CN106313104A - 一种可分离式串联弹性关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种可分离式串联弹性关节，包括：谐波减速器、弹性元件组件、关节角度测量机构；其特征在于：所述谐波减速器由谐波发生器、刚轮、柔轮、谐波输出轴组成；所述弹性元件组件由谐波输出轴、输出转接法兰、传感器定子、传感器转子、弹性元件组成；所述弹性元件由弹性元件外环、弹性元件内环、弹性体组成，所述弹性元件内环与弹性元件外环为可分离式结构；所述关节角度测量机构由输出转接法兰、传感器定子、传感器转子、弹性元件组成；本发明提出的一种串联弹性驱动关节，克服了现有机器人弹性关节的结构相对复杂，控制方式复杂，以及使用场合有限等缺陷。此结构具有结构相对简单，可以实现关节转动两个方向的抗冲击特性。

Description

一种可分离式串联弹性关节
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可分离式串联弹性关节。
背景技术
随着科技的飞速发展，机器人技术在现阶段的应用是非常广泛的，尤其是在工业领域内。目前，随着机器人技术向柔性方面的发展，多台机器人的协同工作，以及机器人与人之间的交互作用等越来越普遍。这种现象的出现，必将对机器人的柔性技术和适应性要求有所提高。这也是现阶段国内外研究的热点。
在机器人柔性技术中，柔性关节是提高人机交互安全性和机器人智能化水平的基础。自从国外首次提出“串联弹性驱动关节”，这种关节是在原有的刚性执行器后串联一个弹簧与相关的角度传感器，通过检测弹簧的转角，实现关节的柔性控制技术。之后，柔性关节的发展由此进入了一个热门的研究中。
现有柔性关节仍然从在很多问题。如专利号为CN102632509A提出的一种具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节，通过两个绝对式角度传感器测量扭簧的相对转角，此结构的设计比较复杂，成本较高，并且关节没有弹性限位装置，如若关节转角过大，则会造成关节弹性元件的力学特性的改变，甚至造成关节的破坏，这样也会造成了测量的误差偏大，控制不精确。并且，所提到的弹性元件为整体式的，其结构形式复杂，制造加工难度大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有串联弹性驱动关节的结构相对复杂，成本高，控制复杂，能量消耗大，安全性较低等缺点，提出一种结构相对简单，安全，控制精度相对较高的一种可分离式串联弹性关节结构。
本发明是通过下述技术方案来实现的：
一种可分离式串联弹性关节，包括：谐波减速器、弹性元件组件、关节角度测量机构；其特征在于：所述谐波减速器由谐波发生器（1）、刚轮（2）、柔轮（3）、谐波输出轴（9）组成；所述柔轮（3）与谐波输出轴（9）固联；所述弹性元件组件由输出转接法兰（4）、弹性元件（7）组成；所述弹性元件（7）由弹性元件外环（71）、弹性元件内环（72）、弹性体（73）组成，所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）为可分离式结构，所述弹性体（73）分布在弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）之间，所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）之间可以相对转动, 所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）轴向相对不动；所述谐波输出轴（9）与输出转接法兰（4）固联；所述关节角度测量机构由输出转接法兰（4）、传感器定子（5）、传感器转子（6）组成，所述输出转接法兰（4）与传感器定子（5）固联，所述传感器定子（5）与弹性元件内环（72）固联，所述弹性元件外环（71）与传感器转子（6）固联，所述传感器定子（5）与传感器转子（6）之间为转动副连接，所述传感器定子（5）与输出转接法兰（4）固联。
作为优选，所述弹性元件（7）由弹性元件外环（71）、弹性元件内环（72）、弹性体（73）组成；所述弹性体（73）与弹性元件外环（71）固联，所述弹性体（73）为“U”形带状，弹性体（73）与弹性元件内环（72）接触部分为平面，所述弹性体（73）与弹性元件内环（72）之间为多边形结构配合，且为过盈配合，弹性体（73）沿圆周均匀分布,所述弹性元件内环（72）为多边形，且具有倒圆角结构。
所述弹性元件（7）由弹性元件外环（74）、弹性元件内环（75）、弹性体（76）组成，所述弹性体（76）与弹性元件内环（75）固联，所述弹性体（76）为多边形环，多边形环上开有多个“L”形槽（77）， “L”形槽（77）沿多边形对角线成对称分布，且“L”形槽（77）沿径向大小不等，“L”形槽连接点（78）设置在多边形的对角处，且沿弹性体（76）同一半径处只设置一对“L”形槽连接点（78），沿径向分布的相邻的两对“L”形槽连接点（78）互成角度，其角度与多边形的边数成反比，弹性体（76）与弹性元件外环（74）接触部分为平面,弹性体（76）与弹性元件外环（74）之间为过盈配合，所述弹性元件外环（74）具有倒圆角结构。
所述弹性元件（7）由弹性元件外环（710）、弹性元件内环（720）、弹性体（730）组成，所述弹性体（730）与弹性元件内环（720）固联，所述弹性体（730）为多边形环，多边形环上开有多个“U”形槽（740）， “U”形槽（740）沿多边形中线成对称分布，且“U”形槽（740）沿径向大小不等，“U”形槽连接点（750）设置在多边形的边的中点处，且沿弹性体（730）同一半径处只设置一对“U”形槽连接点（750），沿径向分布的相邻的两对“U”形槽连接点（750）互成角度，其角度与多边形的边数成反比，弹性体（730）与弹性元件外环（710）接触部分为平面,弹性体（730）与弹性元件外环（710）之间为过盈配合，所述弹性元件外环（710）具有倒圆角结构。
本发明所述的一种串联弹性驱动关节的工作原理为：关节外壳（10）固定，电机驱动谐波发生器（1）转动时，弹性元件（7）随之转动，且带动传感器定子（5）和传感器转子（6）一起转动；当没有外负载的情况下，由于弹性元件外环（71）和弹性元件内环（72）之间没有相对转动，则传感器定子（5）和传感器转子（6）之间相对转角为0，当有外负载作用时，会使得弹性元件外环（71）和弹性元件内环（72）之间相对转动，从而传感器定子（5）和传感器转子（6）之间产生角度差，传感器通过采集相关的转角信息，结合弹性元件的力学性能，从而得到关节输出转矩的精确值，实现关节转角转矩的精确控制；当外负载超出关节范围时，由于弹性元件为分离式结构且可实现内外圈的相对整周回转，实现过载保护，从而保护弹性关节免遭破坏。
本发明所提出的方案具有以下有益效果：
（1）弹性元件为可分离式结构，且为多边形配合，易实现过载保护，防止传动组件受损，当外力矩过大时，弹性元件内环与弹性元件外环发生打滑且相对整周旋转，并且结构简单，力学性能良好，加工方便，更换容易；
（2）关节设置有角度传感器检测机构，其结构布局简单且成本低，易实现关节转角、转矩的控制；
（3）该关节外壳结构简单且成本低，轻便，保护关节内部组件与外界直接接触，使得关节防尘、润滑等性能良好，大大增加了关节的使用寿命。
本发明提出的一种可分离式串联弹性驱动关节，克服了现有机器人弹性关节的弹性元件的结构一体化设计相对复杂，且控制方式复杂，以及使用场合有限等缺陷。此结构为可分离式弹性元件，且能实现过载保护，具有结构相对简单，可以实现关节转动两个方向的抗冲击特性。
附图说明
图1是本发明的前侧外观示意图。
图2是本发明的装配结构示意图。
图3是本发明的弹性元件示意图。
图4是本发明的输出转接法兰示意图。
图5是本发明的关节外壳示意图。
图6是本发明的弹性体与弹性元件内环固定的弹性元件示意图1。
图7是本发明的弹性体与弹性元件内环固定的弹性元件示意图2。
附图中，各数字的含义为：1：谐波发生器；2：柔轮；3：刚轮；4：输出转接法兰；5：传感器定子；6：传感器转子；7：弹性元件；9：谐波输出轴；10：关节外壳； 71：弹性元件外环；72：弹性元件内环；73：弹性体；74弹性元件外环；75：弹性元件内环；76：弹性体；77：“L”形槽；78：“L”形槽连接点；710：弹性元件外环；720：弹性元件内环；730：弹性体；740：“U”形槽；750：“U”形槽连接点。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。
实施例一
本例的一种可分离式串联弹性关节，包括：谐波减速器、弹性元件组件、关节角度测量机构；其特征在于：所述谐波减速器由谐波发生器（1）、刚轮（2）、柔轮（3）、谐波输出轴（9）组成；所述柔轮（3）与谐波输出轴（9）固联；所述弹性元件组件由谐波输出轴（9）、输出转接法兰（4）、传感器定子（5）、传感器转子（6）、弹性元件（7）组成；所述弹性元件（7）由弹性元件外环（71）、弹性元件内环（72）、弹性体（73）组成，所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）为可分离式结构，所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）之间为多边形配合，且为过盈配合，弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）之间可以实现转动；所述谐波输出轴（9）与输出转接法兰（4）固联，所述输出转接法兰（4）与传感器定子（5）固联，所述传感器定子（5）与弹性元件内环（72）固联，所述弹性元件外环（71）与传感器转子（6）固联，所述传感器定子（5）与传感器转子（6）之间为转动副连接；所述关节角度测量机构由输出转接法兰（4）、传感器定子（5）、传感器转子（6）、弹性元件（7）组成；所述传感器定子（5）与输出转接法兰（4）固联。
实施例二
本例的一种可分离式串联弹性驱动关节，所述弹性元件（7）由弹性元件外环（71）、弹性元件内环（72）、弹性体（73）组成；所述弹性体（73）与弹性元件外环（71）固联，所述弹性体（73）为“U”形带状，弹性体（73）与弹性元件内环（72）接触部分为平面，弹性体（73）沿圆周均匀分布,所述弹性元件内环（72）为多边形，且具有倒圆角结构，其余同实施例一。
实施例三
本例的一种可分离式串联弹性驱动关节如附图6，所述弹性元件（7）由弹性元件外环（74）、弹性元件内环（75）、弹性体（76）组成，所述弹性体（76）与弹性元件内环（75）固联，所述弹性体（76）为多边形环，多边形环上开有多个“L”形槽（77）， “L”形槽（77）沿多边形对角线成对称分布，且“L”形槽（77）沿径向大小不等，“L”形槽连接点（78）设置在多边形的对角处，且沿弹性体（76）同一半径处只设置一对“L”形槽连接点（78），沿径向分布的相邻的两对“L”形槽连接点（78）互成角度，其角度与多边形的边数成反比，弹性体（76）与弹性元件外环（74）接触部分为平面,弹性体（76）与弹性元件外环（74）之间为过盈配合，所述弹性元件外环（74）具有倒圆角结构，其余同实施例一。
实施例四
本例的一种可分离式串联弹性驱动关节如附图7，所述弹性元件（7）由弹性元件外环（710）、弹性元件内环（720）、弹性体（730）组成，所述弹性体（730）与弹性元件内环（720）固联，所述弹性体（730）为多边形环，多边形环上开有多个“U”形槽（740）， “U”形槽（740）沿多边形中线成对称分布，且“U”形槽（740）沿径向大小不等，“U”形槽连接点（750）设置在多边形的边的中点处，且沿弹性体（730）同一半径处只设置一对“U”形槽连接点（750），沿径向分布的相邻的两对“U”形槽连接点（750）互成角度，其角度与多边形的边数成反比，弹性体（730）与弹性元件外环（710）接触部分为平面,弹性体（730）与弹性元件外环（710）之间为过盈配合，所述弹性元件外环（710）具有倒圆角结构，其余同实施例三。

Claims (4)

1.一种可分离式串联弹性关节，包括：谐波减速器、弹性元件组件、关节角度测量机构；其特征在于：所述谐波减速器由谐波发生器（1）、刚轮（2）、柔轮（3）、谐波输出轴（9）组成；所述柔轮（3）与谐波输出轴（9）固联；所述弹性元件组件由输出转接法兰（4）、弹性元件（7）组成；所述弹性元件（7）由弹性元件外环（71）、弹性元件内环（72）、弹性体（73）组成，所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）为可分离式结构，所述弹性体（73）分布在弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）之间，所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）之间可以相对转动, 所述弹性元件内环（72）与弹性元件外环（71）轴向相对不动；所述谐波输出轴（9）与输出转接法兰（4）固联；所述关节角度测量机构由输出转接法兰（4）、传感器定子（5）、传感器转子（6）组成，所述输出转接法兰（4）与传感器定子（5）固联，所述传感器定子（5）与弹性元件内环（72）固联，所述弹性元件外环（71）与传感器转子（6）固联，所述传感器定子（5）与传感器转子（6）之间为转动副连接，所述传感器定子（5）与输出转接法兰（4）固联。
2.按照权利要求1所述的一种可分离式串联弹性关节，其特征在于：所述弹性元件（7）由弹性元件外环（71）、弹性元件内环（72）、弹性体（73）组成；所述弹性体（73）与弹性元件外环（71）固联，所述弹性体（73）为“U”形带状，弹性体（73）与弹性元件内环（72）接触部分为平面，所述弹性体（73）与弹性元件内环（72）之间为多边形结构配合，且为过盈配合，弹性体（73）沿圆周均匀分布,所述弹性元件内环（72）为多边形，且具有倒圆角结构。
3.按照权利要求1所述的一种可分离式串联弹性关节，其特征在于：所述弹性元件（7）由弹性元件外环（74）、弹性元件内环（75）、弹性体（76）组成，所述弹性体（76）与弹性元件内环（75）固联，所述弹性体（76）为多边形环，多边形环上开有多个“L”形槽（77）， “L”形槽（77）沿多边形对角线成对称分布，且“L”形槽（77）沿径向大小不等，“L”形槽连接点（78）设置在多边形的对角处，且沿弹性体（76）同一半径处只设置一对“L”形槽连接点（78），沿径向分布的相邻的两对“L”形槽连接点（78）互成角度，其角度与多边形的边数成反比，弹性体（76）与弹性元件外环（74）接触部分为平面,弹性体（76）与弹性元件外环（74）之间为过盈配合，所述弹性元件外环（74）具有倒圆角结构。
4.按照权利要求1所述的一种可分离式串联弹性关节，其特征在于：所述弹性元件（7）由弹性元件外环（710）、弹性元件内环（720）、弹性体（730）组成，所述弹性体（730）与弹性元件内环（720）固联，所述弹性体（730）为多边形环，多边形环上开有多个“U”形槽（740）， “U”形槽（740）沿多边形中线成对称分布，且“U”形槽（740）沿径向大小不等，“U”形槽连接点（750）设置在多边形的边的中点处，且沿弹性体（730）同一半径处只设置一对“U”形槽连接点（750），沿径向分布的相邻的两对“U”形槽连接点（750）互成角度，其角度与多边形的边数成反比，弹性体（730）与弹性元件外环（710）接触部分为平面,弹性体（730）与弹性元件外环（710）之间为过盈配合，所述弹性元件外环（710）具有倒圆角结构。
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