CN106737825B - 一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节 - Google Patents

Abstract

一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，属于机器人技术领域。输出端盖与关节输出端外壳及串联弹性体固接，限位块与串联弹性体固接，第一关节位置磁编码器固定在输出端盖与第一磁环固定架之间，谐波减速器与关节输入端外壳固接，连接法兰盘与串联弹性体固接，电机中心轴与谐波减速器固接，电机中心轴与制动盘固接，电机位置磁编码器固定在第三磁环固定架与失电制动器外壳之间，第一硅钢片与关节输入端外壳固接，第二硅钢片与失电制动器外壳固接，失电制动器外壳与关节输入外壳及失电制动器端盖固接，电磁铁固定在失电制动器外壳内，弹簧环设置在失电制动器外壳与摩擦盘之间，摩擦柱与制动盘固接。本发明用于机器人及机械臂。

Description

一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节。

背景技术

机械臂作为机器人的重要执行机构，在工业生产、医疗服务以及军事探索中均起到重要的作用。而机械臂关节作为机器人系统的重要组成部分，直接影响机器人系统的综合性能。传统的机械臂关节采用“电机+减速器+负载”的刚性设计方法，虽然能够使机械臂在操作空间满足速度和位置精度要求，但这种关节设计缺乏柔性单元，在非结构化环境中，机械臂关节容易受到外部冲击而导致精度降低或损坏，直接影响机器人的正常运行。近年来，人们开始关注柔性关节的设计方法，提出了具有力/力矩传感器的柔性关节设计、串联弹性驱动关节设计以及气动柔性关节设计，使得机器人能够避免外部冲击对执行关节的影响，并提高机器人与环境和操作人员之间的交互安全性。然而，基于力/力矩传感器的柔性关节虽然具有了力矩感知功能，但是由于本身并没有柔性机构，关节柔性有限，抵抗外部冲击能力较差；基于串联弹性驱动的关节具有良好的抗冲击和力感知能力，但大部分关节采用传统的扭转弹簧作为柔性元件，其结构适应能力差，很难设计出结构紧凑、重量轻的关节；基于气动技术的柔性关节受气缸结构的限制，导致其结构比较复杂，实现技术比较困难。哈尔滨工程大学王立权等人发明的专利号CN102152319A弹性驱动旋转关节，CN101318331双串联弹性驱动器等驱动关节均采用了传统的扭转弹簧；专利号CN87107075A公开的一种柔性气缸及弯曲、扭转关节采用气动驱动技术提供柔性，其结构比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，其采用特制的串联弹性体作为柔性元件，同时集驱动传动系统、传感系统等于一体，具有结构紧凑、集成度高、通用性好等优点。本发明在解决了机器人与人和环境交互安全问题的同时，也解决了传统柔性关节柔性较小、柔性实现机构体积大、结构复杂等问题。本发明改变了传统的机械臂柔性关节模式，适用于升级现有的机器人和机械臂关节，有助于促进机器人的更新换代。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，它包括驱动传动系统、传感系统及失电制动器，所述驱动传动系统包括关节输出端外壳、关节输入端外壳、输出端盖、限位块、深沟球轴承一、串联弹性体、连接法兰盘、谐波减速器、柔轮锁紧螺母、深沟球轴承二、十字交叉滚子轴承、轴承外圈挡板、轴承内圈挡板、C形环、中空走线轴、深沟球轴承三及电机，所述电机包括电机转子、电机定子及电机中心轴，所述传感系统包括第一关节位置磁编码器、第一磁环固定架、第二关节位置磁编码器、第二磁环固定架、电机位置磁编码器、第三磁环固定架、第一硅钢片及第二硅钢片，所述失电制动器包括失电制动器外壳、失电制动器端盖、弹簧、电磁铁、摩擦盘、摩擦柱及制动盘；

所述输出端盖与所述关节输出端外壳固定连接，所述串联弹性体设置在关节输出端外壳内并与输出端盖固定连接，所述限位块与串联弹性体固定连接，所述深沟球轴承一安装在串联弹性体与第一磁环固定架之间，所述第一关节位置磁编码器固定设置在输出端盖与第一磁环固定架之间，所述谐波减速器包括刚轮、柔轮和波发生器，所述刚轮与关节输入端外壳固定连接，所述连接法兰盘外圈法兰与串联弹性体固定连接，所述柔轮设置在连接法兰盘内圈法兰与所述柔轮锁紧螺母之间且三者固定连接，所述电机中心轴固定在电机转子内部，电机中心轴一端固定设置在波发生器内部，电机中心轴另一端与制动盘固定连接，所述电机定子压紧C形环并与关节输入端外壳固定连接，所述电机转子固定套装在电机中心轴外侧，所述深沟球轴承二安装在电机中心轴和关节输入端外壳之间，所述十字交叉滚子轴承安装在关节输出端外壳和关节输入端外壳之间，十字交叉滚子轴承外圈两侧分别通过轴承外圈挡板和关节输出端外壳限位，轴承外圈挡板与关节输出端外壳固定连接，十字交叉滚子轴承内圈两侧分别通过关节输入端外壳和轴承内圈挡板限位，所述轴承内圈挡板与刚固定连接，所述中空走线轴设置在电机中心轴设有的中心管腔内，中空走线轴一端与失电制动器端盖固定连接，中空走线轴另一端设置在连接法兰盘中心孔内，所述深沟球轴承三安装在电机中心轴与失电制动器外壳之间，所述第二磁环固定架固定设置在第二关节位置磁编码器与钢轮之间，所述第三磁环固定架固定套装在电机中心轴外侧，所述电机位置磁编码器固定设置在第三磁环固定架与失电制动器外壳之间，所述第一硅钢片设置在关节输入端外壳与第三磁环固定架之间，第一硅钢片与关节输入端外壳固定连接，所述第二硅钢片设置在失电制动器外壳与电机位置磁编码器之间，第二硅钢片与失电制动器外壳固定连接，所述失电制动器外壳一端与关节输入外壳固定连接，失电制动器外壳另一端与失电制动器端盖固定连接，所述电磁铁固定设置在失电制动器外壳内，所述弹簧环套装在设置在失电制动器外壳与摩擦盘之间的双头螺栓上，所述摩擦柱设置在摩擦盘与制动盘之间，摩擦柱与制动盘固定连接。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

一、本发明适用于机器人及机械臂领域应用的柔性关节，直流电机动力经过谐波减速器转化为关节的旋转动力输出，相比现有一些关节通过齿轮系传递动力，谐波减速器的应用使关节结构更加紧凑，具有更大的负载及自重比；

二、本发明采用自行设计的串联弹性体代替传统串联弹性驱动器的扭转弹簧，使关节结构更加紧凑，同时使关节具有良好的抗冲击特性；弹性体内环与外环之间对称分布两组柔性梁，起到传递扭矩和柔性变形的作用，改变串联弹性体的厚度以及柔性梁的厚度和宽度，就可以获得弹性体的不同刚度和动力响应特性，以适应不同应用场合的机械臂关节对动力控制等方面的需求；

三、本发明通过电机位置磁编码器与两个关节位置磁编码器，可以精确测量电机的转动角度，串联弹性体的扭转角度以及柔性关节的输出角度；电机位置磁编码器测量值为直流电机的转动角度，第一关节位置磁编码器的测量值为串联弹性体的扭转角度，第一关节位置磁编码器和第二关节位置磁编码器的测量值之差为柔性关节的输出角度；在关节内部没有集成力/力矩传感器的情况下可以通过串联弹性体的刚度值和扭转角度精确计算柔性关节的输出力矩，可以保证柔性关节精确的力输出；

四、本发明采用自主设计的失电制动器，通过控制电磁铁的电流实现对关节的制动，从而避免失电时关节可能由于受机械臂重力作用而继续转动，进一步提高机械臂工作时的安全性；

五、本发明将驱动传动系统及传感系统高度集成在关节内部，形成机电一体化的模块化关节，通用性好；电气走线采用关节内部中空走线轴内中心孔走线方式，能够对内部线缆实现很好的保护，同时不会对关节的转动范围造成约束；

六、本发明提出的抗冲击柔性关节结构紧凑、负载与自重比大、安全性高、通用性好，从技术上易于实现，同时集成了串联弹性体的优点，具有良好的抗冲击、精确的力控制特性。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴测图；

图2为本发明的整体结构的主剖视图；

图3为本发明的串联弹性体主视结构示意图；

图4为本发明的串联弹性体立体结构示意图；

图5为图2的A处局部放大图；

图6为图2的B处局部放大图。

其中：关节输出端外壳1、输出端盖2、第一关节位置磁编码器3、第一关节电路板3-1、第一关节磁环3-2、第一关节电路板3-1、第一关节磁环3-2、第一磁环固定架4、深沟球轴承一5、串联弹性体6、内环6-1、外环6-2、柔性梁6-3、连接法兰盘7、第二关节位置磁编码器8、第二关节电路板8-1、第二关节磁环8-2、第二磁环固定架9、谐波减速器10、刚轮10-1、柔轮10-2、波发生器10-3、柔轮锁紧螺母11、轴承内圈挡板12、轴承外圈挡板13、十字交叉滚子轴承14、关节输入端外壳15、限位块16、深沟球轴承二17、电机转子18、失电制动器外壳19、电机中心轴20、中空走线轴21、深沟球轴承三22、第一硅钢片23、第二硅钢片24、C形环25、电磁铁26、摩擦盘27、制动盘28、失电制动器端盖29、弹簧30、第三磁环固定架31、电机位置磁编码器32、电机位置电路板32-1、电机位置磁环32-2、电机位置电路板32-1、电机位置磁环32-2、摩擦柱33、电机定子34。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图5及图6说明，一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，它包括驱动传动系统、传感系统及失电制动器，所述驱动传动系统包括关节输出端外壳1、关节输入端外壳15、输出端盖2、限位块16、深沟球轴承一（6706）5、串联弹性体6、连接法兰盘7、谐波减速器10、柔轮锁紧螺母11、深沟球轴承二（6707）17、十字交叉滚子轴承（RA7008）14、轴承外圈挡板13、轴承内圈挡板12、C形环25、中空走线轴21、深沟球轴承三（6705）22及电机，所述电机包括电机转子18、电机定子34及电机中心轴20，所述传感系统包括第一关节位置磁编码器3、第一磁环固定架4、第二关节位置磁编码器8、第二磁环固定架9、电机位置磁编码器32、第三磁环固定架31、第一硅钢片23及第二硅钢片24，所述失电制动器包括失电制动器外壳19、失电制动器端盖29、弹簧30、电磁铁26、摩擦盘27、摩擦柱33及制动盘28；

所述输出端盖2（通过螺栓）与所述关节输出端外壳1固定连接，所述串联弹性体6设置在关节输出端外壳1内并（通过螺栓）与输出端盖2固定连接，所述限位块16（通过螺栓）与串联弹性体6固定连接，所述深沟球轴承一（6706）5安装在串联弹性体6与第一磁环固定架4之间，所述第一关节位置磁编码器3固定设置在输出端盖2与第一磁环固定架4之间，所述谐波减速器10包括刚轮10-1、柔轮10-2和波发生器10-3，所述刚轮10-1（通过螺栓）与关节输入端外壳15固定连接，所述连接法兰盘7外圈法兰（通过螺栓）与串联弹性体6固定连接，所述柔轮10-2设置在连接法兰盘7内圈法兰与所述柔轮锁紧螺母11之间且三者（通过螺栓）固定连接，所述电机中心轴20（通过胶粘方式）固定在电机转子18内部，电机中心轴20一端固定设置在波发生器10-3内部，电机中心轴20另一端（通过螺栓）与制动盘28固定连接，所述电机定子34（通过周向螺栓）压紧C形环25并与关节输入端外壳15固定连接，所述电机转子18固定套装在电机中心轴20外侧，所述深沟球轴承二（6707）17安装在电机中心轴20和关节输入端外壳15之间，所述十字交叉滚子轴承（RA7008 ）14安装在关节输出端外壳1和关节输入端外壳15之间，十字交叉滚子轴承（RA7008）14外圈两侧分别通过轴承外圈挡板13和关节输出端外壳1限位，轴承外圈挡板13（通过螺栓）与关节输出端外壳1固定连接，十字交叉滚子轴承（RA7008）14内圈两侧分别通过关节输入端外壳15和轴承内圈挡板12限位，所述轴承内圈挡板12与刚轮10-1固定连接，所述中空走线轴21设置在电机中心轴20设有的中心管腔内，中空走线轴21一端（通过螺栓）与失电制动器端盖29固定连接，中空走线轴21另一端设置在连接法兰盘7中心孔内，所述深沟球轴承三（6705）22安装在电机中心轴20与失电制动器外壳19之间，所述第二磁环固定架9固定设置在第二关节位置磁编码器8与钢轮10-1之间，所述第三磁环固定架31固定套装在电机中心轴20外侧，所述电机位置磁编码器32固定设置在第三磁环固定架31与失电制动器外壳19之间，所述第一硅钢片23设置在关节输入端外壳15与第三磁环固定架31之间，第一硅钢片23与关节输入端外壳15固定连接，所述第二硅钢片24设置在失电制动器外壳19与电机位置磁编码器32之间，第二硅钢片24与失电制动器外壳19固定连接，所述失电制动器外壳19一端（通过螺栓）与关节输入外壳15固定连接，失电制动器外壳19另一端（通过双头螺栓）与失电制动器端盖29固定连接，所述电磁铁26固定设置在失电制动器外壳19内，所述弹簧30环套装在设置在失电制动器外壳19与摩擦盘27之间的双头螺栓上，所述摩擦柱33设置在摩擦盘27与制动盘28之间，摩擦柱33与制动盘28固定连接。

传感系统可以测量串联弹性体6的扭转位置、关节的输出位置和电机转子18的转动位置。

具体实施方式二：结合图2~图4说明，具体实施方式一所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，所述串联弹性体6包括内环6-1、外环6-2和两组柔性梁6-3，所述内环6-1和外环6-2同心设置，内环6-1和外环6-2之间沿其周向对称连接两组柔性梁6-3，内环6-1（通过螺栓）与输出端盖2固定连接，所述外环6-2（分别通过螺栓）与限位块16及第一磁环固定架4固定连接，所述深沟球轴承一5安装在内环6-1与第一磁环固定架4之间，外环6-2（通过螺栓）分别（通过螺栓）与限位块16及连接法兰盘7外圈法兰固定连接。

同心的内环6-1与外环6-2相对扭转角度为±10°以内，对应传递的扭矩可达±70Nm，可以实现大力矩输出效果，同时具有减震缓冲作用。

具体实施方式三：结合图2说明，具体实施方式一或二所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，所述第一关节位置磁编码器3包括第一关节电路板3-1及第一关节磁环3-2；所述第一关节电路板3-1与输出端盖2固定连接，所述第一关节磁环3-2与第一磁环固定架4固定连接。

具体实施方式四：结合图2说明，具体实施方式三所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，所述第二关节位置磁编码器8包括第二关节电路板8-1及第二关节磁环8-2；所述第二关节电路板8-1与连接法兰盘7固定连接，所述第二关节磁环8-2与第二磁环固定架9固定连接。

具体实施方式五：结合图2说明，具体实施方式四所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，所述电机位置磁编码器32包括电机位置电路板32-1和电机位置磁环32-2；所述电机位置电路板32-1与失电制动器外壳19固定连接，所述电机位置磁环32-2与第三磁环固定架31固定连接。

第一关节位置磁编码器3的测量值为串联弹性体6的扭转位置，第二关节位置磁编码器8与第一关节位置磁编码器3的测量值之差为关节输出外壳的输出位置，电机位置磁编码器32的测量值为电机转子18的转动位置，第一硅钢片23和第二硅钢片24可以消除外部磁场对电机位置磁编码器32的影响。

本发明的工作过程是：结合图2说明，电机动作后，电机转子18带动电机中心轴20转动，电机中心轴20通过带动谐波减速器10的波发生器10-3转动，把减速后的运动传递给柔轮10-2，柔轮10-2把动力传递给连接法兰盘7，连接法兰盘7再把动力传递给串联弹性体6的外环6-2，串联弹性体6的两组柔性梁6-3发生柔性变形，最终由串联弹性体6的内环6-1传递动力给输出端盖2，从而带动关节输出端外壳1转动。

失电制动器工作过程结合图2说明：电机接通电源，电磁铁26也通电，摩擦盘27吸合，克服弹簧30的拉力使失电制动器的摩擦盘27与制动盘28分开，于是电机正常运转。当断开开关或接触器时（外部构件），电机失电，同时电磁铁26也失电，摩擦盘27在弹簧30拉力作用下与电磁铁26分开，并使失电制动器的摩擦盘27紧紧抱住摩擦柱33，电机转子18被制动而停转，避免在失电时由于受重力作用而使机械臂继续运动。

Claims (5)

1.一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，它包括驱动传动系统、传感系统及失电制动器，其特征在于：所述驱动传动系统包括关节输出端外壳（1）、关节输入端外壳（15）、输出端盖（2）、限位块（16）、深沟球轴承一（5）、串联弹性体（6）、连接法兰盘（7）、谐波减速器（10）、柔轮锁紧螺母（11）、深沟球轴承二（17）、十字交叉滚子轴承（14）、轴承外圈挡板（13）、轴承内圈挡板（12）、C形环（25）、中空走线轴（21）、深沟球轴承三（22）及电机，所述电机包括电机转子（18）、电机定子（34）及电机中心轴（20），所述传感系统包括第一关节位置磁编码器（3）、第一磁环固定架（4）、第二关节位置磁编码器（8）、第二磁环固定架（9）、电机位置磁编码器（32）、第三磁环固定架（31）、第一硅钢片（23）及第二硅钢片（24），所述失电制动器包括失电制动器外壳（19）、失电制动器端盖（29）、弹簧（30）、电磁铁（26）、摩擦盘（27）、摩擦柱（33）及制动盘（28）；

所述输出端盖（2）与所述关节输出端外壳（1）固定连接，所述串联弹性体（6）设置在关节输出端外壳（1）内并与输出端盖（2）固定连接，所述限位块（16）与串联弹性体（6）固定连接，所述深沟球轴承一（5）安装在串联弹性体（6）与第一磁环固定架（4）之间，所述第一关节位置磁编码器（3）固定设置在输出端盖（2）与第一磁环固定架（4）之间，所述谐波减速器（10）包括刚轮（10-1）、柔轮（10-2）和波发生器（10-3），所述刚轮（10-1）与关节输入端外壳（15）固定连接，所述连接法兰盘（7）外圈法兰与串联弹性体（6）固定连接，所述柔轮（10-2）设置在连接法兰盘（7）内圈法兰与所述柔轮锁紧螺母（11）之间且三者固定连接，所述电机中心轴（20）固定在电机转子（18）内部，电机中心轴（20）一端固定设置在波发生器（10-3）内部，电机中心轴（20）另一端与制动盘（28）固定连接，所述电机定子（34）压紧C形环（25）并与关节输入端外壳（15）固定连接，所述电机转子（18）固定套装在电机中心轴（20）外侧，所述深沟球轴承二（17）安装在电机中心轴（20）和关节输入端外壳（15）之间，所述十字交叉滚子轴承（14）安装在关节输出端外壳（1）和关节输入端外壳（15）之间，十字交叉滚子轴承（14）外圈两侧分别通过轴承外圈挡板（13）和关节输出端外壳（1）限位，轴承外圈挡板（13）与关节输出端外壳（1）固定连接，十字交叉滚子轴承（14）内圈两侧分别通过关节输入端外壳（15）和轴承内圈挡板（12）限位，所述轴承内圈挡板（12）与刚轮（10-1）固定连接，所述中空走线轴（21）设置在电机中心轴（20）设有的中心管腔内，中空走线轴（21）一端与失电制动器端盖（29）固定连接，中空走线轴（21）另一端设置在连接法兰盘（7）中心孔内，所述深沟球轴承三（22）安装在电机中心轴（20）与失电制动器外壳（19）之间，所述第二磁环固定架（9）固定设置在第二关节位置磁编码器（8）与钢轮（10-1）之间，所述第三磁环固定架（31）固定套装在电机中心轴（20）外侧，所述电机位置磁编码器（32）固定设置在第三磁环固定架（31）与失电制动器外壳（19）之间，所述第一硅钢片（23）设置在关节输入端外壳（15）与第三磁环固定架（31）之间，第一硅钢片（23）与关节输入端外壳（15）固定连接，所述第二硅钢片（24）设置在失电制动器外壳（19）与电机位置磁编码器（32）之间，第二硅钢片（24）与失电制动器外壳（19）固定连接，所述失电制动器外壳（19）一端与关节输入外壳（15）固定连接，失电制动器外壳（19）另一端与失电制动器端盖（29）固定连接，所述电磁铁（26）固定设置在失电制动器外壳（19）内，所述弹簧（30）环套装在设置在失电制动器外壳（19）与摩擦盘（27）之间的双头螺栓上，所述摩擦柱（33）设置在摩擦盘（27）与制动盘（28）之间，摩擦柱（33）与制动盘（28）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，其特征在于：所述串联弹性体（6）包括内环（6-1）、外环（6-2）和两组柔性梁（6-3），所述内环（6-1）和外环（6-2）同心设置，内环（6-1）和外环（6-2）之间沿其周向对称连接两组柔性梁（6-3），内环（6-1）与输出端盖（2）固定连接，所述外环（6-2）与限位块（16）及第一磁环固定架（4）固定连接，所述深沟球轴承一（5）安装在内环（6-1）与第一磁环固定架（4）之间，外环（6-2）分别与限位块（16）及连接法兰盘（7）外圈法兰固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，其特征在于：所述第一关节位置磁编码器（3）包括第一关节电路板（3-1）及第一关节磁环（3-2）；所述第一关节电路板（3-1）与输出端盖（2）固定连接，所述第一关节磁环（3-2）与第一磁环固定架（4）固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，其特征在于：所述第二关节位置磁编码器（8）包括第二关节电路板（8-1）及第二关节磁环（8-2）；所述第二关节电路板（8-1）与连接法兰盘（7）固定连接，所述第二关节磁环（8-2）与第二磁环固定架（9）固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种适用于机械臂的抗冲击柔性关节，其特征在于：所述电机位置磁编码器（32）包括电机位置电路板（32-1）和电机位置磁环（32-2）；所述电机位置电路板（32-1）与失电制动器外壳（19）固定连接，所述电机位置磁环（32-2）与第三磁环固定架（31）固定连接。