CN107571255B - 一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器。现有柔顺驱动器驱动反应滞后，柔顺性不可控。本发明的中空旋转平台的内圈由外力驱动，并带动电刷转子及输出盘转动；内转盘包括盘体和中心螺柱；平面扭簧内圈与输出盘固定，外圈与十字支撑架及盘体固定；外转盘支承在中心螺柱上，且外转盘与盘体相对的端面压紧，压紧力由调节装置调节；盘体靠近外缘处开设2～4个凹槽；凹槽内注有磁流变液；凹槽底部开设两个通液孔，管道连通两个通液孔外端；管道上缠绕有线圈；外转盘内端面设有与凹槽数量相等的柱状体，每个柱状体嵌入对应一个凹槽内，将凹槽分隔成两个腔。本发明有效增加驱动器柔顺性，同时运动柔顺程度可控。

Description

一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及使用磁流变液材料制成用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器。

背景技术

机器人伴随着人类提高生产效率，减轻劳动负担的需要而诞生，随着人类生活水平的提高，机器人在人们生活中的作用越来越凸显，与人类的关系也越来越密切，由此带来的机器人与人和环境三者之间的安全交互问题成为了人们关注的焦点。

目前机器人的设计大多采用的是单一的刚性结构，虽然可以保证位置、精度要求，但在与人交互过程中存在极大的安全隐患。近几年，学者们针对机器人柔顺关节驱动进行了大量的研究，提出了利用构建柔顺驱动结构、串联弹性元件、半主动控制技术等方法，使得机器人在实际工作中避免因外部冲击而毁坏，提高机器人与人的安全交互性。而目前，基于智能材料，借助其优异的功能特性和适应性研究出的柔顺驱动器是最符合机器人技术发展趋势的。

在目前已知的机器人关节柔顺驱动器中，大多采用引入弹性元件技术。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中使用了弹性元件平面扭簧，开创了国内适用于机器人关节平面扭簧的先例，不仅解决了传统弹簧占用空间大等问题，同时也扩大了变刚度范围。但是现有的关节柔顺驱动器仍然存在运动反应滞后及柔顺性不可控等问题，因此现有的柔顺驱动技术仍无法满足新型机器人发展趋势中的使用要求。

发明内容

本发明针对上述柔顺驱动器中驱动反应滞后及柔顺性不可控等问题，提供一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器。

本发明的技术解决方案如下：

本发明包括驱动系统和变阻尼变刚度结构。所述的驱动系统包括步进电机和中空旋转平台；步进电机的底座固定在中空旋转平台的外圈一侧，中空旋转平台的外圈和内圈构成转动副；所述的步进电机驱动中空旋转平台的内圈转动；所述的变阻尼变刚度结构包括输出盘、内转盘、外转盘、十字支撑架、平面扭簧、电刷和调节装置；所述电刷的电刷定子由螺钉固定在中空旋转平台的外圈上，电刷的电刷转子通过端面法兰结构与输出盘固定；所述的输出盘通过端面的法兰结构与中空旋转平台的内圈固定；所述的内转盘包括一体成型的盘体和中心螺柱；所述的平面扭簧内圈通过螺钉与输出盘固定，平面扭簧的外圈与十字支撑架及内转盘的盘体通过螺钉固定；输出盘靠近内转盘的一侧设有支承轴，支承轴穿过平面扭簧的内圈和十字支撑架的中心孔设置，内转盘的盘体通过第一深沟球轴承支承在支承轴上；所述的外转盘通过第二深沟球轴承支承在中心螺柱上，且外转盘与内转盘盘体相对的端面压紧设置，压紧力通过调节装置调节；内转盘的盘体靠近外缘处开设有2～4个凹槽；凹槽内注有磁流变液；凹槽底部开设有沿周向排布的两个通液孔，管道连通两个通液孔外端；管道上缠绕有线圈；外转盘内端面设有与凹槽数量相等的柱状体，每个柱状体嵌入对应一个凹槽内，将凹槽分隔成两个腔。

所述的十字支撑架开设有周向均布的四个限位槽，平面扭簧的内圈通过四个螺钉与输出盘固定，该四个螺钉的螺钉头分别嵌入对应一个限位槽内。

所述第一深沟球轴承的内圈两端面分别通过输出盘的轴肩和盘体的轴肩进行轴向定位。

所述的调节装置包括螺母和轴承卡圈；所述的螺母与内转盘的中心螺柱螺纹连接，并压紧第二深沟球轴承内圈外端面；螺母与第二深沟球轴承内圈之间设置垫圈；所述的盘体端面开设有环形槽口；环形槽口靠近中心螺柱的侧壁与中心螺柱柱面之间形成过渡轴肩；环形槽口底部开设沿周向均布的3～6个通孔；第二深沟球轴承内圈内端面通过盘体的过渡轴肩轴向定位。

所述外转盘的中心孔处开设有卡槽，嵌入卡槽内的轴承卡圈外端面由第二深沟球轴承外圈内端面轴向定位。

所述的凹槽顶部边沿开设密封槽放置密封圈。

所述的柱状体高度与凹槽深度相等。

所述的柱状体与凹槽的侧壁间隙配合，保证柱状体的转动不受凹槽侧壁干涉，同时避免凹槽两个腔的磁流变液互流。

所述的凹槽和柱状体的截面形状均包括内圆弧、外圆弧以及连接内、外圆弧两端的两段端部圆弧；柱状体的内圆弧长度比凹槽的内圆弧长度小一半，柱状体的外圆弧长度比凹槽的外圆弧长度小一半。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用了由内、外转盘制成的离合器，有效增加了驱动器的柔顺性，也达到可控阻尼的目的；

2、本发明利用平面扭簧结构，使驱动器系统的刚度可变，同时在运动过程中可由弹性元件存储能量，减小驱动器的能量损耗；

3、本发明利用十字支撑架结构，减少平面扭簧和内装盘之间的接触面积从而减少摩擦；十字支撑架上所开限位槽对平面扭簧的转动行程起到限制作用，防止因过冲而导致的破坏；

4、本发明利用磁流变液毫秒级别的反应特性，解决变阻尼系统在运动过程中滞后、不可控的问题，同时可以避免因变阻尼而带来的振动问题；

5、本发明所用的磁场发生装置结构简单，耗能较少，且可靠性高；

6、本发明所用通过在凹槽面上开槽放置密封圈来实现密封作用，相较传统的密封设置节约了空间，简化了结构；

7、本发明利用外转盘圆弧边的柱状体将内转盘凹槽分隔成两个腔，在挤压液体进通液孔时，通过逐渐覆盖通液孔，可减小流体冲击，使驱动器达到节流、减速的作用；

8、本发明利用电刷对线圈进行供电，避免在磁流变离合器运动过程中线圈上供电导线发生缠绕。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明的整体结构剖视图；

图3是本发明的整体结构爆炸图；

图4是本发明的内转盘初始位置立体图；

图5是本发明的内转盘极限位置示意图；

图6是本发明的外转盘结构立体图；

图7是本发明的平面扭簧结构立体图；

图8是本发明的十字支撑架结构示意图。

图中：1、步进电机；2、中空旋转台的外圈；3、中空旋转台的内圈；4、输出盘；5、平面扭簧；6、十字支撑架；7、第一深沟球轴承；8、内转盘；9、线圈；10、管道；11、通液孔；12、环形槽口；13、过渡轴肩；14、凹槽；15、轴承卡圈；16、第二深沟球轴承；17、垫圈；18、外转盘；19、卡槽；20、螺母；21、柱状体；22、密封圈；23、磁流变液；24、输出电接头；25、电刷转子；26、电刷定子；27、通电导线。

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、5、6、7和8所示，一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，包括驱动系统和变阻尼变刚度结构。驱动系统包括步进电机1和中空旋转平台；步进电机1的底座固定在中空旋转平台的外圈2一侧，中空旋转平台的外圈2和内圈3构成转动副；步进电机1驱动中空旋转平台的内圈3转动；变阻尼变刚度结构包括输出盘4、内转盘8、外转盘18、密封圈22、平面扭簧5、十字支撑架6、第一深沟球轴承7、第二深沟球轴承16、垫圈17、螺母20和电刷；电刷的电刷定子26由螺钉固定在中空旋转平台的外圈上，电刷的电刷转子25通过端面法兰结构与输出盘4固定；电刷的电刷转子25上设有输出电接头24；输出盘4通过端面的法兰结构与中空旋转平台的内圈3固定；内转盘8包括一体成型的盘体和中心螺柱；十字支撑架6开设有周向均布的四个限位槽，平面扭簧5的内圈通过四个螺钉与输出盘4固定，该四个螺钉的螺钉头分别嵌入对应一个限位槽内；平面扭簧5的外圈与十字支撑架6及内转盘8的盘体通过螺钉固定；十字支撑架和平面扭簧贴合，在一定程度上可防止平面扭簧在径向的变形；输出盘4靠近内转盘8的一侧设有支承轴，支承轴穿过平面扭簧5的内圈和十字支撑架6的中心孔设置，内转盘8的盘体通过第一深沟球轴承7支承在支承轴上；第一深沟球轴承7的内圈两端面分别通过输出盘4的轴肩和盘体的轴肩进行轴向定位；盘体端面开设有环形槽口12；环形槽口12靠近中心螺柱的侧壁与中心螺柱柱面之间形成过渡轴肩13；环形槽口底部开设沿周向均布的3～6个(这里取4个)通孔。外转盘18通过第二深沟球轴承16支承在中心螺柱上，且外转盘18与内转盘8盘体相对的端面接触；螺母20与内转盘18的中心螺柱螺纹连接，并压紧第二深沟球轴承16内圈外端面；螺母20与第二深沟球轴承16内圈之间设置垫圈17；第二深沟球轴承16内圈内端面通过过渡轴肩13轴向定位；外转盘18的中心孔开设有卡槽19，嵌入卡槽19内的轴承卡圈15外端面由第二深沟球轴承16外圈内端面轴向定位。

如图4和5所示，内转盘8的盘体靠近外缘处开设有2～4个(这里取4个)凹槽14，图中为直观了解变阻尼工作原理，将外转盘18上的柱状体21画入到内转盘8的凹槽内部；凹槽14内注有磁流变液23；凹槽顶部边沿开设密封槽放置密封圈22，凹槽底部开设有沿周向排布的两个通液孔11，管道10连通两个通液孔外端；管道10上缠绕有线圈9；外转盘18内端面设有与凹槽数量相等的柱状体，每个柱状体嵌入对应一个凹槽内，将凹槽分隔成两个腔；柱状体高度与凹槽深度相等。通过调节螺母压紧第二深沟球轴承16，再传递到轴承卡圈15压紧外转盘18，从而来调节内、外转盘间隙，密封圈22随外转盘18端面挤压力变化而变形，保证密封性。凹槽和柱状体的截面形状均包括内圆弧、外圆弧以及连接内、外圆弧两端的两段端部圆弧；柱状体的内圆弧长度比凹槽的内圆弧长度小一半，柱状体的外圆弧长度比凹槽的外圆弧长度小一半。柱状体的截面形状呈圆弧状，在挤压内转盘凹槽内的磁流变液时，可减小磁流变液通过通液孔时的流体冲击，达到节流、减速的目的。

该柔性驱动器的工作原理如下：

对机器人关节进行运动控制时，要求该柔性驱动器可实现针对关节可控阻尼的柔顺驱动。步进电机1通过中空旋转平台内圈3带动输出盘4同步转动。输出盘4在步进电机1的驱动下带动平面扭簧5转动，再经过平面扭簧5带动内转盘8转动。平面扭簧5由于其外圈与内转盘8的盘体相连，内圈与输出盘4相连，在驱动内转盘8转动时，平面扭簧5的内、外圈形成的相对位移可提供柔性，使整个结构的刚度可变；十字支撑架6同平面扭簧5的外圈一起与内转盘8的盘体相连，十字支撑架6所开限位槽对平面扭簧5的内圈转动行程起到限制作用，防止因过冲而导致的破坏；内转盘8的凹槽14被外转盘18的柱状体21分成两个腔，在内转盘8转动时，凹槽内一腔的磁流变液23被柱状体21边缘挤压，经过通液孔11进入管道10中，再由另一腔的通液孔流出，此过程中一个腔的通液孔逐渐被柱状体覆盖，流速不断减小，阻尼力不断增加，当内转盘8运动到通液孔被完全覆盖时，由于液体的不可压缩性，腔内剩余磁流变液23阻碍内转盘继续转动，使其达到极限位置，避免同柱状体21发生刚性碰撞的情况，此时阻尼力达到最大。由于柱状体21的边缘呈圆弧状，在逐渐覆盖通液孔11时可减小受挤压液体在进入管道10时的冲击。外接电源经电刷的输出电接头24引出通电导线27对线圈9施加电流，电刷转子25跟随输出盘4一起转动，避免线圈9上的通电导线因内转盘8的转动而发生缠绕的情况。在线圈9通电的情况下，根据电磁效应将会产生磁场，在管道10内的磁流变液受到磁场作用会发生磁流变效应，磁流变液由液体转变为类固体，提供随磁场强度变化的可变阻尼力。本发明借助磁流变液特殊的流变特性和可变阻尼、可变刚度的设计使整个驱动器实现阻尼可控的柔顺驱动。

以上通过附图及实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，在不背离本发明的思想和范围下作出在形式和细节上的各种修改和改变，都将是对本发明的侵犯。

Claims (9)

1.一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，包括驱动系统和变阻尼变刚度结构，其特征在于：所述的驱动系统包括步进电机和中空旋转平台；步进电机的底座固定在中空旋转平台的外圈一侧，中空旋转平台的外圈和内圈构成转动副；所述的步进电机驱动中空旋转平台的内圈转动；所述的变阻尼变刚度结构包括输出盘、内转盘、外转盘、十字支撑架、平面扭簧、电刷和调节装置；所述电刷的电刷定子由螺钉固定在中空旋转平台的外圈上，电刷的电刷转子通过端面法兰结构与输出盘固定；电刷的电刷转子上设有输出电接头；所述的输出盘通过端面的法兰结构与中空旋转平台的内圈固定；所述的内转盘包括一体成型的盘体和中心螺柱；所述的平面扭簧内圈通过螺钉与输出盘固定，平面扭簧的外圈与十字支撑架及内转盘的盘体通过螺钉固定；输出盘靠近内转盘的一侧设有支承轴，支承轴穿过平面扭簧的内圈和十字支撑架的中心孔设置，内转盘的盘体通过第一深沟球轴承支承在支承轴上；所述的外转盘通过第二深沟球轴承支承在中心螺柱上，且外转盘与内转盘盘体相对的端面压紧设置，压紧力通过调节装置调节；内转盘的盘体靠近外缘处开设有2～4个凹槽；凹槽内注有磁流变液；凹槽底部开设有沿周向排布的两个通液孔，管道连通两个通液孔外端；管道上缠绕有线圈；输出电接头引出通电导线接线圈；外转盘内端面设有与凹槽数量相等的柱状体，每个柱状体嵌入对应一个凹槽内，将凹槽分隔成两个腔。

2.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述的十字支撑架开设有周向均布的四个限位槽，平面扭簧的内圈通过四个螺钉与输出盘固定，该四个螺钉的螺钉头分别嵌入对应一个限位槽内。

3.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述第一深沟球轴承的内圈两端面分别通过输出盘的轴肩和盘体的轴肩进行轴向定位。

4.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述的调节装置包括螺母和轴承卡圈；所述的螺母与内转盘的中心螺柱螺纹连接，并压紧第二深沟球轴承内圈外端面；螺母与第二深沟球轴承内圈之间设置垫圈；所述的盘体端面开设有环形槽口；环形槽口靠近中心螺柱的侧壁与中心螺柱柱面之间形成过渡轴肩；环形槽口底部开设沿周向均布的3～6个通孔；第二深沟球轴承内圈内端面通过盘体的过渡轴肩轴向定位。

5.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述外转盘的中心孔处开设有卡槽，嵌入卡槽内的轴承卡圈外端面由第二深沟球轴承外圈内端面轴向定位。

6.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述的凹槽顶部边沿开设密封槽放置密封圈。

7.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述的柱状体高度与凹槽深度相等。

8.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述的柱状体与凹槽的侧壁间隙配合。

9.根据权利要求1所述的一种用于机器人关节的可控阻尼的柔顺驱动器，其特征在于：所述的凹槽和柱状体的截面形状均包括内圆弧、外圆弧以及连接内、外圆弧两端的两段端部圆弧；柱状体的内圆弧长度比凹槽的内圆弧长度小一半，柱状体的外圆弧长度比凹槽的外圆弧长度小一半。