CN106931060A - 一种用于串联弹性驱动关节的平面扭簧与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于串联弹性驱动关节的平面扭簧与方法；包括内环、外环以及若干固定在内环与外环之间的波浪形弹性体单元；波浪形弹性体单元沿圆周均匀分布，每个弹性单元由若干个半圆弧依次串联构成；波浪形弹性体单元的宽度方向垂直于内环和外环的圆周平面；每个波浪形弹性体单元除了首尾连接部分为劣弧，其余部分均由多个160°～180°的半圆弧相切相连。本平面扭簧结构紧凑，所使用的弹性单元曲线圆弧简单，便于模型的构建，也便于加工，不仅满足了串联弹性驱动关节对大转角的使用设计需求,也通过减小轴向与径向的位移偏心量来提高控制精度以及减小控制难度。
Description
技术领域
本发明涉及机器人运动部件之间的连接，尤其涉及一种用于串联弹性驱动关节的平面扭簧与方法。
背景技术
近几年来,机器人技术发展日趋成熟,并在众多领域得到了广泛应用，尤其在工业中地位尤为明显。但目前工业机器大都需考虑安全问题,工业机器人需要划分一定的工作区间以保证与人类的安全距离。这种方式虽保证了生产过程中操作人员的人身安全,但却无法通过人机协作提高作业的效率。因此,如何实现机器人与人之间的安全协作,是现代机器人技术研究的重要方向，也是实现机器人智能化以及机器人走进人类生活的重要前提。
机器人关节是机器人系统的重要组成部分，传统的机器人设计中，关节设计主要采用刚性的设计方法,采用电机与减速器直接刚性连接执行部件。这种关节设计缺乏柔性单元，使得机器人关节容易受到外部冲击而损坏，更重要的是容易造成人类受伤，增加了安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单，用于串联弹性驱动关节的平面扭簧与方法。解决了现有平面扭簧最大相对旋转角度较小，容易受径向或轴向载荷发生离心偏移的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，包括内环4、外环1以及若干固定在内环4与外环1之间的波浪形弹性体单元3；
所述波浪形弹性体单元3沿圆周均匀分布，每个弹性单元由若干个半圆弧依次串联构成。波浪形弹性体单元3的宽度方向垂直于内环4和外环1的圆周平面。
每个波浪形弹性体单元3除了首尾连接部分为劣弧，其余部分均由多个160°～180°的半圆弧相切相连。
波浪形弹性体单元3，由外环1至内环4延伸方向逐渐增厚。
波浪形弹性体单元3由外环1至内环4延伸方向厚度相等。
波浪形弹性体单元3的厚度是中间薄、两端厚；即由波浪形弹性体单元3的中间分别向外环1至内环4延伸方向逐渐增厚。
外环1的周围分布有若干个用于连接负载的负载螺栓孔2；内环4的周围分布有若干个用于连接减速器的减速器螺栓孔5。
波浪形弹性体单元3数量(轮辐数)一般为3至9个，每个波浪形弹性体单元3内的半圆弧数量为3至5个；当然，为适应不同工况下对扭簧性能的要求，其数量及其厚度可根据具体要求而定。
安装时外环1通过负载螺栓孔2与负载固定、内环4通过减速器螺栓孔5与减速器输出端固定；
运行时电机经过减速器带动内环4转动，内环4与外环1之间波浪形弹性体单元3发生弹性形变，并带动连接在外环1上的负载运动。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明波浪形弹性体单元3沿圆周均匀分布，每个弹性单元由若干个半圆弧依次串联构成；波浪形弹性体单元3的宽度方向垂直于内环4和外环1的圆周平面。这种结构的扭簧在承受较大扭矩的情况下，具有较大的内环与外环的相对扭转角度，并且在一环固定，另一环受到径向力或者轴向力的时候，偏心的幅度很小，从而使得串联弹性驱动关节获得较好的柔顺性的同时，也提高了控制精度以及减小了控制难度。
本发明的波浪形弹性体单元3结构紧凑，所使用的弹性单元曲线圆弧简单，便于模型的构建，也便于加工，不仅满足了串联弹性驱动关节对大转角的使用设计需求,也通过减小轴向与径向的位移偏心量来提高控制精度以及减小控制难度。
附图说明
图1为本发明串联弹性驱动关节的平面扭簧的立体结构示意图。
图2为图1平面结构示意图。
图3为现有技术扭簧平面结构示意图一。
图4为现有技术扭簧平面结构示意图二。
图5为现有技术扭簧平面结构示意图三。
图6为现有技术扭簧平面结构示意图四。
图7为现有技术扭簧平面结构示意图五。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1、图2所示，本发明用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，包括内环4、外环1以及若干固定在内环4与外环1之间的波浪形弹性体单元3；
所述波浪形弹性体单元3沿圆周均匀分布，每个弹性单元由若干个半圆弧依次串联构成。波浪形弹性体单元3的宽度方向垂直于内环4和外环1的圆周平面。每个波浪形弹性体单元3除了首尾连接部分为劣弧，其余部分均由多个160°～180°的半圆弧相切相连。
在实际生产和应用中,可以根据不同工况下对扭簧性能的要求调整波浪形弹性体单元3宽度、半圆弧数量、单元数量和簧片的厚度。
本发明的平面扭簧结构紧凑,所使用的弹性单元曲线圆弧简单,便于模型的构建，也便于加工，不仅满足了串联弹性驱动关节对大转角的使用设计需求,也通过减小轴向与径向的位移偏心量来提高控制精度以及减小控制难度。
为了进一步说明本发明的效果,下面通过两个对比实验与本实施例进行对比。
使用仿真软件针对具有不同结构形式的弹性体单元的平面扭簧做结构应力分析，其中,两个对比例与实施例的内环、外环的尺寸和材料完全相同,弹性体单元的材料和厚度完全相同。
仿真所选用的材料为maraging steel300,其物理参数设定如下：
密度：8.00g/cm3
杨氏模量:210GPa
最终拉伸强度:1.966GPa
屈服拉伸强度：1/897GPa
剪切模量：77GPa
体积模量：140GPa
实验一：
仿真时固定平面扭簧的外环,然后在内环上施加一相同的外力矩,从而计算出平面扭簧在相同扭矩下的最大变形角度。
本发明结构的平面扭簧在试验中与图3至图7中各结构平面扭簧在30Nm的相同转矩仿真中得到的内外圈扭转角度如表1所示。
表1：
表1所示，本发明结构与其他现有技术的结构相比，具有较小的体积，浙江消耗较少的材料，而且能实现较大范围的转角，符合串联弹性驱动关节对其具有较大柔顺性的要求。
下面选取转角较大的作对比：本发明、图6、图7结构继续进行试验二。
试验二：
仿真时候固定平面扭簧的外环，分别对内环施加不同方向轴向力以及径向力，计算出在相同外力情况下内环与外环的圆心偏移距离。
本发明结构的平面扭簧在试验中与图6、图7结构中的平面扭簧分别在100N的径向力或轴向力下的内环外环圆心偏移距离如表2所示。
表2：
如表2所示，本发明在承受径向以及轴向的载荷下，偏移量均远远小于图6或者图7结构的扭簧，而且图6结构的扭簧在不同方向径向力下还会呈现出不同的偏移量，这样会大大的减小了控制精度以及增加了控制难度。本发明的扭簧在承受径向或轴向载荷的条件下能表现出来的这种小形变性的优异的性能，能在面对不确定外界受力因素下，提高了末端执行器控制精度并且降低了控制难度。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于：包括内环(4)、外环(1)以及若干固定在内环(4)与外环(1)之间的波浪形弹性体单元(3)；
所述波浪形弹性体单元(3)沿圆周均匀分布，每个弹性单元由若干个半圆弧依次串联构成。
2.根据权利要求1所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，波浪形弹性体单元(3)的宽度方向垂直于内环(4)和外环(1)的圆周平面。
3.根据权利要求2所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，每个波浪形弹性体单元(3)除了首尾连接部分为劣弧，其余部分均由多个160°～180°的半圆弧相切相连。
4.根据权利要求3所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，波浪形弹性体单元(3)，由外环(1)至内环(4)延伸方向逐渐增厚。
5.根据权利要求3所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，波浪形弹性体单元(3)由外环(1)至内环(4)延伸方向厚度相等。
6.根据权利要求3所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，波浪形弹性体单元(3)的厚度是中间薄、两端厚；即由波浪形弹性体单元(3)的中间分别向外环(1)至内环(4)延伸方向逐渐增厚。
7.根据权利要求1至6中任一项所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，外环(1)的周围分布有若干个用于连接负载的负载螺栓孔(2)；内环(4)的周围分布有若干个用于连接减速器的减速器螺栓孔(5)。
8.根据权利要求7所述用于串联弹性驱动关节的平面扭簧，其特征在于，波浪形弹性体单元(3)数量为3至9个。
9.一种驱动关节的连接方法，其特征在于采用权利要求1至7中任一项所述串联弹性驱动关节的平面扭簧实现，其包括如下步骤：
安装步骤：安装时外环(1)通过负载螺栓孔(2)与负载固定、内环(4)通过减速器螺栓孔(5)与减速器输出端固定；
运行步骤：运行时电机经过减速器带动内环(4)转动，内环(4)与外环(1)之间波浪形弹性体单元(3)发生弹性形变，并带动连接在外环(1)上的负载运动。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170707 |