于外围侧联接部的联接部212。根据第二实施例，第一联接部是对应于外围侧联接部的联接部212A，第二联接部是对应于基部侧联接部的联接部211A。更具体地，如果将第一联接部作为基准，则第二联接部相对于第一联接部摆动，而如果将第二联接部作为基准，则第一联接部相对于第二联接部摆动。因此，在将对应于第一联接部的联接部212A作为基准时，对应于第二联接部的联接部211A相对于联接部212A进行相对摆动。
形成驱动部分50的电动马达51和减速器53通过在外围侧的对应于第一联接部的联接部212A支承。扭矩传感器82被连接至在基部侧的对应于第二联接部的联接部211A。支承构件41被布置在扭矩传感器82和驱动部分50之间。其他部件与第一实施例相同。
根据第二实施例的驱动机构72A使得用于驱动关节J2的马达和编码器能够被容纳在要被驱动的联接部212A中，并且尤其是在降低机器人在竖直方向上的高度的情况下有效地减小了机器人的尺寸。
根据第二实施例，由扭矩传感器82检测的扭矩不是使联接部212A被驱动的扭矩而是该扭矩的反作用扭矩。这不受由配线构件40施加的反作用力的影响(如在第一实施例中)。因此，能够准确地检测由于外力而作用在联接部212A上的扭矩。
下文将描述关于关节J2的力和力矩的平衡。如在表达式(1)至(4)中，Tdrv是驱动部分50施加的扭矩。Tlink是由于作用在联接部212A的外力而产生的关于关节J2的中心轴C的力矩(扭矩)。Tdis是由于配线构件40施加至联接部212A的力而产生的力矩。TJTS是通过扭矩传感器82检测的扭矩。
作用在联接部212A的扭矩包括三种扭矩：由于外力而产生的扭矩(等于使联接部212A被驱动的扭矩)Tlink、驱动部分50施加的扭矩Tdrv、和配线构件40的阻力扭矩Tdis。因此，联接部211A处的扭矩的平衡可以表达为表达式(7)。
Tlink＝Tdis+Tdrv (7)
扭矩传感器82被固定至驱动部分50，其中支承构件41被布置在扭矩传感器82和驱动部分50之间。即使当关节J2移动时，配线构件40的在支承构件41和联接部211A之间延伸的部分也不变形。因此，可以认为，作用在扭矩传感器82上的扭矩是通过支承构件41施加的扭矩。由于扭矩传感器82被固定至联接部211A，因此通过扭矩传感器82检测的扭矩TJTS的反作用力作用在支承构件41上。
因此，作用在支承构件41上的扭矩包括三种扭矩：驱动部分50施加的扭矩的反作用扭矩-Tdrv、配线构件40的反作用扭矩-Tdis、和扭矩传感器82支承支承构件41的扭矩-TJTS。因此，被表达为表达式(8)的扭矩的平衡成立。
-Tdrv-Tdis＝-TJTS (8)
通过上述内容清楚的是，从表达式(7)和(8)中除去Tdrv和Tdis得到表达式(9)。
TJTS＝Tlink (9)
因此，根据第二实施例的驱动机构72A使得能够在不受由于配线构件40的变形产生的干扰扭矩影响的情况下，以高灵敏度和高精度检测作用在联接部212A上的外力扭矩(用于驱动联接部212A的扭矩的反作用扭矩)。
第三实施例
以下将描述根据本发明的第三实施例的驱动机构。图8是根据第三实施例的驱动机构的剖视图。图8例示了在图1中例示的机器人臂201的关节J4的驱动机构74。根据第一和第二实施例描述的各个驱动机构用于摆动关节。根据第三实施例描述的驱动机构用于旋转关节。
驱动机构74包括在机器人臂201的近端部分侧的对应于第一联接部的联接部213，和在机器人臂201的远端部分侧的对应于第二联接部的联接部214，联接部214相对于联接部213进行相对旋转。
根据第三实施例，联接部213是静止联接部(也被称为基部侧联接部)，联接部214是能够相对于静止联接部移动的输出联接部(也被称为可移动联接部或外围侧联接部)。驱动机构74包括驱动部分50B、配线构件40、支承配线构件40的支承构件41B和扭矩传感器82。
驱动部分50B通过联接部213支承并且施加驱动力，该驱动力使联接部214相对于联接部213关于中心轴(旋转轴)CB旋转。也就是说，驱动部分50B在联接部213和联接部214之间施加扭矩。
配线构件40以跨联接部213和联接部214的方式延伸。根据第三实施例，扭矩传感器82根据与接近驱动部分的构件(一次连接构件)相对应的内轮构件821和与联接部侧构件(二次连接构件)相对应的外轮构件822的位移检测扭矩，并且检测作用在联接部214上的扭矩。扭矩传感器82具有与在根据第一实施例描述的图4中的传感器相同的结构，并且包括未在图8中例示的弹性变形构件823和检测部分824。
驱动部分50B包括对应于旋转驱动源的电动马达51B、和降低电动马达51B的旋转速度并且施加旋转力的减速器53B。根据第三实施例，驱动部分50B包括将电动马达51B的旋转力传送至减速器53B的输入轴的传送机构52B。
配线构件40在纵向方向上的部分通过固定构件42B固定至联接部213，并且在纵向方向上的与通过固定构件42B固定的部分不同的另一部分通过固定构件43B固定至联接部214。配线构件40在联接部213和214的内部延伸。根据第三实施例，配线构件40的通过固定构件42B固定的部分和通过固定构件43B固定的部分通过支承构件41B支承。
减速器53B是应力波齿轮减速器。减速器53B包括输入轴531B、固定至输入轴531B的波发生器532B、柔性齿轮533B和刚性齿轮534B。刚性齿轮534B固定至联接部213。诸如交叉滚子轴承的轴承740的外轮742固定至刚性齿轮534B。柔性齿轮533B固定至轴承740的内轮(旋转构件)741。减速器53B的驱动力被施加至内轮(旋转构件)741。因此，内轮741关于中心轴CB旋转。
传送机构52B包括固定至电动马达51B的旋转轴511B的齿轮522B和固定至减速器53B的输入轴531B并且与齿轮522B啮合的齿轮523B。
通过电动马达51B施加的驱动力通过传送机构52B传送，并且使减速器53B的输入轴531B旋转。减速器53B使通过电动马达51B施加的扭矩增大对应于减速比的量(同时使旋转角度降低对应于减速比的量)，并且增大的扭矩从轴承740的内轮741施加。因此，由电动马达51B施加的扭矩通过减速器53B增大至适合驱动关节J4的水平。通过减速器53B施加的扭矩使联接部214主动旋转。
根据第三实施例，驱动部分50B在输出侧(轴承740的内轮741)连接至扭矩传感器82，其中支承构件41B位于驱动部分50B和扭矩传感器82之间。也就是说，支承构件41B连接(固定)至响应于驱动部分50B的驱动力而旋转的轴承740的内轮741。
内轮构件821连接(固定)至支承构件41B。外轮构件822固定至联接部213。因此，内轮构件821与支承构件41B(轴承740的内轮741)一起旋转，并且外轮构件822与联接部214一起旋转。
也就是说，轴承740的内轮741、支承构件41B、和内轮构件821形成施加驱动部分50B的驱动力的输出构件60B。因此，各个弹性变形部件823的一端直接通过输出构件60B支承(间接地通过在输出侧的驱动部分50B支承)，弹性变形部件823的另一端直接通过外轮构件822支承(间接地通过联接部214支承)。由于输出构件60B被分成三个构件741、41B和821B，因此驱动机构74容易制造。
配线构件40通过输出构件60B支承，具体地通过扭矩传感器82和驱动部分50B之间的支承构件41B支承。因此，当关节J4旋转时发生变形的配线构件40施加的反作用力，被施加至输出侧的驱动部分50B(减速器53B)，不直接作用在联接部214上，并且不太可能被施加至联接部214。
因此，阻止配线构件40的反作用力影响与通过扭矩传感器82(检测部分824)检测的扭矩相对应的物理量。因此，能够以高灵敏度和高精度检测由于外力而作用在联接部214的扭矩(与其对应的物理量)。结果，提高了对机器人臂201的顺应控制的准确性。
驱动机构74是驱动与机器人臂201的腕关节相对应的关节J4的机构。外围侧的联接部213在关节J4的中心轴(旋转轴)CB的方向上是长形的。也就是说，关节J4是旋转关节。
根据第一和第二实施例，外围侧的驱动机构72的联接部212和212A被布置在垂直于关节J2的中心轴C的方向。也就是说，关节J2是摆动关节。对于摆动关节，配线构件40可以垂直于中心轴C(联接部的纵向方向)。然而，对于旋转关节来说是困难的。用于控制关节型机器人臂的腕部的姿势的关节，通常需要具有大于在基部的关节的运动角度。例如，对于在基部的关节，大约±120°的运动角度足以控制手指的位置。然而，对于腕部的关节，在一些情况下需要具有大约±180°或者更大的运动角度。因此，需要使得能够牵拉配线构件并且不阻碍关节的旋转的结构。
为了满足该需要，在图8中例示的根据第三实施例的驱动机构74的支承构件41B具有不同于驱动机构72的支承构件41的结构。图9是根据第三实施例的驱动机构的支承构件的立体图。支承构件41B包括固定配线构件40的固定部分410B、对应于被安装在轴承740的内轮741上的第一安装部分的安装部分411B、和对应于被安装在内轮构件821上的第二安装部分的安装部分412B。支承构件41B还包括以与轴承740的内轮741同轴(CB)的方式布置在安装部分411B和安装部分412B之间的缠绕部分413B，并且配线构件40缠绕在缠绕部分413B上。固定部分410B被布置在安装部分412B上。
缠绕部分413B是用于配线构件40的引导部，并且具有在对应于关节旋转轴的中心轴CB的方向上延伸的轴形状(圆柱形或圆筒形)。
配线构件40的位于通过固定构件42B固定至联接部213的部分和通过固定构件43B固定至联接部214的部分之间的、接近联接部213的部分，螺旋地缠绕在缠绕部分413B的外圆周表面上。配线构件40的位于通过固定构件42B固定至联接部213的部分和通过固定构件43B固定至联接部214的部分之间的、接近联接部214的部分，通过固定部分410B固定。固定部分410B具有槽形状，并且例如通过未示出的螺栓夹紧配线构件40，从而夹持并支承配线构件40。
如图8所示，扭矩传感器82通过使用内轮构件821连接至支承构件41B，并且通过使用外轮构件822连接至联接部214。支承构件41B支承配线构件40的反作用力。
因此，可以在不受由于配线构件40的变形而产生的反作用力影响的情况下准确地检测扭矩。另外，以适当地确定缠绕部分413B的直径及其在中心轴CB的方向上的长度的方式，能够确保螺旋地缠绕的配线构件40移动的空间，并且能够在不对配线构件40施加过大应力的情况下确保关节J4的运动角度。
上文描述了关节J4的驱动机构74。旋转的关节J1和J6的其他驱动机构71和76可以与驱动机构74具有相同的结构。因此，可进一步提高对机器人臂201的力控制(顺应控制)的准确性。
本发明不限于上述实施例。在本发明的技术想法的范围内可以做出各种变型。本发明的最优选效果仅被描述为根据本发明的实施例的效果。本发明的效果不限于根据本发明的实施例描述的效果。
在根据上述实施例描述的示例中，机器人臂201具有六个轴。然而，轴的数量可以根据使用或目的适当改变。
在根据上述实施例描述的示例中，机器人臂201是竖直关节型机器人臂，但是不限于此。例如，诸如水平关节型关节机器人臂和平行联接部机器人臂等的各种机器人臂可以用作机器人臂201。
在根据上述实施例描述的示例中，轴承720和740(关节支承机构)是以单个机构实现期望的支承功能的交叉滚子轴承，但是不限于此。例如，可以使用径向止推轴承(angularbearing)，或者可以组合其他轴承机构。
根据上述实施例，驱动部分50和50B使用电动马达和减速器的组合，但是不限于此。例如，不使用减速器的直接驱动的马达可以用作驱动部分。动力供应不限于电力。可以根据驱动部分的所需要的输出水平或特性，来使用诸如液压或气动机构的通过流体驱动的机构。
根据上述实施例，各个扭矩传感器82作为单个传感器的独立地实现功能。然而，传感器的结构不限于此。扭矩传感器可以与包括在相应的关节中的其他部件一体地形成。例如，各个扭矩传感器的支承构件和一次连接构件(接近驱动部分的构件)可以彼此一体地形成，或者各个扭矩传感器的二次连接构件(联接部侧构件)和第二联接部可以彼此一体地形成。类似地，支承构件可以与驱动部分的输出机构(旋转构件)一体地形成。
根据上述实施例，各个扭矩传感器的内轮构件对应于一次连接构件，并且外轮构件对应于二次连接构件。当这种关系颠倒时实现同样的功能，并且根据需要可以适当改变这种关系。
在上述示例中，各个扭矩传感器的检测部分是应变仪，但是不限于此。也就是说，检测部分不受限制，只要检测部分能够检测弹性变形构件的变形(应变)的程度、或者由于弹性变形构件的变形而产生的一次连接构件和二次连接构件的位移即可。例如，可以使用编码器用于检测。
支承构件的形状不限于根据上述实施例描述的形状。根据关节的形式可以采用各种系统。能够以可以适当布置驱动部分和支承构件的方式，实现使得能够在不受配线构件施加的反作用力的影响的情况下准确测量和控制扭矩的驱动机构。
本发明不限于上述实施例。可以在不偏离本发明的实质和范围的情况下做出各种变型和改变。因此，附上权利要求来说明本发明的范围。
本申请要求于2016年1月13号提交的日本专利申请第2016-004685号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (35)

1.一种驱动机构，所述驱动机构包括：
联接部；
旋转构件，其传送用于驱动所述联接部的驱动力；
传感器，其布置在所述旋转构件与所述联接部之间并且检测力；
配线构件；以及
支承构件，其连接在所述旋转构件与所述传感器之间并且支承所述配线构件。
2.根据权利要求1所述的驱动机构，所述驱动机构还包括：
驱动部分；
其中，所述驱动部分包括：
驱动源；
减速器，其降低所述驱动源的旋转速度；以及
所述旋转构件；
其中，所述旋转构件由所述减速器驱动。
3.根据权利要求2所述的驱动机构，
其中，所述减速器是应变波齿轮减速器。
4.根据权利要求1所述的驱动机构，
其中，所述支承构件包括：
第一安装部分，其安装在所述旋转构件上；
第二安装部分，其安装在所述传感器上；以及
固定部分，其固定所述配线构件。
5.根据权利要求4所述的驱动机构，
其中，所述传感器包括：
驱动部分侧部分，其连接到所述支承构件；以及
联接部侧部分，其连接到所述联接部；
其中，所述驱动部分侧部分连接到所述第二安装部分。
6.根据权利要求5所述的驱动机构，
其中，所述传感器包括：
弹性部分，其用于耦接在所述驱动部分侧部分与所述联接部侧部分之间；以及
测量单元，其测量所述驱动部分侧部分和所述联接部侧部分的相对位移。
7.根据权利要求1所述的驱动机构，
其中，所述联接部、所述传感器、所述配线构件和所述旋转构件在所述联接部的旋转轴方向上按此顺序布置。
8.根据权利要求1所述的驱动机构，
其中，所述传感器检测包括驱动力和由配线构件引起的反作用力的力。
9.根据权利要求1所述的驱动机构，
其中，所述支承构件包括：
第一安装部分，其安装在所述旋转构件上；
第二安装部分，其安装在所述传感器上；
固定部分，其固定所述配线构件；以及
缠绕部分，所述配线构件围绕所述缠绕部分缠绕。
10.根据权利要求1所述的驱动机构，
其中，所述配线构件布置在所述旋转构件与所述传感器之间。
11.根据权利要求2所述的驱动机构，
其中，所述联接部包括：
第一联接部；以及
第二联接部；
其中，所述第二联接部相对于所述第一联接部枢转或旋转；以及
其中，所述配线构件由所述第一联接部、所述第二联接部和所述驱动部分支承。
12.根据权利要求11所述的驱动机构，
其中，所述配线构件经由所述支承构件由所述驱动部分支承。
13.根据权利要求4所述的驱动机构，
其中，所述第一安装部分和所述第二安装部分用作用于所述配线构件的引导部。
14.根据权利要求4所述的驱动机构，
其中，所述固定部分通过机械地夹紧所述配线构件来固定所述配线构件。
15.根据权利要求4所述的驱动机构，
其中，所述固定部分将所述配线构件固定在远离所述联接部的旋转轴的位置。
16.一种机器人装置，所述机器人装置包括：
联接部；
旋转构件，其传送用于驱动所述联接部的驱动力；
传感器，其布置在所述旋转构件与所述联接部之间并且检测力；
配线构件；以及
支承构件，其连接在所述旋转构件与所述传感器之间并且支承所述配线构件。
17.根据权利要求16所述的机器人装置，所述机器人装置还包括：
驱动部分；
其中，所述驱动部分包括：
驱动源；
减速器，其用于降低所述驱动源的旋转速度；以及
所述旋转构件；
其中，所述旋转构件由所述减速器驱动。
18.根据权利要求17所述的机器人装置，
其中，所述减速器是应变波齿轮减速器。
19.根据权利要求16所述的机器人装置，
其中，所述支承构件包括：
第一安装部分，其安装在所述旋转构件上；
第二安装部分，其安装在所述传感器上；以及
固定部分，其固定所述配线构件。
20.根据权利要求19所述的机器人装置，
其中，所述传感器包括：
驱动部分侧部分，其连接到所述支承构件；以及
联接部侧部分，其连接到所述联接部；
其中，所述驱动部分侧部分连接到所述第二安装部分。
21.根据权利要求20所述的机器人装置，
其中，所述传感器包括：
弹性部分，其用于耦接在所述驱动部分侧部分与所述联接部侧部分之间；以及
测量单元，其测量所述驱动部分侧部分和所述联接部侧部分的相对位移。
22.根据权利要求16所述的机器人装置，
其中，所述联接部、所述传感器、所述配线构件和所述旋转构件在联接部的旋转轴方向上按此顺序布置。
23.根据权利要求16所述的机器人装置，
其中，所述传感器检测包括驱动力和由所述配线构件引起的反作用力的力。
24.根据权利要求16所述的机器人装置，
其中，所述支承构件包括：
第一安装部分，其安装在所述旋转构件上；
第二安装部分，其安装在所述传感器上；
固定部分，其固定所述配线构件；以及
缠绕部分，所述配线构件围绕所述缠绕部分缠绕。
25.根据权利要求16所述的机器人装置，
其中，所述配线构件布置在所述旋转构件与所述传感器之间。
26.根据权利要求17所述的机器人装置，
其中，所述联接部包括：
第一联接部；以及
第二联接部；
其中，所述第二联接部相对于所述第一联接部枢转或旋转；以及
其中，所述配线构件由所述第一联接部、所述第二联接部和所述驱动部分支承。
27.根据权利要求26所述的机器人装置，
其中，所述配线构件经由所述支承构件由所述驱动部分支承。
28.根据权利要求19所述的机器人装置，
其中，所述第一安装部分和所述第二安装部分用作用于所述配线构件的引导部。
29.根据权利要求19所述的机器人装置，
其中，所述固定部分通过机械地夹紧所述配线构件来固定所述配线构件。
30.根据权利要求19所述的机器人装置，
其中，所述固定部分将所述配线构件固定在远离所述联接部的旋转轴的位置。
31.一种驱动机构的控制方法，所述驱动机构包括：
联接部；
旋转构件，其传送用于驱动所述联接部的驱动力；
传感器，其布置在所述旋转构件和所述联接部之间并且检测力；
配线构件；
支承构件，其连接在所述旋转构件和所述传感器之间并且支承所述配线构件；以及
控制设备，其控制所述联接部的操作，
所述控制方法包括：
通过所述控制设备获取由传感器进行的检测结果；以及
通过所述控制设备基于所述检测结果来控制所述联接部的操作。
32.一种机器人装置的控制方法，所述机器人装置包括：
联接部；
旋转构件，其传送用于驱动所述联接部的驱动力；
传感器，其布置在所述旋转构件与所述联接部之间并且检测力；
配线构件；
支承构件，其连接在所述旋转构件与所述传感器之间并且支承所述配线构件；以及
控制设备，其控制联接部的操作，
所述控制方法包括：
通过控制设备获取由传感器进行的检测结果；以及
通过控制设备基于所述检测结果来控制所述联接部的操作。
33.一种物品制造方法，所述物品制造方法包括：
通过使用根据权利要求16至30中任一项所述的机器人装置来制造物品。
34.一种计算机可读存储介质，其存储控制程序，通过该控制程序能够执行根据权利要求31或32所述的控制方法。
35.一种配设在装置中的支承构件，所述装置包括：
联接部；
旋转构件，其传送用于驱动所述联接部的驱动力；
传感器，其布置在所述旋转构件与所述联接部之间并且检测力；
配线构件；以及
支承构件，
其中，所述支承构件连接在所述旋转构件与所述传感器之间并且支承所述配线构件。
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