CN212218476U - 扭矩可控的旋转驱动器及机器人系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种扭矩可控的旋转驱动器及机器人系统。扭矩可控的旋转驱动器包括：壳体，第一和第二电机，串联弹性元件和输出连接件。第一电机、串联弹性元件和第二电机都可以围绕公共轴线旋转，并且可以全部位于同一模块内，模块可以位于机器手臂的关节处。某些实施例可以包括可以连接到第一电机的第一齿轮箱。扭矩可控的旋转驱动器还可以包括扭矩传感器，扭矩传感器配置为测量施加到旋转驱动器的扭矩。扭矩可控的旋转驱动器还可以包括直接连接到第二电机的第二齿轮箱，和/或，直接连接到第一电机的制动器。

Description

扭矩可控的旋转驱动器及机器人系统

优先权

本申请根据美国法典35 U.S.C.§119(e)要求于2017年8月25日提交的申请号为62/550,385，名称为“旋转并联弹性连接驱动器”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。

背景技术

机电系统的精确控制在工厂自动化、物流、供应链操作和许多机器人应用中非常重要。在例如机器手臂等多关节系统中，性能通常取决于每个关节处的驱动单元(actuation unit)。这种多关节单元通常通过位置控制来操作，其中，机器手臂被训练为重复产生特定范围的运动和位置。这种训练需要高的精度，因为即使几毫米的差异甚至可能会显著改变某些操作的结果，例如在组装产品时。此外，基于位置控制的机器手臂不太能够适应不确定性，例如在组装操作中某些零件的精确尺寸或者位置的不确定性。计算机视觉可以帮助解决这种不确定性，但即使是计算机视觉技术也是不精确的。最后，位置控制不能够在例如抛光等应用中精确地引导施加力，此类应用需要依靠施加确定的力。

一些新兴的应用(包括抛光、研磨和某些组装操作)需要仔细地控制来自机器手臂的接触力以及机器手臂适应零件尺寸和位置不确定性的能力。这些应用大幅提高了对于扭矩可控的驱动器的需求。扭矩可控的驱动器是在输出端感应扭矩并将测量结果反馈给计算机以实现主动反馈控制来确保输出扭矩被控制到期望值的驱动器。

实用新型内容

本申请提出了用于提供扭矩可控的旋转驱动器的新颖的且创新的系统。在一个示例中，提供了一种用于在多关节机器人系统中驱动的扭矩可控的旋转驱动器，包括：壳体，第一电机，串联弹性元件，第二电机和输出连接件(output link)。第一电机、串联弹性元件和第二电机可以围绕公共轴线旋转并且可以全部包含在模块内。

在另一示例中，扭矩可控的旋转驱动器还可以包括扭矩传感器，扭矩传感器配置为测量施加到旋转驱动器的扭矩。在另一示例中，扭矩传感器还包括弹性元件，扭矩传感器配置为通过在施加扭矩时测量弹性元件的偏转来测量施加到旋转驱动器的扭矩。在又一示例中，扭矩传感器配置为通过在施加扭矩时测量串联弹性元件的偏转来测量施加到旋转驱动器的扭矩。在另外的又一示例中，扭矩传感器使用霍尔效应传感器测量串联弹性元件的偏转。

在另一示例中，扭矩可控的旋转驱动器还可以包括连接到第一电机的第一齿轮箱。在另一示例中，扭矩可控的旋转驱动器还可以包括连接到第二电机的第二齿轮箱。在又一示例中，扭矩可控的旋转驱动器还可以包括连接到第一电机的制动器。

在另一示例中，输出连接件可以配置为通过轴承相对于壳体旋转。在另一示例中，第一齿轮箱可以直接连接到串联弹性元件。在又一示例中，第一齿轮箱可以直接连接到扭矩传感器。

在另一示例中，输出连接件可以直接连接到串联弹性元件。在另一示例中，输出连接件直接连接到扭矩传感器。在又一示例中，第二电机连接到壳体。在另外的又一示例中，模块位于机器手臂的关节处。

本文中所描述的特征和优点并非穷举，特别地，鉴于附图和描述，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员而言是明显的。此外，应注意的是，说明书中所使用的语言主要是出于可读性和指导性目的而选择的，并不限制本申请主题的保护范围。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的示例性实施例的两个驱动器设计的框图。

图2示出了根据本实用新型的示例性实施例的驱动器系统。

图3示出了根据本实用新型的示例性实施例的驱动器系统。

具体实施方式

本文中公开的系统的实施例解决了上述问题，例如，通过设计扭矩可控的驱动器，该扭矩可控的驱动器涉及将弹性元件放置在驱动器的输出端并与电机和可选的齿轮箱串联，以便于测量由驱动器施加的扭矩。在这些实施方式中，扭矩可以通过测量弹性元件的挠曲变形并将该挠曲变形乘以弹性元件的已知且准确识别的刚度而计算得出。通常通过放置在弹性元件两端的位置传感器来测量该挠曲变形。

除了提供扭矩测量的优点之外，将弹性元件放置在驱动器的输出端还通过吸收冲击载荷的方式改善了驱动器的安全性。在所描述配置中的该种驱动器并非没有缺点。包含在该种驱动器中的串联弹性元件也会起到过滤感应输出的低通滤波器的作用，这样会使驱动器的开环频率响应变差，从而限制机器人的整体控制性能。为了在保持驱动器安全性的同时补偿这种减小的带宽，已知的方法涉及结合另外的较小的电机；这种电机可以结合在弹性元件的另一端。

提高这些设计的一种方式是使用具有高控制带宽和安全特性的模块化驱动器。不同于已知系统，将所有的部件同轴地连接在一个紧凑形状中改善了可用性和可制造性。通过将驱动器安装在关节处而不是将其一部分重新定位到基座(这涉及从基部到相关的关节的复杂电缆布线)，驱动器由此可以容易地结合到多关节机器人系统中。

此外，通过在每个关节处设置完整的驱动器，控制电子器件可以直接放置在关节处。通过消除使用长电线将关键传感器信号从关节传输到基座的需要，可以显著降低电子噪音。驱动器的模块化也有利于维修和维护工作，因为整个封装可以被移除和更换，而不必干扰之前的或者后续的关节。

本文中描述的驱动器提供了在安全性、控制性能和模块化方面的增益。驱动器适于在需要单个或者多个关节的机器手臂和相关系统中使用。可以执行驱动在这些系统上的关节以完成例如拾取和定位物体、施加力和扭矩、握持固定装置的任务。在某些情况下，这些驱动器可以作为单独的部件销售，或者可以集成到更大的机电系统中。

图1示出了根据本实用新型的示例性实施例的两个驱动器系统100、138的框图。在驱动器系统100中，提供了用于在多关节机器人系统中驱动的扭矩可控的旋转驱动器。驱动器系统100包括：制动器102，第一电机104，连接到第一电机104的第一齿轮箱106，串联弹性元件108，扭矩传感器110，第二电机132，连接到第二电机的齿轮箱130，在扭矩传感器110和齿轮箱130之间的输出连接件112。这些部件的每一个可以沿着由公共轴限定的公共轴线安装或者定位。此外，输出连接件112可以通过轴承(例如，在图2中示出的轴承137)相对于壳体(chassis)旋转。在驱动器系统100中，制动器102连接在驱动器系统100的壳体或壳体102与第一电机104的输入端之间。换言之，制动器102的输出端连接到第一电机104。电机104的输出端刚性地连接到齿轮箱106的输入端，齿轮箱106连接到串联弹性元件108。弹性元件108的输出端固定到扭矩传感器110的输入端，然后扭矩传感器110的输出端连接到输出连接件112。同时，另一电机128 连接在壳体134和另一齿轮箱130之间。

第二驱动器系统138包括相似的部件，例如：制动器114，围绕其轴线安装的第一电机116，连接到第一电机116的齿轮箱118，扭矩传感器120，串联弹性元件122，输出连接件124，齿轮箱126，电机128。这些部件的每一个可以沿着由公共轴限定的公共轴线(例如，在图2中示出的公共轴线140)安装或者定位。与输出连接件116相似，输出连接件124可以通过轴承(例如，在图3中示出的轴承142)相对于壳体旋转。在驱动器系统138中，制动器114连接到电机116，电机116连接到齿轮箱118。齿轮箱118的输出端连接到扭矩传感器120，扭矩传感器120连接到串联弹性元件122。驱动器系统138还包括第二电机128，第二电机128连接到壳体136和齿轮箱126。然后输出连接件124连接在串联弹性元件122和齿轮箱126之间。两个驱动器系统100、138之间的一个显著区别是：在驱动器系统100中，齿轮箱106的输出端连接到串联弹性元件108，而在驱动器系统138中，齿轮箱118的输出轴连接到扭矩传感器120。

在某些实施方式中，由于扭矩传感器120位于连接到第一电机116的齿轮箱118附近，驱动器系统138 可能是令人满意的。在这种配置中，扭矩传感器120可能能够更准确地测量由电机116通过齿轮箱118施加的扭矩。因为串联弹性元件122可能对施加的扭矩具有相对慢的偏转响应，这种配置还可以降低在扭矩测量中的滞后。在其他实施方式中，对于需要测量在输出连接件112处施加的扭矩的应用而言，驱动器系统100可能是令人满意的。在这种实施方式中，将扭矩传感器110设置于输出连接件112附近，可能能够快速且准确地测量在输出连接件112处施加的扭矩。某些这样的应用可能需要在齿轮箱106和扭矩传感器110 之间的串联弹性元件108是较硬的，从而适当地施加来自齿轮箱106的扭矩。

图1还示出了驱动器系统146，其包括：连接到壳体164的制动器148，连接到制动器148的电机150，连接到电机150的齿轮箱152。虽然图示的扭矩传感器154连接到齿轮箱152，但扭矩传感器154如上所述在某些应用中也可以连接到输出连接件158。串联弹性元件156连接在扭矩传感器154和输出连接件158之间。第二电机162连接到输出连接件和壳体164。对于需要在输出连接件158处施加一系列的高和低扭矩的应用而言，驱动器系统146可能是令人满意的。驱动器系统146包括直接驱动电机162，该直接驱动电机 162在没有齿轮箱的情况下附接到输出连接件158。相对于具有齿轮箱152的电机150而言，该直接驱动电机162可能能够更快地响应，但是由于它没有齿轮箱，可能限制于施加较低的扭矩。驱动器系统146还包括连接到齿轮箱152的电机150。齿轮箱152可以实现更高的扭矩应用，但是可能减慢电机150的响应时间。这样，驱动器系统146包括用于扭矩应用的两种形式，每种形式具有针对不同扭矩水平的优化特征。驱动器系统146还包括在两个电机150、162之间的串联元件156，以限制电机150、162对抗彼此运动(即，通过在相反方向上的旋转)的程度。

串联弹性元件108、122、156可以是表示出类似于弹簧的弹性行为的任何类型的组件，而扭矩传感器 110、120、154则可以是基于霍尔效应、应变仪、电容或者光学技术设计，以测量在扭矩传感器110、120、 154内的弹性元件的挠曲，并基于已测量的挠曲来确定已施加的扭矩。在某些实施例中，弹性元件108、122、 156可以设计成具有比在扭矩传感器110、120、154内的弹性元件的刚度值低得多的刚度值，以保持驱动器系统100、138、146抵抗冲击载荷的柔性。扭矩传感器110、120、154还可以配置为测量串联弹性元件108、 122、156的偏转，以及基于测量到的偏转确定已施加的扭矩。可以选择齿轮箱106、130、118、126、152以放大来自于电机104、132、116、128、150、162的扭矩。当来自电机104、132、116、128、150、162的扭矩输出足够时，或者需要多个扭矩施加能力时，某些实施例可以从设计中移除齿轮箱106、130、118、126、 152。电机104、132、116、128、150、162可以选择为能够与驱动器系统100、138、146中的其他部件保持同轴定向的任何电机。例如，电机104、132、116、128、150、162可以实施为无框架电机。在其他实施方式中，电机104、132、116、128、150、162可以实施为安装在模块外部的电机，尽管这种实施方式可能增加设计的成本和复杂性。

附加的旋转位置传感器(未图示)可以结合到驱动器系统100、138、146中以测量系统100、138、146 内的附加旋转位移。一个绝对位置传感器或者增量位置传感器可以放置在第一电机104、116、150附近，以测量电机104、116、150相对于壳体134、136、164的旋转角度。另一个绝对位置传感器或者增量位置传感器可以放置在输出连接件112、124、158和壳体134、136、164之间。

关于驱动器系统100、138的设计的附加实施例可以在图2和图3中看到，图2和图3分别示出了根据本实用新型的示例性实施例的驱动器系统100和138的立体图。

在驱动器系统100的某些实施例中，可以选择柔性传动装置来作为齿轮箱106和弹性元件108，然后可将单独的且更硬的扭矩传感器110附接到输出连接件112以用于感应扭矩。然而，在这些实施例中，柔性传动装置可能必须包括一对附接到电缆的预加载弹簧。由于这些弹簧的大行程和电机的远距离放置，驱动器系统100的封装体积可能会很大，当涉及将驱动器系统100安装在多关节机器人系统的关节上时，这可能是禁止的。作为结果，这种驱动器系统100的特定实施例可能仅适用于在单关节机器人系统中使用。

在驱动器系统100、138、146的一些实施例中，通过将串联弹性元件108、122、156和第一电机104、 116、50重新定位到机器人系统关节的基座，可以实现驱动器系统100、138、146的封装尺寸的进一步减小。在这些实施例中，驱动器系统100、138、146和机器人的基座组件可以通过电缆驱动器连接。串联弹性元件 108、122、156还可以实施为定制的机加工弹簧。另外，可以使用传感器(例如，霍尔效应传感器、光学传感器、电容传感器)从弹性元件108、122、156的偏转获得扭矩测量，而无需使用单独的扭矩传感器110、 120、154。将这些设计用于驱动器系统可以允许驱动器系统100、138、156足够紧凑，以在双关节和三关节机器人系统中使用。

然而，尽管这些设计改善了制造多关节机器人系统的可能性，但是在某些实施例中使用的电缆驱动器可能不能扩展到更大数量的关节，因为相关联的电缆可能必须与多个惰轮从机器人系统的基座到机器人系统的终端关机通过连接链路一起布线。此外，由于这些实施例使用较小数量的关节，可以不设置制动器102、 114、147以在切断电力时克服重力而将系统保持在适当位置。因此，取决于应用，可能的情况是，使用这种实施例可能仅能够制造低功耗系统。

为了实现模块化设计并因此改善多关节机器人操纵器设计中的集成和可扩展性的容易度，驱动器系统 100、138、146具有一些差异化设计特征以优化紧凑性。首先，电机都放置在驱动器系统100、138、146靠近关节的两端，这优化了到关节的扭矩传递。其次，公开的设计将所有的部件布置成关于公共轴线140、144 旋转，以最小化组件的径向尺寸。某些实施例还包括专用于测量施加扭矩的扭矩传感器，这消除了识别用于扭矩测量的串联弹性元件的刚度值的需要。

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 (16)

1.一种扭矩可控的旋转驱动器，包括：壳体；第一电机；串联弹性元件；第二电机；以及，输出连接件；扭矩传感器；

其中，所述串联弹性元件连接在所述第一电机和所述输出连接件之间；

所述第一电机、所述串联弹性元件和所述第二电机围绕公共轴线旋转；

所述第一电机、所述串联弹性元件、所述第二电机都在模块内；

所述扭矩传感器连接在所述第一电机和所述串联弹性元件之间或者连接在所述串联弹性元件和所述输出连接件之间；

所述扭矩传感器包括内部弹性元件，当施加扭矩时，所述扭矩传感器配置为通过测量所述内部弹性元件的挠曲来测量施加到所述扭矩传感器的扭矩；

所述串联弹性元件的刚度值比所述扭矩传感器的内部弹性元件的刚度值低。

2.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括第一齿轮箱；

其中，所述第一电机的输出端连接到所述第一齿轮箱的输入端，所述第一齿轮箱的输出端与所述串联弹性元件的输入端连接，所述串联弹性元件的输出端固定到所述扭矩传感器的输入端，所述扭矩传感器的输出端连接到所述输出连接件。

3.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括第一齿轮箱；

所述第一电机的输出端连接到所述第一齿轮箱的输入端，所述第一齿轮箱的输出端连接到所述扭矩传感器的输入端，所述扭矩传感器的输出端连接到所述串联弹性元件的输入端，所述串联弹性元件的输出端连接到所述输出连接件。

4.根据权利要求1所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括传感器，所述传感器通过测量所述串联弹性元件的挠曲获得扭矩测量。

5.根据权利要求4所述的旋转驱动器，其特征在于，所述传感器为霍尔效应传感器、光学传感器或电容传感器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转驱动器，其特征在于，所述第一电机、所述串联弹性元件和所述输出连接件都在模块内。

7.根据权利要求6所述的旋转驱动器，其特征在于，所述第一电机、所述串联弹性元件和所述输出连接件可沿着由公共轴限定的公共轴线安装或者定位。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的旋转驱动器，其特征在于，所述第一电机连接所述壳体。

9.根据权利要求8所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括制动器，所述制动器连接到所述第一电机。

10.根据权利要求8所述的旋转驱动器，其特征在于，所述输出连接件配置为通过轴承相对于所述壳体旋转。

11.根据权利要求8所述的旋转驱动器，其特征在于，所述第二电机的输出端与所述输出连接件连接，且所述第二电机位于所述输出连接件相对所述第一电机的另一侧。

12.根据权利要求11所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括第二齿轮箱，所述第二齿轮箱连接在所述第二电机和所述输出连接件之间。

13.根据权利要求8所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括第一位置传感器，用于测量所述第一电机相对于所述壳体的旋转角度。

14.根据权利要求11所述的旋转驱动器，其特征在于，还包括第二位置传感器，用于测量所述第二电机相对于所述壳体的旋转角度。

15.一种机器人系统，其特征在于，配置有权利要求1至14中任一项所述的旋转驱动器。

16.根据权利要求15所述的机器人系统，其特征在于，所述旋转驱动器位于该机器人系统的机器手臂的关节处。

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