用于机器人关节的执行器包括一个执行器壳体。一个电机设置在该执行器壳体内。该电机包括一个相对于执行器壳体固定的定子和一个相对于定子和执行器壳体可旋转的转子。输出轴与转子的旋转运动通过减速器耦合连接。第一旋转编码器连接到转子，用于测量转子旋转运动的一个或多个参数。第二旋转编码器连接到输出轴，用于测量输出轴旋转运动的一个或多个参数。翻译而来供参考，亦可加入知识星球阅读英文原版、中文译本（见文末）。
图1展示了一个具有类人形态的示例性机器人100。
机器人100包括一个机器人主体104，其中包含一个机器人躯干108、一个机器人头部112、机器人手臂116a和116b，以及机器人手120a和120b。机器人头部112可以包括一个或多个视觉传感器124，机器人100可以使用这些传感器来收集来自其环境的信息。机器人手臂116a和116b连接在机器人躯干108的两侧。机器人手120a和120b（或称末端执行器）连接在机器人手臂116a和116b的自由端上。机器人手120a和120b可以包含一个或多个手指124a和124b（或可动部件），机器人100可以使用它们与环境中的物体进行交互或作出手势。
机器人104可以包括一个或多个机器人腿。在所示示例中，机器人104具有机器人腿128a和128b，这些腿通过机器人髋关节126连接到机器人躯干108。在此示例中，机器人腿128a和128b连接在一个移动底座132上（例如，一个轮式底座）。在某些示例中，机器人100可以为双足行走（例如，机器人100可以使用机器人腿128a和128b行走）。在其他示例中，机器人100可能不包含任何机器人腿，但仍可被认为是类人形态。在这些其他示例中，机器人躯干108可以包含一个安装在基座上的底座，该基座可以安装在移动底座上。
机器人100可以包含多个机器人关节。例如，机器人100可以包含肩关节140a和140b，位于机器人手臂116a和116b与机器人躯干108之间。机器人头部112和机器人躯干108之间可以形成颈部关节144。机器人手臂116a和116b可以包含肘关节148a、150a、148b和150b。机器人手臂116a和116b与机器人手120a和120b之间可以形成腕关节152a和152b。机器人躯干108可以包含一个或多个机器人关节，例如允许躯干屈伸的机器人关节156和允许躯干旋转的机器人关节160。机器人关节160可以将机器人躯干108连接到机器人髋关节126。髋关节160a和160b可以位于机器人髋关节126和机器人腿128a、128b之间。机器人腿128a和128b可以包含一个或多个机器人关节，例如允许机器人腿弯曲的机器人关节164a和164b。
机器人100中的机器人关节可以使用本文所述的执行器构建。在一些示例中，执行器可以被控制以使机器人摆出特定的空间姿势，或者使机器人做出类人的动作或手势。
图2A-2C展示了一个可以用于形成机器人关节的示例性执行器200（参见示例II中的机器人关节）。
执行器200包括一个执行器壳体202和一个作用轴L1（可以是执行器壳体202的轴向）。一个电机206设置在执行器壳体202的中央开口内。在一些示例中，电机206可以是伺服电机（例如，无框伺服电机）。在其他示例中，电机206可以是其他类型的电机，例如步进电机。电机206可以包括一个定子210和一个转子212。在一些示例中，电流可以流经定子210的绕组，产生旋转磁场，使转子212相对于定子210旋转，并绕转子轴向L2旋转。
在一些示例中，定子210设置在执行器壳体202的内壁凹陷部分214a旁边，并固定连接到执行器壳体202（例如，通过将定子210连接到执行器壳体202的内壁部分214a）。在一些示例中，定子210是空心的，转子212设置在定子210的中央开口内。在某些示例中，转子212也是空心的。
执行器200包括一个输出轴204，沿轴向延伸穿过执行器壳体202的中央开口。在所示示例中，输出轴204与作用轴L1轴向对齐，并与转子212耦合，使得转子212绕转子轴向L2的旋转导致输出轴204绕作用轴L1旋转。在一些示例中，转子212是空心的，输出轴204沿轴向穿过转子212的中央开口。在某些示例中，转子212和输出轴204可以同轴。
电机通常具有较高的输出速度（例如，在5-10K RPM范围内）和相对较低的扭矩。快速旋转不适合机器人关节的活动，因为机器人关节可能因扭矩低而旋转得过快。在一些示例中，执行器200包括一个齿轮减速器208，将转子212的旋转运动耦合到输出轴204。齿轮减速器208在降低电机206的输出速度的同时成比例地增加电机206的输出扭矩，从而使输出轴204能够以相对高的扭矩和相对低的速度旋转。在一些示例中，齿轮减速器208可以包括应变波齿轮（例如，Harmonic Drive® 应变波齿轮），该齿轮能够在小体积内实现高齿轮减速比和零背隙。
在一些示例中，执行器200可以包括一个输入轴216，将转子212连接到齿轮减速器208。在所示示例中，输入轴216沿轴向延伸穿过转子212的中央开口并与转子212轴向对齐。转子212与输入轴216固定连接（例如，通过将转子212连接到输入轴216的外壁凹陷部分218a），以使转子212绕转子轴向L2的旋转导致输入轴216绕转子轴向L2旋转。
在所示示例中，输入轴216是空心轴，输出轴204沿轴向穿过输入轴216的中央开口，使得输入轴216位于输出轴204和转子212之间。在一些示例中，转子212、输入轴216和输出轴204可以同轴或同心。输出轴204可以是一个具有中央开口205的空心轴，允许管线结构（例如，电缆、液压管线和气动管线）穿过执行器。
在所示示例中，齿轮减速器208可以是一个应变波齿轮，包含一个波发生器220、一个圆形花键222（或外齿轮构件）和一个柔性花键224（或内齿轮构件）。波发生器220可以包括一个椭圆形的轮毂226和安装在轮毂226上的轴承228（例如，球轴承）。轮毂226可以连接到输入轴216，从而转子212的旋转运动可以传递到波发生器220。柔性花键224具有一个圆柱形杯状结构，由柔性但抗扭的材料制成。柔性花键224的开口端部分230安装在轴承228上，并呈现波发生器220的椭圆形状。开口端部分230的外表面232包括一组外部齿。
圆形花键222是一个刚性环，其内表面234包括一组内部齿。圆形花键222的内表面234上的内部齿比柔性花键224的开口端部分230的外部齿多几个齿（例如，多两个齿）。柔性花键224和波发生器220被插入到圆形花键222内，使柔性花键224的外部齿与圆形花键222的内部齿啮合。
随着波发生器220旋转（例如，由输入轴216旋转），波发生器产生一个波动，使柔性花键224的开口端部分230径向变形。柔性花键224的径向变形迫使柔性花键224的外部齿与圆形花键222的内部齿在相对的两个区域啮合，分别对应柔性花键224的椭圆形主轴。
当波发生器220旋转时，柔性花键224的外部齿与圆形花键222的内部齿的啮合位置发生变化。由于柔性花键224的齿数比圆形花键222少，每次波发生器220的完整旋转都会使柔性花键224向后转动一小角度，从而使柔性花键224的旋转速度比转子212慢。柔性花键224可以连接到输出轴204，使柔性花键224的旋转导致输出轴204以较慢的速度和较高的扭矩旋转。
在所示示例中，波发生器220的轮毂226位于输入轴216的第一端216a附近并连接到输入轴216（例如，使用穿过轮毂226和输入轴216的第一端216a相应孔的紧固件229（参见图2C））。在该示例中，轮毂226围绕输出轴204周向布置并与其径向间隔。圆形花键222位于执行器壳体202的第一端202a附近并固定到执行器壳体202（例如，使用紧固件238）。柔性花键224的闭合端部分231可以放置在输出轴204的第一端204a上并与其连接。通过这种方式，柔性花键224的旋转可以驱动输出轴204的旋转。柔性花键224的闭合端部分231可以包括一个与输出轴204的中央开口205相连的中央开口227。
一个轴承组件233可以被配置为支持输出轴204在其第一端204a附近的旋转。在所示示例中，轴承组件233可以包括一个轴承壳体235，该壳体安装在执行器壳体202的第一端202a上，并周向布置在应变波齿轮/齿轮减速器208和包含第一端204a的输出轴204端部周围。在该示例中，圆形花键222通过紧固件236连接到轴承壳体235（例如，通过穿过圆形花键222和轴承壳体235相应孔的紧固件）。轴承壳体235通过穿过轴承壳体235、圆形花键222和执行器壳体202相应开口的紧固件238固定到执行器壳体202上。通过这种方式，轴承壳体235和圆形花键222被固定耦合到执行器壳体202。
轴承组件233可以包括一个安装在柔性花键224的闭合端部分231上的轴承支架240。轴承支架240可以连接到柔性花键224的闭合端部分231和输出轴204（例如，使用穿过轴承支架240、柔性花键224的闭合端部分231和包含第一端204a的输出轴204端部相应孔的紧固件242）。轴承支架240可以包括一个与柔性花键224的闭合端部分231的中央开口227相连的中央开口244。轴承支架240包括一个外壁部分248，其径向位于轴承壳体235的内壁部分246的内部，并径向间隔开。壁部分246和248形成了一个安装轴承252的环形槽250。
盖板254可以安装在轴承壳体235末端的凹槽中并连接到轴承壳体235上。盖板254呈环形，并在径向向内延伸覆盖部分轴承252，形成一个径向唇边，用于固定轴承252在环形槽250中。盖板256可以安装在轴承支架240上并固定到轴承支架240（例如，通过使用紧固件）。盖板256呈环形，径向向外延伸覆盖部分轴承252，形成一个径向唇边，用于固定轴承252在环形槽250中。
轴承258可用于支撑输入轴216的旋转，位于输入轴216的第一端216a附近。在所示示例中，执行器壳体202具有内壁部分214b，与输入轴216的外壁部分218b相对。壁部分214b和218b定义了一个安装轴承258的环形槽260。盖板262可以安装在执行器壳体202末端的凹槽263中，并通过紧固件固定在凹槽中。盖板262呈环形并向径向内延伸，形成一个径向唇边覆盖轴承258的外部。间隔环264可以安装在输入轴216末端的凹槽265中。间隔环264延伸至波发生器220和凹槽265底部之间。间隔环264径向向外延伸，形成一个径向唇边覆盖轴承258的内部。盖板262和间隔环264形成的径向唇边可固定轴承258在环形槽260中。
轴承266可用于支撑输入轴216的旋转，位于输入轴216的第二端216b附近。在所示示例中，轴承支架268附着在执行器壳体202的内肩部270上，径向向内延伸至输入轴216。轴承支架268包括与输入轴216的外壁部分218c相对的内壁部分272。这些壁部分272和218c定义了一个环形槽274，用于安装轴承266。
轴承276可用于支撑输出轴204的旋转，位于输出轴204的第二端204b附近。在所示示例中，一个法兰式衬套278（或轴承支撑）位于输出轴204的端部周围，包括第二端204b，并附着在输出轴204上（例如，使用紧固件280）。轴承板282连接在执行器壳体202的第二端202b上。轴承板282径向向内延伸至输出轴204。轴承板282包括内壁部分284，与法兰式衬套278的环状部分外壁286相对。壁部分284和286定义了一个环形槽288，用于安装轴承276。轴承276可通过法兰式衬套278和轴承板282上的相对肩部290和292固定在环形槽288中。
执行器200可以包括一个输入旋转编码器300，用于测量电机206的输出旋转运动的一个或多个参数（例如，电机206的转子212的速度或旋转位置）。例如，输入编码器300可以连接到转子212。输入旋转编码器300可以是增量编码器或绝对编码器。在一些示例中，输入旋转编码器300可以是磁编码器或光学编码器。在某些示例中，电机206可以包含一个霍尔效应传感器，可以与输入旋转编码器300（例如，增量编码器）一起使用，用于测量电机206的输出旋转运动的一个或多个参数。在一些示例中，输入编码器300可以位于输出轴204周围并与其同轴安装。
在一个示例中，输入旋转编码器300可以是一个绝对编码器，包含一个磁体308（例如，永磁体）和一个感应电路312。磁体308可以连接到输入轴216（例如，使用法兰式衬套314）以使磁体308随输入轴216旋转。感应电路312可以连接到执行器壳体202（例如，使用弹簧支架320），使得磁体308相对于感应电路312旋转。感应电路312包含一个磁传感器，可在磁体308旋转时测量磁场分布的变化。感应电路312还包含电路，可从磁传感器的输出确定输入轴216的位置。感应电路312获取的位置信息可用于控制电机206（例如，将机器人关节移动到特定位置）。
磁体308可以呈环形，并通过紧固件连接到法兰式衬套314的法兰部分318上（磁体308呈环形时也可称为编码轮）。法兰式衬套314可以安装在输入轴216上，例如，通过将法兰式衬套314的衬套部分316装配在输入轴216外壁上的环形凹槽319中，并将法兰部分318延伸覆盖输入轴216的第二端216b。法兰式衬套314可以通过紧固件固定到输入轴216。在某些示例中，法兰部分318可以径向延伸覆盖位于输入轴216的第二端216b附近的轴承266的部分，并形成一个径向唇边，用于将轴承266固定在环形槽274中。
用于感应电路312的弹簧支架320可以包括一个支撑板322，感应电路312安装在其上。支撑板322可以通过穿过支撑板322和轴承板268相应孔的紧固件324安装在轴承板268上。在一些示例中，弹簧支架320包括设置在支撑板322和轴承板268相应孔内的弹簧326，用于将支撑板322向远离轴承板268的方向偏置，从而隔离感应电路312免受轴承板268的振动影响。弹簧326位于紧固件324周围，位于支撑板322和轴承板268的相应孔中的相对肩部之间。感应电路312和支撑板322可以呈环形或部分环形，部分或完全环绕输出轴204。支撑板322可以安装在轴承板268上，使感应电路312与磁体308平行，但在轴向上相隔。
执行器200可以包括一个输出旋转编码器304，用于测量输出轴204的旋转运动的一个或多个参数（例如，输出轴204的速度或旋转位置）。例如，输出旋转编码器304可以连接到输出轴204。输出旋转编码器304可以是增量编码器或绝对编码器。输出旋转编码器304可以是磁编码器或光学编码器。在一些示例中，输出旋转编码器304可以安装在输出轴204周围并与其同轴安装。在某些示例中，输出旋转编码器304可以与输入旋转编码器300平行安装。
在所示示例中，输出旋转编码器304可以是一个绝对编码器，包含一个磁体328（例如，永磁体）和一个感应电路330。磁体328可以连接到输出轴204（例如，使用法兰式衬套278），使磁体328随输出轴204旋转。感应电路330可以连接到执行器壳体202（例如，使用环形支架332），使得磁体328相对于感应电路330旋转。感应电路330包含一个磁传感器，可在磁体328旋转时测量磁场分布的变化。感应电路330包含电路，可从磁传感器的输出确定输出轴204的位置。感应电路330获取的位置信息可用于控制电机206（例如，将机器人关节移动到特定位置）。
磁体328可以呈环形，并通过紧固件334连接到法兰式衬套278的法兰部分上（磁体328呈环形时也可称为编码轮）。环形支架332可以包括一个支撑板336，感应电路330安装在其上。支撑板336可以呈环形或部分环形，部分或完全环绕输出轴204。支撑板336包括一个表面部分338，与执行器壳体202的内肩部340相对。支撑板336和执行器壳体202上具有与表面部分338和内肩部340相对的开口342和344。支撑板336可以通过将紧固件346插入相应孔342和344中连接到执行器壳体202。在某些示例中，弹簧348安装在相应的孔342和344中，作用为将表面部分338偏向远离内肩部340，使得感应电路330可与执行器壳体202的振动隔离。感应电路330可与感应电路312平行，但在轴向上相隔。
在其他示例中，输入旋转编码器300可以是一个光学编码器，包含光源、具有透明和不透明区域图案的编码轮以及包含一个或多个光传感器的感应电路，能够检测通过编码轮的光。感应电路可根据光传感器检测到的光生成脉冲。编码轮可以连接到输入轴216，使输入轴的运动导致编码轮的运动。光源和感应电路可以连接到执行器壳体202，使它们相对于编码轮基本保持静止。类似地，输出旋转编码器304可以是一个光学编码器，编码轮连接到输出轴204。
执行器壳体202可以包含一个连接端口350。一个电连接器352可以安装在连接端口350中。电线可以连接电连接器352与执行器壳体202内的电子元件，如编码器300、304和电机306。
执行器壳体202和连接到执行器壳体202的结构形成一个第一执行器结构，可以耦合到第一个机器人关节部分。转子212和连接到转子212的结构形成一个第二执行器结构，可以耦合到第二个机器人关节部分。通过旋转输出轴204，可以调整第一个机器人关节部分相对于第二个机器人关节部分的位置。
图3A-3C展示了带有径向安装在执行器壳体202上的电机驱动组件400的执行器200（参见示例II）。在一些示例中，电机驱动组件400可以包含一个电机驱动器402（例如，伺服驱动器）。电机驱动器402包含电路，用于在执行器200的电子元件与外部系统和设备之间形成接口。例如，电机驱动器400可以通过电连接器352连接到执行器200的电子元件。电机驱动器402可以接收来自编码器300、304的信号，并使用这些信号控制电机306的运行。在一些示例中，电机驱动组件400可以包括其他电路，例如电压放大器408。
电机驱动组件400可以包括一个具有散热片结构的散热器404，以帮助电机驱动器402散热。电机驱动器402和电压放大器408可以安装在散热器404上，散热器404可以连接到执行器壳体202（例如，使用紧固件）。
图4展示了带有扭矩传感器500的执行器200（参见示例III和IV），该扭矩传感器沿轴向安装在轴承组件233的一端。扭矩传感器500耦合到输出轴204，用于测量输出轴204上的扭矩。在所示示例中，扭矩传感器500（或附有扭矩传感器的扭矩安装件）可以连接到与输出轴204耦合的盖板256上。通过这种方式，扭矩传感器500可以在输出轴204旋转时测量其上的扭矩。
图5展示了系统600，其中电机驱动器402连接到执行器200的编码器300、304、电机206和扭矩传感器500。扭矩传感器500可以通过电压放大器408连接到电机驱动器402。
系统600可以包括一个运动生成装置604，连接到电机驱动器400。执行器200可以集成在机器人的关节中。在机器人的运行过程中，电机驱动器402可以从运动生成装置604接收位置控制信号，并将该位置控制信号转换为电机驱动器400的驱动控制信号。
系统600可以包括一个电源分配和管理系统608，连接到电机驱动器400。电源分配和管理系统608可以为电机驱动器400及连接到电机驱动器400的执行器组件供电。
系统600可以包括一个网络接口612（例如，EtherCAT接口），连接到电机驱动器220。网络接口612可以允许执行器200与机器人控制器616或其他网络设备或系统进行通信。例如，机器人控制器616可以从执行器200接收编码器300、304和扭矩传感器500的测量数据，并使用这些测量数据来输出运动生成装置604的控制信号。
篇幅所限，以上仅摘录部分内容，
如需获取英文原版、中文译文，请加入知识星球，
并搜索编号“A242”获取详细资料。
另在知识星球新增了一篇非公开资料，
《基于AI大模型的人形机器人及未来展望（S148）》
