[发明专利]用于机器人手臂的齿轮封装

说明书

一种包括关节机构的机器人手臂，关节机构用于使手臂的一个肢状件(310)相对于手臂的另外的肢状件(311)围绕两个不平行的旋转轴线(20，21)联接，机构包括：中间承载器(28)，其通过具有第一旋转轴线的第一旋转关节附接到第一肢状件并且通过具有第二旋转轴线的第二旋转关节附接到第二肢状件；第一驱动齿轮(33)，其布置为围绕第一旋转轴线并且与承载器固定，由此能够驱动承载器相对于第一肢状件围绕第一旋转轴线的旋转；第二驱动齿轮(37)，其布置为围绕第二旋转轴线并且与第二肢状件固定，由此能够驱动第二肢状件围绕第二旋转轴线相对于承载器的旋转；第一驱动齿轮和第二驱动齿轮中的至少一者是扇形齿轮。

背景技术

本发明涉及用于机器人关节、特别是机器人腕部的驱动装置。

需要用于操纵对象的机器人(例如，可以是工业机器人或外科手术机器人)通常具有手臂，该手臂由刚性元件组成，该刚性元件由若干柔性关节串联在一起。该关节可以为任何类型，但通常为旋转关节或旋转关节和棱柱关节的结合。手臂从底座(底座的位置可以是固定的或可移动的)延伸并且终止于工具或用于工具的附接件。工具可以例如为握持、切割、照明、放射或成像的工具。手臂中的最后关节可以称为腕部。腕部可以允许围绕仅仅单个轴线的运动，或者腕部可以是复杂的或复合的联接关节，该联接关节允许围绕多个轴线的旋转。正如我们的同时待审的专利申请PCT/GB2014/053523所公开的，腕部可以提供两个滚动关节，该滚动关节的轴线一般纵向于手臂、由俯仰关节/偏转关节两个关节分开，该俯仰关节/偏转关节的轴线一般横向于手臂。

在外科手术机器人的情况下，存在对手臂的(一个或多个)远端关节的设计产生影响的若干重要标准。

1.期望手臂、特别是其远端部(腕部位于其中)具有较小的尺寸。这允许多个此类机器人手臂在极靠近的附近处工作并且因此打开手臂可执行外科手术的较宽范围。

2.期望手臂的远端部的外轮廓关于手臂的长度是圆形对称的。这允许远端部纵向地旋转至某个其它设备或患者，而无需在其靠近另外的机器人的情况下进行重新定位。

3.期望关节能够传递较高的转矩，使得它们可以承载较重的工具并且将较高的加速度传递至工具前端。

4.期望关节为刚性的，具有小的反冲或弹性或者不具有反冲或弹性，使得当工具前端已经定位时该工具前端将固定在适当的位置。用于使反冲最小化的常规方法为将一个或多个齿轮元件设计为牺牲性的，但这需要高级别的维护并且可导致磨损的齿轮颗粒释放到手臂内。

5.期望所有关节均具有位置传感器和力/转矩传感器，使得控制机构可以从这些传感器获取数据。

6.期望机器人手臂的远端部尽可能是轻质的，以减小必然由机器人手臂的较近端关节施加的力。

7.典型机器人手臂带有线缆，该线缆将电力提供到其驱动电动机以及可能提供到工具，并且将来自传感器(例如位置传感器、转矩传感器和成像传感器)的信号传递返回。期望手臂包括用于这种电缆的路径穿入手臂的内部。

重要标准的数量使得难以设计对所有要求进行最佳平衡的手臂。

一个具体的问题是如何将电动机和传动装置装配在机器人手臂的腕部中。布置应当是紧凑的但是还允许较高的刚度以及转矩传递。许多现有设计对这些标准中的一者进行了妥协。

存在对于机器人手臂的关节的驱动布置进行改善的需求。

另外的具体问题是如何将转矩传感器装配到机器人手臂的腕部。这种布置应该紧凑但是在转矩测量中也要有很高的精度。

存在对于机器人手臂的关节的转矩传感器布置进行改善的需求。

另外的具体问题是如何将位置传感器电机装配到机器人手臂的腕部。这种安排应该紧凑但是也要有高度的准确性。

存在对用于机器人手臂的关节以及用于其他应用的位置传感器布置进行改善的需求。

发明内容