阅读说明：本技术 机械臂和机器人 (Mechanical arm and robot ) 是由 王世全 姜皓 安然 李学森 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：提供了一种机械臂和机器人。机械臂(100,10,20,30,40,50,60)包括多个关节(121-127,200a-200d,511-513)和多个连接臂(131-137,301,302,411-413)。连接臂通过关节依次连接。至少两个关节各自包括传感器(205),该传感器(205)配置为测量施加在其相应的关节上的六个自由度(DOF)中的多于一个自由度的力和扭矩信息。(A robot arm and a robot are provided. The mechanical arm (100, 10, 20, 30, 40, 50, 60) comprises a plurality of joints (121) and (127, 200a-200d, 511) and (513) a plurality of connecting arms (131) and (137, 301, 302, 411) and (413). The connecting arms are connected in sequence through joints. The at least two joints each include a sensor (205), the sensor (205) configured to measure force and torque information for more than one of six degrees of freedom (DOF) imposed on its respective joint.)

机械臂和机器人

技术领域

本发明总体上涉及机器人技术，并且特别是涉及机械臂和机器人。

背景技术

机械臂在许多工业领域中被用来辅助制造、装配和其他操作。在某些应用中，使用基于扭矩控制的技术来控制机械臂的移动是有利的。这样的机械臂依赖于精确的扭矩测量。

常规机械臂在每个关节中仅具有一个单自由度(DOF)扭矩传感器，以测量每个对应的关节产生的或施加在每个对应的关节上的扭矩。这样的配置可以产生关于关节上所测量的扭矩和其它力的误差，并且因此对于这样的传统机械臂的操作呈现出许多缺点。

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种机械臂和一种机器人。

本发明采用的技术方案是提供一种机械臂。该机械臂包括多个关节和多个连接臂。连接臂通过关节依次连接。至少两个关节各自包括传感器，该传感器配置为测量施加在该至少两个关节中相应的一个关节上的六个自由度(DOF)中的多于一个自由度的力和扭矩信息。

本发明采用的另一技术方案是提供一种机器人。该机器人包括多个关节和连接臂。连接臂通过关节依次连接。关节各自包括传感器，该传感器配置为测量施加在相应的关节上的六个自由度(DOF)中的多于一个自由度的力和扭矩信息。

附图说明

为了更清楚地解释本发明实施例中的技术方案，下面将简要描述在实施例的描述中使用的附图。以下描述中的附图仅仅是本发明的示例性实施例。对于本领域普通技术人员，也可以基于这些附图获得其它附图而无需任何创造性工作。

图1示出了根据本发明一实施例的机械臂的结构图。

图2至图5示出了根据本发明一些实施例的关节的多自由度力和/或扭矩传感器的若干示例性布置。

图6A至图6C示出了机械臂的示意图，其中每个关节包括单自由度扭矩传感器。

图7A至图7C示出了机械臂的示意图，其中每个关节包括多自由度力和/或扭矩传感器。

具体实施方式

现在将参考附图和示例详细描述本发明。如对所属领域的技术人员是显而易见的，本发明中所描述的实施例仅为示例性的并且仅表示所有这类实施例的子集。特别地，本领域普通技术人员基于本发明的实施例在没有创造性努力的情况下获得的所有其他实施例都落入本发明的范围内。

大多数传统的高级机械臂在每个关节中具有单自由度扭矩传感器，以测量每个对应的关节产生的用于关节扭矩控制的扭矩。这种基于扭矩控制的机械臂具有以下缺点。

首先，防止扭矩传感器受到沿其它方向(例如，与扭矩传感器设计用于感测的扭矩维度不同的)施加的力和扭矩的影响是困难的，这被称为传感器串扰。因此，传感器会在不同负载条件(例如，关节扭矩耦合)下偏离真实扭矩值。通常存在设计用于减少这种影响的机械结构，诸如使用轴承来约束能够通过扭矩传感器传递的力和扭矩。然而，机械结构不可能总是能够完全减少这种影响。例如，轴承仍然会在垂直于旋转轴线的弯曲力矩下变形。因此，上述影响可以减少，但不能消除。存在减少扭矩传感器串扰效应的传感器设计技术，诸如在不同位置使用多个换能器(例如应变仪)来补偿该影响。然而，这种技术的有效性受到设计复杂性、紧凑性要求和制造精度的限制。第二，在传统机器人中，扭矩传感器必须由一组轴承保护以减少关节扭矩耦合效应。因此，由关节传递的受控扭矩将通过来自轴承的摩擦而减小，这削弱了力控制精度。第三，扭矩传感器通常靠近齿轮传动机构((例如，谐波传动机构)放置。齿轮传动机构在被致动时可以在其它方向上向传感器施加扭矩和力，这也削弱了感测精度。削弱感测精度的一种现象是在感测信号中出现转矩波动。第四，由于存在于关节机构中的诸如非理想零件公差和同心度的制造限制，当关节输出位置不同时，传感器将经历不同的微变形，这也削弱了感测精度。

因此，本发明提供了一种机械臂，该机械臂在至少一些关节中具有多自由度力和/或扭矩传感器，以与传统机械臂相比感测通过关节和连接臂传递的更多的力和/或扭矩信息。

图1示出了根据本发明一实施例的机械臂100的结构图。机械臂100可以包括多个连接臂131-137和多个关节121-127。连接臂131-137通过关节121-127依次连接。关节121-127可以具有两种基本类型，俯仰关节和侧倾关节。侧倾关节(例如，如图1所示的关节121、123、125和127)可以提供围绕相邻连接臂的纵向轴线的旋转，并且俯仰关节(例如，如图1所示的关节122、124和126)可以提供围绕与侧倾关节轴线基本垂直的轴线的旋转。在一些示例中，端部执行器140可以连接到最后的关节(例如，关节127)。在图1所示的实施例中，机械臂100为7轴机械臂。应当了解的是，以下公开的技术方案也可以针对具有更多轴或更少轴的其它类型的机械臂来实现。

关节121-127中的至少两个可以各自包括传感器，该传感器配置为测量其相应的关节的六个自由度(DOF)中的多于一个自由度的力和扭矩信息(包括三方向力和三方向扭矩信息)。例如，传感器可以是多自由度力和/或扭矩传感器。例如，关节126和127可以配备有多自由度力和/或扭矩传感器，或者关节124-127可以全部配备有多自由度力和/或扭矩传感器。或者，在一些实施例中，所有关节121-127可以各自包括多自由度力和/或扭矩传感器。

在一些实施例中，传感器可以配置为测量在关节的致动方向上施加在其相应的关节上的扭矩。例如，如果俯仰关节122、124或者126包括多自由度力和/或扭矩传感器，则该传感器可用于测量Y方向(垂直于图1所示的X方向和Z方向)上的扭矩。如果侧倾关节121、123、125或者127包括多自由度力和/或扭矩传感器，则该传感器可用于测量相邻连接臂之间的纵向方向上的扭矩。此外，传感器还可以配置为测量其他五个自由度中的至少一个自由度的力和扭矩信息。也就是说，传感器还可以配置为测量力的其它三个方向中的一个或多个和/或扭矩的其它两个方向中的一个或多个。例如，对应的关节中的多自由度力和/或扭矩传感器可以配置为测量致动方向上的扭矩和X、Y和Z方向中的每个方向上的力。

为了更好的机器人动力学和控制性能，沿多自由度力和/或扭矩传感器的每个感测自由度的刚度可以被优化。在一示例中，多自由度力和/或扭矩传感器在对应的关节的致动方向上(例如，围绕关节轴线)的结构刚度可以低于多自由度力和/或扭矩传感器在其它方向上的结构刚度。在这样的示例中，可以提高能够通过致动主动调节的自由度上的感测灵敏度和分辨率。在这样的示例中，结构的其它自由度上的刚度也可以保持高水平，以便维持整个机械臂的高结构刚度，用于更好的控制性能和更高的机械和控制带宽。

在一些实施例中，多自由度力和/或扭矩传感器可以是六自由度力和扭矩传感器，其能够感测通过对应的关节和关节所在的相邻连接臂传递的所有六个自由度的扭矩和力信息。六自由度力和扭矩传感器设计用于感测在关节和相邻连接臂处经受的所有力和扭矩，并且因此可以在力和扭矩的任何组合下保持精确。美国专利申请No.16/456,588公开了一种示例性的6-自由度力和扭矩传感器。然而，在本发明的其他示例中，也可以利用其他类型的六自由度力和扭矩传感器。

图2至图5示出了关节的传感器的不同布置。在图2至图5中，关节200a-200d各自包括输入部201、输出部202、马达203、齿轮传动机构204、多自由度力和/或扭矩传感器205以及一个或多个轴承206。马达203的定子可以固定到输入部201，并且马达203的转子可以固定到输出部202，使得马达203可以驱动输出部202相对于输入部201旋转。齿轮传动机构204可以连接到马达203的转子，以调节输出部202的旋转速度和输出扭矩。在一些实施例中，齿轮传动机构204可以是谐波传动机构。在一些示例中，轴承206可以位于输入部201和输出部202之间，以允许这两个部分之间的相对旋转。

在如图2所示的实施例中，关节200a的多自由度力和/或扭矩传感器205可以放置在输入部201和输出部202之间(例如，在齿轮传动机构204和输出部202之间)，其类似于具有单自由度扭矩传感器的关节。在该实施例中，由于轴承206设计用于承受从输出部202到输入部201的弯曲力矩，因此多自由度力和/或扭矩传感器205可以配置为仅测量在关节200a的致动方向上的扭矩和从输出部202传递到输入部201的轴向力。

在如图3所示的实施例中，关节200b的多自由度力和/或扭矩传感器205可以放置在关节200b的输入部201和前一连接臂301之间。在该实施例中，多自由度力和/或扭矩传感器205可以设计用于测量六个自由度中任意数量的自由度的力和扭矩信息。例如，多自由度力和/或扭矩传感器205可以是能够测量所有三个力方向上的力信息的三自由度力传感器、能够测量所有三个扭矩方向上的扭矩信息的三自由度扭矩传感器、能够测量所有三个力方向上的力信息和在关节200b的致动方向上的扭矩的四自由度力和扭矩传感器等。

在一实施例中，多自由度力和/或扭矩传感器205可以是六自由度力和扭矩传感器，其能够感测在前一连接臂301和关节200b的输入部201之间传递的所有力和扭矩。关节200b还可以包括与多自由度力和/或扭矩传感器205通信的传感器电路板207。传感器电路板207可以位于关节200b的输入部201的输入端，并且与多自由度力和/或扭矩传感器205相邻。该示例的配置可以极大地简化多自由度力和/或扭矩传感器205和传感器电路板207的布线配置。

在如图4所示的实施例中，关节200c的多自由度力和/或扭矩传感器205可以放置在关节200c的输出部202和后一个连接臂302之间。在该实施例中，多自由度力和/或扭矩传感器205可以设计用于测量六个自由度中任意数量的自由度的力和扭矩信息。例如，多自由度力和/或扭矩传感器205可以是能够测量所有三个力方向上的力信息的三自由度力传感器、能够测量所有三个扭矩方向上的扭矩信息的三自由度扭矩传感器、能够测量所有三个力方向上的力信息和在关节200b的致动方向上的扭矩的四自由度力和扭矩传感器等。

在一实施例中，多自由度力和/或扭矩传感器205可以是六自由度力和扭矩传感器，其能够感测在关节200b的输出部202和后一个连接臂302之间传递的所有力和扭矩。在该实施例中，与多自由度力和/或扭矩传感器205放置在输入端或对应的关节内部的上述实施例(如图2或图3所示)相比，致动输出和感测部件(例如，多自由度力和/或扭矩传感器205)之间的顺应性较小，因此可以提高关节200c的扭矩感测精度和控制性能。

在图3和图4所示的实施例中，由于传感器205是多自由度力和/或扭矩传感器，因此可以将其放置在输入部201、输出部202和轴承206的外部，而不会破坏感测精度。因此，多自由度力和/或扭矩传感器205可以灵活地安装在关节上的任何地方，以获得设计益处，例如简化布线配置或优化关节设计从而获得更好的动力学性能和控制性能。

在图5所示的实施例中，关节200d可以包括两个多自由度力和/或扭矩传感器205和207。第一传感器205可以位于关节200d的输入部201和前一连接臂301之间，而第二传感器207可以位于关节200d的输出部202和后一个连接臂302之间。两个传感器205和207中的任一个可以是另一个的冗余，以便提高测量力和扭矩信息的精度。在一些示例中，机械臂100中另外的冗余传感器可以用于交叉检查以用于故障检测和更好的安全性。在一些实施例中，传感器205和207可以基本上相同。在其他实施例中，传感器207可以不同于传感器205。例如，传感器207测量的力和扭矩信息可以不同于传感器205测量的力和扭矩信息。

图6A至图6C示出了机械臂的每个关节包括单自由度扭矩传感器的示例场景。在该示例中，机器人包括三个连接臂411-413、三个关节511-513和端部执行器414。关节511-513中的每个包括传感器，该传感器配置为仅测量对应关节的致动方向上的扭矩。当负载610施加在端部执行器414上时，关节511和513中的传感器可以各自感测一自由度扭矩，如图6A中的机械臂10上所示。当负载620施加在连接臂413上时，关节511和512中的传感器可以各自感测一自由度扭矩，如图6B中的机械臂20上所示。当负载610和负载620分别同时施加在端部执行器414和连接臂413上时，关节511-513中的传感器可以各自感测一自由度扭矩，如图6C中的机械臂30上所示。然而，在该示例场景中，机器人不能正确地识别两个负载610和620。相反，机器人可能将负载610和620误认为是端部执行器上的单个力负载630，因为在施加一个负载630的情况下多自由度传感器的感测结果与施加两个负载610和620的情况下的感测结果相同。因此，这可能破坏机器人的控制性能和机器人在复杂环境中正常运行的能力。

相比之下，图7A至图7C示出了机械臂的每个关节包括多自由度力和/或扭矩传感器的示例场景。在该示例中，机器人包括三个连接臂411-413、三个关节511-513和端部执行器414。关节511-513中的每个包括传感器，该传感器配置为测量多个自由度的力和/或扭矩信息，例如，在对应关节的致动方向上的扭矩和垂直于对应关节的致动方向的两个力。当负载610施加在图7A中的机械臂40的端部执行器414上时，关节511和513中的传感器可以各自感测一自由度扭矩和一自由度力，并且关节512中的传感器可以感测一自由度力。当负载620施加在图7B中的机械臂50的连接臂413上时，关节511和512中的传感器可以各自感测一自由度扭矩和一自由度力。当负载610和负载620分别同时施加在图7C中的机械臂60的端部执行器414和连接臂413上时，关节511和512中的传感器可以各自感测一自由度扭矩和二自由度力，并且关节513中的传感器可以感测一自由度扭矩和一自由度力。因此，在该实施方式中，可以准确地识别两个负载610和620，因为在施加一个负载630(如图6C所示)的情况下多自由度传感器的感测结果与施加两个负载610和620的情况下的感测结果不同。因此，利用多自由度力和/或扭矩传感器，即使在不同位置上具有不同负载，机器人仍然能够精确地估计每个负载。

在一些实施例中，机器人的两个相邻关节都可以配备有六自由度力和扭矩传感器。两个相邻的关节(例如，图1中的关节125和126)可以由关节N和关节(N+1)表示，并且对应关节上的传感器读数可以是和(转换为相同坐标)，它们都是六自由度矢量。

是两个关节之间的总惯性力。假设单点接触施加在两个关节之间的连接臂(例如，图1中的连接臂136)上的任何地方，那么接触点的六自由度信息(例如，连接臂上的二自由度位置、一自由度法向力、二自由度剪切力和一自由度扭转力)可以基于来计算，其中T是解决问题的转换函数。这种接触点信息可以用于多种目的，包括更好的人-机器人界面和安全性。

例如，机器人可以更好地了解其身体上的点接触，使得机器人能够更适当地反应以保护人类操作者并且将异常碰撞与正常的交互式接触区分开。在另一示例中，人类操作者可以在机器人的特定连接臂上绘制具有特定力分布的特定图案，以向机器人给出某些命令。在前面分析的基础上，通过对对应的关节投射可以计算出点接触对相邻关节的影响，使得每个关节的局部扭矩控制器可以产生额外的扭矩来补偿该影响。因此，整个臂可以更好地抵抗臂上的干扰而不影响操作任务和端部执行器。

在上述实施例中，利用了六自由度力和扭矩传感器。在本发明的某些实例中，可以使用能够测量较少自由度的力和扭矩信息的传感器来检测臂上较简单的接触力。例如，在用户仅在臂上施加没有剪切或扭转摩擦的法向力的情况下，可以使用不能测量沿着和围绕连接臂轴线的力和扭转的四自由度传感器来感知连接臂上的接触力。

参考图1，在一些实施例中，机器人100的关节121-127中的每个可以配备有多自由度力和/或扭矩传感器，其在某一方面可以是六自由度力和扭矩传感器。在这种实施例中，臂中另外的冗余传感器可以融合在一起以提高感测精度。例如，对来自固定机械臂的多个关节的相同力方向上的传感器输出求平均可以减少该方向上的总体感测误差。如果传感器在一个感测方向上具有噪声或误差标准偏差σ，则当每个关节中具有七自由度臂和六自由度传感器，误差标准偏差可以变为

关节中的力和扭矩传感器可以用于精确地估计机器人连接臂131-137中的每个上的外部接触力的位置、定向和大小，这对于更高级的人-机器人交互和接口是有用的信息。由于扭矩和力传感器不必放置在关节131-137内部，因此它们可以更灵活地安装在对应关节上的任何地方，以获得设计益处，例如为了更好的动力学和控制性能而简化布线配置或优化关节设计。

无需进一步阐述，相信本领域技术人员可以使用前述描述来最大程度地利用所要求保护的发明。本文中所揭示的示例和实施例应被解释为仅为说明性的并且不以任何方式限制本发明的范围。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所讨论的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行变化。换句话说，以上描述中具体公开的实施例的各种修改和改进都在所附权利要求的范围内。例如，所描述的各种实施例的特征的任何适当组合是预期的。