专利名称：一体化旋转关节和确定一体化旋转关节零位的方法
技术领域：
本发明涉及机器人领域，具体地，设计一种用于机器人的一体化旋转关节和该一体化旋转关节的控制方法。
背景技术：
“一体化关节设计”是机器人技术发展的一个新方向，是设计和建立机器人系统的一种现代方法。随着机器人的种类和复杂性的日益增加，对关节一体化研究提高了机器人结构的通用性、可重用性和可靠性，具有较高的使用价值和应用前景。现有的一体化关节包括驱动电机、控制器、减速器、编码器和制动器，不能测量关节的输出力矩，由此类一体化关节构建的机器人很难实现高精度的力控制和与环境的稳定接触。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体化旋转关节和该一体化旋转关节的控制方法，该一体化旋转关节中具有力觉测量的功能。为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种一体化旋转关节，该一体化旋转关节包括壳体、设置在该壳体内的关节主体、关节输出轴和控制器，所述关节主体包括电机和与该电机相连的减速器，该减速器的减速器输出轴与所述关节输出轴相连，所述电机与所述控制器电连接，其中，所述关节主体还包括力矩传递传感装置，该力矩传递传感装置连接在所述减速器和所述关节输出轴之间，以将所述减速器输出的力矩传递给所述关节输出轴并测量该关节输出轴输出的力矩。优选地，所述力矩传递传感装置包括弹性模块单元和弹性形变测量单元，所述弹性模块单元包括输入件、输出块和连接所述输入件和所述输出块的弹簧，所述减速器与所述输入件相连，所述输出块与所述弹性形变测量单元连接，且所述输出块与所述关节输出轴连接。优选地，所述输入件包括底壁和环绕该底壁设置的侧壁，所述减速器输出轴与所述底壁相连，所述弹簧设置在所述侧壁上，以使所述输出块位于所述侧壁和所述底壁围成的空间内。优选地，所述输入件的侧壁上设置有多个连接块，该多个连接块沿所述输入件的周向均匀分布，所述输出块包括多个输出辐，该多个输出辐沿所述输入件的周向均匀分布，且每个所述输出辐位于相邻两个所述连接块之间，所述弹簧连接相邻的所述输出辐和所述连接块。优选地，所述减速器为谐波减速器，该谐波减速器包括杯形柔轮，该杯形柔轮固定在所述减速器输出轴上，该减速器输出轴与所述输入件的所述底壁相连。优选地，所述输入件的所述底壁上设置有第一通孔，所述输出块的中部设置有与所述第一通孔同轴的第二通孔，所述减速器输出轴穿过所述第一通孔，并通过轴承支撑在所述第二通孔中。优选地，弾性形变测量単元为增量式编码器，该弹性形变测量単元包括第一基座、第一码盘、第一电路板以及设置在该第一电路板上的第一发射器，所述第一码盘设置在所述第一基座内部，所述第一基座与 所述输出块相连，所述第一码盘与所述减速器输出轴相连，且所述第一电路板与所述控制器电连接，所述第一发射器设置在所述第一基座上，且所述第一发射器与所述第一码盘上Z脉冲信号的位置相邻。优选地，该一体化旋转关节还包括与所述减速器输出轴连接的減速器角度测量单元，该减速器角度测量单元与所述控制器电连接。优选地，所述减速器角度测量单元为增量式编码器，该减速器角度测量单元包括第二基座、第二码盘、第二电路板和设置在该第二电路板上的第二发射器，所述第二码盘设置在所述第二基座内部，且所述第二基座与所述壳体相连，所述第二码盘与所述减速器输出轴相连，所述第二发射器设置在所述基座上。优选地，所述电机为无框无刷电机，所述电机的中心轴内形成有沿该中心轴延伸的第一中心孔，所述减速器输出轴的一部分穿过所述第一中心孔延伸至所述壳体外部，所述减速器角度測量单元设置在所述减速器输出轴位于所述壳体外部的部分上。优选地，所述减速器输出轴包括同轴连接的第一減速器输出轴和第二減速器输出轴，所述第一減速器输出轴穿过所述第一中心孔，所述第二減速器输出轴与所述输入件相连。优选地，所述第一減速器输出轴内形成有沿该第一減速器输出轴的轴向延伸的第ニ中心孔，所述弹性形变测量単元的电源线与数据线穿过所述第二中心孔与所述控制器电连接。优选地，所述关节主体还包括安装板，该安装板设置在所述第二減速器输出轴上，该安装板的一个端面与所述输出块相连，所述弹性形变测量単元和所述输出轴均与所述安装板的另ー个端面相连。优选地，所述关节输出轴包括轴本体，该轴本体的一端设置有连轴部，该连轴部中形成有开ロ朝向所述安装板的空腔，所述连轴部与所述安装板固定相连，所述第二減速器输出轴延伸至所述空腔内部，所述弹性形变测量单元设置在所述空腔内，且所述第一码盘与所述第二減速器输出轴相连，所述第一基座与所述输出块相连。优选地，所述第二減速器输出轴内形成有沿该第二減速器输出轴的轴向延伸的第三中心孔，所述弹性形变测量単元的电源线和数据线穿过所述第三中心孔进入所述第二中心孔。作为本发明的另ー个方面，还提供一种一体化旋转关节的控制方法，该一体化旋转关节为本发明所提供的上述一体化旋转关节，其中，所述控制方法包括以下步骤旋转所述一体化旋转关节旋转，直至所述カ矩传递传感装置检测到该カ矩传递传感装置的零位为止。优选地，所述步骤一包括转动所述关节输出轴，直至所述第一电路板检测到所述弾性形变测量単元的Z脉冲信号为止。优选地，所述控制方法还包括步骤ニ、确定所述一体化旋转关节的初始位置。
优选地，所述步骤ニ包括以下步骤对所述一体化旋转关节通电后，向任意方向转动所述减速器输出轴，直至所述第ニ电路板检测到所述减速器角度测量单元的Z脉冲信号为止。优选地，所述步骤ニ包括以下步骤步骤(I)、对所述一体化旋转关节通电后,让该一体化旋转关节向任意方向转动，直至所述第二电路板检测到所述减速器角度测量单元的U脉冲信号、V脉冲信号和W脉冲信号中的任意一者为止；步骤(2)、朝向距离所述减速器角度测量单元的Z脉冲信号较近的方向转动所述一体化旋转关节，直至所述第二电路板检测到所述Z脉冲信号为止。本发明所述的一体化旋转关节中设置了カ矩传递传感装置，能够感知该一体化旋 转关节输出的カ矩，扩大了所述一体化旋转关节的应用范围。
附图是用来提供对本发明的进ー步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式
一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中图I是本发明所述的一体化旋转关节的结构示意图；图2是图I中所示的一体化旋转关节的关节主体的示意图；图3是图I中所示的一体化旋转关节中的弾性模块单元的立体图；图4是图3中所示的弹性模块单元的主视图；图5是图3中所示的弹性模块单元的输出块的主视6是图4中所示的弹性模块单元的剖视图；图7是图I中所示的一体化旋转关节中弹性模块单元与关节输出轴之间的连接关系的不意图；图8是图I中所示的一体化旋转关节中的弾性形变测量単元的示意图；图9是图I中所示的一体化旋转关节的安装板的立体示意图；图10是图I中所示的一体化旋转关节的关节输出轴的主剖视图；图11是图I中所示的一体化旋转关节的电机的主剖视图；和图12是图I中所示的一体化旋转关节的减速器的主剖视图。附图标记说明10 壳体20 关节主体21 电机22 减速器23 カ矩传递传感装置 24 弹性模块单元25 弹性形变测量单元 26 关节输出轴27 減速器角度测量单元 28 安装板30 控制器21a 中心轴22a 杯形柔轮22b 刚轮22c 波发生器22d 第一減速器输出轴22e 第二减速器输出轴 24a 输入件24b 输出块24c 弹簧
24d连接块24e输出辐25a第一基座25b第一电路板25c第一码盘25d第一发射器26a空腔26b连轴部26c轴本体28a输出块连接孔28b输出轴连接孔28c弹性形变测量单元安装孔
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式
仅用于说明和解释本发明，并不用干限制本发明。 如图I所示，本发明提供ー种一体化旋转关节，该一体化旋转关节包括壳体10、设置在该壳体10内的关节主体20、关节输出轴26和控制器30，关节主体20包括电机21和与该电机21相连的减速器22，该减速器22的减速器输出轴与关节输出轴26相连，其中，关节主体20还包括カ矩传递传感装置23，该カ矩传递传感装置23连接在减速器22和关节输出轴26之间，以将减速器22输出的力矩传递给关节输出轴26并测量关节输出轴26输出的カ矩。从上述描述中可以知道，カ矩传递传感装置23的功能主要有两个一、将减速器输出的力矩传递给关节输出轴；ニ、測量关节输出轴26输出的カ矩。电机21经减速器22减速后输出较大的カ矩，连接在减速器22和关节输出轴26之间的カ矩传递传感装置23将カ矩传递给关节输出轴26，并同时测得该力矩传递传感装置23传递的カ矩。应当理解的是，传递给关节输出轴26的カ矩与该关节输出轴26输出的力矩是相同的。与关节输出轴26相连的便是下ー节关节。在一体化旋转关节中设置カ矩传递传感装置，可以传递并测量カ矩，从而可以使本发明所述的一体化旋转关节可以应用于有力觉感知要求的机器人领域(例如，各种服务类机器人)。测得关节输出轴26输出的カ矩后，弾性形变测量単元25将信号传递给控制器30，操作者可以根据该カ矩对安装所述一体化旋转关节的机器人进行控制。因此，所述一体化旋转关节适合于构建服务型机器人。在本发明中，对カ矩传递传感装置23的具体形式并不作限定，只要能够在传递カ矩的同时测量カ矩的大小即可。例如，カ矩传递传感装置23可以是轮辐式カ矩传感器。该轮辐式传感器便于安装在关节主体20内。本领域技术人员应当理解的是，在本发明中，控制器30可以包括彼此电连接的驱动电路和控制电路，所述驱动电路与所述电机21电连接。所述控制电路与上一级控制単元电连接。上一级控制单元将信号发送给控制器30的控制电路，该控制电路将所述信号传递给所述驱动电路，而该驱动电路用于将所述信号放大，并发送给电机21。为了使关节具有柔性，优选地，カ矩传递传感装置23可以包括弾性模块单元24和弹性形变测量单元25，弹性模块单元24包括输入件24a、输出块24b和连接输入件24a和输出块24b的弹簧24c，减速器22与输入件24a相连，输出块24b与弹性形变测量单元25连接，且输出块24b与关节输出轴26连接。S卩，输出块24b的一部分与弹性形变测量单元25连接，另一部分与关节输出轴26连接，从而在传递カ矩的同时，能够利用弾性形变测量单元25检测输出块24b输出的カ矩。減速器22的力矩输入至输入件24a之后，通过弹簧24c传递给输出块24b，而输出块24b进ー步将カ矩传递给关节输出轴16。弹簧24c能够缓冲关节输出轴26承受的カ矩，減少传递至減速器输出轴的反向カ矩。并且，根据弹簧24c的变形程度可计算出该一体化旋转关节所受到的カ矩。本发明 所述的カ矩传递传感装置23结构简单，便于安装。为了便于安装输出块24b，并使弹性模块单元24具有较高的机构稳定性，优选地，如图3至图6中所示，输入件24a可以包括底壁和环绕该底壁设置的侧壁，所述减速器输出轴与所述底壁相连，弹簧24c设置在所述侧壁上，以使输出块24b位于所述侧壁和所述底壁围成的空间内。如图3和图6所示，输入件24a形成为一端开ロ、另一端封闭的筒状。所述減速器输出轴可以方便地与输入件24a的底壁相连接。为了便于与减速器22以及关节输出轴26相连，优选地，如图3和图4所示，输入件24a的侧壁上设置有多个连接块24d，该多个连接块24d沿输入件24a的周向均匀分布，输出块24b包括多个输出辐24e，该多个输出辐沿输入件24a的周向均匀分布，且每个输出辐24e设置在相邻两个连接块24d之间，弹簧24c连接相邻的输出辐24e和连接块24d。如图3、图4和图6中所示的实施方式，输入件24a上可以设置3个连接块24d，输出块24b可以包括三个输出辐24e。在本发明中，可以将连接块24d焊接在输入件24a的侧壁上，也可以如图3中所示的，利用紧固件将连接块24d设置在输入件24a的侧壁上。可以利用紧固件将输入件24a与減速器22的減速器输出轴相连接。同样的，可以利用紧固件将输出块21b的输出辐与关节输出轴相连。如图3所示，输出块24b设置在输入件24a的内部空间中，输出块24b的姆个输出福的端面与输出块24b的内表面存在一定的距离。当输入件24a转动时，通过弹簧24c带动输出块24b转动。在本发明中，对减速器22的形式也没有特殊要求，只要能够降低电机21的转速即可。例如，減速器22可以是普通的齿轮减速器。为了输出更大的カ矩，优选地，減速器22为谐波減速器，如图I和图2所示，该谐波減速器包括杯形柔轮22a，该杯形柔轮22a固定在所述减速器输出轴上，该减速器输出轴的一端与输入件24a的所述底壁相连。谐波减速器的減速比通常都很大(在本发明中，可以采用減速比为160:1的谐波減速器)，从而可以向弹性模块单元24输出较大的カ矩。优选地,如图4和图6中所不，输入件24a的所述底壁上可以设置有第一通孔,输出块24b的中部设置有与所述第一通孔同轴的第二通孔，所述减速器输出轴穿过所述第一通孔，并通过轴承支撑在所述第二通孔中。这样，既可以将减速器输出轴输出的カ矩传递给弾性模块单元，又可以对该弾性模块单元24进行支撑。如图I和图2所示，所述减速器输出轴通过螺栓与输入件24a相连。为了更精确地测量所述一体化旋转关节的关节输出轴26所输出的カ矩，优选地，弾性形变测量単元25为增量式编码器，如图8所示，该弹性形变测量単元25包括第一基座25a、第一码盘25c、第一电路板25b和设置在第一电路板25b上的第一发射器25d,第一码盘25c设置在第一基座25a内部,第一基座25a与所述输出块24b相连,第一码盘25c与所述减速器输出轴相连，第一发射器25d设置在第一基座25a上,且第一电路板25b与控制器30电连接。如图8中所不,第一发射器25d设置在第一基座25a上,且位于第一基座25a与第一电路板25b围成的空间内。第一电路板25b上设置有感应件,第一发射器25d发出的信号穿过第一码盘25c，并由第一电路板25b上的感应件感知。为了便于确定弾性形变测量単元25零位及绝对位置，优选地，第一发射器25d可以与第一码盘25c上Z脉冲信号的位置相邻(下文中详细描述)。第一发射器25d发出的信号经过第一码盘25c上的Z脉冲信号的位置后，发出Z脉冲信号，该Z脉冲信号将由第一电路板25b感知，并显示检测到该增量式编码器的零位。当減速器输出轴旋转时，会带动弹性形变测量単元25的第一码盘25c转动，从而能够测量获得减速器输出轴与输出块24b之间的相对转角。为了达到较高的角度測量精度，优选地，増量式编码器的码盘沿圆周方向被划分为·2500份，因此利用増量式编码器测量减速器输出轴与输出块24b之间的相对转角的精度可高达O. 036度。同时利用相对转角计算出弹簧24c的变形量，进而根据胡克定律即可计算出输出块24b输出的カ矩。优选地，该一体化旋转关节还包括与減速器输出轴连接的減速器角度测量单元27，该减速器角度测量单元27与控制器30电连接。利用減速器角度测量单元27可以测得減速器输出轴相对于壳体10转过的角度。減速器输出轴相对于壳体10转过的角度与減速器输出轴与关节输出轴26之间的相对转角之和为一体化旋转关节的关节输出轴26输出的转角。由此可知，本发明所述的一体化旋转关节不仅可以测量关节输出轴26输出的カ矩，而且可以测量该一体化旋转关节转过的角度。为了使測量结果更加精确，优选地，減速器角度测量单元27为增量式编码器，该減速器角度测量单元27包括第二基座、第二码盘、第二电路板和设置在第二电路板上的第ニ发射器，第二码盘设置在第二基座内部，该第二基座与壳体10相连，第二发射器设置在第二基座上，且所述第二码盘与所述减速器输出轴相连。与弾性形变测量単元25的结构相似，第二发射器也设置在第二基座和第二电路板围成的空间内，第二电路板上设置有感应件，第二发射器发出的信号能够穿过第二码盘，并由第二电路板上的感应件感知。減速器输出轴转动时，会带动所述第二码盘转动，从而測量出減速器输出轴相对于壳体10转过的角度。为了提高输出的カ矩，优选地电机21为无框无刷电机。在本发明的ー种优选实施方式中所采用的电机21的连续堵转カ矩为O. 387Nm，采用的谐波减速器的減速比为160:1，因此，本发明所述一体化旋转关节输出的カ矩可高达61. 92Nm，使得本发明所述的一体化旋转关节可以应用于服务型机器人，实现为人服务(例如，按摩，康复)的目的。进ー步优选地，如图11所示，电机21的中心轴21a内形成有沿该中心轴21a延伸的第一中心孔，所述减速器输出轴的一部分穿过所述第一中心孔延伸至壳体10外部。可以将减速器角度测量单元27设置在所述减速器输出轴位于壳体10外部的部分上。为了便于加工，优选地，如图12所示，所述减速器输出轴包括同轴连接的第一减速器输出轴22d和第二减速器输出轴22e,第一减速器输出轴22d穿过所述第一中心孔,第ニ减速器输出轴22e与输入件24相连。可以通过分别加工第一减速器输出轴22d和第二减速器输出轴22e、然后将二者连接的方式来获得所述减速器输出轴。当减速器22为谐波減速器时，如图10中所示，该减速器22包括杯形柔轮22a、刚轮22b和波发生器22c，在本发明中，第二減速器输出轴22e通过螺栓与杯形柔轮22a相连，并且第一減速器输出轴22d穿过波发生器22c中的通孔。
为了便于走线，优选地，第一減速器输出轴22d内形成有沿该第一減速器输出轴22d的轴向延伸的第二中心孔，弾性形变测量単元25的电源线和数据线穿过所述第二中心孔与控制器30电连接。下面将详细描述弹性形变测量単元25的设置方式。如图7所示，关节主体20还包括安装板28，该安装板28设置在第二减速器输出轴22e上，该安装板28的一个端面与所述输出块24b相连，弹性形变测量单元25和关节输出轴26均与所述安装板28的另ー个端面相连。
安装板28为弹性形变测量単元25提供了安装位置。第一基座25a固定在安装板28上，第一码盘25c与第二减速器输出轴22e连接即可。应当理解的是，安装板28与第二减速器输出轴22e之间的连接为不可转动的连接。例如，如图9所示，安装板28上设置有输出块连接孔28a、输出轴连接孔28b和弹性形变测量単元安装孔28c，该安装板28通过设置在输出块连接孔28a中的紧固件与输出块24b相连，通过设置在输出轴连接孔28b中的紧固件与关节输出轴26相连，通过设置在弾性形变测量単元安装孔28c中的紧固件与弾性形变测量単元25相连。具体地，关节输出轴26包括轴本体26c，该轴本体26c的一端设置有连轴部26b，该连轴部26b中形成有开ロ朝向所述安装板28的空腔26a，连轴部26b与安装板28固定相连，第二减速器输出轴22e延伸至空腔26a内部，弹性形变测量单元25设置在空腔26a内，且弹性形变测量単元25的基座与所述第二減速器输出轴22e相连，弾性形变测量単元25的码盘与输出块24b相连。如此设置可以节约安装空间，使本发明所述的一体化旋转关节结构更紧凑。如图10所示，关节输出轴26的连轴部26b的外径可以大于轴本体26c的直径，从而可以在连轴部26b内形成足够大的空腔26a，以便于安装弾性形变测量単元25。优选地，所述第二減速器输出轴22e内还可以形成有沿该第二減速器输出轴22e的轴向延伸的第三中心孔，弾性形变测量単元25的导线和数据线穿过所述第三中心孔进入所述第二中心孔，并穿过第二中心孔到达壳体10外部，并与控制器30电连接。在使用一体化旋转关节时，要确定一体化旋转关节的零位才能精确地测量一体化旋转关节在运转时输出的カ矩，并对一体化旋转关节进行位置控制。作为本发明的另ー个方面，还提供一种确定一体化旋转关节零位的方法。所述ー体化旋转关节为本发明所提供的上述一体化旋转关节，其中，所述方法包括以下步骤步骤一、旋转所述一体化旋转关节旋转，直至カ矩传递传感装置23检测到该カ矩传递传感装置23的零位为止。一体化旋转关节停止运行后，カ矩传递传感装置23仍保持该一体化旋转关节停止前的状态。为了在再次运行一体化旋转关节时精确地测量该一体化旋转关节的输出力矩，应当先确定カ矩传递传感装置23的零位。确定了カ矩传递传感装置23的零位后，可以利用控制器30向电机21输出控制信号，使一体化旋转关节开始工作。在本发明中，优选地，カ矩传递传感装置23包括弾性形变测量単元25，且该弹性形变测量単元25为增量式编码器。カ矩传递传感装置23的零位即为弹性形变测量単元25的零位。弾性形变测量単元25的零位是指第一发射器25d与该弹性形变测量単元25的第ー码盘25c的Z脉冲信号相对应的位置。此时，所述步骤一包括转动所述关节输出轴，直至所述第一电路板检测到所述弹性形变测量単元25的Z脉冲信号为止。由于弹性形变测量単元25测量的是减速器输出轴和关节输出轴26之间的相对转角，且弹性形变测量単元25的第一发射器25d位于第一码盘25c上Z脉冲信号的位置附近。因此，只需将关节输出轴26转过较小的角度范围就能够找到弾性形变测量単元25的零位。找到カ矩传递传感装置23的零位后，在一体化旋转关节运行的过程中，カ矩传递传感装置
23测得的カ矩值即为该一体化旋转关节输出的力矩值。在本发明中，由于第一发射器25d安装在第一码盘25c的Z脉冲信号位置附近,因此只需将关节输出轴26转过很小的位置就可以找到カ矩传递传感装置23的零位。因此，在本发明中既可以手动地转动关节输出轴使カ矩传递传感装置23到达零位，也可以利用控制器30向电机21输出ー个信号,使关节输出轴26转动。
在本发明中，一体化旋转关节的零位可以包括两个方面第一个方面为上文中所述的カ矩传递传感装置23的零位；第二个方面为减速器角度测量单元27的零位。下文中将详细介绍确定減速器角度测量单元27的零位的方法。如上文中所述，利用カ矩传递传感装置23和減速器角度测量单元27还可以測定本发明所述的一体化旋转关节转过的角度。为了准确地测量所述一体化旋转关节转过的角度，优选地，所述方法还包括步骤ニ、继续旋转所述一体化旋转关节，直至減速器角度測量単元27检测到该减速器角度测量单元27的零位为止。因此，本发明所述的方法还包括步骤ニ 继续旋转所述一体化旋转关节，直至減速器角度测量单元27检测到该减速器角度测量单元的零位为止。如上文中所述，減速器角度测量单元27优选为増量式编码器，该减速器角度測量単元27的零位为第二发射器与減速器角度测量单元27的第二码盘上的Z脉冲信号相对应的位置。如果第二发射器距离第二码盘上的Z脉冲信号的位置较近，转动较小的角度就能个到达減速器角度测量单元27的零位。此时，所述步骤ニ包括以下步骤对所述一体化旋转关节通电后，向任意方向转动所述减速器输出轴，直至所述第二电路板检测到所述减速器角度测量单元27的Z脉冲信号为止。一体化旋转关节上通常设置有很多导线，如果第二发射器距离第二码盘上的Z脉冲信号的位置较远就可能会妨碍到该一体化旋转关节的旋转，因此不宜采用上述步骤来确定一体化旋转关节的零位。除Z脉冲信号外，減速器角度测量单元27的第二码盘上还设置有U脉冲信号、V脉冲信号和W脉冲信号。该三个脉冲信号两两之间的夹角为120度。Z脉冲信号与U脉冲信号、V脉冲信号以及W脉冲信号之间的夹角是固定的。因此，所述步骤ニ可以包括以下步骤步骤(I)、对所述一体化旋转关节通电后,让该一体化旋转关节向任意方向转动，直至所述第二电路板检测到減速器角度测量单元27的U脉信号沖、V脉冲信号和W脉冲信号中的任意一者为止；步骤(2)、朝向距离所述减速器角度测量单元27的Z脉冲信号较近的方向转动所述一体化旋转关节，直至所述第二电路板检测到所述Z脉冲信号为止。由于U脉冲信号、V脉冲信号和W脉冲信号和Z脉冲信号之间的夹角已知，可以非常容易地确定寻找Z脉冲信号的旋转方向。
应当注意的是，在本发明中，需要测得所述一体化旋转关节输出的转角，才能实现对关节的控制，旋转关节的转角由カ矩传递传感装置23和減速器角度测量单元27两部分测出的转角和组成。在完成カ矩传递传感装置初始输出力矩和减速器角度测量单元零位的确定后，一体化旋转关节即可正常工作。本发明所述的一体化旋转关节中设置了カ矩传递传感装置，能够测量该一体化旋转关节输出的カ矩，扩大了所述一体化旋转关节的应用范围。以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
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此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
权利要求
1.一种一体化旋转关节，该一体化旋转关节包括壳体(10)、设置在该壳体(10)内的关节主体(20 )、关节输出轴(26 )和控制器(30 )，所述关节主体(20 )包括电机(21)和与该电机(21)相连的减速器(22)，该减速器(22)的减速器输出轴与所述关节输出轴(26)相连，所述电机(21)与所述控制器(30 )电连接，其特征在于，所述关节主体(20 )还包括力矩传递传感装置(23)，该力矩传递传感装置(23)连接在所述减速器(22)和所述关节输出轴(26)之间，以将所述减速器(22)输出的力矩传递给所述关节输出轴(26)并测量该关节输出轴(26)输出的力矩。
2.根据权利要求I所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述力矩传递传感装置(23)包括弹性模块单元(24)和弹性形变测量单元(25)，所述弹性模块单元(24)包括输入件(24a)、输出块(24b)和连接所述输入件(24a)和所述输出块(24b)的弹簧(24c)，所述减速器(22)与所述输入件(24a)相连，所述输出块(24b)与所述弹性形变测量单元(25)连接，且所述输出块(24b )与所述关节输出轴(26 )连接。
3.根据权利要求2所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述输入件(24a)包括底壁和环绕该底壁设置的侧壁，所述减速器输出轴与所述底壁相连，所述弹簧(24c)设置在所述侧·壁上，以使所述输出块(24b)位于所述侧壁和所述底壁围成的空间内。
4.根据权利要求3所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述输入件(24a)的侧壁上设置有多个连接块(24d)，该多个连接块(24d)沿所述输入件(24a)的周向均匀分布，所述输出块(24b)包括多个输出辐(24e)，该多个输出辐沿所述输入件(24a)的周向均匀分布，且每个所述输出辐(24e )位于两个相邻的所述连接块(24d)之间，所述弹簧(24c )连接相邻的所述连接块(24d )和所述输出辐(24e )。
5.根据权利要求3所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述减速器(22)为谐波减速器，该谐波减速器包括杯形柔轮(22a)，该杯形柔轮(22a)固定在所述减速器输出轴上，该减速器输出轴与所述输入件(24a)的所述底壁相连。
6.根据权利要求5所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述输入件(24a)的所述底壁上设置有第一通孔，所述输出块(24b)的中部设置有与所述第一通孔同轴的第二通孔，所述减速器输出轴穿过所述第一通孔，并通过轴承支撑在所述第二通孔中。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述弹性形变测量单元(25)为增量式编码器，该弹性形变测量单元(25)包括第一基座(25a)、第一码盘(25c)、第一电路板(25b)和设置在该第一电路板(25b)上的第一发射器(25d),所述第一码盘(25c)设置在所述第一基座(25a)内部,所述第一基座(25a)与所述输出块(24b)相连,所述第一码盘(25c)与所述减速器输出轴相连，且所述第一电路板(25b)与所述控制器(30)电连接，且所述第一发射器(25d)设置在所述第一基座(25a)上，且与所述第一码盘(25c)上Z脉冲信号的位置相邻。
8.根据权利要求7所述的一体化旋转关节，其特征在于，该一体化旋转关节还包括与所述减速器输出轴连接的减速器角度测量单元(27)，该减速器角度测量单元(27)与所述控制器(30)电连接。
9.根据权利要求8所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述减速器角度测量单元(27)为增量式编码器，该减速器角度测量单元(27)包括第二基座、第二码盘、第二电路板和设置在该第二电路板上的第二发射器，所述第二码盘设置在所述第二基座内部，且该第二基座与所述壳体(10)相连，所述第二码盘与所述减速器输出轴相连，所述第二发射器设置在所述第二基座上。
10.根据权利要求9所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述电机(21)为无框无刷电机，所述电机(21)的中心轴(21a)内形成有沿该中心轴(21a)延伸的第一中心孔，所述减速器输出轴的一部分穿过所述第一中心孔延伸至所述壳体(10)外部，所述减速器角度测量单元(27)设置在所述减速器输出轴位于所述壳体(10)外部的部分上。
11.根据权利要求10所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述减速器输出轴包括同轴连接的第一减速器输出轴(22d)和第二减速器输出轴(22e),所述第一减速器输出轴(22d)穿过所述第一中心孔，所述第二减速器输出轴(22e)与所述输入件(24a)相连。
12.根据权利要求11所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述第一减速器输出轴 (22d)内形成有沿该第一减速器输出轴(22d)的轴向延伸的第二中心孔，所述弹性形变测量单元(25)的导线穿过所述第二中心孔与所述控制器(30)电连接。
13.根据权利要求11所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述关节主体(20)还包括安装板(28 )，该安装板(28 )设置在所述第二减速器输出轴(22e )上，该安装板(28 )的一个端面与所述输出块(24b)相连，所述弹性形变测量单元(25)和所述关节输出轴(26)均与所述安装板(28)的另一个端面相连。
14.根据权利要求13所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述关节输出轴(26)包括轴本体(26c)，该轴本体(26c)的一端设置有连轴部(26b)，该连轴部(26b)中形成有开口朝向所述安装板(28)的空腔(26a)，所述连轴部(26b)与所述安装板(28)固定相连，所述第二减速器输出轴(22e)延伸至所述空腔(26a)内部，所述弹性形变测量单元(25)设置在所述空腔(26a)内，且所述第一码盘(25c)与所述第二减速器输出轴(22e)相连，所述第一基座(25a)与所述输出块(24b)相连。
15.根据权利要求14所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述第二减速器输出轴(22e)内形成有沿该第二减速器输出轴(22e)的轴向延伸的第三中心孔，所述弹性形变测量单元(25)的电源线和数据线穿过所述第三中心孔进入所述第二中心孔。
16.一种确定一体化旋转关节零位的方法，该一体化旋转关节为权利要求I至15中任意一项所述的一体化旋转关节，其特征在于，所述方法包括以下步骤 步骤一、旋转所述一体化旋转关节旋转，直至所述力矩传递传感装置(23)检测到该力矩传递传感装置(23)的零位为止。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括转动所述关节输出轴，直至所述第一电路板检测到所述弹性形变测量单元(25)的Z脉冲信号为止。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，该方法还包括 步骤二、继续旋转所述一体化旋转关节，直至所述减速器角度测量单元(27)检测到该减速器角度测量单元的零位为止。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤 对所述一体化旋转关节通电后，向任意方向转动所述减速器输出轴，直至所述第二电路板检测到所述减速器角度测量单元(27)的Z脉冲信号为止。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤 步骤(I)、对所述一体化旋转关节通电后，让该一体化旋转关节向任意方向转动，直至所述第二电路板检测到所述减速器角度测量单元(27)的U脉冲信号、V脉冲信号和W脉冲信号中的任意一者为止； 步骤(2)、朝向距离所述减速器角度测量单元(27)的Z脉冲信号较近的方向转动所述一体化旋转关节，直至所述第二电路板检测 到所述Z脉冲信号为止。
全文摘要
本发明公开了一种一体化旋转关节，该一体化旋转关节包括壳体(10)、设置在该壳体内的关节主体(20)、关节输出轴(26)和控制器(30)，所述关节主体包括电机(21)和与该电机相连的减速器(22)，该减速器的减速器输出轴与所述关节输出轴相连，所述电机与所述控制器电连接，其中，所述关节主体还包括力矩传递传感装置(23)，该力矩传递传感装置连接在所述减速器和所述关节输出轴之间，以测量所述关节输出轴输出的力矩。本发明还提供了一种确定所述一体化旋转关节零位的方法。本发明所述的一体化旋转关节中设置了力矩传递传感装置，能够测量该一体化旋转关节输出的力矩，扩展了所述一体化旋转关节的应用范围。
文档编号B25J17/02GK102744731SQ20121025146
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者冉崇建, 李健, 李国栋, 李方兴, 黄远灿 申请人:北京理工大学