CN103711741A - 一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，包括开式密封型液压摆动缸、扭矩传感模块和角位移传感模块，开式密封型液压摆动缸包括摆动缸输出轴、弹性挡圈、轴承、轴套、外泄径向O型密封圈、外泄O型聚四氟乙烯环、开式缸盖、外泄轴向O型密封圈、缸体、定叶片、动叶片、内泄聚四氟乙烯条、内泄密封条和进出油通道连接件；扭矩传感模块包括弹性联轴器、力矩检测轴、应变片、力矩检测信号线、扭矩传递法兰、扭矩传递支撑两用法兰和大腿；角位移传感模块包括联轴器、编码器支架、编码器和小腿。该液压缸不仅能提供大力矩，且结构简单，控制简便，同时模块化的结构使其具有力矩反馈和角度反馈功能。

Description

一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸

技术领域

本发明可用于各种工业、服务和步行机器人的关节驱动，具体来说，涉及一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸。

背景技术

目前，机器人的研究一直受到国内外研究者的关注。工业、服务和仿生机器人都离不开关节驱动器，特别是仿生型机器人更是需要结构紧凑、扭矩密度（驱动器单位质量能够提供的额定扭矩）和功率密度高（驱动器单位质量能够提供的额定功率）的驱动关节。国内外在仿生机器人关节驱动方面，大多采用电机加齿轮、同步带、绳索等减速传动机构的方式。这类驱动关节具有力矩密度比小，占用空间大、结构复杂的缺点；有些采用直线运动气压缸和液压缸等作为驱动装置，具有整体尺寸大、非线性强的缺点。因此，需要一种高功率密度、高扭矩密度、结构简单、易于控制的机器人关节。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，该液压缸不仅能提供大力矩，且结构简单，控制简便，同时模块化的结构使其具有力矩反馈和角度反馈功能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，该液压缸包括开式密封型液压摆动缸、扭矩传感模块和角位移传感模块，其中，所述的开式密封型液压摆动缸包括摆动缸输出轴、弹性挡圈、轴承、轴套、外泄径向O型密封圈、外泄O型聚四氟乙烯环、开式缸盖、外泄轴向O型密封圈、缸体、定叶片、动叶片、内泄聚四氟乙烯条、内泄密封条和进出油通道连接件；动叶片和摆动缸输出轴置于缸体内部，且动叶片固定连接在摆动缸输出轴中部，定叶片固定连接在缸体的底部；内泄密封条分别与动叶片的槽底面、定叶片的槽底面和内泄聚四氟乙烯条贴合，内泄聚四氟乙烯条位于内泄密封条外侧，内泄聚四氟乙烯条分别与摆动缸输出轴和缸体内表面贴合；开式缸盖与缸体固定连接，外泄轴向O型密封圈位于开式缸盖所开槽内，且外泄轴向O型密封圈嵌至在开式缸盖与缸体端面之间；轴套与开式缸盖固定连接；外泄O型聚四氟乙烯环和外泄径向O型密封圈分别置于开式缸盖与轴套之间的沟槽内；轴承置于轴套内，并通过弹性挡圈固定在摆动缸输出轴上；进出油通道连接件固定连接在缸体的通孔中；所述扭矩传感模块包括弹性联轴器、力矩检测轴、应变片、力矩检测信号线、扭矩传递法兰、扭矩传递支撑两用法兰和大腿；弹性联轴器连接在力矩检测轴和摆动缸输出轴之间；应变片贴于力矩检测轴的外表面，力矩检测信号线连接应变片；扭矩传递法兰一端通过键与力矩检测轴连接，扭矩传递法兰另一端通过螺钉与大腿的一端固定连接；扭矩传递支撑两用法兰位于大腿的另一端，扭矩传递支撑两用法兰分别和摆动缸输出轴与大腿固定连接；所述的角位移传感模块包括联轴器、编码器支架、编码器和小腿；编码器与编码器支架固定连接；编码器支架与小腿固定连接；联轴器连接在编码器的轴与摆动缸输出轴之间。

进一步：所述的摆动缸输出轴为左右对称的阶梯轴，轴中部开有定位销孔和螺钉孔；所述的摆动缸输出轴两侧在外泄径向O型密封圈和外泄O型聚四氟乙烯环安装位置前端台阶处设有10度的倒角；摆动缸输出轴两侧在轴承安装位置处开有弹性卡圈槽。

进一步：所述的动叶片形状为上小下大，动叶片的内部、中部、外部均为圆弧形，且动叶片内部弧形尺寸与摆动缸输出轴中间轴肩外径尺寸相同，动叶片外部弧形尺寸小于缸体内腔尺寸，动叶片中部弧形处开有定位销孔和通孔；动叶片外部弧形边沿设有倒圆弧角；动叶片外侧开有组合密封件槽。

进一步：所述的定叶片的形状为上小下大，定叶片的内部、中部、外部均为圆弧形，且定叶片内部弧形尺寸大于摆动缸输出轴中间轴肩外径尺寸，定叶片外部弧形尺寸与缸体内径尺寸相同；定叶片内部弧形处开有组合密封件槽，定叶片外部弧形处开有螺纹孔。

进一步，缸体内部为中空，缸体两侧为开有第一连接孔的法兰结构，缸体中间局部为加厚结构，在加厚结构处开有第一螺纹孔和第二连接孔。

进一步：所述的外泄O型聚四氟乙烯环和外泄径向O型密封圈均采用开式密封安装方式置于开式缸盖内，且用轴套压紧。

进一步：所述的弹性联轴器的中部开有螺旋槽。

进一步：所述的应变片贴于力矩检测轴的轴肩表面。

有益效果：本发明与已有技术相比，其优点与积极效果是：

1. 扭矩密度大。本发明的液压缸采用液压驱动，扭矩密度和功率密度大，且集多功能部件于一体，整体尺寸小，结构紧凑。

2. 可靠性高。本发明的液压缸轴向和油腔内均采用O型密封圈与聚四氟乙烯组合密封，一方面减少摩擦，另一方面提高密封效果。径向采用O型密封圈压紧式静密封，密封效果显著。整个摆动缸结构左右对称，受力均衡，性能稳定。本发明中的弹性联轴器具有保护功能，可减轻环境对仿生驱动关节的冲击。

3. 模块化结构。本发明的液压缸采用模块化结构，包括开式密封型液压摆动缸、扭矩传感模块和角位移传感模块。采用模块化结构不仅结构简单，且具有强有力的力矩输出装置，力矩检测和角位移检测装置，功能齐全。

4. 拆装方便。本发明的液压缸中液压摆动缸轴向采用的O型密封圈与聚四氟乙烯组成的密封件，其安装方式采用开式密封安装，不仅克服了闭式密封中因聚四氟乙烯不易变形带来的安装问题，及由此导致的密封效率低的问题，故拆换简便，密封效率高。

附图说明

图1是本发明的正向半剖示意图。

图2 是本发明的侧向局部剖示意图。

图3是本发明的扭矩传感模块的半剖示意图。

图4 是本发明的摆动缸正向局部半剖示意图。

图5 是本发明的摆动缸侧向局部剖示意图。

图6 是本发明的摆动缸缸体的结构立体图。

图7为本发明的摆动缸缸体的剖视图。

图中有：扭矩传递法兰1、应变片2、力矩检测信号线3、弹性联轴器4、大腿5、轴套6、开式缸盖7、外泄轴向O型密封圈8、缸体9、动叶片10、内泄聚四氟乙烯条11、内泄密封条12、扭矩传递支撑两用法兰13、联轴器14、编码器15、编码器支架16、小腿17、螺钉18、进出油通道连接件19、摆动缸输出轴20、外泄O型聚四氟乙烯环21、外泄径向O型密封圈22、轴承23、弹性挡圈24、力矩检测轴25、定叶片26、连接螺钉27、定位圆柱销28、倒角2001、弹性卡圈槽2002、第一倒圆弧角1001、动叶片内部弧形1002、动叶片外部弧形1003、动叶片中部弧形1004、第一组合密封件槽1005、第二倒圆弧角2601、定叶片外部弧形2602、定叶片内部弧形2604、第二组合密封件槽2605、连接孔905、通孔101、螺旋槽401、第二连接孔901、加厚结构902、第一螺纹孔904、第一连接孔905。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

如图1至图5所示，本发明一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，包括开式密封型液压摆动缸、扭矩传感模块和角位移传感模块。开式密封型液压摆动缸包括摆动缸输出轴20、弹性挡圈24、轴承23、轴套6、外泄径向O型密封圈22、外泄O型聚四氟乙烯环21、开式缸盖7、外泄轴向O型密封圈8、缸体9、定叶片26、动叶片10、内泄聚四氟乙烯条11、内泄密封条12和进出油通道连接件19。动叶片10和摆动缸输出轴20置于缸体9内部，且动叶片10固定连接在摆动缸输出轴20中部，定叶片26通过螺钉18固定连接在缸体9的底部；内泄密封条12分别与动叶片10的槽底面、定叶片26的槽底面和内泄聚四氟乙烯条11贴合，内泄聚四氟乙烯条11位于内泄密封条12外侧，内泄聚四氟乙烯条11分别与摆动缸输出轴20和缸体9内表面贴合；开式缸盖7与缸体9固定连接，外泄轴向O型密封圈8位于开式缸盖7所开槽内，且外泄轴向O型密封圈8嵌至在开式缸盖7与缸体9端面之间；轴套6与开式缸盖7固定连接；外泄O型聚四氟乙烯环21和外泄径向O型密封圈22分别置于开式缸盖7与轴套6之间的沟槽内；轴承23置于轴套6内，并通过弹性挡圈24固定在摆动缸输出轴20上。进出油通道连接件19固定连接在缸体9的通孔中。扭矩传感模块包括弹性联轴器4、力矩检测轴25、应变片2、力矩检测信号线3、扭矩传递法兰1、扭矩传递支撑两用法兰13和大腿5。弹性联轴器4连接在力矩检测轴25和摆动缸输出轴20之间。应变片2贴于力矩检测轴25的外表面，力矩检测信号线3连接应变片2。扭矩传递法兰1一端通过键与力矩检测轴25连接，扭矩传递法兰1另一端通过螺钉与大腿5的一端固定连接。扭矩传递支撑两用法兰13位于大腿5的另一端，扭矩传递支撑两用法兰13分别和摆动缸输出轴20与大腿5固定连接。角位移传感模块包括联轴器14、编码器支架16、编码器15和小腿17。编码器15与编码器支架16固定连接；编码器支架16与小腿17固定连接。联轴器14连接在编码器15的轴与摆动缸输出轴20之间。联轴器14将摆动缸输出轴20与编码器14的轴连接，实时检测摆动缸输出轴20转角，即大腿5相对于小腿17运动的转角。

进一步，作为优选，摆动缸输出轴20为左右对称的阶梯轴，轴中部开有定位销孔和螺钉孔，摆动缸输出轴20两侧在外泄径向O型密封圈22和外泄O型聚四氟乙烯环21安装位置前端台阶处设有10度的倒角2001，以便O型聚四氟乙烯环21的安装。摆动缸输出轴20两侧在轴承23安装位置处开有弹性卡圈槽2002。弹性挡圈24固定在弹性卡圈槽2002中，弹性挡圈24用于定位轴承23。

进一步，作为优选，动叶片10形状为上小下大，动叶片10的内部、中部、外部均为圆弧形，且动叶片内部弧形1002尺寸与摆动缸输出轴20中间轴肩外径尺寸相同，动叶片外部弧形1003尺寸小于缸体9内腔尺寸，动叶片中部弧形1004处开有定位销孔和通孔。动叶片中部弧形1004的定位销孔和通孔的孔轴线位置与摆动缸输出轴20上的销孔和螺钉孔轴线对应位置重合。动叶片外部弧形1003边沿设有第一倒圆弧角1001。动叶片10外侧开有第一组合密封件槽1005。第一组合密封件槽1005内用于放置一个内泄聚四氟乙烯条11和一个内泄密封条12。定叶片26的形状为上小下大，定叶片26的内部、中部、外部均为圆弧形，且定叶片内部弧形2604尺寸大于摆动缸输出轴20中间轴肩外径尺寸，定叶片外部弧形2602尺寸与缸体9内径尺寸相同。定叶片内部弧形2604边沿设有第二倒圆弧角2601。定叶片内部弧形2604处开有第二组合密封件槽2605，定叶片外部弧形2602处开有螺纹孔。第二组合密封件槽2605内用于放置另一个内泄聚四氟乙烯条11和另一个内泄密封条12。

进一步，如图6和图7所示，缸体9内部为中空，缸体9两侧为开有第一连接孔905的法兰结构，缸体9中间局部为加厚结构902，在加厚结构902处开有第一螺纹孔904和第二连接孔901。

进一步，所述的外泄O型聚四氟乙烯环21和外泄径向O型密封圈22均采用开式密封安装方式置于开式缸盖7内，且用轴套6压紧。采用开式密封安装方式可利于组合密封件的安装，从而更有效的防止油液沿轴面外泄漏。

进一步，所述的弹性联轴器4的中部开有螺旋槽401。弹性联轴器4通过键与摆动缸输出轴20和力矩检测轴25连接，一方面传递扭矩，另一方面模块化结构便于拆换。弹性联轴器4开有螺旋槽，可减小力矩检测轴25与摆动缸输出轴20不对中带来的力矩振动和冲击，同时具有减少环境对关节冲击的保护功能。

进一步，所述的应变片2贴于力矩检测轴25的轴肩表面。作为优选，应变片2为四个，以与力矩检测轴25呈45°或135°均布贴于力矩检测轴25轴肩表面。扭矩传递法兰1通过键与力矩检测轴25连接，通过螺钉与大腿5连接。扭矩传递法兰1上在四个应变片位置均布开有四个通孔101，作为力矩检测信号线3输出通道。扭矩传递支撑两用法兰23材料为黄铜，可同扭矩传递法兰1作为扭矩传递部件，该部件通过键将摆动缸输出轴20力矩传递给大腿5，也可将键去除，仅作为大腿5支撑部件。

上述结构的液压缸中，定叶片26可通过螺钉与缸体9固定连接，以形成摆动缸进出油腔。动叶片10通过对称分布的定位圆柱销28定位，以及连接螺钉27连接于摆动缸输出轴10上。内泄密封条12和内泄聚四氟乙烯条11组成的密封件安装在定叶片26的第二组合密封件槽2605和动叶片10的第一组合密封件槽1005内。密封件另一端与缸体9、开式缸盖7和摆动缸输出轴20贴合。位于缸体9两侧的开式缸盖7通过螺钉与缸体9固定连接，并紧压外泄轴向O型密封圈8和内泄聚四氟乙烯条11。外泄径向O型密封圈22和外泄O型聚四氟乙烯环21套于摆动缸输出轴20并置于开式缸盖7槽内。轴套6通过螺钉与开式缸盖7固定连接，并压紧外泄O型聚四氟乙烯环21和外泄径向O型密封圈22。进出油通道连接件19一端通过螺纹连接于缸体9，另一端可外接油管直接连入液压回路。

上述结构的液压缸中，通过力矩检测轴25形变大小得出摆动缸输出轴20的力矩。扭矩传递法兰1通过键与力矩检测轴25连接，通过螺钉与大腿5连接，以完成扭矩最终由力矩检测轴25到大腿5的传递。扭矩传递法兰1上开有四个通孔，作为力矩检测信号线3输出通道。扭矩传递支撑两用法兰13材料为黄铜，一方面可以作为扭矩传递法兰，将摆动缸输出轴20力矩传递给大腿5，此时摆动缸输出轴20反馈的力矩应近似为力矩检测所得信号的两倍；另一方面为精确测量力矩，可将键去除，此时该扭矩传递支撑两用法兰13只作为大腿5支撑部件。由于扭矩传递支撑两用法兰13材料为黄铜，故摩擦力小，效率高，由此力矩检测所得信号即为摆动缸输出轴20反馈的力矩。

本发明的旋转液压缸包括开式密封型液压摆动缸、扭矩传感模块、角位移传感模块三个部分。开式密封型液压摆动缸作为主要驱动源，提供关节所需驱动力矩。扭矩传感模块作为力矩反馈部分，实时检测关节驱动力矩。位移传感模块作为角位移反馈部分，实时测量关节转角。开式密封型液压摆动缸为单叶片式摆动液压缸，整体为左右近似对称结构。定叶片26通过螺钉与缸体9固定连接，形成摆动缸油腔。内泄聚四氟乙烯条11与内泄密封条12紧贴，在具有弹性的内泄密封条12弹力作用下，内泄聚四氟乙烯条11与摆动缸输出轴20、缸体9、开式缸盖7紧贴，一方面通过内泄聚四氟乙烯条11使得动叶片10摆动时受到的摩擦力小，另一方面防止摆动缸内泄漏。外泄轴向O型密封圈8置于开式缸盖7的槽内，开式缸盖7通过螺钉与缸体固定连接，并紧压外泄轴向O型密封圈8，以防止油液径向外泄漏，同时紧压内泄聚四氟乙烯条11，以防止内泄漏。外泄径向O型密封圈22和外泄O型聚四氟乙烯环21形成的组合密封件，并套于摆动缸输出轴20，并置于开式缸盖7槽内。轴套6通过螺钉与开式缸盖7固定连接，并压紧组合密封件。此结构为开式密封结构，目的是防止油液沿轴面外泄漏。轴承23分别与摆动缸输出轴20和轴套6配合。轴承23通过弹性挡圈24进行定位和紧固。进出油通道连接件19为两个。根据挡板与缸体尺寸，两个进出油道连接件19的轴线夹角呈120度，以使得摆动缸输出轴20转角范围尽可能大。两个进出油道连接件19的一端通过螺纹连接于缸体9，另一端为标准外螺纹，可与油管直接相连，继而接入液压回路。

本发明的液压缸的工作过程是：整个液压缸的缸体9与小腿17固定连接，利用油管连接进出油通道连接件19，将旋转液压缸接入液压回路，此时在进、出油压力差作用下，起到驱动作用的动叶片10带动摆动缸输出轴20绕轴中心旋转，作为整个驱动装置主要驱动扭矩。通过弹性联轴器4将摆动缸输出轴20扭矩传递给力矩检测轴25，通过扭矩传递法兰1和扭矩传递支撑两用法兰13最终将扭矩传递给大腿5，由此驱动大腿5旋转。扭矩传感模块中的力矩检测轴25圆周表面贴有力矩检测用应变片2，可检测出应变信号，通过事先标定查表法或函数计算法即得到实时力矩，实现力矩反馈。角位移传感模块中编码器15通过编码器支架16安装于小腿，编码器15的轴通过联轴器14可实时检测摆动缸输出轴20旋转角位移，实现位置反馈。

Claims (8)

1.一种带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：该液压缸包括开式密封型液压摆动缸、扭矩传感模块和角位移传感模块，其中，

所述的开式密封型液压摆动缸包括摆动缸输出轴（20）、弹性挡圈（24）、轴承（23）、轴套（6）、外泄径向O型密封圈（22）、外泄O型聚四氟乙烯环（21）、开式缸盖（7）、外泄轴向O型密封圈（8）、缸体（9）、定叶片（26）、动叶片（10）、内泄聚四氟乙烯条（11）、内泄密封条（12）和进出油通道连接件（19）；动叶片（10）和摆动缸输出轴（20）置于缸体（9）内部，且动叶片（10）固定连接在摆动缸输出轴（20）中部，定叶片（26）固定连接在缸体（9）的底部；内泄密封条（12）分别与动叶片（10）的槽底面、定叶片（26）的槽底面和内泄聚四氟乙烯条（11）贴合，内泄聚四氟乙烯条（11）位于内泄密封条（12）外侧，内泄聚四氟乙烯条（11）分别与摆动缸输出轴（20）和缸体（9）内表面贴合；开式缸盖（7）与缸体（9）固定连接，外泄轴向O型密封圈（8）位于开式缸盖（7）所开槽内，且外泄轴向O型密封圈（8）嵌至在开式缸盖（7）与缸体（9）端面之间；轴套（6）与开式缸盖（7）固定连接；外泄O型聚四氟乙烯环（21）和外泄径向O型密封圈（22）分别置于开式缸盖（7）与轴套（6）之间的沟槽内；轴承（23）置于轴套（6）内，并通过弹性挡圈（24）固定在摆动缸输出轴（20）上；进出油通道连接件（19）固定连接在缸体（9）的通孔中； 

所述扭矩传感模块包括弹性联轴器（4）、力矩检测轴（25）、应变片（2）、力矩检测信号线（3）、扭矩传递法兰（1）、扭矩传递支撑两用法兰（13）和大腿（5）；弹性联轴器（4）连接在力矩检测轴（25）和摆动缸输出轴（20）之间；应变片（2）贴于力矩检测轴（25）的外表面，力矩检测信号线（3）连接应变片（2）；扭矩传递法兰（1）一端通过键与力矩检测轴（25）连接，扭矩传递法兰（1）另一端通过螺钉与大腿（5）的一端固定连接；扭矩传递支撑两用法兰（13）位于大腿（5）的另一端，扭矩传递支撑两用法兰（13）分别和摆动缸输出轴（20）与大腿（5）固定连接；

所述的角位移传感模块包括联轴器（14）、编码器支架（16）、编码器（15）和小腿（17）；编码器（15）与编码器支架（16）固定连接；编码器支架（16）与小腿（17）固定连接；联轴器（14）连接在编码器（15）的轴与摆动缸输出轴（20）之间。

2.按权利要求1所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的摆动缸输出轴（20）为左右对称的阶梯轴，轴中部开有定位销孔和螺钉孔；所述的摆动缸输出轴（20）两侧在外泄径向O型密封圈（22）和外泄O型聚四氟乙烯环（21）安装位置前端台阶处设有10度的倒角（2001）；摆动缸输出轴（20）两侧在轴承（23）安装位置处开有弹性卡圈槽（2002）。

3.按权利要求1或2所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的动叶片（10）形状为上小下大，动叶片（10）的内部、中部、外部均为圆弧形，且动叶片内部弧形（1002）尺寸与摆动缸输出轴（20）中间轴肩外径尺寸相同，动叶片外部弧形（1003）尺寸小于缸体（9）内腔尺寸，动叶片中部弧形（1004）处开有定位销孔和通孔；动叶片外部弧形（1003）边沿设有第一倒圆弧角（1001）；动叶片（10）外侧开有组合密封件槽（1005）。

4.按权利要求3所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的定叶片（26）的形状为上小下大，定叶片（26）的内部、中部、外部均为圆弧形，且定叶片内部弧形（2604）尺寸大于摆动缸输出轴（20）中间轴肩外径尺寸，定叶片外部弧形（2602）尺寸与缸体（9）内径尺寸相同；定叶片内部弧形（2604）处开有组合密封件槽（2605），定叶片外部弧形（2602）处开有螺纹孔；定叶片内部弧形（2604）边沿设有第二倒圆弧角（2601）。

5.按权利要求4所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的缸体（9）内部为中空，缸体（9）两侧为开有第一连接孔（905）的法兰结构，缸体（9）中间局部为加厚结构（902），在加厚结构（902）处开有第一螺纹孔（904）和第二连接孔（901）。

6.按权利要求5所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的外泄O型聚四氟乙烯环（21）和外泄径向O型密封圈（22）均采用开式密封安装方式置于开式缸盖（7）内，且用轴套（6）压紧。

7.按权利要求6所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的弹性联轴器（4）的中部开有螺旋槽（401）。

8.按权利要求6所述的带扭矩和角度反馈的机器人关节旋转液压缸，其特征在于：所述的应变片（2）贴于力矩检测轴（25）的轴肩表面。

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