專利名稱：一體化旋轉關節和確定一體化旋轉關節零位的方法
技術領域：
本發明涉及機器人領域，具體地，設計一種用于機器人的一體化旋轉關節和該一體化旋轉關節的控制方法。
背景技術：
“一體化關節設計”是機器人技術發展的一個新方向，是設計和建立機器人系統的一種現代方法。隨著機器人的種類和復雜性的日益增加，對關節一體化研究提高了機器人結構的通用性、可重用性和可靠性，具有較高的使用價值和應用前景。現有的一體化關節包括驅動電機、控制器、減速器、編碼器和制動器，不能測量關節的輸出力矩，由此類一體化關節構建的機器人很難實現高精度的力控制和與環境的穩定接觸。
發明內容
本發明的目的在于提供一種一體化旋轉關節和該一體化旋轉關節的控制方法，該一體化旋轉關節中具有力覺測量的功能。為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供一種一體化旋轉關節，該一體化旋轉關節包括殼體、設置在該殼體內的關節主體、關節輸出軸和控制器，所述關節主體包括電機和與該電機相連的減速器，該減速器的減速器輸出軸與所述關節輸出軸相連，所述電機與所述控制器電連接，其中，所述關節主體還包括力矩傳遞傳感裝置，該力矩傳遞傳感裝置連接在所述減速器和所述關節輸出軸之間，以將所述減速器輸出的力矩傳遞給所述關節輸出軸并測量該關節輸出軸輸出的力矩。優選地，所述力矩傳遞傳感裝置包括彈性模塊單元和彈性形變測量單元，所述彈性模塊單元包括輸入件、輸出塊和連接所述輸入件和所述輸出塊的彈簧，所述減速器與所述輸入件相連，所述輸出塊與所述彈性形變測量單元連接，且所述輸出塊與所述關節輸出軸連接。優選地，所述輸入件包括底壁和環繞該底壁設置的側壁，所述減速器輸出軸與所述底壁相連，所述彈簧設置在所述側壁上，以使所述輸出塊位于所述側壁和所述底壁圍成的空間內。優選地，所述輸入件的側壁上設置有多個連接塊，該多個連接塊沿所述輸入件的周向均勻分布，所述輸出塊包括多個輸出輻，該多個輸出輻沿所述輸入件的周向均勻分布，且每個所述輸出輻位于相鄰兩個所述連接塊之間，所述彈簧連接相鄰的所述輸出輻和所述連接塊。優選地，所述減速器為諧波減速器，該諧波減速器包括杯形柔輪，該杯形柔輪固定在所述減速器輸出軸上，該減速器輸出軸與所述輸入件的所述底壁相連。優選地，所述輸入件的所述底壁上設置有第一通孔，所述輸出塊的中部設置有與所述第一通孔同軸的第二通孔，所述減速器輸出軸穿過所述第一通孔，并通過軸承支撐在所述第二通孔中。優選地，弾性形變測量単元為增量式編碼器，該彈性形變測量単元包括第一基座、第一碼盤、第一電路板以及設置在該第一電路板上的第一發射器，所述第一碼盤設置在所述第一基座內部，所述第一基座與 所述輸出塊相連，所述第一碼盤與所述減速器輸出軸相連，且所述第一電路板與所述控制器電連接，所述第一發射器設置在所述第一基座上，且所述第一發射器與所述第一碼盤上Z脈沖信號的位置相鄰。優選地，該一體化旋轉關節還包括與所述減速器輸出軸連接的減速器角度測量單元，該減速器角度測量單元與所述控制器電連接。優選地，所述減速器角度測量單元為增量式編碼器，該減速器角度測量單元包括第二基座、第二碼盤、第二電路板和設置在該第二電路板上的第二發射器，所述第二碼盤設置在所述第二基座內部，且所述第二基座與所述殼體相連，所述第二碼盤與所述減速器輸出軸相連，所述第二發射器設置在所述基座上。優選地，所述電機為無框無刷電機，所述電機的中心軸內形成有沿該中心軸延伸的第一中心孔，所述減速器輸出軸的一部分穿過所述第一中心孔延伸至所述殼體外部，所述減速器角度測量單元設置在所述減速器輸出軸位于所述殼體外部的部分上。優選地，所述減速器輸出軸包括同軸連接的第一減速器輸出軸和第二減速器輸出軸，所述第一減速器輸出軸穿過所述第一中心孔，所述第二減速器輸出軸與所述輸入件相連。優選地，所述第一減速器輸出軸內形成有沿該第一減速器輸出軸的軸向延伸的第ニ中心孔，所述彈性形變測量単元的電源線與數據線穿過所述第二中心孔與所述控制器電連接。優選地，所述關節主體還包括安裝板，該安裝板設置在所述第二減速器輸出軸上，該安裝板的一個端面與所述輸出塊相連，所述彈性形變測量単元和所述輸出軸均與所述安裝板的另ー個端面相連。優選地，所述關節輸出軸包括軸本體，該軸本體的一端設置有連軸部，該連軸部中形成有開ロ朝向所述安裝板的空腔，所述連軸部與所述安裝板固定相連，所述第二減速器輸出軸延伸至所述空腔內部，所述彈性形變測量單元設置在所述空腔內，且所述第一碼盤與所述第二減速器輸出軸相連，所述第一基座與所述輸出塊相連。優選地，所述第二減速器輸出軸內形成有沿該第二減速器輸出軸的軸向延伸的第三中心孔，所述彈性形變測量単元的電源線和數據線穿過所述第三中心孔進入所述第二中心孔。作為本發明的另ー個方面，還提供一種一體化旋轉關節的控制方法，該一體化旋轉關節為本發明所提供的上述一體化旋轉關節，其中，所述控制方法包括以下步驟旋轉所述一體化旋轉關節旋轉，直至所述カ矩傳遞傳感裝置檢測到該カ矩傳遞傳感裝置的零位為止。優選地，所述步驟一包括轉動所述關節輸出軸，直至所述第一電路板檢測到所述弾性形變測量単元的Z脈沖信號為止。優選地，所述控制方法還包括步驟ニ、確定所述一體化旋轉關節的初始位置。
優選地，所述步驟ニ包括以下步驟對所述一體化旋轉關節通電后，向任意方向轉動所述減速器輸出軸，直至所述第ニ電路板檢測到所述減速器角度測量單元的Z脈沖信號為止。優選地，所述步驟ニ包括以下步驟步驟(I)、對所述一體化旋轉關節通電后,讓該一體化旋轉關節向任意方向轉動，直至所述第二電路板檢測到所述減速器角度測量單元的U脈沖信號、V脈沖信號和W脈沖信號中的任意一者為止；步驟(2)、朝向距離所述減速器角度測量單元的Z脈沖信號較近的方向轉動所述一體化旋轉關節，直至所述第二電路板檢測到所述Z脈沖信號為止。本發明所述的一體化旋轉關節中設置了カ矩傳遞傳感裝置，能夠感知該一體化旋 轉關節輸出的カ矩，擴大了所述一體化旋轉關節的應用范圍。
附圖是用來提供對本發明的進ー步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式
一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中圖I是本發明所述的一體化旋轉關節的結構示意圖；圖2是圖I中所示的一體化旋轉關節的關節主體的示意圖；圖3是圖I中所示的一體化旋轉關節中的弾性模塊單元的立體圖；圖4是圖3中所示的彈性模塊單元的主視圖；圖5是圖3中所示的彈性模塊單元的輸出塊的主視6是圖4中所示的彈性模塊單元的剖視圖；圖7是圖I中所示的一體化旋轉關節中彈性模塊單元與關節輸出軸之間的連接關系的不意圖；圖8是圖I中所示的一體化旋轉關節中的弾性形變測量単元的示意圖；圖9是圖I中所示的一體化旋轉關節的安裝板的立體示意圖；圖10是圖I中所示的一體化旋轉關節的關節輸出軸的主剖視圖；圖11是圖I中所示的一體化旋轉關節的電機的主剖視圖；和圖12是圖I中所示的一體化旋轉關節的減速器的主剖視圖。附圖標記說明10 殼體20 關節主體21 電機22 減速器23 カ矩傳遞傳感裝置 24 彈性模塊單元25 彈性形變測量單元 26 關節輸出軸27 減速器角度測量單元 28 安裝板30 控制器21a 中心軸22a 杯形柔輪22b 剛輪22c 波發生器22d 第一減速器輸出軸22e 第二減速器輸出軸 24a 輸入件24b 輸出塊24c 彈簧
24d連接塊24e輸出輻25a第一基座25b第一電路板25c第一碼盤25d第一發射器26a空腔26b連軸部26c軸本體28a輸出塊連接孔28b輸出軸連接孔28c彈性形變測量單元安裝孔
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式
僅用于說明和解釋本發明，并不用干限制本發明。 如圖I所示，本發明提供ー種一體化旋轉關節，該一體化旋轉關節包括殼體10、設置在該殼體10內的關節主體20、關節輸出軸26和控制器30，關節主體20包括電機21和與該電機21相連的減速器22，該減速器22的減速器輸出軸與關節輸出軸26相連，其中，關節主體20還包括カ矩傳遞傳感裝置23，該カ矩傳遞傳感裝置23連接在減速器22和關節輸出軸26之間，以將減速器22輸出的力矩傳遞給關節輸出軸26并測量關節輸出軸26輸出的カ矩。從上述描述中可以知道，カ矩傳遞傳感裝置23的功能主要有兩個一、將減速器輸出的力矩傳遞給關節輸出軸；ニ、測量關節輸出軸26輸出的カ矩。電機21經減速器22減速后輸出較大的カ矩，連接在減速器22和關節輸出軸26之間的カ矩傳遞傳感裝置23將カ矩傳遞給關節輸出軸26，并同時測得該力矩傳遞傳感裝置23傳遞的カ矩。應當理解的是，傳遞給關節輸出軸26的カ矩與該關節輸出軸26輸出的力矩是相同的。與關節輸出軸26相連的便是下ー節關節。在一體化旋轉關節中設置カ矩傳遞傳感裝置，可以傳遞并測量カ矩，從而可以使本發明所述的一體化旋轉關節可以應用于有力覺感知要求的機器人領域(例如，各種服務類機器人)。測得關節輸出軸26輸出的カ矩后，弾性形變測量単元25將信號傳遞給控制器30，操作者可以根據該カ矩對安裝所述一體化旋轉關節的機器人進行控制。因此，所述一體化旋轉關節適合于構建服務型機器人。在本發明中，對カ矩傳遞傳感裝置23的具體形式并不作限定，只要能夠在傳遞カ矩的同時測量カ矩的大小即可。例如，カ矩傳遞傳感裝置23可以是輪輻式カ矩傳感器。該輪輻式傳感器便于安裝在關節主體20內。本領域技術人員應當理解的是，在本發明中，控制器30可以包括彼此電連接的驅動電路和控制電路，所述驅動電路與所述電機21電連接。所述控制電路與上一級控制単元電連接。上一級控制單元將信號發送給控制器30的控制電路，該控制電路將所述信號傳遞給所述驅動電路，而該驅動電路用于將所述信號放大，并發送給電機21。為了使關節具有柔性，優選地，カ矩傳遞傳感裝置23可以包括弾性模塊單元24和彈性形變測量單元25，彈性模塊單元24包括輸入件24a、輸出塊24b和連接輸入件24a和輸出塊24b的彈簧24c，減速器22與輸入件24a相連，輸出塊24b與彈性形變測量單元25連接，且輸出塊24b與關節輸出軸26連接。S卩，輸出塊24b的一部分與彈性形變測量單元25連接，另一部分與關節輸出軸26連接，從而在傳遞カ矩的同時，能夠利用弾性形變測量單元25檢測輸出塊24b輸出的カ矩。減速器22的力矩輸入至輸入件24a之后，通過彈簧24c傳遞給輸出塊24b，而輸出塊24b進ー步將カ矩傳遞給關節輸出軸16。彈簧24c能夠緩沖關節輸出軸26承受的カ矩，減少傳遞至減速器輸出軸的反向カ矩。并且，根據彈簧24c的變形程度可計算出該一體化旋轉關節所受到的カ矩。本發明 所述的カ矩傳遞傳感裝置23結構簡單，便于安裝。為了便于安裝輸出塊24b，并使彈性模塊單元24具有較高的機構穩定性，優選地，如圖3至圖6中所示，輸入件24a可以包括底壁和環繞該底壁設置的側壁，所述減速器輸出軸與所述底壁相連，彈簧24c設置在所述側壁上，以使輸出塊24b位于所述側壁和所述底壁圍成的空間內。如圖3和圖6所示，輸入件24a形成為一端開ロ、另一端封閉的筒狀。所述減速器輸出軸可以方便地與輸入件24a的底壁相連接。為了便于與減速器22以及關節輸出軸26相連，優選地，如圖3和圖4所示，輸入件24a的側壁上設置有多個連接塊24d，該多個連接塊24d沿輸入件24a的周向均勻分布，輸出塊24b包括多個輸出輻24e，該多個輸出輻沿輸入件24a的周向均勻分布，且每個輸出輻24e設置在相鄰兩個連接塊24d之間，彈簧24c連接相鄰的輸出輻24e和連接塊24d。如圖3、圖4和圖6中所示的實施方式，輸入件24a上可以設置3個連接塊24d，輸出塊24b可以包括三個輸出輻24e。在本發明中，可以將連接塊24d焊接在輸入件24a的側壁上，也可以如圖3中所示的，利用緊固件將連接塊24d設置在輸入件24a的側壁上。可以利用緊固件將輸入件24a與減速器22的減速器輸出軸相連接。同樣的，可以利用緊固件將輸出塊21b的輸出輻與關節輸出軸相連。如圖3所示，輸出塊24b設置在輸入件24a的內部空間中，輸出塊24b的姆個輸出福的端面與輸出塊24b的內表面存在一定的距離。當輸入件24a轉動時，通過彈簧24c帶動輸出塊24b轉動。在本發明中，對減速器22的形式也沒有特殊要求，只要能夠降低電機21的轉速即可。例如，減速器22可以是普通的齒輪減速器。為了輸出更大的カ矩，優選地，減速器22為諧波減速器，如圖I和圖2所示，該諧波減速器包括杯形柔輪22a，該杯形柔輪22a固定在所述減速器輸出軸上，該減速器輸出軸的一端與輸入件24a的所述底壁相連。諧波減速器的減速比通常都很大(在本發明中，可以采用減速比為160:1的諧波減速器)，從而可以向彈性模塊單元24輸出較大的カ矩。優選地,如圖4和圖6中所不，輸入件24a的所述底壁上可以設置有第一通孔,輸出塊24b的中部設置有與所述第一通孔同軸的第二通孔，所述減速器輸出軸穿過所述第一通孔，并通過軸承支撐在所述第二通孔中。這樣，既可以將減速器輸出軸輸出的カ矩傳遞給弾性模塊單元，又可以對該弾性模塊單元24進行支撐。如圖I和圖2所示，所述減速器輸出軸通過螺栓與輸入件24a相連。為了更精確地測量所述一體化旋轉關節的關節輸出軸26所輸出的カ矩，優選地，弾性形變測量単元25為增量式編碼器，如圖8所示，該彈性形變測量単元25包括第一基座25a、第一碼盤25c、第一電路板25b和設置在第一電路板25b上的第一發射器25d,第一碼盤25c設置在第一基座25a內部,第一基座25a與所述輸出塊24b相連,第一碼盤25c與所述減速器輸出軸相連，第一發射器25d設置在第一基座25a上,且第一電路板25b與控制器30電連接。如圖8中所不,第一發射器25d設置在第一基座25a上,且位于第一基座25a與第一電路板25b圍成的空間內。第一電路板25b上設置有感應件,第一發射器25d發出的信號穿過第一碼盤25c，并由第一電路板25b上的感應件感知。為了便于確定弾性形變測量単元25零位及絕對位置，優選地，第一發射器25d可以與第一碼盤25c上Z脈沖信號的位置相鄰(下文中詳細描述)。第一發射器25d發出的信號經過第一碼盤25c上的Z脈沖信號的位置后，發出Z脈沖信號，該Z脈沖信號將由第一電路板25b感知，并顯示檢測到該增量式編碼器的零位。當減速器輸出軸旋轉時，會帶動彈性形變測量単元25的第一碼盤25c轉動，從而能夠測量獲得減速器輸出軸與輸出塊24b之間的相對轉角。為了達到較高的角度測量精度，優選地，増量式編碼器的碼盤沿圓周方向被劃分為·2500份，因此利用増量式編碼器測量減速器輸出軸與輸出塊24b之間的相對轉角的精度可高達O. 036度。同時利用相對轉角計算出彈簧24c的變形量，進而根據胡克定律即可計算出輸出塊24b輸出的カ矩。優選地，該一體化旋轉關節還包括與減速器輸出軸連接的減速器角度測量單元27，該減速器角度測量單元27與控制器30電連接。利用減速器角度測量單元27可以測得減速器輸出軸相對于殼體10轉過的角度。減速器輸出軸相對于殼體10轉過的角度與減速器輸出軸與關節輸出軸26之間的相對轉角之和為一體化旋轉關節的關節輸出軸26輸出的轉角。由此可知，本發明所述的一體化旋轉關節不僅可以測量關節輸出軸26輸出的カ矩，而且可以測量該一體化旋轉關節轉過的角度。為了使測量結果更加精確，優選地，減速器角度測量單元27為增量式編碼器，該減速器角度測量單元27包括第二基座、第二碼盤、第二電路板和設置在第二電路板上的第ニ發射器，第二碼盤設置在第二基座內部，該第二基座與殼體10相連，第二發射器設置在第二基座上，且所述第二碼盤與所述減速器輸出軸相連。與弾性形變測量単元25的結構相似，第二發射器也設置在第二基座和第二電路板圍成的空間內，第二電路板上設置有感應件，第二發射器發出的信號能夠穿過第二碼盤，并由第二電路板上的感應件感知。減速器輸出軸轉動時，會帶動所述第二碼盤轉動，從而測量出減速器輸出軸相對于殼體10轉過的角度。為了提高輸出的カ矩，優選地電機21為無框無刷電機。在本發明的ー種優選實施方式中所采用的電機21的連續堵轉カ矩為O. 387Nm，采用的諧波減速器的減速比為160:1，因此，本發明所述一體化旋轉關節輸出的カ矩可高達61. 92Nm，使得本發明所述的一體化旋轉關節可以應用于服務型機器人，實現為人服務(例如，按摩，康復)的目的。進ー步優選地，如圖11所示，電機21的中心軸21a內形成有沿該中心軸21a延伸的第一中心孔，所述減速器輸出軸的一部分穿過所述第一中心孔延伸至殼體10外部。可以將減速器角度測量單元27設置在所述減速器輸出軸位于殼體10外部的部分上。為了便于加工，優選地，如圖12所示，所述減速器輸出軸包括同軸連接的第一減速器輸出軸22d和第二減速器輸出軸22e,第一減速器輸出軸22d穿過所述第一中心孔,第ニ減速器輸出軸22e與輸入件24相連。可以通過分別加工第一減速器輸出軸22d和第二減速器輸出軸22e、然后將二者連接的方式來獲得所述減速器輸出軸。當減速器22為諧波減速器時，如圖10中所示，該減速器22包括杯形柔輪22a、剛輪22b和波發生器22c，在本發明中，第二減速器輸出軸22e通過螺栓與杯形柔輪22a相連，并且第一減速器輸出軸22d穿過波發生器22c中的通孔。
為了便于走線，優選地，第一減速器輸出軸22d內形成有沿該第一減速器輸出軸22d的軸向延伸的第二中心孔，弾性形變測量単元25的電源線和數據線穿過所述第二中心孔與控制器30電連接。下面將詳細描述彈性形變測量単元25的設置方式。如圖7所示，關節主體20還包括安裝板28，該安裝板28設置在第二減速器輸出軸22e上，該安裝板28的一個端面與所述輸出塊24b相連，彈性形變測量單元25和關節輸出軸26均與所述安裝板28的另ー個端面相連。
安裝板28為彈性形變測量単元25提供了安裝位置。第一基座25a固定在安裝板28上，第一碼盤25c與第二減速器輸出軸22e連接即可。應當理解的是，安裝板28與第二減速器輸出軸22e之間的連接為不可轉動的連接。例如，如圖9所示，安裝板28上設置有輸出塊連接孔28a、輸出軸連接孔28b和彈性形變測量単元安裝孔28c，該安裝板28通過設置在輸出塊連接孔28a中的緊固件與輸出塊24b相連，通過設置在輸出軸連接孔28b中的緊固件與關節輸出軸26相連，通過設置在弾性形變測量単元安裝孔28c中的緊固件與弾性形變測量単元25相連。具體地，關節輸出軸26包括軸本體26c，該軸本體26c的一端設置有連軸部26b，該連軸部26b中形成有開ロ朝向所述安裝板28的空腔26a，連軸部26b與安裝板28固定相連，第二減速器輸出軸22e延伸至空腔26a內部，彈性形變測量單元25設置在空腔26a內，且彈性形變測量単元25的基座與所述第二減速器輸出軸22e相連，弾性形變測量単元25的碼盤與輸出塊24b相連。如此設置可以節約安裝空間，使本發明所述的一體化旋轉關節結構更緊湊。如圖10所示，關節輸出軸26的連軸部26b的外徑可以大于軸本體26c的直徑，從而可以在連軸部26b內形成足夠大的空腔26a，以便于安裝弾性形變測量単元25。優選地，所述第二減速器輸出軸22e內還可以形成有沿該第二減速器輸出軸22e的軸向延伸的第三中心孔，弾性形變測量単元25的導線和數據線穿過所述第三中心孔進入所述第二中心孔，并穿過第二中心孔到達殼體10外部，并與控制器30電連接。在使用一體化旋轉關節時，要確定一體化旋轉關節的零位才能精確地測量一體化旋轉關節在運轉時輸出的カ矩，并對一體化旋轉關節進行位置控制。作為本發明的另ー個方面，還提供一種確定一體化旋轉關節零位的方法。所述ー體化旋轉關節為本發明所提供的上述一體化旋轉關節，其中，所述方法包括以下步驟步驟一、旋轉所述一體化旋轉關節旋轉，直至カ矩傳遞傳感裝置23檢測到該カ矩傳遞傳感裝置23的零位為止。一體化旋轉關節停止運行后，カ矩傳遞傳感裝置23仍保持該一體化旋轉關節停止前的狀態。為了在再次運行一體化旋轉關節時精確地測量該一體化旋轉關節的輸出力矩，應當先確定カ矩傳遞傳感裝置23的零位。確定了カ矩傳遞傳感裝置23的零位后，可以利用控制器30向電機21輸出控制信號，使一體化旋轉關節開始工作。在本發明中，優選地，カ矩傳遞傳感裝置23包括弾性形變測量単元25，且該彈性形變測量単元25為增量式編碼器。カ矩傳遞傳感裝置23的零位即為彈性形變測量単元25的零位。弾性形變測量単元25的零位是指第一發射器25d與該彈性形變測量単元25的第ー碼盤25c的Z脈沖信號相對應的位置。此時，所述步驟一包括轉動所述關節輸出軸，直至所述第一電路板檢測到所述彈性形變測量単元25的Z脈沖信號為止。由于彈性形變測量単元25測量的是減速器輸出軸和關節輸出軸26之間的相對轉角，且彈性形變測量単元25的第一發射器25d位于第一碼盤25c上Z脈沖信號的位置附近。因此，只需將關節輸出軸26轉過較小的角度范圍就能夠找到弾性形變測量単元25的零位。找到カ矩傳遞傳感裝置23的零位后，在一體化旋轉關節運行的過程中，カ矩傳遞傳感裝置
23測得的カ矩值即為該一體化旋轉關節輸出的力矩值。在本發明中，由于第一發射器25d安裝在第一碼盤25c的Z脈沖信號位置附近,因此只需將關節輸出軸26轉過很小的位置就可以找到カ矩傳遞傳感裝置23的零位。因此，在本發明中既可以手動地轉動關節輸出軸使カ矩傳遞傳感裝置23到達零位，也可以利用控制器30向電機21輸出ー個信號,使關節輸出軸26轉動。
在本發明中，一體化旋轉關節的零位可以包括兩個方面第一個方面為上文中所述的カ矩傳遞傳感裝置23的零位；第二個方面為減速器角度測量單元27的零位。下文中將詳細介紹確定減速器角度測量單元27的零位的方法。如上文中所述，利用カ矩傳遞傳感裝置23和減速器角度測量單元27還可以測定本發明所述的一體化旋轉關節轉過的角度。為了準確地測量所述一體化旋轉關節轉過的角度，優選地，所述方法還包括步驟ニ、繼續旋轉所述一體化旋轉關節，直至減速器角度測量単元27檢測到該減速器角度測量單元27的零位為止。因此，本發明所述的方法還包括步驟ニ 繼續旋轉所述一體化旋轉關節，直至減速器角度測量單元27檢測到該減速器角度測量單元的零位為止。如上文中所述，減速器角度測量單元27優選為増量式編碼器，該減速器角度測量単元27的零位為第二發射器與減速器角度測量單元27的第二碼盤上的Z脈沖信號相對應的位置。如果第二發射器距離第二碼盤上的Z脈沖信號的位置較近，轉動較小的角度就能個到達減速器角度測量單元27的零位。此時，所述步驟ニ包括以下步驟對所述一體化旋轉關節通電后，向任意方向轉動所述減速器輸出軸，直至所述第二電路板檢測到所述減速器角度測量單元27的Z脈沖信號為止。一體化旋轉關節上通常設置有很多導線，如果第二發射器距離第二碼盤上的Z脈沖信號的位置較遠就可能會妨礙到該一體化旋轉關節的旋轉，因此不宜采用上述步驟來確定一體化旋轉關節的零位。除Z脈沖信號外，減速器角度測量單元27的第二碼盤上還設置有U脈沖信號、V脈沖信號和W脈沖信號。該三個脈沖信號兩兩之間的夾角為120度。Z脈沖信號與U脈沖信號、V脈沖信號以及W脈沖信號之間的夾角是固定的。因此，所述步驟ニ可以包括以下步驟步驟(I)、對所述一體化旋轉關節通電后,讓該一體化旋轉關節向任意方向轉動，直至所述第二電路板檢測到減速器角度測量單元27的U脈信號沖、V脈沖信號和W脈沖信號中的任意一者為止；步驟(2)、朝向距離所述減速器角度測量單元27的Z脈沖信號較近的方向轉動所述一體化旋轉關節，直至所述第二電路板檢測到所述Z脈沖信號為止。由于U脈沖信號、V脈沖信號和W脈沖信號和Z脈沖信號之間的夾角已知，可以非常容易地確定尋找Z脈沖信號的旋轉方向。
應當注意的是，在本發明中，需要測得所述一體化旋轉關節輸出的轉角，才能實現對關節的控制，旋轉關節的轉角由カ矩傳遞傳感裝置23和減速器角度測量單元27兩部分測出的轉角和組成。在完成カ矩傳遞傳感裝置初始輸出力矩和減速器角度測量單元零位的確定后，一體化旋轉關節即可正常工作。本發明所述的一體化旋轉關節中設置了カ矩傳遞傳感裝置，能夠測量該一體化旋轉關節輸出的カ矩，擴大了所述一體化旋轉關節的應用范圍。以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
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此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
權利要求
1.一種一體化旋轉關節，該一體化旋轉關節包括殼體(10)、設置在該殼體(10)內的關節主體(20 )、關節輸出軸(26 )和控制器(30 )，所述關節主體(20 )包括電機(21)和與該電機(21)相連的減速器(22)，該減速器(22)的減速器輸出軸與所述關節輸出軸(26)相連，所述電機(21)與所述控制器(30 )電連接，其特征在于，所述關節主體(20 )還包括力矩傳遞傳感裝置(23)，該力矩傳遞傳感裝置(23)連接在所述減速器(22)和所述關節輸出軸(26)之間，以將所述減速器(22)輸出的力矩傳遞給所述關節輸出軸(26)并測量該關節輸出軸(26)輸出的力矩。
2.根據權利要求I所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述力矩傳遞傳感裝置(23)包括彈性模塊單元(24)和彈性形變測量單元(25)，所述彈性模塊單元(24)包括輸入件(24a)、輸出塊(24b)和連接所述輸入件(24a)和所述輸出塊(24b)的彈簧(24c)，所述減速器(22)與所述輸入件(24a)相連，所述輸出塊(24b)與所述彈性形變測量單元(25)連接，且所述輸出塊(24b )與所述關節輸出軸(26 )連接。
3.根據權利要求2所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述輸入件(24a)包括底壁和環繞該底壁設置的側壁，所述減速器輸出軸與所述底壁相連，所述彈簧(24c)設置在所述側·壁上，以使所述輸出塊(24b)位于所述側壁和所述底壁圍成的空間內。
4.根據權利要求3所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述輸入件(24a)的側壁上設置有多個連接塊(24d)，該多個連接塊(24d)沿所述輸入件(24a)的周向均勻分布，所述輸出塊(24b)包括多個輸出輻(24e)，該多個輸出輻沿所述輸入件(24a)的周向均勻分布，且每個所述輸出輻(24e )位于兩個相鄰的所述連接塊(24d)之間，所述彈簧(24c )連接相鄰的所述連接塊(24d )和所述輸出輻(24e )。
5.根據權利要求3所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述減速器(22)為諧波減速器，該諧波減速器包括杯形柔輪(22a)，該杯形柔輪(22a)固定在所述減速器輸出軸上，該減速器輸出軸與所述輸入件(24a)的所述底壁相連。
6.根據權利要求5所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述輸入件(24a)的所述底壁上設置有第一通孔，所述輸出塊(24b)的中部設置有與所述第一通孔同軸的第二通孔，所述減速器輸出軸穿過所述第一通孔，并通過軸承支撐在所述第二通孔中。
7.根據權利要求2至6中任意一項所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述彈性形變測量單元(25)為增量式編碼器，該彈性形變測量單元(25)包括第一基座(25a)、第一碼盤(25c)、第一電路板(25b)和設置在該第一電路板(25b)上的第一發射器(25d),所述第一碼盤(25c)設置在所述第一基座(25a)內部,所述第一基座(25a)與所述輸出塊(24b)相連,所述第一碼盤(25c)與所述減速器輸出軸相連，且所述第一電路板(25b)與所述控制器(30)電連接，且所述第一發射器(25d)設置在所述第一基座(25a)上，且與所述第一碼盤(25c)上Z脈沖信號的位置相鄰。
8.根據權利要求7所述的一體化旋轉關節，其特征在于，該一體化旋轉關節還包括與所述減速器輸出軸連接的減速器角度測量單元(27)，該減速器角度測量單元(27)與所述控制器(30)電連接。
9.根據權利要求8所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述減速器角度測量單元(27)為增量式編碼器，該減速器角度測量單元(27)包括第二基座、第二碼盤、第二電路板和設置在該第二電路板上的第二發射器，所述第二碼盤設置在所述第二基座內部，且該第二基座與所述殼體(10)相連，所述第二碼盤與所述減速器輸出軸相連，所述第二發射器設置在所述第二基座上。
10.根據權利要求9所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述電機(21)為無框無刷電機，所述電機(21)的中心軸(21a)內形成有沿該中心軸(21a)延伸的第一中心孔，所述減速器輸出軸的一部分穿過所述第一中心孔延伸至所述殼體(10)外部，所述減速器角度測量單元(27)設置在所述減速器輸出軸位于所述殼體(10)外部的部分上。
11.根據權利要求10所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述減速器輸出軸包括同軸連接的第一減速器輸出軸(22d)和第二減速器輸出軸(22e),所述第一減速器輸出軸(22d)穿過所述第一中心孔，所述第二減速器輸出軸(22e)與所述輸入件(24a)相連。
12.根據權利要求11所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述第一減速器輸出軸 (22d)內形成有沿該第一減速器輸出軸(22d)的軸向延伸的第二中心孔，所述彈性形變測量單元(25)的導線穿過所述第二中心孔與所述控制器(30)電連接。
13.根據權利要求11所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述關節主體(20)還包括安裝板(28 )，該安裝板(28 )設置在所述第二減速器輸出軸(22e )上，該安裝板(28 )的一個端面與所述輸出塊(24b)相連，所述彈性形變測量單元(25)和所述關節輸出軸(26)均與所述安裝板(28)的另一個端面相連。
14.根據權利要求13所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述關節輸出軸(26)包括軸本體(26c)，該軸本體(26c)的一端設置有連軸部(26b)，該連軸部(26b)中形成有開口朝向所述安裝板(28)的空腔(26a)，所述連軸部(26b)與所述安裝板(28)固定相連，所述第二減速器輸出軸(22e)延伸至所述空腔(26a)內部，所述彈性形變測量單元(25)設置在所述空腔(26a)內，且所述第一碼盤(25c)與所述第二減速器輸出軸(22e)相連，所述第一基座(25a)與所述輸出塊(24b)相連。
15.根據權利要求14所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述第二減速器輸出軸(22e)內形成有沿該第二減速器輸出軸(22e)的軸向延伸的第三中心孔，所述彈性形變測量單元(25)的電源線和數據線穿過所述第三中心孔進入所述第二中心孔。
16.一種確定一體化旋轉關節零位的方法，該一體化旋轉關節為權利要求I至15中任意一項所述的一體化旋轉關節，其特征在于，所述方法包括以下步驟 步驟一、旋轉所述一體化旋轉關節旋轉，直至所述力矩傳遞傳感裝置(23)檢測到該力矩傳遞傳感裝置(23)的零位為止。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述步驟一包括轉動所述關節輸出軸，直至所述第一電路板檢測到所述彈性形變測量單元(25)的Z脈沖信號為止。
18.根據權利要求16或17所述的方法，其特征在于，該方法還包括 步驟二、繼續旋轉所述一體化旋轉關節，直至所述減速器角度測量單元(27)檢測到該減速器角度測量單元的零位為止。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟二包括以下步驟 對所述一體化旋轉關節通電后，向任意方向轉動所述減速器輸出軸，直至所述第二電路板檢測到所述減速器角度測量單元(27)的Z脈沖信號為止。
20.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述步驟二包括以下步驟 步驟(I)、對所述一體化旋轉關節通電后，讓該一體化旋轉關節向任意方向轉動，直至所述第二電路板檢測到所述減速器角度測量單元(27)的U脈沖信號、V脈沖信號和W脈沖信號中的任意一者為止； 步驟(2)、朝向距離所述減速器角度測量單元(27)的Z脈沖信號較近的方向轉動所述一體化旋轉關節，直至所述第二電路板檢測 到所述Z脈沖信號為止。
全文摘要
本發明公開了一種一體化旋轉關節，該一體化旋轉關節包括殼體(10)、設置在該殼體內的關節主體(20)、關節輸出軸(26)和控制器(30)，所述關節主體包括電機(21)和與該電機相連的減速器(22)，該減速器的減速器輸出軸與所述關節輸出軸相連，所述電機與所述控制器電連接，其中，所述關節主體還包括力矩傳遞傳感裝置(23)，該力矩傳遞傳感裝置連接在所述減速器和所述關節輸出軸之間，以測量所述關節輸出軸輸出的力矩。本發明還提供了一種確定所述一體化旋轉關節零位的方法。本發明所述的一體化旋轉關節中設置了力矩傳遞傳感裝置，能夠測量該一體化旋轉關節輸出的力矩，擴展了所述一體化旋轉關節的應用范圍。
文檔編號B25J17/02GK102744731SQ20121025146
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月19日 優先權日2012年7月19日
發明者冉崇建, 李健, 李國棟, 李方興, 黃遠燦 申請人:北京理工大學