CN104385293B - 一种旋转型柔性关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转型柔性关节，该柔性关节包括电机、电机架、安装板，第一连接板、第一同步带轮、第一同步带轮盖板、同步带、减速器、减速器法兰、弹簧安装架、弹簧输出架，输出盘、第二连接板、同步带端盖、第三连接板、交叉滚子轴承、轴承外圈挡板、轴承内圈挡板、第一平键、减速器法兰端盖、弹簧、第二平键、第三平键、第二同步带轮和第二同步带轮盖板。该柔性关节解决了柔性关节只能产生直线运动的问题，为设计具有较高灵活度，可以跨越一定障碍、凹坑以及具有较强环境适应能力的关节机器人奠定基础。

Description

一种旋转型柔性关节

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种旋转型柔性关节。

背景技术

机器人凭借其在复杂环境中的探索和工作，表现出了很强的适应性，并且能够代替人力，提高效率，开始被广泛的应用于不同领域。关节作为机器人完成运动不可或缺的重要部分，对机器人的正常工作有着重要意义。传统机器人的关节多为刚性关节，在运动过程中直接承受刚性冲击，导致关节零件磨损失效，对机器人运动的速度、精度、稳定度造成直接影响；还有在与工作面接触的柔性等方面仍然具有诸多问题。

如何降低机器人关节在工作过程中与工作面接触产生的冲力，降低关节本身、传感器和各灵敏部件的损坏，是当前机器人关节进一步要研究的重要内容。为此，人们从生物界寻找到了灵感，对关节采用柔性仿生驱动的方式，降低机器人与工作面接触过程的冲击力，同时又可以完成既定任务，提高机器人的适应性。

关节柔性仿生驱动已成为目前机器人一个重要的研究方向，麻省理工学院的一位学者Pratt，首次将串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，SEA)应用到步行机器人的驱动。串联弹性驱动器将弹性元件串联在刚性驱动器之后，使其能够承发刚性驱动器的驱动力和负载反馈过来的力，实现精确地控制力。

现有的基于串联驱动器的柔性关节，多采用液压驱动或丝杠螺母驱动的串联驱动器提供动力，结构复杂，关节活动角度受限，如专利号CN102211622A的专利公开了一种圆筒式的串联弹性驱动器，它包括：伺服电机、连接筒、编码器、联轴器、丝杠、推力圆柱、螺母、弹簧、弹簧驱动板、驱动筒、外壳和驱动输出端等。伺服电机还通过连接筒里的联轴器与丝杠相连，螺母圆周上开有三个成120°螺纹孔，每个螺纹孔处分别安装推力圆柱，三个推力圆柱的两侧分别安装弹簧驱动板，两个弹簧驱动板的外侧分别安装弹簧，驱动筒和驱动输出端相连。该结构虽然解决了机器人柔性的问题，但是只能产生直线运动，不利于应用在关节机器人上；另外该结构体积大，不利于机器人的小型化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种旋转型柔性关节。该柔性关节解决了柔性关节只能产生直线运动的问题，为设计具有较高灵活度，可以跨越一定障碍、凹坑以及具有较强环境适应能力的关节机器人奠定基础，具有很高应用前景。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种旋转型柔性关节，该柔性关节包括电机、电机架、安装板，第一连接板、第一同步带轮、第一同步带轮盖板、同步带、减速器、减速器法兰、弹簧安装架、弹簧输出架，输出盘、第二连接板、同步带端盖、第三连接板、交叉滚子轴承、轴承外圈挡板、轴承内圈挡板、第一平键、减速器法兰端盖、弹簧、第二平键、第三平键、第二同步带轮和第二同步带轮盖板；

所述电机通过螺栓与电机架固定连接；所述电机架与第一连接板通过安装板固定连接；所述减速器通过螺栓与电机架固定连接；所述减速器法兰与减速器固定连接；所述弹簧安装架是四枝相同的十字型板形架，板形架末端向两侧伸出短齿，弹簧安装架中心处有带键槽的圆形安装孔，弹簧安装架通过第一平键安装在减速器法兰的输出轴上；所述输出盘为环状圆盘，输出盘内壁固定连接有四个向盘心平伸出的弹簧输出架，每个弹簧输出架具有向两侧伸出的弹簧固定齿；所述弹簧安装架和输出盘之间安装有对称布置的弹簧；弹簧分别安装于弹簧安装架的每枝板形架末端的短齿和弹簧输出架的弹簧固定齿之间；所述输出盘通过螺栓与第二连接板固定连接；所述第二连接板与减速器法兰间安装有交叉滚子轴承，第二连接板两侧有轴承外圈挡板和轴承内圈挡板用于轴承的轴向固定；所述电机的输出轴通过第二平键与第一同步带轮连接；所述减速器的输入轴通过第三平键与第二同步带轮连接，第一同步带轮和第二同步带轮之间安装有同步带，第一同步带轮通过第一同步带轮盖板固定，第二同步带轮通过第二同步带轮盖板固定；所述第一同步带轮盖板和第二同步带轮盖板外部加盖同步带端盖；所述第三连接板通过螺栓固定在输出盘上。

所述弹簧安装架和输出盘之间对称布置的弹簧有八条。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提出一种旋转型柔性关节，相较于直线型的串联弹性驱动器，本发明的结构具有以下优点：1.更加紧凑小巧、具有能量放大功能、能耗小、工作效率高；2.可以实现柔性力输出，能更充分的体现动物关节肌腱的仿生原理；3.能够减缓冲击，提高关节使用寿命。本发明为设计具有较高灵活度以及具有较强环境适应能力的关节机器人奠定基础，具有较高应用前景。

附图说明

图1为本发明旋转型柔性关节一种实施例的立体结构示意图；

图2为本发明旋转型柔性关节图1中I部分去除减速器法兰端盖的局部放大图；

图3为本发明旋转型柔性关节一种实施例的去除减速器法兰端盖和弹簧的局部放大图；

图4为本发明旋转型柔性关节一种实施例的整体剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明设计的一种旋转型柔性关节(简称柔性关节，参见图1-4)，其特征在于该柔性关节包括电机1、电机架2、安装板3，第一连接板4、第一同步带轮5，第一同步带轮盖板6、同步带7、减速器8、减速器法兰9、弹簧安装架10、弹簧输出架11、输出盘12、第二连接板13、同步带端盖14、第三连接板15、交叉滚子轴承16、轴承外圈挡板17、轴承内圈挡板18、第一平键19、减速器法兰端盖20、弹簧21、第二平键22、第三平键23、第二同步带轮24和第二同步带轮盖板25；

所述电机1通过螺栓与电机架2固定连接；所述电机架2与第一连接板4通过安装板3固定连接；所述减速器8通过螺栓与电机架2固定连接；所述减速器法兰9与减速器8固定连接；所述弹簧安装架10是四枝相同的十字型板形架，板形架末端向两侧伸出短齿101，弹簧安装架10中心处有带键槽的圆形安装孔，弹簧安装架10通过第一平键19安装在减速器法兰9的输出轴上；所述输出盘12为环状圆盘，输出盘12内壁固定连接有四个向盘心平伸出的弹簧输出架11，每个弹簧输出架11具有向两侧伸出的弹簧固定齿111(参见图3)；所述弹簧安装架10和输出盘12之间安装有八条对称布置的弹簧21；八条弹簧分别安装于弹簧安装架10的每枝板形架末端的短齿101和弹簧输出架11的弹簧固定齿111之间(参见图2)；当减速器法兰9输出轴转动时带动弹簧安装架10旋转，对位于弹簧安装架10的同一枝上两侧的弹簧分别进行压缩和拉伸，并通过弹簧的回复力带动输出盘12转动，实现转矩和力的柔性输出；所述输出盘12通过螺栓与第二连接板13固定连接；所述第二连接板13与减速器法兰9间安装交叉滚子轴承16，用于承重，第二连接板13两侧有轴承外圈挡板17和轴承内圈挡板18用于轴承的轴向固定；所述电机1的输出轴通过第二平键22与第一同步带轮5连接；所述减速器8的输入轴通过第三平键23与第二同步带轮24连接，第一同步带轮5和第二同步带轮24之间安装有同步带7，第一同步带轮5通过第一同步带轮盖板6固定，第二同步带轮24通过第二同步带轮盖板25固定；所述第一同步带轮盖板6和第二同步带轮盖板25外部加盖同步带端盖14，用于对同步带7的保护；所述第三连接板15通过螺栓固定在输出盘12上，用于保护弹簧柔性连接部分。

本发明柔性关节的工作原理和过程为：当柔性关节工作时，电机1连接第一同步带轮5，通过同步带7将动力传至第二同步带轮24，进而将动力传至减速器8，带动减速器法兰9转动；减速器法兰9通过第一平键19将扭矩传递给弹簧安装架10；同时弹簧安装架10压缩弹簧21，弹簧21推动输出盘12转动进而传递动力，同时弹簧21起到缓冲作用实现柔性力输出；由于4组8条弹簧对称布置电机反向转动时，另外4条弹簧受压，依然可以实现动力传递，输出柔性力；此时输出盘12将动力传至第二连接板13，输出动力。此外，减速器法兰9通过其轴肩、交叉滚子轴承16实现与第二连接板13的相对转动；输出盘12通过螺栓固结在第二连接板13上，实现与减速器法兰9的相对转动。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种旋转型柔性关节，该柔性关节包括电机、电机架、安装板，第一连接板、第一同步带轮、第一同步带轮盖板、同步带、减速器、减速器法兰、弹簧安装架、弹簧输出架，输出盘、第二连接板、同步带端盖、第三连接板、交叉滚子轴承、轴承外圈挡板、轴承内圈挡板、第一平键、减速器法兰端盖、弹簧、第二平键、第三平键、第二同步带轮和第二同步带轮盖板；

所述电机通过螺栓与电机架固定连接；所述电机架与第一连接板通过安装板固定连接；所述减速器通过螺栓与电机架固定连接；所述减速器法兰与减速器固定连接；所述弹簧安装架是四枝相同的十字型板形架，板形架末端向两侧伸出短齿，弹簧安装架中心处有带键槽的圆形安装孔，弹簧安装架通过第一平键安装在减速器法兰的输出轴上；所述输出盘为环状圆盘，输出盘内壁固定连接有四个向盘心平伸出的弹簧输出架，每个弹簧输出架具有向两侧伸出的弹簧固定齿；所述弹簧安装架和输出盘之间安装有对称布置的弹簧；弹簧分别安装于弹簧安装架的每枝板形架末端的短齿和弹簧输出架的弹簧固定齿之间；所述输出盘通过螺栓与第二连接板固定连接；所述第二连接板与减速器法兰间安装有交叉滚子轴承，第二连接板两侧有轴承外圈挡板和轴承内圈挡板用于轴承的轴向固定；所述电机的输出轴通过第二平键与第一同步带轮连接；所述减速器的输入轴通过第三平键与第二同步带轮连接，第一同步带轮和第二同步带轮之间安装有同步带，第一同步带轮通过第一同步带轮盖板固定，第二同步带轮通过第二同步带轮盖板固定；所述第一同步带轮盖板和第二同步带轮盖板外部加盖同步带端盖；所述第三连接板通过螺栓固定在输出盘上。