TWM619741U - 扭力感測器及機器人的關節致動器 - Google Patents

Abstract

一種扭力感測器，用以感測關節致動器產生或接收的扭矩。扭力感測器包括內環、外環、多個幅狀橋接部、多個過負載結構與多個應變感測單元。內環與外環彼此同軸線設置且相互分離，扭矩使內環與外環以軸線為基準而相對旋轉。幅狀橋接部間隔設置且各幅狀橋接部沿徑向連接在內環與外環之間，各幅狀橋接部具有至少一凹陷。各過負載結構從內環沿徑向朝外環延伸且與外環之間存在至少一間隙。應變感測單元分別設置於幅狀橋接部。當扭矩小於預設值，過負載結構與外環維持間隙，當扭矩大於或等於預設值，過負載結構抵接外環。另揭露機器人的關節致動器。

Description

扭力感測器及機器人的關節致動器

本新型創作是有關於一種扭力感測器與致動器，且特別是扭力感測器及機器人的關節致動器。

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工的使用，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、開動等動作。

著眼於工業機器人的關節致動器，其特別重視機器人對於力的控制與回饋，因此在其中加入對應的扭力感測器或應變規等元件便成為不可避免的。但在現有的扭力感測器或應變規中，其結構剛性往往是與應變（扭力）感測能力互成對比，因此如何從中取得較佳效果，便成為本領域的技術人員所需思考的課題。

本“先前技術”只是用來幫助了解本新型創作內容，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新型創作一個或多個實施例所要解決的問題，在本新型創作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。

本新型創作提供一種扭力感測器與機器人的關節致動器，其中扭力感測器以過負載結構而能分階段承載扭矩，並據以提高結構剛性與感測精度。

本新型創作的扭力感測器，設置於關節致動器，用以感測關節致動器所產生或所接收的扭矩。扭力感測器包括內環、外環、多個幅狀橋接部、多個過負載結構以及多個應變感測單元。內環與外環彼此同以軸線為中心設置且相互分離，扭矩使內環與外環以該軸線為基準產生相對旋轉。幅狀橋接部間隔設置且各幅狀橋接部沿徑向連接在內環與外環之間，每一個幅狀橋接部具有至少一凹陷。過負載結構分別從內環沿徑向朝向外環延伸，且每一個過負載結構與外環之間存在至少一間隙。應變感測單元分別設置於幅狀橋接部。當扭矩小於預設值時，過負載結構與外環維持間隙，當扭矩大於或等於預設值時，過負載結構抵接至外環。

本新型創作的機器人的關節致動器，包括驅動裝置、驅動軸、減速機與扭力感測器。驅動軸連接驅動裝置，驅動裝置用以驅動驅動軸轉動。減速機包括動力輸入件及動力輸出件，分別套設於驅動軸，其中動力輸入件配置於驅動軸與動力輸出件之間。扭力感測器包括內環、外環、多個幅狀橋接部、多個過負載結構與多個應變感測單元。內環與外環同以驅動軸的軸線為中心設置且相互分離，內環鎖附至動力輸出件。扭力感測器用以感測關節致動器所產生或所接收的扭矩，而使內環與外環以該軸線為基準產生相對旋轉。幅狀橋接部間隔設置且各幅狀橋接部沿徑向連接在內環與外環之間，每一個幅狀橋接部具有至少一凹陷。過負載結構分別從內環沿徑向朝向外環延伸，且每一個過負載結構與外環之間存在至少一間隙。應變感測單元分別設置於幅狀橋接部。當扭矩小於預設值時，過負載結構與外環維持間隙，當扭矩大於或等於預設值時，過負載結構抵接至外環。

在本新型創作的一實施例中，上述的間隙位於所述相對旋轉的切線方向。

在本新型創作的一實施例中，上述的過負載結構抵接至外環時，扭力感測器在過負載結構處的剛性大於在幅狀橋接部的剛性。

在本新型創作的一實施例中，上述的各幅狀橋接部於該軸線的方向上具有相對的第一表面及第二表面，該凹陷位在該第一表面或該第二表面。

在本新型創作的一實施例中，上述的各幅狀橋接部於該軸線的方向上具有相對的第一表面及第二表面，各幅狀橋接部具有一對凹陷，分別位於各幅狀橋接部的第一表面及第二表面。

在本新型創作的一實施例中，上述的外環具有對應過負載結構之凹入部，各過負載結構具有沿徑向的突出部，過負載結構的突出部分別位於外環的凹入部內。

在本新型創作的一實施例中，在上述的內環與外環以該軸線為基準產生相對旋轉時，外環的局部結構位於過負載結構的移動路徑上。

在本新型創作的一實施例中，上述的過負載結構與內環是一體結構，或者過負載結構與內環是兩個獨立結構。

在本新型創作的一實施例中，上述的應變感測單元分別設置於幅狀橋接部的凹陷旁，各凹陷致使各幅狀橋接部具有沿軸線的最小厚度。

在本新型創作的一實施例中，上述的扭力感測器呈單片盤形支架（monolithic disk-shaped mount）。

基於上述，應用於機器人的關節致動器內的扭力感測器，其在內環與外環之間形成過負載結構，並使過負載結構從內環朝外環延伸並與外環存在至少一間隙，據以因應關節致動器所產生或接收的扭矩。進一步地說，過負載結構能讓扭力感測器分階段地承受不同扭矩，當扭矩小於預設值時，過負載結構與外環維持間隙，而當扭矩大於或等於預設值時，讓過負載結構移動所述間隙而抵接至外環，以藉由結構抵接而進一步地提高扭力感測器的整體結構剛性，並因此提高扭力感測器的感測範圍與適用性。

有關本新型創作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新型創作。

圖1是本新型創作實施例的機器人的關節致動器的示意圖。圖2是圖1的關節致動器的剖視圖。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，本實施例的關節致動器10包括驅動裝置200、驅動軸300、減速機500、殼體400、雙編碼器700與扭力感測器100。驅動軸300連接驅動裝置200，驅動裝置200例如是無框馬達，位於雙編碼器700及減速機500之間，驅動裝置200用以驅動驅動軸300轉動。驅動裝置200、驅動軸300、減速機500與雙編碼器700設置於殼體400內。扭力感測器100的至少局部設置於殼體400內且連接減速機500，雙編碼器700連接驅動軸300。扭力感測器100、減速機500、驅動裝置200及雙編碼器700沿一軸線L1依序套設於驅動軸300上。

減速機500包括動力輸入件510及動力輸出件520，分別套設於驅動軸300，動力輸入件510例如是帽型柔輪，動力輸出件520例如是剛輪，其中動力輸入件510配置於驅動軸300與動力輸出件520之間。扭力感測器100連接於動力輸出件520。藉由動力輸入件510與動力輸出件520之間的減速比可對驅動軸300進行減速。減速機500之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。

此外，驅動軸300包括同軸設置的輸入軸310及輸出軸320，輸入軸310套設於輸出軸320外側，驅動裝置200例如是連接輸入軸310，用以驅動輸入軸310以軸線L1為中心軸轉動。輸入軸310的一端連接於減速機500的動力輸入件510（相當於連接至驅動裝置200），輸出軸320的一端連接於動力輸出件520。再者，由於扭力感測器100如上述連接於輸出端的動力輸出件520(例如剛輪)，而非連接於內部的動力輸入件510，故扭力感測器100與減速機500相連接之結構設計可較為簡化。

基於上述，本實施例的關節致動器10除了可利用扭力感測器100對關節致動器10的輸出端進行力的感測，更可利用雙編碼器700對關節致動器10的輸入端及輸出端的位移進行感測，且因雙邊碼器700與扭力感測器100相互耦接而可整合前述位移感測訊號及力感測訊號，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。

再者，如圖1所示，本實施例的機器人的機械手臂20包括連接件600，關節致動器10的扭力感測器100透過連接件600連接機器人的機器手臂20。據此，來自機器手臂20的外力透過連接件600而傳遞至扭力感測器100，以讓本實施例的扭力感測器100也能據以感測對應於此外力的扭力。

圖3A是本新型創作的扭力感測器的示意圖。圖3B是圖3A的扭力感測器的幅狀橋接部放大示意圖。圖4是圖3A的扭力感測器的前視圖。請同時參考圖2至圖4，在本實施例中，扭力感測器100是呈現單片盤形支架（monolithic disk-shaped mount），其包括內環110、外環120、多個幅狀橋接部130、多個過負載結構140與多個應變感測單元150。內環110與外環120為兩個相互分離的同心環且以驅動軸300的軸線L1為中心設置，內環110以鎖附件P1搭配其鎖附孔111而得以鎖附至減速機500的動力輸出件520。外環120則與機器人的機器手臂20連接。扭力感測器100用以感測關節致動器10所產生或所接收的扭矩，而使內環110與外環120以軸線L1為基準產生相對旋轉。幅狀橋接部130間隔地環繞驅動軸300的軸線L1設置，且各幅狀橋接部130沿徑向（背離驅動軸300及軸線L1）由內環110延伸至外環120，並連接在內環110與外環120之間。更詳細的說明，各幅狀橋接部130的兩端分別連接在內環110與外環120。

每一個幅狀橋接部130具有至少一凹陷131。過負載結構140分別從內環110沿徑向朝向外環120延伸，且每一個過負載結構140與外環120之間存在至少一間隙G1。應變感測單元150分別設置於幅狀橋接部130。當扭矩小於預設值時，過負載結構140與外環120維持間隙G1，當扭矩大於或等於預設值時，過負載結構140抵接至外環120。

進一步地說，由於內環110與外環120是以軸線L1為基準進行相對旋轉（也可視為扭轉），因此上述間隙G1實質上是存在於所述相對旋轉的切線方向。需說明的是，本實施例的過負載結構140與內環110例如是一體結構，外環120具有對應過負載結構140之凹入部121，且各凹入部121為由外環120的內壁沿徑向朝遠離軸心方向凹入所形成，其中外環120的內壁朝向內環110。各過負載結構140具有沿徑向朝遠離軸心方向延伸的突出部141，過負載結構140的突出部141分別位於外環120的凹入部121內。在上述的內環110與外環120以軸線L1為基準產生相對旋轉時，外環120的局部結構位於過負載結構140的移動路徑上。換言之，本實施例的過負載結構140與外環120之間是以所述相對旋轉而呈類互補輪廓，以利於在旋轉時的切線方向能讓彼此相互抵靠在一起。於其他實施例中，過負載結構140與內環110例如是兩個獨立結構，透過緊配、鎖附或黏合等方式組合在一起，並使過負載結構140與外環120維持間隙G1。

再者，當扭矩超過預設值而使過負載結構140的突出部141抵接至外環120的凹入部121時，扭力感測器100在過負載結構140處的剛性大於在幅狀橋接部130的剛性，據以讓此狀態的扭力感測器100是以過負載結構140抵接於外環120而形成用以承載主要扭矩的新結構，因而得以提高扭力感測器100的負載能力與可靠度，並因此避免幅狀橋接部130處的應變感測單元150因無法負載過大扭矩而失效。

另一方面，本實施例的各幅狀橋接部130於軸線L1的方向上具有相對的第一表面S1及第二表面S2，其中凹陷131是位在第一表面S1或第二表面S2（本實施例的凹陷131是位於第一表面S1）。上述的凹陷131致使各幅狀橋接部130具有沿軸線L1的最小厚度。此舉讓幅狀橋接部130得以產生明顯的應變，而有利於配置其上的應變感測單元150，並因此提升其感測靈敏度。更詳細的說明，各應變感測單元150是相鄰配置於凹陷131旁，例如各幅狀橋接部130具有連接第一表面S1及第二表面S2的兩側面S3、S4 (如圖3B所示)，則應變感測單元150是配置於兩側面S3、S4或其中之一，且位於凹陷131旁。於本實施例中，各凹陷131位於其對應的幅狀橋接部130的中央處。於其他實施例，凹陷也可以設置於其對應的幅狀橋接部130的非中央處，例如可設置於較靠近外環120或較靠近內環110。

當然，在另一未繪示的實施例但可參考本實施例的圖2與圖3，各幅狀橋接部130於軸線L1的方向上具有相對的第一表面S1及第二表面S2，而各幅狀橋接部130具有一對凹陷131，分別位於各幅狀橋接部130的第一表面S1及第二表面S2。需說明的是，設計者可依據關節致動器10的出力需求或使用環境，而據以調整凹陷131的形狀與程度（即幅狀橋接部130沿軸線L1方向的厚度），以讓扭力感測器100能兼具所需的結構剛性與感測能力。

圖5與圖6繪示現有扭力感測器與本實施例扭力感測器的負載曲線示意圖，其中圖5繪示現有扭力感測器，而圖6繪示本實施例的扭力感測器100，圖式中橫軸代表所施加（或接收）的扭矩（單位N-m），而縱軸為所對應的扭矩對扭力感測器所產生的結構最大應力（單位MPa）。比較圖5及圖6可清楚得知，本實施例的扭力感測器100因存在過負載結構140，進而當扭矩大於或等於預設值（在此為118MPa）時，其仍有足夠的結構剛性作為支撐，因此如圖6所示，其在扭矩接近150Nm時，所對應產生的結構應力尚為158MPa。反觀圖5，現有扭力感測器不存在過負載結構140，故而同樣在扭矩接近150Nm時，已能對其產生高達298MPa的結構應力。由此可明顯得知本實施例採用過負載結構140所產生的效果。

綜上所述，在本新型創作的上述實施例中，應用於機器人的關節致動器內的扭力感測器，其在內環與外環之間形成過負載結構，並使過負載結構從內環朝外環延伸並與外環存在至少一間隙，據以因應關節致動器所產生或接收的扭矩。

在實施例中，過負載結構是從內環延伸出的突出部，而外環具有對應的凹陷，因而當內環與外環產生相對旋轉時，突出部與凹陷會在切線方向產生抵接。進一步地說，過負載結構能讓扭力感測器分階段地承受不同扭矩，當扭矩小於預設值時，過負載結構與外環維持間隙，而當扭矩大於或等於預設值時，讓過負載結構移動所述間隙而抵接至外環，據以讓此時的扭矩能平均分佈於內環與外環。

如此，對於幅狀橋接部而言，也正因上述扭矩超出預設值時是由過負載結構作為承載主要扭矩之用，因此設置在幅狀橋接部上的應變感測單元得以順利地量測幅狀橋接部的應變，而毋須擔心負載過大而造成失效。

上述特性使本新型創作的扭力感測器將能進一步地提高整體結構剛性、感測能力與適用性。

惟以上所述者，僅為本新型創作之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型創作實施之範圍，即大凡依本新型創作申請專利範圍及新型創作說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型創作專利涵蓋之範圍內。另外本新型創作的任一實施例或申請專利範圍不須達成本新型創作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，並非用來限制本新型創作之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的“第一”、“第二”等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:關節致動器 20:機器手臂 100:扭力感測器 110:內環 111:鎖附孔 120:外環 121:凹入部 130:幅狀橋接部 131:凹陷 140:過負載結構 141:突出部 150:應變感測單元 200:驅動裝置 300:驅動軸 310:輸入軸 320:輸出軸 400:殼體 500:減速機 510:動力輸入件 520:動力輸出件 600:連接件 700:雙編碼器 G1:間隙 L1:軸線 P1:鎖附件 S1:第一表面 S2:第二表面 S3、S4:側面

圖1是本新型創作實施例的機器人的關節致動器的示意圖。 圖2是圖1的關節致動器的剖視圖。 圖3A是本新型創作的扭力感測器的示意圖。 圖3B是圖3A的扭力感測器的幅狀橋接部放大示意圖。 圖4是圖3A的扭力感測器的前視圖。 圖5與圖6繪示現有扭力感測器與本實施例扭力感測器的負載曲線示意圖。

100:扭力感測器

110:內環

111:鎖附孔

120:外環

121:凹入部

130:幅狀橋接部

131:凹陷

140:過負載結構

141:突出部

150:應變感測單元

G1:間隙

L1:軸線

S1:第一表面

S2:第二表面

Claims (20)

1. 一種扭力感測器，設置於一關節致動器，用以感測該關節致動器所產生或所接收的扭矩，該扭力感測器包括：一內環、一外環、多個幅狀橋接部、多個過負載結構以及多個應變感測單元；其中， 該內環與該外環彼此以同一軸線為中心設置且相互分離，所述扭矩使該內環與該外環以該軸線為基準產生相對旋轉； 該些幅狀橋接部間隔設置且各該些幅狀橋接部沿徑向連接在該內環與該外環之間，且每一個該些幅狀橋接部具有至少一凹陷； 該些過負載結構分別從該內環沿該徑向朝向該外環延伸，且每一個該些過負載結構與該外環之間存在至少一間隙；以及 該些應變感測單元分別設置於該些幅狀橋接部， 其中當所述扭矩小於一預設值時，該些過負載結構與該外環維持該間隙，當所述扭矩大於或等於該預設值時，該過負載結構抵接至該外環。
2. 如請求項1所述的扭力感測器，其中該間隙位於所述相對旋轉的切線方向。
3. 如請求項1所述的扭力感測器，其中在該些過負載結構抵接至該外環時，該扭力感測器在該些過負載結構處的剛性大於在該幅狀橋接部的剛性。
4. 如請求項1所述的扭力感測器，其中各該些幅狀橋接部於該軸線的方向上具有相對的第一表面及第二表面，該凹陷位在該第一表面或該第二表面。
5. 如請求項1所述的扭力感測器，其中各該些幅狀橋接部於該軸線的方向上具有相對的第一表面及第二表面，各該些幅狀橋接部具有一對凹陷，分別位於各該些幅狀橋接部的該第一表面及該第二表面。
6. 如請求項1所述的扭力感測器，其中該外環具有對應該些過負載結構之凹入部，各該些過負載結構具有沿該徑向的突出部，該些過負載結構的該些突出部分別位於該外環的該些凹入部內。
7. 如請求項1所述的扭力感測器，其中在該內環與該外環以該軸線為基準產生相對旋轉時，該外環的局部結構位於該過負載結構的移動路徑上。
8. 如請求項1所述的扭力感測器，其中該些過負載結構與該內環是一體結構，或者該些過負載結構與該內環是兩個獨立結構。
9. 如請求項1所述的扭力感測器，其中該些應變感測單元分別設置於該些幅狀橋接部的該些凹陷旁，各該凹陷致使各該些幅狀橋接部具有沿該軸線的最小厚度。
10. 如請求項1所述的扭力感測器，其中該扭力感測器呈單片盤形支架（monolithic disk-shaped mount）。
11. 一種機器人的關節致動器，包括： 一驅動裝置； 一驅動軸，連接於該驅動裝置，該驅動裝置用以驅動該驅動軸轉動； 一減速機，包括一動力輸入件及一動力輸出件，分別套設於該驅動軸，其中該動力輸入件配置於該驅動軸與該動力輸出件之間；以及 一扭力感測器，包括：一內環、一外環、多個幅狀橋接部、多個過負載結構以及多個應變感測單元；其中， 該內環與該外環彼此以同該驅動軸的軸線為中心設置且相互分離，該內環鎖附至該動力輸出件，該扭力感測器用以感測該關節致動器所產生或所接收的扭矩，而使該內環與該外環以該軸線為基準產生相對旋轉； 該些幅狀橋接部間隔設置且各該些幅狀橋接部沿徑向連接在該內環與該外環之間，且各該些幅狀橋接部具有至少一凹陷；以及 該些過負載結構分別沿該徑向從該內環朝向該外環延伸，且每一個該些過負載結構與該外環之間存在至少一間隙；以及 該些應變感測單元分別設置於該些幅狀橋接部，其中當所述扭矩小於一預設值時，該些過負載結構與該外環維持該間隙，當所述扭矩大於或等於該預設值時，該些過負載結構抵接至該外環。
12. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中該間隙位於所述相對旋轉的切線方向。
13. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中在該些過負載結構抵接至該外環時，該扭力感測器在該些過負載結構處的剛性大於在該些幅狀橋接部的剛性。
14. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中各該些幅狀橋接部於該軸線的方向上具有相對的第一表面及第二表面，該凹陷位在該第一表面或該第二表面。
15. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中各該些幅狀橋接部於該軸線的方向上具有相對的第一表面及第二表面，各該幅狀橋接部具有一對凹陷，分別位於各該些幅狀橋接部的該第一表面及該第二表面。
16. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中該外環具有對應該些過負載結構之凹入部，各該些過負載結構具有沿該徑向的突出部，該些過負載結構的該些突出部分別位於該外環的該些凹入部內。
17. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中在該內環與該外環以該軸線為基準產生相對旋轉時，該外環的局部結構位於該過負載結構的移動路徑上。
18. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中該過負載結構與該內環是一體結構。
19. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中該些應變感測單元分別設置於該些幅狀橋接部的該些凹陷旁，各該凹陷致使各該些幅狀橋接部具有沿該軸線的最小厚度。
20. 如請求項11所述機器人的關節致動器，其中該扭力感測器呈單片盤形支架。

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