CN103624797B - 一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节 - Google Patents

Abstract

一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，它涉及一种机器人关节，以解决现有机器人关节存在难以实现精确的力输出控制以及传动精度和传动稳定性较差的问题，它包括谐波减速器；它还包括带有编码器的电机、支撑罩、端盖、立式输出臂、传动轴、机箱、角度传感器、立式连接板和多个串联弹性体；带有编码器的电机与钢轮可拆卸连接，钢轮与支撑壳可拆卸连接，带有编码器的盘式电机的输出轴与波形发生器连接，柔轮的小直径端装在支撑罩内且二者转动连接，柔轮的小直径端内安装有立式连接板，机箱位于支撑罩和端盖之间，机箱内安装有多个串联弹性体；传动轴的另一端固装在立式输出臂的下部。本发明属于机器人技术领域。

Description

一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节

技术领域

本发明涉及一种机器人关节，属于机器人技术领域。

背景技术

在科技高度发达的今天，机器人已经渗入到各行各业，执行各种各样的任务，机器人关节就是机器人领域中一个非常重要的模块，机器人柔性关节可以有效的起到减小冲击，提高机器人使用寿命的作用，但是传统的柔性关节柔性主要来自谐波减速器的柔性变形，或者扭矩传感器的自身变形，变形量较小，难以实现精确的力控制。现阶段对柔性关节的研究不光注重于柔性关节减小冲击的作用，还注重关节的适应性，稳定性和精度。因此，随着柔性驱动技术的发展，加大对关节适应性，稳定性和精度，以及柔性控制方法的研究可以有效的提高机器人的各种性能，减少各种问题发生的频率。

发明内容

本发明是为解决现有机器人关节存在难以实现精确的力输出控制以及传动精度和传动稳定性较差的问题，进而提供一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节包括谐波减速器，所述谐波减速器包括钢轮、波形发生器和柔轮，波形发生器插装在柔轮的大直径端内，钢轮与柔轮啮合；它还包括带有编码器的电机、支撑罩、端盖、立式输出臂、传动轴、机箱、角度传感器、立式连接板和多个串联弹性体；带有编码器的电机与钢轮可拆卸连接，钢轮与支撑罩可拆卸连接，带有编码器的电机的输出轴与波形发生器连接，柔轮的小直径端装在支撑罩内且二者转动连接，柔轮的小直径端内安装有立式连接板，机箱位于支撑罩和端盖之间，机箱内安装有多个串联弹性体；

每个串联弹性体包括同心的内环、外环和十条弹簧，内环的外壁上沿其周向均布设置有五个外卡座，外环的内壁上沿其周向均布设置有五个内卡座，外环套装在内环上，五个外卡座和五个内卡座相间布置，每个内卡座与相邻的一个外卡座之间安装有一个弹簧，相邻两个串联弹性体的其中一个串联弹性体的外环上沿轴向加工有多个卡爪，相邻两个串联弹性体中余下的一个串联弹性体的外环上沿轴向加工有与卡爪相插接的卡槽，多个串联弹性体通过卡爪和卡槽的插接相连为一个组合体；

所述组合体的一端与装在支撑罩内的柔轮的小直径端可拆卸连接，传动轴的一端穿过所述组合体的通孔与柔轮转动连接，传动轴的一端安装有角度传感器，角度传感器的检测轴插入立式连接板的中部，传动轴与端盖转动连接，所述组合体固套在传动轴上，传动轴的另一端固装在立式输出臂的下部。

本发明的有益效果是：本发明基于对传统柔性驱动机器人关节和串联弹性驱动器(SEA)机理的研究，在此基础上进行了改进，去掉了扭矩传感器，依靠角度传感器和串联弹簧来进行扭矩检测，修改了串联弹簧的连接形式，把串联弹簧设计成多个独立的串联弹性体，每个串联弹性体由十个弹簧及其内外环组成，外环和内环结构简单，易于加工，可以减小突然启动或者突然接触对关节以及电机的冲击；每个串联弹性体的变形量和扭矩之间的线性关系是多对弹簧线性度的平均值，串联弹性体传动平稳，线性度较高，直接进行旋转式扭矩输出，具有很高的传动精度和稳定性，传动精度提高了15％以上，使用使用寿命提高了3倍，输入和输出通过多个串联弹性体相连接，通过增减串联弹性体的个数来达到适应不同程度缓冲和改变系统刚度的目的。

本发明适用于各种机器人的关节，能够保持较高的传动精度和传动稳定性，准确的计算出关节输出臂所转的角度及输出力大小，同时还具有方便的刚度调节功能，通过加减弹性单元的个数能够使该关节适应各种各样的场合，起到很好的减震缓冲作用，具有很高的线性度。本发明是一种用于减小关节冲击，提高传动精度和稳定性的柔性机器人关节，可以应用于多种场合。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图，图2为本发明的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节的局部剖视图，图3为本发明的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节的主剖视结构示意图，图4为带有编码器的电机、谐波减速器与支撑罩的连接结构的分解示意图，图5为多个串联弹性体连接为组合体的结构示意图，图6为多个串联弹性体的分解示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节包括钢轮2、波形发生器3和柔轮4，波形发生器3插装在柔轮4的大直径端内，钢轮2与柔轮4啮合；它还包括带有编码器的电机1、支撑罩6、端盖8、立式输出臂9、传动轴11、机箱12、角度传感器14、立式连接板15和多个串联弹性体17；带有编码器的电机1与钢轮2可拆卸连接，钢轮2与支撑罩6可拆卸连接，带有编码器的电机1的输出轴与波形发生器3连接，柔轮4的小直径端装在支撑罩6内且二者转动连接，柔轮4的小直径端内安装有立式连接板15，机箱12位于支撑罩6和端盖8之间，机箱12内安装有多个串联弹性体17；

每个串联弹性体17包括同心的内环17-1、外环17-2和十条弹簧17-3，内环17-1的外壁上沿其周向均布设置有五个外卡座19-1，外环17-2的内壁上沿其周向均布设置有五个内卡座19-2，外环17-2套装在内环17-1上，五个外卡座19-1和五个内卡座19-2相间布置，每个内卡座19-2与相邻的一个外卡座19-1之间安装有一个弹簧17-3，相邻两个串联弹性体17的其中一个串联弹性体17的外环17-2上沿轴向加工有多个卡爪20-1，相邻两个串联弹性体17中余下的一个串联弹性体17的外环17-2上沿轴向加工有与卡爪20-1相插接的卡槽20-2，多个串联弹性体17通过卡爪20-1和卡槽20-2的插接相连为一个组合体；

所述组合体的一端与装在支撑罩6内的柔轮4的小直径端可拆卸连接，传动轴11的一端穿过所述组合体的通孔与柔轮4转动连接，传动轴11的一端安装有角度传感器14，角度传感器14的检测轴插入立式连接板15的中部，传动轴11与端盖8转动连接，所述组合体固套在传动轴11上，传动轴11的另一端固装在立式输出臂9的下部。

本实施方式使用时，带有编码器的电机1通过螺钉与钢轮2可拆卸连接，所述组合体的一端通过螺钉与装在支撑罩内的柔轮的小直径端可拆卸连接。本实施方式的弹簧有选用螺旋弹簧。工作时，所述组合体能相对支撑罩6转动，

具体实施方式二：结合图1-图4说明，本实施方式所述带有编码器的电机1为盘式电机。如此设置，电机具有体积小、重量轻、结构紧凑和传动效率高的优点。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3和图4说明，本实施方式所述关节还所述关节还包括免键轴套16，带有编码器的电机1的输出轴通过免键轴套16与波形发生器3固接。如此设置，安装拆卸方便，电机输出轴的强度增加，提高了工作效率，运行稳定可靠。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图6说明，本实施方式所述卡爪20-1的数量至少五个。如此设置，多个串联弹性体能相对稳定固定在一起，满足实际需要。其它具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图3说明，本实施方式所述关节还包括第一轴承5、第二轴承7、第三轴承25和第四轴承23，柔轮4的小直径端通过第一轴承5装在支撑罩6上，所述组合体通过第二轴承7装在支撑罩6上，传动轴11的一端通过第三轴承25装在柔轮4上，传动轴11的另一端通过第四轴承23装在端盖8上。如此设置，关节系统传动稳定可靠。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说明，本实施方式所述关节还包括两个第一平键13和两个第二平键10，所述组合体通过两个第一平键13与传动轴11同步转动，立式输出臂9的下端通过两个第二平键10与传动轴11的另一端连接。本实施方式的串联弹性体的内环内和传动轴的一端上均加工有第一键槽，两个第一平健13放置在第一键槽内实现串联弹性体的转动带动传动轴的传动，传动轴的另一端和立式输出臂上均加工有第二键槽，两个第二平键10放置在第二键槽内实现立式输出臂的传动，安装拆卸方便，使用便捷，能满足实际传动的需要。其它具体实施方式五相同。

工作过程

结合图1-图6说明，本发明的关节中设有角度传感器，能够准确的检测出多个串联弹性体(组合体)的相对转动角度，设柔轮和传动轴之间的角度差为θ₂，假设加入N个串联弹性体，每个串联弹性体的刚度为K₂，那么就可以算出N个串联弹性体(组合体)(如图5)所受力矩M₂，同时也等于柔轮所受力矩M₁：

M₁＝M₂＝N×K₂×θ₂

柔轮的刚度为K₁，则柔轮扭转的角度θ₁为：

${\mathrm{\θ}}_1=\frac{M_1}{K_1}=\frac{N\×K_2\×{\mathrm{\θ}}_2}{K_1}$

假设谐波减速器的传动比为i₀，电机转动角度为θ₃，则下肢转动的角度θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_3}{i_0}+{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2$

通过电机编码器和角度传感器检测的数据θ₃和θ₂，就可以准确的检测关节的输出臂9的转动角度和输出力矩M，进行关节的位置控制或力控制。

串联弹性体组成的组合体如图5所示，串联弹性体内部有5对完全相同的弹簧，连接串联弹簧单元的内环和外环，10个弹簧在串联弹性体中均匀分布，起到平稳传动，提高传动精度的作用。通过增加或者减少串联弹簧性体的个数来改变传动刚度，从而适应不同的工况。

Claims (6)

1.一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，它包括谐波减速器，所述谐波减速器包括钢轮(2)、波形发生器(3)和柔轮(4)，波形发生器(3)插装在柔轮(4)的大直径端内，钢轮(2)与柔轮(4)啮合；其特征在于：它还包括带有编码器的电机(1)、支撑罩(6)、端盖(8)、立式输出臂(9)、传动轴(11)、机箱(12)、角度传感器(14)、立式连接板(15)和多个串联弹性体(17)；带有编码器的电机(1)与钢轮(2)可拆卸连接，钢轮(2)与支撑罩(6)可拆卸连接，带有编码器的电机(1)的输出轴与波形发生器(3)连接，柔轮(4)的小直径端装在支撑罩(6)内且二者转动连接，柔轮(4)的小直径端内安装有立式连接板(15)，机箱(12)位于支撑罩(6)和端盖(8)之间，机箱(12)内安装有多个串联弹性体(17)；

每个串联弹性体(17)包括同心的内环(17-1)、外环(17-2)和十条弹簧(17-3)，内环(17-1)的外壁上沿其周向均布设置有五个外卡座(19-1)，外环(17-2)的内壁上沿其周向均布设置有五个内卡座(19-2)，外环(17-2)套装在内环(17-1)上，五个外卡座(19-1)和五个内卡座(19-2)相间布置，每个内卡座(19-2)与相邻的一个外卡座(19-1)之间安装有一个弹簧(17-3)，相邻两个串联弹性体(17)的其中一个串联弹性体(17)的外环(17-2)上沿轴向加工有多个卡爪(20-1)，相邻两个串联弹性体(17)中余下的一个串联弹性体(17)的外环(17-2)上沿轴向加工有与卡爪(20-1)相插接的卡槽(20-2)，多个串联弹性体(17)通过卡爪(20-1)和卡槽(20-2)的插接相连为一个组合体；

所述组合体的一端与装在支撑罩(6)内的柔轮(4)的小直径端可拆卸连接，传动轴(11)的一端穿过所述组合体的通孔与柔轮(4)转动连接，传动轴(11)的一端安装有角度传感器(14)，角度传感器(14)的检测轴插入立式连接板(15)的中部，传动轴(11)与端盖(8)转动连接，所述组合体固套在传动轴(11)上，传动轴(11)的另一端固装在立式输出臂(9)的下部。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，其特征在于：所述带有编码器的电机(1)为盘式电机。

3.根据权利要求1或2所述的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，其特征在于：所述关节还包括免键轴套(16)，带有编码器的电机(1)的输出轴通过免键轴套(16)与波形发生器(3)固接。

4.根据权利要求3所述的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，其特征在于：所述卡爪(20-1)的数量至少五个。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，其特征在于：所述关节还包括第一轴承(5)、第二轴承(7)、第三轴承(25)和第四轴承(23)，柔轮(4)的小直径端通过第一轴承(5)装在支撑罩(6)上，所述组合体通过第二轴承(7)装在支撑罩(6)上，传动轴(11)的一端通过第三轴承(25)装在柔轮(4)上，传动轴(11)的另一端通过第四轴承(23)装在端盖(8)上。

6.根据权利要求5所述的一种旋转式可调刚度串联弹性机器人关节，其特征在于：所述关节还包括两个第一平键(13)和两个第二平键(10)，所述组合体通过两个第一平键(13)与传动轴(11)同步转动，立式输出臂(9)的下端通过两个第二平键(10)与传动轴(11)的另一端连接。