CN109551481B - 一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块 - Google Patents

Abstract

一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接，传动轴的一端通过谐波减速器传递到变刚度模块一端，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出件固定连接；第一编码器用于测量关节输出件的角位移信息，第二编码器用于测量转子的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。本发明实现关节模块的刚度控制和力矩输出控制。

Description

一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，机器人已经广泛应用于各行各业中。如汽车领域的焊接、喷涂、热处理、运输、自动装配、上下料和检测等，其次在运输、码头、食物和药物以及电子制造等领域机器人也正在逐步替代人工从事沉重乏味的包装、运输、搬运等重复性作业。但是在精密装配、修刮或磨削工件表面、抛光和擦洗等工作任务中应用很少，因为在类似的任务中需要机器人末端执行器与环境接触并保持一定的接触力，这就需要机器人具有外力感知和力控制功能。

目前具有力控制功能的成熟机器人产品不多，或者其价格很高，一般是普通工业机器人的几倍以上。同时随着机器人的应用范围扩大，有些任务需要机器人与人协作共同完成，这就对机器人的安全性能提出了很高的要求。目前机器人的安全性能一般采用两种方案来解决，一种是通过改变机器人机械结构的刚度保证与人交互时的安全；另一种是通过软件层面的控制算法策略来实现机器人与环境中的物体接触时的柔顺性。

目前也有一些解决方案被大家提出，如河北工业大学的一种旋转型柔性关节(申请号：201410653785.2)，该柔性关节包括电机、电机架、安装板，第一连接板、第一同步带轮、第一同步带轮盖板、同步带、减速器、减速器法兰、弹簧安装架、弹簧输出架，输出盘、第二连接板、同步带端盖、第三连接板、交叉滚子轴承、轴承外圈盖板、轴承内圈盖板、第一平键、减速器法兰端盖、弹簧、第二平键、第三平键、第二同步带轮和第二同步带轮盖板。该发明专利虽然解决了机器人关节柔性问题，但整个关节的结构不够紧凑、外观上不是很美观且不能真正应用于机器人关节中，也做不到力矩控制的全闭环反馈。

因此能开发出集成度高、性价比高的可力控制机器人关节模块对于扩大机器人的应用范围将产生巨大的意义，同时也能大大提高机器人的安全性能。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，可以实现机器人关节的力矩检测与控制从而实现整个串联机器人的力控制；该机器人摆转关节模块结构简单紧凑，关节传动精度高，力矩输出精度高，并且采用内走线方式，外观简洁美观，从本质上提高了机器人的安全性与可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接且传动轴两端通过轴承支撑在传动腔内，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出件固定连接；驱动控制器设在安装部上，第一编码器用于测量关节输出件或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接。

由上可知，本发明在关节运动的过程中通过第一编码器读取关节输出件或力矩传感器的角位移信息，通过第二编码器获得转子的角位移信息，通过力矩传感器测量关节输出件所受外力矩，然后驱动控制器根据转子的角位移信息、关节输出件的角位移信息和所受外力矩，利用驱动控制器预设的控制算法控制无框电机转动。驱动控制器通过获得无框电机转子的角位移信息和关节输出件的角位移信息，得到无框电机转子的偏转角度与关节输出件的偏转角度，以及通过力矩传感器获得外界对关节模块施加的外力矩，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，因此可实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度。另外加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高人机交互的安全性。

作为本发明的一种改进，所述谐波减速器和传动轴均设有中空孔，所述中空孔用于走内线。

作为本发明的一种改进，所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环和读数头，所述力矩传感器为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环固定在力矩传感器的外环上，传动腔内设有第一支架，绝对式编码器读数头固定在第一支架上且与绝对式编码器磁环的位置相对应；力矩传感器的外环与关节输出件通过螺钉固定连接，力矩传感器的内环与变刚度模块另一端通过螺钉固定连接。

作为本发明的一种改进，所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环和读数头，增量式编码器磁环通过第一安装座固定在传动轴另一端端面上，传动腔内设有第二支架，增量式编码器读数头固定在第二支架上且与增量式编码器磁环的位置相对应。

作为本发明的一种改进，所述传动轴另一端设有防止传动轴随意转动的止动机构，当摆转关节模块通电时，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时，传动轴被止动机构卡住不能自由转动。

作为本发明的一种改进，所述止动机构包括电磁铁、复位弹簧、衔铁和止动卡环，止动卡环固定套在传动轴另一端上，电磁铁和衔铁固定在传动腔内，当摆转关节模块通电时电磁铁通电，电磁铁和衔铁相吸合，衔铁处于吸合位置，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时电磁铁失电，衔铁在复位弹簧作用下回复至止动位置，止动卡环被衔铁卡住，传动轴不能自由转动。

作为本发明的一种改进，所述传动轴两端上的轴承通过轴承座支撑在传动腔内，所述传动轴另一端上还设有轴套，所述止动机构还包括波形垫圈和限位凸肩，限位凸肩固定设在传动轴另一端上，波形垫圈和止动卡环套在传动轴另一端上并依次位于轴套与限位凸肩之间，止动卡环被波形垫圈和限位凸肩挤压夹紧而套在传动轴另一端上。

进一步地，所述限位凸肩为C型定位环，传动轴另一端上设有卡槽，C型定位环卡扣在卡槽上。

作为本发明的一种改进，所述基座的传动部在传动轴另一端侧设有基座端盖，所述关节输出件设有关节输出件端盖。

进一步地，所述基座的安装部和传动部之间设有分隔板，所述驱动控制器通过散热板固定在分隔板上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在关节模块中加入力矩传感器，使得由该模块组装成的机器人可以感知环境中的力信息，实现力控制，因此提高了机器人的安全性、自我保护性，此关节模块可以应用到高精度装配、抛光、擦洗等需要机器人末端与环境接触并控制输出力的工作环境中；

2、本发明加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高了人机交互的安全性；

3、驱动控制器通过编码器获得无框电机转子的偏转角度与关节输出件的偏转角度，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度；

4、通过采用增量式与绝对式双编码器的组合，并且绝对编码器安装在关节输出端，从而可以实现关节高精度的位置控制；

5、本发明通过合理的内部结构设计及选型实现了关节模块的内部走线，从而保证了机器人关节外观的简洁美观性；

6、本发明关节模块的基座与关节输出件在同一轴线上且均垂直于摆转方向的轴线，使得机器人关节模块成为一个功能单元。

附图说明

图1为本发明变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块的示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图2的局部放大视图；

图4为图1去掉基座端盖后的左视图；

图5为本发明变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块止动机构的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例

请参考图1至图5，一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，包括基座100、关节输出件200、驱动控制器300、传动机构、力矩传感器400、变刚度模块500、第一编码器和第二编码器；

基座100包括安装部10和传动部20，传动部20设有传动腔21，传动机构包括无框电机、传动轴30和谐波减速器40，无框电机包括定子51和转子52，无框电机的定子51固定在传动腔21内，传动轴30与无框电机的转子52配合连接且传动轴30两端通过轴承31支撑在传动腔21内，传动轴30的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器40的钢轮与变刚度模块500一端固定连接，变刚度模块500另一端通过力矩传感器400与关节输出件200固定连接；

驱动控制器300设在安装部10上，第一编码器用于测量关节输出件200或力矩传感器400的角位移信息，第二编码器用于测量转子52或传动轴30的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器300电连接，力矩传感器400、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器300电连接。

由上可知，本发明在关节运动的过程中通过第一编码器读取关节输出件或力矩传感器的角位移信息，通过第二编码器获得转子的角位移信息，通过力矩传感器测量关节输出件所受外力矩，然后驱动控制器根据转子的角位移信息、关节输出件的角位移信息和所受外力矩，利用驱动控制器预设的控制算法控制无框电机转动。驱动控制器通过获得无框电机转子的角位移信息和关节输出件的角位移信息，得到无框电机转子的偏转角度与关节输出件的偏转角度，以及通过力矩传感器获得外界对关节模块施加的外力矩，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，因此可实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度。另外加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高人机交互的安全性。

在本实施例中，所述谐波减速器40和传动轴30均设有中空孔90，所述中空孔90用于走内线。通过合理的内部结构设计及选型实现了关节模块的内部走线，从而保证了机器人关节外观的简洁美观性；同时在基座100与关节输出件200分别设有必要的走线孔以实现整个关节的内部走线。

其中，基座100的安装部10与传动轴30的轴向垂直，则关节输出件200绕传动轴30旋转后也可与传动轴30垂直而与安装部10相平行，本发明关节模块的基座安装部与关节输出件在同一轴线上且均垂直于摆转方向的轴线，使得机器人关节模块成为一个功能单元。

在本实施例中，作为本发明的一种改进，所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环62和读数头61，所述力矩传感器400为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环62固定在力矩传感器400的外环上，传动腔21内设有第一支架63，绝对式编码器读数头61固定在第一支架63上且与绝对式编码器磁环62的位置相对应；力矩传感器400的外环与关节输出件200通过螺钉固定连接，力矩传感器400的内环与变刚度模块500另一端通过螺钉固定连接。绝对式编码器可以直接测量出关节输出件相对基座绕谐波减速器及传动轴的偏转角度，克服了谐波减速器和力矩传感器具有一定柔性带来的位置误差，提高了关节模块的位置精度，同时为机器人关节位置全闭环反馈提供必要条件。

在本实施例中，所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环73和读数头72，增量式编码器磁环73通过第一安装座71固定在传动轴30另一端端面上，传动腔21内设有第二支架74，增量式编码器读数头72固定在第二支架74上且与增量式编码器磁环73的位置相对应。该增量式编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息，从而更加精确地控制关节模块的转动速度、方向，同时为机器人关节位置全闭环反馈提供必要条件。

在上述基础，本发明还做了进一步的改进，所述传动轴30另一端设有防止传动轴30随意转动的止动机构，当摆转关节模块通电时，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时，传动轴被止动机构卡住不能自由转动。具体地，所述止动机构包括电磁铁81、复位弹簧86、衔铁82和止动卡环83，止动卡环83固定套在传动轴30另一端上，电磁铁81和衔铁82固定在传动腔内，当摆转关节模块通电时电磁铁81通电，电磁铁81和衔铁82相吸合，衔铁82处于吸合位置，传动轴30能自由转动，当摆转关节模块失电时电磁铁81失电，衔铁82在复位弹簧86作用下回复至止动位置，止动卡环83被衔铁82卡住，传动轴30不能自由转动。利用电磁铁和衔铁相配合，衔铁设有两个工作位置，电磁铁通电，衔铁处于吸合位置，电磁铁失电，衔铁处于止动位置，从而达到当摆转关节模块在不工作时，利用止动机构防止传动轴随意转动。

在上述基础，本发明还做了进一步的改进，所述传动轴30两端上的轴承31通过轴承座32支撑在传动腔21内，所述传动轴30另一端上还设有轴套33，所述止动机构还包括波形垫圈84和限位凸肩85，限位凸肩85固定设在传动轴30另一端上，波形垫圈84和止动卡环83套在传动轴30另一端上并依次位于轴套33与限位凸肩85之间，止动卡环83被波形垫圈84和限位凸肩85挤压夹紧而套在传动轴30另一端上。利用波形垫圈和限位凸肩将止动卡环挤压夹紧在传动轴另一端上，实现利用摩擦力维持止动卡环和传动轴之间相对固定连接，而当关节输出件受到外力矩超过一定大小时，止动卡环则在传动轴另一端上发生打滑，关节输出件可以发生转动，保证止动卡环不被强行破坏。

在上述基础，所述限位凸肩85为C型定位环，传动轴30另一端上设有卡槽，C型定位环卡扣在卡槽上。

在本实施例中，所述基座100的传动部20在传动轴30另一端侧设有基座端盖700，所述关节输出件200设有关节输出件端盖600。通过端盖的设计方便后期对关节内部的零部件进行检查、维护而不需要拆卸整个关节。

在本实施例中，所述基座100的安装部10和传动部20之间设有分隔板12，所述驱动控制器300通过散热板11固定在分隔板12上。驱动控制器通过散热板与基座的分隔板相连，使得热量传到基座上以增加散热面积，加速热量的散发，保证驱动控制器在长时间工作下能保持在一个比较低的温度水平。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在关节模块中加入力矩传感器，使得由该模块组装成的机器人可以感知环境中的力信息，实现力控制，因此提高了机器人的安全性、自我保护性，此关节模块可以应用到高精度装配、抛光、擦洗等需要机器人末端与环境接触并控制输出力的工作环境中；

2、本发明加入了变刚度模块，使得机器人克服了通过算法实现柔顺控制而出现带宽不够、控制系统计算量大、响应滞后等问题，例如一些人机交互的工作任务中由于不需要机器人具有高精度但一定要能保证人机的安全性，而将关节模块的刚度值调低即机器人整体的刚度调低，则可以提高人机交互的安全性；

3、驱动控制器通过编码器获得无框电机转子的偏转角度与关节输出件的偏转角度，为力矩控制的全闭环反馈提供必要条件，实现关节模块的力矩控制及机器人的柔顺控制，从而提高关节传动精度和力矩输出精度；

4、通过采用增量式与绝对式双编码器的组合，并且绝对编码器安装在关节输出端，从而可以实现关节高精度的位置控制；

5、本发明通过合理的内部结构设计及选型实现了关节模块的内部走线，从而保证了机器人关节外观的简洁美观性；

6、本发明关节模块的基座与关节输出件在同一轴线上且均垂直于摆转方向的轴线，使得机器人关节模块成为一个功能单元。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：包括基座、关节输出件、驱动控制器、传动机构、力矩传感器、变刚度模块、第一编码器和第二编码器，基座包括安装部和传动部，传动部设有传动腔，传动机构包括无框电机、传动轴和谐波减速器，无框电机包括定子和转子，无框电机的定子固定在传动腔内，传动轴与无框电机的转子配合连接且传动轴两端通过轴承支撑在传动腔内，传动轴的一端与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的钢轮与变刚度模块一端固定连接，变刚度模块另一端通过力矩传感器与关节输出

件固定连接；驱动控制器设在安装部上，第一编码器用于测量关节输出件或力矩传感器的角位移信息，第二编码器用于测量转子或传动轴的角位移信息；无框电机的控制端与驱动控制器电连接，力矩传感器、第一编码器和第二编码器分别与驱动控制器电连接；

所述谐波减速器和传动轴均设有中空孔，所述中空孔用于走内线；

所述传动轴另一端设有防止传动轴随意转动的止动机构，当摆转关节模块通电时，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时，传动轴被止动机构卡住不能自由转动；

所述止动机构包括电磁铁、复位弹簧、衔铁和止动卡环，止动卡环固定套在传动轴另一端上，电磁铁和衔铁固定在传动腔内，当摆转关节模块通电时电磁铁通电，电磁铁和衔铁相吸合，衔铁处于吸合位置，传动轴能自由转动，当摆转关节模块失电时电磁铁失电，衔铁在复位弹簧作用下回复至止动位置，止动卡环被衔铁卡住，传动轴不能自由转动；

所述传动轴两端上的轴承通过轴承座支撑在传动腔内，所述传动轴另一端上还设有轴套，所述止动机构还包括波形垫圈和限位凸肩，限位凸肩固定设在传动轴另一端上，波形垫圈和止动卡环套在传动轴另一端上并依次位于轴套与限位凸肩之间，止动卡环被波形垫圈和限位凸肩挤压夹紧而套在传动轴另一端上。

2.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述第一编码器为绝对式编码器，绝对式编码器包括磁环和读数头，所述力矩传感器为轮辐式传感器，轮辐式传感器包括内环、外环及应变梁，绝对式编码器磁环固定在力矩传感器的外环上，传动腔内设有第一支架，绝对式编码器读数头固定在第一支架上且与绝对式编码器磁环的位置相对应；力矩传感器的外环与关节输出件通过螺钉固定连接，力矩传感器的内环与变刚度模块另一端通过螺钉固定连接。

3.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述第二编码器为增量式编码器，增量式编码器包括磁环和读数头，增量式编码器磁环通过第一安装座固定在传动轴另一端端面上，传动腔内设有第二支架，增量式编码器读数头固定在第二支架上且与增量式编码器磁环的位置相对应。

4.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述限位凸肩为C型定位环，传动轴另一端上设有卡槽，C型定位环卡扣在卡槽上。

5.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述基座的传动部在传动轴另一端侧设有基座端盖，所述关节输出件设有关节输出件端盖。

6.根据权利要求1所述的变刚度驱控一体化机器人摆转关节模块，其特征在于：所述基座的安装部和传动部之间设有分隔板，所述驱动控制器通过散热板固定在分隔板上。