CN108297127B - 一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节 - Google Patents

一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节 Download PDF

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Abstract

一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，它涉及机器人技术。本发明为解决现有串联弹性驱动器刚度固定，动态性能差，增加能量损耗的问题。本发明包括关节壳体、齿轮传动机构、关节输出、关节端磁编码器、两个关节电机、两个谐波减速器和两个刚度调节机构，关节电机对称固接在关节壳体的内部，齿轮传动机构包括一个输出端和两个输入端，关节电机的电机轴通过谐波减速器与齿轮传动机构的输入端连接，齿轮传动机构的输出端与关节输出连接，关节端磁编码器与齿轮传动机构连接，谐波减速器的两侧对称设有刚度调节机构。本发明用于柔性关节机械人。

Description

一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节
技术领域
本发明涉及机器人技术，具体涉及一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节。
背景技术
传统的工业机器人为了保证速度和位置精度，常采用“刚性设计，控制实现安全”模式，在结构化环境中按照既定的轨迹进行动作，以完成特定的任务，关节多采用刚性设计方法。随着机器人工作时与人接触的机会越来越多，迫切需要一种能够应用于与人协作的环境中，对环境友好、且不对外界环境产生危害的机器人系统。
柔性关节机器人采用“设计实现安全，控制提高性能”模式，关节内部集成有被动柔顺结构。在与外界环境发生碰撞时，关节能在一定范围内产生柔性变形，从而起到一定的缓冲保护作用。柔性关节机器人已成为近些年来研究的热点之一。
目前，柔性关节大多采用串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator，SEA)技术。串联弹性驱动器在关节驱动端和负载端添加弹性元件，弹性元件一般为弹簧或特制扭转弹性体，柔性相对较大。串联弹性驱动器一方面大幅提高关节的柔顺特性，另一方面可以作为力传感器反馈关节实际力矩，从而使柔性关节机器人具有高负载/自重比、精确力控制、较好的抗冲击能力等特性。但串联弹性驱动器刚度固定，在大幅降低关节刚度的同时导致机器人的固有频率降低，从而减小了机器人的频带宽度，使其动态性能变差，增加能量损耗。
发明内容
本发明为了解决现有串联弹性驱动器刚度固定，动态性能差，增加能量损耗的问题，进而提出一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节包括关节壳体、齿轮传动机构、关节输出、关节端磁编码器、两个关节电机、两个谐波减速器和两个刚度调节机构，关节电机对称固接在关节壳体的内部，齿轮传动机构包括一个输出端和两个输入端，关节电机的电机轴通过谐波减速器与齿轮传动机构的输入端连接，齿轮传动机构的输出端与关节输出连接，关节端磁编码器与齿轮传动机构连接，谐波减速器的两侧对称设有刚度调节机构。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1、所设计的可变刚度被动柔顺关节采用两套关节电机和刚度调节机构共同驱动关节输出，关节刚度可在一定范围内调节，从而适用于不同的工作场合。
2、所设计的可变刚度被动柔顺关节通过齿轮传动机构减速，既可以将关节的最大输出力矩增加到20Nm，又可以实现关节刚度较大范围的调节。
3、本发明将所述谐波减速器的钢轮作为刚度调节机构的输入，从而大幅减小了关节的尺寸，使得构造可变刚度柔顺关节的仿人机械臂成为可能。
4、本发明的可变刚度被动柔顺关节提高了机器人的固有频率，增大了机器人的频带宽度，使其动态性能得到提升，降低了能量损耗。
附图说明
图1是本发明整体内部结构的轴测图；
图2是图1中A向视图；
图3是图1中B向视图；
图4是本发明中齿轮传动机构4的轴测图；
图5是本发明中刚度调节机构7的轴测图；
图6是本发明中圆柱凸轮701的轴测图；
图中：1关节壳体，2关节电机，3谐波减速器，4齿轮传动机构，5关节输出，6关节端磁编码器，7刚度调节机构；101弹簧固定端盖，102电机基座，103钢轮基座，104关节输出基座，105尼龙基座；201电机外壳，202定子，203转子，204电机轴，205电机端磁编码器；301波发生器，302钢轮，303柔轮；401电机端直齿轮，402中间直齿轮，403直齿圈，404齿圈盘；701圆柱凸轮，702凸轮滚子，703弹簧基座，704尼龙块，705线性弹簧。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节包括关节壳体1、齿轮传动机构4、关节输出5、关节端磁编码器6、两个关节电机2、两个谐波减速器3和两个刚度调节机构7，关节电机2对称固接在关节壳体1的内部，齿轮传动机构4包括一个输出端和两个输入端，关节电机2的电机轴204通过谐波减速器3与齿轮传动机构4的输入端连接，齿轮传动机构4的输出端与关节输出5连接，关节端磁编码器6与齿轮传动机构4连接，谐波减速器3的两侧对称设有刚度调节机构7。
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述关节电机2还包括电机外壳201，电机外壳201与关节壳体1固接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述关节电机2还包括定子202、转子203和电机端磁编码器205，定子202固接在电机外壳201的内部，转子203设置在定子202的内侧，转子203与定子202相对转动，电机端磁编码器205设置在电机外壳201的内部且与电机轴204连接。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述谐波减速器3包括波发生器301、钢轮302和柔轮303，波发生器301、柔轮303和钢轮302由内至外依次设置，波发生器301与电机轴204连接且同步旋转，柔轮303与齿轮传动机构4的输入端连接且同步旋转，钢轮302与刚度调节机构7连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述齿轮传动机构4包括中间直齿轮402、直齿圈403、齿圈盘404和两个电机端直齿轮401，两个电机端直齿轮401对称设置，电机端直齿轮401为齿轮传动机构4的输入端，电机端直齿轮401与中间直齿轮402相啮合，直齿圈403与中间直齿轮402相啮合，齿圈盘404与直齿圈403固接，齿圈盘404为齿轮传动机构4的输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
两个电机端直齿轮404作为齿轮传动机构4的输入端，通过齿轮啮合共同驱动中间直齿轮402；中间直齿轮402通过齿轮啮合驱动直齿圈403；直齿圈403通过螺钉带动齿圈盘404旋转。
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述关节端磁编码器6包括磁环和电路板，磁环与齿圈盘404连接且同步旋转，电路板与关节壳体1固接。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述关节端磁编码器6的磁环与齿圈盘404之间为过盈配合。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述刚度调节机构7包括圆柱凸轮701、两个凸轮滚子702、两个弹簧基座703、两个尼龙块704和两个线性弹簧705，圆柱凸轮701与关节壳体1转动连接，圆柱凸轮701中部的内侧与钢轮302固接，圆柱凸轮701的两侧分别各设有一个凸轮滚子702，凸轮滚子702的外侧端与弹簧基座703的一端固接，线型弹簧705的一端与弹簧基座703的另一端固接，线型弹簧705的另一端与关节壳体1固接，线型弹簧705的一侧设有尼龙块704，弹簧基座703的外侧壁上沿高度方向设有导向槽，尼龙块704嵌装在导向槽内，尼龙块704的外侧壁与关节壳体1固接，弹簧基座703与尼龙块704相对滑动。其它组成和连接方式与具体实施方式五、六或七相同。
钢轮302通过螺钉驱动圆柱凸轮701相对关节壳体1旋转；尼龙块704通过螺钉与关节壳体1固定连接；弹簧基座703具有导向槽，可相对尼龙块704做直线运动；线性弹簧705两端通过销分别与弹簧基座703和关节壳体1连接；凸轮滚子702在圆柱凸轮701和弹簧基座703的共同作用下，沿凸轮面做直动滚动运动，带动弹簧基座703压缩线性弹簧705。
具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述关节壳体1包括弹簧固定端盖101、电机基座102、钢轮基座103、关节输出基座104和尼龙基座105，弹簧固定端盖101固接在电机基座102的一端，关节输出基座104与电机基座102的另一端固接，钢轮基座103固接在关节输出基座104与电机基座102之间，尼龙基座105设置在线型弹簧705的另一侧，尼龙基座105与电机基座102固接。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述圆柱凸轮701设置在钢轮基座103上，圆柱凸轮701通过轴承与钢轮基座103转动连接。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。
工作原理
一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，该关节主要包括关节壳体1、关节电机2、谐波减速器3、齿轮传动机构4、关节输出5、关节端磁编码器6、刚度调节机构7；所述关节电机2的电机外壳201通过螺钉与关节壳体1固定连接；所述谐波减速器3的波发生器301通过螺钉与电机轴204连接并同步旋转；所述齿轮传动机构4的输入端通过销和螺钉与谐波减速器3的柔轮303连接并同步旋转；所述关节输出5通过螺钉与齿轮传动机构4的输出端连接并同步旋转；所述关节端磁编码器6的磁环通过过盈配合与齿轮传动机构4的齿圈盘404连接并同步旋转；所述关节端磁编码器6的电路板通过螺钉同关节壳体1固定连接；所述刚度调节机构7的圆柱凸轮701通过销和螺钉与谐波减速器3的钢轮302连接；所述刚度调节机构7的线性弹簧705的一端通过定位销同关节壳体1固定连接。
本发明的刚度调节功能实施方案：两个关节电机2同时反方向旋转一定角度，中间直齿轮402受到等大反向的力矩，关节输出5、电机端直齿轮401和柔轮303保持静止；关节电机2的力矩经钢轮302输出，钢轮302带动圆柱凸轮701旋转，从而压缩线性弹簧705一定长度，达到主动调节一定关节刚度的目的。
本发明的驱动功能实施方案：根据所需关节刚度的要求，两个关节电机2同时反方向旋转一定角度；两个关节电机2再同方向同步运行，关节电机2的力矩经柔轮303、齿轮传动机构4作用在关节输出5上，达到关节驱动的功能。
本发明的被动柔顺实现形式：当本发明的关节受到外力矩作用时，外力矩经关节输出5、齿轮传动机构4、柔轮303、钢轮302输出；钢轮302带动圆柱凸轮701旋转，压缩线性弹簧705，缓冲外力矩带来的冲击，从而达到保护关节、环境和人的目的。
本发明可根据具体工作情况随时调节关节刚度，不仅能够感知周围环境的碰撞、采取措施避免造成损伤，而且能够有效提高能量的利用率。本发明对提高机器人系统的控制速度和控制质量、简化控制系统以改善机器人性能尤其是在安全性及对未知环境的适应性方面有着重要意义。

Claims (9)

1.一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节包括关节壳体(1)、齿轮传动机构(4)、关节输出(5)、关节端磁编码器(6)、两个关节电机(2)、两个谐波减速器(3)和两个刚度调节机构(7)，关节电机(2)对称固接在关节壳体(1)的内部，齿轮传动机构(4)包括一个输出端和两个输入端，关节电机(2)的电机轴(204)通过谐波减速器(3)与齿轮传动机构(4)的输入端连接，齿轮传动机构(4)的输出端与关节输出(5)连接，关节端磁编码器(6)与齿轮传动机构(4)连接，谐波减速器(3)的两侧对称设有刚度调节机构(7)；
所述齿轮传动机构(4)包括中间直齿轮(402)、直齿圈(403)、齿圈盘(404)和两个电机端直齿轮(401)，两个电机端直齿轮(401)对称设置，电机端直齿轮(401)为齿轮传动机构(4)的输入端，电机端直齿轮(401)与中间直齿轮(402)相啮合，直齿圈(403)与中间直齿轮(402)相啮合，齿圈盘(404)与直齿圈(403)固接，齿圈盘(404)为齿轮传动机构(4)的输出端。
2.根据权利要求1所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述关节电机(2)还包括电机外壳(201)，电机外壳(201)与关节壳体(1)固接。
3.根据权利要求2所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述关节电机(2)还包括定子(202)、转子(203)和电机端磁编码器(205)，定子(202)固接在电机外壳(201)的内部，转子(203)设置在定子(202)的内侧，转子(203)与定子(202)相对转动，电机端磁编码器(205)设置在电机外壳(201)的内部且与电机轴(204)连接。
4.根据权利要求1、2或3所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述谐波减速器(3)包括波发生器(301)、钢轮(302)和柔轮(303)，波发生器(301)、柔轮(303)和钢轮(302)由内至外依次设置，波发生器(301)与电机轴(204)连接且同步旋转，柔轮(303)与齿轮传动机构(4)的输入端连接且同步旋转，钢轮(302)与刚度调节机构(7)连接。
5.根据权利要求4所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述关节端磁编码器(6)包括磁环和电路板，磁环与齿圈盘(404)连接且同步旋转，电路板与关节壳体(1)固接。
6.根据权利要求5所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述关节端磁编码器(6)的磁环与齿圈盘(404)之间为过盈配合。
7.根据权利要求5或6所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述刚度调节机构(7)包括圆柱凸轮(701)、两个凸轮滚子(702)、两个弹簧基座(703)、两个尼龙块(704)和两个线性弹簧(705)，圆柱凸轮(701)与关节壳体(1)转动连接，圆柱凸轮(701)中部的内侧与钢轮(302)固接，圆柱凸轮(701)的两侧分别各设有一个凸轮滚子(702)，凸轮滚子(702)的外侧端与弹簧基座(703)的一端固接，线型弹簧(705)的一端与弹簧基座(703)的另一端固接，线型弹簧(705)的另一端与关节壳体(1)固接，线型弹簧(705)的一侧设有尼龙块(704)，弹簧基座(703)的外侧壁上沿高度方向设有导向槽，尼龙块(704)嵌装在导向槽内，尼龙块(704)的外侧壁与关节壳体(1)固接，弹簧基座(703)与尼龙块(704)相对滑动。
8.根据权利要求7所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述关节壳体(1)包括弹簧固定端盖(101)、电机基座(102)、钢轮基座(103)、关节输出基座(104)和尼龙基座(105)，弹簧固定端盖(101)固接在电机基座(102)的一端，关节输出基座(104)与电机基座(102)的另一端固接，钢轮基座(103)固接在关节输出基座(104)与电机基座(102)之间，尼龙基座(105)设置在线型弹簧(705)的另一侧，尼龙基座(105)与电机基座(102)固接。
9.根据权利要求8所述一种基于弹性元件的可变刚度被动柔顺关节，其特征在于：所述圆柱凸轮(701)设置在钢轮基座(103)上，圆柱凸轮(701)通过轴承与钢轮基座(103)转动连接。
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