CN110125976B - 具有力位控制的高柔性模块化关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有力位控制的高柔性模块化关节，包括输入反馈组件以及输出反馈组件，高柔性弹性体包括在高柔性弹性体的输入端以及高柔性弹性体的输出端之间的弹性体，高柔性弹性体的输入端与输出大齿轮同步运动，高柔性弹性体的输出端与关节输出轴同步运动；输入反馈组件与输出大齿轮配合，从而获得输出大齿轮的角位移信号；输出反馈组件与关节输出轴配合，从而获得关节输出轴的角位移信号，两部分角位移信号之差乘以高柔性弹性体的扭转刚度系数，得到关节的输出扭矩。本发明使关节能简单通过检测力矩大小而实现碰撞检测，增加关节实际应用的安全。同时降低关节刚度和增加关节储能，使得机器人具有本质柔顺性，并且在运动时具有较高的效率。

Description

具有力位控制的高柔性模块化关节

技术领域

本发明涉及一种具有力位控制的高柔性模块化关节，属于机器人技术领域。

背景技术

机器人目前越来越频繁地出现在我们的生活和工作中，“人机共存”和“人机协作”成为当前研究的热点。在这种情形下，如何保证人类的安全成为机器人研究的重点。当前，为提高机器人的安全性，机器人往往会引入力矩控制。由于传统的力矩传感器存在价格昂贵，集成性差的问题，在机器人关节设计时加入串联弹性机构，通过引入双位移编码器等效为力矩传感器。串联弹性机构主要为金属弹性元件，金属弹性元件普遍存在加工与设计复杂、储能低和刚度高等问题。为了实现关节的紧凑性设计，等效的力矩传感器也存在分辨率低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术为实现关节的柔性，存在刚度高、设计与加工复杂、储能低等缺点，同时为了实现关节的力矩控制，力矩传感器的分辨率和紧凑性不能协调统一的缺陷，提供一种具有力位控制的高柔性模块化关节。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种具有力位控制的高柔性模块化关节，其特点在于，所述高柔性模块化关节包括高柔性弹性体和反馈组件，所述反馈组件包括输入反馈组件以及输出反馈组件，所述高柔性弹性体包括设置在所述高柔性弹性体的输入端以及所述高柔性弹性体的输出端之间的弹性体，其中，

所述高柔性弹性体的输入端与输出大齿轮同步运动，所述高柔性弹性体的输出端与关节输出轴同步运动；

所述输入反馈组件与所述输出大齿轮配合，从而获得所述输出大齿轮的角位移信号；

所述输出反馈组件与所述关节输出轴配合，从而获得所述关节输出轴的角位移信号。

高柔性模块化关节内部装有高柔性弹性体，极大地降低了关节的刚度。与金属弹性体相比较，高柔性弹性体刚度通常比金属弹性体刚度小2～3个数量级，使得力传感装置自身的力传感精度得到提升。同时，高柔性弹性体中的弹性元件可以采用例如橡胶等材料。

在本技术方案中，第一反馈大齿轮和第一反馈小齿轮配合使用，用于放大高柔性弹性体的输入端的角位移信号，从而提高了角度编码器对高柔性弹性体输入信号的传感精度。

第二反馈大齿轮和第二反馈小齿轮配合使用，用于放大高柔性弹性体输出端的角位移信号，从而提高了角度编码器对高柔性弹性体输出信号的传感精度。

通过两个角度编码器分别准确地检测高柔性弹性体输入端和输出端的角位移信号，输出角度与输入角度之差乘以高柔性弹性体的扭转刚度系数，得到关节输出力矩，从而将力控制问题转化为位移控制问题。将输出端的角位移信号进行差分，从而得到关节输出端的速度信号。因此，该高柔性模块化关节能够实现位移、速度和力矩控制。

较佳地，所述输入反馈组件包括第一反馈小齿轮、反馈输出轴、第一磁铁以及第一反馈大齿轮，其中，

所述第一反馈大齿轮与所述输出大齿轮配合；

所述第一反馈小齿轮固定于所述反馈输出轴，且所述第一反馈小齿轮与所述大齿轮啮合；

所述反馈输出轴的底部连接有所述第一磁铁。

较佳地，所述输出反馈组件包括第二反馈小齿轮、第二磁铁、第二反馈大齿轮，其中，

所述第二反馈大齿轮与所述关节输出轴配合；

所述第二反馈小齿轮与所述第二反馈大齿轮啮合，且所述第二反馈小齿轮的底部连接有所述第二磁铁。

较佳地，所述反馈组件的下方设置有集成电路板，所述集成电路板上设置有至少两个磁旋转芯片，所述磁旋转芯片分别对应所述第一磁铁和所述第二磁铁。

本方案中，第一磁铁和第二磁铁对应的磁旋转芯片集成在电路板上，实现了反馈组件的紧凑性设计。

较佳地，所述反馈组件包括第一齿轮架与第二齿轮架。

较佳地，所述反馈输出轴与所述第一齿轮架之间通过微型轴承连接。

较佳地，所述第二反馈小齿轮的凸出轴与所述第一齿轮架之间通过微型轴承连接。

较佳地，所述第二反馈大齿轮被容纳于所述第一齿轮架和所述第二齿轮架之间。

较佳地，所述反馈输出轴一端设有凹槽，所述第一磁铁与所述反馈输出轴的凹槽间隙配合，所述微型轴承固定于所述反馈输出轴的轴肩上。第一磁铁与微型轴承相互吸引，从而避免第一磁铁从反馈输出轴的凹槽内滑出

较佳地，所述第二反馈小齿轮一端面设有凹槽，所述第二磁铁与所述反馈小齿轮的凹槽间隙配合，所述微型轴承固定于所述反馈小齿轮的凸出轴上。第二磁铁与微型轴承相互吸引，从而避免第二磁铁从反馈小齿轮的凹槽内滑出。

较佳地，所述弹性体为橡胶元件。与金属弹性体相比较，高柔性橡胶元件刚度通常比金属弹性体刚度小2～3个数量级，使得力传感装置自身的力传感精度得到提升。同时橡胶能加工成任意想要的形状，在一定程度上降低了高柔性弹性体的设计难度。

较佳地，所述高柔性弹性体的输入端为下金属板；所述高柔性弹性体的输出端为上金属板。

较佳地，所述上金属板和所述下金属板采用弹簧钢，使得橡胶元件填充进上金属板和下金属板之间后，能恢复形变。

较佳地，所述上金属板、下金属板和所述弹性体胶合在一起。

较佳地，所述上金属板朝向所述弹性体一侧的粗糙度大于25，所述下金属板朝向所述弹性体一侧的粗糙度大于25。由此使得所述弹性体和所述上金属板、所述下金属板粘合更为牢固。

较佳地，所述上金属板与一输出卡盘配合，所述输出卡盘固定于一输出端盘，所述输出端盘固定于所述关节输出轴。

较佳地，所述上金属板的一端面设置有多处凸键，所述凸键与所述输出卡盘的凹槽间隙配合。

较佳地，所述下金属板的一端面设置有多处凸键，所述凸键与所述输出大齿轮的凹槽间隙配合。

较佳地，所述高柔性模块化关节还包括传动装置，所述传动装置包括电机齿轮、一级大齿轮、二级小齿轮和所述输出大齿轮，其中，

所述电机齿轮固定于电机的输出轴上，并与所述一级大齿轮啮合；

所述一级大齿轮与所述二级小齿轮组成双联齿轮，所述二级小齿轮与所述输出大齿轮啮合。

传动装置实现电机的减速和力矩的放大。同时，采用齿轮副进行传动，使得关节具有较高的传动效率。

本发明的积极进步效果在于：本发明的具有力位控制的模块化关节使得关节能够简单地通过检测力矩的大小而实现碰撞检测，增加了关节在实际应用中的安全性。同时，该关节设有高柔性弹性体，极大地降低了关节的刚度和增加了关节的储能，使得机器人具有本质柔顺性，并且在运动时具有较高的效率。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的高柔性模块化关节的剖面结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的高柔性模块化关节的传动装置的剖面结构示意图。

图3为本发明较佳实施例的高柔性弹性体的立体结构示意图。

图4为本发明较佳实施例的高柔性弹性体的剖面结构示意图。

图5为本发明较佳实施例的反馈组件的立体结构示意图。

图6为本发明较佳实施例的反馈组件的剖面结构示意图。

附图标记说明

关节上外壳11

关节下外壳12

深沟球轴承13

轴套14

十字螺钉15

卡簧16

电路板17

直流无刷电机18

深沟球轴承19

电机齿轮21

一级大齿轮22

二级小齿轮23

输出大齿轮24

输入反馈组件31

第一反馈小齿轮311

微型轴承312

反馈输出轴313

第一磁铁314

第一反馈大齿轮315

输出反馈组件32

第二反馈小齿轮321

第二磁铁322

第二反馈大齿轮323

第一齿轮架33

第二齿轮架34

高柔性弹性体40

下金属板41

高柔性橡胶元件42

上金属板43

输出卡盘51

输出端盘52

关节输出轴53(中空输出轴)

连接销54

密封圈55

交叉滚柱轴环56

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

请结合图1～图6予以理解，本发明提供一种具有力位控制的高柔性模块化关节，高柔性模块化关节包括：电机、传动装置、力矩传感装置和输出装置。

力矩传感装置包括高柔性弹性体和反馈组件。

反馈组件包括输入反馈组件31、输出反馈组件32、第一齿轮架33和第二齿轮架34。

输入反馈组件31包括第一反馈小齿轮311、微型轴承312、反馈输出轴313、第一磁铁314、第一反馈大齿轮315。

如图1所示，高柔性弹性体包括设置在高柔性弹性体的输入端(下金属板41)以及高柔性弹性体的输出端(上金属板43)之间的弹性体(高柔性橡胶元件42)，高柔性弹性体的输入端(下金属板41)与输出大齿轮24同步运动，高柔性弹性体的输出端(上金属板43)与关节输出轴53同步运动；输入反馈组件31与输出大齿轮24配合，从而获得输出大齿轮24的角位移信号；输出反馈组件32与关节输出轴53配合，从而获得关节输出轴53的角位移信号。

具体地，第一反馈大齿轮315为中空齿轮，一端面有凸出的轴，第一反馈大齿轮315的凸出轴与输出大齿轮24的凸出轴过盈配合。第一反馈小齿轮311固定于反馈输出轴313上，并与第一反馈大齿轮315啮合。反馈输出轴313安装于微型轴承312的内圈，微型轴承312安装于第一齿轮架33的轴承孔内；反馈输出轴313一端有凹槽，第一磁铁314安装于反馈输出轴313的凹槽中，第一磁铁314与电路板17上相对应的磁旋转芯片配对使用。

这样，第一反馈大齿轮315传递输出大齿轮24的角位移信号，由于高柔性弹性体40的下金属板41凸键卡在输出大齿轮24的键槽中，所以第一反馈大齿轮315等效于传递高柔性弹性体40的输入信号；同时，第一反馈大齿轮315和第一反馈小齿轮311配合使用，等效于放大高柔性弹性体输入信号，从而提高了角度编码器对高柔性弹性体40输入信号的传感精度。

如图5和图6所示，输出反馈组件32包括第二反馈小齿轮321、第二磁铁322、第二反馈大齿轮323。

具体地，第二反馈大齿轮323通过十字螺钉15固定于关节输出轴(中空输出轴)53上；第二反馈小齿轮321一端面设有凹槽，另一端面设有凸出轴，第二反馈小齿轮321的凸出轴与微型轴承312间隙配合，并与第二反馈大齿轮323相啮合；第二磁铁322安装于第二反馈小齿轮321的凹槽中，第二磁铁322与电路板17上相对应的磁旋转芯片配对使用。

这样，第二反馈大齿轮323传递关节输出轴53的输出信号，由于高柔性弹性体40的上金属板43凸键卡在输出卡盘51的键槽中，输出卡盘51与关节输出轴53通过螺钉固定在一起，所以第二反馈大齿轮323等效于传递高柔性弹性体40的输出信号；同时，第二反馈大齿轮323和第二反馈小齿轮321配合使用，等效于放大高柔性弹性体40的输出信号，从而提高了角度编码器对高柔性弹性体40输出信号的传感精度。

在本实施例中，所采用的角度编码器可免受磁铁安装位置偏差、气隙变化、温度变化以及外部磁场的干扰的影响。第一磁铁314和第二磁铁322所对应的磁旋转芯片均是集成在电路板17上，减少了关节的体积。在本实施例中所采用的的第一磁铁314、第二磁铁322和磁旋转芯片均为市售产品。

如图3和图4所示，高柔性弹性体包括上金属板43、下金属板41和高柔性橡胶元件42。

具体地，上金属板43的一端面有沿其中心线均匀分布的6处凸键，所述凸键与输出卡盘51的凹槽间隙配合；下金属板41一端面也有沿其中心线均匀分布的6处凸键，凸键与输出大齿轮24的凹槽间隙配合；高柔性橡胶元件42的两端面分别与上金属板43、下金属板41胶合在一起。

在本实施例中，上金属板43和下金属板41与高柔性橡胶元件42粘合的表面粗糙度大于25，使得高柔性橡胶元件42和上金属板43、下金属板41粘合更为牢固。上金属板43和下金属板41采用的是弹簧钢，使得橡胶材料填充进上金属板和下金属板之间后，能恢复形变。高柔性弹性体40在加工完成后，表面需要镀上环保锌，防止金属板氧化。关节内部装有高柔性弹性体40，极大地降低了关节的刚度。与金属弹性体相比较，高柔性弹性体刚度通常比金属弹性体刚度小2～3个数量级，使得力传感装置自身的力传感精度得到提升。同时，高柔性弹性体40中得弹性元件采用的是橡胶材料，橡胶能加工成任意想要的形状，在一定程度上降低了高柔性弹性体40的设计难度。

如图2所示，传动装置包括电机齿轮21、一级大齿轮22、二级小齿轮23和输出大齿轮24。

具体地，电机齿轮21固定于直流无刷电机18的轴上，并与一级大齿轮22啮合。二级小齿轮23两端面均设有凸出轴，一级大齿轮22固定于二级小齿轮23的凸出轴上，组成双联齿轮，二级小齿轮23两端面的凸出轴分别安装于深沟球轴承13的内圈和轴套14的内圈，二级小齿轮23与输出大齿轮24啮合。输出大齿轮24固定于深沟球轴承19的外圈，深沟球轴承通过卡簧16在关节输出轴53上进行限位。

在本实施例中，输出大齿轮24一端面设有较深凹槽，另一端面设有较浅凹槽，中间有沿凹槽中心均布的6处键槽，并与高柔性弹性体40的下金属板凸键配合。这样，通过将高柔性弹性体40设置于输出输出大齿轮24较深的凹槽中，从而实现关节的紧凑性设计。

输出装置包括输出卡盘51、输出端盘52、关节输出轴53、连接销54、密封圈55、交叉滚柱轴环56。

如图1所示，具体地，输出卡盘51一端面设有沿中心分布的6处键槽，高柔性弹性体40上金属板43的凸键卡在输出卡盘51的键槽内。输出卡盘51通过连接销54周向固定于输出端盘52的一端面，输出端盘52的另一端面设有沿其中心均匀分布的6个螺纹孔，用于关节与外界的连接。输出端盘52通过螺钉固定于关节输出轴53上，关节输出轴53固定于深沟球轴承19的内表面。交叉滚柱轴环56通过输出卡盘51、输出端盘52和关节上外壳11进行限位。密封圈55设置于输出端盘52和关节上外壳11的缝隙中。

在本实施例中，交叉滚柱轴环56为超薄型滚子轴承，旋转精度高，同时能承受径向和轴向的载荷。密封圈56为橡胶密封圈，用于防止外界杂质进入关节内部。

直流无刷电机18和电路板17分别通过螺钉固定于关节下外壳12的内表面。

在本实施例中，直流无刷电机18的控制芯片直接集成在电路板17上，使得高柔性模块化关节的集成度更高。

本实施例的工作原理：直流无刷电机18作为整个高柔性模块化关节的输入，通过两级齿轮副实现关节的减速和扭矩的放大。

二级小齿轮23和输出大齿轮24相啮合，从而带动高柔性弹性元件40运动，高柔性弹性元件40包括上金属板43、高柔性橡胶元件42和下金属板41。高柔性弹性元件40转动，在一定力范围内带动输出卡盘51转动，从而带动输出端盘52转动，从而实现输出。

如果输出端盘受到外界的力，高柔性模块化关节运动时，将会导致高柔性弹性元件40产生扭转变形，即上金属板43和下金属板41出现转动角度差。通过输入反馈组件31检测高柔性弹性体40输入端的角度，输出反馈组件32检测高柔性弹性体40输出端的角度，两部分的角度差乘以高柔性弹性体40的弹性扭转刚度系数，得到关节的输出力矩，从而实现关节的力矩控制。

同时，对高柔性弹性体40的角位移输出信号做差分，得到关节的速度信号，从而实现关节的速度控制。因此，该高柔性模块化关节能够实现位移、速度和力矩控制。

也就是说，本发明采用双角度编码器加高柔性弹性体结构代替力矩传感器，该等效力矩传感器的分辨率取决于角度编码器分辨率。由于采用的角度编码器的分辨率为14位，达不到高分辨率输出的要求。通过引入输入反馈组件31和输出反馈组件32，通过齿轮副对输入和输出信号进行4倍放大，从而等效于将角度编码器的分辨率提高至16位，从而实现高分辨率的输出。

本发明的角度编码器采用的是磁铁加磁旋转芯片结构，磁旋转芯片直接集成在电路板17上，磁铁直接安装于反馈组件内，从而解决了关节体积大的问题。高柔性模块化关节设有高柔性弹性体，使关节具有较高的柔性，从而增加了机器人的储能，同时提高了机器人的安全性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述具有力位控制的高柔性模块化关节包括高柔性弹性体和反馈组件，所述反馈组件包括输入反馈组件以及输出反馈组件，所述高柔性弹性体包括设置在所述高柔性弹性体的输入端以及所述高柔性弹性体的输出端之间的弹性体，其中，

所述高柔性弹性体的输入端与输出大齿轮同步运动，所述高柔性弹性体的输出端与关节输出轴同步运动；

所述输入反馈组件与所述输出大齿轮配合，从而获得所述输出大齿轮的角位移信号；

所述输出反馈组件与所述关节输出轴配合，从而获得所述关节输出轴的角位移信号，所述输入反馈组件包括第一反馈小齿轮、反馈输出轴、第一磁铁以及第一反馈大齿轮，其中，

所述第一反馈大齿轮与所述输出大齿轮配合；

所述第一反馈小齿轮固定于所述反馈输出轴，且所述第一反馈小齿轮与所述第一反馈大齿轮啮合；

所述反馈输出轴的底部连接有所述第一磁铁。

2.如权利要求1所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述输出反馈组件包括第二反馈小齿轮、第二磁铁、第二反馈大齿轮，其中，

所述第二反馈大齿轮与所述关节输出轴配合；

所述第二反馈小齿轮与所述第二反馈大齿轮啮合，且所述第二反馈小齿轮的底部连接有所述第二磁铁。

3.如权利要求2所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述反馈组件的下方设置有集成电路板，所述集成电路板上设置有至少两个磁旋转芯片，所述磁旋转芯片分别对应所述第一磁铁和所述第二磁铁。

4.如权利要求2所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述反馈组件包括第一齿轮架与第二齿轮架。

5.如权利要求4所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述反馈输出轴与所述第一齿轮架之间通过微型轴承连接。

6.如权利要求4所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述第二反馈小齿轮的凸出轴与所述第一齿轮架之间通过微型轴承连接。

7.如权利要求4所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述第二反馈大齿轮被容纳于所述第一齿轮架和所述第二齿轮架之间。

8.如权利要求5所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述反馈输出轴一端设有凹槽，所述第一磁铁与所述反馈输出轴的凹槽间隙配合，所述微型轴承固定于所述反馈输出轴的轴肩上。

9.如权利要求6所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述第二反馈小齿轮一端面设有凹槽，所述第二磁铁与所述反馈小齿轮的凹槽间隙配合，所述微型轴承固定于所述反馈小齿轮的凸出轴上。

10.如权利要求1所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述弹性体为橡胶元件。

11.如权利要求1所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述高柔性弹性体的输入端为下金属板；所述高柔性弹性体的输出端为上金属板。

12.如权利要求11所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述上金属板、下金属板和所述弹性体胶合在一起。

13.如权利要求11所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述上金属板朝向所述弹性体一侧的粗糙度大于25，所述下金属板朝向所述弹性体一侧的粗糙度大于25。

14.如权利要求11所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述上金属板与一输出卡盘配合，所述输出卡盘固定于一输出端盘，所述输出端盘固定于所述关节输出轴。

15.如权利要求14所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述上金属板的一端面设置有多处凸键，所述凸键与所述输出卡盘的凹槽间隙配合。

16.如权利要求11所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述下金属板的一端面设置有多处凸键，所述凸键与所述输出大齿轮的凹槽间隙配合。

17.如权利要求1所述的具有力位控制的高柔性模块化关节，其特征在于，所述具有力位控制的高柔性模块化关节还包括传动装置，所述传动装置包括电机齿轮、一级大齿轮、二级小齿轮和所述输出大齿轮，其中，

所述电机齿轮固定于电机的输出轴上，并与所述一级大齿轮啮合；

所述一级大齿轮与所述二级小齿轮组成双联齿轮，所述二级小齿轮与所述输出大齿轮啮合。

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