CN102848384A - 一种用于机器人系统的柔性执行器及机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人系统的柔性执行器及机器人系统，属于机器人系统领域。本发明的柔性执行器包括驱动模块、输出模块以及液压传输单元，其中驱动模块包括电机、电机控制单元、柔性传动单元、驱动端液压缸、驱动端活塞，输出模块包括输出端液压缸、输出端活塞、输出端传动单元。本发明的机器人系统，包括底座、机械臂，其中本发明的柔性执行器的驱动模块安装在底座，本发明的柔性执行器的输出模块安装在机械臂内部。由于本发明在柔性执行器中采用了液压传动系统，可以实现柔性执行器的驱动部分和输出部分的分离，从而能够使系统在保持高负载能力的基础上实现更为紧凑的机械结构、降低复杂度，同时能显著提高系统的强度自重比和功率自重比。

Description

一种用于机器人系统的柔性执行器及机器人系统

技术领域

本发明属于机器人系统领域。

背景技术

如业界所知，功率传输是机器人系统机械臂设计中的主要设计要点和难点所在。现存的移动式操作装置（操作臂）中所采用的传动方式为直接驱动或者依靠级联传动。举例来说，一般移动式操作装置（操作臂），靠近腕部的肘关节、腕关节以及机械抓等部位的运动控制都是由直接驱动来完成的；而肩关节和其他肘关节一般靠级联传动。驱动方式的改进不仅是创新的突破点，它也是增加自由度所带来的必要改变。级联传动的机械臂有其固有失效隐患。传动机构中不合理的压力分布也是电机及其支持组件所带来的动态冲击载荷，是导致电机过热及失效的原因之一。

为了减少关键性驱动关节的功率需求，研究者都相继探索着一些新的实施策略和方法。这包括远距离驱动传动技术和主动力补偿装置等。

基于远距离驱动传动技术，可将更大更重的电机放置在机械臂系统底部。机械动力则依靠传动部分将其传输到机器人远距离机械臂当中，如机械臂的肩部或抓手驱动部分。远距离驱动传动技术要求传动部分不仅要求其能有效传输功率，还需要其降低自身成本，并能够较方便地在关节之间合理布线。其中一个远距离传动方案即为“并联传动技术”。在该技术中，高强度不锈钢驱动链条绕在底座中的电机上，通过关节上的从动链轮将驱动力传递给相应驱动关节。虽然该传动机构价格便宜、重量轻，并且安全可靠，但是它也会在关节中引入机械复杂度，尤其当链条发生九十度平面外旋转（扭转）的时候。

主动力补偿装置策略可以大大减少（约50%-70%）机械臂装置的尺寸和功率要求。这一技术需运用平衡块和杠杆装置。但是，该技术会增加机器人重量，并降低其表现性能。更好的一种方法是使用平衡力补偿弹簧。运用弹簧平衡力补偿方法虽然需要体积较大的弹簧，但传动装置可以将弹簧部分放置在机器人底部。不幸的是，要把该技术在三自由度肩部关节中实现是更为复杂的事情。为了在不同载荷下能够实现被动平衡，需要力补偿装置自动调整其几何结构，从而有效地改变弹簧刚度，继而使其对负载的弹性支撑作用如在水下受浮力作用般，需要很少或者不需要进一步的功率驱动。这一技术的实现成本低并且节省功率。它不仅可以大大减少电机尺寸，同时还降低执行器组件成本。但是，当负载突然从操作装置（操作臂）中移除，而弹簧突然被松开的时候，由于其积攒的能量被瞬间释放，故对该机构安全性分析的要求较高。因此该设计结构更为复杂，因此也更趋于笨重，更易于失效。

由此可见，目前机器人系统机械臂设计技术中存在着各种各样的不足，急需提出一种能够在保持高负载能力的基础上实现更为紧凑的机械结构、降低机械复杂度的新型技术方案。

同时，目前现有机器人系统设计技术中，整个机器人系统的机械性能仍有待于进一步提高，特别是对于机器人系统设计而言极其关键的强度自重比和功率自重比指标，目前的技术仍无法做的很高。以目前电力驱动机器人操纵能力的技术发展水平来看，即便如德国航空航天中心（DLR）的轻量型机械臂，其强度自重比也只能达到略高于1.0的水平，因此仍存在着很大的提升空间。

以上这些存在的问题，就需要对制约机器人系统机械臂设计的关键部件执行器进行改进。本发明即实现了这一目标。

本发明的执行器是在柔性执行器的基础上产生的。柔性执行器给机器人力量控制带来了很多利处。这些好处包括更好的安全性、力量保真度，低阻抗，低摩擦，以及良好的控制带宽。柔性执行器的创新性设计理念与传统的“刚性越大越好”一般设计理念背道而驰。在齿轮系以及驱动负载之间刻意放置一个柔性部件，以减少执行器的刚度，这还使得执行器具有固有的抗震能力，高度力量保真度，以及非常低的阻抗。这些特性在机器人领域很多应用中都是令人向往的，述及的应用包括双腿行走机器人，用于放大人体行为动作的外骨骼式机器人，机械臂，触觉接触面上，以及自适应悬挂系统等。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中机器人系统中机械臂设计技术的缺陷，提供一种能够使机器人系统在保持高负载能力的基础上实现更为紧凑的机械结构、降低机械复杂度以及显著提高系统强度自重比和功率自重比的用于机器人系统的柔性执行器以及相应的机器人系统。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：一种用于机器人系统的柔性执行器，包括驱动模块、输出模块、以及液压传输单元，其中驱动模块包括电机、电机控制单元、柔性传动单元、驱动端液压缸、驱动端活塞，电机控制单元与电机连接用于提供电机控制信号，驱动端活塞的一端设在驱动端液压缸中，柔性传动单元连接在驱动端活塞的另一端和电机之间用于将电机的转动转换为驱动端活塞在驱动端液压缸中的往返运动，驱动端液压缸的两端均设有液口。输出模块包括输出端液压缸、输出端活塞、输出端传动单元，输出端活塞的一端设在输出端液压缸中，输出端传动单元与输出端活塞的另一端相连接用于将输出端活塞在输出端液压缸中的往返运动转换为外部输出，输出端液压缸的两端均设有液口。液压传输单元包括柔性液管，柔性液管连接在输出端液压缸的液口与驱动端液压缸的液口之间用于构成液压传动系统，柔性液管与输出端液压缸的液口之间的连接口以及柔性液管与驱动端液压缸的液口之间的连接口设有多层密封单元。

上述技术方案的进一步特征为：所述柔性传动单元包括丝杆、弹簧匣，其中弹簧匣内设有内置弹簧，丝杆一端与电机相连、另一端与弹簧匣内的内置弹簧相连，弹簧匣的外侧与驱动端活塞相接。

上述技术方案的进一步特征为：所述驱动模块还包括位置传感器，位置传感器用于测量弹簧变形量并将测量结果传输给电机控制单元。

上述技术方案的进一步特征为：所述驱动端液压缸的液口或输出端液压缸的液口通过多支连接管与柔性液管连接。

上述技术方案的进一步特征为：所述驱动端液压缸的液口或输出端液压缸的液口通过电磁阀与柔性液管连接。

本发明还包括一种采用上述用于机器人系统的柔性执行器的机器人系统。该机器人系统包括底座、机械臂，所述用于机器人系统的柔性执行器的驱动模块安装在底座，所述用于机器人系统的柔性执行器的输出模块安装在机械臂内部。

上述机器人系统的进一步特征为：所述用于机器人系统的柔性执行器的柔性液管在机械臂和底座内部走线。

本发明的有益效果是：由于本发明在柔性执行器中采用了液压传动系统，并使用了柔性液管连接两个液压缸，因此可以实现柔性执行器的驱动部分和输出部分的分离，从而提高了整个系统的强度自重比和功率自重比。同时，分离后的柔性执行器的驱动部分和输出部分可以分别安装在机器人系统的不同位置，从而为简化机器人系统的安装结构提供了可能。采用本发明的柔性执行器的机器人系统，其机器人操作部分的重量可以大大减轻，从而可以提高机械臂在人为工作环境中的安全性；而承载了柔性执行器的驱动模块的机器人系统底座，由于增加了一定重量，也提升了机器人系统在工作过程中的稳定性。简而言之，采用了本发明的柔性执行器的机器人系统能够在保持高负载能力的基础上实现更为紧凑的机械结构、降低机械复杂度，同时能显著提高系统的强度自重比和功率自重比。

附图说明

图1为本发明的柔性执行器的原理图。

图2为本发明的柔性执行器的驱动模块示意图。

图3为本发明的柔性执行器的输出模块示意图。

图4为本发明的柔性执行器与谐波驱动执行器在机器人系统中安装的正视对比图。

图5为本发明的柔性执行器与谐波驱动执行器在机器人系统中安装的侧视对比图。

其中，上述图中1为电机、2为电机控制单元、3为驱动端液压缸、4为柔性传动单元、5为驱动端活塞、6为输出端液压缸、7为输出端活塞、8为输出端传动单元、9为柔性液管、10为多支连接管、41为丝杆、42为弹簧匣、43为内置弹簧、81为转轴、82为转轮。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明的柔性执行器的工作原理，图2、图3分别给出了本发明的柔性执行器的驱动模块和输出模块的示意图。

如图1、图2、图3所示，本发明的一种用于机器人系统的柔性执行器，包括驱动模块、输出模块、液压传输单元，其中驱动模块包括电机1、电机控制单元2、柔性传动单元4、驱动端液压缸3、驱动端活塞5，输出模块包括输出端液压缸6、输出端活塞7、输出端传动单元8，液压传输单元包括柔性液管9。

其中，电机控制单元2与电机1连接用于提供电机控制信号，驱动端活塞5的一端设在驱动端液压缸3中，柔性传动单元4连接在驱动端活塞5的另一端和电机1之间用于将电机1的转动转换为驱动端活塞5在驱动端液压缸3中的往返运动。驱动端液压缸3的两端均设有液口。

输出端活塞7的一端设在输出端液压缸6中，输出端传动单元8与输出端活塞7的另一端相连接用于将输出端活塞7在输出端液压缸6中的往返运动转换为外部输出。输出端液压缸6的两端也均设有液口，输出端液压缸6的液口与驱动端液压缸3的液口之间通过柔性液管9连接用于构成液压传动系统，柔性液管9与各液口之间设有多层密封单元以避免液体泄漏。

在本实施例中，柔性传动单元4具体通过一种弹簧结构实现。该弹簧结构的示意图如图1所示，即由丝杆41和弹簧匣42组成，其中弹簧匣42内设有内置弹簧43。丝杆41一端与电机1相连、另一端与弹簧匣42内的内置弹簧43相连，弹簧匣42的外侧与驱动端活塞5相接。当然，本柔性执行器的柔性传动单元4也可以由其他类型的柔性传动结构来实现。

在本实施例中，输出端传动单元8具体由转轴81和转轮82组成，其目的是将输出端活塞7在输出端液压缸6中的往返运动转换为转轴81的运动、并带动转轮82转动。本实施例中，输出端活塞7可驱动输出转轮82进行110 度的旋转摆动，并承载高达4000in-lb 的转矩。

当然，只要能和输出端活塞7相配，其他各类形式的传动单元就可以在输出模块中充当输出端传动单元8，从而实现将输出端活塞7在输出端液压缸6中的往返运动转换为其他各类的外部输出。

具体而言，当本发明的柔性执行器工作时，电机控制单元2向电机1提供电机控制信号使电机1开始转动。而电机1的转动又传递给柔性传动单元4并带动驱动端活塞5在驱动端液压缸3内运动。由于驱动端液压缸3与输出端液压缸6构成液压传动系统，因此驱动端活塞5在驱动端液压缸3内的运动将传递给输出端活塞7，并最终传递给输出端传动单元8进行外部输出。

在本实施例中，电机1将转动传递给柔性传动单元并带动驱动端活塞5在驱动端液压缸3内运动的具体过程为：由于电机1和丝杠41相连，当电机1转动时，丝杆41将作直线运动，并促使弹簧匣42内的内置弹簧43发生形变；而内置弹簧43又将致使该形变产生的作用力传递给弹簧匣42，并最终传递给与弹簧匣42外侧相连接的驱动端活塞5，从而完成传递电机1转动的过程。

在本发明的柔性执行器中，驱动模块还可以包括位置传感器。位置传感器用于测量弹簧变形量的误差，并运用胡克定律精确计算输出力量的大小并将测量结果传输给电机控制单元2。电机控制单元2则跟踪理想输出值，以实现更好反馈输出。

在本发明的柔性执行器中，驱动端液压缸3的液口或输出端液压缸6的液口可以通过多支连接管10与柔性液管9连接，以实现泄液、调节并锁住液缸的功能。上述多支连接管也可以用电磁阀来取代，以取得更好的调节效果。

本发明的柔性执行器可以有多种规格以适应不同的应用环境。例如，本发明的柔性执行器可以设计成大规格和小规格。大规格柔性执行器的尺寸满足1.25"筒径，小规格柔性执行器的尺寸满足0.75"筒径。在这种情况下，大规格的柔性执行器能够在较高的安全系数条件下，承受超过4000 英镑的负载并驱动机器人系统中主要肩部关节运动；小规格的执行器能够承受超过2000 英镑的载荷并驱动机器人系统中肩部的偏转/旋转及肘关节运动。如一个简单的机器人系统，可以使用一个满足1.25"筒径的模块用来驱动机械臂肩部绕横轴旋转，三个小点的满足0.75"筒径的模块分别用来驱动机械臂肩部绕垂直轴旋转和绕纵轴旋转、以及肘部的旋转。实际应用中，可以采取模块化的设计使得两种规格的执行器之间常规部件得以重复利用。

本发明还给出了一种采用本发明的柔性执行器的机器人系统。在该机器人系统中，可以将本柔性执行器的驱动模块安装在机器人系统的底座中，将本柔性执行器的输出模块安装在机器人系统的机械臂中。据测算，在150英镑负载下，这一设计能够提高机器人系统的强度自重比至10.0，而以目前电力驱动机器人操纵能力的技术发展水平来看，即便如德国航空航天中心（DLR）的轻量型机械臂，其强度自重比也只能达到略高于1.0的水平；因此这种实现是空前的。此外，由于机器人操作臂部分的重量被大大减轻，这大大提高了机械臂在人为环境中的安全性；执行器重量移至底座后，也增加了托举过程中机械系统的稳定性。与其同时，机器装配后的尺寸也可以大为减少，使得机器人手臂在与人手臂相同尺寸条件下， 能够传输大于人体手臂所能产生的力量。

在本发明的机器人系统中，还可以将本柔性执行器的柔性液管在机器人系统的机械臂和底座内部走线。相较于现有技术中外围缠绕式的走线方式，本发明的走线方式可以显著的降低操作臂发生故障的几率。

采用本发明的柔性执行器的机器人系统，还可以简化机器人系统的安装结构。图4、图5分别给出了本发明的柔性执行器与谐波驱动执行器在机器人系统中安装的正视对比图和测视对比图。如图4、图5所示，两图左边的是谐波驱动执行器（现有技术中执行器的一种）在机器人系统中的安装效果图，而两图右边的是本发明的柔性执行器在机器人系统中的安装效果图。可以发现，由于谐波驱动器中驱动部分和输出部分不能分离，因此将导致机器人操作部分的安装结构复杂（传统的谐波传动技术的实际模型在支撑轴承等部件全部加到系统中去后，只会比图4、图5所示更为庞大）。而装配系统的较小体积在提高患者舒适度和提升其在人为环境中的工作性能是个关键性有利因素。相比而言，采用本发明的柔性执行器，只需要在机器人操作部分安装输出模块即可，因此简化了机器人系统的安装结构。

此外，由于本发明的柔性执行器将其重量大部分移至机器人底座，这大大提高了机器人操作的安全性和载重能力，并减少了功率消耗。更为重要的是，这种设计降低了机器的重心，从而增加系统的静态稳定性。据测算，谐波传动系统的执行器消耗了大约40%的机器负载；而本发明的柔性执行器只占了大约15% 。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种用于机器人系统的柔性执行器，其特征在于，包括驱动模块、输出模块以及液压传输单元，其中：

驱动模块包括电机、电机控制单元、柔性传动单元、驱动端液压缸、驱动端活塞，电机控制单元与电机连接用于提供电机控制信号，驱动端活塞的一端设在驱动端液压缸中，柔性传动单元连接在驱动端活塞的另一端和电机之间用于将电机的转动转换为驱动端活塞在驱动端液压缸中的往返运动，驱动端液压缸的两端均设有液口；

输出模块包括输出端液压缸、输出端活塞、输出端传动单元，输出端活塞的一端设在输出端液压缸中，输出端传动单元与输出端活塞的另一端相连接用于将输出端活塞在输出端液压缸中的往返运动转换为外部输出，输出端液压缸的两端均设有液口 ；

液压传输单元包括柔性液管，柔性液管连接在输出端液压缸的液口与驱动端液压缸的液口之间用于构成液压传动系统，柔性液管与输出端液压缸的液口之间的连接口以及柔性液管与驱动端液压缸的液口之间的连接口设有多层密封单元。

2.根据权利要求1所述的用于机器人系统的柔性执行器，其特征在于：所述柔性传动单元包括丝杆、弹簧匣，其中弹簧匣内设有内置弹簧，丝杆一端与电机相连、另一端与弹簧匣内的内置弹簧相连，弹簧匣的外侧与驱动端活塞相接。

3.根据权利要求2所述的用于机器人系统的柔性执行器，其特征在于：所述驱动模块还包括位置传感器，位置传感器用于测量弹簧匣内的内置弹簧的变形量并将测量结果传输给电机控制单元。

4.根据权利要求1~3任一所述的用于机器人系统的柔性执行器，其特征在于：所述驱动端液压缸的液口或输出端液压缸的液口通过多支连接管与柔性液管连接。

5.根据权利要求1~3任一所述的用于机器人系统的柔性执行器，其特征在于：所述驱动端液压缸的液口或输出端液压缸的液口通过电磁阀与柔性液管连接。

6.一种采用上述权利要求1~5任一所述的用于机器人系统的柔性执行器的机器人系统，包括底座、机械臂，其特征在于：所述用于机器人系统的柔性执行器的驱动模块安装在底座，所述用于机器人系统的柔性执行器的输出模块安装在机械臂内部。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其特征在于：所述用于机器人系统的柔性执行器的柔性液管在机械臂和底座的内部走线。

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