CN114905497A - 关节组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人(100)的关节组件(1)，包括：与输出部件(8)连接的罩体(26)，罩体包括罩体壁部(26A)；包括波发生器(7)、柔性齿轮(13)和连接至输出部件(8)的刚性齿轮(36)的应变波传动***(90)，其中波发生器(7)在转子轴(3)作用下转动，转子轴由包括定子(15)和转子磁体(16)的电动马达(140)驱动，转子磁体(16)附装至转子轴(3)，并且其中，关节组件(1)还包括构造成停止/阻止转子轴(3)与柔性齿轮(13)之间的相对运动的转子制动器(30)和构造成测量罩体(26)相对于输出部件(8)的位置的传感器。此外，本发明还涉及包括根据本发明的关节组件的机械手臂(100)及根据本发明的关节组件的用途。

Description

关节组件

本申请是申请日为2016年7月21日、名称为“关节组件”的发明专 利申请No.201680054700.6的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于机器人的关节组件，涉及一种包括根据本发明的 关节组件的机械手臂以及涉及根据本发明的关节组件的用途。

背景技术

关节组件广泛应用于机器人工业中。随着机器人在越来越多的情况下 的扩展应用，对关节组件的需求已经改变。关节组件仅需要以两种变型形 式构造，即转动关节组件和弯曲关节组件，以构造具有六个轴并因此能被 设定到所有频繁需要的位置的机械手臂。

当今，一般已知由具有用以驱动电动马达的内置电路板的模块化机器 人关节组件来构建机器人。电动马达例如可包括定子和具有驱动波传动装 置/谐波驱动传动装置的永磁体的转子/轴。波传动装置/谐波驱动传动装置 由柔性齿轮、齿圈、波发生器轴承和波发生器组成。所有的轴承均往往被 集成到关节中，包括旨在用于将转子正确定位在罩体中的轴承和旨在用于 相对于罩体来定位输出部件的轴承。以这种方式，一个端部被直接联接至 该结构的输入侧，而另一端部被直接联接至该结构的输出侧。这些关节单 元往往具有沿纵向轴线的开孔，电缆可延伸经过所述开孔以实现多个关节 的相继连接。

为了实现更快的运动速度、与更高的精度结合的更快的加速度，作用 在关节和机器人上的总的动态力被增大。

因此，期望获得紧凑的关节设计以最小化作用在整个机器人***上的 动力。

机械手臂的活动端部上的载荷越大，作用在该***上的力就会越大。 特别地，如果机器人是在与人类密切的情况下工作的机器人，则重要的是， 能够预测并控制作用在该***上的动态力。例如，构造成承载例如10千克 载荷的机器人在不幸的事件中可能会因从仅1米的距离掉落载荷而杀死站 在附近的工作人员。机器人与人类一起工作的越密切，就越需要能防止机 器人伤害事故的安全***是越可靠的。此外，机器人工作速度越快，就越需要对于严重故障的反应速度越快。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术中的上述缺点和不足。 更特别地，一个目的是提供一种改进的关节组件。

本发明的另一目的是提供一种能使对关节组件附近的工作人员的危险 情况的风险最小化的关节组件。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优 点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过一种用于机器人的关节组件 来实现，该关节组件包括：

-与输出部件连接的罩体，所述罩体包括罩体壁部；

-应变波传动***，包括：

-波发生器；

-柔性齿轮；以及

-连接至该输出部件的刚性齿轮，

其中，所述波发生器在转子轴的作用下转动，所述转子轴由电动马达 驱动，所述电动马达包括定子和转子磁体，所述转子磁体附装至所述转子 轴，其中，所述关节组件还包括：

-构造成停止/阻止所述转子轴与所述柔性齿轮之间的相对运动的转子 制动器；以及

-构造成测量所述转子轴相对于所述输出部件的位置的传感器。

以这种方式，获得了紧凑、轻且可靠的关节组件。为了最小化作用在 关节上的动态力，该关节应尽可能紧凑。如果该关节是机械手臂的一部分， 则在停止和启动期间以及在装载和卸载该手臂承载的载荷时作用的动态力 可能具有对整个机器人***的能力的显著影响。典型地，机械手臂操纵与 手臂的固定点距离近的载荷比当同一手臂操纵与手臂距离远的同一载荷时 具有更大的准确性。显然，机器人***的制造商确保手臂能够实现在距离 固定点期望距离处提供期望的精度。然而，手臂自身对***引入的动态影 响越少，则***就会越仅依赖于必要的载荷特性。机械手臂受到的转矩由 手臂(长度)乘以手臂受的力定义。因此，载荷离手臂的固定点越近，则转 矩越小。类似地，如果手臂做的短些，则产生的转矩便会小些。考虑到鉴 于机械手臂的动态载荷的最终精确度，增加手臂的重量或长度均会负面地 影响到手臂末梢的精确度，即较低的手臂总精确度。

这种配置形式的另一目的是由铁磁性钢制成的柔性齿轮屏蔽了马达的 磁场，从而使其不会干扰附近电子器件上的传感器。由于柔性齿轮因其包 封马达而被允许是相当长的，这还允许柔性齿轮在仍具有同等柔性的同时 稍厚些以在波发生器附近成椭圆形，从而进一步加强柔性齿轮。在另一实 施例中，关节组件可包括位于转子轴和波发生器之间的行星齿轮，从而甚 至是在更高速度的情况下也能在提供相同的输出功率的同时允许定子和转 子磁体更小，并且因此降低波发生器在转子轴上反射的惯性。

所述关节组件还可包括布置成使柔性齿轮弯曲的波发生器。

此外，所述柔性齿轮可包括柔性齿轮基部、杯状壁部和带齿壁部。

此外，所述关节组件可包括构造成相对于所述转子磁体定位所述定子 的马达壳体。所述马达壳体可随所述柔性齿轮转动。以这种方式，确保定 子仅可在非常低的速度下相对于转子磁体转动。

此外，所述关节组件可包括电源。

另外，所述关节组件可包括控制回路，用于控制所述关节的操作例如 马达的转动和制动器的致动。

所述关节组件的结构有利于关节的包括马达和波发生器轴承的油脂区 段可被保持在与其余部分完全隔离开的特定空间中。以这种方式，多尘空 间与清洁空间隔开。因此，清洁空间的提供使得使用对灰尘敏感的构件并 仍将它们布置在关节内部成为可能。

所述关节组件可包括位于所述罩体与所述输出部件之间的密封件。所 述关节组件可包括位于所述罩体与所述输出罩体之间的密封件。所述关节 组件的仅需要一个动态密封件的这样的结构在转动期间产生的热最小化。 所述动态密封件在相对彼此运动的两个元件之间提供密封。

此外，所述转子制动器可包括用于将在转子制动器制动时对关节的冲 击最小化的摩擦离合器。

此外，所述转子制动器可包括制动环。

以这种方式，能够将转子轴制动并锁定在期望位置。

所述转子制动器可以是弹簧加载的。以这种方式，即使供应至关节组 件的电力消失也仍能致动制动器。

此外，所述制动器弹簧可由非铁磁性材料制成。所述转子制动器可包 括非铁磁性推动件。转子制动环可包括非铁磁性材料推动部件。

此外，所述转子制动器可包括抗转动环。所述抗转动环可以是摩擦环。 以这种方式，可行的是，通过允许在制动时的微转来以受控的方式制动转 子。制动转矩即转动的程度可通过调节所述抗转动环与制动环之间的摩擦 来调节。

所述转子轴的制动可通过作用在抗转动环上的一个或多个弹簧致动。

此外，所述转子制动器可包括正时环。所述正时环确保转子制动器的 致动是在有利于转子制动环与转子轴上的柱之间的完全接合的角位置处致 动的。以这种方式，能够在实现对制动器和/或关节组件的损坏的风险最小 的情况下对转子制动环的致动正时。

根据本发明的关节组件可包括构造成停止/阻止所述输出部件的转动 的输出制动器。

以这种方式，尽管柔性齿轮发生故障也能够停止输出部件例如机械手 臂的一部分的转动。由于应变波传动***的结构，在柔性齿轮完全破坏即 杯状壁部撕裂时输出部件实际上是自由转动的。在机械手臂仅承载小的载 荷的情况下，这可能是烦恼或麻烦的来源。然而，在其中机械手臂承载大 的载荷例如5千克或10千克或更大重量的情况下，这样的自动转动可能对 于操作者来说是高度危险的。因此，必须最小化在柔性齿轮失效的情况下的自由转动的风险。类似地，如果机械手臂的电力消失，则制动器可构造 成使得它自动地确保无法转动。

在一个实施例中，所述输出制动器可以是弹簧加载的。

此外，所述输出制动器可通过电磁释放***致动。以这种方式，能通 过电信号来致动输出制动器。所述电信号可配置成使得万一***的电力被 切断，则制动器便会自动地致动。

此外，所述输出制动器可通过螺线管致动。

所述输出制动器在其已接合位置可阻止所述转子轴与所述输出部件之 间的相对运动。

此外，所述输出制动器可与所述转子制动器基本上同时被致动。所述 输出制动器可稍微比转子制动器晚些致动。当转子制动器被致动时，能够 测量转子制动器的使用是否也导致所述输出部件的制动。如果未检测到制 动，则存在柔性齿轮坏掉的风险，并且输出制动器需要被致动。在致动输 出制动器时作用在***上的力相当大，并且因此优选避免利用输出制动器 制动。所述输出制动器和转子制动器可根据柔性齿轮所受的转矩来致动。为确保柔性齿轮不损坏，同时仍获得快速和可靠的制动，即使柔性齿轮完 好，所述输出制动器和所述转子制动器也可同时起作用。由于例如机械手 臂的快速且可靠的制动，机器人可与人类更亲密且更快速地相互作用。

所述输出制动器可包括弹簧。在制动器的已接合位置，即在已制动位 置，所述弹簧处于松弛位置。所述输出制动器可包括具有枢轴点的杆机构， 例如制动杆。输出制动器可包括通过键和槽接合输出部件的接合部件。所 述输出制动器可包括通过棘轮机构接合输出部件的接合部件。

此外，所述输出制动器可包括用于致动制动器的致动销。以这种方式， 能够从远离输出部件的位置控制输出制动器。

所述输出制动器可以是其中两个部件彼此互锁的机械制动器。

此外，所述输出制动器可通过触发部件的触发推动件沿关节组件的纵 向轴线运动以致动垂直于纵向轴线的制动器接合的运动而触发。

根据本发明的关节组件还可包括用于感测转子轴的转动的传感器，其 中，所述传感器布置在罩体壁部中。

在一个实施例中，关节组件中的罩体可包括多个盲孔。

以这种方式，能够将传感器直接安装在所述罩体中。所述盲孔可基本 上沿圆形轮廓等距地布置。

这些盲孔可构造成使得孔的盲端面向输出部件。以这种方式，能够将 包括柔性齿轮和马达的空间与传感器隔开。

所述传感器可定位在罩体的与柔性齿轮所处空间不同的空间中。

以这种方式，能够将传感器布置在罩体的外侧。因此，与灰尘和油脂 有关的问题得以避免。此外，能够为传感器屏蔽来自马达的干扰信号。马 达即马达磁体和定子放置在柔性齿轮内侧进一步为周围屏蔽了电磁干扰。

罩体或罩体壁部可由铝、聚合物或其它非铁质材料或复合材料制成。 以这种方式，能够使用从罩体壁部的一侧感测到罩体壁部的另一侧的磁场 传感器。因此，磁场传感器可定位在罩体的一侧上并且磁极环定位在另一 侧上。

磁极环可在50mm的磁极环上包括10–500、20–400或30-300个磁极。 以这种方式，能够获得高分辨率的定位。传感器可检测一对磁极内的多个 位置。

此外，所述磁场传感器可布置在罩体壁部的一侧上且所述磁极环可布 置在所述罩体壁部的另一侧上。

此外，所述关节组件可包括位置传感器。所述位置传感器利用360度 游标原理。所述传感器可以是磁场传感器。

所述关节组件可包括将所述输出部件与罩体连接的输出装置壳体。所 述罩体、所述转子轴、所述输出装置壳体和所述输出装置/输出部件限定出 关节空间。柔性齿轮可完全包含在该关节空间中。

此外，所述关节可包括绝对式编码器，所述绝对式编码器包括两个磁 场传感器和两个磁极环。所述关节可包括多个传感器和多个磁极环，如三 个或更多个。所述绝对式编码器可以是增量式编码器。所述绝对式编码器 可从转子关节传感器和与输出部件的传动比生成输出部件的位置。然而， 以这种方式，与机器人关节组件中的传统绝对式编码装置相比实现了需要 更少的磁极环。特别地，以这种方式，转子编码器的使用不仅用于编码转子的总***置，而且还用于组合来自于转子编码器和轴的信息。以这种方 式，这些成对的传感器和磁极环既用于各自的编码任务又用于组合的任务。 以这种方式，对于通过游标原理计算转子的位置的需求被最小化并且因此 节省了重要的反应时间。

此外，所述关节输出装置位置传感器可包括两个或更多个磁极环，所 述两个环具有不同数量的极对。所述关节输出装置位置传感器***可包括 两个或更多个传感器。

一个磁极环可布置在扭转柔性件上。所述扭转柔性件可连接至输出部 件。以这种方式，可通过磁极环来测量相对于转子传感器或转子轴施加至 输出部件的转矩。包括磁极环的柔性件可以能够以在经受载荷时允许在任 一方向上的+/-10％的方式与传感器相关。然而，扭转柔性件的柔韧性的测 量的分辨率需要高例如0.01°–2°或者更优选0.1°–1°。以这种方式，能够将 非柔性地安装的磁极环关联至柔性地安装的磁极环并测量二者间的差。

一个传感器可以具有磁极环，其中磁极环的一圈旋转被分成三个区段， 即每个120°。如果传动比是1:100，则120°针对每次转动将不会在同一位 置，因为100不能被3整除并且因此不是整数。以这种方式，能够首先将 360°细分为三个区段并且之后再利用第二组磁极环对这三个区段进行细分。 因此，第二组磁极环可具有更低的分辨率，即更少数的磁体，并且仍然， 组合下分辨率是足够的。如果要利用单个磁极环(和传感器)获得同样高的分辨率，则读错的风险将会高，因为将需要极大数量的磁极。磁极(磁体) 的数量越多，则传感器被定位在两个磁极之间的风险就越高，从而使得很 难获得精确的读数。这与被分成多个位置的另一磁极环组合提供了精确定 位。

所述罩体可包括柔性件。

以这种方式，能够使罩体的外周部分相对于罩体的内部部分转动。因 此，当罩体的外周经受扭转力矩时，罩体的外周部分会相对于内部部分位 错/错位。当测量这种位错时，能够确定罩体的外周部分经受的转矩。

此外，所述关节组件可包括布置在所述转子轴与所述波发生器之间的 行星齿轮。

以这种方式，能够实现在提供相同的输出功率的同时使定子和转子磁 体更小，即使是在更高速度的情况下。此外，使用行星齿轮允许降低波发 生器反射在转子轴上的惯性。

在另一实施例中，所述关节组件可包括空气填充的外皮。所述空气填 充的外皮可以是包括空气填充的空腔的聚合物，例如泡沫。所述空腔可被 气动地连接。所述外皮的外表面可基本上密封并且不透空气。所述外皮可 以是压敏外皮。以这种方式，能够监测机械手臂是否正与对象接触。所述 监测通过测量聚合物中的压力来进行。以这种方式，提供碰撞探测器，以 监测手臂或关节的空气填充的外皮中的压力。

在一个实施例中，所述关节组件可包括形成传感器或传感器单元的磁 极和传感器。

此外，所述磁极环可在50mm的磁极环上包括10–500或20–400或 30-300个磁极。

此外，所述转子制动器可以是弹簧加载的。

此外，制动器弹簧可由非铁磁性材料制成。

在另一实施例中，所述关节组件可包括被分成三个120°的区段的第一 组磁极环-传感器以及包括多于10个磁极的第二组或另一组磁极环-传感器。 以这种方式，能够获得两个读数并且当比较来自两组的读数时具有较少数 目的磁极但仍能获得高分辨率。

在另一实施例中，所述关节组件可包括三组传感器-磁极环。所述三组 可以是被分成三个120°的区段的第一组磁极环-传感器和包括多于10个磁 极的第二组或另一组磁极环-传感器以及最后的前两个组之一的双倍或另 外的读数的第三组。以这种方式，能够获得两个读数并且当比较从所有三 个组得到的读数时具有在每个磁极环上的较少的磁极，但仍获得高分辨率。

本发明还涉及一种包括根据本发明的关节组件的机械手臂。

此外，本发明涉及根据本发明的关节组件用于执行机械手臂的转动运 动的用途。

最后，本发明涉及一种用于利用两组磁极环-传感器来确定输出部件的 位置的方法，其中，一组磁极环-传感器被分成三个120°的区段而另一组磁 极环-传感器包括多于10个磁极。

附图说明

下面将参考后附的示意图更详细地描述本发明及其许多优点，所述示 意图出于示例目的仅示出了一些非限制性的实施例，其中：

图1示出了包括多个关节组件的手臂的示意图；

图2A和2B示出了包括多个关节组件的手臂的示意图；

图3示出了关节组件的截面图；

图4A-4D示出了转子制动器的正时环的接合；

图4E-4H示出相对于图4A-4D改变了90°的视图，因此示出转子制动 器和其接合至已制动位置；

图5示出具有弹簧加载的致动销的输出制动器的实施例的截面图；

图6A示出输出制动器的另一实施例的截面图；

图6B示出图6A中示出的输出制动器的实施例的截面图；

图7示出了制动器摩擦环的截面图；

图8示出图3中示出的关节组件的罩体的柔性部件的透视图；

图9A示出了包括仅一个动态密封件的关节组件的实施例；

图9B示出其中制动器布置在马达壳体外侧的实施例；

图9C示出其中输出装置罩体被扩宽的实施例；

图10示出罩体的在输出制动器处的截面图；

图11示出关节组件的另一实施例的截面图；

图12示出具有另一转子制动器结构的类似于图11的关节组件的关节 组件；以及

图13示出包括行星齿轮结构的波发生器的另一实施例。

所有的附图是高度示意性的，未必按比例绘制，并且它们仅示出了阐 明本发明所必需的那些部件，省略或仅暗示了其它部件。

具体实施方式

图1示出了具有多个关节组件1的机械手臂。关节组件1.1、1.3和1.5典 型地被称为转动关节，并且1.2、1.4和1.6典型地被称为弯曲关节。然而， 尽管它们的不同取向，关节组件1总体上具有相同的设计。将理解的是，特 别地，关节可以更长以实现用于整个手臂100的期望范围。在下文中，术语 “输出部件”是指不能相对于齿轮箱输出部明显转动的部件，例如图3上连接 至输出部件8的任何构件。术语“壳体”是指不能相对于齿轮箱壳体明显转动 的任何物体，例如图3上的连接至罩体26的任何构件。术语“转子”是指不能 相对于齿轮箱输入部明显转动的部件，例如图5上的连接至转子轴的任何构 件。

图1、2A和2B示出了处于第一位置的机械手臂100，在该第一位置，全 部的关节组件1.1–1.6均处于全功能状态。图2B示出了同一手臂100，其中， 关节1.2是坏的。因此，手臂100在关节1.2中自由转动，即关节1.1和1.3相对 于彼此自由转动。机械手臂100被示出不具有载荷，并且因此仅手臂100的 从关节组件1.2至手臂100的末端的重量导致其下降。然而，就更大的机械 手臂而言，这可能是能够严重伤害甚至杀死站在手臂的末稍下方并因此暴 露于被手臂砸到的风险的人200的很大的载荷。

图3示出了关节组件1的截面图的一半。该截面图被示出是沿关节组件1 的纵向轴线101看的。该关节组件沿纵向轴线101对称，并且因此仅示出该 截面图的一半。

罩体26包括罩体壁部26A、第一外罩侧26B和相对的第二外罩侧26C。 大致管状的输出装置壳体23经由主轴承19连接至该罩体26。轴承19通过肩 部/凸起19A和可拆卸的轴承凸缘22保持就位。主密封件39位于输出装置壳 体23与轴承凸缘22之间以密封关节组件，以防来自周围环境的灰尘和水分 进入。主轴承19通过环型螺母38和输出肩部/凸起38A在输出装置壳体23上 保持就位。输出装置壳体23经由齿圈36连接至输出部件8。齿圈也称为刚性 齿轮36。齿圈36通过输出装置壳体凸缘23A和输出部件凸缘8A被保持就位。 在本实施例中，输出部件8是基本上圆盘形的部件。输出部件8包括用于将 其附接至例如另一关节组件或工具(未示出)的连接机构。类似地，罩体26 包括用于将其附接至另一关节组件或固定部件(未示出)的机构。看出，罩 体26、输出装置壳体23和输出部件8限定出在两端封闭的大致管状空间。贯 穿罩体26和输出部件8的中心设置有孔，以使得电力电缆和通信电缆能够被 供应至在两个方向中的任一方向上的挨着的/连续的关节组件(未示出)。由 罩体26、输出装置壳体23和输出部件8限定出的管状空间基本上由转子轴3 界定。转子轴包括第一端部区段3A和第二端部区段3B。转子轴经由转子滚 珠轴承4支承输出部件8。转子滚珠轴承通过输出部件8上的肩部/凸起4A和 转子轴3的形成转子轴3上的肩部/凸起的径向凹陷区3C而被保持就位。

转子轴3的第一端部区段3A处布置有波发生器7。波发生器7连接至转 子轴3。在本实施例中，该连接通过定位环5和键6实现。然而，连接波发生 器7的多种不同方式均是可行的，例如，波发生器7可通过焊接、粘合或压 配合而连接。波发生器7经由波发生器轴承9与柔性齿轮13接触。波发生器7、 柔性齿轮13和刚性齿轮/齿圈36一起形成应变波传动***。然而，多种不同 术语可用于指代这样的传动***。柔性齿轮13可包括柔性齿轮基部13A、杯状壁部13B和带齿壁部13C。带齿壁部13C局部地与刚性齿轮/齿圈36接触。 在波发生器7转动期间，引起柔性齿轮13的带齿壁部13C相对于刚性齿轮/ 齿圈36运动。波发生器7通过转子轴3转动。转子轴3通过电动马达140驱动， 电动马达140包括定子15和转子磁体16，转子磁体16附装至转子轴3，并且 定子15和转子磁体16布置在柔性齿轮13内侧。因此，马达140布置在柔性齿 轮13的杯状壁部13B的径向内侧。马达140布置在马达壳体14内，定子15附 装于该马达壳体14。马达壳体14包括连接至柔性齿轮基部13A的马达壳体 基部14C。因此，马达壳体14和柔性齿轮13随彼此转动。马达壳体14和因 此定子15通过马达轴承14A关于转子轴3保持就位。马达轴承14A布置在转 子轴第二端部区段3B处并通过转子轴3上的肩部/凸起3D和马达壳体14上 的肩部14B而保持就位。

转子轴3的第二转子端部区段3B包括转子制动柱50。转子制动柱50构 造成能与铁磁性制动环54的锁定接合。铁磁性制动环54布置在抗转动环52 的内侧。铁磁性制动环54和抗转动环52构造成能沿纵向轴线101相对于转子 轴3和马达壳体14两者和因此柔性齿轮13被推动。铁磁性制动环54的相对运 动通过弹簧55来实现。铁磁性制动环54通过电磁体57保持在未接合位置。 当向电磁体57供电时，铁磁性制动环54保持在未接合位置，即在未制动位 置。在电力消失的情况下，电磁体57失去其用以保持铁磁性制动环54的能 量。因此，弹簧55将会朝向转子轴3的第一转子端部区段3A推动铁磁性制 动环54。正时环51用于机械地定位用于使铁磁性制动环54接合制动柱50即 用以确保最快且最可靠的制动的理想位置。当制动环与制动柱50完全接合 时，转子轴3、马达壳体14和因此柔性齿轮13无法相对于彼此运动。以这种 方式，使输出部件8相对于外罩26运动的传动装置被阻止运动并且因此关节 组件被完全制动。在本实施例中，铁磁性制动环54和弹簧55通过非铁磁性 推动件56分离。接合转子制动器的过程在图4A–4H中被更详细地解释。在 本实施例中，转子制动器的致动也致动了输出制动器***70。输出制动器/ 输出制动器***70包括制动板63和布置成将制动板63推至与输出装置壳体 23的带齿制动环65锁定接合的第二弹簧60。输出制动器70的致动与转子制 动器的类似，并且由于致动杯/销59，制动板63能沿关节组件的纵向轴线101 运动。制动板63通过第二弹簧60沿纵向轴线101推动。

从图3可看出，万一应变波传动***90的柔性齿轮13发生故障，例如当 杯状部13B完全故障时，输出装置壳体23、刚性齿轮和输出部件8便可能因 轴3与壳体26之间的连接而自由转动。这归因于波传动***的输出部件与马 达之间的接触通过柔性齿轮13尤其是杯状部13B来创建的结构性质。然而， 在这样的情况下，输出制动器将立即被致动以避免上述危险情况(见图2B)。

示出外罩26包括转子转动传感器27、28。传感器包括转动部件27和感 测部件28。此外，关节组件包括用于测量输出部件8相对于外罩26的转动的 第一转动传感器24A、25A和第二转动传感器24B和25B。传感器部件24A 和24B是转动的传感器部件。传感器部件25A和25B是实际的感测部件，即 静止部件。

由铁磁性钢制成的柔性齿轮13屏蔽了马达140的磁场，从而使其不会干 扰附近电子器件上的传感器25A、25B、28。由于柔性齿轮13因其包封马达 140而被允许是相当长的，这还允许在仍保留柔性齿轮13的同等柔性的同时 比通常情况厚些以在波发生器7附近成椭圆形。

关节组件的这种设计允许传感器25A、25B和28(例如磁场传感器)以及 磁极环24A、24B和27和/或转子磁体16彼此密封地定位，而无需利用动态 密封件来将上油的齿轮和马达隔室与清洁的感测元件隔室隔开。采用这种 方式，实现了在不使用快速旋转式密封件的情况下提供转子和关节输出装 置角位置感测***。特别地，有利的是，不需要在转子轴上设置动态密封 件。转子轴3在高速下转动，并且这样的动态密封件产生大量的热。所提供 的关节组件仅需要一个动态密封件39。如果电线被布置成穿过关节的中心， 则需要两个额外的橡胶垫环/静态密封件2来将齿轮箱/马达隔室与感测元 件/周围隔室隔开，同时仍允许对“关节转子”和“关节输出装置”位置的 测量。

在机器人关节中，期望知道“关节输出装置”和“关节转子”相对于 “关节壳体”的绝对角位置。通常，这些绝对位置可利用两个绝对式编码 器来获得，一个在“关节转子”上且一个在“关节输出装置”上。位置传感器 由磁场传感器和磁极环组成，所述位置传感器其低成本、能够在多油脂/ 多尘环境下工作的能力、并且能提供高分辨率并具有在“中空轴设计”中使 用它的可能性而受欢迎。磁极环是被磁化以沿其圆周具有多个磁极的环， 磁极间隔典型地在0.5mm与5mm之间，这导致在直径为50mm的磁极环的 圆周上具有30个至300个磁极。典型的磁极环的截面积是2mm乘2mm。磁 场传感器可能在一个极对内输出多个在一个极对内的绝对位置。本发明利 用绝对式编码器(其例如由图3和图9中看到的在“关节输出装置”上的两个 磁场传感器24A和24B和两个磁极环25A和25B组成以及增量式编码器，增 量式编码器由在“关节转子”上的一个磁场传感器28和一个磁极环27组成)。 本发明提出通过如此方式在老式的“关节转子”上使用绝对式编码器，即通 过利用已知“关节输出装置”的绝对位置和“关节输出装置”与“关节转子”之 间的传动比以比+/-0.5的转子磁极环对更高的精度计算“关节转子”的位置 的方式。之后利用转子附近的磁场传感器的绝对输出来找到在该极对内的 绝对位置。以这种方式，“关节输出装置”和“关节转子”两者的绝对位置已经利用一到两个的磁场传感器和比通常所需更少的磁极环找到。这取决于 转子磁体16自身是否用作磁极环。本领域技术人员将理解，磁极环可由铁 磁性齿结构代替，如果替代地，传感器侧具有磁体，则在磁场传感器附近 的磁体的磁场随齿位置变化。传感器也可以是磁体诱导装置，例如在铁磁 性结构中诱导变化的磁场的螺线管。此外，传感器可以是导电的齿结构。

图4A–4D示出由元件(50-58)组成的转子制动器30。由于图4A-4H以不 同视图和位置示出了转子制动器，因此，将会在这些附图中的至少一个中 找到附图标记。当电磁体57中的电力被切断或消失，转子制动器30便被致 动并接合。当电力消失时，弹簧55将铁磁性制动环54推动至与转子制动柱 50接合。抗转动环52与铁磁性制动环54之间的摩擦联接结构允许所述制动 器以受控的方式降低转子的速度(最终停止)。因此，这种摩擦联接结构被布置为摩擦离合器或摩擦制动器200。正时环51确保了制动器的致动仅在铁 磁性制动环54能与转子制动柱50完全接合时发生，即弹簧55推动制动器。 图4H是图4A的转动后的视图并且示出转子轴3沿箭头R1转动。转子制动柱 50的位置在其中因沿R1的转动而不能完全接合的位置。如果在该位置的制 动环54在弹簧55作用下突出，则制动环54将不会到达其完全突出位置，并 且因此将不会在制动柱50与制动环54之间建立完全接合。因此，正时环51 确保制动环54仅被弹簧向前推进至正时环51遇到制动柱50为止。图4B和图 4F示出被向前推进并在正时环51的边缘上滑动的制动柱50。当制动柱50在 正时环51的边缘上滑动时，制动环54被阻止在弹簧55作用下完全突出。然 而，当转子轴3继续转动，制动柱50将绕过正时环，并且因此将可能使制动 环54完全突出(见图4C和图4G)。转子轴3继续转动，但在短边缘51A上碰撞 正时环将导致正时环51径向向外弯曲并因此允许制动柱50进一步转动直至 它在制动环54的作用下最终停止。在本实施例中，制动环54包括凸起。制 动环54还可包括用于与转子制动柱50接合的凹部或槽。

图4D和图4H示出制动环54和制动柱50完全接合。正时环51被径向向外 弯曲并且因此允许制动环54能处于其完全突出位置。

在图4A-4H中，应理解，不是使弹簧55作用在非铁磁性推动件56上， 而是两个或更多个弹簧可作用在抗转动环52上。正时环51允许铁磁性制动 环54仅以比铁磁性制动环54所允许的角度间隔更有限的角度间隔运动至与 转子制动柱50接合。以这种方式，允许当制动环相对于转子制动柱50具有 足以用于确保转子制动柱50与制动环铁磁性制动环54之间的完全接合时开 始接合。正时环51在其与转子制动柱50碰撞时被径向向外弯曲，即远离转子制动柱50地弯曲。正时环51适于确保完全接合，但转子制动器30将能在 没有正时环51的情况下实现功能。作为正时环51的替代，转子制动器30的 另一个实施例可包括连接至包括扭力弹簧的铁磁性制动环54的构件。在致 动转子制动器后，扭力弹簧在从相对于铁磁性制动环54的中立扭力位置迫 压出时朝向转子制动柱50移动该构件。

图4E–4H示出与图4A–4D所示相同的步骤/位置，只是以不同的视角示 出。

图5和图6A和6B示出了输出制动器70的两个实施例。图5示出了处于分 离位置的输出制动器70。在大部分轻型机器人中使用的敏感元件是柔性齿 轮13，这是由于波传动齿轮的更高的比强度。形状类似于杯子的这一构件 必须薄以便足够柔软以如预期那样在齿轮箱中工作，并且它的其中一种失 效模式是它完全撕裂，从而允许输出装置完全自动转动。在用于与人类协 同工作的轻型机器人中，在齿轮箱的输入侧上工作的制动器与完全消除了 输入装置与输出装置之间的任何连接的齿轮箱失效模式之间的组合是一种 安全风险。如果载重10千克的机械手臂在人类工作人员的头部上方1米的高 度处，并且主关节齿轮箱坏掉，则该负载落在人类工作人员的头上可能导 致死亡。因此，提出仍是基于便宜构件但作用于齿轮箱的输出侧的制动器。 图5示出了输出制动器的一个实施例，其包括带齿的制动环65，并且当电磁 体57被释放时，弹簧60将输出制动器迫压至与致动销59的带齿部分啮合。 带齿的制动环65在转动上限制成仅允许相对于输出装置壳体23少量转动以 便使制动器不会制动的太突然。示出，制动环54包括倾斜区54A。倾斜区 54A可布置在非铁磁性制动环54的一区段中。当电磁体57释放其对制动环 54的固定时，弹簧60便将推动制动环54，并且因此，倾斜区54A将径向向 外推动致动销59并导致致动销59与带齿的制动环65啮合。在制动环54的倾 斜区54A径向向外推动致动销59之前，弹簧60B确保致动销59保持处于其分 离位置。

在图6A和6B中示出的实施例中，铁磁性制动环54的倾斜区54A正在电 磁体57被断电(或电力消失)时沿图中的向上方向即径向向外推动致动销59。 如果输出制动器负载较重，即关节组件承载着重的负载，则制动器销62无 法移动并且因此制动器无法脱离接合。在这种情况下，致动弹簧61将被完 全压缩。如果关节马达被致动以试图在两个方向中的任一方向稍微移动关 节输出装置壳体23，则致动弹簧61将会通过制动杆63将致动销59突然间分 离，因为在本发明的所有实施例中致动弹簧61比复位弹簧60B硬的多。制 动器可制成为不具有致动弹簧61，但这将需要电磁体57在试图在两个方向 上转动输出装置以允许致动销/制动销分离的整个时间间隔中通电。可以在 一个关节组件中设有多个输出制动器70。所有输出制动器均可通过同一铁 磁性制动环54致动。在图5所示的实施例中，制动杆63(未示出)和制动销 62(未示出)被结合成一个构件，即致动销59。在图6A和6B所示的实施例中， 制动力通过制动销62上的齿和带齿的制动盘65保持。输出制动器70的本实 施例需要以如此方式成形，使得每个制动销仅在一个方向上承受力矩。在 图5所示的另一实施例中，致动销59还用作制动销62，以直接接合带齿的制 动盘65。图6B是图6A的横截面视图，其示出位于铁磁性制动环54附近的致 动销60确保了当电磁体57(仅在图6A中示出)被通电时，致动销59被向下推 动，即从铁磁性环54的顶部起沿倾斜区54A向下推动。在又一些实施例中， 输出制动器70的摩擦联接结构可用带齿的柔性件代替。

图7示出了抗转动环52。抗转动环52例如在图3中示出用以提供用于转 子制动器的可调节的滑动***。环52围绕例如转子轴(未示出)被张紧至期 望水平。转动柱52A适于确保例如与马达壳体14(未示出，见图3)的完全非 滑动接合。看到，抗转动环52包括用于调节转动水平即在制动期间的滑动 的调节***52B。

图8示出了包括柔性件80的罩体26。柔性件80(仅三个被提供了附图标 记)有助于使罩体26的外周部分82可相对于罩体26的内部部分81成角度地 转动。以这种方式，实现了外周部分因例如通过向孔83施加转矩而施加至 罩体26的转矩而事实上相对于罩体内部部分81被扭力地转动。因此，当传 感器被放置在纵向孔84的每个端部中时，传感器将不同地测量，并从而确 定施加至罩体的转矩(见图3)。此类***典型地被称为绝对式编码器并且可 利用360度游标原理用作“关节输出装置”位置传感器。根据该原理，具有不 同数量的极对的两个或更多个磁极环和两个或更多个磁场传感器被用于从 传感器之间的输出之差来计算绝对位置。在本实施例中，绝对式“关节输出 装置”位置传感器也由磁极环和磁场传感器构建，磁场传感器输出在一个极 对内的多个位于一个极对内的绝对位置。如果柔性件的柔性明显小于对应 于一个极对的柔性，例如小于一个极对的10％，则在柔性件的每侧上的两 个磁场传感器的输出之差可用于计算柔性件中的转矩，只要柔性件的扭转 刚度是已知的。以这种方式，实现了组合的关节组件位置和转矩传感器系 统。

图9示出了关节组件设计的另一实施例，其中，马达140被放置成从输 出部件8延伸出。在本实施例中，马达壳体14被附接至输出部件8。定子15 附装至马达壳体14且转子磁体16附装至轴3。转子滚珠轴承分别相对于轴3 支承输出部件3和马达壳体14。由于关节组件的这种结构，转子转动传感器 的传感器部件28仍可布置在包括马达的空间之外。以这种方式，转子轴传 感器28被安装在马达壳体14中。看出，传感器24A、24B、25A和25B就位 于多尘区域之外，即在柔性齿轮的杯状部13B的下方并且在马达壳体14内 侧。两个传感器25A和25B与它们各自的磁极环24A和24B相对地布置。一 个磁极环24A(传感器的一部分)安装在罩体26上。当罩体26包括柔性件 80(未示出，见图8)时，实现能够测量罩体26相对于输出装置壳体23或输出 部件8的转矩。

图9B和图9C示出了关节组件的另一实施例。在图9B中，马达140被放 置成从输出部件8延伸出。在本实施例中，马达壳体14被附接至输出部件8。 定子15附装至马达壳体14且转子磁体16附装至轴3。转子滚珠轴承分别相对 于轴3支承输出部件8和马达壳体14。由于关节组件的这种结构，转子转动 传感器的传感器部件28仍可布置在包括马达的空间之外。以这种方式，转 子轴传感器28被安装在马达壳体14中。看出，传感器24A、24B、25A和25B就位于多尘区域之外，即在柔性齿轮的杯状部13B的下方并且在马达壳体 14内侧。两个传感器25A和25B与它们各自的磁极环24A和24B相对地布置。 一个磁极环24A安装在罩体26上。当壳体26包括柔性件80(未示出，见图8) 时，实现能够测量罩体26相对于输出装置壳体23或输出部件8的转矩。图9B 示出关节组件包括马达壳体14的延伸部，在该延伸部中布置有制动器。图 9B示出该制动器是与图9相比的附加的制动器，但是具有仅一个制动器的 实施例也同样可行。因此，在存在位于该延长的罩体中的制动器时，可省 掉基本上布置在柔性齿轮内侧的制动器。电磁体/螺线管57将制动器保持在 释放位置，并且在致动/激活后，制动环54将被推动至与转子制动柱50接合。 制动环可被弹簧或类似物(未示出)推动。抗转动环52和制动环54连接在一 起以提供摩擦离合器，即它们可在所受的力高于某一阈值时相对彼此滑动。 以这种方式，摩擦离合器起到提供部件间相对彼此的受控制动并因此降低在制动时对关节的影响的摩擦制动器。类似于图9中示出的实施例，图9B 示出了其中罩体26包括布置在延长的马达壳体中的转子转动传感器27、28。 传感器包括转动部件27和感测部件28。此外，关节组件包括用于测量输出 部件8相对于罩体26的转动的第一转动传感器24A、25A和第二转动传感器 24B和25B。传感器部件24A和24B是转动的传感器部件。传感器25A和25B 是感测部件，即转动传感器的静止部件。

图9C是高度示意的视图，从该视图中看出，输出装置壳体23可具有用 虚线标记的替代形状。以这种方式，实现了例如传感器24A和25A的测量是 位于外侧，而不是在柔性齿轮的杯状部13B的下方和在马达壳体14的内侧。 磁极环24A与传感器25A相对地布置，并且因此，一个磁极环24A仍安装在 罩体26上。在其中罩体更宽的本实施例中，轴承19被省掉并且代之以轴承 190。在本实施例中，输出制动器也可布置在轴承190附近。

在图9、图9B和图9C中示出的实施例彼此间是完全相兼容的，并且因 此，当这三个实施例的特征互换时(例如具有布置在马达壳体14的延伸部 中的制动器)也认为是很好的。

图10示出了输出装置壳体23切开的截面图。齿1010被示出。齿1010被 布置成用以提供与例如在图3、图5、图9或图11中示出的输出制动器70的 锁定啮合。

图11示出包括转子制动器30和输出制动器70的关节组件的一个实施 例。制动器***30、70均布置成以与根据图3和图5-6B描述的相似的方 式工作。然而，本实施例中存在的制动器具有垂直于纵向轴线101布置的 即相比于之前的实施例转动了90°的电磁体。此外，所示的实施例包括两 个输出制动器。所述两个制动器被机械地连接。以这种方式，进一步提高 了安全性。所述两个制动器通过两个电磁体来致动并且从而安全性被进一 步提高。这归因于这两个电磁体不太可能同时失效的事实。所述致动在这 样的意义上是一样的，即当制动器被致动时，不是电磁体被接通就是电力 被切断。这导致弹簧55、60朝向柱或齿推动制动部件。螺栓1101、1102 以使得关节组件尽可能紧凑的方式布置。螺栓头布置在组装的关节组件的 凹口1110中。转子制动器30布置在隔室1120中，隔室1120在沿纵向轴线101远离柔性齿轮的方向上远离输出部件延伸。

图12示出了关节组件的另一实施例。其示出转子制动器30布置在马 达壳体14内侧。

图13示出了图3的关节组件的一个特定的实施例，其包括行星齿轮。 行星齿轮1300布置在转子轴3和波发生器7之间。行星齿轮1300可直接 布置在波发生器7上且轴1302安装在输出部件8上。轴承1309和轴承1307 确保波发生器7保持就位。轴承1309、1307通过定距件1308以一定距离 间隔开并通过波发生器上的肩部和两个键1305、1306保持就位。行星齿轮 1300和波发生器通过借助锁定环1303附装的轴1302连接。行星齿轮1300 的齿轮1301与转子轴3的齿轮1304啮合。

尽管上面已经结合本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但在不 背离如下面的权利要求所限定的本发明的情况下可想到的若干变型对本领 域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (33)

1.一种用于机器人的关节组件，包括：

-与输出部件连接的罩体，所述罩体包括罩体壁部，

-应变波传动***，包括：

-波发生器，

-柔性齿轮，以及

-连接至所述输出部件的刚性齿轮，

其中，所述波发生器在转子轴的作用下转动，所述转子轴由电动马达驱动，所述电动马达包括转子磁体和定子，所述转子磁体附装至所述转子轴，其中，所述关节组件还包括：

-一个或多个传感器，其包括布置成测量所述输出部件相对于所述罩体的位置的一个或多个磁场传感器和一个或多个磁极环。

2.根据权利要求1所述的关节组件，其中，所述一个或多个传感器包括用于测量所述输出部件相对于所述罩体的转动的第一传感器。

3.根据权利要求2所述的关节组件，其中，所述第一传感器包括被分成多个区段的第一磁极环，并且其中所述应变波传动***的传动比不能被所述区段的数量整除。

4.根据权利要求3所述的关节组件，其中，所述多个区段具有相等的尺寸。

5.根据权利要求4所述的关节组件，其中，所述多个区段是三个各为120°的区段。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的关节组件，其中，所述一个或多个传感器包括用于测量所述转子轴的转动的转子传感器。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的关节组件，其中，所述一个或多个磁极环中的一个或多个包括10-500个、或20-400个、或30-300个极。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的关节组件，其中，所述一个或多个磁极环中的一个或多个为50mm的磁极环。

9.根据权利要求2-7中任一项所述的关节组件，其中，所述一个或多个传感器包括用于测量所述输出部件相对于所述罩体的转动的第二传感器。

10.根据权利要求9所述的关节组件，其中，所述罩体包括柔性件，所述柔性件有助于使所述罩体的外周部分能够相对于所述罩体的内部部分成角度地转动。

11.根据权利要求9-10中任一项所述的关节组件，其中，所述第一传感器测量所述输出部件相对于所述罩体在所述罩体的外周部分附近的转动，并且所述第二传感器测量所述输出部件相对于所述罩体在所述罩体的内部部分附近的转动。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的关节组件，其中，所述罩体包括纵向孔，并且所述第一传感器和所述第二传感器在所述纵向孔的相对的端部处测量所述输出部件相对于所述罩体的转动。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的关节组件，其中，所述一个或多个磁场传感器中的一个或多个被定位在所述罩体中的与所述柔性齿轮所处空间不同的空间中。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的关节组件，其中，所述罩体包括一个或多个盲孔，并且其中所述一个或多个磁场传感器中的一个或多个被定位在所述一个或多个盲孔中。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的关节组件，其中，所述柔性齿轮由铁磁性钢制成。

16.根据权利要求1所述的关节组件，其中，所述关节组件包括布置在所述转子轴与所述波发生器之间的行星齿轮。

17.一种用于机器人的关节组件，包括：

-与输出部件连接的罩体，所述罩体包括罩体壁部，

-应变波传动***，包括：

-波发生器，

-柔性齿轮，以及

-连接至所述输出部件的刚性齿轮，

其中，所述波发生器在转子轴的作用下转动，所述转子轴由电动马达驱动，所述电动马达包括转子磁体和定子，所述转子磁体附装至所述转子轴，其中，所述关节组件还包括：

-转子制动器，所述转子制动器被构造成停止或阻止所述转子轴与所述柔性齿轮之间的相对运动。

18.根据权利要求17所述的关节组件，其中，所述转子制动器包括摩擦离合器或摩擦制动器，用于在所述转子制动器制动时使所述关节组件上的冲击最小化。

19.根据权利要求17-18中任一项所述的关节组件，其中，所述转子制动器是弹簧加载的。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的关节组件，其中，制动弹簧由非铁磁性材料制成。

21.根据权利要求17-20中任一项所述的关节组件，还包括输出制动器，所述输出制动器被构造成停止或阻止所述输出部件的转动。

22.根据权利要求21所述的关节组件，其中，所述输出制动器被构造成即使所述柔性齿轮被破坏也停止或阻止所述输出部件的转动。

23.根据权利要求17-22中任一项所述的关节组件，其中，所述转子制动器包括正时环，并且其中，所述正时环确保在预定的角位置处启动所述转子制动器。

24.一种用于机器人的关节组件，包括：

-与输出部件连接的罩体，所述罩体包括罩体壁部，

-应变波传动***，包括：

-波发生器，

-柔性齿轮，以及

-连接至所述输出部件的刚性齿轮，

其中，所述波发生器在转子轴的作用下转动，所述转子轴由电动马达驱动，所述电动马达包括转子磁体和定子，所述转子磁体附装至所述转子轴，其中，所述关节组件还包括：

-传感器，其被布置成测量所述输出部件相对于所述罩体的位置。

25.根据权利要求24的关节组件，其中，所述传感器包括用于测量输出部件相对于罩体的转动的第一传感器和第二传感器。

26.根据权利要求25的关节组件，其中，所述罩体包括柔性件，所述柔性件有助于使所述罩体的外周部分能够相对于所述罩体的内部部分成角度地转动。

27.根据权利要求24-26中任一项所述的关节组件，其中，所述第一传感器测量所述输出部件相对于所述罩体在所述罩体的外周部分附近的转动，并且所述第二传感器测量所述输出部件相对于所述罩体在所述罩体的内部部分附近的转动。

28.根据权利要求24-27中任一项所述的关节组件，其中，所述罩体包括纵向孔，并且所述第一传感器和所述第二传感器在所述纵向孔的相对的端部处测量所述输出部件相对于所述罩体的转动。

29.一种用于机器人的关节组件，包括：

-与输出部件连接的罩体，所述罩体包括罩体壁部，

-应变波传动***，包括：

-波发生器，

-柔性齿轮，以及

-连接至所述输出部件的刚性齿轮，

其中，所述波发生器在转子轴的作用下转动，所述转子轴由电动马达驱动，所述电动马达包括转子磁体和定子，所述转子磁体附装至所述转子轴，其中，所述关节组件还包括：

-空气填充的外皮，

其中所述空气填充的外皮中的压力被测量以检测碰撞。

30.根据权利要求29所述的关节组件，其中，所述空气填充的外皮是包括空气填充的空腔的聚合物，并且其中所述空气填充的空腔被气动地连接。

31.根据权利要求29-30中任一项所述的关节组件，其中，所述空气填充的外皮的外表面是基本上密封的并且不透空气。

32.一种包括根据权利要求1-31中任一项所述的关节组件的机器人臂。

33.根据权利要求1-31中任一项所述的关节组件的用于执行机器人臂的旋转运动的用途。

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