CN108918008A - 具有力矩测量能力的串联弹性机构及其输出特性设计方法 - Google Patents

Abstract

一种具有力矩测量能力的串联弹性机构及其输出特性设计方法,属于机器人技术领域。包括力矩输入端，连接外部关节减速器的输出端；力矩输出端Ⅰ，和力矩输入端的对应连接孔Ⅱ间分别连接拉簧，每两个拉簧形成八字形的拉簧组，沿圆周对称设置；力矩输出端Ⅱ内圈和外圈间沿圆周均匀设置有多个连接筋，内圈设交叉滚子轴承，通过交叉滚子轴承连接力矩输入端的连接轴，交叉滚子轴承上分别设置内外端盖，力矩输出端Ⅱ与力矩输入端转动连接；力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ通过螺栓连接，与机器人的连杆相连；整体形成扭转弹性机构。通过对本发明力矩输出特性的设计，将力矩测量转化为变形角度的测量，使其测量的力矩平稳，无需滤波直接用于控制系统。

Description

具有力矩测量能力的串联弹性机构及其输出特性设计方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种具有力矩测量能力的串联弹性机构及其输出特性设计方法。

背景技术

目前人机协同正成为机器人发展的一个重要方向。传统机器人的特点是高刚性、高精度，并且一般不具备力感知能力。高刚性会给附近的人员带来危险，没有力感使传统机器人无法完成人机协作动作。如果在传统机器人的基础上加入力传感器来增加机器人的力感，也会同时增加成本，增加系统复杂性，并且力测量效果通常不理想。利用传统高刚性机器人构建人机协同系统一般不会达到良好的效果。传统机器人的高刚性主要是由其高精度要求衍生而来，而在人机协同系统中对于机器人精度的要求通常可以降低。当采用动力学控制方法克服了机器人关节柔性增加带来的不稳定问题时，就可以在人机协同系统中采用柔性很大的关节。大柔性关节需要在关节中引入一种串联弹性机构，这将极大提高机器人的安全性，并且可以将串联弹性机构设计为具有力矩测量能力的，以使得机器人具有力感知能力。

本申请的发明人申请的专利号为201410664469.5的发明专利，一种能够测力输出扭矩的柔性传动装置，具体公开了如下技术特征：包括扭矩传感器、定子、动子及柔性连接件，其中扭矩传感器与动子转动连接，所述定子设置于动子的外侧、并与扭矩传感器固联，所述定子通过柔性连接件与动子连接；所述扭矩传感器通过轴承与动子连接；所述扭矩传感器包括内圈和外圈，其中内圈的一侧中心设有用于嵌装轴承的圆形凹槽，所述圆形凹槽的底部中心设有螺纹孔，所述内圈和外圈通过多个沿周向均布的连接梁连接，各连接梁上粘贴有应变片，所述扭矩传感器通过外圈与定子连接。其工作原理是：所述动子与电机输出端过盈配合，通过拉簧将输出扭矩传递给定子，定子与扭矩传感器固连，将扭矩进一步输出到减速机或其他外围设备。利用传动装置定子、动子之间拉簧的柔性，可以减小冲击力对电机以及外围设备的伤害。但是，该发明专利为概念性结构设计，其设计距离可实用的程度有较大差距，设计细节存在不合理之处。并且未涉及串联弹性机构各种关键参数的设计方法，在实际应用中无法达到特定的输入-输出效果，如特定的变形角度、特定的输出转矩特性、特定的刚度特性。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种具有力矩测量能力的串联弹性机构及其设计方法，该弹性机构可以安装在机器人旋转关节输出端和关节负载之间，大幅提高机器人关节的柔性。通过对该弹性机构力矩输出特性的研究与设计，使其具有力矩测量能力。将力矩测量转化为变形角度的测量，使得该弹性机构测量的力矩非常平稳，无需滤波可直接应用于控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种具有力矩测量能力的串联弹性机构，包括：

力矩输入端，为外周带有连接孔，中心一侧带有连接轴的圆盘，连接外部关节减速器的输出端；

力矩输出端Ⅰ为一圆环，其内圈设置多个与力矩输入端相对应的连接孔Ⅱ，力矩输入端和力矩输出端Ⅰ的对应连接孔Ⅱ间分别连接拉簧，形成沿圆周对称设置的拉簧组合结构；

力矩输出端Ⅱ为带有内圈和外圈的圆环结构，内圈和外圈间沿圆周均匀设置有多个连接筋，内圈内设交叉滚子轴承，通过交叉滚子轴承连接力矩输入端的连接轴，交叉滚子轴承上分别设置内外端盖，力矩输出端Ⅱ与力矩输入端转动连接；

力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ通过螺栓连接为一体，与机器人的连杆相连；整体形成扭转弹性机构。

进一步地，所述力矩输入端的外周连接孔Ⅰ半径为r，力矩输出端Ⅰ内圈的连接孔Ⅱ半径为R，两者之比c＝r/R,取值范围在0.5–0.8之间。

进一步地，本发明所述拉簧组合结构有两种结构方式，其中一种结构是：至少包括2组，每组为多对八字拉簧组合，即以一对八字形拉簧为中心，在其两侧沿圆周对称分布若干对拉簧，形成中心对称的多对八字拉簧组合；多组多对八字拉簧组合沿圆周对称分布。

另一种结构方式是：所述拉簧组合结构是由多组单对拉簧沿圆周对称分布而成。

进一步地，所述的每一根拉簧在平衡位置时，与力矩输入端的圆盘径向成角均相等，成角记为α；α的取值在30°-60°之间。

进一步地，所述力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ相互配合连接面分别设有凸起和凹槽，力矩输出端Ⅰ一侧面沿任意径向设置一对径向凸起，沿径向凸起对称沿圆周设置两对弧状凸起，力矩输出端Ⅱ的连接侧面配合设置凹槽，以传递力矩。

本发明具有力矩测量能力的串联弹性机构的力矩输出特性设计方法，包括如下步骤：

S1：确定所述串联弹性机构的变形角度ψ，即力矩输入端和力矩输出端Ⅰ的相对转动角度，该角度ψ的变形范围为：

[-α+arcsin(r sinα/R),α-arcsin(r sinα/R)]

其中：r为拉簧内圈连接孔Ⅰ所在圆半径，R为拉簧外圈连接孔Ⅱ所在圆半径，α为拉簧在平衡位置时与力矩输入端的圆盘径向成角，拉簧原长为R-r；

S2：计算所述串联弹性机构的理论输出转矩公式为：

T＝(T₁-T₂)·N

其中，ψ为串联弹性机构的变形角度，c＝r/R；x＝arcsin(c sinα)；K为串联弹性机构中拉簧的刚度；N为串联弹性机构中拉簧的对数，T₁为一对拉簧中的一根拉簧的理论输出转矩，T₂为一对拉簧中的另一根拉簧的理论输出转矩，T表示所述串联弹性机构的总体理论输出转矩；

S3：根据步骤2中得出的串联弹性机构的输出转矩-变形角度关系，得到串联弹性机构的边际刚度-变形角度关系，边际刚度即

S4：根据R、r、α，确定弹簧对数N；

S5：根据R、c、α、N值及理论最大输出转矩值确定拉簧的理论刚度K；根据拉簧的机械设计准则得到拉簧最终设计出的拉簧刚度，根据得到的最终拉簧刚度，重新校核所设计的串联弹性机构的转矩曲线及刚度曲线；

S6：确定串联弹性机构的最大变形量：ψ_max＝α-arcsin(c sinα)

S7：根据S5得到的拉簧理论刚度K，拉簧理论原长R-r，依据拉簧的机械设计准则，对拉簧进行设计；根据设计出的拉簧的实际原长修正R或r的值，重做S1-S3步骤，重新校核确定所设计的串联弹性机构的转矩曲线及刚度曲线；

S8：根据实际确定的参数得到串联弹性机构的转矩曲线及边际刚度曲线，得到实际的最大输出转矩|T_max|＝|T₁(ψ_max)/KR²-T₂(ψ_max)/KR²|×NKR²；

S9：转矩标定：通过最小二乘法进行函数拟合得到串联弹性机构输出转矩和角度变形量之间的实际关系式，修正理论与实际间的偏差，并简化计算；用如下关系式拟合输出转矩和角度变形量的关系：T＝a·arctan(b·ψ)

其中，a、b为待定系数，通过串联弹性机构的变形-转矩实测对应关系进行曲线拟合得到系数a、b。

本发明的有益效果为：

1.本发明弹性机构可以安装在机器人旋转关节输出端和关节负载之间，大幅提高机器人关节的柔性。通过对该弹性机构力矩输出特性的研究与设计，使其具有力矩测量能力。将力矩测量转化为变形角度的测量，使得该机构测量的力矩非常平稳，无需滤波可直接应用于控制系统。

2.本发明设计结构紧凑，易于加工。用拉簧传递扭矩的设计使得力矩输出特性的理论分析变得容易。

3.本发明具有良好的适配性能。可以根据实际需求改变机构中拉簧的数量、刚度，或改变机构的外径尺寸，达到改变机构刚度的目的；可以改变机构中拉簧的倾斜角，达到改变机构变形角范围的目的。

4.本发明详细分析了力矩输出特性，输出力矩与变形角度的简洁对应关系使其本身可以作为力矩传感器使用。将力矩测量转化为变形角度测量，使得测量数值平稳且精度高。

5.本发明可以串联在机器人旋转关节上，构成大柔性关节机器人，极大地提高机器人的安全性。

6.本发明应用在人机协同机器人上，可以完成碰撞检测、柔顺控制、拖曳跟随、接触作业等复杂的功能，在人机协同领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中串联弹性机构的爆炸图(不包括传力拉簧)。

图2为本发明中传力机构的平面图。

图3为α变化时的转矩曲线变化规律图。

图4为α变化时的边际刚度曲线变化规律图。

图5为c变化时的转矩曲线变化规律图。

图6为c变化时的边际刚度曲线变化规律图。

图7为本发明的输出转矩曲线图。

图8为本发明的边际刚度曲线图。

图9为本发明实施例1转矩标定实验结果及变形-转矩关系拟合曲线图。

图中：1.力矩输入端，11.连接孔Ⅰ，12.连接轴，2.力矩输出端Ⅰ,21.连接孔Ⅱ，22.径向凸起，23.弧状凸起，3.力矩输出端Ⅱ，31.连接筋，32.凹槽，4.交叉滚子轴承，5.轴承内盖，6.轴承外盖，7.拉簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例：如图1、图2所示，一种具有力矩测量能力的串联弹性机构，包括：

力矩输入端1，为外周带有连接孔Ⅰ11，中心一侧带有连接轴12的圆盘，连接外部关节减速器的输出端；

力矩输出端Ⅰ2为一圆环，其内圈设置多个与力矩输入端1相对应的连接孔Ⅱ21，力矩输入端1和力矩输出端Ⅰ2的对应连接孔Ⅱ21间分别连接拉簧7，形成沿圆周对称设置的拉簧组合结构；

力矩输出端Ⅱ3为带有内圈和外圈的圆环结构，内圈和外圈间沿圆周均匀设置有多个连接筋31，内圈内设交叉滚子轴承4，通过交叉滚子轴承4连接力矩输入端1的连接轴12，交叉滚子轴承4上分别设置内、外端盖5、6，力矩输出端Ⅱ3与力矩输入端1转动连接；

力矩输出端Ⅰ2和力矩输出端Ⅱ3通过连接为一体，与机器人的连杆相连；整体形成扭转弹性机构。

通过力矩输入端1接收外部关节减速器的输出力矩，经其连接轴12传递力矩至与其连接的力矩输出端Ⅱ3，由于力矩输出端Ⅰ2和力矩输出端Ⅱ3通过连接为一体，力矩输出端Ⅰ2输出力矩，通过力矩输入端1和力矩输出端Ⅰ2间的拉簧7测量输出的力矩，得到力矩输出特性。

所述拉簧7在平衡位置时与力矩输入端1的圆盘径向成角为α，α的取值范围在30°-60°之间，本例取30°。所述力矩输入端1外圈沿圆周设置的连接孔Ⅰ11半径为r，力矩输出端Ⅰ2内圈沿圆周设置的连接孔Ⅱ21的半径为R。两者的半径比r/R为c，c越大，弹性机构的刚度越大，本例c的取值范围在0.5–0.8之间。

本发明所述拉簧组合结构可以是由多组单对拉簧7沿圆周对称分布而成。

也可以是至少2组，每组为多对八字拉簧组合，即以一对八字形拉簧为中心，在其两侧沿圆周对称分布若干对拉簧7，形成中心对称的多对八字拉簧组合；多组多对八字拉簧组合沿圆周对称分布。如图2所示，本例选用4组2对拉簧组合。

所述力矩输出端Ⅰ2和力矩输出端Ⅱ3相互配合连接面分别设有凸起和凹槽32，即：力矩输出端Ⅰ2一侧面沿任意径向设置一对径向凸起22，沿径向凸起22对称沿圆周设置两对弧状凸起23，力矩输出端Ⅱ3的连接侧面配合设置凹槽32，以传递力矩。

本发明具有力矩测量能力的串联弹性机构设计方法，包括如下步骤：

S1：确定所述串联弹性机构的变形角度ψ，即力矩输入端1和力矩输出端Ⅰ2的相对转动角度，该角度ψ的变形范围为：

[-α+arcsin(r sinα/R),α-arcsin(r sinα/R)]

其中：r为拉簧内圈连接孔Ⅰ所在圆半径，R为拉簧外圈连接孔Ⅱ所在圆半径，α为拉簧在平衡位置时与力矩输入端1的圆盘径向成角，拉簧原长为R-r；

S2：计算所述串联弹性机构的理论输出转矩公式为：

T＝(T₁-T₂)·N

其中，ψ为串联弹性机构的变形角度，c＝r/R；x＝arcsin(c sinα)；K为串联弹性机构中拉簧的刚度；N为串联弹性机构中拉簧的对数，T1为一对拉簧中的1根拉簧的理论输出转矩，T2为一对拉簧中的另一根拉簧的理论输出转矩，T表示串联弹性机构的总体理论输出转矩；

S3：根据步骤2中得出的串联弹性机构的输出转矩-变形角度关系，得到串联弹性机构的边际刚度-变形角度关系，边际刚度即在c＝5/7，α变化时的转矩、边际刚度曲线如图3、4所示，其中所有的输出转矩、边际刚度都缩小了NKR²倍；在α＝45°，c变化时的输出转矩、边际刚度曲线如图5、6所示，其中所有的转矩、边际刚度都缩小了NKR²倍；

S4：根据R、r、α及串联弹性机构的机械结构，对拉簧位置进行合理布局，确定弹簧对数N，在结构合理情况下弹簧对数尽量多；本例取N＝8，其中每2对形成一组拉簧组合分布，共4组二对八字拉簧组合；4组拉簧组合沿圆周均匀对称分布，如图2所示；

S5：确定拉簧的理论刚度K：根据R、c、α、N值及理论最大输出转矩值(本例中为32Nm)确定拉簧的刚度K；本例取R＝72.54mm，r＝50mm，α＝45°，则

本例根据理论转矩输出公式计算出拉簧的刚度K＝4.84N/mm；

依据拉簧的机械设计准则，本例中最终设计出的拉簧刚度K＝5.33N/mm；因为设计出的拉簧参数与要求的并不完全相符，需要根据设计出的拉簧刚度(即最终设计的拉簧刚度K＝5.33N/mm)重新校核所设计的串联弹性机构的转矩曲线及刚度曲线；

S6：确定串联弹性机构的最大变形量：ψ_max＝α-arcsin(c sinα)＝15.83°；

S7：根据确定的参数，重做S1-S3步，得到串联弹性机构的输出转矩曲线及边际刚度曲线；

S8：根据实际确定的参数得到串联弹性机构的转矩曲线及边际刚度曲线，如图7、8所示，其中输出转矩、刚度都缩小了NKR²倍；从图7中读出，所述串联弹性机构输出转矩最大值为0.1571，所以，得到实际的最大输出转矩为：

S9：转矩标定：通过最小二乘法进行函数拟合得到串联弹性机构输出转矩和角度变形量之间的实际关系式，修正理论与实际间的偏差，并简化计算；用如下关系式拟合输出转矩和角度变形量的关系：T＝a·arctan(b·ψ)；

其中，a、b为待定系数，转矩标定实验结果及拟合曲线如图9所示，通过串联弹性机构的变形-转矩实测对应关系进行曲线拟合得到系数a、b；串联弹性机构的角度变形-转矩曲线拟合结果如下(°，Nm)：

T＝62.9293arctan(0.0439ψ)。

将本发明中的串联弹性机构应用于柔性关节机器人，串联弹性机构的柔性较之关节中其他因素(减速器、连接件等)的柔性要大至少1.5～2个数量级，这导致可以合理地忽略关节中其他因素的柔性。使得机器人动力学模型大大简化，对于简化机器人控制系统很有好处。

实施例2：本例与实施例1不同的是：本例中所述拉簧7在平衡位置时与力矩输入端1的圆盘径向成角α为60°，同样可以满足本发明要求。本例采用的拉簧组合结构是由多组单对拉簧沿圆周对称分布而成。

实施例3：本例与实施例1不同的是：本例中所述拉簧7在平衡位置时与力矩输入端1的圆盘径向成角α为45°，同样可以满足本发明要求。

Claims (7)

1.一种具有力矩测量能力的串联弹性机构，其特征在于包括：

力矩输入端，为外周带有连接孔，中心一侧带有连接轴的圆盘，连接外部关节减速器的输出端；

力矩输出端Ⅰ为一圆环，其内圈设置多个与力矩输入端相对应的连接孔Ⅱ，力矩输入端和力矩输出端Ⅰ的对应连接孔Ⅱ间分别连接拉簧，形成沿圆周对称设置的拉簧组合结构；

力矩输出端Ⅱ为带有内圈和外圈的圆环结构，内圈和外圈间沿圆周均匀设置有多个连接筋，内圈内设交叉滚子轴承，通过交叉滚子轴承连接力矩输入端的连接轴，交叉滚子轴承上分别设置内外端盖，力矩输出端Ⅱ与力矩输入端转动连接；

力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ通过螺栓连接为一体，与机器人的连杆相连；整体形成扭转弹性机构。

2.根据权利要求1所述具有力矩测量能力的串联弹性机构，其特征在于：所述力矩输入端的外周连接孔Ⅰ半径为r，力矩输出端Ⅰ内圈的连接孔Ⅱ半径为R，两者之比c＝r/R,取值范围在0.5–0.8之间。

3.根据权利要求1所述具有力矩测量能力的串联弹性机构，其特征在于：所述拉簧组合结构至少2组，每组为多对八字拉簧组合，即以一对八字形拉簧为中心，在其两侧沿圆周对称分布若干对拉簧，形成中心对称的多对八字拉簧组合；多组多对八字拉簧组合沿圆周对称分布。

4.根据权利要求1所述具有力矩测量能力的串联弹性机构，其特征在于：所述拉簧组合结构是由多组单对拉簧沿圆周对称分布而成。

5.根据权利要求1所述具有力矩测量能力的串联弹性机构，其特征在于：所述的每一根拉簧在平衡位置时，与力矩输入端的圆盘径向成角均相等，成角记为α；α的取值在30°-60°之间。

6.根据权利要求1所述具有力矩测量能力的串联弹性机构，其特征在于：所述力矩输出端Ⅰ和力矩输出端Ⅱ相互配合连接面分别设有凸起和凹槽，力矩输出端Ⅰ一侧面沿任意径向设置一对径向凸起，沿径向凸起对称沿圆周设置两对弧状凸起，力矩输出端Ⅱ的连接侧面配合设置凹槽，以传递力矩。

7.如权利要求1-6任一项所述具有力矩测量能力的串联弹性机构的力矩输出特性设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：确定所述串联弹性机构的变形角度ψ，即力矩输入端和力矩输出端Ⅰ的相对转动角度，该角度ψ的变形范围为：

[-α+arcsin(rsinα/R),α-arcsin(rsinα/R)]

其中：r为拉簧内圈连接孔Ⅰ所在圆半径，R为拉簧外圈连接孔Ⅱ所在圆半径，α为拉簧在平衡位置时与力矩输入端的圆盘径向成角，拉簧原长为R-r；

S2：计算所述串联弹性机构的理论输出转矩公式为：

T＝(T₁-T₂)·N

其中，ψ为串联弹性机构的变形角度，c＝r/R；x＝arcsin(csinα)；K为串联弹性机构中拉簧的刚度；N为串联弹性机构中拉簧的对数，T₁为一对拉簧中的一根拉簧的理论输出转矩，T₂为一对拉簧中的另一根拉簧的理论输出转矩，T表示所述串联弹性机构的总体理论输出转矩；

S3：根据步骤2中得出的串联弹性机构的输出转矩-变形角度关系，得到串联弹性机构的边际刚度-变形角度关系，边际刚度即

S4：根据R、r、α，确定弹簧对数N；

S5：根据R、c、α、N值及理论最大输出转矩值确定拉簧的理论刚度K；根据拉簧的机械设计准则得到拉簧最终设计出的拉簧刚度，根据得到的最终拉簧刚度，重新校核所设计的串联弹性机构的转矩曲线及刚度曲线；

S6：确定串联弹性机构的最大变形量：ψ_max＝α-arcsin(csinα)

S7：根据S5得到的拉簧理论刚度K，拉簧理论原长R-r，依据拉簧的机械设计准则，对拉簧进行设计；根据设计出的拉簧的实际原长修正R或r的值，重做S1-S3步骤，重新校核确定所设计的串联弹性机构的转矩曲线及刚度曲线；

S8：根据实际确定的参数得到串联弹性机构的转矩曲线及边际刚度曲线，得到实际的最大输出转矩|T_max|＝|T₁(ψ_max)/KR²-T₂(ψ_max)/KR²|×NKR²；

S9：转矩标定：通过最小二乘法进行函数拟合得到串联弹性机构输出转矩和角度变形量之间的实际关系式，修正理论与实际间的偏差，并简化计算；用如下关系式拟合输出转矩和角度变形量的关系：T＝a·arctan(b·ψ)

其中，a、b为待定系数，通过串联弹性机构的变形-转矩实测对应关系进行曲线拟合得到系数a、b。