CN103836101B - 柔性关节的平面扭簧 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性关节的平面扭簧，包括内环、外环以及若干固定在内环和外环之间的弹性体单元，每个弹性体单元由两个对称的弹性体组成，每个弹性体具有两个弧形段，同一弹性体中，两个弧形段的开口相背，外环和内环之间设有用于限定极限转角的限位索。同一弹性体中，两个弧形段的开口相背，这使得弹性体能够有更好的性能参数，最大扭矩值和该扭矩下内环和外环的相对旋转角度值均有较大提升；通过限位索来限制外环和内环的相对旋转角度，从而保护了平面扭簧，提高平面扭簧的可靠性。

Description

柔性关节的平面扭簧

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种柔性关节的平面扭簧。

背景技术

自从20世纪60年代第一台工业机器人问世以来，它对促进制造业的发展起到了重要作用。经过近60年的发展，工业机器人技术已经成熟，并在众多领域得到了广泛应用。但目前工业机器人的智能化程度相对偏低，一个重要的原因是在实际工业生产过程中的安全问题，工业机器人与操作人员必须物理隔离。这种方式保证了生产过程中操作人员的人身安全，但却无法通过人机协作提高作业的效率。因此，突破工业机器人与人和环境间的安全交互瓶颈，是实现工业机器人智能化和产业化发展的必经之路，也是实现服务机器人进入人类生活的重要前提。

柔性关节是机器人实现安全交互的基础部件。目前，主要有三种实现柔顺控制的方法：一种是利用阻抗控制方法来实现，通常在执行器末端安装力传感器，通过控制力和位置间的动态关系实现柔顺功能；第二种是基于力/位置混合控制的方法，根据设定阈值在位置控制和力控制间进行切换，从而实现所需的柔性；第三种是采用串联弹性驱动关节，这种关节需要在执行器末端和负载间嵌入弹性体，通过检测弹性体的变形量获取施加在负载上的力或力矩值，这种关节具有内在的低阻抗性，从机械结构上保证了一定的安全顺应性。

目前，基于串联弹性驱动关节的机器人发展比较迅猛，尤其在机械臂和腿式机器人中，具有广阔的应用前景。由于串联弹性驱动关节的蓬勃发展，弹性元件和弹性装置也取得了较大的发展，主要包括了采用线性压缩弹簧和平面扭簧两种类型。在旋转关节中，由于采用线性压缩弹簧的弹性装置结构较为复杂，且体积相对较大。因此，国内外许多研究人员发展了多种平面扭簧机构。Robert Kohlcr在专利号US3598389中提出了一种应用于多路阀的弹性盘，Chris A.Ihrke等在专利号US8176809B2中提出了一种平面扭簧结构，并应用于NASA的Robonaut2空间仿人机器人中，QiuguoZhu等提出了一种适用于机器人关节的平面扭簧。除此之外，ClaudeLagode等在Design of a electric series elastic actuator joint for robotic gaitrehabilitation training中设计了一种刚度为219Nm/rad的双螺旋平面扭簧，Giorgio Carpino等在A novel compact torsional spring for series elasticactuators for assistive wearable robots中也提出了一种新颖的平面扭簧。

申请公布号为CN102632508A的专利文献公开了一种适用于机器人关节的平面扭簧，它主要由扭簧外圈、扭簧内圈和若干弹性体组成；弹性体沿圆周均匀分布，两端分别连接扭簧外圈和扭簧内圈；每个弹性体由对称的两个弹性体单元组成，每个弹性体单元包括外圆孔槽、内圆孔槽和连接梁；扭簧内圈和内圆孔槽之间、内圆孔槽和外圆孔槽之间以及外圆孔槽和扭簧外圈之间均由连接梁连接；平面扭簧的扭簧内圈在转动时通过连接梁带动内圆孔槽发生弹性变形，内圆孔槽继而通过连接梁带动外圆孔槽发生弹性变形；通过内圆孔槽和外圆孔槽的串联弹性变形，实现了扭簧的大角度变形，该发明使得关节具备了柔顺性，结构更加紧凑，设计更加灵活，适合应用于机器人和机械臂关节。但是专利文献的外圆孔槽和内圆孔槽相对于连接梁同侧布置，使得平面扭簧所能承受的最大外力扭矩（材料断裂前所能承受的最大扭矩）和该外力扭矩对应的扭簧外圈和扭簧内圈的相对旋转角度较小，平面扭簧还有进一步提升的空间；且平面扭簧没有限位装置，如果扭矩超出限定范围，会导致平面扭簧过度扭转，甚至弹性件发生断裂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种柔性关节的平面扭簧。解决了现有平面扭簧最大外力扭矩较小、最大相对旋转角度较小的问题。

本发明采取的技术方案如下:

一种柔性关节的平面扭簧，包括内环、外环以及若干固定在内环和外环之间的弹性体单元，每个弹性体单元由两个对称的弹性体组成，每个弹性体具有两个弧形段，同一弹性体中，两个弧形段的开口相背。

使用时外环与负载固定、内环与减速器输出端固定，使用时外环和负载相对转动，两个弧形段的任何一方运动将直接带动另一方运动，从而产生串联弹性变形，并将这种扭动产生的力矩直接传递到负载上。

作为优选，同一弹性体中两个弧形段相切。

作为优选，每个弧形段均为优弧。优弧能使得平面扭簧的性能更好。

作为优选，每个弹性体中，与外环固定的弧形段为外弹性弧片，与内环固定的弧形段为内弹性弧片，外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为：1:10～10:1。根据不同的运用场合通过改变半径比能得到不同性能的平面扭簧。

更为优选，外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为：1:1～3:1。该半径比的平面扭簧具有较好的性能。

作为优选，所述外环和内环之间设有用于限定极限转角的限位索。限位索有一定的长度，在外环和内环转动到一定位置时，限位索被拉直从而限制外环和内环进一步相对转动，防止扭矩过大时对平面扭簧产生破坏，限位索起到限位保护的作用。且所述限位索可以为一个或多个。

作为优选，所述限位索一端与外环固定，另一端与内环固定，且限位索设置在两个相邻的弹性体单元之间。

作为优选，所述限位索一端与外环固定，另一端与内环固定，且限位索设置在弹性体单元的两个弹性体之间。

所述限位索为一个或多个。

所述外环上沿周向均匀分布有若干第一安装孔，所述内环上沿周向均匀分布有若干第二安装孔。

本发明的有益效果是：同一弹性体中，两个弧形段的开口相背，这使得弹性体能够有更好的性能参数，最大扭矩值和该扭矩下内环和外环的相对旋转角度值均有较大提升；通过限位索来限制外环和内环的相对旋转角度，从而保护了平面扭簧，提高平面扭簧的可靠性。

附图说明

图1是本发明柔性关节的平面扭簧的立体图；

图2是本发明柔性关节的平面扭簧的正视图；

图3是带有限位索的柔性关节的平面扭簧的正视图；

图4是对比例1的结构示意图；

图5是对比例2的结构示意图；

图6是实施例3的结构示意图；

图7是实施例4的结构示意图。

1.第一安装孔，2.外环，3.外弹性弧片，4.内弹性弧片，5.第二安装孔，6.内环，7.限位索。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，一种柔性关节的平面扭簧，包括内环6、外环2以及三个固定在内环和外环之间的弹性体单元，每个弹性体单元由两个对称的弹性体组成，每个弹性体具有两个弧形段。同一弹性体中，两个弧形段的开口相背，且两个弧形段均为优弧，其中，与外环固定的弧形段为外弹性弧片3，与内环固定的弧形段为内弹性弧片4，同一弹性体中外弹性弧片和内弹性弧片相切。外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为：

1:10～10:1，根据不同的运用场合通过改变半径比能得到不同性能的平面扭簧。为了使平面扭簧有更好的性能，外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为：1:1～3:1。本实施例中，外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为1：0.51。

外环上沿周向均匀分布有若干第一安装孔1，内环上沿周向均匀分布有若干第二安装孔5。

安装时外环与负载固定、内环与减速器输出端固定，使用时外环和负载相对转动，外弹性弧片与内弹性弧片也随之运动，从而产生串联弹性变形。

在实际生产和应用中，可以根据扭矩的要求调整弹性体单元数目。除此之外，通过改变两个弧形段的厚度以及尺寸以及它们的半径之比以满足不同尺寸关节的安装和设计要求。本发明的平面扭簧结构紧凑，开发更加简便，不仅满足了关节不同柔性（或刚性）的需求，也增强了用户开发和使用平面扭簧的灵活性。

为了进一步说明本发明的效果，下面通过两个对比例与本实施例进行对比。

使用仿真软件针对具有不同结构形式的弹性体单元的平面扭簧做结构应力分析，其中，两个对比例与实施例1的内环、外环的尺寸和材料完全相同，弹性体单元的材料和厚度完全相同。

仿真所选用的材料为maraging steel300，其物理参数设定如下：

密度(Density)：8.00g/cm3；

杨氏模量(Young's modulus)：210GPa；

最终拉伸强度(Ultimate tensile strength)：1.966GPa;

屈服拉伸强度（Yield tensile strength）：1.897GPa；

剪切模量（Shear modulus）77GPa；

体积模量（Bulk modulus）140Gpa。

仿真时固定平面扭簧的内环，然后在外环上施加一外力矩，从而计算出平面扭簧所能承受的最大外力扭矩与该扭矩下的最大变形角度。

如图4所示，为对比例1的结构示意图，对比例1是申请公布号为CN102632508A的专利文献公开的平面扭簧；如图5所示，为对比例2的结构示意图，对比例2是Giorgio Carpino等在A novel compact torsionalspring for series elastic actuators for assistive wearable robots中提出的一种平面扭簧。

实施例1与对比例1和对比例2的对比结果见下表1，其中，最大扭矩是弹性体断裂前所能承受的最大扭矩；最大变形角度是达到最大扭矩时内环、外环之间的相对旋转角度。

表1

名称	实施例1	对比例1	对比例2
				最大扭矩	10.07N·m	5.45N·m	5.86N·m
最大变形角度	2.42°	1.37°	2.44°

由表1可知，实施例1的性能优于对比例1，综合表现与效果也优于对比例2。

实施例2

如图3所示，一种柔性关节的平面扭簧，本实施例在实施例1的基础上增加了限位锁7。该限位索7一端与外环固定，另一端与内环固定，在外环和内环转动到一定位置时，限位索被拉直从而限制外环和内环进一步相对转动，防止扭矩过大时对平面扭簧产生破坏，限位索起到限位保护的作用。

限位索7可以布置在两个相邻的弹性体单元之间也可以布置在弹性体单元的两个弹性体之间。限位索可以为一个也可以为多个。

实施例3

如图6所示，一种柔性关节的平面扭簧，本实施例的与实施例1的不同之处是外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为1：0.61。

通过仿真软件得到本实施例的最大扭矩为8.92N·m，最大变形角度为3.01°。通过仿真可知通过改变外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比，得到不同的外力扭矩与变形角度，可以针对机器人关节不同需求进行选用。且平面扭簧特性的表现，优于以往的其他扭簧。

实施例4

如图7所示，一种柔性关节的平面扭簧，本实施例的与实施例1的不同之处是外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为1：0.94。

通过仿真软件得到本实施例的最大扭矩为9.89N·m，最大变形角度为3.55°。通过仿真可知通过改变外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比，得到不同的外力扭矩与变形角度，可以针对机器人关节不同需求进行选用。且平面扭簧特性的表现，优于以往的其他扭簧。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种柔性关节的平面扭簧，包括内环、外环以及若干固定在内环和外环之间的弹性体单元，每个弹性体单元由两个对称的弹性体组成，每个弹性体具有两个弧形段，其特征在于，同一弹性体中，两个弧形段的开口相背，同一弹性体中两个弧形段相切，每个弧形段均为优弧；

每个弹性体中，与外环固定的弧形段为外弹性弧片，与内环固定的弧形段为内弹性弧片，外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为：1:10～10:1。

2.根据权利要求1所述的柔性关节的平面扭簧，其特征在于，外弹性弧片的半径与内弹性弧片的半径之比为：1:1～3:1。

3.根据权利要求1所述的柔性关节的平面扭簧，其特征在于，所述外环和内环之间设有用于限定极限转角的限位索。

4.根据权利要求3所述的柔性关节的平面扭簧，其特征在于，所述限位索一端与外环固定，另一端与内环固定，且限位索设置在两个相邻的弹性体单元之间。

5.根据权利要求3所述的柔性关节的平面扭簧，其特征在于，所述限位索一端与外环固定，另一端与内环固定，且限位索设置在弹性体单元的两个弹性体之间。

6.根据权利要求1所述的柔性关节的平面扭簧，其特征在于，所述外环上沿周向均匀分布有若干第一安装孔，所述内环上沿周向均匀分布有若干第二安装孔。