CN102699928B - 具有柔顺特性的机器人舵机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有柔顺特性的机器人舵机。现有的装置刚度不可调整，导致其不能满足日益提高的对机器人的要求。本发明包括长螺钉、底盖、壳体、电机、电机齿轮、顶盖、上轴承、下轴承、多个齿轮组和柔性齿轮，底盖、壳体、顶盖通过长螺钉连接，形成一个封闭的空间，在该封闭的空间内设置有电机、电机齿轮、上轴承、下轴承、多个齿轮组和柔性齿轮；在电机输出轴上设置有电机齿轮，电机齿轮通过多个齿轮组带动柔性齿轮转动；所述的柔性齿轮通过上轴承与顶盖活动配合，通过下轴承与壳体活动配合。本发明采用扭簧片式的柔顺结构，大大减少了弹性元件所占的空间，有利于机器人关节的小型化与轻量化。

Description

具有柔顺特性的机器人舵机

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有柔顺特性的机器人舵机。

背景技术

随着机器人的不断发展，机器人与人的交互越来越密切，从传统的工业环境慢慢向人类的生活起居靠近。

机器人根据仿生学原理，其运动模仿人类通过关节实现。每个关节在可实现准确控制的基础上，与人的各个关节自由度保持一致。为了实现精确地位置控制和特定轨迹跟踪，传统机器人关节驱动结构和算法采用高刚性的设计，导致其安全性与环境适应性较差，能耗也较高。这就要求新一代机器人关节驱动系统要具有一定的柔顺特性。

为解决上述问题，目前已研制出多种具有柔顺特性的机器人驱动装置。

中国专利CN101870111A，机器人的关节驱动装置，包括气动人工肌肉驱动部，直流伺服电机驱动部，机器人关节部，机器人关节转角测量部。该发明利用电机驱动与气动人工肌肉驱动相结合，实现了关节驱动装置的柔顺性。因但由于气动人工肌肉的非线性较大，给控制带来不便。并且由于气动人工肌肉工作需要使用气泵，增加了机器人的负载。

中国专利CN102189556A，带缓冲弹簧和柔性轴套的气动肌肉柔顺肘关节装置，它主要由前连杆、后连杆、关节转轴、关节轴承、柔性轴套、气动肌肉、缓冲机构、偏置弹簧。该发明利用气动肌肉实现关节的柔顺特性，同时在关节中加入缓冲弹簧和柔性轴套，能有效缓解冲击并可扩展转动关节的运动自由度。提高了关节的抗冲击能力和工作性能。但同样由于气动肌肉本身的一些局限性，导致其不能满足日益提高的对机器人的要求。

美国专利US2010/0253273A1，一种用于机器人的弹性旋转舵机和其控制方法。该舵机由绕一轴能旋转的外壳和绕此轴能旋转的内部组件以及一组弹簧结构组成。外壳和内部组件由这一组弹簧结构连接。内部组件中有一个电机，和两个传感器。两个传感器分别检测内部组件的转动角度，和其与外壳相对转动的角度。内部组件中还包括控制电机旋转和传感器信号处理的控制电路部分。由于该舵机采用的是利用三组螺旋弹簧实现的柔顺特性。该舵机的弹性部分刚度不可调整，且只与螺旋弹簧的本身刚度有关；如果想获得不同的刚度区域，必须置换所有弹簧，安装拆卸麻烦。

发明内容

本发明的目的是针对现有仿人机器人驱动装置的不足，提供一种采用扭簧预紧的舵机。

本发明技术方案如下：

一种具有柔顺特性的机器人舵机，包括长螺钉、底盖、壳体、电机、电机齿轮、顶盖、上轴承、下轴承、多个齿轮组和柔性齿轮，底盖、壳体、顶盖通过长螺钉连接，形成一个封闭的空间，在该封闭的空间内设置有电机、电机齿轮、上轴承、下轴承、多个齿轮组和柔性齿轮；在电机输出轴上设置有电机齿轮，电机齿轮通过多个齿轮组带动柔性齿轮转动；所述的柔性齿轮通过上轴承与顶盖活动配合，通过下轴承与壳体活动配合。

其中的柔性齿轮采用两种技术方案。

方案一：

柔性齿轮包括轮毂、齿圈和柔性结构，轮毂外套置有齿圈，轮毂和齿圈之间设置有柔性结构，所述的轮毂、齿圈和柔性结构同轴设置。

所述的齿圈上在靠近齿根处开有螺纹孔，轮毂靠近输出轴处也开有螺纹孔。所述轮毂和齿圈组成的内表面之间安装有垫片和片式扭簧，垫片和片式扭簧构成柔性结构，其中片式扭簧位于垫片下方；垫片和片式扭簧通过第一螺钉和第二螺钉分别与齿圈和轮毂进行定位和安装；片式扭簧采用弹簧钢。

所述的片式扭簧由外圈、内圈和四对连接内外圈的菱形段组成，整体成薄片结构，每对菱形段相对处开有一对螺纹孔，该对螺纹孔的孔间距为d1。

所述的垫片开有与片式扭簧上螺纹孔对相对的两类通孔，第一类通孔对的孔间距为d2，第一类通孔对之间开有第二类通孔对，第二类通孔对的孔间距为d3，其中d3>d2>d1。

方案二：

柔性齿轮包括轮毂、齿圈和柔性结构，轮毂外套置有齿圈，轮毂和齿圈之间设置有柔性结构，所述的轮毂、齿圈和柔性结构同轴设置。

所述的齿圈上在靠近齿根处开有螺纹孔，轮毂靠近输出轴处也开有螺纹孔。

所述轮毂和齿圈组成的内表面之间安装有第一片式扭簧、第二片式扭簧和垫片，第一片式扭簧、第二片式扭簧和垫片构成柔性结构，其中垫片位于第二片式扭簧和第一片式扭簧之间；垫片、第一片式扭簧和第二片式扭簧通过第三螺钉和第四螺钉分别与齿圈和轮毂进行定位和安装；第一片式扭簧和第二片式扭簧采用弹簧钢。

所述的第一片式扭簧和第二片式扭簧均由外圈、样条曲线段、内圈、内圈螺纹孔、外圈螺纹孔组成，整体成片式结构；其中第一片式扭簧的第一间距角和第二间距角两者相等；第二片式扭簧的第一间距角和第二间距角两者不相等。

本发明的有益效果：将末级齿轮的齿圈与轮毂分开，在其中加入扭簧，有效实现了柔顺驱动；并通过改变扭簧的预紧量，控制系统整体刚度，在实现柔顺特性的同时，保证所驱动关节的工作性能；由于本发明所采用扭簧有别于传统的螺旋形式，采用片式的柔顺结构，大大减少了弹性元件所占的空间，有利于机器人关节的小型化与轻量化。

附图说明

图1为本发明装配爆炸图；

图2为本发明旋转剖视图；

图3为实施例一的柔性齿轮剖视图；

图4为实施例一的柔性齿轮爆炸图；

图5为实施例一的片式扭簧结构图

图6为实施例一的片式扭簧预紧示意图；

图7为实施例二的柔性齿轮剖视图；

图8为实施例二的柔性齿轮爆炸图；

图9为实施例二的片式扭簧结构图；

图10为实施例二的片式扭簧预紧示意图；

图中：1.长螺钉、2.底盖、3.壳体、4.下轴承、5.第三心轴、6.第二心轴、7.第一心轴、8.电机、9.电机齿轮、10.顶盖、11.第二齿轮组、12.上轴承、13.第三齿轮组、14.第一齿轮组、15.柔性齿轮、16.第一轮毂、17.第一垫片、18.第一螺钉、19.第一片式扭簧、20.第一齿圈、21.第二螺钉、22.第一外圈、23.第一内圈、24.菱形段、25.第一外圈螺纹孔、26.螺纹孔、27.第一孔间距、28.第二孔间距、29.第三孔间距、30.第二轮毂、31.第三螺钉、32.第二垫片、33.第二片式扭簧、34.第四螺钉、35.第三片式扭簧、36.第二齿圈、37.第二外圈、38.样条曲线段、39.第二外圈、40.内圈螺纹孔、41.第二外圈螺纹孔、42.第一间距角、43.第二间距角。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括顶盖10、壳体3、底盖2、长螺钉1、电机8、电机齿轮9、下轴承4、上轴承12、第一齿轮组14、第二齿轮组11、第三齿轮组13、柔性齿轮15、第一心轴7、第二心轴6和第三心轴5。

所述的底盖2、壳体3、顶盖10通过长螺钉1连接，形成一个封闭的空间，在该封闭的空间内设置有电机8、电机齿轮9、上轴承12、下轴承4、多个齿轮组和柔性齿轮15。

所述的电机8在输出轴上设置有电机齿轮9，其中电机齿轮9与电机8固连，并且整体安装在壳体3处一桶型结构内，电机8上表面紧贴该结构顶部。

所述的电机齿轮9通过多个齿轮组带动柔性齿轮15转动，其中多个齿轮组包括有第一齿轮组14、第二齿轮组11、第三齿轮组13，三者分别通过第一心轴7、第二心轴6、第三心轴5进行定位和安装；所述的柔性齿轮15通过上轴承12与顶盖10活动配合，通过下轴承4与壳体3活动配合。

如图2所示，为舵机的旋转剖视图，沿各齿轮组的中心连线依次剖开。所述的电机齿轮9与第一齿轮组14中的大齿轮相啮合；第一齿轮组14中的小齿轮与第二齿轮组11中的大齿轮相啮合；第二齿轮组11中的小齿轮与第三齿轮组13中的大齿轮相啮合；第三齿轮组13中的小齿轮与柔性齿轮15相啮合。

本发明中的柔性齿轮15采用以下两种结构。

柔性齿轮15包括轮毂、齿圈和柔性结构，轮毂外套置有齿圈，轮毂和齿圈之间设置有柔性结构，所述的轮毂、齿圈和柔性结构同轴设置；

实施例一，如图3-6所示。

一种采用单片扭簧预紧的柔性齿轮15的剖视图，柔性齿轮15由第一轮毂16、第一垫片17、第一螺钉18、第一片式扭簧19、齿圈20、第二螺钉21组成。

所述的齿圈20内径与第一轮毂16外径相同，两者之间采用间隙配合安装。齿圈20上在靠近齿根处开有螺纹孔，第一轮毂16靠近输出轴处也开有螺纹孔。第一轮毂16和第一齿圈20组成的内表面之间安装有第一垫片17和第一片式扭簧19，其中第一片式扭簧19位于第一垫片17下方；第一垫片17和第一片式扭簧19通过第一螺钉18和第二螺钉21分别与第一齿圈20和第一轮毂16进行定位和安装；第一片式扭簧19采用弹簧钢；

所述的第一片式扭簧19由第一外圈22、第一内圈23和四对连接内外圈的菱形段24组成，整体成薄片结构，第一外圈22上开设有第一外圈螺纹孔25，每对菱形段24相对处开有一对螺纹孔26，该对螺纹孔的第一孔间距27为d1；所述的第一垫片17开有与第一片式扭簧19上螺纹孔对相对的两类通孔，第一类通孔对的第二孔间距28为d2，第一类通孔对之间开有第二类通孔对，第二类通孔对的第三孔间距29为d3，其中d3>d2>d1。

预紧方式如下：第一片式扭簧19其第一外圈22上先通过螺钉与第一垫片17和齿圈20固定好。再将第一片式扭簧19上的四组菱形段24依次向两侧撑开至第二螺钉21可以与之正常装配位置。经由第二螺钉21将第一片式扭簧19和第一垫片17并第一轮毂16相连接。

实施例二，如图7-10所示。

一种采用两片扭簧预紧的柔性齿轮15的剖视图，柔性齿轮15由第二轮毂30、第三螺钉31、第二垫片32、第二片式扭簧33、第四螺钉34、第三片式扭簧35、第二齿圈36组成。

所述的第二齿圈36内径与第二轮毂30外径相同，两者之间采用间隙配合安装。

所述的第二齿圈36上在靠近齿根处开有螺纹孔与通孔，第二轮毂30靠近输出轴处有凸台结构。所述的第二片式扭簧33、第三片式扭簧35之间安装有第二垫片32，三者置于齿圈36下方，其上开有螺纹孔和通孔，通过第三螺钉31和第四螺钉34进行定位和安装。

所述第二片式扭簧33、第三片式扭簧35的第二外圈37和第二外圈39都设有多个螺纹孔40、41。第二片式扭簧33、第三片式扭簧35的第二外圈37处孔位有一定的偏差，第二外圈39孔位保持一致，两者采用的材料均为弹簧钢。

所述的第二片式扭簧33与第三片式扭簧35均由第二外圈37、第二外圈39和三段连接内外圈的样条曲线段38组成，整体成薄片结构；所述的第二片式扭簧33的间距角一42与间距角二43相等；所述的第三片式扭簧35的间距角一42与间距角二43不等。

预紧方式如下：将两片扭簧内圈与第一轮毂16利用螺钉配合；再使第一片式扭簧19转过φ或φ’使其螺纹孔与第三片式扭簧35螺纹孔处在同一轴线上，利用第三螺钉31进行固定。

两个实施例工作方式相同，下面仅以实施例一对本发明工作方式进行如下说明：电机8通电旋转，带动与之固连的电机齿轮9旋转；扭矩从电机齿轮9输出到第一齿轮组14的大齿轮，再由第一齿轮组14的小齿轮传到第二齿轮组11的大齿轮；后陆续通过齿轮的啮合传动经由第三齿轮组13、柔性齿轮15的第一齿圈20将扭矩传递到第一片式扭簧19的第一外圈22上，通过已预压的菱形段24的实现柔顺特性。最后由第一内圈23所连接的第一轮毂16将扭矩输出。

以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的思想和范围下坐车在形式上喝细节上的各种修改和改变。因此本发明要保护的真正思想和范围有所附的权利要求书来限定。

Claims (2)

1.具有柔顺特性的机器人舵机，包括长螺钉(1)、底盖(2)、壳体(3)、电机(8)、电机齿轮(9)、顶盖(10)、上轴承(12)、下轴承(4)、多个齿轮组和柔性齿轮(15)，底盖(2)、壳体(3)、顶盖(10)通过长螺钉(1)连接，形成一个封闭的空间，在该封闭的空间内设置有电机(8)、电机齿轮(9)、上轴承(12)、下轴承(4)、多个齿轮组和柔性齿轮(15)；在电机(8)输出轴上设置有电机齿轮(9)，电机齿轮(9)通过多个齿轮组带动柔性齿轮(15)转动；所述的柔性齿轮(15)通过上轴承(12)与顶盖(10)活动配合，通过下轴承(4)与壳体(3)活动配合，其特征在于：

所述的柔性齿轮(15)包括轮毂(16)、齿圈(20)和柔性结构，轮毂(16)外套置有齿圈(20)，轮毂(16)和齿圈(20)之间设置有柔性结构，所述的轮毂(16)、齿圈(20)和柔性结构同轴设置；

所述的齿圈(20)上在靠近齿根处开有螺纹孔，轮毂(16)靠近输出轴处也开有螺纹孔；

所述轮毂(16)和齿圈(20)组成的内表面之间安装有第一垫片(17)和第一片式扭簧(19)，第一垫片(17)和第一片式扭簧(19)构成柔性结构，其中第一片式扭簧(19)位于第一垫片(17)下方；第一垫片(17)和第一片式扭簧(19)通过第一螺钉(18)和第二螺钉(21)分别与齿圈(20)和轮毂(16)进行定位和安装；第一片式扭簧(19)采用弹簧钢；

所述的第一片式扭簧(19)由外圈(22)、内圈(23)和四对连接内外圈的菱形段(24)组成，整体成薄片结构，每对菱形段(24)相对处开有一对螺纹孔，该对螺纹孔的孔间距为d1；

所述的第一垫片(17)开有与第一片式扭簧(19)上螺纹孔对相对的两类通孔，第一类通孔对的孔间距为d2，第一类通孔对之间开有第二类通孔对，第二类通孔对的孔间距为d3，其中d3>d2>d1。

2.具有柔顺特性的机器人舵机，包括长螺钉(1)、底盖(2)、壳体(3)、电机(8)、电机齿轮(9)、顶盖(10)、上轴承(12)、下轴承(4)、多个齿轮组和柔性齿轮(15)，底盖(2)、壳体(3)、顶盖(10)通过长螺钉(1)连接，形成一个封闭的空间，在该封闭的空间内设置有电机(8)、电机齿轮(9)、上轴承(12)、下轴承(4)、多个齿轮组和柔性齿轮(15)；在电机(8)输出轴上设置有电机齿轮(9)，电机齿轮(9)通过多个齿轮组带动柔性齿轮(15)转动；所述的柔性齿轮(15)通过上轴承(12)与顶盖(10)活动配合，通过下轴承(4)与壳体(3)活动配合，其特征在于：

所述的柔性齿轮(15)包括轮毂(30)、齿圈(36)和柔性结构，轮毂(30)外套置有齿圈(36)，轮毂(30)和齿圈(36)之间设置有柔性结构，所述的轮毂(30)、齿圈(36)和柔性结构同轴设置；

所述的齿圈(36)上在靠近齿根处开有螺纹孔，轮毂(30)靠近输出轴处也开有螺纹孔；

所述轮毂(30)和齿圈(36)组成的内表面之间安装有第一片式扭簧(19)、第二片式扭簧(33)和第二垫片(32)，第一片式扭簧(19)、第二片式扭簧(33)和第二垫片(32)构成柔性结构，其中第二垫片(32)位于第二片式扭簧(33)和第一片式扭簧(19)之间；

第二垫片(32)、第一片式扭簧(19)和第二片式扭簧(33)通过第三螺钉(31)和第四螺钉(34)分别与齿圈(36)和轮毂(30)进行定位和安装；第一片式扭簧(19)和第二片式扭簧(33)采用弹簧钢；

所述的第一片式扭簧(19)和第二片式扭簧(33)均由外圈(37)、样条曲线段(38)、内圈(39)、内圈螺纹孔(40)、外圈螺纹孔(41)组成，整体成片式结构；

其中第一片式扭簧(19)的第一间距角(42)和第二间距角(43)两者相等；第二片式扭簧(33)的第一间距角(42)和第二间距角(43)两者不相等。