机器人驱动模块的制作方法

本发明涉及一种机器人驱动模块。

背景技术：

1、机器人正在越来越多的任务和领域中取代人类。一些机器人(通常例如工业机器人)在工作过程中必须被隔离，以防止由于缺乏与人协作的安全措施而使人员受伤。近年来，能够与人协作完成特定任务的协作机器人已逐渐出现，以用于诸如精密组装、计量或产品检验、医疗外科手术和需要高精密度控制的其他领域之类的应用。

2、然而，与过去工业机器人所需的重复的点对点定位准确度不同，这种现代机器人需要在工作空间中进行全范围的高精密度控制，并且也考虑到特别对协作机器人或类人机器人的高安全要求来驱动这些装置，只有当机器人的每个关节能够提供高精密度的位置反馈和控制时，这才是可能的。事实上，许多已知的机器人驱动器缺乏用于高要求测量任务(例如，计量应用)的机械精密度和编码器准确度。

3、已知的高精密度机器人(例如，协作机器人或类人机器人)的关节或关节结构例如通过将控制器、驱动器、马达、齿轮驱动器(例如，谐波齿轮箱)和在一些情况下的制动器串联连接并且通过在直接驱动马达的后端和齿轮驱动器的输出端处安装用于位置反馈和控制的角度编码器或旋转编码器来形成。

4、旋转编码器(以下也称为角度编码器或简称编码器)被广泛用作用于检测旋转驱动构件(例如，机器人设备的关节驱动单元)相对于旋转轴线的旋转角度的传感器装置。

5、当测量旋转度和位置时，角度编码器的旋转部分与测量轴线同轴地旋转，并且确定相对于角度编码器的固定部分的旋转角度和位置。也就是说，旋转编码器具有两个单元，例如，编码器定子盘和编码器转子盘，这两个单元可沿着绕测量轴线的一个自由度相对于彼此运动。通过来自附接在第二单元处的扫描单元的扫描信号来对第一单元进行全部或部分扫描，从而获得关于该两个单元相对于彼此的角度位置的信息。例如，点编码器通常具有标记有若干等距点的圆形板，这些等距点全部位于单个圆上。在一次旋转过程中，传感器对在其计数单元之前通过的点的数量进行计数，由此计算所进行的旋转的幅度。原理上，不同的物理操作原理(例如，光学、磁性或电容扫描或编码捕获)适用于该测量过程，如在例如us6995836 b1或us 6940278 b2中所公开的。

6、递增编码器和绝对旋转编码器都是已知的。递增角度确定的系统的缺点在于，在每次重新启动角度测量系统之后，必须再次假设零位置或参考位置。相反，绝对旋转编码器为可相对于彼此旋转的子系统的每个相对位置生成明显可区分的扫描信号。结果，各个相对位置可以直接与唯一角度相关联，即，无需接近参考位置或初始位置。

7、在实践中，由于制造公差、安装公差或老化现象，旋转编码器的可相对于彼此旋转的两个子系统或单元(例如，玻璃圈和光学传感器)与理想位置或理想对准存在偏差，这些偏差在没有相应补偿措施的情况下在确定旋转角度时会导致误差。举例来说，这种偏差是转子盘和/或定子盘的偏心、变形或倾斜，这些例如会导致这些盘之间的轴向距离的不规则轮廓或位置编码的不准确。

8、在机器人的集成关节中，由于角度测量原理、安装空间的限制以及成本的考虑，角度编码器通常与关节中的轴系结构一起测量角度。结果，角度编码器对关节轴系结构或齿轮齿隙(backlash)的径向误差非常敏感。

9、换句话说，为了防止由于齿轮的齿隙或灵活性而导致的测量误差，在马达/齿轮设置中在齿轮箱之后放置编码器。因此，编码器通常作为独立模块安装在齿轮箱输出轴线上。这需要空间和附加布线，这对于许多应用来说是一个麻烦的问题。

10、当角度编码器的旋转部分安装在具有高径向准确度的关节轴系结构上时，可以实现角度编码器的高精密度位置反馈。重要的是，确保安装后齿轮驱动器的特别是输出端和输入端之间的高轴向准确度以及齿轮驱动器的输入端和输出端之间的高同轴准确度是机器人的集成关节的高精密度位置反馈和控制的关键前提。

11、然而，例如，当承受重负和负载时，可能会发生变形。例如，关节的输出端可能发生位移，例如垂直于轴系统的轴线发生位移，因此难以确保齿轮驱动器的输出端和输入端之间的同轴准确度。也就是说，轴承和/或齿轮可以在应变下倾斜，并且使用杠杆臂，这可以导致附加的运动学参数。

12、例如，jp 2007-78552a教导了通过具有不同减速比的减速齿轮将主旋转轴的旋转转换成两个检测轴的旋转，并且利用相应的编码器检测该检测轴中的每一者的旋转角度，然后基于检测到的旋转角度之间的差值来计算主旋转轴的绝对角度，从而准确地检测主旋转轴的旋转角度。然而，需要相对于马达设置两个减速齿轮，并且在减速齿轮中的每一者的输出轴上设置相应的编码器，这附加地导致了体积庞大的配置。

13、jp 2008-148412a教导了具有相对角度编码器和绝对角度编码器的旋转关节，该相对角度编码器被布置在与电动马达的旋转轴接合的减速齿轮的输入轴上，该绝对角度编码器被布置在减速齿轮的输出轴上。预先获取了关于在相对角度编码器的检测值和绝对角度编码器的检测值之间可能产生的误差的关系，并且关于该误差的这种关系被用于校正绝对角编码器的检测结果。然而，除了需要两个编码器之外，如果相对角度编码器的检测准确度低，则马达的旋转角度的最终检测结果的准确度同样不会提高，因此这种配置不一定适用于确保高检测准确度。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种用于旋转关节的改进的机器人驱动模块。

2、本发明的另一个目的是提供一种用于旋转关节的紧凑、高精密度机器人驱动模块。

3、根据本发明，这些目的是通过独立权利要求的特征或通过从属权利要求的特征来实现的，并且这些解决方案也是通过从属权利要求中的特征来发展。

4、本发明涉及用于驱动诸如计量机器人装置和/或类人机器人之类的机器人的旋转关节运动的机器人驱动模块。所述驱动模块包括旋转驱动器，该旋转驱动器包括马达电路板、定子和转子，其中，所述转子被配置成在所述马达电路板的控制下相对于所述定子绕旋转轴线旋转。所述驱动模块还包括齿轮箱，例如摆线齿轮箱、应变波齿轮箱或行星齿轮箱，所述齿轮箱被配置成根据限定的传动比将所述转子绕所述旋转轴线的旋转运动转换成齿轮箱输出部件绕所述旋转轴线的旋转运动，其中，所述马达电路板和所述定子相对于所述旋转轴线在轴向上布置在所述齿轮箱的一侧(被表示为齿轮箱输入侧)，并且所述齿轮箱输出部件从所述齿轮箱的另一侧(被表示为齿轮箱输出侧)接合所述齿轮箱。除此之外，所述驱动模块包括旋转编码器，所述旋转编码器被配置成检测所述齿轮箱输出部件绕所述旋转轴线的旋转。

5、此外，所述驱动模块包括连接部，例如所述齿轮箱输出部件的一体部分或类似刚性固定到所述齿轮箱输出部件的轴之类的部件，所述连接部从所述齿轮箱输出侧延伸到所述齿轮箱输入侧，并且被配置成以刚性方式接收所述齿轮箱输出部件的旋转，从而提供与所述齿轮箱输出部件的旋转相同或一致的所述连接部的旋转，由此所述旋转编码器被布置在所述齿轮箱输入侧，并且被配置成检测或测量所述连接部绕所述旋转轴线的旋转。

6、可选地，所述连接部在径向上位于所述齿轮箱的内部的区域(例如，比所述齿轮箱所占据的区域更靠近所述旋转轴线的区域)中延伸经过所述齿轮箱。

7、作为另一种选择，所述旋转编码器包括编码载体和传感器装置，例如光学(例如，玻璃)圆形编码器，并且所述传感器装置被配置成用于所述编码载体的光学检测。所述编码载体和所述传感器装置(后者可选地被布置在所述马达电路板上)可绕所述旋转轴线相对于彼此旋转，并且所述传感器装置被配置成提供所述编码载体相对于所述旋转轴线的旋转位置的导数(derivation)或旋转位置的变化，其中，所述编码载体被布置在所述连接部的位于所述齿轮箱输入侧的远端上。

8、在一些实施方式中，所述机器人驱动模块包括中空部，该中空部轴向地延伸(特别是完全)穿过所述机器人驱动模块，并且在径向上位于所述齿轮箱的内部上，例如，在比所述齿轮箱所占据的区域更靠近所述旋转轴线的区域，例如用于穿过该中空空间进行线缆馈送。

9、作为另一种选择，所述驱动单元包括位于所述中空部的一个远端处的磁体和位于所述马达电路板上的用于测量绝对旋转角度的霍尔传感器。

10、作为又一种选择，所述机器人驱动模块包括另一个(第二)旋转驱动器，该另一个旋转驱动器包括(第二)定子和(第二)转子，其中，所述转子被配置成绕所述旋转轴线相对于所述定子旋转。所述另一个旋转驱动器的所述定子(第二定子)被布置在所述马达电路板的背离所述齿轮箱的一侧，并且所述(上述第一)旋转驱动器的所述定子(第一定子)被布置在所述马达电路板的面向所述齿轮箱的一侧。所述另一个旋转驱动器的所述第二转子在径向上位于所述(第一或外部)旋转驱动器的内部上的区域(例如，与由所述(第一或外)旋转驱动器所占据的区域相比/一样更靠近所述旋转轴线的区域)中从所述齿轮箱输入侧轴向地延伸到所述齿轮箱输出侧。所述驱动模块包括另一个(或第二)旋转编码器，该另一个旋转编码器被配置成提供由所述另一个(第二)旋转驱动器驱动的旋转部件绕所述旋转轴线的旋转的检测，其中，所述另一个旋转编码器的感测部在位于所述马达电路板的背离所述齿轮箱的一侧布置在所述马达电路板上。

11、可选地，所述(至少第一)旋转驱动器被配置成使用来自所述(第一和/或第二)旋转编码器的位置信息来控制所述转子的运动。

12、作为另一种选择，所述机器人驱动模块包括旋转传感器，该旋转传感器被配置成感测马达旋转并提供用于驱动所述转子运动的控制数据，例如，其中，所述旋转传感器被实施为霍尔传感器，并且/或者其中，所述旋转传感器被配置成基于来自所述旋转驱动器的马达线圈的磁反馈来提供所述控制数据。

13、在第二方面中，本发明还涉及一种用于驱动机器人、特别是计量机器人和/或类人机器人的旋转关节运动的机器人驱动模块，其中，所述驱动模块包括两个旋转驱动器和旋转编码器装置，所述两个旋转驱动中的每一者均包括定子和转子，所述转子被配置为相对于所述定子旋转，其中，所述两个旋转驱动器的所述转子被配置成绕公共旋转轴线旋转，所述旋转编码器装置被配置成检测用于所述两个旋转驱动器中的每一者的相关旋转。

14、此外，所述驱动模块包括马达电路板，该马达电路板被配置成彼此独立地控制所述两个旋转驱动器这两者，由此所述马达电路板和所述两个旋转驱动器被布置成：所述两个旋转驱动器中的一者(被表示为内部旋转驱动器)的所述定子相对于所述旋转轴线在轴向上布置在所述马达电路板的一侧(被表示为内侧)，并且所述两个旋转驱动器中的另一者(被表示为外部旋转驱动器)的所述定子被布置在所述马达电路板的另一侧(被表示为外侧)。所述模块还包括由所述内部旋转驱动器(例如，所述内部旋转驱动器的所述转子或在所述内部旋转驱动器包括齿轮箱的情况下的齿轮箱输出端)驱动的旋转部件，该旋转部件在径向上位于所述外部旋转驱动器的内部的区域(例如，比由所述外部旋转驱动器占据的区域更靠近所述旋转轴线的区域)中从所述内侧轴向地延伸到所述内侧，并且所述旋转编码器装置包括两个旋转编码器。所述两个旋转编码器中的一者被配置成提供由所述内部旋转驱动器驱动的所述旋转部件绕所述旋转轴线的旋转的检测或测量，其中，所述两个旋转编码器中的一者的传感器装置在所述内侧布置在所述马达电路板上，并且所述两个旋转编码器中的另一者被配置成提供由所述外部旋转驱动器驱动的旋转部件绕所述旋转轴线的旋转的检测，其中，所述两个旋转编码器中的另一者的传感器装置在所述外侧布置在所述马达电路板上。

15、可选地，所述两个旋转编码器中的每一者均包括编码载体，其中，所述编码载体可绕所述旋转轴线相对于所述马达电路板旋转，并且所述传感器装置被配置成提供所述编码载体相对于所述旋转轴线的旋转位置的导数或旋转位置变化，特别地其中，所述编码载体是光学(例如，玻璃)圆形编码器，并且所述传感器装置被配置成用于所述编码载体的光学检测。

16、在一些实施方式中，所述旋转驱动器中的至少一者被配置成使用来自所述旋转编码器的位置信息来控制所述转子的运动。

17、作为另一种选择，所述驱动模块包括中空部，该中空部轴向地延伸完全穿过所述驱动模块，并且在径向上位于所述内部旋转驱动器的内部，例如，位于比所述内部旋转驱动器和所述外部旋转驱动器占据的区域更靠近所述旋转轴线的区域，例如用以通过其进行线缆馈送。作为另一种选择，在所述中空部的一个远端处有一磁体，并且在所述马达电路板上有用于测量绝对旋转角度的霍尔传感器。

18、可选地，所述旋转驱动器中的至少一者包括旋转传感器，该旋转传感器被配置成提供用于驱动所述转子的运动的控制数据，例如其中，所述旋转传感器被实施为霍尔传感器，或者其中，所述旋转传感器被配置成基于来自所述旋转驱动器的马达线圈的磁反馈来提供所述控制数据。

19、本发明还涉及一种用于具有机器人驱动模块的机器人的方法，该机器人驱动模块具有如上所述的编码载体和传感器装置，其中，所述方法具有如下步骤：确定所述传感器装置和所述编码载体相对于彼此的相对位置的变化，并且基于此变化，确定测量值(位置值和/或方位值)，所述测量值提供关于所述编码载体在相对于所述旋转轴线的径向和/或轴向方向上的偏转和/或旋转量的信息，特别是关于所述编码载体在相对于所述旋转轴线的径向方向上的偏转、所述编码载体在所述旋转轴线的方向上的偏转和/或所述编码载体相对于所述旋转轴线的倾斜中的至少一者的信息。

20、该方法还包括基于所述测量值和所述机器人驱动模块的变形模型来检测施加在所述机器人驱动输出轴线上的力和力矩，特别是径向的力和矩，例如确定力施加的量、方向和/或力施加点。作为附加选项，基于所述测量值和变形模型来确定所述机器人的变形，例如变形的位置、方向和/或程度。

21、可选地，该方法包括监测所述测量值的历史或从中导出的值的历史，例如扭矩或力值，并且基于该历史触发所述机器人的特定(再)动作或行为或程序，特别是机器人(构件)运动或驱动器扭矩的减少或停止，例如作为补偿施加在所述机器人上的力或扭矩和/或机器人(构件)的变形的程序化对策。因此，例如，可以应用阈值标准，例如，当非法侵入编码载体的预定义的欧氏距离时，触发运动停止。

22、作为一种选择，该方法包括基于检测到的施加的力、力矩或变形来导出关于环境的信息，特别是用于检测障碍物的信息，并且基于关于该环境的信息来调整机器人的编程或预先安排的行为或动作。

23、作为又一种选择，该方法包括基于所确定的测量值来导出关于所述机器人的机械部件的健康状况的信息。

24、可选地，该方法包括所述变形模型和/或测量值与力和/或力矩之间的传递函数的自校准或现场校准。该校准包括将联接到所述机器人驱动模块(轴线)的已知质量定位在相对于所述机器人驱动模块(轴线)的不同已知位置。例如，限定质量(分布)的对象被附接到所述驱动模块或由所述驱动模块驱动的机器人构件，所述驱动模块在不同位置驱动所述构件。然而，机器人本身或所述驱动模块的构件的已知(自身)质量也可以被用于校准。在每个相对位置中，确定所述传感器装置和所述编码载体相对于彼此的相对位置的变化和/或提供关于所述编码载体在相对于所述旋转轴线的径向和/或轴向上的偏转量的信息的测量值，并且由此导出绝对力或力矩值。

25、本发明还涉及一种存储在机器可读载体上的计算机程序或具有程序编码的计算机数据信号，以用于控制和/或执行根据本发明的方法，特别是当该程序在机器人的控制和分析单元中执行时。