TWI790034B - 機器人之關節致動器 - Google Patents

Abstract

一種機器人之關節致動器，包括一外殼、一驅動裝置、一驅動軸、一減速機及一感測器。驅動裝置配置於外殼內。驅動軸配置於外殼內且連接於驅動裝置，驅動裝置用以驅動驅動軸轉動。減速機配置於外殼內且包括一動力輸入件及一動力輸出件。動力輸入件及動力輸出件套設於驅動軸，動力輸入件連接於驅動軸與動力輸出件之間。感測器配置於動力輸入件上或配置於外殼上。

Description

機器人之關節致動器

本發明是有關於一種關節致動器，且特別是有關於一種機器人之關節致動器。

工業機器人不僅可以克服惡劣環境對生產的影響並減少人力的使用，還能夠提高生產效率，從而保證產品品質。隨著工業機器人技術的不斷發展，其不再只具有搬運重物的功能，而可進行各種高精度智能化的工作，如焊接、精密組裝、研磨、開洞、鑽孔拋光等動作。可利用感測器來提升機器人的作動精準度，然而在目前的機器人中，感測器大多為配置於機器手臂末端的獨立元件，其需透過連接件作為其與關節致動器之間的傳遞力量的途徑，且須走線至關節致動器，不僅增加裝置的體積與重量，亦無法提供迅速且即時的反饋。此外，在目前的機器人中，感測器無法直接感測關節致動器的振動，而無法直接對異常振動發出警訊。

“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭 露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明提供一種機器人之關節致動器，可減少機器人的機器手臂的體積與重量，且其感測器可提供迅速且即時的反饋並可直接感測關節致動器的振動。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種機器人之關節致動器，包括一外殼、一驅動裝置、一驅動軸、一減速機及一感測器。驅動裝置配置於外殼內。驅動軸配置於外殼內且連接於驅動裝置，驅動裝置用以驅動驅動軸轉動。減速機配置於外殼內且包括一動力輸入件及一動力輸出件。動力輸入件及動力輸出件套設於驅動軸，動力輸入件連接於驅動軸與動力輸出件之間。感測器配置於動力輸入件上或配置於外殼上。

在本發明的一實施例中，上述的動力輸入件為一帽型柔輪，動力輸出件為一剛輪。

在本發明的一實施例中，上述的感測器配置於動力輸入件上，感測器為一應變計或一動態感測器。

在本發明的一實施例中，上述的感測器配置於外殼上，感測器為一動態感測器。

在本發明的一實施例中，上述的感測器配置於外殼的一內壁上。

在本發明的一實施例中，上述的感測器用以感測關節致動器的一振動狀態。

在本發明的一實施例中，上述的感測器傳輸一感測訊號至關節致動器的一控制單元。

在本發明的一實施例中，上述的機器人之關節致動器包括一雙編碼器，其中雙編碼器連接驅動裝置及驅動軸，驅動裝置位於雙編碼器及減速機之間。

在本發明的一實施例中，上述的雙編碼器包括一輸入模組及一輸出模組，驅動軸包括一輸入軸及一輸出軸，輸入模組連接於輸入軸且同步轉動，輸出模組連接輸出軸且同步轉動，輸入模組及輸出模組共軸設置。

在本發明的一實施例中，上述的輸入模組包括一輸入磁盤及一輸入旋轉件，輸出模組包括一輸出磁盤及一輸出旋轉件，其中輸入磁盤固定於輸入旋轉件，輸入旋轉件鎖固於輸入軸上，輸出磁盤固定於輸出旋轉件，輸出旋轉件鎖固於輸出軸上。

在本發明的一實施例中，上述的雙編碼器包括一電路板、一輸入感測器及一輸出感測器，輸入感測器及輸出感測器配置於電路板上，輸入感測器對應於輸入旋轉件的輸入磁盤，輸出 感測器對應於輸出旋轉件的輸出磁盤。

在本發明的一實施例中，上述的輸入磁盤及輸出磁盤共平面地設置。

在本發明的一實施例中，上述的機器人之關節致動器包括一控制單元，其中控制單元耦接感測器及雙編碼器，用以接收感測器之感測訊號。

在本發明的一實施例中，上述的輸入感測器及輸出感測器共平面地設置，電路板耦接控制單元，輸入感測器及輸出感測器用以分別提供感測訊號至電路板，電路板提供這些感測訊號至控制單元。

在本發明的一實施例中，上述的動力輸出件連接機器人的一機器手臂。

基於上述，本發明的實施例至少具有以下其中一個優點或功效。本發明的感測器直接配置於關節致動器的動力輸入件上或配置於關節致動器的外殼上，而非配置於機器手臂末端。藉此，感測器不需透過額外的連接件作為其與關節致動器之間的傳遞力量的途徑，且不須額外走線至關節致動器，從而可減少機器人的機器手臂的體積與重量，並較為美觀。此外，直接配置於關節致動器的感測器可提供迅速且即時的反饋並可直接感測關節致動器的振動，以直接對異常振動發出警訊。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

50:機器手臂

100、200:關節致動器

110、210:驅動裝置

112、212:線圈

114、214:轉子

120、220:驅動軸

122、222:輸入軸

124、224:輸出軸

130、230:減速機

132、232:動力輸入件

134、234:動力輸出件

140、240:感測器

145、245:控制單元

150、250:雙編碼器

150a、250a:輸入模組

150b、250b:輸出模組

152、252:輸入旋轉件

154、254:輸出旋轉件

156、256:電路板

158a、258a:輸入磁盤

158b、258b:輸出磁盤

159a、259a:輸入感測器

159b、259b:輸出感測器

180、280:外殼

190、290:連接件

圖1是本發明一實施例的機器人之關節致動器的剖面圖。

圖2是圖1的關節致動器的局部立體圖。

圖3是圖2的動力輸入件的立體圖。

圖4是圖1的雙編碼器的部分構件剖面圖。

圖5是本發明另一實施例的機器人之關節致動器的剖面圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1是本發明一實施例的機器人之關節致動器的剖面圖。請參考圖1，本實施例的關節致動器100包括一驅動裝置110、一驅動軸120、一減速機130及一外殼180。驅動裝置110、驅動軸120及減速機130配置於外殼180內。驅動軸120連接於驅動裝置110，驅動裝置110例如是無框馬達且用以驅動驅動軸120轉動。驅動裝置110包括套設於驅動軸120的一線圈112及一轉子114，其中轉子114設置於線圈112的內側，即位於驅動軸120及 線圈112之間。

減速機130包括一動力輸入件132及一動力輸出件134，動力輸入件132例如是帽型柔輪，動力輸出件134例如是剛輪。動力輸入件132及動力輸出件134皆套設於驅動軸120，且動力輸入件132配置於驅動軸120與動力輸出件134之間。藉由動力輸入件132與動力輸出件134之間的減速比可對驅動軸120進行減速。減速機130中有關達成所述減速比的具體結構設計為現有技術，於此不加以贅述。本實施例的機器人的機器手臂50包括一連接件190，關節致動器100的動力輸出件134透過連接件190連接機器手臂50，以傳遞動力至機器手臂50。

圖2是圖1的關節致動器的局部立體圖。圖3是圖2的動力輸入件的立體圖。請參考圖2及圖3，本實施例的關節致動器100更包括一感測器140，感測器140配置於動力輸入件132上。本實施例的感測器140例如是應變計或動態感測器，所述動態感測器可為加速度計、速度計、慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)等，本發明不對此加以限制。感測器140可用以感測關節致動器100在動力輸入件132的振動狀態及/或扭力。

如上所述，本實施例的感測器140直接配置於關節致動器100的動力輸入件132上，而非配置於機器手臂50末端。藉此，感測器140不需透過額外的連接件作為其與關節致動器100之間的傳遞力量的途徑，且不須額外走線至關節致動器100，從而可減少機器人的機器手臂50的體積與重量。此外，直接配置於關節致 動器100的感測器140可提供迅速且即時的反饋並可直接感測關節致動器100的振動，以直接對異常振動發出警訊，且可依據感測器140的反饋即時控制關節致動器100進行相應的作動，如即時停止或即時減少輸出力以避免機器手臂50碰撞目標物而導致機器手臂50的損壞。

請參考圖1，本實施例的關節致動器100更包括一控制單元145及一雙編碼器150。控制單元145及雙編碼器150配置於外殼180內。雙編碼器150連接驅動裝置110及驅動軸120，驅動裝置110位於雙編碼器150及減速機130之間，雙編碼器150位於驅動裝置110及控制單元145之間，並且感測器140及雙編碼器150耦接於控制單元145。

藉此，本實施例的關節致動器100除了可利用感測器140對關節致動器100進行力/振動的感測，更可利用雙編碼器150對關節致動器100的輸入端及輸出端的位移進行感測，且雙編碼器150與感測器140的位移感測訊號及扭力感測訊號所包含的感測數據皆傳送至控制單元145(可視為一驅動電路板)，控制單元145可整合該些感測訊號，以準確判斷機器人的受力狀態，進而準確地進行相應的高精度的動作。在其他實施例中，雙編碼器150與感測器140的感測訊號可傳遞至機器人所包含的其他形式的用以對關節致動器100進行運動控制和監測之控制單元，本發明不對此加以限制。

本實施例的雙編碼器150包括同軸設置的輸入旋轉件 152、輸出旋轉件154，驅動軸120連接於輸入旋轉件152及輸出旋轉件154，用以使輸入旋轉件152以及輸出旋轉件154共軸轉動。詳細而言，驅動軸120包括同軸設置的一輸入軸122及一輸出軸124，其中輸入軸122套設於輸出軸124外側。輸入軸122的一端連接於減速機130的動力輸入件132且另一端連接於輸入旋轉件152，其中驅動裝置110的轉子114連接於輸入軸122，用以驅動輸入軸122旋轉。輸出軸124連接於輸出旋轉件154。

圖4是圖1的雙編碼器的部分構件剖面圖。請參考圖1及圖4，雙編碼器150更包括一電路板156、輸入模組150a及輸出模組150b、輸入感測器159a及輸出感測器159b。輸入模組150a及輸出模組150b共軸設置，輸入感測器159a及輸出感測器159b配置於電路板156且分別對應輸入模組150a及輸出模組150b。其中，輸入模組150a連接於輸入軸122且同步轉動，輸入模組150a包括一輸入磁盤158a及前述輸入旋轉件152，輸入磁盤158a以膠合或其他適當方式而固定於輸入旋轉件152，輸入旋轉件152以鎖固或其他適當方式而固定於輸入軸122上。輸出模組150b連接輸出軸124且同步轉動，輸出模組150b包括一輸出磁盤158b及前述輸出旋轉件154，輸出磁盤158b以膠合或其他適當方式而固定於輸出旋轉件154，輸出旋轉件154以鎖固或其他適當方式而固定於輸出軸124上。

更詳細地說明，輸入磁盤158a例如是環狀的輸入端磁盤，輸出磁盤158b例如是環狀的輸出端磁盤，輸入感測器159a 例如是輸入端磁頭，輸出感測器159b例如是輸出端磁頭。輸入感測器159a以一間隔對應於輸入旋轉件152上的輸入磁盤158a，輸出感測器159b以一間隔對應於輸出旋轉件154上的輸出磁盤158b，輸入感測器159a、輸出感測器159b用以分別提供從輸入磁盤158a及輸出磁盤158b所感測到的感測訊號至電路板156。並且，電路板156耦接控制單元145，使雙編碼器150可透過電路板156提供感測訊號至控制單元145。

藉此，控制單元145可接收來自輸入感測器159a的相關於輸入磁盤158a(對應於輸入旋轉件152、輸入軸122及動力輸入件132，即對應於輸入端)的轉動位移的訊號、來自輸出感測器159b的相關於輸出磁盤158b(對應於輸出旋轉件154、輸出軸124及動力輸出件134，即對應於輸出端)的轉動位移的感測訊號、來自感測器140的相關於動力輸入件132的扭力及/或振動的感測訊號，據以整合這些訊號以判斷輸出端的受力狀態。

進一步而言，本實施例的輸入磁盤158a、輸出磁盤158b共平面地同軸設置，且輸入感測器159a、輸出感測器159b共平面地設置。藉此，可利用單一電路板156承載兩感測器159a、159b並使兩感測器159a、159b分別對應於兩磁盤158a、158b，從而可縮減關節致動器100在其軸向上的尺寸。

圖5是本發明另一實施例的機器人之關節致動器的剖面圖。在圖5所示的關節致動器200，驅動裝置210、線圈212、轉子214、驅動軸220、減速機230、動力輸入件232、動力輸出件 234、控制單元245、雙編碼器250、輸入模組250a、輸出模組250b、輸入旋轉件252、輸出旋轉件254、電路板256、輸入磁盤258b、輸出磁盤258b、輸入感測器259a、輸出感測器259b、外殼280、連接件290的配置與作用方式相同或相似於前述實施例的驅動裝置110、線圈112、轉子114、驅動軸120、減速機130、動力輸入件132、動力輸出件134、控制單元145、雙編碼器150、輸入模組150a、輸出模組150b、輸入旋轉件152、輸出旋轉件154、電路板156、輸入磁盤158b、輸出磁盤158b、輸入感測器159a、輸出感測器159b、外殼180、連接件190的配置與作用方式，於此不再贅述。

圖5所示的關節致動器200與圖1所示的關節致動器100的不同處在於，關節致動器200的感測器240配置於外殼280的一內壁280a上以感測關節致動器200的振動及/或來自機器手臂的撞擊力。感測器240例如是動態感測器，所述動態感測器可為加速度計、速度計、慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)等，本發明不對此加以限制。

如上所述，本實施例的感測器240直接配置於關節致動器200的外殼280的內壁280a上，而非配置於機器手臂末端。藉此，感測器240不需透過額外的連接件作為其與關節致動器200之間的傳遞力量的途徑，且不須額外走線至關節致動器200，從而可減少機器人的機器手臂的體積與重量。此外，直接配置於關節致動器200的感測器240可提供迅速且即時的反饋並可直接感測 關節致動器200的振動，以直接對異常振動發出警訊，且可依據感測器240的反饋即時控制關節致動器200進行相應的作動，如即時停止或即時減少輸出力以避免機器手臂50碰撞目標物。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100:關節致動器

120:驅動軸

122:輸入軸

124:輸出軸

130:減速機

132:動力輸入件

134:動力輸出件

140:感測器

180:外殼

190:連接件

Claims (12)

1. 一種機器人之關節致動器，包括：一外殼、一驅動裝置、一驅動軸、一減速機、一雙編碼器以及一感測器；其中，該驅動裝置配置於該外殼內；該驅動軸配置於該外殼內且連接於該驅動裝置，其中該驅動裝置用以驅動該驅動軸轉動；該減速機配置於該外殼內且包括一動力輸入件及一動力輸出件，其中該動力輸入件及該動力輸出件套設於該驅動軸，該動力輸入件連接於該驅動軸與該動力輸出件之間；該雙編碼器連接該驅動裝置及該驅動軸，該驅動裝置位於該雙編碼器及該減速機之間，該雙編碼器包括一輸入模組及一輸出模組，該驅動軸包括一輸入軸及一輸出軸，該輸入模組連接於該輸入軸且同步轉動，該輸出模組連接該輸出軸且同步轉動，該輸入模組及該輸出模組共軸設置，該輸入模組包括一輸入磁盤及一輸入旋轉件，該輸出模組包括一輸出磁盤及一輸出旋轉件，其中該輸入磁盤固定於該輸入旋轉件，該輸入旋轉件鎖固於該輸入軸上，該輸出磁盤固定於該輸出旋轉件，該輸出旋轉件鎖固於該輸出軸上；以及該感測器配置於該動力輸入件上或配置於該外殼上。
2. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該動力輸入件為一帽型柔輪，該動力輸出件為一剛輪。
3. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該感測器配置於該動力輸入件上，該感測器為一應變計或一動態感測器。
4. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該感測器配置於該外殼上，該感測器為一動態感測器。
5. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該感測器配置於該外殼的一內壁上。
6. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該感測器用以感測該關節致動器的一振動狀態。
7. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該感測器傳輸一感測訊號至該關節致動器的一控制單元。
8. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該雙編碼器包括一電路板、一輸入感測器及一輸出感測器，該輸入感測器及該輸出感測器配置於該電路板上，該輸入感測器對應於該輸入旋轉件的該輸入磁盤，該輸出感測器對應於該輸出旋轉件的該輸出磁盤。
9. 如請求項8所述的機器人之關節致動器，其中該輸入磁盤及該輸出磁盤共平面地設置。
10. 如請求項8所述的機器人之關節致動器，包括一控制單元，其中該控制單元耦接該感測器及該雙編碼器，用以接收該感測器之感測訊號。
11. 如請求項10所述的機器人之關節致動器，其中該輸入感測器及該輸出感測器共平面地設置，該電路板耦接該控制 單元，該輸入感測器及該輸出感測器用以分別提供感測訊號至該電路板，該電路板提供該些感測訊號至該控制單元。
12. 如請求項1所述的機器人之關節致動器，其中該動力輸出件連接該機器人的一機器手臂。

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