本发明涉及尤其与机器人手腕相关的用于机器人关节的驱动布置。
背景技术：
操纵物体所需的机器人(例如可能是工业机器人或手术机器人)通常具有由刚性元件组成的手臂，所述刚性元件通过多个柔性关节串联连接在一起。关节可以是任何类型的，但通常是转动关节，或者是转动关节和棱柱形关节的组合。手臂从基座(其位置可能是固定的或可移动的)伸出，并终止于工具或工具的附接装置处。例如，工具可以是抓握、切割、照明、照射或成像工具。手臂中最后的关节可以被称为手腕。手腕可以允许仅围绕单条轴线运动，或者可以是复杂的或复合的关节运动，其允许围绕多条轴线旋转。如我们共同未决的专利申请pct/gb2014/053523中所公开的，手腕可以提供两个滚动关节(rolljoint)，它们的轴线大致在手臂的纵向上，由两个俯仰/偏转(pitch/yaw)关节分开，所述俯仰/偏转关节的轴线大致在手臂的横向上。
在手术机器人的情况下，有许多重要的标准影响手臂远侧关节的设计。
1.希望手臂特别是其手腕所处的远侧部分尺寸较小。这使得多个这样的机器人手臂可以非常靠近地工作，因此，机器人手臂可以执行的外科手术范围更加广泛。
2.希望手臂的远侧部分的外部轮廓围绕手臂的长度是圆形对称的。这使得远侧部分可以纵向旋转，而不必在靠近另一机器人、靠近某一其他设备或靠近患者的情况下重新定位。
3.理想的是，关节能够提供高的扭矩，使得它们能够携带更重的工具并且将高的加速度提供给工具顶端。
4.希望关节是刚性的，很少或没有齿隙或弹性，以便当工具顶端已经定位时，它将被固定在位。使齿隙最小化的传统方法是将一个或多个齿轮元件指定为牺牲元件，但是这需要高水平的维护，并且可能会导致磨损的齿轮颗粒在手臂内释放。
5.所有关节都需要有位置和力/扭矩传感器，以便控制机构可以从这些传感器获取数据。
6.希望机器人手臂的远侧部分尽可能轻，以减小必须由机器人手臂的更近侧关节施加的力。
7.典型的机器人手臂携带电缆，该电缆为其驱动电机且还可能为工具供电，并从诸如位置、扭矩和成像传感器的传感器传输回信号。手臂最好包括通道，以便这些电缆在手臂的内部通过。
8.对于驱动机器人手臂的远侧关节以及有效载荷或工具的电机来说，希望存在冷却方法。
许多重要的标准使得难以设计能最好地平衡所有要求的手臂。
一个特别的问题是如何将电机和传动装置装配到机器人手臂的手腕中。该布置应当紧凑，但也应允许高刚度和扭矩传递。许多现有的设计未能遵守这些标准之一。
需要一种用于机器人手臂的关节的改进的驱动布置。
技术实现要素：
根据本发明，提供了一种机器人手臂，所述机器人手臂包括用于使所述手臂中的一个分支相对于所述手臂中的另一个分支围绕两条非平行旋转轴线作关节运动的关节机构，所述机构包括：中间托架，所述中间托架通过具有第一旋转轴线的第一转动关节附接至所述分支中的第一个，并通过具有第二旋转轴线的第二转动关节附接至所述分支中的第二个；第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线设置，所述第一驱动齿轮与所述托架固定；第二驱动齿轮，所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线设置，所述第二驱动齿轮与所述分支中的所述第二个固定；第一驱动轴，所述第一驱动轴用于驱动所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线旋转，所述第一驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第一轴齿轮，所述第一轴齿轮被布置成接合所述第一驱动齿轮；第二驱动轴，所述第二驱动轴用于驱动所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转，所述第二驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第二轴齿轮；以及中间齿轮系，所述中间齿轮系由所述托架承载并且将所述第二轴齿轮联接至所述第二驱动齿轮。
所述中间齿轮系可以包括围绕所述第一旋转轴线设置的第一中间齿轮，所述第一中间齿轮被布置成接合所述第二轴齿轮。所述第一中间齿轮可以围绕所述第一旋转轴线旋转。
所述机器人手臂还可以包括控制单元，所述控制单元被布置成对命令信号作出响应，所述命令信号通过驱动所述第一驱动轴和第二驱动轴旋转来命令所述机器人手臂的运动。所述控制单元可以被配置成当命令所述机器人手臂围绕所述第一轴线作关节运动而不围绕所述第二轴线作关节运动时，驱动所述第一轴旋转以引起围绕所述第一轴线的关节运动，并且还驱动所述第二轴旋转，其方式使得消除围绕所述第二轴线的连带关节运动。所述控制单元可以被配置为自动执行该动作。
所述中间齿轮系可以包括多个互连齿轮，所述多个互连齿轮被布置成围绕与所述第一旋转轴线平行的轴线旋转。
所述中间齿轮系可以包括中间轴，所述中间轴被布置成围绕与所述第一旋转轴线平行的轴线旋转。所述中间轴上可具有第三轴齿轮，所述第三轴齿轮被布置成接合所述第二驱动齿轮。
所述互连齿轮位于与所述第一轴线垂直并包含所述第一驱动齿轮的齿的平面的一侧上，并且所述第三轴齿轮的至少一部分位于所述平面的另一侧上。
所述第三轴齿轮可以是蜗轮：即，其一个或多个齿遵循螺旋路径的齿轮。所述第一轴齿轮和第二轴齿轮中的一个或两个可以是蜗轮。
所述第一驱动齿轮中的一个或两个可以是锥齿轮：即，其齿节面是直边的或弯曲的锥体和/或其齿被布置在这样的锥体上的齿轮。齿线可以是直的或弯曲的。所述第一驱动齿轮中的一个或两个可以是斜轴齿轮。
所述第一驱动齿轮可以是部分圆形齿轮。所述第二驱动齿轮的至少一部分可以与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。所述中间轴的至少一部分可以与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
根据本发明的第二方面，提供了一种机器人手臂，所述机器人手臂包括用于使所述手臂中的一个分支相对于所述手臂中的另一个分支围绕两条非平行旋转轴线作关节运动的关节机构，所述机构包括：中间托架，所述中间托架通过具有第一旋转轴线的第一转动关节附接至所述分支中的第一个，并通过具有第二旋转轴线的第二转动关节附接至所述分支中的第二个；第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线设置，所述第一驱动齿轮与所述托架固定；第二驱动齿轮，所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线设置，所述第二驱动齿轮与所述分支中的所述第二个固定；第一驱动轴，所述第一驱动轴用于驱动所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线旋转，所述第一驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第一轴齿轮，所述第一轴齿轮被布置成接合所述第一驱动齿轮；第二驱动轴，所述第二驱动轴用于驱动所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转，所述第二驱动轴沿着所述分支中的所述第一个在包含所述第二旋转轴线的平面的第一侧上延伸，并且穿过所述平面延伸到所述平面的第二侧；以及中间联动装置，所述中间联动装置在所述平面的所述第二侧上与所述第二驱动轴啮合，并且将所述第二轴齿轮联接到所述第二驱动齿轮。
所述第二轴可以包括柔性元件。所述柔性元件位于所述第一旋转轴线上。所述柔性元件可以是万向节。
所述第二轴在所述平面的所述第二侧上通过转动关节联接到所述托架。
所述第二驱动轴在所述平面的所述第二侧上具有第二轴齿轮。所述中间联动装置可以包括中间轴，所述中间轴具有与所述第二轴齿轮啮合的第一中间齿轮和与所述第二驱动齿轮啮合的第二中间齿轮。
所述第二驱动轴可被布置成围绕垂直于所述第二旋转轴线的轴线旋转。
所述第二中间齿轮可以是蜗轮。所述第一轴齿轮可以是蜗轮。
所述第一驱动齿轮中的一个或两个可以是锥齿轮。所述第一驱动齿轮中的一个或两个可以是斜轴齿轮。
所述第一驱动齿轮可以是部分圆形齿轮。所述第二驱动齿轮的至少一部分可以与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
根据本发明的第三方面，提供了一种机器人手臂，所述机器人手臂包括用于使所述手臂中的一个分支相对于所述手臂中的另一个分支围绕两条非平行旋转轴线作关节运动的关节机构，所述机构包括：中间托架，所述中间托架通过具有第一旋转轴线的第一转动关节附接至所述分支中的第一个，并通过具有第二旋转轴线的第二转动关节附接至所述分支中的第二个；第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线设置，所述第一驱动齿轮与所述托架固定；第二驱动齿轮，所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线设置，所述第二驱动齿轮与所述分支中的所述第二个固定；第一驱动轴，所述第一驱动轴用于驱动所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线旋转，所述第一驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第一轴齿轮，所述第一轴齿轮被布置成接合所述第一驱动齿轮；第二驱动轴，所述第二驱动轴用于驱动所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转，所述第二驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第二轴齿轮，所述第二轴齿轮被布置成接合所述第二驱动齿轮；所述第二驱动轴包括棱柱形关节，由此所述轴的长度可响应于所述托架围绕所述第一轴线的运动而变化。
所述棱柱形关节可以是滑动花键联接。
所述第二驱动轴可以包括位于所述棱柱形关节的一侧上的第一柔性关节和位于所述棱柱形关节的另一侧上的第二柔性关节。
所述第二驱动轴可以通过转动关节在所述第二柔性关节的与所述棱柱形关节相反的一侧上连接到所述托架。
所述第一轴齿轮和第二轴齿轮中的一个或两个可以是蜗轮。
所述第一驱动齿轮中的一个或两个可以是锥齿轮。所述第一驱动齿轮中的一个或两个可以是斜轴齿轮。所述第一驱动齿轮可以是部分圆形齿轮。
所述第二驱动齿轮的至少一部分可以与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
所述第一轴线和第二轴线可以正交。所述第一轴线和第二轴线可以彼此相交。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本发明。
在附图中：
图1是手术机器人手臂的一般表示。
图2更详细地示出了图1的手臂的手腕处的旋转轴线。
图3从远侧和一侧示出了第一手腕机构的一部分。
图4从远侧和另一侧示出了第一手腕机构的一部分。
图5从近侧和一侧示出了第二手腕机构的一部分。
图6从远侧和一侧示出了第二手腕机构的一部分。
图7从远侧和一侧示出了第三手腕机构。
图8从远侧和另一侧示出了第三手腕机构。
图9示出了从一侧观察的中央纵向平面上的第三手腕机构的截面图。
图10示出从另一侧观察的中央纵向平面上的第三手腕机构的截面图。
图11说明了机器人手臂中的通信路径。
图12以纵截面示出用于机器人手臂的终端模块。
具体实施方式
已经发现下面要描述的手腕机构为机器人手腕的至少一些关节或者其他应用提供紧凑和机械上有利的布置。
图1示出了具有从基座2延伸的手臂1的手术机器人。该手臂包括多个刚性分支3。分支通过转动关节4联接。最近侧的分支3a通过关节4a联接到基座。它和其他分支通过另外的关节4串联联接。手腕5由四个单独的转动关节组成。手腕5将一个分支(3b)联接到手臂的最远侧分支(3c)。最远侧分支3c携带手术器械或工具9的附接装置8。手臂的每个关节4具有一个或多个电机6，所述电机可以被操作以在相应的关节处引起旋转运动，以及一个或多个位置和/或扭矩传感器7，所述传感器提供关于该关节处的当前配置和/负荷的信息。为了清楚起见，图1中仅示出了一些电机和传感器。手臂一般可以如我们共同未决的专利申请pct/gb2014/053523中所述。工具的附接点8可以适当地包括以下各项中的任何一个或多个：(i)允许工具机械地附接到手臂的构造，(ii)用于将电和/或光功率和/或数据传送到工具和/或从工具接收的接口，以及(iii)用于驱动工具的一部分运动的机械驱动装置。通常，优选的是，电机被布置在它们所驱动的关节的近侧，以便改善重量分布。如下所讨论，用于电机、扭矩传感器和编码器的控制器分布在手臂内。控制器经由通信总线连接到控制单元10。
控制单元10包括处理器11和存储器12。存储器12以非暂态方式存储软件，软件可由处理器执行，以控制电机6的操作以使手臂1以本文所述的方式操作。具体而言，软件可以控制处理器11以使电机(例如经由分布式控制器)根据来自传感器7的输入以及来自外科医生命令接口13的输入进行驱动。控制单元10联接到电机6，以根据由软件的执行所产生的输出来驱动它们。控制单元10与用于接收来自传感器的感测输入的传感器7以及用于从其接收输入的命令接口13联接。例如，相应的联接可以是电缆或光缆，或者可以通过无线连接来提供。命令接口13包括一个或多个输入装置，由此用户可以以期望的方式请求手臂的运动。输入装置例如可以是可手动操作的机械输入装置，诸如控制手柄或操纵杆，或非接触式输入装置，诸如光学手势传感器。存储在存储器12中的软件被配置为根据预定的控制策略对这些输入作出响应，并且使手臂的关节相应地移动。控制策略可以包括安全特征，其响应于命令输入而调节手臂的运动。因此，总的来说，命令接口13处的外科医生可以控制机器人手臂1移动以执行期望的外科手术。控制单元10和/或命令接口13可以远离手臂1。
图2更详细地示出了机器人的手腕5。手腕包括四个转动关节300、301、302、303。这些关节是串联布置的，手臂的刚性部分从每个关节延伸到下一个关节。手腕的最近侧关节300将手臂部分4b连接到手臂部分310。关节300具有“滚动”旋转轴线304，其通常沿着手臂在手腕关节运动最近侧的分支4b的范围延伸。手腕的次最远侧关节301将手臂部分310连接到手臂部分311。关节301具有“俯仰”旋转轴线305，其在关节300和301的所有构型中都垂直于轴线304。手腕的次最远侧关节302将手臂部分310连接到手臂部分311。关节302具有“偏转”旋转轴线306，其在关节301和302的所有构型中都垂直于轴线305。在手腕的一些构型中，轴线306也垂直于轴线304。手腕303的次最远侧关节将手臂部分311连接到手臂部分4c。关节303具有“滚动”旋转轴线307，其在关节302和303的所有构型中都垂直于轴线306。在手腕的一些构型中，轴线307也垂直于轴线305并且与轴线304平行(并且优选地与轴线304共线)。优选地，轴线305和306彼此相交，因为这提供特别紧凑的构型。对于手腕的某些构型，关节300和303可以被定位成使得轴线304和307可以穿过轴线305、306的交点。
手腕的这种设计是有利的，因为它允许在手臂部分4c的远端处附接到附接点8的工具进行大范围的运动，但是手腕能够以相对紧凑的形式组装并且不会在运动范围的某些部分产生奇点，否则，这些奇点可能会在各个关节处要求过高的运动速率。
图3和图4示出了适于实现图1的手臂1的手腕5的一部分的机构的一个实例。图3和图4专注于(相对于图5至图10而言)与图2中的标号为301和302的关节相关联的机构。
在手腕5的区域中，刚性手臂部分310、311具有中空的外部壳体或机壳310'、310”、311'。壳体限定手臂的大部分外表面，并且包括空隙，所述空隙由相应壳体的外壁部分地或完全地包围，并且手臂的电机、传感器、电缆和其他部件可以容纳在其内。壳体可以由金属(例如铝合金或钢)或者由复合材料(例如纤维增强树脂复合材料，诸如碳纤维增强树脂)形成。壳体构成附接在相应关节之间的手臂部分的刚性结构的一部分。壳体可以包含如稍后参考图7的实施方案所示的结构框架。
在图3和图4中，为了清楚起见，手臂部分310的壳体以两部分示出：310'和310”，两者只画出了轮廓，并彼此分开。手臂部分4b和4c的壳体被省略，与关节300和303相关联的机构也被省略。部分地示出了手臂部分311的壳体，大部分从支柱311'延伸。
手臂部分310的壳体(由壳体部分310'和310”构成)和手臂部分311的壳体(从支柱311'延伸)可围绕两条旋转轴线(如20和21处所示)相对于彼此移动。这些都对应于图2的轴线305、306。轴线20和21正交。轴线20和21相交。中央联接器28通过轴承29、30安装到手臂部分310。联接器在轴承29、30之间延伸。轴承29、30使联接器与手臂部分310保持固定，除非它们允许联接器和该手臂部分围绕轴线20相对旋转，从而限定对应于图2的关节301的转动关节。另外的轴承31将远侧壳体连接器支柱311'附接到联接器28。轴承31将远侧壳体连接器支柱311'与联接器28保持固定，除非允许支柱和联接器围绕轴线21相对运动，从而限定对应于图2的关节302的转动关节。
因此，联接器28与手臂部分310围绕轴线21是固定的。联接器28与手臂部分311围绕轴线20也是固定的。也就是说，该机构被布置为使得联接器28和手臂部分310不能围绕轴线21进行相对旋转或运动；而联接器28和手臂部分311不能围绕轴线20进行相对旋转或运动。
两个电机24、25(参见图4)安装在手臂部分310中。电机驱动延伸到手腕机构中间的相应驱动轴26、27。轴26驱动绕轴线20的旋转。轴27驱动绕轴线21的旋转。驱动轴26在其远端终止于蜗轮32。蜗轮32接合与联接器28固定的锥齿轮33。驱动轴27在其远端终止于蜗轮34。蜗轮34接合一般性地示出的齿轮系，其终止于另一个蜗轮36。蜗杆形小齿轮36接合与远侧壳体连接器311'固定的准双曲面咬合的锥齿轮37。
在此实例中，齿轮33直接附接到联接器28。也就是说，联接器28与齿轮33邻接。因此，齿轮33安装到联接器28上。远侧壳体连接器支柱311'也直接附接到齿轮37。因此，齿轮37可以与连接器支柱311'邻接。
轴26和27平行。它们均沿着手臂部分310延伸。具体而言，轴26和27在基本上平行于手臂部分310的纵向的方向上延伸。轴可以平行于手臂部分310的纵向方向，或者它们可以相对于手臂部分310的大体纵向方向以一定角度安装。例如，手臂部分310可以在从近端到远端的方向上逐渐变细，而轴26和27可以在与手臂部分的锥角平行的方向上延伸。
蜗杆32和34分别附接到驱动轴26和27，并因此可以被称为轴齿轮。齿轮33的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线20旋转，因此，齿轮33可以被称为驱动齿轮。类似地，齿轮37的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线21旋转，因此，齿轮37也可以被称为驱动齿轮。
齿轮33作为扇形齿轮形成：即，其操作弧度(在图3和图4的实例中由其齿的弧度限定)小于360°。
齿轮系35由联接器28承载。齿轮系包括接合蜗杆34的输入齿轮38。输入齿轮38被定位为，其相对于联接器28的旋转轴线与轴线20重合。这意味着输入齿轮可以持续接合蜗杆34，而不管联接器28相对于手臂部分310围绕轴线20的构型如何。其轴线与轴线20平行的一系列另外的齿轮将驱动从输入齿轮38传递到轴40上的输出齿轮39，轴40相对于托架28的旋转轴线平行于轴线20但是偏离轴线20。轴40终止于蜗杆36。轴40平行于轴线20延伸。齿轮系35的齿轮与轴40一起由联接器28支承。
现在将描述手腕机构的操作。对于围绕轴线20的运动，电机24被操作以驱动轴26相对于手臂部分310旋转。这驱动锥齿轮33并因此驱动联接器28和远侧壳体支柱311'相对于手臂部分310围绕轴线20旋转。对于围绕轴线21的运动，电机25被操作以驱动轴27相对于手臂部分310旋转。这会驱动锥齿轮37并因此驱动远侧壳体连接器311'相对于手臂部分310围绕轴线21旋转。将观察到，如果驱动轴26旋转，会驱动联接器28旋转，同时驱动轴27保持静止，然后齿轮38也将相对于联接器28旋转，从而导致远侧壳体连接器支柱311'围绕轴线21的连带运动。为了防止这种情况，手臂的控制系统10被构造成使得当需要时存在与驱动轴26的运动一前一后的驱动轴27的补偿运动，以便将围绕轴线21的运动与围绕轴线20的运动隔离。例如，如果需要使壳体310、311仅围绕轴线20相对运动，则操作电机24以引起该运动，同时操作电机25，其方式使得防止输入齿轮38相对于托架28旋转。
图3和图4所示的机构的各个方面在帮助使机构特别紧凑方面是有利的。
1.方便的是，锥齿轮33具有部分圆形形式：即，它的齿不涵盖整个圆。例如，齿轮33可以涵盖小于270°或小于180°或小于90°。这允许另一个锥齿轮37的至少一部分以这样的方式定位：使得其相交于与齿轮33重合的圆，围绕齿轮33的轴线，并且与齿轮33的最外部分具有相同的半径。虽然该特征可以有助于缩小一系列复关节的尺寸，但是在图2所示类型的手腕中具有特别重要的意义，该手腕包括一对滚动关节，在其间具有一对俯仰/偏转关节，因为在这种类型的关节中，在俯仰/偏转关节之中存在一定程度的冗余，因此即使围绕轴线20的运动受到限制，也能够达到手臂的远端的许多不同位置。
2.方便的是，部分齿轮33服务于围绕轴线20的旋转，从而使得托架28枢转到次最近侧手臂部分310，而不是围绕轴线21旋转，因为部分齿轮也可以被切掉，以适应与所述圆相交的轴40。通过允许蜗杆36位于锥齿轮33的与齿轮系35相反的一侧上，节省了空间。然而，在其他设计中，部分齿轮可以服务于围绕轴线21的旋转，因此齿轮37可以是部分圆形的。
3.方便的是，蜗杆32、34位于轴线20的与锥齿轮37相反的一侧上，即存在一个包含轴线20的平面，在该平面的一侧上是蜗杆32、34，而在另一侧上是锥齿轮37。这有助于提供紧凑的封装布置。因此，蜗杆32和34均位于包含轴线20的平面的单侧上，轴线20与手臂部分310的纵向方向平行。
4.方便的是，蜗杆34位于锥齿轮33的与蜗杆36相反的一侧上，和/或齿轮系35仅位于锥齿轮33的与蜗杆36相反的一侧上。这也有助于提供紧凑的封装布置。也就是说，齿轮系35(包括其所有的互连齿轮，诸如齿轮38和39)可以位于齿轮33的一侧上。换言之，齿轮系35(包括其互连齿轮)和齿轮33位于与轴线21和手臂部分310的纵向方向两者均平行的平面的相反侧上。该平面可以包含轴线21。
5.齿轮33和/或37方便地作为锥齿轮提供，因为这允许它们从位于其相应外部半径的平面内的蜗杆驱动。然而，它们可以是通过蜗杆32、34或通过径向咬合齿轮接合在其外表面上的外部咬合齿轮。
6.锥齿轮33方便地位于蜗杆32和34之间。这有助于电机24、25的封装。
7.锥齿轮和与之匹配的蜗轮可以方便地具有准双曲面或斜轴(例如
图5和图6示出了适于在图2所示类型的手腕中提供关节301、302的手腕机构的第二形式。
如图5所示，手腕包括一对刚性外部壳体310'，311'，它们分别限定图2的手臂部分310、311的外表面。310'是壳体的较近侧。由壳体310'，311'形成的手臂部分可以围绕轴线62、63相对于彼此枢转，轴线62、63分别对应于图2的轴线305、306。轴线62、63正交。轴线62、63相交。壳体310'、311'在手腕区域中限定手臂的外部并且是中空的，以容纳旋转机构和供电缆等通过的空间，如将在下面更详细描述的那样。壳体可以由金属(例如铝合金或钢)或者由复合材料(例如纤维增强树脂复合材料，诸如碳纤维)形成。壳体构成附接在相应关节之间的手臂部分的主要刚性结构。
图6从远侧和一侧示出了相同的机构，为了清楚起见，去除了壳体311'。
壳体310'通过十字形联接器64联接到壳体311'。联接器具有中心管65，该中心管限定通过其中心的管道，该管通常沿着手臂的长度延伸。第一手臂66、67和第二手臂68、69从管延伸。每个壳体310'、311'通过转动关节附接到联接器64上：即，其方式使得所述壳体被限于仅通过围绕单条轴线旋转就能够相对于联接器移动。第一手臂66、67通过轴承70、71附接到壳体310'，轴承70、71允许这些第一手臂与壳体310'之间的围绕轴线62的旋转。第二手臂68、69通过轴承72、73附接到壳体311'，轴承72、73允许这些第二手臂与壳体311'之间的围绕轴线63的旋转。第一锥齿轮74与第一手臂66、67同心。第一锥齿轮与联接器64固定，并且相对于两个壳体310'中的近侧壳体自由旋转。第二锥齿轮75与第二手臂68、69同心。第二锥齿轮与两个壳体311'中的远侧壳体固定，并相对于联接器64自由旋转。
联接器的手臂66、67对垂直于手臂68、69对。手臂66和67位于旋转轴线62上；而手臂68和69位于旋转轴线63上。联接器64直接附接到齿轮74。因此，联接器64与齿轮74邻接。联接器64(并因此齿轮74)可以相对于手臂部分310围绕轴线62旋转。然而，联接器64和齿轮74与手臂部分310围绕轴线63固定，使得在联接器64与手臂部分310之间不能存在围绕轴线63的相对运动或旋转。
锥齿轮75可以直接安装到手臂部分311。锥齿轮75可以相对于联接器64(并因此相对于手臂部分310)围绕轴线63旋转。然而，齿轮75与联接器64围绕轴线62固定。也就是说，在联接器64和齿轮75之间不能存在围绕轴线62的相对旋转或运动。
两个轴76、77操作复关节的运动。轴从壳体310'中的近侧壳体310'内延伸到关节的中心区域。每个轴在其近端附接到相应电机(未示出)的轴，电机的壳体固定到近侧壳体310'的内部。以这种方式，轴76、77可以由电机驱动以相对于近侧壳体310'旋转。
轴76及其相关联的电机操作围绕轴线62的运动。轴76在其远端终止于接合锥齿轮74的蜗轮78中。轴76的旋转引起锥齿轮74相对于壳体310'围绕轴线62的旋转。锥齿轮74与联接器64固定，而联接器64又承载远侧壳体311'。因此，轴76的旋转引起壳体310'、311'围绕轴线62的相对旋转。
轴77及其相关联的电机操作围绕轴线63的运动。为此，最终借助由联接器64承载的蜗轮79来驱动锥齿轮75。该蜗轮的旋转可引起联接器和远侧壳体311'的相对旋转。为了实现这一点，驱动从轴77穿过由托架64承载的一对齿轮80、81传递到承载蜗轮79的轴。轴77从近侧接近托架64。齿轮80、81位于联接器的远侧上。因此，齿轮80、81和79与联接器64围绕轴62和63固定。轴77在联接器的中心穿过由管65限定的管道。为了适应联接器64相对于第一壳体310'的运动，轴77沿其长度具有万向节或虎克关节(hooke'sjoint)82。万向节82位于轴线62上。代替虎克关节，轴可以具有另一种形式的柔性联接，例如弹性联接(其可以与轴成一体)或者等速万向节的形式。
蜗杆78附接到驱动轴76，并因此可以被称为轴齿轮。齿轮74的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线62旋转，因此，齿轮74可以被称为驱动齿轮。类似地，齿轮75的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线63旋转，因此，齿轮75也可以被称为驱动齿轮。
轴77横穿包含旋转轴线63的平面。该平面另外包含旋转轴线62。因此，轴77包括在该平面近侧的近侧部分和在该平面远侧的远侧部分。轴77的近侧部分附接或以其他方式联接到电机。轴的远侧部分附接到齿轮80。因此，齿轮80位于该平面的远侧上。齿轮80也可以被称为轴齿轮。轴77的近侧部分和远侧部分可以被虎克关节82分开。虎克关节允许轴77的近侧部分和远侧部分相对于彼此旋转，使得近侧部分的旋转联接到远侧部分。由于轴77的远侧部分附接到齿轮80，因此，齿轮80与轴77旋转地固定。
齿轮80接合或啮合齿轮81。在此实例中，齿轮80和81是正齿轮。齿轮80和81具有平行但偏移的旋转轴线。齿轮80的旋转轴线与轴77的远侧部分的旋转轴线共线。蜗杆79被布置成响应于齿轮81的旋转而旋转。蜗杆79可以与齿轮81旋转地固定，使得齿轮81的旋转引起蜗杆79的相应旋转。蜗杆79可以具有与齿轮81的旋转轴线共线的旋转轴线。因此，齿轮80和81操作以将轴77的旋转联接到齿轮79围绕某旋转轴线的旋转，所述旋转轴线平行于轴77的远侧部分的旋转轴线。
蜗杆79的旋转轴线不与齿轮75的旋转轴线(轴线63)平行，也不与其相交。因此，齿轮75是斜轴齿轮。类似地，蜗杆78和齿轮74的旋转轴线不平行且不相交。因此，齿轮74也是斜轴齿轮。
据观察，导致联接器64围绕轴线62旋转的轴76的旋转可在轴77保持静止时导致齿轮80和81(并因此导致蜗轮79)旋转，从而导致远侧壳体311'相对于壳体310'围绕旋转轴线63的连带运动。这是因为由轴77的旋转驱动的联接器64围绕轴线62的旋转需要由虎克关节82来适应，并且联接器64的旋转可导致虎克关节围绕轴77的纵向轴线的连带旋转。虎克关节的任何这种连带旋转可导致齿轮80和81的随后旋转，并因此导致锥齿轮75的旋转。如果虎克关节的铰接轴线不彼此垂直，和/或如果其中一条铰接轴线不与旋转轴线62平行且与不其重合，则这种连带运动可能是普遍的。
为了防止这种连带运动，控制系统10可以被构造成驱动与轴76的运动一前一后的轴77的补偿运动，以便将围绕轴线62的运动与围绕轴线63的运动隔离。因此，控制系统10可以被布置成操作电机以驱动轴76的旋转，以引起手臂部分311'相对于手臂部分310'围绕轴线63的旋转，同时操作电机以驱动轴77旋转，其方式使得防止围绕轴线63的连带旋转。控制系统10可以被构造成当机器人手臂被命令围绕轴线62作关节运动而不围绕轴线63作关节运动时以这种方式操作。
控制系统10也可以被构造成驱动轴76和/或77的旋转，其方式使得减少虎克关节82的旋转中的不规则性(即提高平稳度)。当虎克关节离轴时，即当手臂部分311'相对于手臂部分310’围绕轴线62俯仰时，虎克关节可能会在其旋转中遇到不规则性。因此，当手臂部分311'相对于手臂部分310’围绕轴线62倾斜并当命令手臂部分311'围绕轴线63相对于手臂部分310’作关节运动时，控制系统可以操作以驱动轴77的旋转，其方式使得保持虎克关节82的平稳或一致的旋转速度。这可以有助于提供围绕轴线63的平稳和/或一致的旋转。
已经发现该机构能够为绕轴线62和63的旋转提供特别紧凑、轻质和刚性的驱动布置，而机构的部件不会不当地限制壳体的运动。它允许两个电机被安置在近侧壳体内，这减轻远侧重量。
图5和图6所示的机构的各个方面在帮助使机构特别紧凑方面是有利的。
1.方便的是，锥齿轮74具有部分圆形形式：即，它的齿不涵盖整个圆。例如，齿轮74可以涵盖小于270°或小于180°或小于90°。这允许另一个锥齿轮75的至少一部分以这样的方式定位：使得其相交于与齿轮74重合的圆，围绕齿轮74的轴线，并且与齿轮74的最外部分具有相同的半径。虽然该特征可以有助于缩小一系列复关节的尺寸，但是在图2所示类型的手腕中具有特别重要的意义，该手腕包括一对滚动关节，在其间具有一对俯仰/偏转关节，因为在这种类型的关节中，在俯仰/偏转关节之中存在一定程度的冗余，因此即使围绕轴线62的运动受到限制，也能够达到手臂的远端的许多不同位置。如图6所示，锥齿轮74在不被其齿所涵盖的区域内半径减小。其他实施方案的部分圆形锥齿轮可以以相同的方式形成。
2.齿轮74和/或75方便地作为锥齿轮提供，因为这允许它们从位于其相应外部半径的平面内的蜗杆驱动。然而，它们可以是通过蜗杆76、79或通过径向咬合齿轮接合在其外表面上的外部咬合齿轮。
3.锥齿轮和与之匹配的蜗轮可以方便地具有斜轴(例如，
图7至图10示出了另一种形式的手腕机构。在这些图中，手臂部分310、311的壳体被省略，露出手臂部分内的结构。近侧手臂部分310具有结构框架100，其在一些附图中以轮廓示出。远侧手臂部分311具有结构框架101。手臂部分310和311可相对于彼此围绕轴线102、103旋转，轴线102、103分别对应于图2的轴线305、306。托架104将手臂部分310、311联接在一起。托架104通过轴承105、190附接到手臂部分310。这些轴承在手臂部分310与托架104之间围绕轴线102限定转动关节。托架104通过轴承106附接到手臂部分311。这些轴承在手臂部分311与托架104之间围绕轴线103限定转动关节。围绕轴线102的第一锥齿轮107与托架104固定。围绕轴线103的第二锥齿轮108与手臂部分311固定。
因此，托架104可以相对于手臂部分310围绕轴线102旋转。然而，托架104以别的方式与手臂部分310固定，特别是，围绕轴线103固定。因此，不允许托架104相对于手臂部分310围绕轴线103进行相对旋转。第二锥齿轮108可以相对于托架104围绕轴线103旋转。第二锥齿轮108(并因此手臂部分311)可以围绕轴线102与托架固定。因此，允许第二锥齿轮108相对于托架104围绕轴线103进行相对旋转，但是不允许相对于托架围绕轴线102进行相对旋转。
在此实例中，轴线102和103垂直，但通常是两条不平行的轴线。它们可以基本上彼此正交。在关节301和302的至少一个构型中，轴线基本横向于手臂部分310的纵向方向。在所示的布置中，一个这样的构型是当手臂部分311不相对于手臂部分310作关节运动时。在笛卡尔坐标系的情况下，轴线102可被认为是“俯仰”旋转轴线，轴线103被认为是“偏转”旋转轴线。
如同本文描述的其他机构一样，托架104位于分支310、311的内侧。
两个电机109、110固定在手臂部分310的框架100上。电机109驱动轴111。轴111是刚性的，并终止于与锥齿轮107接合的蜗杆118中。当电机109被操作时，轴111相对于近侧手臂部分310旋转，驱动锥齿轮107，并因此驱动联接器104和手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线102旋转。电机110驱动轴112。轴112在其远端附近具有与锥齿轮108接合的蜗杆113。为了适应当联接器104围绕轴线102移动时锥齿轮108相对于电机110的运动，轴112包括一对万向节114、115和花键联接器116，该花键联接器适应轴112的轴向延伸和缩回。轴112的最后部分通过轴承117安装到联接器104。
花键联接器116是棱柱形关节的实例。
通过轴承117安装到托架104的轴112的远侧部分与蜗杆113固定(在图10中最清楚地示出)。轴承117限定位于万向节115的与联接器116相反的一侧上的转动关节。该转动关节允许轴112的远侧部分相对于托架104旋转。轴112的远侧部分在托架的所有旋转位置在垂直于轴线102的方向上延伸，并且能够围绕垂直于轴线102的轴线相对于托架104旋转。参照图7可以看出，轴112横穿包含轴线102的平面，该轴线102横向于手臂部分310的纵向方向。在此实例中，轴112的远侧部分直接附接到蜗杆113，并因此在蜗杆与托架104之间延伸。轴112的远侧部分安装到托架104，以便当托架104围绕轴线102作关节运动时将蜗杆113与锥齿轮108牢固地接合。
轴112的万向节114和115位于联接器116的相反侧上。两个万向节都位于旋转轴线102和103的近侧。万向节114、115和联接器116被布置成允许托架104相对于手臂部分310围绕轴线102旋转。
锥齿轮107围绕轴线102设置。也就是说，齿轮107以轴线102作为其旋转轴线。齿轮107围绕轴线102的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310的旋转。因此，齿轮107可以被称为驱动齿轮。
锥齿轮108围绕轴线103设置。因此，锥齿轮108以轴线103作为其旋转轴线。齿轮108围绕轴线103的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线310的旋转。因此，齿轮108也可以被称为驱动齿轮。
轴111沿着手臂部分310的长度方向延伸。在托架104围绕轴线102和103的所有旋转位置，轴111的纵向轴线可以垂直于轴线102。轴111(和固定的蜗杆118)围绕轴111的纵向轴线旋转。该旋转轴线不与齿轮107的旋转轴线102平行，且不与其相交。因此，齿轮107是斜轴齿轮。
当手臂部分311围绕轴线103与手臂部分310对齐时，换言之，当手臂部分311相对于手臂部分310不偏转时，蜗杆113和118两者都可以位于包含轴线103的平面的单侧上，轴线103横向于手臂部分311的纵向方向。具体而言，两个蜗杆都可以位于该平面的近侧。然而，蜗杆113和118可以位于包含轴线102的平面的相反侧上，轴线102与手臂部分311的纵向方向平行。
由于万向节114和115以及联接器116的操作，当托架104围绕轴线102作关节运动时，蜗轮113和118围绕轴线102相对于彼此旋转。当手臂部分310与手臂部分311围绕轴线102对齐时(即，当手臂部分311相对于手臂部分310不俯仰时)，则蜗轮113和轴112的远侧部分平行于蜗轮118和轴111。在围绕轴线102的手臂部分的所有其他构型中，蜗轮113和轴112的远侧部分不平行于蜗轮118和轴111。
蜗杆113和118各自附接到相应的驱动轴112和111，并因此可以被称为轴齿轮。
现在将描述关节机构的操作。
为了驱动围绕轴线102的关节运动，操作电机109以使驱动轴111围绕其纵向轴线旋转。由于轴齿轮118被附接到轴111，所以轴111的旋转导致齿轮118也围绕轴111的纵向轴线旋转。轴齿轮118接合驱动齿轮107，使其相对于手臂部分310围绕轴线102旋转。托架104与驱动齿轮107固定，因此，驱动齿轮107的旋转导致托架104相对于手臂部分310围绕轴线102旋转。托架104围绕轴线102的旋转驱动手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线102的关节运动。托架104围绕轴线102的旋转引起万向节114和115以及棱柱形关节116的关节运动，以适应轴齿轮113相对于轴齿轮118围绕轴线102的旋转。
为了驱动围绕轴线103的关节运动，操作电机110以旋转驱动轴112。驱动轴112的近端的旋转经由万向节114和115(以及联接器116)联接到轴齿轮113的旋转。轴齿轮113接合锥齿轮108。因此，轴齿轮113的旋转驱动齿轮108围绕轴线103相对于托架104旋转。锥齿轮108与手臂部分311固定，因此，齿轮108的旋转导致手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线103作关节运动。
当轴112保持静止时驱动轴111的旋转可引起手臂部分311围绕轴线103的连带运动。这是因为托架104围绕轴线102的旋转可引起万向节114和115的旋转，万向节114和115的旋转驱动蜗杆113的旋转，并由此驱动锥齿轮108的旋转。为了防止这种连带运动，控制系统10可以被布置成操作电机109以驱动轴111的旋转，以使得手臂部分311相对于手臂部分310围绕轴线102旋转，同时操作电机110以驱动轴112的旋转，其方式使得防止围绕轴线103的连带旋转。控制系统10可以被构造成当机器人手臂被命令围绕轴线102作关节运动而不围绕轴线103作关节运动时以这种方式操作。
控制系统10也可以被构造成驱动轴112的旋转，其方式使得减少万向节114和115的旋转中的不规则性。当虎克关节离轴时，即，当手臂部分311相对于手臂部分310俯仰时，虎克关节可能会遇到不规则或不一致的旋转。因此，当手臂部分311相对于手臂部分310俯仰并当命令手臂部分311围绕轴线103相对于手臂部分310作关节运动时，控制系统10可以操作以驱动轴112的旋转，其方式使得保持虎克关节114和115的平稳或一致的旋转速度。这可以有助于提供围绕轴线103的平稳和/或一致的旋转。
图7至图10所示的机构的各个方面在帮助使机构特别紧凑方面是有利的。例如：
方便的是，锥齿轮107具有部分圆形形式：即，它的齿不涵盖整个圆。例如，齿轮107可以涵盖小于270°或小于180°或小于90°。这允许另一个锥齿轮108的至少一部分以这样的方式定位：使得其相交于与齿轮107重合的圆，围绕齿轮107的轴线，并且与齿轮107的最外部分具有相同的半径。虽然该特征可以有助于缩小一系列复关节的尺寸，但是在图2所示类型的手腕中具有特别重要的意义，该手腕包括一对滚动关节，在其间具有一对俯仰/偏转关节，因为在这种类型的关节中，在俯仰/偏转关节之中存在一定程度的冗余，因此即使围绕轴线102的运动受到限制，也能够达到手臂的远端的许多不同位置。
方便的是，蜗杆118和113位于锥齿轮107的相反侧上。换句话说，锥齿轮107可以插入在蜗杆113与118之间。这可以有助于提供紧凑的封装布置。齿轮107和/或108方便地作为锥齿轮提供，因为这允许它们从位于其相应外部半径的平面内的蜗杆驱动。然而，它们也可以是通过附接到轴111、112的蜗杆或通过外部咬合齿轮接合在其外表面上的外部咬合齿轮。
锥齿轮和与之匹配的蜗轮可以方便地具有斜轴(例如，
可以对上述机构进行各种改变。例如，但不限于：
-对应于轴线305、306的轴线不需要相交，也不需要正交。通常，对应于轴线305和306的轴线是两条不平行的旋转轴线。它们可以在关节301和302的所有构型中基本上彼此垂直。在关节301和302的至少一个构型中，每条轴线可以基本上横向于手臂部分310的纵向方向。一种这样的构型是当手臂部分311相对于手臂部分310既不俯仰也不偏转时。
-对应于轴线305和306的轴线是不平行的，但不必相互正交。轴线305与轴线304不平行，但不必与其正交。轴线306与轴线307不平行，但不必与其正交。
-对应于轴线304和307的轴线不必平行，也不必共线；它们可以平行但不共线。例如，手臂部分3b可以相对于手臂部分3c弯曲。
-锥齿轮或其外部咬合齿轮等同物不需要由蜗杆驱动。它们可以由其他齿轮驱动。它们可以例如由小齿轮驱动。
-因此，驱动齿轮可以是锥齿轮或其他类型的环形齿轮，诸如外部咬合齿轮，即具有在径向上延伸的齿的齿轮。轴齿轮可以是蜗杆或其他类型的齿轮，诸如小齿轮，例如锥齿轮。
-任一个或两个锥齿轮可以是部分齿轮。更一般地说，任一个或两个驱动齿轮可以是部分齿轮。
-在上面给出的实例中，所述机构形成机器人手臂的手腕的一部分。所述机构可用于其他应用，例如用于机器人手臂的其他部分，用于机器人工具，以及用于非机器人应用(例如照相机的控制头)。
如以上参照图1所讨论的，每个关节设有扭矩传感器，该扭矩传感器感测围绕该关节的轴线施加的扭矩。来自扭矩传感器的数据被提供给控制单元10以用于控制手臂的操作。
图9和图10以横截面示出了扭矩传感器之一及其安装布置。扭矩传感器150测量围绕轴线103施加的扭矩，即从托架104到远侧手臂框架101的扭矩。如上所述，锥齿轮108与框架101固定，并且可相对于托架104围绕轴线103旋转。锥齿轮108包括径向延伸的齿轮部分151和轴向延伸的颈部153，齿轮部分151的齿轮齿152沿轴向延伸。颈部、径向延伸的齿轮部分和齿彼此是一体的。颈部153的内壁和外壁具有圆柱形轮廓。一对滚柱或滚珠轴承座圈106、154紧贴地围绕颈部的外部。轴承位于托架104内的杯中，并将颈部153相对于托架保持在适当位置，同时允许锥齿轮108相对于托架围绕轴线103旋转。
扭矩传感器150具有径向延伸的顶部凸缘155，从顶部凸缘延伸的轴向伸长的扭力管156以及扭力管的与凸缘相反的端部处的内螺纹基座157。顶部凸缘155与锥齿轮108的齿轮部分151邻接。顶部凸缘通过螺栓158与齿轮部分保持固定。扭力管156在锥齿轮108的颈部153内延伸。扭力管的外壁具有圆柱形轮廓。基座157的外部构造有花键结构，该花键结构与框架101中的对应结构刚性接合，以使得两者围绕轴线103保持固定的关系。螺栓159延伸穿过框架101并进入基座157，以将它们夹紧在一起。因此，将锥齿轮108附接到臂框架101的是扭矩传感器150，并且通过扭矩传感器施加围绕轴线103施加的扭矩。扭力管具有中空的内部和相对于其扭力管150的相对薄的壁。当通过扭矩传感器施加扭矩时，扭力管有轻微的扭转变形。扭力管的挠曲由固定到扭力管内壁的应变仪160测量。应变仪形成指示扭力的电输出，其提供围绕轴线103的扭矩的表示。应变仪可以是另一种形式：例如提供光输出的光学干涉应变仪。
为了得到来自扭矩传感器的最准确的输出，应当避免以绕过扭力管156的方式从锥齿轮108到框架101的扭矩传递。为此，优选的是，减小锥齿轮108的颈部153与扭矩传感器的基座157之间的摩擦。一种可能性是在锥齿轮的颈部与扭矩传感器的底座以及扭力管两者之间提供间隙。然而，这可能会使得将剪切力以横向于轴线103的方向施加到扭力管，这本身会通过使应变仪160暴露于除扭转力之外的力而降低扭矩传感器的精确度。另一选择是在锥齿轮108的颈部的内部与扭矩传感器的基座157的外部之间引入轴承座圈。但是，这将大大增加该机构所占用的空间。相反，图8所示的布置已经显示出得到良好的结果。套筒或衬套161设置在扭力管156周围并在锥齿轮108的颈部153内。该套筒的尺寸设定成使得它与颈部153的内壁以及也具有圆柱形轮廓的扭力管156的外壁连续接触。套筒的整个内表面与扭力管156的外部接触。套筒的整个外表面与颈部153的内表面接触。套筒被构造成使得其在颈部与扭力管之间施加相对小的摩擦力：例如，套筒可以由低摩擦或自润滑材料形成或者涂覆有低摩擦或自润滑材料。套筒由基本上不可压缩的材料形成，从而可以防止扭矩传感器在横向于轴线103的剪切力下变形。例如，套筒可以由诸如尼龙、聚四氟乙烯(ptfe)、聚乙烯(pe)或乙缩醛(例如，
为了容易地组装机构并且将套筒161保持在适当的位置，锥齿轮108的颈部153的内壁在远离径向延伸的齿轮部分151的端部附近在162处向内形成台阶。当套筒161位于颈部153与扭力管156之间，并且扭矩传感器的头部155被螺栓连接到齿轮部分151时，套筒被径向(在扭力管与颈部之间)和轴向(在扭矩传感器的头部155与锥齿轮的颈部153的内表面的台阶162之间)捕获。优选的是，超出台阶162的区域163中的颈部153的内半径使得该区域中的颈部的内表面与扭矩传感器150间隔开，从而防止两者之间的摩擦扭矩传递。
对于图7至图10的实施方案的围绕另一轴102的扭矩传感器以及其他附图的实施方案的扭矩传感器，可以使用类似的布置。
霍尔效应传感器用于检测关节的旋转位置。每个位置传感器包括围绕旋转轴线之一布置的材料环。环具有一系列规则间隔开的交替的南北磁极。与环相邻的是具有传感器阵列的传感器芯片，传感器阵列包括多个霍尔效应器件，所述霍尔效应器件能够检测磁场，并测量环上的磁极相对于传感器阵列的位置，从而提供指示该相对位置的多位输出。磁极的环被布置成使得相应关节在360°范围内的每个位置与来自该对磁传感器的唯一一组输出相关联。这可以通过在每个环上提供不同数量的极并使得这些环上的极的数量互素来实现。已知采用这种一般原理的霍尔效应位置传感器用于机器人领域和其他应用领域。
更具体地说，与每个关节相关联的是一对交替磁化的环和相关联的传感器。每个环围绕其相应关节的轴线同心布置。这些环与关节的一侧上的元件固定，而传感器与关节的另一侧上的元件固定，结果，当机器人手臂围绕相应的关节有旋转时，存在每个环与其相应传感器的相对旋转运动。每个单独的传感器测量相关联的环相对于传感器定位在一对极之间的位置。不能从单个传感器的输出来确定环上的极对中的哪一个在传感器上方。因此，单个传感器只能以相对的方式使用，并且需要在通电时进行校准以了解关节的绝对位置。然而，通过使用一对设计成使得每个环中的极对的数量没有共同因数的环，可以将来自两个传感器的极间对测量值组合起来，并在没有校准的情况下计算出关节的绝对位置。
磁环和传感器如图7至图10所示。对于提供围绕轴线102的旋转的关节，借助磁环200和201以及传感器202和203来感测位置。对于提供围绕轴线103的旋转的关节，借助磁环210、211、传感器212和未示出的另一个传感器来感测位置。磁环200与托架104固定，并安装在托架的一侧上。磁环201与托架104固定，并且在托架的另一侧上安装到磁环200。磁环200、201是平面的，并且被布置成与轴线102垂直并且以轴线102为中心。传感器202和203与手臂部分310的框架100固定。传感器202被安装成邻近环200的一侧。传感器203被安装成邻近环201的一侧。电缆204、205携带来自传感器202、203的信号。磁环210与托架104固定，并安装在托架的凸缘220的一侧上。磁环211与托架104固定，并且在凸缘220的另一侧上安装到磁环200。磁环210、211是平面的，并且被布置成与轴线103垂直并且以轴线103为中心。传感器212和用于围绕轴线103旋转的另一个传感器与手臂部分311的框架101固定。传感器212被安装成邻近环210的一侧。所述另一个传感器安装成与环211的一侧相邻。
因此，在图7至图10的布置中，围绕每条轴102、103的旋转借助于两个多极磁环来感测，每个磁环具有相应的相关传感器。每个传感器生成多位信号，所述信号代表相应环上的最近的极与传感器的相对位置。通过将两个环上的极数设置为互素，传感器的输出组合在一起，指示在360°范围内的关节的构型。这允许在该范围内检测关节的旋转位置。此外，在图7至图10的布置中，与每个关节相关联的两个环(即，一方面，环200、201，以及另一方面环210、211)被定位成沿着相应关节的轴线彼此实质性偏移。环200位于托架104本体的一侧上的轴承190附近，而环201位于托架104的相反侧上的轴承105附近。环210位于凸缘220的一侧上，而环211位于凸缘220的另一侧上。每个环由一片材料制成，该材料在垂直于该环所围绕的轴线的平面中是平坦的。每对磁环(即一方面，环200、201，另一方面环210、211)在沿着它们各自轴线的方向上彼此间隔大于该对环的厚度的5倍，并且更优选地大于10倍或大于20倍的距离。方便地，一对环可以在相应的关节的相对侧上，如同环200、201一样。方便地，一对成对的两个环所附接到的托架104径向向外延伸，从而当在包含相应旋转轴线的平面中观察时位于环之间的径向位置处。因此，例如，凸缘220径向地位于环210和211之间。方便地，相应的关节可以由两个轴承支撑或限定，一个轴承在沿着相应轴线的关节的任一侧上，并在关节上的极端位置处，且该关节的该环或每个环可以重叠垂直于该轴线的平面中相应的一个轴承。方便地，环的传感器可以安装在通过关节作关节运动的手臂部分上。传感器可以安装在手臂部分的相对侧上。
通过将环分开，可以大大改善关节和/或安装相关传感器的手臂部分的封装。通过将环分隔开，可以有更多的机会将环定位在方便的位置，并且允许传感器间隔开，这本身就可以提供封装优点。优选的是，与环上的磁极的数量相比，关节足够硬，使得关节在负荷作用下的扭转不会对测量造成不利的影响。例如，优选的是，关节具有足够的刚性，使得在其最大额定操作负荷下，关节的元件不会扭曲太多而导致传感器处的磁转变顺序改变，即使它们间隔开也是如此。对于所有负荷情况，除了运动之外，还可以检测方向。
手臂部分311在手臂部分310的远侧。手臂部分310在图7至图10所示的围绕轴线102和103的关节的近侧。如参照图1所讨论的，来自扭矩传感器和位置传感器的数据被反馈给控制单元10。该数据通过穿过手臂本身行进的有线连接来传递是理想的。
每个手臂部分包括电路板。图7至图10示出了由手臂部分311承载的电路板250。每个电路板包括数据编码器/解码器(例如集成电路251)。编码器/解码器在以下格式之间转换信号：在本地用于相应手臂部分的格式，和用于沿着手臂进行数据传输的格式。例如：(a)在手臂部分本地，位置传感器可以在其通过磁极转换处时返回位置读数，扭矩传感器可以返回表示当前感测到的扭矩的模拟或数字信号，并且驱动电机可能需要脉宽调制驱动信号；而(b)对于沿着手臂的数据传输，可以使用通用数据传输协议，其可以是诸如以太网之类的分组数据协议。因此，编码器/解码器可以接收来自控制单元10的沿着手臂传送的数据分组，并解释它们的数据以形成用于任何本地电机的控制信号，并且可以接收本地感测到的数据，并将其转换成分组形式以便传输到控制单元。沿着手臂的电路板可以通过通信电缆链接在一起，使得来自相对远侧的电路板的通信经由更近侧的电路板传递。
通常，不希望将来自手臂的一个部件的数据馈送到手臂的更远侧部件。这样做会涉及电缆在手臂中不必要地向远侧布线，增加远侧分布的重量；并且由于电路板被链接在一起，一旦数据已经被发送到相对较远的电路板，则次最近侧电路板将无论如何都处理数据以便将其转发。
围绕轴线102、103的复关节具有旋转位置传感器202、203(用于围绕轴线102的旋转)和212(用于围绕轴线103的旋转)。传感器202、203安装在手臂部分310的框架100上，该框架在关节近侧，关节的运动由传感器测量。来自位置传感器202、203的数据沿着电缆204、205馈送，电缆204、205沿着传感器近侧的手臂部分310布线。传感器202安装在手臂部分311的框架101上。来自位置传感器202的数据沿着电缆被馈送到同一手臂部分上的电路板250。在每种情况下，数据都不会传递到手臂的比在其上采集数据的那个元件更远侧的元件。
围绕轴线102、103的复关节具有扭矩传感器150(用于围绕轴线103的旋转)和191(用于围绕轴线102的旋转)。由扭矩传感器150、191感测到的数据通过柔性电缆以原始形式被传输到电路板250。在电路板250上，编码器/解码器251编码感测到的数据，例如，编码为以太网数据包，并将其发送到控制单元10。因此，并不是馈送给更近侧的手臂部分310的电路板进行编码，来自扭矩传感器的数据被传递到更远侧的手臂部分的电路板以进行编码，然后从该电路板，由电缆沿着手臂在远侧方向传递。
图11说明了这种布置。手臂部分310包括电路板195，电路板195接收来自位置传感器202的数据，并将命令数据提供给电机109、110。手臂部分311包括电路板250，该电路板接收来自位置传感器212和扭矩传感器150、191的数据。电路板250对所感测的数据进行编码，并通过数据总线196将其传递到电路板195，电路板195经由链路197将其转发到控制单元10。位置传感器202通过电缆直接连接到电路板195。位置传感器212和扭矩传感器150、191通过电缆直接连接到电路板195。
如图2所示，手臂部分4c由手臂部分311承载，并且可以围绕轴线307相对于手臂部分4c旋转。图12示出了包括手臂部分4c的模块的横截面。该模块具有底座400和与底座固定的侧壁440。基座400附接到手臂部分311的远端的端面401上。(参见图7)。在403处一般性地示出手臂部分4c。手臂部分4c可相对于基座围绕轴线402旋转，该轴线对应于图2的轴线307。为此，手臂部分4c通过轴承430、431被安装到侧壁440，所述轴承限定侧壁440与手臂部分4c之间的围绕轴线402的转动关节。
手臂部分4c具有容纳其内部部件的壳体404。这些部件包括电路板405和电机406、407。电机406、407被固定到壳体404，使得它们不能相对于其旋转。借助于轴承430、431，壳体404相对于基座400自由旋转。通道408贯穿模块的内部以容纳从电路板250布线到电路板405的通信电缆(未示出)。通信电缆携带的信号在被电路板405的编码器/解码器解码时使其发出控制信号来控制电机406、407的操作。
电机406驱动手臂部分4c相对于手臂部分311的旋转。因此，电机406驱动壳体404相对于基座400的旋转。基座400具有中央凸台410。通常为参考图9和图10所讨论类型的扭矩传感器附接到凸台410。扭矩传感器具有一体构件，该一体构件包括基座411、扭力管412和径向延伸的头部413。扭矩传感器的基座411与基座400的凸台410固定。如同图9和图10的扭矩传感器一样，套筒421围绕扭矩传感器的扭力管延伸，以保护其免受剪切力的影响，并减小其与周围部件(基座400)之间的摩擦。
内部咬合齿轮420与扭矩传感器的头部413固定。电机406驱动承载小齿轮415的轴414。小齿轮415接合内部齿轮420。因此，当操作电机406时，其驱动小齿轮415旋转，并且这使得电机406所属的手臂部分4c围绕轴线402旋转。所产生的围绕轴线402的扭矩通过扭矩传感器的扭力管412传递到基座400，从而允许通过附接到扭力管的应变仪来测量扭矩。
图12中示出了用于附接到器械的接口8。电机407的轴440在接口处暴露以向器械提供驱动。
来自扭矩传感器411、412、413的扭矩数据被传递到手臂部分311上的电路板250进行编码。手臂部分4c的旋转位置可以由传感器445感测，该传感器由手臂部分4c承载并检测安装在壳体404内部的环446、447上的磁极之间的转换。来自传感器445的数据被传递到手臂部分4c的电路板405以进行编码。
驱动围绕关节102和103旋转的电机在手臂部分310中安装在这些关节的近侧。如上所讨论，这通过避免重量被置于手臂的远端附近来改善重量分布。相比之下，驱动手臂部分4c的旋转的电机不是安装在手臂部分311中，而是安装在手臂部分4c中。尽管这可能被认为是不利的，因为它要求电机406被安装在更远处，但是，已经发现这会使得手臂部分311特别紧凑。电机406可以被封装在手臂部分4c中，与向器械提供驱动的电机(例如407)平行，即，使得电机与垂直于轴线402的公共平面相交。这意味着将电机406结合在手臂部分4c中不需要使手臂部分4c实质性更长。
关节的驱动可以通过摩擦的手段，而不通过咬合的齿轮。
申请人在此独立地公开了本文描述的每个单独的特征以及两个或更多个这种特征的任意组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员的公知常识来实施，而不管这些特征或特征的组合是否解决本文公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单个特征或特征组合组成。鉴于以上描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种机器人手臂，所述机器人手臂包括用于使所述手臂中的一个分支相对于所述手臂中的另一个分支围绕两条非平行旋转轴线作关节运动的关节机构，所述机构包括：
中间托架，所述中间托架通过具有第一旋转轴线的第一转动关节附接至所述分支中的第一个，并通过具有第二旋转轴线的第二转动关节附接至所述分支中的第二个；
第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线设置，所述第一驱动齿轮与所述托架固定；
第二驱动齿轮，所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线设置，所述第二驱动齿轮与所述分支中的所述第二个固定；
第一驱动轴，所述第一驱动轴用于驱动所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线旋转，所述第一驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第一轴齿轮，所述第一轴齿轮被布置成接合所述第一驱动齿轮；
第二驱动轴，所述第二驱动轴用于驱动所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转，所述第二驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第二轴齿轮；
中间齿轮系，所述中间齿轮系由所述托架承载并且将所述第二轴齿轮联接至所述第二驱动齿轮，所述中间齿轮系包括围绕所述第一旋转轴线设置的第一中间齿轮，所述第一中间齿轮被布置成接合所述第二轴齿轮；以及
控制单元，所述控制单元被布置成对命令信号作出响应，所述命令信号通过驱动所述第一驱动轴和第二驱动轴旋转来命令所述机器人手臂的运动，所述控制单元被配置成当命令所述机器人手臂围绕所述第一轴线作关节运动而不围绕所述第二轴线作关节运动时，驱动所述第一轴旋转以引起围绕所述第一轴线的关节运动，并且还驱动所述第二轴旋转，其方式使得消除围绕所述第二轴线的连带关节运动。
2.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述中间齿轮系包括多个互连齿轮，所述多个互连齿轮被布置成围绕与所述第一旋转轴线平行的轴线旋转。
3.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述中间齿轮系包括中间轴，所述中间轴被布置成围绕与所述第一旋转轴线平行的轴线旋转，所述中间轴上具有第三轴齿轮，所述第三轴齿轮被布置成接合所述第二驱动齿轮。
4.根据从属于权利要求2的权利要求3所述的机器人手臂，其中所述互连齿轮位于与所述第一轴线垂直并包含所述第一驱动齿轮的齿的平面的一侧上，并且所述第三轴齿轮的至少一部分位于所述平面的另一侧上。
5.根据权利要求3或4所述的机器人手臂，其中所述第三轴齿轮是蜗轮。
6.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述第一轴齿轮和第二轴齿轮中的一个或两个是蜗轮。
7.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮中的一个或两个是锥齿轮。
8.根据权利要求7所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮中的一个或两个是斜轴齿轮。
9.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮是部分圆形齿轮。
10.根据权利要求9所述的机器人手臂，其中所述第二驱动齿轮的至少一部分与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
11.根据从属于权利要求3的权利要求9或10所述的机器人手臂，其中所述中间轴的至少一部分与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
12.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述第一轴线和第二轴线正交。
13.根据任一项前述权利要求所述的机器人手臂，其中所述第一轴线和第二轴线彼此相交。
14.一种机器人手臂，所述机器人手臂包括用于使所述手臂中的一个分支相对于所述手臂中的另一个分支围绕两条非平行旋转轴线作关节运动的关节机构，所述机构包括：
中间托架，所述中间托架通过具有第一旋转轴线的第一转动关节附接至所述分支中的第一个，并通过具有第二旋转轴线的第二转动关节附接至所述分支中的第二个；
第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线设置，所述第一驱动齿轮与所述托架固定；
第二驱动齿轮，所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线设置，所述第二驱动齿轮与所述分支中的所述第二个固定；
第一驱动轴，所述第一驱动轴用于驱动所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线旋转，所述第一驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第一轴齿轮，所述第一轴齿轮被布置成接合所述第一驱动齿轮；
第二驱动轴，所述第二驱动轴用于驱动所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转，所述第二驱动轴沿着所述分支中的所述第一个在包含所述第二旋转轴线的平面的第一侧上延伸，并且穿过所述平面延伸到所述平面的第二侧；以及
中间联动装置，所述中间联动装置在所述平面的所述第二侧上与所述第二驱动轴啮合，并且将所述第二轴齿轮联接到所述第二驱动齿轮。
15.根据权利要求14所述的机器人手臂，其中所述第二轴包括柔性元件。
16.根据权利要求15所述的机器人手臂，其中所述柔性元件位于所述第一旋转轴线上。
17.根据权利要求15或16所述的机器人手臂，其中所述柔性元件是万向节。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的机器人手臂，其中所述第二轴在所述平面的所述第二侧上通过转动关节联接到所述托架。
19.根据权利要求14至17中任一项所述的机器人手臂，其中所述第二驱动轴在所述平面的所述第二侧上具有第二轴齿轮，并且所述中间联动装置包括中间轴，所述中间轴具有与所述第二轴齿轮啮合的第一中间齿轮和与所述第二驱动齿轮啮合的第二中间齿轮。
20.根据权利要求19所述的机器人手臂，其中所述第二驱动轴被布置成围绕垂直于所述第二旋转轴线的轴线旋转。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的机器人手臂，其中所述第二中间齿轮是蜗轮。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一轴齿轮是蜗轮。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮中的一个或两个是锥齿轮。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮中的一个或两个是斜轴齿轮。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮是部分圆形齿轮。
26.根据权利要求25所述的机器人手臂，其中所述第二驱动齿轮的至少一部分与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
27.根据权利要求14至26中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一轴线和第二轴线正交。
28.根据权利要求14至27中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一轴线和第二轴线彼此相交。
29.一种机器人手臂，所述机器人手臂包括用于使所述手臂中的一个分支相对于所述手臂中的另一个分支围绕两条非平行旋转轴线作关节运动的关节机构，所述机构包括：
中间托架，所述中间托架通过具有第一旋转轴线的第一转动关节附接至所述分支中的第一个，并通过具有第二旋转轴线的第二转动关节附接至所述分支中的第二个；
第一驱动齿轮，所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线设置，所述第一驱动齿轮与所述托架固定；
第二驱动齿轮，所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线设置，所述第二驱动齿轮与所述分支中的所述第二个固定；
第一驱动轴，所述第一驱动轴用于驱动所述第一驱动齿轮围绕所述第一旋转轴线旋转，所述第一驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第一轴齿轮，所述第一轴齿轮被布置成接合所述第一驱动齿轮；
第二驱动轴，所述第二驱动轴用于驱动所述第二驱动齿轮围绕所述第二旋转轴线旋转，所述第二驱动轴沿着所述分支中的所述第一个延伸并且在其上具有第二轴齿轮，所述第二轴齿轮被布置成接合所述第二驱动齿轮；
所述第二驱动轴包括棱柱形关节，由此所述轴的长度可响应于所述托架围绕所述第一轴线的运动而变化。
30.根据权利要求29所述的机器人手臂，其中所述棱柱形关节是滑动花键联接。
31.根据权利要求29或30所述的机器人手臂，其中所述第二驱动轴包括位于所述棱柱形关节的一侧上的第一柔性关节和位于所述棱柱形关节的另一侧上的第二柔性关节。
32.根据权利要求31所述的机器人手臂，其中所述第二驱动轴通过转动关节在所述第二柔性关节的与所述棱柱形关节相反的一侧上连接到所述托架。
33.根据权利要求29至32中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一轴齿轮和第二轴齿轮中的一个或两个是蜗轮。
34.根据权利要求29至33中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮中的一个或两个是锥齿轮。
35.根据权利要求34所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮中的一个或两个是斜轴齿轮。
36.根据权利要求29至35中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一驱动齿轮是部分圆形齿轮。
37.根据权利要求36所述的机器人手臂，其中所述第二驱动齿轮的至少一部分与围绕所述第一轴线的圆相交，所述圆与所述第一驱动齿轮的径向最外部分重合。
38.根据权利要求33至37中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一轴线和第二轴线正交。
39.根据权利要求33至38中任一项所述的机器人手臂，其中所述第一轴线和第二轴线彼此相交。
40.根据权利要求14至39中任一项所述的机器人手臂，还包括控制单元，所述控制单元被布置成对命令信号作出响应，所述命令信号通过驱动所述第一驱动轴和第二驱动轴旋转来命令所述机器人手臂的旋转，所述控制单元被配置成当命令所述机器人手臂围绕所述第一轴线作关节运动而不围绕所述第二轴线作关节运动时，驱动所述第一轴旋转以引起围绕所述第一轴线的关节运动，并且还驱动所述第二轴旋转，其方式使得消除围绕所述第二轴线的连带关节运动。
41.根据权利要求14至40中任一项所述的机器人手臂，还包括控制单元，所述控制单元被布置成对命令信号作出响应，所述命令信号通过驱动所述第一驱动轴和第二驱动轴旋转来命令所述机器人手臂的旋转，所述控制单元被配置成当命令所述机器人手臂围绕所述第二轴线作关节运动，并且当所述分支中的所述第二个相对于所述分支中的所述第一个围绕所述第一旋转轴线作关节运动时，驱动所述第二驱动轴旋转以引起围绕所述第二轴线的关节运动，其方式使得提供围绕所述第二轴线的平稳旋转。
42.一种基本上如本文参照附图的图1至图12所述的机器人手臂。