用于操纵器的驱动单元的制作方法

分别在机器人系统的操纵器和机械臂中使用的驱动单元旨在用来将一个轴或臂构件关于机械臂的随后臂构件相对可动地(优选可旋转地)布置，所述机械臂通常由多个轴构成。由此实现的两个相邻臂构件之间的可动性根据操纵器的臂构件的数量而导致机械人系统具有对应的自由度。

在这方面，采用用于工业机器人的驱动单元，该驱动单元允许臂构件围绕横向于其纵向延伸的轴线旋转。其它驱动单元被构造成允许围绕臂构件的纵向轴线旋转。为此，通常使用对应尺寸的电动马达，该电动马达在合适的情况下与对应的减速齿轮相配合。

对于轻型机器人来说，驱动单元安装在臂构件的封闭壳体内，这是由于这种类型的机器人的操纵器的壳体原则上都被构造成外骨骼。

通常，在现有技术中已知的驱动单元中，在输出侧设置至少一个传感器装置，以便检测输出元件的位置、扭矩和/或旋转速度，该输出元件将一个臂构件相对于另一个臂构件旋转地设置。为了检测由马达驱动的输入或驱动轴的输入或驱动转速、驱动扭矩和/或位置，此外在马达侧和输入侧分别设置另外的传感器装置。

每个传感器装置通常分别位于分开的电路板或印刷电路板(pcb)上，这些电路板布置在驱动单元的对应位置处。

具有用于其输入的传感器装置的一个电路板位于马达或由该马达驱动的驱动轴的区域中，其中马达被收纳在该臂构件内，该臂构件可旋转地支撑在另一个臂构件上。因此，还可以包含用于驱动单元的整个控制电子组件的该电路板包括仅用于检测输入或驱动的一个位置传感器。

输出的检测由第二位置传感器进行，该第二位置传感器位于独立的电路板上，该电路板在空间和信号方面都与包含第一位置传感器的电路板完全分开地构造。该电路板在输出区域中位于驱动单元内，即与输出元件(例如输出凸缘或输出壳体)相配合，这些输出凸缘或输出壳体通常设置在被可旋转地支撑的臂构件的壳体中。

然而，与包含所述位置传感器的独立电路板一起使用位于该区域中的位置传感器会与缺陷相关，即，一方面第二位置传感器必须精确地对准在驱动单元内，这会导致误差；另一方面，由它产生的信号必须经由导线传输至具有用于驱动的位置传感器的电路板，该电路板与输出部轴向相对地布置，并且包含控制和评估电子组件。

因此，通过所述评估电子组件只能读取每个电路板的仅一个位置传感器。

然而，对于轻型机器人系统的外骨骼壳体，问题在于，由于独立且完全包封的壳体结构而必须将驱动单元与所有部件一起轴向地插入到臂构件的壳体内，并且由于非常受限的通路而必须以非常麻烦的方式安装在此。对于从输出侧到输入驱动侧的布线来说情况同样如此。

而且，还有简单布线将不足以直接检测由输出侧传感器装置产生的信号的问题，这是因为该信号在其通过驱动单元到达包含驱动侧位置传感器的电路板并经过电动马达时可能劣化。因此，通常需要对应的数据总线，这增加用于这种驱动单元的电子组件的成本。

另外，在驱动单元的可动部件并因此臂构件手动地旋转的情况下，扭转应力暴露于从输出侧电路板通向输入侧电路板的导线，这些导线即使不是沿着整个轴向长度延伸，也沿着驱动单元的长度的至少一部分延伸。在一定时期之后，这会导致布线故障。

此外，如果在驱动单元中采用扭矩传感器(该扭转传感器自身布置在独立的电路板上)，已经有三个不同电路板必须布置在驱动单元内，这增加所需的组装空间，或者这极大地减少了实际可用组装空间(该组装空间取决于臂构件的壳体结构)。因此，布线变得甚至更为复杂。

最后，必须注意到，对于现有技术中已知的驱动单元，用于单个传感器装置的电路板的数量以及由此所需的布线基本上增加了与单个机电部件有关的组装劳动，从而用于制造机电和机械部件以及用于驱动单元的组装和维护的成本将显著增加。

基于此，本发明的目的是提供一种关于机器人系统的操纵器的两个臂构件之间的接头的驱动单元，该机器人系统特别是但非唯一地为轻型种类的机器人系统，该驱动单元克服了从现有技术中已知的上述缺点，并且特别地能够简化传感器装置的组装以及它们的维护，并且增加了关于输入侧和输出侧相关参数的检测的可靠性。

该目的由根据权利要求1的驱动单元解决。

因而，本发明涉及一种用于布置在机器人系统的操纵器的两个臂构件之间的接头的驱动单元，所述驱动单元旨在用于将一个臂构件相对于另一个臂构件旋转地驱动，该驱动单元具有：马达，该马达对驱动轴进行驱动；以及输出元件，该输出元件连接至所述一个臂构件，并且通过所述驱动轴而直接或间接地设置成旋转，其中设置电路板或印刷电路板(pcb)，在该电路板上布置有用于由所述驱动轴提供的驱动的传感器装置和用于由所述输出元件提供的输出的传感器装置。

因而，与现有技术相反，仅仅采用一个单个电路板，该电路板承载所有必要的传感器部件，这些传感器部件包括关于驱动的至少一个位置传感器和关于输出的至少一个位置传感器，如果适用的话，所述传感器部件更进一步包括诸如扭矩传感器之类的传感器。

根据一个优选实施方式，用于驱动的所述传感器装置和用于输出的所述传感器装置由此布置在所述电路板的相反两侧。

两个传感器装置都直接安装在一个单个电路板(该电路板与所述驱动单元的输出元件轴向相反地布置在例如马达壳体处或上面)上的优点在于，关于所有传感器的例如固件的更新程序只需进行一次，这是因为没有没有任何用于输出的位置传感器在空间上与该电路板分开并布置在另一个电路板上。

此外，也不需要复杂布线，从而完全消除与这种布线有关的不利之处，诸如对空间、扭转应力的需要。

所述传感器装置的电源以及评估电子组件直接位于单个电路板上。由于由此沿着所述驱动单元分布更少的电子部件和接线，基本可以更好地制备这种驱动单元来抵抗故障。

可以以简单的方式为组装好的驱动单元直接进行所述传感器装置的校准，其中用于两个传感器装置的关于控制、校准等的所有数据都可以存储在所述电路板的一个公共存储器中。

为了使得驱动侧和输出侧相关的参数能够通过布置在一个单个电路板上的传感器装置检测到，根据本发明设置成：由所述马达致动的所述驱动轴形成为空心轴，并且所述输出元件以旋转固定即扭矩传输方式与传感器轴连接，其中该传感器轴以一定径向距离穿过所述所述驱动轴并且一直延伸至所述电路板。

所述传感器轴可以朝向它与所述马达相反的一侧延伸穿过所述电路板中的开口，同时所述马达的驱动轴可以一直延伸至所述电路板的面对所述马达的一侧。

根据本发明设置成：在所述电路板的上方所述传感器轴的正面侧轴向端处布置有传感器环，该传感器环与用于输出的传感器装置(该传感器装置布置在所述电路板的所述侧)相配合。

以类似方式，所述驱动轴在其面对所述电路的正面侧轴向端处同样承载传感器环，该传感器环与用于驱动/输入的传感器装置(该传感器装置布置在所述电路板的面对所述马达的一侧)相配合。

所述传感器环均可以包括至少一个磁性元件或一系列磁性元件，其中对应的传感器装置或对应的传感器芯片分别被构造成利用霍尔效应来检测所述磁性传感器的相应位置。

优选地，用于输出和输入的传感器装置都是相同类型的传感器，这进一步增强评估电子器件。

尽管所述输出通过用于输出的传感器环的实际位置来绝对感测，但是由于传感器环仅进行最大或小于360°的旋转，所述马达的驱动/输入即位置根据由所述驱动轴进行的转数连同所述输出元件的实际输出位置并考虑到通常与其一起使用的减速齿轮的齿数比来计算。

为了尽可能不容易产生误差地保持用于输出和输入的信号的检测，如果将传感器环和传感器芯片之间的距离保持在一定公差极限内，则是有利的。另外，应该避免传感器环相对于传感器芯片的倾斜。

根据本发明的优选实施方式，因而设置成：用于输入的传感器环和用于输出的传感器环一致地布置在所述电路板的两侧，并且更优选地，与用于输出的传感器环相关联的传感器装置和与用于输入的传感器环相关联的传感器装置以径向(diametrically)相对的方式布置在所述电路板的两侧，由此能够以最大可能程度消除传感器装置的相互干扰。

为了能够相对于分别与传感器环相关联的传感器装置正确地平行引导所述传感器环，本发明另外建议了如下说明的措施。

用于精确引导输出传感器环的环形滑动导轨设置在所述电路板的对应侧，该传感器环与所述马达相反地布置在所述电路板上。另外，所述滑动导轨的壳体可以包括用于固定和引导所述电路板的导线元件如电缆的装置。

根据本发明，设置成这样：与输出轴向相反地引导所述马达的壳体中的驱动轴的轴向轴承在构造和空间方面都应该尽可能接近所述传感器环布置，从而能够以精确平坦的方式引导所述输入/输出传感器环。

通过设置用于输出的传感器环的滑动轴承并且通过对应地定位用于所述驱动轴的上轴向轴承，可以相对于与所述传感器环相关联的传感器芯片尽可能平行且同心地布置和引导两个传感器环，从而使得能够保持相对于公差的轴向和角度偏差极其小，并且检测误差几乎不会发生。

所述电路板能够以精确平行排列相对于所述输入传感器环布置，其中连接元件与所述电路板一起设置，它们被构造成这样与所述马达的壳体相配合，以致于能够在所述马达的壳体和所述电路板之间保持精确距离。

根据本发明的进一步实施方式，设置成这样：所述传感器轴被构造成用于接收布线元件的空心轴。这些布线元件可以是源自于布置在操纵器的下一个臂构件之间的另外驱动单元的布线元件(电缆、数据总线)。通过这样，所述布线元件能够通过所述操纵器的内部安全地引导并且防止受到驱动单元的机械的影响。

本发明的特征在于如下优点：每个接头仅采用一个单个集成电路板，该电路板仅仅用于刚刚所述的接头的全部控制。此外，由此变得可以以简单方式与其他接头形成连接，其中一个接头的一个电路板通过电源和信号总线线路与另一个接头的另一个电路板连接。

通过将复杂布线和用于输出侧传感器装置的至少一个另外电路板一起省略，能够实现更为紧凑并因而更轻结构的驱动单元。总之，需要更少的部件，通过这样，可以降低组装时间以及维护周期(如果合适的话)，这二者都与成本降低有关。

同时，用于在驱动单元的中央引导仍然需要的布线元件的空心传感器轴能够用作所述布线的某种类型的防护套筒。

用于输出的传感器装置和用于驱动/输入的传感器装置布置在一个单个电路板上证明不容易发生故障并且不容易出现误差。评估算法的编程将极大地简化。

因此，在这种情况下，本发明还涉及一种机器人，该机器人具有具有多个臂构件的操纵器，所述机器人在布置在所述操纵器的臂构件之间的至少一个接头中包括根据上述实施方式的驱动单元。

从所附附图中所示的实施方式的描述，进一步优点和特征将变得清楚，其中：

图1是沿着根据本发明的驱动单元的轴向纵剖视图；

图2是该实施方式的分解图；以及

图3以剖视图示出了驱动轴和传感器轴的传感器环的布置。

作为示例，图1以沿着驱动单元的旋转轴线即在纵向延伸线上的剖视图示出了根据本发明的驱动单元的实施方式。

如能够看到的，该驱动单元基本由以旋转对称方式构成的零部件形成。

根据本发明，提供了模块式构造，其中若干个模块沿着轴向取向彼此在功能相配合和接合。每个模块由此都能够单个地互换并且能够通过连接技术连接，这些连接技术根据本发明分别相应地构成和构造。

如图1和图2中所示，驱动单元基本包括在功能上不同的四个驱动模块。

第一驱动模块m1包含收纳在壳体2中的齿轮1，例如波形齿轮。齿轮1的输出元件通过输出轴3以旋转固定方式即扭矩传输方式连接至第二驱动模块m2的壳体4。

第二驱动模块m2用于输出并且为此与操纵器或机械臂的轴向或臂构件(未示出)抗旋转地连接，同时第一驱动模块m1的壳体2连接至所述操纵器的另外未示出的臂构件。第二驱动模块m2的壳体4通过径向轴承5可旋转地支撑在第一驱动模块m1的壳体2上。

第三驱动模块m3与第二驱动模块m2轴向相对地固定至第一驱动模块m1，该第三驱动模块m3包括壳体6，马达7布置在该壳体6内，该马达7致动一马达或驱动轴8。

驱动轴8由靠近齿轮1的第一轴向轴承9并且由用于壳体6的罩11中的第二轴向轴承10可旋转地支撑，并由此被居中地支撑在驱动单元中。

分别在第三驱动模块m3的壳体6或与其相关联的罩11的顶部，第四驱动单元m4通过连接支撑件和间隔件12固定，该第四驱动模块m4包括用于传感器的电路板13或pcb和控制电子组件。

马达7的驱动轴8(该驱动轴8形成为空心轴)横穿罩11并且延伸至电路板13的面对罩11的一侧。

在其正面侧，第二驱动模块m2的壳体4通过凸缘14与传感器轴16的凸缘15螺接而被旋转固定。

如能够在图1中看到的，传感器轴16以一定径向距离穿过马达7的输出轴3和/或输入/驱动轴8，并且延伸穿过电路板13中的开口而一直到达电路板13的与第三驱动模块m相反的一侧(在图3中，传感器轴16被示出为位于缩回位置，从而示出了空心驱动轴8内部的布置)。

驱动轴8面对电路板13的正面侧轴向端包括传感器环17，同时传感器芯片18布置在电路板13上，该传感器芯片18以对应方式关联至所述传感器环17。传感器环17通过支撑环19固定在该支撑环19上，从而使得传感器17与驱动轴8一起旋转。

此外，在其正面侧轴端，传感器轴16包括传感器环20，该传感器环20也固定在对应的支撑环21中，并且由此在电路板13上的传感器芯片22上方旋转，该传感器芯片22被关联至所述传感器环20。

所述传感器换17和20包括至少一个(未示出)磁体元件，其中传感器芯片18和22均被构造成通过施加霍尔效应而检测驱动轴8和传感器轴16的相应位置。

径向导轨或引导件23布置在电路板13上，该径向导轨或引导件23与间隔件12通过螺栓连接在一起，以便精确地同心地且平行于传感器芯片22引导传感器轴16的传感器环20。

为了相对于传感器芯片18精确地同心地且平行地引导驱动轴8的传感器环17，将第三驱动模块m3的第二轴向轴承10尽可能接近电路板13布置。