CN106881727A - 一种机器人关节及其弹性机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人关节的弹性机构，包括用于与机器人关节减速器的输出轴相连接的外层法兰、用于连接负载的内层法兰，内层法兰设于外层法兰与输出轴之间，内层法兰通过滚珠轴承转动连接于外层法兰，内层法兰在轴向上的内端面与外层法兰在轴向上的内端面上对应设有用于配合形成空腔的表面凹槽，空腔内设有弹簧，弹簧能够在空腔的长度变化时绕周向发生形变。此种弹性机构中，内层法兰、外层法兰在外部作用力下发生相对转动时，空腔长度变化，弹簧发生形变，从而可以可靠实现机器人关节的柔顺性，有效地对碰撞进行缓冲并对相互作用力进行感知。本发明还公开了一种包括上述弹性机构的机器人关节，其柔顺性能够得到可靠实现。

Description

一种机器人关节及其弹性机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种用于机器人关节的弹性机构。此外，本发明还涉及一种包括上述弹性机构的机器人关节。

背景技术

众所周知，实现机器人关节的柔顺性，使机器人能够对人机之间的碰撞进行有效缓冲，对于服务机器人、协作机器人等工作空间与人类活动空间相互重合的机器人具有重大意义。

目前，一种典型的实现机器人关节的柔顺性的方法中，通过在机器人关机安装用于检测力矩的传感器，并通过阻抗控制等方法，模拟出机器人关节的柔顺性。

然而，在该方法中，机器人关机本质上仍是刚性，对碰撞的响应速度受限于控制器的控制周期及传感器的稳定性。

因此，如何更加可靠地实现机器人关节的柔顺性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种弹性机构，能够更加可靠地实现机器人关节的柔顺性。本发明的另一目的是提供一种包括上述弹性机构的机器人关节，其柔顺性能够得到可靠实现。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于机器人关节的弹性机构，包括用于与机器人关节减速器的输出轴相连接的外层法兰、用于连接负载的内层法兰，所述内层法兰设于所述外层法兰与所述输出轴之间，所述内层法兰通过滚珠轴承转动连接于所述外层法兰，所述内层法兰在轴向上的内端面与所述外层法兰在轴向上的内端面上对应设有用于配合形成空腔的表面凹槽，所述空腔内设有弹簧，所述弹簧能够在所述空腔的长度变化时绕周向发生形变。

优选地，所述内层法兰在轴向上的外端面上设有用于支撑于所述内层法兰与所述输出轴之间的滚针轴承。

优选地，所述内层法兰的中间沿轴向贯穿有中心通孔，所述中心通孔的孔壁上径向凸出有用于与所述滚珠轴承的外圈的一轴向端面配合的限位环，所述外层法兰的中部设有用于插设于所述中心通孔的中心凸台，所述滚珠轴承的内圈配合连接于所述中心凸台的周面上，所述滚珠轴承的外圈配合连接于所述中心通孔的孔壁上。

优选地，所述中心凸台上设有用于与所述输出轴相连接的连接孔。

优选地，所述内层法兰在轴向上的外端面上设有安装凸台，所述安装凸台与所述中心通孔同轴设置，所述滚针轴承的内圈配合连接于所述安装凸台的周面上。

优选地，所述弹簧的原长大于所述表面凹槽的周向长度。

优选地，所述外层法兰在轴向上的内端面的边部轴向凸出有限位凸台，所述内层法兰的外周面上设有用于限制所述限位凸台的最大转角的限位缺口，每个所述限位凸台对应设于一个所述限位缺口内，所述限位缺口的周向长度大于所述限位凸台的周向长度。

优选地，所述限位凸台上设有用于连接传感器以及所述负载的定位槽，所述外层法兰在轴向上的外端面中部设有用于放置定位磁铁的安装槽，所述定位磁铁能够与所述传感器配合测量所述内层法兰与所述外层法兰之间的转角。

优选地，所述限位凸台绕周向均匀设有至少两个。

一种机器人关节，包括弹性机构，所述弹性机构为如上述任意一项所述的弹性机构。

本发明提供的弹性机构，包括用于与机器人关节减速器的输出轴相连接的外层法兰、用于连接负载的内层法兰，内层法兰设于外层法兰与输出轴之间，内层法兰通过滚珠轴承转动连接于外层法兰，内层法兰在轴向上的内端面与外层法兰在轴向上的内端面上对应设有用于配合形成空腔的表面凹槽，空腔内设有弹簧，弹簧能够在空腔的长度变化时绕周向发生形变。

在运转时，外层法兰可以随着输出轴同步转动，内层法兰可以随负载进行运动。内层法兰、外层法兰在外部作用力的带动下发生相对转动时，弹簧会发生压缩形变，从而可以可靠地实现机器人关节的柔顺性，有效地对碰撞进行缓冲并对相互作用力进行感知，且弹簧的利用率较高，在内层法兰相对于外层法兰顺时针或逆时针转动时，皆能实现空腔长度的变化，且相对转角越大，空腔的长度越小，从而使内外层法兰在双向冲击下的相对转动皆能实现所有空腔中的弹簧受迫压缩。

同时，通过滚珠轴承连接内层法兰和外层法兰，可以对内外层法兰之间的径向位移及轴向位移进行限制，有利于减小摩擦；另外，此种弹性机构结构简单紧凑、质量较轻、易于安装、空间利用率较高、径向摩擦较小，可以保障机器人与人际环境间的安全交互，扩大机器人的应用范围。

本发明提供的包括上述弹性机构的机器人关节，其柔顺性能够得到可靠实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供弹性机构的结构示意图；

图2为图1中去掉外层法兰的结构示意图；

图3为图1中单个空腔的局部剖面图；

图4为本发明所提供弹性机构的背面立体图；

图5为本发明所提供内层法兰的背面图。

图1至图5中，1-外层法兰，2-限位缺口，3-内层法兰，4-凸出部，5-安装槽，6-定位槽，7-限位凸台，8-表面凹槽，9-弹簧，10-中心凸台，11-中心通孔，12-滚珠轴承，13-滚针轴承，14-安装凸台，15-限位环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种弹性机构，能够更加可靠地实现机器人关节的柔顺性。本发明的另一核心是提供一种包括上述弹性机构的机器人关节，其柔顺性能够得到可靠实现。

请参考图1至图5，图1为本发明所提供弹性机构的结构示意图；图2为图1中去掉外层法兰的结构示意图；图3为图1中单个空腔的局部剖面图；图4为本发明所提供弹性机构的背面立体图；图5为本发明所提供内层法兰的背面图。

本发明所提供的用于机器人关节的弹性机构的一种具体实施例中，包括用于与机器人关节减速器的输出轴向连接的外层法兰1、用于连接负载的内层法兰3。内层法兰3设于外层法兰1与输出轴之间，且内层法兰3通过滚珠轴承12转动连接于外层法兰1。内层法兰3在轴向上的内端面、外层法兰1在轴向上的内端面上对应设有用于配合形成空腔的表面凹槽8，空腔中设有弹簧9，弹簧9能够在空腔的长度变化时绕周向发生形变，空腔的长度为形成该空腔的两个表面凹槽8在周向上相重合部分的长度，即，弹簧9沿轴向凸出于任意一个表面凹槽8，形成一个空腔的两个表面凹槽8中分别包括同一个弹簧9的一部分，弹簧9对形成空腔的两个表面凹槽8均能够产生弹力。

需要说明的是，如无特殊说明，本申请中的轴向、周向、径向以滚珠轴承12的中心轴为基准。内层法兰3在轴向上的内端面为内层法兰3在轴向上与外层法兰1相邻接的表面，内层法兰3在轴向上的另一端面为内层法兰3的外端面，外层法兰1在轴向上的内端面为外层法兰1在轴向上与内层法兰3相邻接的表面，外层法兰1在轴向上的另一端面为外层法兰1的外端面，即在轴向上，依次为内层法兰3的外端面、内端面、外层法兰1的内端面、外端面。

在组装时，可以将若干个弹簧9安装在外层法兰1上的表面凹槽8中，外层法兰1按照表面凹槽8的对应关系安装于内层法兰3上。弹簧9具体可以与内层法兰3、外层法兰1相连。表面凹槽8的形状、尺寸具体应相同且位置一一对应，表面凹槽8的形状具体可以为鼓形凹槽或者其他形状。

在运转时，外层法兰1可以随着输出轴同步转动，内层法兰3可以随负载进行运动。内层法兰3、外层法兰1在外部作用力的带动下发生相对转动时，空腔的长度随相对转角的增大而减小，弹簧9会发生压缩形变，弹簧9的形变可以对机器人关节外部负载所受到的冲击进行缓冲，从而实现机器人关节的柔顺性。

可见，此种弹性机构通过表面凹槽8形成空腔以及在空腔中设置弹簧9，可以可靠地实现机器人关节的柔顺性，有效地对碰撞进行缓冲并对相互作用力进行感知，且弹簧9的利用率较高，在内层法兰3相对于外层法兰1顺时针或逆时针转动时，皆能实现空腔长度的变化，且相对转角越大，空腔的长度越小，从而使内外层法兰在双向冲击下的相对转动皆能实现所有空腔中的弹簧9受迫压缩；同时，通过滚珠轴承12连接内层法兰3和外层法兰1，可以对内外层法兰之间的径向位移及轴向位移进行限制，有利于减小摩擦；另外，此种弹性机构结构简单紧凑、质量较轻、易于安装、空间利用率较高、径向摩擦较小，可以保障机器人与人际环境间的安全交互，扩大机器人的应用范围。

一种具体的实施例中，内层法兰3在轴向上的外端面上可以设置用于支撑于内层法兰3与输出轴之间的滚针轴承13。即，该滚针轴承13夹设在内层法兰3在轴向上的外端面与输出轴的端面之间，从而限制内层法兰3与输出轴之间的轴向位移，提高内层法兰3的稳定性。

具体地，内层法兰3的中间可以沿轴向贯穿有中心通孔11，中心通孔11的孔壁上径向凸出有用于与滚珠轴承12的外圈的一轴向端面配合的限位环15，外层法兰1的中部设有用于插设于中心通孔11的中心凸台10，滚珠轴承12的内圈配合连接于中心凸台10的周面上，滚珠轴承12的外圈配合连接于中心通孔11的孔壁上。具体组装时，滚珠轴承12放入中心通孔11中，限位环15能够与滚珠轴承12的外圈的一个轴向端面配合接触，以限制滚珠轴承12的轴向位移，同时，安装方便。

具体地，中心凸台10上可以设有用于与输出轴相连接的连接孔。采用螺栓通过该连接孔可以将外层法兰1与输出轴相固定连接，便于进行拆装操作。

具体地，内层法兰3在轴向上的外端面上可以设有安装凸台14，安装凸台14与中心通孔11同轴设置，滚针轴承13的内圈配合连接于安装凸台14的周面上，以限制滚针轴承13的径向位移，便于加工与安装。

上述各个实施例中，弹簧9的原长(未压缩长度)可以大于表面凹槽8的周向长度，表面凹槽8的周向长度即内外层法兰不发生相对转动时空腔的周向长度。也就是说，在相配合形成空腔的两个表面凹槽8之间不发生错位时，弹簧9即处于压缩状态，弹簧9安装时将需要预压缩，只有当外部作用力大于弹簧9的预压缩力时，内外层法兰才会发生相对转动，并且弹簧9被压缩，从而缓冲冲击，机器人关节表现出柔顺性；而外部作用力小于弹簧9预压缩力时，内外层法兰无相对转动，机器人关节将表现出刚性。

可见，通过适当设计表面凹槽8或空腔的长度，对弹簧9进行一定的预压缩，可以使机器人关节在低负载情况下保持刚性，实现对位置的精确控制，而在大负载情况下实现柔顺性，实现对外部环境或人的柔顺性，保证安全，以实现机器人关节根据冲击大小自行进行刚柔切换。

当然，弹簧9的原长也可以等于表面凹槽8的周向长度，此时，任意大小的外部作用力即会导致内外层法兰发生相对转动，改变空腔的长度，从而压缩弹簧9，使机器人关节始终保持柔顺性。

上述各个实施例的基础上，外层法兰1在轴向上的内端面的边部可以轴向凸出有限位凸台7，内层法兰3的外周面上设有用于限制限位凸台7的最大转角的限位缺口2，每个限位凸台7对应设于一个限位缺口2内，限位缺口2的周向长度大于限位凸台7的周向长度。

在内外层法兰发生相对转动时，限位凸台7可以在限位缺口2内转动，且限位凸台7的最大转角根据限位缺口2的张角而定，从而限制内外层法兰的最大相对转角，以防止空腔长度过小，超出弹簧9的最大可压缩量。

另外，限位凸台7与限位缺口2的形状可以有多种设置方式。例如，限位凸台7与限位缺口2的径向截面可以是以滚珠轴承12的中心轴为圆心的扇形，从而限位凸台7与限位缺口2在周向上的端面的配合度较高，有利于减少限位凸台7与限位凹槽之间的磨损。

进一步地，限位凸台7上可以设有用于连接传感器以及负载的定位槽6，外层法兰1在轴向上的外端面中部可以设置用于放置定位磁铁的安装槽5，定位磁铁能够与传感器配合测量内层法兰3与外层法兰1之间的转角，设置方便，有利于保证结构紧凑。

具体地，外层法兰1的外端面上可以设有凸出部4，安装槽5可以设置在该凸出部4中，以简化加工。

具体地，限位凸台7绕周向可以均匀设有至少两个，对应地，外层法兰1上的表面凹槽8对应设置，以提高内外层法兰相对移动的稳定性。

上述各个实施例中，根据实际需求，对弹簧9性能与个数、空腔个数、空腔的位置可以进行调整，实现对弹性机构弹性系数及最大相对转角的优化。其中，在弹簧9参数选定的前提下，通过增加装载弹簧9的空腔的数量及增大空腔的距离旋转中心的距离，可以增大关节的弹性系数，减小内外层法兰的最大相对转角，反之，则减小关节的弹性系数，增大内外层法兰的最大相对转角。此外，即使在不改变内外层法兰结构的前提下，亦可通过减少弹簧9个数，对弹性系数进行调整，以满足实际应用的需求。

一种具体应用中，限位凸台7与限位缺口2可以对应设置三个，每相邻两个限位凸台7之间设有两个空腔，弹簧9与空腔均共计6个(图中已安装的弹簧9为5个)。

除了上述弹性机构，本发明还提供了一种包括上述弹性机构的机器人关节，此种机器人关节由于采用上述弹性机构，可以可靠实现机器人关节的柔顺性。机器人关节的其他结构参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的机器人关节及其弹性机构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于机器人关节的弹性机构，其特征在于，包括用于与机器人关节减速器的输出轴相连接的外层法兰(1)、用于连接负载的内层法兰(3)，所述内层法兰(3)设于所述外层法兰(1)与所述输出轴之间，所述内层法兰(3)通过滚珠轴承(12)转动连接于所述外层法兰(1)，所述内层法兰(3)在轴向上的内端面与所述外层法兰(1)在轴向上的内端面上对应设有用于配合形成空腔的表面凹槽(8)，所述空腔内设有弹簧(9)，所述弹簧(9)能够在所述空腔的长度变化时绕周向发生形变。

2.根据权利要求1所述的弹性机构，其特征在于，所述内层法兰(3)在轴向上的外端面上设有用于支撑于所述内层法兰(3)与所述输出轴之间的滚针轴承(13)。

3.根据权利要求2所述的弹性机构，其特征在于，所述内层法兰(3)的中间沿轴向贯穿有中心通孔(11)，所述中心通孔(11)的孔壁上径向凸出有用于与所述滚珠轴承(12)的外圈的一轴向端面配合的限位环，所述外层法兰(1)的中部设有用于插设于所述中心通孔(11)的中心凸台(10)，所述滚珠轴承(12)的内圈配合连接于所述中心凸台(10)的周面上，所述滚珠轴承(12)的外圈配合连接于所述中心通孔(11)的孔壁上。

4.根据权利要求3所述的弹性机构，其特征在于，所述中心凸台(10)上设有用于与所述输出轴相连接的连接孔。

5.根据权利要求3所述的弹性机构，其特征在于，所述内层法兰(3)在轴向上的外端面上设有安装凸台(14)，所述安装凸台(14)与所述中心通孔(11)同轴设置，所述滚针轴承(13)的内圈配合连接于所述安装凸台(14)的周面上。

6.根据权利要求1所述的弹性机构，其特征在于，所述弹簧(9)的原长大于所述表面凹槽(8)的周向长度。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的弹性机构，其特征在于，所述外层法兰(1)在轴向上的内端面的边部轴向凸出有限位凸台(7)，所述内层法兰(3)的外周面上设有用于限制所述限位凸台(7)的最大转角的限位缺口(2)，每个所述限位凸台(7)对应设于一个所述限位缺口(2)内，所述限位缺口(2)的周向长度大于所述限位凸台(7)的周向长度。

8.根据权利要求7所述的弹性机构，其特征在于，所述限位凸台(7)上设有用于连接传感器以及所述负载的定位槽(6)，所述外层法兰(1)在轴向上的外端面中部设有用于放置定位磁铁的安装槽(5)，所述定位磁铁能够与所述传感器配合测量所述内层法兰(3)与所述外层法兰(1)之间的转角。

9.根据权利要求7所述的弹性机构，其特征在于，所述限位凸台(7)绕周向均匀设有至少两个。

10.一种机器人关节，包括弹性机构，其特征在于，所述弹性机构为权利要求1至9任意一项所述的弹性机构。