CN106641057B - 一种用于柔顺关节的双层平面扭簧 - Google Patents

一种用于柔顺关节的双层平面扭簧 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于柔顺关节的双层平面扭簧。现有平面扭簧最大外力扭矩较小。本发明的第一平面扭簧和第二平面扭簧均包括内环、外环和弹性体单元；弹性体单元具有n个弧形段；相邻弧形段之间通过连接段连接；每个第一凸台与对应一个弹性体单元的一端端部弧形段固连；内环设有m根悬臂梁，每根悬臂梁与对应一个弹性体单元的另一端端部弧形段连接；第一平面扭簧和第二平面扭簧的外环相对端之间设置中间垫圈；花键轴与第一平面扭簧和第二平面扭簧的花键孔均连接；第一平面扭簧的外环安装孔与中间垫圈对应位置处的垫圈安装孔及第二平面扭簧对应位置处的外环安装孔通过输出件上对应位置处的一根输出轴连接。本发明增大平面扭簧最大外力扭矩。

Description

一种用于柔顺关节的双层平面扭簧
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及用于柔顺关节带预紧的双层平面扭簧。
背景技术
随着服务型机器人的迅速发展，机器人与人类的关系越来越紧密，机器人系统与人和环境之间是否具有良好的交互性成了人们关注的一个热点。
传统机器人设计中，关节一般采用刚性结构设计，生产生活中往往需要隔栏与外部进行物理隔离，从而防止关节受到外部冲击而损坏和机器人对人的伤害。近几年，人们开始着手机器人关节柔顺设计方法的研究，提出了利用阻抗控制、串联弹性元件、被动或主动变刚度控制、基于力或位置混合控制驱动等方法，使得机器人可以在外部冲击情况下免受破坏，提高机器人与人和环境的交互安全性。实际生产实践表明，串联弹性驱动的方法成本最低，使用最稳定可靠。
在串联弹性驱动方法中，哈尔滨工程大学王立权等人开发了弹性驱动转动关节(专利号CN102152319A)、双串联弹性驱动器等驱动关节(专利号CN101318331)，均采用了传统的螺旋弹簧。浙江大学朱秋国、熊蓉等人开发了专利号CN102632508A和CN103817694A的适用于机器人关节的平面扭簧，在专利号CN103817694A中使用了单片平面扭簧，开创了国内适用于机器人关节平面扭簧的先例，改变了传统的扭簧模式，解决了传统弹簧占用空间大等问题，适用于升级现有的服务机器人和机械臂关节，有助于促进机器人的更新换代。但是现有的平面扭簧仍然存在最大外力扭矩相对较小，最大相对旋转角度相对较小等问题，因此现有的平面扭簧仍然不能完全满足服务机器人柔顺关节的使用要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，解决现有平面扭簧最大外力扭矩偏小、最大相对旋转角度较小、变形曲线回程欠合理等问题。
本发明采取的技术方案如下：
本发明由花键轴、第一平面扭簧、中间垫圈和第二平面扭簧和输出件组成；所述的第一平面扭簧和第二平面扭簧的结构完全相同，均包括内环、外环和弹性体单元；m个弹性体单元沿圆周均布，3≤m≤6；所述的弹性体单元具有n个弧形段，n为大于2的奇数；相邻弧形段凹凸方向相反，且端部的两个弧形段均外凸；相邻弧形段之间通过连接段连接；所述的外环内侧壁设有沿圆周均布的m个第一凸台；第一凸台开设有外环安装孔；每个第一凸台与对应一个弹性体单元的一端端部弧形段固连；所述的内环设有一体成型且沿圆周均布的m根悬臂梁，每根悬臂梁与对应一个弹性体单元的另一端端部弧形段连接；内环中心处开设有花键孔；第一平面扭簧和第二平面扭簧的外环相对端之间设置中间垫圈；所述中间垫圈的内侧壁设有沿圆周均布的m个第二凸台；所述的第二凸台开设有垫圈安装孔；花键轴与第一平面扭簧和第二平面扭簧的花键孔均连接；第一平面扭簧的外环安装孔与中间垫圈对应位置处的垫圈安装孔及第二平面扭簧对应位置处的外环安装孔通过输出件上对应位置处的一根输出轴连接。
作为优选，第一平面扭簧和第二平面扭簧的花键孔相位相差1～5°，弹性体单元具有预紧扭矩。
作为优选，m＝4。
作为优选，n＝7。
作为优选，每根悬臂梁与对应一个第一凸台之间通过限位索连接。
作为优选，其中一根悬臂梁与对应第一凸台之间通过限位索连接。
本发明的有益效果：
1、工作时输出件的负载转动将扭矩传至弹性体单元，或输入驱动扭矩传至花键及弹性体单元，均会对弹性体单元加载，从而输入和负载的任意一方转动均可以直接带动另一方的运动；其中，各个弹性体单元产生串联弹性变形，经弹性变形的缓冲和蓄能后，再将转化后的扭矩传递到输入或负载。
2、通过两片平面扭簧以一定的角度预紧，使得本发明整体变形曲线回程更加合理，便于控制；弹性体单元采用多个循环往复的弧形段使得扭转变形中不会产生变形抵消而只会叠加，使极限扭转角度更大；通过限位索来限制内环和外环的不被过度扭转，防止扭矩过大对平面扭簧产生破坏，提高了可靠性。
附图说明
图1是本发明中花键轴、第一平面扭簧、中间垫圈和第二平面扭簧装配后的立体图；
图2是本发明的爆炸图；
图3是本发明中第一平面扭簧或第二平面扭簧的示意图；
图4是本发明的中间垫圈示意图；
图5是本发明中花键轴的立体图；
图6是对比例中平面扭簧的示意图。
图中：1、花键轴，2、第一平面扭簧,3、中间垫圈，4、第二平面扭簧,5、外环，6、花键孔，7、内环，8、悬臂梁，9、外环安装孔，10、弹性体单元，11、输出轴，12、垫圈安装孔，13、限位索。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1、2、3、4和5所示，一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，由花键轴1、第一平面扭簧2、中间垫圈3和第二平面扭簧4和输出件11组成。第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的结构完全相同，均包括内环7、外环5、弹性体单元10和限位索13；四个弹性体单元沿圆周均布；弹性体单元具有七个弧形段；相邻弧形段凹凸方向相反，且端部的两个弧形段均外凸；相邻弧形段之间通过连接段连接；外环5内侧壁设有沿圆周均布的四个第一凸台；第一凸台开设有外环安装孔9；每个第一凸台与对应一个弹性体单元的一端端部弧形段固连；内环7设有一体成型且沿圆周均布的四根悬臂梁8，每根悬臂梁与对应一个弹性体单元的另一端端部弧形段连接，且其中一根悬臂梁与对应第一凸台之间通过限位索连接；外环与内环的相对转角达到一定位置时，限位索被拉直从而限制外环与内环进一步相对转动，进而限定弹性体单元的极限转角，防止扭矩过大时对弹性体单元产生破坏。内环7中心处开设有花键孔6；第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的外环5相对端之间设置中间垫圈3；第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的花键孔6相位相差1～5°；中间垫圈3的内侧壁设有沿圆周均布的四个第二凸台；第二凸台开设有垫圈安装孔12；花键轴1与第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的花键孔6均连接；第一平面扭簧2的外环安装孔9与中间垫圈3对应位置处的垫圈安装孔12及第二平面扭簧4对应位置处的外环安装孔9通过输出件11上对应位置处的一根输出轴连接，使得弹性体单元具有预紧扭矩。
装配后使用时，花键轴一端与减速机的输出端固定，花键轴转动带动第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的内环转动，弹性体单元10和输出件11也随之转动，从而使四个弹性体单元10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和外环上均布的外环安装孔数目。除此之外，可以通过改变材料或者弹性体单元弧形段的厚度及各类半径尺寸以满足不同尺寸关节安装和设计的要求。本发明结构紧凑，相对于普通单片平面扭簧更加稳定易于控制，且最大外力扭矩较大，最大相对旋转角度较大，能满足更多的机器人柔顺关节减速器对平面扭簧的选型要求。
下面通过ansys workbench 15.0有限元分析，从而对比本实施例与对比例的效果。图6为对比例的结构示意图，对比例是申请公布号为CN103836101A的专利文献公开的最佳实施例平面扭簧，该对比例平面扭簧与本实施例外环外径大小相等，选用的材料是maraging steel1300。
本实施例仿真所选取外环外径为50mm，第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的花键孔相位错开2°，选用的材料是50CrV，50CrV的物理参数如下：
屈服强度:1.127e+009N/m2
弹性模量:2.07e+011N/m2
泊松比:0.29
质量密度:7840kg/m3
抗剪模量:3.189e+008N/m2
给输出件11施加不同大小的外力矩，从而仿真出第一平面扭簧2和第二平面扭簧4所能承受的最大外力扭矩和该扭矩作用下的最大变形角度。
本实施例中双层平面扭簧和对比例的对比结果如下表1，其中最大扭矩是弹性体单元10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与外环的相对旋转角度。
表1
名称 实施例 对比例
最大扭矩 35N.M 9.89N.M
最大变形角度 4.68° 3.55°
由表1和常规技术可知，通过仿真软件得到本实施例的双层平面扭簧所能承受的最大扭矩与最大变形角度，确实优于以往其它传统扭簧及平面扭簧。
以上所述仅仅是本发明的应用于特定柔顺关节减速器的实例，可以通过改变弹性体单元和悬臂梁的数目和尺寸来得到不同的最大扭矩和最大变形角度来满足不同的需求，并非因此而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，直接或间接应用在其他相关领域，均同理在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，由花键轴、第一平面扭簧、中间垫圈和第二平面扭簧和输出件组成，所述的第一平面扭簧和第二平面扭簧的结构完全相同，均包括内环、外环和弹性体单元；其特征在于：m个弹性体单元沿圆周均布，3≤m≤6；所述的弹性体单元具有n个弧形段，n为大于2的奇数；相邻弧形段凹凸方向相反，且端部的两个弧形段均外凸；相邻弧形段之间通过连接段连接；所述的外环内侧壁设有沿圆周均布的m个第一凸台；第一凸台开设有外环安装孔；每个第一凸台与对应一个弹性体单元的一端端部弧形段固连；所述的内环设有一体成型且沿圆周均布的m根悬臂梁，每根悬臂梁与对应一个弹性体单元的另一端端部弧形段连接；内环中心处开设有花键孔；第一平面扭簧和第二平面扭簧的外环相对端之间设置中间垫圈；所述中间垫圈的内侧壁设有沿圆周均布的m个第二凸台；所述的第二凸台开设有垫圈安装孔；花键轴与第一平面扭簧和第二平面扭簧的花键孔均连接；第一平面扭簧的外环安装孔与中间垫圈对应位置处的垫圈安装孔及第二平面扭簧对应位置处的外环安装孔通过输出件上对应位置处的一根输出轴连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，其特征在于：所述第一平面扭簧和第二平面扭簧的花键孔相位相差1～5°，弹性体单元具有预紧扭矩。
3.根据权利要求1所述的一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，其特征在于：m＝4。
4.根据权利要求1所述的一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，其特征在于：n＝7。
5.根据权利要求1所述的一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，其特征在于：每根悬臂梁与对应一个第一凸台之间通过限位索连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于柔顺关节的双层平面扭簧，其特征在于：其中一根悬臂梁与对应第一凸台之间通过限位索连接。
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