CN106078791A - 一种适用于高承载机器人串联弹性驱动器的平面弹性体 - Google Patents

Abstract

一种适用于高承载机器人串联弹性驱动器的平面弹性体，包括弹性体外圈(1)、弹性体内圈(2)、内圈弹性支撑梁(6)、外圈弹性支撑梁(5)和波形变形体(7)；至少三个内圈光孔(3)周向均布在弹性体内圈(2)外端面，与内圈光孔(3)数量一致的外圈光孔(4)周向均布在弹性体外圈(1)的内端面，内圈光孔(3)与外圈光孔(4)交错分布，分别与负载和驱动器输出端的连接；内圈光孔(3)径向向外设置内圈弹性支撑梁(6)，外圈光孔(4)径向向内设置外圈弹性支撑梁(5)，内圈弹性支撑梁(6)和外圈弹性支撑梁(5)之间通过波形变形体(7)连接。

Description

一种适用于高承载机器人串联弹性驱动器的平面弹性体

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其适用于高承载的机器人串联弹性关节。

背景技术

随着服务机器人、医护机器人、康复助残机器人以及助力机器人的快速发展，机器人和人类之间的协作、交互以及用户使用的安全性、舒适程度越来越成为人们关注的焦点；目前，运用于机器人关节处的串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，SEA)是解决机器人与人交互协作过程中安全问题的最佳方案，SEA作为一种具有柔性和仿生驱动能力的驱动设备，能够使机器人具有人体肌肉的弹性和储能特性。

串联弹性驱动器的性能直接决定这机器人系统的综合性能，驱动器的弹性体直接决定了机器人、机械臂的最大负载能力、功率等参数；传统的SEA多采用直线弹簧作为直线和扭转输出环节中的柔性环节，将弹簧串联放置于驱动器出力端与负载之间，利用弹簧自身的刚度实现驱动器的柔性，例如专利号CN102152319A弹性驱动转动关节、CN101318331双串联弹性驱动器等驱动关节，这类驱动器将弹簧安装在直线行程中，在直线运动中增加了刚度环节；又例如专利号CN104924320A，这类驱动器将弹簧安装在旋转关节处，通过旋转运动挤压弹簧，这两类基于螺旋弹簧的串联弹性驱动器很难设计出空间小，重量轻和结构紧凑的关节；目前国内也有几种适用于机器人的关节的平面扭簧，例如专利号CN 102632508，这种平面扭簧虽然设计紧凑，具有一定的柔性，但能空间利用率低，承载能力差，不适用于负载较大的机器人串联弹性驱动器。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于高承载机器人串联弹性驱动器的平面弹性体。

本发明的技术解决方案是：一种适用于高承载机器人串联弹性驱动器的平面弹性体，包括弹性体外圈、弹性体内圈、内圈弹性支撑梁、外圈弹性支撑梁和波形变形体；至少三个内圈光孔周向均布在弹性体内圈外端面，与内圈光孔数量一致的外圈光孔周向均布在弹性体外圈的内端面，内圈光孔与外圈光孔交错分布，分别与负载和驱动器输出端的连接；内圈光孔径向向外设置内圈弹性支撑梁，外圈光孔径向向内设置外圈弹性支撑梁，内圈弹性支撑梁和外圈弹性支撑梁之间通过波形变形体连接。

内圈弹性支撑梁和外圈弹性支撑梁之间的波形变形体由多个U形弹性结构组成，U形弹性结构首尾相连，U形弹性结构的开口端朝向弹性体内圈，U形弹性结构对称分布在内圈弹性支撑梁或者外圈弹性支撑梁两端且根据所处空间的扇形特性适形收口。

U形弹性结构的数量及长度根据平面弹性体需要承受的扭矩大小，在满足强度要求的前提下，最接近U形弹性结构的极限变形量。

外圈弹性支撑梁的顶端所在圆弧面直径小于U形弹性结构的开口端所处圆弧面的直径,在满足强度前提下，最大化施加在支撑梁顶部的切向力，最接近外圈弹性支撑梁的极限变形量。

内圈弹性支撑梁的顶端与U形弹性结构的圆弧顶端处于同一圆弧面，在满足强度前提下，最大化施加在支撑梁顶部的切向力，最接近内圈弹性支撑梁的极限变形量。

所述的内圈弹性支撑梁的顶端呈T形结构，保证内圈弹性支撑梁的顶端一直受到垂直于梁末端方向的拉压力，使梁更易产生弯曲变形。T形结构两侧延径向设置连接结构，与U形弹性结构连接，保证与之相连的U形弹性体在强度允许的情况下，产生最大变形。

所述的弹性体采用高强度弹簧钢材料。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)平面弹性体以内圈固定，外圈旋转时，外圈弹性支撑梁压缩一端波形变形体，使四个U型弹性结构发生内缩变形，同时外圈弹性支撑梁拉伸另一端波形变形体，使另一端四个U型弹性结构产生外展变形，整个过程中，外圈弹性支撑梁和它两端的内圈弹性支撑梁也会发生弹性变形，实现平面弹性体拥有高承载的同时，能够发生大角度的变形；本发明在保证关节拥有柔顺性的基础上，充分利用空间，提高承载能力，适用于机器人串联弹性关节。

(2)该弹性体放置与驱动器出力端和负载端之间，能够有效的解决人机交互过程中的安全问题，减少机器人关节驱动器受到的外部冲击，使驱动关节具有储能特性，降低关节功率等级，减轻机器人关节重量，具有设计紧凑、安装灵活方便的特点，减小驱动器的体积。

(3)本发明通过对内外弹性支撑梁的长度进行合理控制，使得整个弹性体承受的转矩尽可能的传递到U形结构的顶端并且沿垂直方向施加于U形结构两端，在整个设计过程中，通过合理配置U形结构宽度、收缩角度、间隔角度以及内外圈弹性支撑梁的长度、宽度，能够保证在满足强度的要求下，弹性体各变形处应力分布较为均匀，整体最接近其极限变形量，在有限的空间下提高了承载能力。

附图说明

图1是平面弹性体的立体图；

图2是平面弹性体的平面图；

图中，弹性体外圈1，弹性体内圈2，内圈光孔3，外圈光孔4，外圈弹性支撑梁5，内圈弹性支撑梁6，波形变形体7，U型弹性结构8。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做详细说明。

如图1、图2所示，本发明由弹性体外圈1、弹性体内圈2、内、外圈弹性支撑梁5、6和波形变形体7组成；弹性体内、外光孔3、4均匀分布内、外圈1、2上，实现与负载和驱动器输出端连接；内圈光孔3径向对应内圈弹性支撑梁6，外圈光孔4径向对应外圈弹性支撑梁5，波形变形体7连接相邻的两个内、外圈弹性支撑梁5、6；每个波形变形体7由四个U形弹性结构8组成，四个U形弹性结构8首尾相连，对称分布在弹性支撑梁5、6两端。

内圈弹性支撑梁6和外圈弹性支撑梁5之间的波形变形体7由多个U形弹性结构8组成，U形弹性结构8首尾相连，U形弹性结构的开口端朝向弹性体内圈2，U形弹性结构8对称分布在内圈弹性支撑梁或者外圈弹性支撑梁两端且根据所处空间的扇形特性适形收口。

U形弹性结构8的数量及长度根据平面弹性体需要承受的扭矩大小，可以通过仿真，在满足强度要求的前提下，使得弹性体的变形量最接近U形弹性结构的极限变形量。

外圈弹性支撑梁5的顶端所在圆弧面直径小于或者等于U形弹性结构8的开口端所处圆弧面的直径。图中给出了外圈弹性支撑梁5的顶端与U形弹性结构8的开口端处于同一圆弧面的情形。内圈弹性支撑梁6的顶端呈T形结构，T形结构两侧延径向设置连接结构，在不发生干涉的前提下尽可能向圆心延伸，与U形弹性结构连接，保证与之相连的U形弹性体在强度允许的情况下，产生最大变形。这种设计能够使得整个弹性体承受的转矩尽可能的传递到U形结构的顶端并且沿垂直方向施加于U形结构两端，保证在满足强度的要求下，弹性体各变形处应力分布较为均匀，整体最接近其极限变形量，在有限的空间下提高了承载能力。

弹性体采用高强度弹簧钢材料，例如55Si2Mn、60Si2MnA、60Si2CrA等。

图中，内、外光孔3、4的数量为三个，实际过程中可以根据安装需求，调整具体个数；对于不同的刚度需求，可以改变内外径比例，延长或缩短U形弹性结构8的长度。

本发明的具体工作过程如下：平面弹性体内圈光孔3固定，外圈光孔4旋转，外圈弹性支撑梁5压缩一端波形变形体7，使四个U型弹性结构8发生内缩变形，同时外圈弹性支撑梁5拉伸另一端波形变形体7，使另一端四个U型弹性结构8产生外展变形，整个过程中，外圈弹性支撑梁5和它两端的内圈弹性支撑梁6也会发生弹性变形，实现平面弹性体拥有高承载的同时，能够发生大角度的变形。实现将转矩从驱动端柔顺地传递到负载端，同时降低冲击负载对驱动器的影响，适用于高承载机器人串联弹性驱动器。

应用例

根据人体运动学，重载外骨骼机器人关节功率仿真与试验数据的分析结果，初步设计串联弹性体单片最大承载15Nm，最大承载时扭转角度5度左右，即刚度为170Nm/rad左右。尺寸参数受机器人关节限制，弹性体外径小于70mm。实际应用视具体情况单片弹性体能够多个并联使用。

在设计过程中根据弹性体外径要求(小于70mm)，结合弹性体的具体安装位置即弹性体内外光孔的位置确定，在剩余空间内，按照上面描述的弹性体外圈1、弹性体内圈2、内圈弹性支撑梁6、外圈弹性支撑梁5和波形变形体7的结构及之间的关系，设置弹性体的初始变量，例如设置某段梁的宽度，弹性体的厚度，U形U型弹性结构8的个数及相应尺寸等，然后根据加工(线切割)的难易程度结合上述空间限制，确定每个参数的变化范围，在ProE中建立三维模型，导入Ansys进行有限元分析，在参数变化的范围内进行优化迭代，使得最终确定弹性体满足扭矩要求，并且变形量接近极限变形量。

最终确定的弹性体有关参数如下：

参数	值
		刚度	150Nm/rad
最大转矩	13Nm
		最大转角	0.087rad
外径	63mm
		厚度	3mm
重量	40g

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种适用于高承载机器人串联弹性驱动器的平面弹性体，其特征在于：包括弹性体外圈(1)、弹性体内圈(2)、内圈弹性支撑梁(6)、外圈弹性支撑梁(5)和波形变形体(7)；

至少三个内圈光孔(3)周向均布在弹性体内圈(2)外端面，与内圈光孔(3)数量一致的外圈光孔(4)周向均布在弹性体外圈(1)的内端面，内圈光孔(3)与外圈光孔(4)交错分布，分别与负载和驱动器输出端的连接；

内圈光孔(3)径向向外设置内圈弹性支撑梁(6)，外圈光孔(4)径向向内设置外圈弹性支撑梁(5)，内圈弹性支撑梁(6)和外圈弹性支撑梁(5)之间通过波形变形体(7)连接。

2.根据权利要求1所述的平面弹性体，其特征在于：内圈弹性支撑梁(6)和外圈弹性支撑梁(5)之间的波形变形体(7)由多个U形弹性结构(8)组成，U形弹性结构(8)首尾相连，U形弹性结构的开口端朝向弹性体内圈(2)，U形弹性结构(8)对称分布在内圈弹性支撑梁或者外圈弹性支撑梁两端且根据所处空间的扇形特性适形收口。

3.根据权利要求2所述的平面弹性体，其特征在于：U形弹性结构(8)的数量及长度根据平面弹性体需要承受的扭矩大小，在满足强度要求的前提下，最接近U形弹性结构的极限变形量。

4.根据权利要求1或2所述的平面弹性体，其特征在于：外圈弹性支撑梁(5)的顶端所在圆弧面直径小于等于U形弹性结构(8)的开口端所处圆弧面的直径。

5.根据权利要求1或2所述的平面弹性体，其特征在于：内圈弹性支撑梁(6)的顶端与U形弹性结构(8)的圆弧顶端处于同一圆弧面。

6.根据权利要求1或2所述的平面弹性体，其特征在于：所述的内圈弹性支撑梁(6)的顶端呈T形结构，T形结构两侧延径向设置连接梁，与U形弹性结构相连。

7.根据权利要求1所述的平面弹性体，其特征在于：所述的弹性体采用高强度弹簧钢材料。