CN107989960B - 用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件 - Google Patents

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Abstract

用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，它涉及一种金属橡胶弹性元件。本发明为了解决现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制存在需要额外增加电机等控制元件，体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶做成的被动减振弹性元件存在性质不稳定、寿命有限问题；只采用金属橡胶无应变片设计的被动减振弹性元件不能准确估计力矩的问题。本发明的外圈基本体套装在内圈‑传感器组合体上，多个电阻应变片安装在内圈‑传感器组合体上，多个金属橡胶片内嵌到外圈基本体和内圈‑传感器组合体围合区域的空间内，挡板盖装在外圈基本体上。本发明用于柔性机器人关节的关节驱动，兼具力矩感知和被动减振作用。

Description

用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件
技术领域
本发明涉及一种金属橡胶弹性元件，具体涉及一种用于柔性机器人关节上的使用金属橡胶材料的被动减振弹性元件，属于机器人领域。
背景技术
随着机器人应用领域不断拓展，越来越多的机器人走出隔离间，工作在有人类存在的环境中，这对机器人运行的安全性提出了很高要求。为了保证人类的安全，采用串联弹性驱动器的柔性机器人不断问世。通过在机器人关节的电机减速器输出端和负载之间串联扭簧等柔性元件，减小了机器人的输出阻抗，提高了机器人的安全性。但是，机器人关节柔性的提高，使机器人运作时产生振动，从而大大降低了机器人位置控制的精确性。为了抑制机器人振动，可采用主动、半主动和被动三种减振方法。主动振动控制是利用控制算法减小振动，可靠性差。半主动振动控制需要额外增加电机等控制元件，体积大，构造复杂。哈尔滨工业大学机器人研究所曾设计一款被动减振的柔性元件，该元件采用金属橡胶作为阻尼减振材料，结构简单，但是金属橡胶受到周期性载荷时具有滞回特性，其承受的力矩和弹性变形不具有一一对应关系，因此不能准确估计其承受的力矩。
综上所述，现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制存在需要额外增加电机等控制元件，体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在性质不稳定、寿命有限的问题。只采用金属橡胶无应变片设计做成的被动减振弹性元件不能准确估计力矩的问题
发明内容
本发明的目的是为了解决现有抑制柔性机器人振动采用主动振动控制存在可靠性差的问题；采用半主动振动控制存在需要额外增加电机等控制元件，体积大，构造复杂的问题；采用普通橡胶材料做成的被动减振弹性元件存在性质不稳定、寿命有限的问题。只采用金属橡胶无应变片设计做成的被动减振弹性元件不能准确估计力矩的问题。进而提供用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件。
本发明的技术方案是：用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，它包括外圈基本体1、内圈-传感器组合体2、挡板5、轴承组6、多个金属橡胶片3和多个电阻应变片4，外圈基本体1套装在内圈-传感器组合体2上，多个电阻应变片4安装在内圈-传感器组合体2上，轴承组6安装在内圈-传感器组合体2上，多个金属橡胶片3内嵌到外圈基本体1和内圈-传感器组合体2围合区域的空间内，挡板5盖装在外圈基本体1上。
进一步地，外圈基本体1包括外圈1-1和外圈挡板1-2，外圈1-1为圆环形外圈，外圈1-1的圈体沿其自身的轴线方向开设多个连接孔1-3，外圈挡板1-2呈环形阵列的方式固定安装在外圈1-1的内侧壁上。
进一步地，外圈1-1和外圈挡板1-2制成一体。
进一步地，内圈-传感器组合体2包括内圈2-1、内圈底板2-2、传感器2-4和两个内圈挡板2-3，传感器2-4安装在内圈底板2-2的一侧，内圈2-1安装在内圈底板2-2的另一侧中心位置处，轴承组6安装在内圈2-1内，两个内圈挡板2-3安装在内圈2-1外侧的内圈底板2-2上。
进一步地，外圈挡板1-2与内圈挡板2-3交错布置。
进一步地，内圈2-1、内圈底板2-2、内圈挡板2-3和传感器2-4制成一体。
进一步地，两个内圈挡板2-3对称安装在内圈2-1外侧的内圈底板2-2上。
进一步地，传感器2-4包括传感器外圈2-4-1、传感器内圈2-4-3和应变梁2-4-2，传感器外圈2-4-1上设有两个应变梁2-4-2，每个应变梁2-4-2的两侧分别安装有一个电阻应变片4，传感器内圈2-4-3内嵌到传感器外圈2-4-1上。
进一步地，内圈底板2-2和传感器2-4之间通过电火花加工工艺在横向和纵向方向上切割出通透的缝隙2-5和与缝隙2-5连通的通孔2-6。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明采用金属橡胶材料作为阻尼减振材料，与普通橡胶相比，其利用金属丝间的摩擦产生阻尼，阻尼特性更大，减振效果更好，且其物理性质更稳定，使用寿命更长。同时作为被动减振方案，使得本发明结构简单，工作可靠，是理想的振动控制方案。
2、由于采用金属橡胶，本发明的弹性元件能产生10°以上较大的弹性变形，赋予机器人关节更大的柔性。
3、金属橡胶具有非线性刚度特性，采用本发明的机器人关节能实现更大的力矩输出范围和刚度调节范围。
4、本发明设计有应变梁，其上贴有电阻式应变片，能够感知弹性元件承受的扭转载荷，起到力矩传感器的作用。即本发明的弹性元件是集柔性变形和力矩感知于一体的。比较于无传感器的设计，本发明在机器人关节使用上更有前途。
5、本发明具有较大的输出力矩，能实现几十Nm到几百Nm的扭矩输出,能够驱动大负载。
附图说明
图1是本发明装配图的剖面视图；图2是本发明的装配图爆炸视图；图3是内圈-传感器组合体的侧视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，它包括外圈基本体1、内圈-传感器组合体2、挡板5、轴承组6、多个金属橡胶片3和多个电阻应变片4，外圈基本体1套装在内圈-传感器组合体2上，多个电阻应变片4安装在内圈-传感器组合体2上，轴承组6安装在内圈-传感器组合体2上，多个金属橡胶片3内嵌到外圈基本体1和内圈-传感器组合体2围合区域的空间内，挡板5盖装在外圈基本体1上。
本发明结构上采用分体式设计。本实施方式是一种柔性机器人关节用集力矩感知和减振特性于一体的旋转型弹性元件，以解决现有抑制柔性机器人振动所采用的方法中存在的可靠性差，结构设计复杂，减振效果不明显等问题，同时弹性元件上的应变梁部位贴有电阻应变片，能够感知弹性元件受到的总力矩，起到力矩传感器的作用。
具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈基本体1包括外圈1-1和外圈挡板1-2，外圈1-1为圆环形外圈，外圈1-1的圈体沿其自身的轴线方向开设多个连接孔1-3，外圈挡板1-2呈环形阵列的方式固定安装在外圈1-1的内侧壁上。如此设置，结构简单，便于为内圈基本体2提供支撑连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈1-1和外圈挡板1-2制成一体。如此设置，便于生产制造，节约生产和制造成本以及生产周期。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的内圈-传感器组合体2包括内圈2-1、内圈底板2-2、传感器2-4和两个内圈挡板2-3，传感器2-4安装在内圈底板2-2的一侧，内圈2-1安装在内圈底板2-2的另一侧中心位置处，轴承组6安装在内圈2-1内，两个内圈挡板2-3安装在内圈2-1外侧的内圈底板2-2上。如此设置，减小了螺栓连接件使用，节省了机器人关节空间。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的外圈挡板1-2与内圈挡板2-3交错布置。如此设置，有效防止外圈挡板1-2与内圈挡板2-3干涉。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
本实施方式的轴承组6坐落于内圈2-1和挡板5之间，用于保证内圈-传感器组合体2和外圈基本体1同轴度。本发明用于柔性机器人关节中。
具体实施方式六：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的内圈2-1、内圈底板2-2、内圈挡板2-3和传感器2-4制成一体。如此设置，结构简单，便于生产制造。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的两个内圈挡板2-3对称安装在内圈2-1外侧的内圈底板2-2上。。如此设置，便于保证柔性机器人的减振精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的传感器2-4包括传感器外圈2-4-1、传感器内圈2-4-3和应变梁2-4-2，传感器外圈2-4-1上设有两个应变梁2-4-2，每个应变梁2-4-2的两侧分别安装有一个电阻应变片4，传感器内圈2-4-3内嵌到传感器外圈2-4-1上。如此设置，连接更加简单、方便、灵活。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
本实施方式的挡板5的周边有若干通孔，通过螺栓连接在外圈基本体1上，同时该螺栓组将弹性元件装配体与机器人负载端相连。
电阻式应变片4分别贴在两个相对的应变梁2-4-2的两侧，用于感知弹性元件承受的力矩。
金属橡胶片3坐落在由外圈1-1、外圈挡板1-3、内圈2-1、内圈底板2-2、内圈挡板2-3和挡板5包围的密封空间内。
具体实施方式九：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式的内圈底板2-2和传感器2-4之间通过电火花加工工艺在横向和纵向方向上切割出通透的缝隙2-5和与缝隙2-5连通的通孔2-6。如此设置，横向和纵向方向上的通孔2-6是用于在电火花加工时穿过金属丝的工艺孔。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
本发明的工作原理：
在机器人关节中，电机输出的动力经减速器传到弹性元件的传感器内圈2-4-3上，传感器内圈2-4-3上的螺纹孔是弹性元件的动力输入端口。动力传递到传感器内圈2-4-3后，经由应变梁2-4-2、传感器外圈2-4-1、内圈底板2-2、内圈挡板2-3、金属橡胶片3、外圈挡板1-2传递到外圈1-1上，最后作用到负载。由于金属橡胶片产生较大的变形，整个弹性元件在动力传递过程中会产生弹性变形，赋予机器人柔性特性。由于金属橡胶片3中的金属丝在传递动力过程中处于压缩状态，且金属丝间产生摩擦，引入阻尼，在动力传递的过程中会损耗掉部分能量，实现了弹性元件被动减振功能。同时，应变梁1-2上贴有电阻式应变片4，能够感知弹性元件承受的力矩，起到扭矩传感器的作用。

Claims (7)

1.一种用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：它包括外圈基本体(1)、内圈-传感器组合体(2)、挡板(5)、轴承组(6)、多个金属橡胶片(3)和多个电阻应变片(4)，外圈基本体(1)套装在内圈-传感器组合体(2)上，多个电阻应变片(4)安装在内圈-传感器组合体(2)上，轴承组(6)安装在内圈-传感器组合体(2)上，多个金属橡胶片(3)内嵌到外圈基本体(1)和内圈-传感器组合体(2)围合区域的空间内，挡板(5)盖装在外圈基本体(1)上；内圈-传感器组合体(2)包括内圈(2-1)、内圈底板(2-2)、传感器(2-4)和两个内圈挡板(2-3)，传感器(2-4)安装在内圈底板(2-2)的一侧，内圈(2-1)安装在内圈底板(2-2)的另一侧中心位置处，轴承组(6)安装在内圈(2-1)内，两个内圈挡板(2-3)安装在内圈(2-1)外侧的内圈底板(2-2)上；传感器(2-4)包括传感器外圈(2-4-1)、传感器内圈(2-4-3)和应变梁(2-4-2)，传感器外圈(2-4-1)上设有两个应变梁(2-4-2)，每个应变梁(2-4-2)的两侧分别安装有一个电阻应变片(4)，传感器内圈(2-4-3)内嵌到传感器外圈(2-4-1)上。
2.根据权利要求1所述的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：外圈基本体(1)包括外圈(1-1)和外圈挡板(1-2)，外圈(1-1)为圆环形外圈，外圈(1-1)的圈体沿其自身的轴线方向开设多个连接孔(1-3)，外圈挡板(1-2)呈环形阵列的方式固定安装在外圈(1-1)的内侧壁上。
3.根据权利要求2所述的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：外圈(1-1)和外圈挡板(1-2)制成一体。
4.根据权利要求3所述的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：外圈挡板(1-2)与内圈挡板(2-3)交错布置。
5.根据权利要求4所述的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：内圈(2-1)、内圈底板(2-2)、内圈挡板(2-3)和传感器(2-4)制成一体。
6.根据权利要求5所述的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：两个内圈挡板(2-3)对称安装在内圈(2-1)外侧的内圈底板(2-2)上。
7.根据权利要求6所述的用于柔性机器人关节的能测量力矩的金属橡胶弹性元件，其特征在于：内圈底板(2-2)和传感器(2-4)之间通过电火花加工工艺在横向和纵向方向上切割出通透的缝隙(2-5)和与缝隙(2-5)连通的通孔(2-6)。
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