CN110762148A - 一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：由输入总成与输出总成两部分组成，所述输入总成包括滑动轴承、调节套筒、锁紧螺母、成对安装并预紧的轴承和一体式的输入板、中心轴，所述输出总成包括滚动轴承、固定螺钉和一体式的缓冲板、柔性铰链弹簧和输出板，所述输入总成与输出总成通过所述调节套筒连接并预紧，所述的输入板上沿圆周方向均匀设有m个轨道，在缓冲板上相同位置设有m个滚动轴承，并与所述轨道一一对应。本发明用柔性铰链弹簧替代传统的压簧，并通过整体加工技术，将多个需要装配的零件整合为一个整体加工而成的零件，从而避免装配误差与间隙，提高结构刚度与稳定性，提高传动精度。

Description

一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置

技术领域

本发明属于柔性传动技术领域，特别涉及一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置。

背景技术

机器人与人或环境交互时，需要力控制技术。当前，机器人的力控制技术有：1.主动力控制技术，通过控制算法以及传感器信息来决定机器人关节的输入，使机器人对人或外部环境产生合适的输出力。2.被动力控制技术，通过设计弹性机构缓冲对外界的作用力。

驱动器是一种将其他形式的能量转化为力、力矩、速度或者转速的一种设备或机械装置。机器人驱动器应具备以下几方面特点：首先应该重量轻，输出功率大，能够拥有很高的能量密度，并且成本低。另外，与人或环境的交互过程中，拥有很好的力输出精度和较低的阻抗，以确保人的安全或环境不会受到破坏。最后，机器人在工作状态下，由于碰撞所产生的冲击能量应当通过一定的结构传递到驱动器中来，以提高机器人的抗冲载荷能力，避免机器人受到损伤。

柔性的驱动技术在目前机器人行业是一个亟须攻克的难题。目前对机器人的柔顺控制大多采用六维力传感器作为反馈单元，但由于六维力传感器价格较高，目前应用还不太广泛。串联弹性驱动是一种能够实现柔性输出的驱动单元，在驱动和执行模块之间添加弹性单元，使两者之间具有柔性缓冲。传统的串联弹性驱动器大多是以弹簧作为弹性单元，对力、力矩起到缓冲的作用。但以弹簧为弹性单元的串联弹性驱动器刚度不高、精度较差、稳定性较差，限制了其在机器人领域的应用。

如申请号201510945316.2的中国专利公开了基于压簧的线性串联弹性驱动器，其特征是：包括伺服电机、驱动器底座、轴承、轴承滚动底盘、压簧、铜柱、压簧固定底板、压簧固定顶板、负载连接单元、输出轴、联轴器和编码器，所述的伺服电机固定在驱动器底座上，伺服电机输出端通过法兰盘与轴承滚动底盘固定相连，压簧固定底板相对轴承滚动底盘一侧通过三个细轴安装有三个轴承，轴承滚动底盘上有线性轨道，三个轴承分别安装在对应的轨道内，压簧固定底板的另一侧安装有三个铜柱，每个铜柱上各套装一个压簧，三个铜柱的末端由压簧固定顶板相应位置所开圆孔中穿过并可相对移动，压簧固定顶板上固定安装输出轴，负载连接单元通过螺丝固定在输出轴侧面并留置负载安装孔，用以与负载相连接；输出轴的末端通过联轴器和编码器固定连接，编码器通过编码器底座固接在驱动器底座上。

该串联弹性驱动器里有三个弹簧，主要用于产生轴向的线性运动，在径向运动方向上，需要其具备较高的刚度，以有效传递输入板的运动，该设计中弹簧在径向的刚度较差，且在轴向的线性运动过程中，摩擦力较大；该串联弹性驱动器的整体刚度较差，会影响其运动精度和负载能力；该串联弹性驱动器的固定和预紧方式有缺陷，当有外力将输出板向输入板方向挤压时，输出板与输入板之间的距离会缩短，会影响精度；该串联弹性驱动器输入板与减速器的连接方式有缺陷，需要先将输入板连接至减速器，再组装串联弹性驱动器，在实际使用过程中十分不便，如果连接松动，也无法及时拧紧。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，用柔性铰链弹簧替代传统的压簧，并通过整体加工技术，将多个需要装配的零件整合为一个整体加工而成的零件，从而避免装配误差与间隙，提高结构刚度与稳定性，提高传动精度。

本发明采用的技术方案是：一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：由输入总成与输出总成两部分组成，所述输入总成包括滑动轴承、调节套筒、锁紧螺母、成对安装并预紧的轴承和一体式的输入板、中心轴，所述输出总成包括滚动轴承、固定螺钉和一体式的缓冲板、柔性铰链弹簧、输出板，所述缓冲板、输出板、滑动轴承、调节套筒、锁紧螺母和成对安装并预紧的轴承套在所述中心轴上，所述滑动轴承位于所述缓冲板、中心轴之间，所述调节套筒位于所述输出板和轴承之间，所述锁紧螺母紧贴所述成对安装并预紧的轴承，所述的输入板上沿圆周方向均匀设有m个轨道，在缓冲板上相同位置设有m个所述滚动轴承，并与所述轨道一一对应，所述滚动轴承通过所述固定螺钉固定在所述缓冲板上。

作为优选，所述的缓冲板、柔性铰链弹簧与输出板为一体式结构，由一块原料经过切削加工制成。

作为优选，所述柔性铰链弹簧与常规压簧相比，具有较低的轴向刚度，用于传递缓冲板的前后移动；同时具有较高横向刚度与扭转刚度，能够有效地将输入板传递至缓冲板的扭矩传递至输出板。

作为优选，所述柔性铰链弹簧由n组(n≥1)柔性铰链串联而成，每组柔性铰链包含m个柔性铰链，每组柔性铰链中的柔性铰链沿所述的中心轴圆周方向均匀分布，相互之间夹角为180°/m。

作为优选，每个所述柔性铰链由板簧与圆弧形立柱组成，通过板簧的弹性变形来传递运动。

作为优选，所述柔性铰链弹簧的刚度通过柔性铰链的组数、板簧的厚度、板簧的间距、立柱的厚度调节。

作为优选，m≥3。

工作原理：基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置由输入总成与输出总成两部分组成，输入总成与输出总成通过调节套筒相连，控制调节套筒在输出板的螺纹拧入深度，可以随时调节柔性铰链弹簧的预紧量。

输入板与电机或减速器的输出端相连，输出板与负载相连。在输入板上沿圆周方向均匀设有m个(m≥3)轨道，轨道的轮廓左右对称，其展开形状可以是带圆角的斜线或圆弧、抛物线、双曲线等连续曲线。在缓冲板上相同位置同样设有m个滚动轴承，并与输入板上的轨道一一对应，滚动轴承通过固定螺钉与缓冲板连接，形成了m个并行的传动链。在静止状态下，滚动轴承位于轨道的最低端，此时，轨道的法向与输出轴的轴向重合，驱动力矩为0，输入总成与输出总成处于平衡位置。在传动过程中，随着输入板的转动，缓冲板上的滚动轴承会沿着输入板上的轨道滑动。除了平衡位置之外，轨道的法向与输出轴的轴向不重合，滚动轴承一旦离开平衡位置，滚动轴承受到沿轨道法向的力的作用，同时会推动缓冲板向后运动，改变柔性铰链弹簧的变形量，在这种情况下，施加到输出板上的驱动力矩逐渐增大，从而达到缓冲运动与调节输出转矩的作用。

输入板与中心轴为一体式结构，由一块原料整体加工而成；缓冲板、柔性铰链弹簧与输出板同样为一体式结构，由一块原料整体加工完成，减少了装配的零件与环节，结构刚度高、稳定性好。在传动过程中，缓冲板与中心轴之间同时存在相对的转动与轴向滑动，二者采用滑动轴承连接，同时传递这两种运动，减少摩擦、提高结构的刚度。在运动过程中，由于柔性铰链弹簧的缓冲作用，输出板与输入板的转动不一致，中心轴与调节套筒使用成对安装并预紧的轴承(角接触球轴承、深沟球轴承或圆锥滚子轴承)连接，保证在运动过程中，输入板与输出板之间能够产生相对转动。成对安装并预紧的轴承可以在运动过程中保持输入板与输出板间的距离不变。

本发明的一个核心结构是整体加工的缓冲板、柔性铰链弹簧和输出板，其中柔性铰链的工作方向是轴向，在轴方上柔性铰链弹簧具有较低的刚度，用于传递缓冲板的前后移动并储能；在径向(横向)与转动方向上，柔性铰链弹簧具有很高的刚度，提高结构刚度与稳定性，能够有效地将输入板传递至缓冲板的扭矩传递至输出板。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：1、传动精度高：使用一体式的柔性铰链弹簧代替常规的压簧，该柔性铰链弹簧在轴向刚度低，在径向与转动方向刚度高，能够很好地传递运动，且具有很高的结构刚度和稳定性；

2、结构刚度与稳定性高：使用滑动轴承连接中心轴与缓冲板，使用成对安装的轴承连接调节套筒与中心轴，将缓冲板、柔性铰链弹簧、输出板整体加工，将输入板与中心轴整体加工，提高了结构整体的刚度和稳定性；

3、安装与调整简单：系统由输入总成与输出总成两部分组成，通过调节套筒连接，通过套筒在输出板上的螺纹连接深度控制系统的预紧量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构剖面图；

图3是本发明的一条传动链示意图；

图4是柔性铰链弹簧在42N轴向力作用下的变形云图。

图中：1a-输入板，1b-中心轴，2-滚动轴承，3-固定螺钉，4-滑动轴承，5a-缓冲板，5b-柔性铰链弹簧，5c-输出板，6-调节套筒，7-锁紧螺母，8-轴承，9-轨道，10-柔性铰链，11-板簧，12-板簧立柱，13a、13b-轨道法线方向。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

结合图1-2，本发明是一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其由输入总成与输出总成两部分组成，输入总成包括一体式的输入板1a和中心轴1b、成对安装并预紧的角接触球轴承8、滑动轴承4、调节套筒6与锁紧螺母7，输出总成包括3个滚动轴承2、3个固定螺钉3(m＝3)和一体式的缓冲板5a、柔性铰链弹簧5b、输出板5c。中心轴1b与缓冲板5a之间通过滚动轴承2相连接，在传动过程中，缓冲板5a会沿中心轴1b的轴向运动并绕中心轴1b转动，使用滚动轴承2可以同时传递这两种运动，确保在传动过程中，系统在中心轴1b径向方向的刚度。输入总成与输出总成通过调节套筒6相连，调节套筒6与输出板5c上有相互配合的螺纹，控制调节套筒6与输出板5c之间螺纹的拧入深度，可以调节输出总成与输入总成之间的预紧量。在传动过程中，由于柔性铰链弹簧5b的缓冲，输出板5c与输入板1a之间的运动不同步，因此，中心轴1b与调节套筒6之间采用成对安装的角接触球轴承8连接，在传递中心轴1b与输出板5c之间相互运动的同时，确保输入板1a与输出板5c之间的距离不变。

结合图3，电机或减速器的输出端与系统的输入板1a相连，负载与系统的输出板5c相连。在输入板1a上，沿圆周方向均匀设计3个轨道9，轨道9是对称结构，在预紧力的作用下，滚动轴承2始终与轨道9接触。在传动过程中，输出板5c并不与输入板1a直接相连，而是通过一条传动链间接相连，该传动链包括轨道9、滚动轴承2、缓冲板5a、柔性铰链弹簧5b。在传动过程中，输入板1a与输出板5c的转动并不同步，随着输入板1a的转动，滚动轴承2会沿着轨道9滚动，由于轨道法线方向(13a、13b)与中心轴1b的轴向不重合，会在缓冲板5a上产生一个扭转力矩，该扭转力矩通过柔性铰链弹簧5b传递至输出板5c，从而实现运动传递。在滚动轴承2沿着轨道9运动的过程中，柔性铰链弹簧5b的压缩量不一样，因此，传递至输出板5c上的驱动力矩也不同，从而可以实现驱动力矩的调节。

结合图3，单个的柔性铰链10由板簧11与板簧立柱12组成，可以用线切割的方式加工而成。在传动过程中，通过板簧11的弹性变形来传递运动。每m个柔性铰链为一组，在本实施例中，共有3个轨道9，因此，m＝3，即每3个柔性铰链10构成一组柔性铰链，每组柔性铰链沿圆周方向均匀分布，相互间隔180°/m＝60°。在本发明中，柔性铰链弹簧5b由n组(n≥1)柔性铰链构成，在本实施例中，n＝2。柔性铰链弹簧5b的刚度受到板簧11的厚度、板簧11的间距、板簧立柱12的厚度、柔性铰链组数n值的影响。

结合图4，柔性铰链弹簧5b的在中心轴1b轴向方向的运动与常规的压簧类似。在本实施例中，柔性铰链弹簧5b的内径为30mm，外径为50mm，板簧11的厚度为1mm，板簧11的间距为2mm，板簧立柱12的厚度为1.5mm。图4所示为柔性铰链弹簧5b在42N的轴向外力作用下，结构的变形云图，从图中可以看出，最大变形量约为0.967mm，整体等效线性刚度约为43.43N/mm，约等效于3个刚度为14.48N/mm的常规压簧。

综上所述，本发明的结构设计，充分利用了整体式加工技术，将多个零件合并成一体，简化了装配环节，降低了装配误差与装配间隙，在此基础上，在所有产生相对运动的元件之间，均使用了滚动轴承、滑动轴承，在保证运动精度的基础上，提高了系统的刚度和结构稳定性。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：由输入总成与输出总成两部分组成，所述输入总成包括滑动轴承、调节套筒、锁紧螺母、成对安装并预紧的轴承和一体式的输入板、中心轴，所述输出总成包括滚动轴承、固定螺钉和一体式的缓冲板、柔性铰链弹簧、输出板，所述缓冲板、输出板、滑动轴承、调节套筒、锁紧螺母和轴承套在所述中心轴上，所述滑动轴承位于所述缓冲板、中心轴之间，所述调节套筒位于所述输出板和成对安装并预紧的轴承之间，所述锁紧螺母压紧所述成对安装并预紧的轴承，所述输入板上沿圆周方向均匀设有m个轨道，在所述缓冲板上设有m个所述滚动轴承，所述滚动轴承与所述轨道一一对应，所述滚动轴承通过固定螺钉固定在所述缓冲板上。

2.如权利要求1所述的基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：所述缓冲板、柔性铰链弹簧与输出板为一体式结构，由一块原料经过切削加工制成。

3.如权利要求1所述的基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：所述柔性铰链弹簧具有较低的轴向刚度，用于传递缓冲板的前后移动；所述柔性铰链弹簧同时具有较高横向刚度与扭转刚度，能够有效地将输入板传递至缓冲板的扭矩传递至输出板。

4.如权利要求1所述的基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：所述柔性铰链弹簧由n组(n≥1)柔性铰链串联而成，每组柔性铰链包含m个柔性铰链，每组柔性铰链中的柔性铰链沿所述中心轴圆周方向均匀分布，相互之间夹角为180°/m。

5.如权利要求4所述的基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：每个所述柔性铰链由板簧与圆弧形立柱组成，通过板簧的弹性变形来传递运动。

6.如权利要求5所述的基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：所述柔性铰链弹簧的刚度通过柔性铰链的组数、板簧的厚度、板簧的间距、立柱的厚度调节。

7.如权利要求1或4所述的基于一体式柔性铰链弹簧的串联弹性传动装置，其特征是：m≥3。

Images