机器人的关节模块及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种机器人的关节模块及其控制方法，将被动件套叠在减速机构，多个缓冲弹簧套叠在被动件，而感测器套叠在缓冲弹簧，形成多重套叠的关节模块，并利用侦测扭转缓冲弹簧的相差角度，控制马达顺应抗力方向转动，以确保作业安全。
【专利说明】机器人的关节模块及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人，尤其是涉及机器人中提供弹性的致动力用以驱动负载的关节模块，以及控制关节模块转动的方法。
【背景技术】
[0002]机器人具备移动的灵活性及定位的精确性，还具有连续性作业的特性，在人力成本高涨及劳资纠纷不断的环境下，已逐渐发展成为生产线上制造组装产品的有力的工具，也是产业取代人力降低成本的最佳利器。
[0003]如图1所示，为现有技术机器人的关节模块侧剖面图。现有技术机器人的关节模块I，主要由马达(Motor) 2、编码器(Encoder) 3、减速器(Reducer) 4及传动机构(transmiss1n) 5等部分串联在同一转轴6组成。其中马达2提供动力转动转轴6,设在马达2后侧的编码器3，通过侦测马达2的转动纪录转轴6的转动角度。减速器4利用行星齿轮(Planetary gear)或谐和齿轮(Harmonic gear)等减速机构，降低马达2驱动转轴6的转速，以输出较低的转速转动传动机构5，再由传动机构5提供机器人适当的移动速度驱动负载。通过侦测编码器3纪录转轴6的转动角度，就可精确控制机器人移动的位置。
[0004]现有技术的机器人利用关节模块I输出动力驱动物品至预定位置，如碰到较大负载的物品或作业人员，受阻而无法继续转动时，虽能利用感测器(图未示)侦测到障碍而紧急剎车，停止关节模块I转动，避免损毁物品或伤害作业人员。
[0005]然而，关节模块I的马达2、编码器3、减速器4及传动机构5，依序并排串联组合在转轴6，形成体积较庞大且重量重的关节模块1，不仅体积庞大不利于机器人的移动灵活性，且占据生产线过多的空间，而重量重则形成移动的惯性相对较强，并不利于产业机器人的移动定位。此外，关节模块I刚性驱动较大的物品，如惯性继续移动，停止的机器人的关节模块1，将面临被挤压破坏的危险，而被压伤的作业人员，也无法推离停止转动的关节模块I脱离危险。因此，机器人的关节模块在结构及控制上，仍有问题亟待解决。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种机器人的关节模块，通过多重套叠的关节模块，降低关节模块的体积及重量，以增加机器人移动灵活性。
[0007]为了达到前述发明的目的，本发明机器人的关节模块，在外壳的中空内部，固定马达转动转轴，由编码器侦测转轴的转动角度，转轴转动减速器改变输出的转速转动被动件，被动件套叠在减速机构的外周，多个缓冲弹簧的一端固定在被动件，套叠在被动件的外周，传动法兰设有多个通孔，部分通孔连接缓冲弹簧的一端随着转动，而部分的通孔连接负载，感测器套叠在缓冲弹簧的外周，且固定在外壳，以侦测传动法兰的转动角度。
[0008]本发明另一目的在提供一种机器人的关节模块，利用交叉间隔设置形成单层的多个缓冲弹簧，并藉缓冲弹簧的数量，调整预设关节模块受到外界抗力的缓冲力，以提供安全缓冲空间。
[0009]为了达到前述发明的目的，本发明机器人的关节模块，将多个缓冲弹簧交叉间隔设置形成单层的圈管状弹簧，并通过选择缓冲弹簧的数量，调整预设关节模块受到外界抗力的缓冲力。
[0010]本发明再一目的在提供一种机器人的关节模块的控制方法，利用关节模块的缓冲弹簧，依据顺应抗力控制转动机器人的关节模块，避免损伤关节模块及作业人员，以确保作业安全。
[0011]为了达到前述发明的目的，本发明第一实施例机器人的关节模块的控制方法，首先侦测的马达的转动角度；转换马达的转动角度为被动件的转动角度；侦测传动法兰的转动角度；计算传动法兰的转动角度与被动件的转动角度的相差角度；检查相差角度不大于缓冲角度，则继续侦测，检查相差角度大于缓冲角度，则控制马达以马达顺应抗力的方向，就是相差角度产生的方向转动到预设的安全角度，然后停止马达转动。
[0012]为了达到前述发明的目的，本发明第二实施例机器人的关节模块的控制方法，另侦测的马达的转动角度；侦测传动法兰的转动角度；计算传动法兰的转动角度与马达的转动角度的相差角度；检查相差角度不大于缓冲角度，则继续侦测，检查相差角度大于缓冲角度，则控制马达以相差角度产生的方向转动到预设的安全角度；然后停止马达转动。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为现有技术机器人的关节模块的侧剖面图；
[0014]图2为本发明机器人的关节模块的立体图；
[0015]图3为本发明机器人的关节模块的零件分解图；
[0016]图4为本发明机器人的关节模块的侧剖面图；
[0017]图5为本发明机器人的关节模块缓冲的示意图；
[0018]图6为本发明第一实施例机器人的关节模块控制方法的流程图；
[0019]图7为本发明第二实施例机器人的关节模块控制方法的流程图。
[0020]符号说明
[0021]10关节模块
[0022]11 外壳
[0023]12固定端
[0024]13输出端
[0025]14 马达
[0026]15编码器
[0027]16减速器
[0028]17传动机构
[0029]18电缆线
[0030]19 转轴
[0031]20减速机构
[0032]21被动件
[0033]22缓冲弹簧
[0034]23感测器
[0035]24传动法兰
[0036]25轴承盖
[0037]26 通孔
[0038]27 轴承
[0039]28 螺栓
【具体实施方式】
[0040]有关本发明为达成上述目的，所采用的技术手段及其功效，兹举较佳实施例，并配合附图加以说明如下。
[0041]请同时参阅图2、图3及图4，图2为本发明机器人的关节模块的立体图，图3为本发明机器人的关节模块的零件分解图，图4为本发明机器人的关节模块的侧剖面图。本发明的机器人的关节模块10具有一中空的外壳11，外壳11 一端为固定端12，另一端为输出端13。外壳11的中空内部容纳马达14、编码器15、减速器16及传动机构17等。其中马达14固定在外壳11的固定端12，通过电缆线18连接外部的电力，提供动力转动转轴19。设在马达14后侧的编码器15，通过侦测马达14的转动纪录转轴19的转动角度。减速器16固定在外壳11的内部，并连接在马达14前侧的转轴19，由转轴19带动减速器16转动。减速器16利用行星齿轮或谐和齿轮等减速机构20，改变转轴19输出的转速，以输出较低的转速转动被动件21。被动件21为圆柱帽状，套叠在圆柱状的减速机构20的外周，带动连结的传动机构17转动。
[0042]关节模块10的传动机构17包含缓冲弹簧22、感测器23、传动法兰24及轴承盖25等。其中缓冲弹簧22为圈管状弹簧，套叠在圆柱帽状被动件21的外周。缓冲弹簧22—端固定在被动件21，随被动件21转动，另一端则连接至传动法兰24。传动机构17包含多个缓冲弹簧22，利用缓冲弹簧22的数量，调整关节模块10受到外界抗力的缓冲力。每个缓冲弹簧22交叉间隔设置形成单一的圈管状弹簧，单层套设在被动件21的外周，以减少套叠的体积。感测器23为环圈状，内环圈再套叠在缓冲弹簧22的外周，且邻近缓冲弹簧22靠传动法兰24的一端，感测器23的外环则固定在外壳11的内侧面，用以侦测传动法兰24的转动角度。
[0043]传动法兰24为一圆盘状，盘面设有多个通孔26，部分通孔24连接缓冲弹簧22的一端，使传动法兰24随着缓冲弹簧22转动，而部分的通孔26则可连接输出负载(图未示)，以转动负载。传动法兰24的周缘环设轴承27，且利用螺栓28穿过轴承盖25，将轴承盖25锁在外壳11的输出端13，将轴承27固定在外壳11，以支撑传动法兰24转动。
[0044]请再参阅图4，本发明机器人的关节模块10启动时，电缆线18由外部供给马达14电力转动转轴19。由设在马达14后侧的编码器15，侦测及纪录转轴19的转动角度。藉转轴19转动固定在外壳11的减速器16。减速器16利用减速机构20，降低转轴19输出的转速，以转动被动件21。圆柱帽状的被动件21套叠在圆柱状的减速机构20的外周，而多个圈管状的缓冲弹簧22 —端固定在被动件21，交叉间隔设置形成单一的圈管状弹簧，单层再套叠在被动件21的外周随被动件21转动，缓冲弹簧22的另一端带动传动法兰24转动，以转动负载。侦测传动法兰24的转动角度的感测器23又再套叠在缓冲弹簧22的外周。
[0045]因此，本发明机器人的关节模块，就可通过减速机构、被动件、缓冲弹簧及感测器等构件多重套叠，以及利用交叉间隔设置形成单层的多个缓冲弹簧，简化关节模块结构，降低关节模块的体积及重量，进而减少关节模块的惯性，达到增加机器人移动灵活性的目的。并可通过选择缓冲弹簧的数量，调整预设关节模块受到外界抗力的缓冲力，达到适当的安全缓冲空间。
[0046]请同时参阅图4及图5，图5为本发明机器人的关节模块缓冲的示意图。本发明机器人的关节模块10由马达14转动转轴19，经减速器16降低转轴19输出的转速转动被动件21，可由其间的齿轮比设计，获得马达14至被动件21固定的减速比例。因此编码器15侦测及纪录马达14的转轴19的转动角度，经由固定的减速比例计算，可转换为被动件21的转动角度。被动件21藉缓冲弹簧22转动传动法兰24，在传动法兰24转动负载不受阻碍时，传动法兰24随着被动件21转动，感测器23侦测的传动法兰24的转动角度与编码器15侦测的被动件21的转动角度同步，两者转动角度一致。
[0047]一旦传动法兰24转动负载受阻，或静止时受到压力推挤移动，连结在缓冲弹簧22两端的传动法兰24与被动件21，将迫使缓冲弹簧22扭转，让感测器23侦测的传动法兰24的转动角度F与编码器15侦测的被动件21的转动角度M产生差异，相差角度Θ。在障碍或压力未排除下，感测器23侦测的传动法兰24的转动角度与编码器15侦测的被动件21的转动角度的相差角度Θ将越来越大，迫使缓冲弹簧22加大扭转，提供机器人的关节模块10排除障碍的缓冲空间，以免关节模块10持续的转动动力让机器人或障碍物损毁。
[0048]但是缓冲弹簧22也有扭转量的限制，无法提供过量的缓冲空间，如未及时排除障碍或压力，最后仍然会损毁机器人或障碍物。因此本发明的关节模块10对缓冲空间加以设置限制L，预设缓冲角度β。当传动法兰24转动负载受阻或静止时受挤压，感测器23侦测的传动法兰24的转动角度与编码器15侦测的被动件21的转动角度的相差角度Θ大于缓冲角度β时，关节模块10将顺应障碍阻止传动法兰24转动的抗力，也就是相差角度Θ产生的方向，控制马达14顺应抗力的方向转动，转动被动件21到预设的安全角度Λ α，再停止马达转动，避免损伤关节模块，同时让压挤的物品或作业人员自动脱离危险，以确保作业安全。
[0049]如图6所示，为本发明第一实施例机器人的关节模块控制方法的流程图。本发明控制机器人的关节模块的步骤，详细说明如下:首先步骤Si，侦测的马达的转动角度；步骤S2，转换马达的转动角度为被动件的转动角度；步骤S3侦测传动法兰的转动角度；步骤S4，计算传动法兰的转动角度与被动件的转动角度的相差角度Θ ；步骤S5，检查相差角度Θ是否大于预设缓冲角度β?假如相差角度Θ不大于缓冲角度β，回至步骤SI继续侦测，假如相差角度Θ大于预设缓冲角度β，则至步骤S6，控制马达顺应抗力的方向，就是以相差角度Θ产生的方向转动，转动到预设的安全角度α ;然后至步骤S7，停止马达转动。
[0050]如图7所示，为本发明第二实施例机器人的关节模块控制方法的流程图。前实施例虽以关节模块中缓冲弹簧两端的传动法兰与被动件，作为相差角度Λ θ的计算基础。但是马达经减速器降低转轴的转速转动被动件，其间马达至被动件固定的减速比例，具有相对应的转动角度。因此可由编码器侦测及纪录马达的转动角度，取代被动件的转动角度，以简化前述转换的步骤S2。本发明第二实施例控制机器人的关节模块的步骤，详细说明如下:首先步骤Tl，侦测的马达的转动角度；步骤Τ2，侦测传动法兰的转动角度；步骤Τ3，计算传动法兰的转动角度与马达的转动角度的相差角度；步骤Τ4，检查相差角度是否大于缓冲角度β ?假如相差角度不大于缓冲角度β，回至步骤Tl继续侦测，假如相差角度大于缓冲角度β，则至步骤Τ5，控制马达顺应抗力的方向转动，就是以相差角度产生的方向转动到预设的安全角度α ;然后至步骤Τ6，停止马达转动。
[0051]因此，本发明机器人的关节模块的控制方法，即可利用关节模块的缓冲弹簧，提供碰到障碍的缓冲空间，而在超出缓冲角度时，控制马达顺应抗力转动一安全角度，达到避免损伤关节模块，及让物品或作业人员自动脱离险境，达到确保作业安全的目的。
[0052]以上所述者，仅为用以方便说明本发明的较佳实施例，本发明的范围不限于该等较佳实施例，凡依本发明所做的任何变更，于不脱离本发明的精神下，皆属本发明申请专利的范围。
【权利要求】
1.一种机器人的关节模块，具有一外壳，该外壳的中空内部包含: 马达，固定在该外壳，提供动力转动转轴； 编码器，侦测该转轴的转动角度； 减速器，由该转轴转动，利用减速机构改变该转轴输出的转速以转动被动件，该被动件套叠在减速机构的外周； 多个缓冲弹簧，一端固定在该被动件随着转动，套叠在该被动件的外周； 传动法兰，设有多个通孔，部分通孔连接该缓冲弹簧的一端随着转动，而部分的通孔连接负载；以及 感测器，为环圈状，内环圈套叠在该缓冲弹簧的外周，外环则固定在该外壳的内侧面，以侦测该传动法兰的转动角度。
2.如权利要求1所述的机器人的关节模块，其中该被动件为圆柱帽状，套叠在圆柱状的减速机构的外周。
3.如权利要求1所述的机器人的关节模块，其中该多个缓冲弹簧交叉间隔设置形成单层的圈管状弹簧。
4.如权利要求1所述的机器人的关节模块，其中该传动法兰为一圆盘状，在盘面设该多个通孔。
5.如权利要求1所述的机器人的关节模块，其中该缓冲弹簧以选择的数量，调整预设关节模块受到外界抗力的缓冲力。
6.一种机器人的关节模块的控制方法，该关节模块的被动件与传动法兰分别连接在缓冲弹簧的两端，由马达经减速器转动被动件，其控制方法的步骤包含: (1)侦测的马达的转动角度； (2)转换马达的转动角度为被动件的转动角度； (3)侦测传动法兰的转动角度； (4)计算传动法兰的转动角度与被动件的转动角度的相差角度； (5)检查相差角度是否大于缓冲角度，假如相差角度不大于缓冲角度，回至步骤(I)继续侦测，假如相差角度大于缓冲角度，则至步骤(6)； (6)控制马达以相差角度产生的方向转动到预设的安全角度； (7)停止马达转动。
7.如权利要求6所述的机器人的关节模块的控制方法，其中该马达的转动角度，藉马达经减速器降低转速转动被动件具有固定的减速比例，转换为被动件的转动角度。
8.如权利要求6所述的机器人的关节模块的控制方法，其中该相差角度产生的方向为马达顺应抗力的方向。
9.一种机器人的关节模块的控制方法，该关节模块的马达经减速器带动缓冲弹簧转动传动法兰，其控制方法的步骤包含: (1)侦测的马达的转动角度； (2)侦测传动法兰的转动角度； (3)计算传动法兰的转动角度与马达的转动角度的相差角度； (4)检查相差角度是否大于缓冲角度，假如相差角度不大于缓冲角度，回至步骤(I)继续侦测，假如相差角度大于缓冲角度，则至步骤(5)；(5)控制马达以相差角度产生的方向转动到预设的安全角度；(6)停止马达转动。
【文档编号】B25J17/00GK104128928SQ201310159670
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年5月3日 优先权日:2013年5月3日
【发明者】蔡耀庆, 吴仁琛 申请人:广明光电股份有限公司