CN111844120B - 扭矩反馈关节 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扭矩反馈关节，包括电机外壳，电机外壳中的电机驱动输入轴旋转；所述输入轴通过减速器驱动一壳体旋转；在所述壳体外套设有一大跨距薄壁形变单元，所述大跨距薄壁形变单元的近端与所述壳体的远端固定连接，所述大跨距薄壁形变单元的远端与所述壳体的近端之间设有无间隙滑动支撑，所述大跨距薄壁形变单元的远端还连接有关节输出；在所述大跨距薄壁形变单元的周侧面上粘贴有应变片，用于测量所述大跨距薄壁形变单元承受的扭矩。本发明采用带力敏结构的大跨距薄壁形变单元，可通过微小结构形变灵敏检测输出扭矩；应变信号采集容易，力矩信号稳定。

Description

扭矩反馈关节
技术领域
本发明涉及一种智能机器人的一体化关节，特别涉及一体化关节的扭矩反馈测量结构。
背景技术
腿足机器人不同于一般的仿生机器人，其具有灵巧和敏捷的运动特性，能够在非结构化的环境中稳定行走，代替人类完成危险作业，在军事、反恐防爆、太空探索、抢险救灾等方面有着广阔的应用前景。
关节模块作为腿足机器人的核心，极大的影响整个系统的性能，成为衡量和制约机器人水平的核心因素。传统的机器人关节通过串联扭矩传感器测量关节扭矩，不仅体积大质量重，而且由于存在多维力耦合，扭矩测量结果不够准确。与此相比，具有扭矩反馈功能的机器人一体化关节模块，可以提高空间利用率，增加扭矩测量的准确性，改善机器人动作的控制精度，从而提高机器人的灵活性和敏捷性，使其具有更优越的环境适应能力。
中国发明专利“具有力矩感知功能的谐波减速器”(专利号：CN103486225A)未采用传统的扭矩传感器，提出了一种直接利用谐波减速器柔轮的柔性特点并在上面贴应变片来测量扭矩的方法，此方法通过动、静导电环传输电力和信号，结构复杂，信号不稳定。
中国专利“一种机器人关节”(专利号：CN107175686A)也是将应变片固定连接在柔轮表面，并通过导线直接连接到柔轮内部的电路板上。虽然避免了电力和信号传输对测量系统的影响，但这种将应变片和应变检测电路板置于装满大量油脂的谐波减速器封闭腔内，不仅结构复杂，系统可靠性低，也不方便调试和维护。
发明内容
本发明的目的是提出一种扭矩反馈关节，提高空间利用率，并可以精确检测关节输出端扭矩。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种扭矩反馈关节，其特征在于：包括电机外壳，电机外壳中的电机驱动输入轴旋转；所述输入轴通过减速器驱动一壳体旋转；
在所述壳体外套设有一大跨距薄壁形变单元，所述大跨距薄壁形变单元的近端与所述壳体固定连接，远端与所述壳体之间形成无间隙滑动支撑，所述大跨距薄壁形变单元的远端连接有关节输出；
在所述大跨距薄壁形变单元的周侧面上粘贴有应变片，用于测量所述大跨距薄壁形变单元承受的扭矩。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述输入轴与所述减速器的减速器输入形成动力连接，所述减速器固定端与电机前端法兰固定连接，所述减速器的减速器输出与所述壳体的近端相接，所述壳体向后延伸并罩覆在所述电机外壳外侧。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述大跨距薄壁形变单元的近端与所述壳体的远端固定连接，所述大跨距薄壁形变单元的远端与所述壳体的近端之间形成所述无间隙滑动支撑，所述大跨距薄壁形变单元的远端连接有所述关节输出。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述壳体通过具有间隔的关节主轴承以及关节辅助轴承与电机外壳可转动地连接。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述输入轴为中空结构并在其内部穿设有中空过线管，所述中空过线管的前端与后端分别由过线支撑轴承与过线固定支架形成支撑，过线固定支架通过电机尾法兰固定在关节固定法兰上，电源线和信号线能够通过过线固定支架在中空过线管的内部走线。
所述的扭矩反馈关节，其中：在输入轴与电机尾法兰之间设置有高精度码盘，用于计算输入轴的转角。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述应变片有四个，四个应变片与大跨距薄壁形变单元的轴线成45°方向粘贴，相邻应变片相互垂直；而且，四个应变片组成惠斯通全桥电路。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述大跨距薄壁形变单元的跨距:外径>0.35。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述大跨距薄壁形变单元的壁厚:中径＝0.005～0.015。
所述的扭矩反馈关节，其中：所述减速器是谐波减速器，所述减速器输出为钢轮，所述减速器输入为波发生器轴，所述减速器固定端为柔轮。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：
1.在双轴承支撑关节壳体和负载之间串联带力敏结构的大跨距薄壁形变单元，可通过微小结构形变灵敏检测输出扭矩；应变信号采集容易，力矩信号稳定。
2.大跨距薄壁形变单元，采用一侧与壳体固连，另一侧无间隙滑动支撑的组合结构，可以解决其他方向载荷变形耦合造成的影响，关节负载测量结果更准确。
3.大跨距薄壁形变单元与关节集成，在结构上又相互独立，方便更换不同精度和量程的测量单元。
4.集成度高，结构紧凑，空间利用率高。
附图说明
图1是一种扭矩反馈关节的剖视结构图。
图2是应变片粘贴位置示意图。
图3是应变片组桥结构示意图。
附图标记说明：1-无间隙滑动支撑；2-大跨距薄壁形变单元；3-应变片；4-壳体；5关节固定法兰；6-电机外壳；7-无框电机；8-电机尾法兰；9-高精度码盘；10-过线固定支架；11-中空过线管；12-高速轴承；13-关节主轴承；14-关节辅助轴承；15-减速器输出；16-减速器固定端；17-减速器轴承；18-过线支撑轴承；19-输入轴；20-减速器输入；21-关节输出。
具体实施方式
如图1所述，是本发明提供的一种扭矩反馈关节，其包括关节固定法兰5以及固定在关节固定法兰上的电机外壳6，电机外壳6中固定无框电机7，电机外壳6中还通过高速轴承12布置有输入轴19，所述无框电机7能够驱动所述输入轴19旋转；
在本实施例中，所述输入轴19为中空结构并在其内部穿设有中空过线管11，所述中空过线管11的前端与后端分别由过线支撑轴承18与过线固定支架10形成支撑，过线固定支架10通过电机尾法兰8固定在所述关节固定法兰5上，电源线和信号线能够通过过线固定支架10在中空过线管11的内部走线；在输入轴19与电机尾法兰8之间设置有高精度码盘9，用于计算输入轴19的转角；
所述输入轴19与减速器的减速器输入20动力连接，所述减速器固定端16与电机前端法兰固定连接，所述减速器的减速器输出15与一壳体4的近端相接(减速器输入20与减速器输出15之间以减速器轴承17相接)，所述壳体4向后延伸并罩覆在所述电机外壳6外侧，并通过具有间隔的关节主轴承13以及关节辅助轴承14与电机外壳6可转动地连接；其中，所述减速器在本实施例中优选为谐波减速器，但并不以此为限；所述谐波减速器中，所述减速器输出15为钢轮，所述减速器输入20为波发生器轴，所述减速器固定端16为柔轮；
在所述壳体4外套设有一大跨距薄壁形变单元2，所述大跨距薄壁形变单元2的近端与所述壳体4的远端固定连接，所述大跨距薄壁形变单元2的远端与所述壳体4的近端之间设有无间隙滑动支撑1，所述无间隙滑动支撑1与壳体4紧配连接，能够径向支撑所述大跨距薄壁形变单元2，而且，所述大跨距薄壁形变单元2的远端连接有关节输出；(注：本申请中所称的某部件的“近端”、“远端”是依照该部件的扭矩传递关系来确定的，即该部件的扭矩输入端为近端，扭矩输出端为远端。)
在所述大跨距薄壁形变单元2的周侧面上粘贴有应变片3，用于测量所述关节承受的扭矩；如图1、图2、图3所示，四个应变片3采用箔式应变片，与大跨距薄壁形变单元2的轴线成45°方向粘贴，相邻应变片3相互垂直；而且，四个应变片3依照周向顺序定义为第一应变片301、第二应变片302、第三应变片303以及第四应变片304，则第一应变片301与第三应变片303构成对臂，第二应变片302与第四应变片304构成对臂，以此惠斯通全桥电路形成力敏结构30，能够从电气原理上消除拉压及弯曲变形的影响。
其中，所述大跨距薄壁形变单元的跨距:外径>0.35；所述大跨距薄壁形变单元的壁厚:中径＝0.005～0.015。
本发明运转的时候，无框电机7驱动输入轴19转动，并由高精度码盘9测得其转角；输入轴19的动力经由减速器传递给外壳4，再途经大跨距薄壁形变单元2由关节输出21向外输出；在此过程中，关节输出21输出的扭矩会导致大跨距薄壁形变单元2发生扭转变形，导致各应变片3产生变形导致其电阻发生改变，最终由力敏结构30测量得到。
本发明中，壳体4与电机外壳6之间采用关节主轴承13和关节辅助轴承14双支撑的结构，增大了关节支撑轴系的轴向跨距，从而实现了置于壳体4之上的大跨距薄壁形变单元2的大跨距支撑，通过在双轴承支撑关节壳体和负载之间串联带力敏结构的大跨距薄壁形变单元，可通过微小结构形变灵敏检测输出扭矩；应变信号采集容易，力矩信号稳定。
同时，本发明的壳体4和大跨距薄壁形变单元2之间在结构上又集成了无间隙滑动支撑1，可有效过滤解决其他方向载荷变形耦合造成的影响，灵敏准确反馈关节扭矩。
本发明的大跨距薄壁形变单元2与关节集成，在结构上又相互独立，方便更换不同精度和量程的测量单元。
而且，本发明具有集成度高，结构紧凑，空间利用率高的优点。

Claims (8)

1.一种扭矩反馈关节，其特征在于：包括电机外壳，电机外壳中的电机驱动输入轴旋转；所述输入轴通过减速器驱动一壳体旋转；
所述输入轴与所述减速器的减速器输入形成动力连接，所述减速器固定端与电机前端法兰固定连接，所述减速器的减速器输出与所述壳体的近端相接，所述壳体向后延伸并罩覆在所述电机外壳外侧；
所述壳体通过具有间隔的关节主轴承以及关节辅助轴承与电机外壳可转动地连接；
在所述壳体外套设有一大跨距薄壁形变单元，所述大跨距薄壁形变单元的近端与所述壳体固定连接，远端与所述壳体之间形成无间隙滑动支撑，所述大跨距薄壁形变单元的远端连接有关节输出；
在所述大跨距薄壁形变单元的周侧面上粘贴有应变片，用于测量所述大跨距薄壁形变单元承受的扭矩。
2.根据权利要求1所述的扭矩反馈关节，其特征在于：所述大跨距薄壁形变单元的近端与所述壳体的远端固定连接，所述大跨距薄壁形变单元的远端与所述壳体的近端之间形成所述无间隙滑动支撑，所述大跨距薄壁形变单元的远端连接有所述关节输出。
3.根据权利要求1所述的扭矩反馈关节，其特征在于：所述输入轴为中空结构并在其内部穿设有中空过线管，所述中空过线管的前端与后端分别由过线支撑轴承与过线固定支架形成支撑，过线固定支架通过电机尾法兰固定在关节固定法兰上，电源线和信号线能够通过过线固定支架在中空过线管的内部走线。
4.根据权利要求3所述的扭矩反馈关节，其特征在于：在输入轴与电机尾法兰之间设置有高精度码盘，用于计算输入轴的转角。
5.根据权利要求1所述的扭矩反馈关节，其特征在于：所述应变片有四个，四个应变片与大跨距薄壁形变单元的轴线成45°方向粘贴，相邻应变片相互垂直；而且，四个应变片组成惠斯通全桥电路。
6.根据权利要求1所述的扭矩反馈关节，其特征在于：所述大跨距薄壁形变单元的跨距:外径>0.35。
7.根据权利要求1所述的扭矩反馈关节，其特征在于：所述大跨距薄壁形变单元的壁厚:中径＝0.005～0.015。
8.根据权利要求1所述的扭矩反馈关节，其特征在于：所述减速器是谐波减速器，所述减速器输出为钢轮，所述减速器输入为波发生器轴，所述减速器固定端为柔轮。
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