CN102632509A - 具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节，本发明中采用了电机定子、电机转子和谐波减速器等组件元件，增加了关节设计的灵活性和紧凑性；通过中空走线轴的设计方便了关节的走线，使得关节更加简洁，有助于扩大关节的运动范围，提高关节运行的可靠性。第一绝对式角度传感器和第二绝对式角度传感器的引入可以获得输出轴和输出端盖之间的角度偏偏差，乘于弹性扭簧的弹性系数，即可获得关节所受的力矩值，用于关节信号的输入反馈值；即可为关节提供可靠的力矩反馈信号，可变形弹性扭簧又可以为关节提高了柔顺和存储能量的机制，应用于机器人中将会增强机器人与环境交互的能力，提高机器人运动的效率。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种弹性驱动模块化关节。
技术背景
机器人系统作为一种新颖的自动装置，与人们的日常生活已经越来越紧密。人们希望机器人能够像人类自身一样，具有快速灵巧的运动能力、能适应人类的生活环境、并且具备良好的交互能力。特别是近年来，仿人机器人、服务机器人和特种操作机器人等发展迅速，人们对机器人也提出了更高的要求。
目前，我国大部分机器人在设计关节时主要采用了刚性的设计方法，采用电机、减速器等作为机器人的驱动机单元，采用位置控制方式进行关节驱动。这种设计使得机器人具有很高的刚性，但由于缺乏柔顺机制和储能机制，使得机器人难于适应人类的生活环境，缺少与人交互的机制，运动效率和安全性很低。
发明内容
本发明提出了一种具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节，以解决现有机器人存在的高刚性、缺乏环境适应性和交互性等问题。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：一种具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节，它包括关节传动装置和力信号检测装置两部分；其中，所述关节传动装置包括固定部分和转动部分，固定部分包括：电机外壳、第一端盖、电机定子、电机法兰、谐波减速器和关节外壳等，电机定子安装在电机外壳内，其轴向位置由第一端盖和电机法兰确定；转动部分包括：第一端盖、第一轴承、电机定子、谐波减速器、中空走线轴、法兰垫、输出轴、十字交叉滚子轴承、输出端盖、第二端盖和第二轴承等，中空走线轴的两端分别由固定在第一端盖中的第一轴承和固定在第二端盖中的第二轴承固定，保证与电机外壳的同轴性；中空走线轴上安装有电机转子，电机转子的转动经过谐波减速器的波发生器和柔轮减速，再经法兰垫传递到输出轴和输出端盖上，法兰垫和输出轴通过十字交叉滚子轴承固定在关节外壳上；电机定子安装霍尔传感器，中空走线轴上安装编码器；力信号检测装置由弹性扭簧、第一绝对式角度传感器和第二绝对式角度传感器组成；弹性扭簧通过轴承支撑，其中间圆周孔与输出轴连接，外圈圆孔与输出端盖连接；第一绝对式角度传感器由第一转子和第一定子组成，第一转子通过波形垫圈和卡簧固定在输出轴上，第一定子经过安装扣固定在关节外壳上，第二绝对式角度传感器由第二转子和第二定子组成，第二转子通过端盖法兰固定在输出端盖上，第二定子经套筒固定在关节法兰上。
本发明的有益效果是，本发明中采用了电机定子、电机转子和谐波减速器等组件元件，增加了关节设计的灵活性和紧凑性；通过中空走线轴的设计方便了关节的走线，使得关节更加简洁，有助于扩大关节的运动范围，提高关节运行的可靠性。第一绝对式角度传感器和第二绝对式角度传感器的引入可以获得输出轴和输出端盖之间的角度偏偏差，乘于弹性扭簧的弹性系数，即可获得关节所受的力矩值，用于关节信号的输入反馈值；即可为关节提供可靠的力矩反馈信号，可变形弹性扭簧又可以为关节提高了柔顺和存储能量的机制，应用于机器人中将会增强机器人与环境交互的能力，提高机器人运动的效率。
附图说明
图1是本发明的弹性驱动模块化关节的剖视图；
图2是本发明的弹性驱动模块化关节的立体图；
图3是第一绝对式角度传感器的剖视图；
图4 是第二绝对式角度传感器的立体图；
图5是弹性扭簧的平面图；
图中，电机外壳1、第一端盖2、编码器3、第一轴承4、霍尔传感器5、电机转子6、电机定子7、电机法兰8、谐波减速器9、波发生器10、刚轮11、柔轮12、中空走线轴13、法兰垫14、输出轴15、十字交叉滚子轴承16、螺钉17、第一绝对式角度传感器18、第一转子19、第一定子20、安装扣21、关节外壳22、波形垫圈23、卡簧24、弹性扭簧25、轴承26、关节法兰27、输出端盖28、第二端盖29、第二轴承30、第二绝对式角度传感器31、第二转子32、第二定子33、端盖法兰34、套筒35。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
本发明具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节包括关节传动装置和力信号检测装置两部分，具体来说，包括：电机外壳1、第一端盖2、编码器3、第一轴承4、霍尔传感器5、电机转子6、电机定子7、电机法兰8、谐波减速器9、中空走线轴13、输出轴15、十字交叉滚子轴承16、第一绝对式角度传感器18、关节外壳22、弹性扭簧25、轴承26、关节法兰27、输出端盖28、第二端盖29、第二轴承30和第二绝对式角度传感器31等。
电机定子7安装电机外壳1内，其轴向位置由第一端盖2和电机法兰8确定，电机定子7、谐波减速器9的刚轮11和关节外壳22共同组成了关节传动装置的固定部分，采用组件的形式增加了关节设计的灵活性和紧凑性。中空走线轴13的两端分别通过固定在第一端盖2中的第一轴承4和固定在第二端盖29中的第二轴承30保证与电机外壳1的同轴性，中空走线轴13的中空设计方便了关节的走线，使得关节更加简洁，有助于扩大关节的运动范围，提高关节运行的可靠性。中空走线轴13安装有电机转子6，经过谐波减速器9的波发生器10和柔轮12，将转动经法兰垫14传递到输出轴15和输出端盖28上，法兰垫14和输出轴15通过十字交叉滚子轴承16固定在关节外壳22上，这些部分组成了关节传动装置的转动部分。霍尔传感器5和编码器3分别安装在电机定子7和中空走线轴13上，用于关节电机的换相和转速的检测。
力信号检测装置由弹性扭簧25、第一绝对式角度传感器18和第二绝对式角度传感器31共同组成。弹性扭簧25通过轴承26支撑，中间圆周孔与输出轴15连接，外圈圆孔与输出端盖28连接。弹性扭簧25由两两配对的弹性辐条圆周排列组成，每个辐条上有圆孔凹槽，这些特征使得扭簧在受到扭矩时产生弹性变形，既增加了关节的柔顺性，又可以为关节运动存储能量。第一绝对式角度传感器18由第一转子19和第一定子20组成，第一转子19通过波形垫圈23和卡簧24固定在输出轴15上，第一定子20经过安装扣21固定在关节外壳22上，第二绝对式角度传感器31由第二转子32和第二定子33组成，第二转子32通过端盖法兰34固定在输出端盖28上，第二定子33经套筒35固定在关节法兰27上。第一绝对式角度传感器18和第二绝对式角度传感器31分别检测输出轴15和输出端盖28的转动角度，检测的偏差角度与弹性扭簧25的弹性系数相乘，便可得到关节输出力矩，并为关节力矩输入提高反馈信号，保证了关节力矩控制的精确性。
Claims (1)
1.一种具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节，其特征在于，它包括关节传动装置和力信号检测装置两部分；其中，所述关节传动装置包括固定部分和转动部分，固定部分包括：电机外壳（1）、第一端盖（2）、电机定子（7）、电机法兰（8）、谐波减速器（9）和关节外壳（22）等，电机定子（7）安装在电机外壳（1）内，其轴向位置由第一端盖（2）和电机法兰（8）确定；转动部分包括：第一端盖（2）、第一轴承（4）、电机定子（6）、谐波减速器（9）、中空走线轴（13）、法兰垫（14）、输出轴（15）、十字交叉滚子轴承（16）、输出端盖（28）、第二端盖（29）和第二轴承（30）等，中空走线轴（13）的两端分别由固定在第一端盖（2）中的第一轴承（4）和固定在第二端盖（29）中的第二轴承（30）固定，保证与电机外壳（1）的同轴性；中空走线轴（13）上安装有电机转子（6），电机转子（6）的转动经过谐波减速器（9）的波发生器（10）和柔轮（12）减速，再经法兰垫（14）传递到输出轴（15）和输出端盖（28）上，法兰垫（14）和输出轴（15）通过十字交叉滚子轴承（16）固定在关节外壳（22）上；电机定子（7）安装霍尔传感器（5），中空走线轴（13）上安装编码器（3）；力信号检测装置由弹性扭簧（25）、第一绝对式角度传感器（18）和第二绝对式角度传感器（31）组成；弹性扭簧（25）通过轴承（26）支撑，其中间圆周孔与输出轴（15）连接，外圈圆孔与输出端盖（28）连接；第一绝对式角度传感器（18）由第一转子（19）和第一定子（20）组成，第一转子（19）通过波形垫圈（23）和卡簧（24）固定在输出轴（15）上，第一定子（20）经过安装扣（21）固定在关节外壳（22）上，第二绝对式角度传感器（31）由第二转子（32）和第二定子（33）组成，第二转子（32）通过端盖法兰（34）固定在输出端盖（28）上，第二定子（33）经套筒（35）固定在关节法兰（27）上。
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