CN110614649A - 一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节 - Google Patents
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Abstract
本发明针对传统刚性直线电机驱动的缺点，提出一种针对直线电机驱动关节将刚性关节转为柔性关节的方法以及适用于机器人的柔性化、无间隙的平面涡簧预紧直线驱动关节的结构。属于机器人技术领域。该平面涡簧预紧直线驱动关节包含躯干骨架，平面涡簧详细叙述其他涡簧，直线电机，裙座法兰，躯干轴承等。平面涡卷弹簧是将等截面的细长材料绕制成平面螺旋线形的弹簧，平面涡卷弹簧的制作较为简单，它的刚度较小，由于卷绕圈数可以很多，变形角大，能在较小的体积内储存较多的能量。而截锥涡簧等空间型涡簧其体积大，所需安装空间要求比较大，适合于沿轴方向的关节预紧。该直线驱动关节具有柔性化，无间隙的优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种用于养老服务机器人的双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节。
背景技术
近些年来，随着机器人技术的发展，医疗服务、航空航天、工业等对机器人的要求越来越高。机器人关节是机器人的关键部件，关节设计的好坏直接影响到机器人整体性能。
传统刚性机构是由运动副连接的刚性杆件组成的，进行运动、力或能量传递或转换的机械装置。传统刚性机构易产生磨损，且关节力矩传动过程中产生传动间隙，影响关节的运动精度。柔顺机构能传递或转换运动、力或能量，但与刚性机构不同，柔顺机构不仅由运动副传递运动，还至少从其柔性部件的变形中获得一部分运动，存储弹性能，自身具有回程反力。柔顺机构的两大优越性：降低成本和提高性能。
养老服务机器人在应用场景上有更苛刻的要求，它需要在家庭或者养老院等窄小的空间里面能活动自如，帮助老人完成部分日常工作。因此，养老服务机器人的关节设计如果是刚性关节，在运动过程中存在传动间隙，影响关节的运动精度，并且碰触到老人或者障碍物时没有柔性缓冲，易发生危险等，因此必须是柔性化设计，而养老服务机器人躯干部分运动范围大，其直线电机驱动关节的柔性化设计更为关键。
发明内容
本专利发明针对传统刚性直线电机驱动的缺点，一种用于养老服务机器人的双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节，从而实现养老服务机器人柔性化，在窄小的空间里面能活动自如。
本申请提供一种用于养老服务机器人的双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节，针对直线电机驱动关节将刚性关节转为柔性关节的方法以及适用于机器人的柔性化、无间隙的平面涡簧预紧直线驱动关节的结构。该平面涡簧预紧直线驱动关节包含躯干骨架，平面涡簧详细叙述其他涡簧，直线电机，裙座法兰，躯干轴承等。平面涡卷弹簧是将等截面的细长材料绕制成平面螺旋线形的弹簧，平面涡卷弹簧的制作较为简单，它的刚度较小，由于卷绕圈数可以很多，变形角大，能在较小的体积内储存较多的能量。而截锥涡簧等空间型涡簧其体积大，所需安装空间要求比较大，适合于沿轴方向的关节预紧。该直线驱动关节具有柔性化，无间隙的优点。
本发明的技术方案是：
为实现上述目的，本专利的技术方案中，用于机器人的柔性化直线驱动关节包括躯干骨架1、平面涡簧2、直线电机3、电机连杆4、裙座法兰5、轴承法兰6和躯干轴承7。
所述机器人的柔性化直线驱动关节的直线电机3底部与电机连杆4铰接，通过螺钉固定在裙座法兰5上，实现直线电机的固定；
所述电机连杆穿过直线电机3伸缩杆端的球形铰接孔后，固定连接于躯干骨架1上，实现裙座法兰5固定件与躯干骨架1活动件之间的连接，躯干骨架1与裙座法兰5均采用一体成型铝合金材料，质量轻，刚度高。；
所述躯干骨架1与裙座法兰5之间分别和双侧的躯干轴承7的轴承外圈和内圈进行过渡配合，通过轴承内外圈旋转实现躯干与裙座之间的旋转运动；
所述两侧的轴承法兰6与裙座法兰5分别通过螺钉连接固定一体，躯干轴承7内圈固定套在轴承法兰6轴上，外圈与躯干骨架1轴承口配合，实现内外圈旋转；
进一步的，在躯干骨架1与裙座法兰5之间安装有平面涡簧2；平面涡簧2设计为高刚度、大形变结构，材料选用普通弹簧钢，优先选用油淬火回火碳素弹簧钢丝65Mn，一端固定于躯干骨架1上，一端固定于裙座法兰5上，通过涡簧的变形实现躯干直线驱动关节的柔性设计以及关节内间隙的消除，达到机器人躯干关节的柔性化设计。
本发明直线驱动关节中平面涡簧2在安装过程中，通过扭紧平面涡簧预先储存弹性能量，当直线驱动关节组件受外力绕着弹簧中心旋转时，该涡簧将它拉回初始位置，产生扭矩或旋转力，使关节具有柔性化。
通过直线电机3带动躯干骨架1实现养老服务机器人弯腰等动作，其中，躯干两侧的平面涡簧2设计为高刚度，实现躯干关节的柔性和预紧功能。
有益效果
本专利中提出一种针对直线电机驱动关节将刚性关节转为柔性关节的方法，设计出一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节，针对机器人躯干关节中，实现柔性化设计，消除因直线电机及安装配合件之间的间隙，大大提高了躯干的运动精度和柔性控制，有效的解决了机器人关节柔性化设计的难题。
附图说明
图1是本专利的直线驱动柔性关节的结构示意图。
图2是本专利的直线驱动柔性关节结构剖面图。
图3是本专利的直线驱动柔性关节轴测图。
图示说明：1、躯干骨架；2、平面涡簧；3、直线电机；4、电机连杆；5、裙座法兰；6、轴承法兰；7、躯干轴承。
具体实施例
下面将结合附图和具体实施例，对本发明技术方案进行详细描述。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
图1为本申请的直线驱动柔性关节的结构示意图。图2为本专利的直线驱动柔性关节结构剖面图。图3为本专利的直线驱动柔性关节轴测图。参阅图1-3可知：
该用于机器人的柔性化直线驱动关节，包括躯干骨架1、平面涡簧2、直线电机3、电机连杆4、裙座法兰5、轴承法兰6和躯干轴承7；
其中，机器人的柔性化直线驱动关节的直线电机3底部与电机连杆4铰接，通过螺钉固定在裙座法兰5上，实现直线电机的固定；
电机连杆穿过直线电机4伸缩杆端的球形铰接孔后，固定连接于躯干1骨架上，实现裙座法兰5固定件与躯干骨架1活动件之间的连接；
躯干骨架1与裙座法兰5之间通过双侧的躯干轴承7进行连接，作为躯干与裙座的旋转轴；
两侧的轴承法兰6与裙座法兰5分别通过螺钉连接固定一体，躯干轴承7内圈固定套在轴承法兰6轴上，外圈与躯干骨架1轴承口配合，实现内外圈旋转；
进一步的，在躯干骨架1与裙座法兰5之间安装有平面涡簧2；平面涡簧2设计为高刚度、大形变结构，一端固定于躯干骨架1上，一端固定于裙座法兰5上，通过涡簧的变形实现躯干直线驱动关节的柔性设计以及关节内间隙的消除，达到机器人躯干关节的柔性化设计。
通过直线电机3带动躯干骨架1实现养老服务机器人弯腰等动作，其中，躯干两侧的平面涡簧2设计为高刚度，实现躯干关节的柔性和预紧功能。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节,其特征在于，用于机器人的柔性化直线驱动关节包括躯干骨架1、平面涡簧2、直线电机3、电机连杆4、裙座法兰5、轴承法兰6和躯干轴承7；
所述机器人的柔性化直线驱动关节的直线电机3底部与电机连杆4铰接，通过螺钉固定在裙座法兰5上，实现直线电机的固定；
所述电机连杆穿过直线电机3伸缩杆端的球形铰接孔后，固定连接于躯干骨架1上，实现裙座法兰5固定件与躯干骨架1活动件之间的连接，；
所述躯干骨架1与裙座法兰5之间分别和双侧的躯干轴承7的轴承外圈和内圈进行过渡配合，通过轴承内外圈旋转实现躯干与裙座之间的旋转运动；
所述两侧的轴承法兰6与裙座法兰5分别通过螺钉连接固定一体，躯干轴承7内圈固定套在轴承法兰6轴上，外圈与躯干骨架1轴承口配合，实现内外圈旋转。
2.如权利要求1所述的一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节,其特征在于，所述躯干骨架1与裙座法兰5采用一体成型铝合金材料，安装有平面涡簧2。
3.如权利要求2所述的一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节,其特征在于，平面涡簧2设计为高刚度、大形变结构，一端固定于1躯干骨架上，一端固定于裙座法兰5上，通过涡簧的变形实现躯干直线驱动关节的柔性设计以及关节内间隙的消除，达到机器人躯干关节的柔性化设计。
4.如权利要求3所述的一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节,其特征在于，平面涡簧材料选用普通弹簧钢。
5.如权利要求3所述的一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节,其特征在于，平面涡簧材料选用油淬火回火碳素弹簧钢丝65Mn。
6.如权利要求3-5任意一项所述的一种双平面涡簧预紧柔性直线电机驱动关节,其特征在于，通过直线电机3带动躯干骨架1实现养老服务机器人弯腰等动作，躯干两侧的平面涡簧2设计为高刚度，实现躯干关节的柔性和预紧功能。
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