CN109202956A - 一种基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂 - Google Patents

Abstract

一种基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，包括底座、串联弹性驱动器和关节连接臂；关节连接臂包括依次铰接在一起的肩臂、上臂和下臂，肩臂内安装有第一串联弹性驱动器，上臂内安装有第二串联弹性驱动器，第一串联弹性驱动器的输出端与上臂铰接，第二串联弹性驱动器的输出端与下臂铰接。串联弹性驱动器中的电机根据控制信号带动上臂或下臂转动。当上臂和下臂受到外界的冲击时，串联弹性驱动器内的模具弹簧压缩，模具弹簧吸收外界负载波动的冲击，实现了关节机械柔性。本发明使机械臂的动力学特性更加柔顺化，提高了安全性，可使机器人的驱动部件小型化、轻量化，双弹簧设计提高了驱动器的刚度变化率，并使机器人关节可承受双向高负载冲击。

Description

一种基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂

技术领域

本发明涉及一种基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，属于机器人技术领域。

背景技术

伴随着下一代工业革命的兴起以及我国制造业转型的需求，对机器人的技术要求已不再局限在高速度、高精度等传统要素。在未来的社会生活中人与机器人之间的关系将变得更为紧密，特别是在服务机器人、医疗机器人等需要人机协作的领域，因此良好的人机交互性能将成为机器人领域的重点研究方向之一。而传统的机器人多为刚性结构，控制模式以位置控制为主，从而导致机器人具有很大的末端刚度，不仅人机交互体验较差，且一旦出现操作失误，将带来很大的安全隐患。

为了满足新的社会需求，新一代机器人应该具有类似人类手臂的柔顺特性，这就要求机器人本体，特别是关节部位从刚性驱动向柔性驱动转变。机器人的控制技术也应该由传统的位置控制向能够更好地体现柔顺特性的力控制方向发展。

目前在柔顺机械臂领域，用于医疗器械领域的仿生机械臂可以完成捡起葡萄和硬币等非常复杂和精细的动作，12自由度的机械臂采用了串联弹性驱动器，可以实现很好的柔顺性仿人特性。

中国专利文献CN 205111877U公开了《一种柔顺机械臂》，其主臂结构与摆臂结构之间活动嵌合，在撞击力作用下，摆臂既可相对于主臂产生弯折，又可依据撞击力的方向变化作旋转摆动。但是该机械臂需要电机产生预紧刚度，增加了结构复杂度，而且当遇到外力作用时，主臂与摆臂之间连接不够稳定。CN104924320A公开了《一种基于串联弹性驱动器的三自由度柔顺机械臂》，关节内的舵机、驱动转换模块和关节之间的连接臂构成机械臂主体结构。在驱动转换模块内，通过弹簧将传递来的力缓冲之后传出实现机械臂的柔性驱动。但是，该装置的弹簧伸缩距离有限，刚度变化范围小。

发明内容

本发明的目的是面向当前协作型机器人的需求，针对现有机械臂的不足，提供一种基于串联弹性驱动器的动态性好、输出扭矩大、结构简单紧凑、刚度变化率大的两自由度柔顺关节机械臂。

本发明的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂采用如下技术方案：

一种基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，包括底座、串联弹性驱动器和关节连接臂；关节连接臂包括依次铰接在一起的肩臂、上臂和下臂，肩臂内安装有第一串联弹性驱动器，上臂内安装有第二串联弹性驱动器，第一串联弹性驱动器的输出端与上臂铰接，第二串联弹性驱动器的输出端与下臂铰接。

所述肩臂包括左肩连杆和右肩连杆，左肩连杆和右肩连杆的一端连接在一起并固定在底座上，左肩连杆和右肩连杆之间通过轴承安装第一串联弹性驱动器。

所述上臂包括左上臂和右上臂，左上臂和右上臂的一端以及左肩连杆和右肩连杆的另一端通过肩部光轴连接在一起，左上臂和右上臂之间通过轴承安装第二串联弹性驱动器。

所述下臂通过肘部光轴与左上臂和右上臂连接。

所述串联弹性驱动器包括驱动电机、弹簧分隔件、模具弹簧、外壳、传动轴、滚珠丝杠和关节连杆；驱动电机和外壳之间连接有导向轴，弹簧分隔件套装有导向轴上，弹簧分隔件与驱动电机之间以及弹簧分隔件与外壳之间均设置有模具弹簧；外壳内安装有传动轴，传动轴与电机主轴连接；传动轴上固定连接有螺母，滚珠丝杠套装在传动轴的内孔中并与螺母连接，关节连杆与滚珠丝杠连接。

所述驱动电机包括电机箱体、电机转子、电机定子和电机主轴，电机定子和电机转子均设置在电机箱体内，电机转子固定在电机主轴上。所述电机定子内置有霍尔传感器。

工作时，串联弹性驱动器中的电机根据控制信号带动传动轴转动。传动轴带动螺母转动，使滚珠丝杠及关节连杆伸缩。关节连杆带动上臂或下臂转动。当上臂和下臂受到外界的冲击时，串联弹性驱动器除弹簧分隔件外整体通过导向轴运动，从而压缩模具弹簧，模具弹簧吸收外界负载波动的冲击，实现了关节机械柔性。

本发明的有益效果：

1.本发明提出的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，使机械臂的动力学特性更加柔顺化，提高了安全性。

2.本发明充分利用了力矩电机输出扭矩大，结构简单紧凑等优点，可使机器人的驱动部件小型化、轻量化。

3.本发明的双弹簧设计提高了驱动器的刚度变化率，并使机器人关节可承受双向高负载冲击。

附图说明

图1是本发明的整体外观示意图

图2是去掉左肩连杆和左上臂后的外观示意图

图3是本发明串联弹性驱动器部件外观示意图

图4是本发明串联弹性驱动器部件解剖结构示意图

图中：1.底座，2.左肩连杆，3.右肩连杆，4.左上臂，5.右上臂，6.下臂，7.肩部光轴，8.肘部光轴，9.连杆夹片，10.轴承座，11.电机箱盖，12.电机箱体，13.导向轴，14.模具弹簧，15.弹簧分隔件，16.外壳箱体，17.外壳箱盖，18.关节连杆，19.电机定子，20.电机转子，21.电机主轴，22.平键，23.传动轴，24.交叉滚子轴承，25.滚珠丝杠，26.薄壁轴承，27.无油衬套，28.滚珠轴承，29.主轴固定片，30.螺母。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂包括底座1、两个串联弹性驱动器和关节连接臂。关节连接臂连接在底座1上，关节连接臂包括依次铰接在一起的肩臂、上臂和下臂，肩臂内安装有第一串联弹性驱动器，上臂内安装有第二串联弹性驱动器，第一串联弹性驱动器的输出端与上臂铰接，第二串联弹性驱动器的输出端与下臂铰接。

肩臂包括左肩连杆2和右肩连杆3，左肩连杆2和右肩连杆3的一端连接在一起并通过螺栓固定在底座1上，左肩连杆2和右肩连杆3之间通过轴承座10安装第一串联弹性驱动器，参见图2。

上臂包括左上臂4和右上臂5，左上臂4和右上臂5的一端以及左肩连杆2和右肩连杆3的另一端通过肩部光轴7连接在一起。左上臂4和右上臂5之间通过轴承座安装第二串联弹性驱动器。左上臂4和右上臂5上均固定连接有连杆夹片9，用于连接第一串联弹性驱动器。左肩连杆2、右肩连杆3、左上臂4和右上臂5的内侧均设置有与轴承座10相对应的凹槽，使轴承座10嵌于凹槽之内以固定串联弹性驱动器。

下臂6通过肘部光轴8与左上臂4和右上臂5的另一端连接。

如图3和图4所示，串联弹性驱动器包括驱动电机、弹簧分隔件15、模具弹簧14、外壳、传动轴23、滚珠丝杠25和关节连杆18。驱动电机和外壳之间连接有四根导向轴13，四个导向轴13通过螺钉固定在电机箱体12和外壳箱体16上。弹簧分隔件15套装有四根导向轴13上，可沿导向轴移动。弹簧分隔件15通过轴承安装在左肩连杆2的轴承座和右肩连杆3的轴承座上(或者是左上臂4的轴承座和右上臂5的轴承座上)，弹簧分隔件15与驱动电机之间以及弹簧分隔件15与外壳之间均设置有模具弹簧14。外壳包括外壳箱体16及连接在外壳箱体16上的外壳箱盖17。外壳内安装有传动轴23，传动轴23两端分别通过交叉滚子轴承24和薄壁轴承26支承于外壳箱体16和外壳箱盖17的轴承座上。传动轴23通过平键22与电机主轴21连接。传动轴23上通过螺钉固定连接有螺母，滚珠丝杠25通过无油衬套27套装在传动轴23的内孔中并与螺母螺纹连接。关节连杆18连接到滚珠丝杠25上，滚珠丝杠25与外壳箱体16内的固定螺母连接。第一串联弹性驱动器的关节连杆18通过连杆夹片9与左上臂4和右上臂5相连。第二串联弹性驱动器的关节连杆与下臂6相连。

驱动电机包括电机箱盖11、电机箱体12、电机转子20、电机定子19和电机主轴21，电机定子19安装在电机箱体12内，电机转子20设置在电机箱体12内，电机箱盖11安装在电机箱体12上，将电机定子19压紧。电机定子19内置了霍尔传感器。电机转子20通过主轴固定片29固定在电机主轴21上。电机主轴21通过两个滚珠轴承28两端支承于电机箱体12和电机箱盖11的轴承座上。

上述柔顺关节机械臂工作时，串联弹性驱动器中的电机转子20根据控制信号旋转，通过电机主轴21和平键22输出到传动轴23。传动轴23带动螺母转动，使滚珠丝杠25及关节连杆18伸缩。关节连杆18伸缩做直线运动，带动上臂和下臂分别绕肩部光轴7和肘部光轴8转动。当上臂和下臂受到外界的冲击时，串联弹性驱动器除弹簧分隔件15外整体通过导向轴13运动，从而压缩模具弹簧14，模具弹簧14吸收外界负载波动的冲击，实现了关节机械柔性。因为两个模具弹簧14本身都有预压缩量，所以产生的弹力变化率是一个弹簧的两倍。

Claims (7)

1.一种基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是，包括底座、串联弹性驱动器和关节连接臂；关节连接臂包括依次铰接在一起的肩臂、上臂和下臂，肩臂内安装有第一串联弹性驱动器，上臂内安装有第二串联弹性驱动器，第一串联弹性驱动器的输出端与上臂铰接，第二串联弹性驱动器的输出端与下臂铰接。

2.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是：所述肩臂包括左肩连杆和右肩连杆，左肩连杆和右肩连杆的一端连接在一起并固定在底座上，左肩连杆和右肩连杆之间通过轴承安装第一串联弹性驱动器。

3.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是：所述上臂包括左上臂和右上臂，左上臂和右上臂的一端以及左肩连杆和右肩连杆的另一端通过肩部光轴连接在一起，左上臂和右上臂之间通过轴承安装第二串联弹性驱动器。

4.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是：所述下臂通过肘部光轴与左上臂和右上臂连接。

5.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是：所述串联弹性驱动器包括驱动电机、弹簧分隔件、模具弹簧、外壳、传动轴、滚珠丝杠和关节连杆；驱动电机和外壳之间连接有导向轴，弹簧分隔件套装有导向轴上，弹簧分隔件与驱动电机之间以及弹簧分隔件与外壳之间均设置有模具弹簧；外壳内安装有传动轴，传动轴与电机主轴连接；传动轴上固定连接有螺母，滚珠丝杠套装在传动轴的内孔中并与螺母连接，关节连杆与滚珠丝杠连接。

6.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是：所述驱动电机包括电机箱体、电机转子、电机定子和电机主轴，电机定子和电机转子均设置在电机箱体内，电机转子固定在电机主轴上。

7.根据权利要求1所述的基于串联弹性驱动器的柔顺关节机械臂，其特征是：所述电机定子内置有霍尔传感器。