CN103522302B - 一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节 - Google Patents

Abstract

一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，它涉及一种用于机器人的柔性驱动装置，以解决现有用于机器人关节的串联弹性驱动器为直线型力输出，结构不紧凑，占用体积较大，电机需求功率较大，以及不利于关节的精确的力输出控制和位置控制的问题，它包括上肢连板、上肢电机外壳、关节齿轮箱、下肢连板、下肢支架、减速器、旋转变压器、带有编码器的电机、串联弹性体和扭簧；所述关节齿轮箱包括壳体、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和关节轴；所述串联弹性体包括同心的内外双环本体和至少四组波浪形弹片，同心的内外双环本体的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片。本发明用于机器人领域。

Description

一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节

技术领域

本发明涉及一种用于机器人的柔性驱动装置，具体涉及一种用于机器人的柔性储能关节。

背景技术

关节仿生驱动技术已成为机器人领域中的一个重要研究方向，而作为一种具有柔性驱动和仿生驱动能力的力输出驱动装置，基于串并联理论的柔性关节设计逐渐兴起。基于骨骼肌宏观力学特性研究，设计一种模拟肌肉生理性能的高效弹性储能驱动单元显得尤为重要。传统的串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，SEA)在步行机器人、康复机器人、机械外骨骼以及医疗辅助器械等领域得到了广泛应用，它具有高功率/重量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性及具有较好的缓冲功能等优点，受到越来越多研究者的关注，但忽略了生物肌肉自身的并联弹性元储能特性。生物体肌肉在收缩的过程中，肌腱和结缔组织都可以进行能量的存储，而这正是生物体肌肉可以产生爆发力的原因。目前，机器人关节柔性驱动技术中，对并联弹性环节的研究较少，因此，综合研究串联特性和并联特性，对设计出具有弹性储能的，可以大出力的柔性关节具有重要的意义。

经文献检索，申请号为200810064917.2的中国发明申请提出一种双串联弹性驱动器，就是在传统的电机输出动力压缩单一的串联弹簧的设计基础上，把单一的串联弹簧改为一软一硬的两个弹簧，当电机输出动力小时，先压缩软的弹簧，软的弹簧被压到极限，电机输出力继续增大，就压缩硬弹簧，是一种直线输出型的串联弹性驱动器，且串联弹性环节的体积较大，对机器人的转动关节不太适用。

经文献检索，专利号为201010261842.4的中国发明专利提出了一种含柔性动力踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢，应用到了一种串联弹性驱动，但其结构仍是电机输出端压缩串联弹簧，压缩的弹簧输出动力提供给关节的转动，这种三角形的动力驱动并不利于关节的精确力输出控制和位置控制。

发明内容

本发明的目的是为解决现有用于机器人关节的串联弹性驱动器为直线型力输出，结构不紧凑，占用体积较大，电机需求功率较大，以及不利于关节的精确的力输出控制和位置控制的问题，进而提供一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节。

本发明采取的技术方案是：

本发明的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节包括上肢连板、上肢电机外壳、关节齿轮箱、下肢连板、下肢支架、减速器、旋转变压器、带有编码器的电机、串联弹性体和扭簧；

所述关节齿轮箱包括壳体、第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和关节轴；壳体与上肢连板连接，上肢电机外壳安装在上肢连板上，壳体和上肢电机外壳将带有编码器的电机和减速器包覆，带有编码器的电机与减速器连接，减速器的输出端安装有第三锥齿轮；关节轴通过轴承水平安装在壳体上，第一锥齿轮与第二锥齿轮分别安装在关节轴的两端，扭簧位于第一锥齿轮与第二锥齿轮之间，第三锥齿轮分别与第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合，第一锥齿轮与第四锥齿轮啮合，第四锥齿轮与第二锥齿轮啮合；

所述串联弹性体包括同心的内外双环本体和至少四组波浪形弹片，同心的内外双环本体的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片；串联弹性体穿设在关节轴上，第二锥齿轮安装在同心的内外双环本体的内环上，下肢连板盖合在壳体的侧面上，下肢连板与内外双环本体的外环活动连接，关节轴与下肢连板相邻的一端内安装有旋转变压器，下肢支架盖合在壳体的与下肢连板相对侧面上，下肢支架分别与关节轴和下肢连板活动连接。

本发明的有益效果是：一、本发明适用于机器人领域应用的柔性储能关节，电机动力经过减速，换向，直接变为关节的旋转动力输出；上肢连杆对电机和行星轮减速器半包围型设计，配合上肢电机外壳形成全包围防尘保护，使结构承重能力强的同时结构紧凑。

二、对于关节的控制方法上，本发明的串联弹性体仍相当于传统的串联弹性驱动器中的串联弹簧，但结构更加紧凑，具有缓冲减震等功能。

三、通过电机自带的编码器，和关节内部安装的旋转变压器，可以精确的测量电机的输出位置，扭簧(相当于并联弹簧)的压缩位置，串联弹性体的扭转位置，以及柔性关节的转动位置，进而进行精确的位置控制和/或力输出控制。

四、本发明利用了齿轮箱中位置相对的第一锥齿轮和第二锥齿轮的转向相反这一特性，和相反转向的角度与关节转动角度之间的对应关系，安装了扭簧，进行关节转动时的蓄能和释能；齿轮箱内的第一锥齿轮和第二锥齿轮进行扭矩分流，使每个锥齿轮仅传递纯扭矩，消除了锥齿轮的径向分力，同时第一锥齿轮和第二锥齿轮相反转向为扭簧提供了安装空间和扭转动力，从而实现了关节的储能和大输出扭矩。

五、扭簧除了当机器人重心变化时可以进行蓄能和释能，在其他的任何工况下，关节在弯曲后的伸展的过程中，关节的输出力矩始终是扭簧的扭矩和电机的输出扭矩的叠加，因此，合理的设计扭簧的平衡位置，保证关节在需要出力的角度范围内扭簧释能，机器人关节就可以获得远大于电机本身所能提供的峰值扭矩，电机的需求功率较小，实现关节可以大出力的效果。

六、采用自行设计的串联弹性体，弹性体的内环和外环之间设计一种波浪形弹片，起到柔性变形和传递扭矩的作用，改变串联弹性体的厚度和波浪形弹片的壁厚，就可以得到不同的弹性体刚度和动力响应特性，以适应不同的机器人关节对动力控制等方面的需求。

七、本发明的柔性储能关节应用于各种各样的双足，如四足行走机器人，康复机器人，动力外骨骼等领域的关节驱动，利用扭簧扭转蓄力来减小机器人关节运动时所需的扭矩，从而降低电机所需功率，减小功耗，同时继承了串联弹性驱动器的优点，自行设计了结构紧凑的串联弹性体，在保证功能要求的情况下降低成本，提高了关节驱动系统的响应速度，控制精度以及系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，图2为本发明的局部剖视结构示意图，图3为去掉上肢电机外壳后的整体结构示意图，图4为本发明的分解图，图5为本发明的串联弹性体的主视结构示意图，图6为本发明的串联弹性体的立体结构示意图，图7为本发明的关节的动力传递示意图(空心箭头表示力矩传递方向，实线箭头表示运动方向)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节包括上肢连板1、上肢电机外壳2、关节齿轮箱3、下肢连板4、下肢支架5、减速器7、旋转变压器13、带有编码器的电机8、串联弹性体16和扭簧24；

所述关节齿轮箱3包括壳体30、第三锥齿轮9、第四锥齿轮23、第一锥齿轮25、第二锥齿轮17和关节轴14；壳体30与上肢连板1连接，上肢电机外壳2安装在上肢连板1上，壳体30和上肢电机外壳2将带有编码器的电机8和减速器7包覆，带有编码器的电机8与减速器7连接，减速器7的输出端安装有第三锥齿轮9；关节轴14通过轴承水平安装在壳体30上，第一锥齿轮25与第二锥齿轮17分别安装在关节轴14的两端，扭簧24位于第一锥齿轮25与第二锥齿轮17之间，第三锥齿轮9分别与第一锥齿轮25和第二锥齿轮17啮合，第一锥齿轮25与第四锥齿轮23啮合，第四锥齿轮23与第二锥齿轮17啮合；

所述串联弹性体16包括同心的内外双环本体16-1和至少四组波浪形弹片16-2，同心的内外双环本体16-1的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片16-2；串联弹性体16穿设在关节轴14上，第二锥齿轮17安装在同心的内外双环本体16-1的内环上，下肢连板4盖合在壳体30的侧面上，下肢连板4与内外双环本体16-1的外环活动连接，关节轴14与下肢连板4相邻的一端内安装有旋转变压器13，下肢支架5盖合在壳体30的与下肢连板4相对侧面上，下肢支架5分别与关节轴14和下肢连板4活动连接。

本实施方式的旋转变压器的定子固定于关节轴14内部孔壁上，旋转变压器的转子嵌套于关节齿轮箱端盖10上，并用小挡片12通过螺钉固定于齿轮箱3的第一侧端盖10上。本实施方式的第一锥齿轮25通过轴承28安装在关节轴14上，本实施方式的关节轴通过关节轴承15支撑在壳体30上。下肢支架5通过第二侧端盖29盖合在壳体30上。本实施方式的下肢连板4与内外双环本体16-1的外环通过螺钉连接。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述减速器7为行星减速器。如此设置，具有尺寸小，输出扭矩大，效率高和性能安全可靠的优点。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4-图6说明本实施方式，本实施方式所述同心的内外双环本体16-1的外环加工有多个凹槽16-3，下肢连板4上加工有与凹槽数量相一致的凸起4-1，凸起4-1卡合在相应的凹槽16-3内。如此设置，串联弹性体16的外环与下肢连板4通过凸起和凹槽的配合连接来传递扭矩，结构更加紧凑，柔性变形好。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2-图6说明本实施方式，本实施方式的同心的内外双环本体16-1的内外环相对扭转角度为正负2.5度以内。如此设置，对应传递的扭矩可达±100Nm，可以实现大出力的输出效果。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述关节齿轮箱3还包括加固板6，加固板6安装在与关节轴14的轴向相垂直的壳体30的侧面上。如此设置，加固板起到加强齿轮箱的作用，减小齿轮箱受到第三锥齿轮、第四锥齿轮、第一锥齿轮和第二锥齿轮轴向力引起的变形。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述关节齿轮箱3还包括下侧端盖20和两个第三角接触轴承21，第四锥齿轮23通过下侧端盖20和两个第三角接触轴承21安装在壳体30内。如此设置，第四锥齿轮运行稳定可靠。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述关节齿轮箱3还包括两个第一角接触轴承26，第一锥齿轮25通过两个第一角接触轴承26安装在关节轴14上。如此设置，第一锥齿轮运行稳定可靠。其它与具体实施方式六同。

具体实施方式八：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述关节齿轮箱3还包括两个第二角接触轴承18，第二锥齿轮17通过两个第二角接触轴承18安装在关节轴14上。如此设置，第二锥齿轮运行稳定可靠。其它与具体实施方式七同。

工作原理

结合图1-图7说明，本发明基于生物肌肉宏观力学特性研究的仿生学设计，以及关节转动中重力势能的变化，加入扭簧和串联弹性体，模拟肌肉的并联弹性元和串联弹性元，从而实现关节转动时，机器人重力势能的存储和大扭矩的释放以及关节的柔性驱动。本发明利用扭簧和串联弹性体实现了一种可以弹性储能以及释放大扭矩的柔性关节，具有较高的结构紧凑性和峰值功率。在传统的串联弹性驱动器(SEA)基础上，通过改进串联弹性单元的设计，同时引入并联弹性环节，从而设计出一种可以减小能耗的，具有较高功率密度的大出力柔性关节；本发明的一种用于行走机器人的柔性储能关节，关节内部设计安装有旋转变压器，配合电机自带的编码器，可以准确的检测柔性部件串联弹性体的变形量、电机的输出位置以及关节角度位移，从而计算出关节输出扭矩和扭簧(相当于并联弹簧)提供的扭矩，为关节转动提供准确的力控制和位置控制。扭簧施加在如图2和图7所示的第一锥齿轮25和第二锥齿轮17之间，第一锥齿轮25和第二锥齿轮17的相对转动角度与关节的转角成正比关系，比例为2倍。当机器人肢体落地时，关节受重力影响转动弯曲，此时扭簧压缩储能，当肢体抬腿离地时，扭簧可以释能，辅助抬腿蹬地等动作。另外，关节弯曲的角度越大，扭簧扭转储能越大，例如本发明应用在类人机器人的蹲下站起动作时，髋关节及膝关节蹲下过程中，重力势能自动压缩扭簧，而站起过程中，即释能辅助站起，其中站起时关节需要的扭矩，扭簧提供不足部分由电机共同提供，从而使关节输出的峰值扭矩远大于电机的最大输出扭矩，实现了关节的大出力效果。

Claims (8)

1.一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，它包括上肢连板(1)、上肢电机外壳(2)、关节齿轮箱(3)、下肢连板(4)、下肢支架(5)、减速器(7)、带有编码器的电机(8)和串联弹性体(16)；

其特征在于：所述关节还包括旋转变压器(13)和扭簧(24)；所述关节齿轮箱(3)包括壳体(30)、第三锥齿轮(9)、第四锥齿轮(23)、第一锥齿轮(25)、第二锥齿轮(17)和关节轴(14)；壳体(30)与上肢连板(1)连接，上肢电机外壳(2)安装在上肢连板(1)上，壳体(30)和上肢电机外壳(2)将带有编码器的电机(8)和减速器(7)包覆，带有编码器的电机(8)与减速器(7)连接，减速器(7)的输出端安装有第三锥齿轮(9)；关节轴(14)通过轴承水平安装在壳体(30)上，第一锥齿轮(25)与第二锥齿轮(17)分别安装在关节轴(14)的两端，扭簧(24)位于第一锥齿轮(25)与第二锥齿轮(17)之间，第三锥齿轮(9)分别与第一锥齿轮(25)和第二锥齿轮(17)啮合，第一锥齿轮(25)与第四锥齿轮(23)啮合，第四锥齿轮(23)与第二锥齿轮(17)啮合；

所述串联弹性体(16)包括同心的内外双环本体(16-1)和至少四组波浪形弹片(16-2)，同心的内外双环本体(16-1)的内外环之间沿其周向连接有制成一体的至少四组波浪形弹片(16-2)；串联弹性体(16)穿设在关节轴(14)上，第二锥齿轮(17)安装在同心的内外双环本体(16-1)的内环上，下肢连板(4)盖合在壳体(30)的侧面上，下肢连板(4)与内外双环本体(16-1)的外环活动连接，关节轴(14)与下肢连板(4)相邻的一端内安装有旋转变压器(13)，下肢支架(5)盖合在壳体(30)的与下肢连板(4)相对侧面上，下肢支架(5)分别与关节轴(14)和下肢连板(4)活动连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：所述减速器(7)为行星减速器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：同心的内外双环本体(16-1)的外环加工有多个凹槽(16-3)，下肢连板(4)上加工有与凹槽数量相一致的凸起(4-1)，凸起(4-1)卡合在相应的凹槽(16-3)内。

4.根据权利要求3所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：同心的内外双环本体(16-1)的内外环相对扭转角度为正负2.5度以内。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：所述关节齿轮箱(3)还包括加固板(6)，加固板(6)安装在与关节轴(14)的轴向相垂直的壳体(30)的侧面上。

6.根据权利要求5所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：所述关节齿轮箱(3)还包括下侧端盖(20)和两个第三角接触轴承(21)，第四锥齿轮(23)通过下侧端盖(20)和两个第三角接触轴承(21)安装在壳体(30)内。

7.根据权利要求6所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：所述关节齿轮箱(3)还包括两个第一角接触轴承(26)，第一锥齿轮(25)通过两个第一角接触轴承(26)安装在关节轴(14)上。

8.根据权利要求7所述的一种基于重力蓄能的大出力机器人柔性储能关节，其特征在于：所述关节齿轮箱(3)还包括两个第二角接触轴承(18)，第二锥齿轮(17)通过两个第二角接触轴承(18)安装在关节轴(14)上。