CN111846006B - 带应变片扭矩反馈的一体化关节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带应变片扭矩反馈的一体化关节，所述一体化关节包括固定支架以及布置在固定支架上的电机，所述电机具有动力输出端，在电机的外侧设有一个环形的壳体，所述壳体的远端设有扭矩输出结构并通过四点接触轴承支撑在电机外侧，近端与所述动力输出端固定连接，所述壳体的两端之间又通过辅助轴承支撑，其中，所述壳体在四点接触轴承与辅助轴承之间的部分具有长度而且为薄壁结构；在薄壁结构的周侧外壁上粘贴有数个应变片，所述应变片用于测量薄壁结构所承受的扭矩。
Description
技术领域
本发明涉及智能机器人，特别涉及腿足机器人的减速装置结构领域。
背景技术
腿足机器人在行走时，需具备一定适应外界可变环境的能力。目前常用的方法是，通过位置控制模式和力控模式两者组合去控制驱动机器人上各一体化关节，来实现机器人和人类一样，适应未知环境的行走。如果要实现机器人一体化关节的力控模式控制，就需要采集其一体化关节的输出端的力矩值。传统的采集输出端扭矩的方法有如下两种：
一、在一体化关节外串联一个扭杆，扭杆两端分别通过轴承支撑，通过测量扭杆两端的角位置差来定量确定扭矩的大小。这种方法的问题是：1)结构复杂，需要增加编码器，增加了成本；2)扭杆的大变形，导致一体化关节刚性不足。
二、在一体化关节外串联一个标准的扭矩传感器探知负载的作用力矩。这种方法带来的问题是：1)集成度不高；2)扭矩传感器直接会受到外界各种载荷的冲击，容易受到破坏，且测量值也会受到干扰不准确。
为此，在现有机器人一体化关节所具备采集输出端扭矩功能基础上，还需要在节约成本、提高集成度、提高刚性、增强承载能力以及改善测量结果准确性等方面作改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种带应变片扭矩反馈的一体化关节，改善输出端轴系的抗弯能力，且自身具备扭矩反馈的功能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种带应变片扭矩反馈的一体化关节，所述一体化关节包括固定支架以及布置在固定支架上的电机，所述电机具有动力输出端，其特征在于：
在电机的外侧设有一个环形的壳体，所述壳体的远端设有扭矩输出结构并通过四点接触轴承支撑在电机外侧，近端与所述动力输出端固定连接，所述壳体的两端之间又通过辅助轴承支撑，其中，所述壳体在四点接触轴承与辅助轴承之间的部分具有长度而且为薄壁结构；
在薄壁结构的周侧外壁上粘贴有数个应变片，所述应变片用于测量薄壁结构所承受的扭矩。
所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其中：所述壳体从远端至近端的内外径均呈阶梯缩小。
所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其中：所述电机包括与固定支架固定连接的电机外壳、固定在电机外壳内侧的电机定子、通过高速轴承与电机外壳相接的电机内轴以及固定在电机内轴上的电机转子；
电机内轴的一端与固定支架之间安装有编码器，能够测量电机内轴的转角；
电机内轴的另一端与减速器的减速器输入端动力连接，减速器的本体与电机前端法兰固定连接，所述减速器的减速器输出端构成所述动力输出端。
所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其中：减速器输出端通过压盖固定在所述壳体上。
所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其中：四个所述应变片均布在薄壁结构的外周，且与薄壁结构的轴线斜交成45°或者135°；四个应变片组成惠斯通电桥。
所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其中：所述薄壁结构的厚度δ由以下公式计算得到：
δ＝T/(2πGγR2)
其中，T——薄壁结构输出的最大扭矩值；
G——薄壁结构材料的剪切模量；
γ——应变片的应变量程；
π——圆周率，值为3.14；
R——薄壁结构的截面中线的半径。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：
1、本发明的结构方案，使外界的负载和冲击经过四点接触轴承2的隔离，基本可以消除轴向力、径向力以及弯矩的影响，仅保留扭矩作用在薄壁结构上，去除了干扰，使扭矩测量结果更准确。
2、本发明的应变片粘接方式，使各应变片构成惠斯通电桥，可以抵消轴向力、径向力以及弯矩等非测量因素的影响，使扭矩测量结果更准确。
附图说明
图1是本发明提供的带应变片扭矩反馈的一体化关节的剖视图；
图2是应变片粘贴示意图一；
图3是应变片粘贴示意图二。
附图标记说明：1-外壳；2-四点接触轴承；3-应变片；4-辅助轴承；5-减速器输出端；6-压盖；7-减速器轴承；8-减速器输入端；9-减速器；10-电机外壳；11-固定支架；12-电机定子；13-编码器固定件；14-编码器；15-电机内轴；16-高速轴承；17-电机转子；20-扭矩输出结构；30-薄壁结构；40-一体化关节固定处。
具体实施方式
总的来说，本发明提出一种带应变片扭矩反馈的一体化关节，如图1所示，所述一体化关节包括固定支架11以及布置在固定支架11上的电机，所述电机包括与固定支架11固定连接的电机外壳10以及布置在电机外壳10内的电机内轴15，电机内轴15又通过减速器9由减速器输出端5(作为动力输出端)输出动力，本发明是在电机外壳10的外侧设有一个环形的壳体1，所述壳体1的远端设有扭矩输出结构20并通过四点接触轴承2与电机外壳10靠近固定支架11的一端相接，近端与所述减速器输出端5固定连接，所述壳体1的两端之间又通过辅助轴承4与电机外壳10相接，其中，所述壳体1在四点接触轴承2与辅助轴承4之间的部分具有长度而且为薄壁结构30；
并且，在薄壁结构30的周侧外壁上粘贴有数个应变片3，所述薄壁结构30在扭矩的作用下产生变形，其上面的应变片3的电阻发生变化，通过桥式电路，能把这个电阻变化等效为输出电压变化，从而得出扭矩和电压的对应关系，即通过测量输出电压的变化可得到扭矩值的大小。
上述实施例中，薄壁结构30的厚度δ可由以下公式估算得到：
δ＝T/(2πGγR2)
其中，T——薄壁结构30输出的最大扭矩值；
G——薄壁结构30材料的剪切模量；
γ——应变片3的应变量程；
π——圆周率，值为3.14；
R——薄壁结构30的截面中线的半径。
所述壳体1由四点接触轴承2和辅助轴承4支撑，且轴承之间的跨度大(间距约为所述电机外径的1/3)，改善了轴系的抗弯能力。而且，外界的负载和冲击经过四点接触轴承2的隔离，基本可以消除轴向力、径向力以及弯矩的影响，仅保留外界扭矩作用在薄壁结构30上。
所述壳体1从远端至近端的内外径均呈阶梯缩小而形成倒扣杯型结构，以利于壳体1安装以及扭矩输出结构20连接下游设备。
具体来说，如图1所示，所述电机包括与固定支架11固定连接的电机外壳10、固定在电机外壳10内侧的电机定子17、通过高速轴承16与电机外壳10相接的电机内轴15以及固定在电机内轴15上的电机转子12；
电机内轴15的一端与固定支架11之间通过编码器固定件13安装有编码器14，能够测量电机内轴15的转角；
电机内轴15的另一端与减速器9的减速器输入端8动力连接，减速器9的本体通过螺钉与电机前端法兰固定连接，减速器输出端5通过压盖6固定在壳体1上。
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，所述减速器输出端5为钢轮，减速器输入端8为波发生器轴，而减速器的固定端为柔轮。
一体化关节的电机通电后，电机内轴15带动减速器输入端8旋转，由于减速器9的本体经过电机外壳11、编码器固定件13与固定支架11连接而相对静止不动，减速器输出端5则产生低速转动；由于壳体1与减速器输出端5固定连接，必然随之产生低速转动，并将扭矩由扭矩输出结构20向下游输出；在此过程中，扭矩会途经壳体1的薄壁结构30，使得该扭矩会被薄壁结构30上的应变片3同步检测得到。
如图2、图3所示，是应变片3粘贴在薄壁结构30上的较佳位置示意图，四个应变片3均布在薄壁结构30的外周，且与薄壁结构30的轴线斜交成45°或者135°。四个应变片3组成惠斯通电桥，在扭矩的作用下可产生电压信号，经处理校准后可得到扭矩值，供控制反馈使用。
本发明的结构方案，使外界的负载和冲击经过四点接触轴承2的隔离，基本可以消除轴向力、径向力以及弯矩的影响，仅保留扭矩作用在薄壁结构上，去除了干扰，使扭矩测量结果更准确。
本发明的应变片粘接方式，使各应变片构成惠斯通电桥，可以抵消轴向力、径向力以及弯矩等非测量因素的影响，使扭矩测量结果更准确。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种带应变片扭矩反馈的一体化关节，所述一体化关节包括固定支架以及布置在固定支架上的电机，所述电机具有动力输出端，其特征在于：
在电机的外侧设有一个环形的壳体，所述壳体的远端设有扭矩输出结构并通过四点接触轴承支撑在电机外侧，近端与所述动力输出端固定连接，所述壳体的两端之间又通过辅助轴承支撑，其中，所述壳体在四点接触轴承与辅助轴承之间的部分具有长度而且为薄壁结构；
在薄壁结构的周侧外壁上粘贴有数个应变片，所述应变片用于测量薄壁结构所承受的扭矩。
2.根据权利要求1所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其特征在于：所述壳体从远端至近端的内外径均呈阶梯缩小。
3.根据权利要求1所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其特征在于：所述电机包括与固定支架固定连接的电机外壳、固定在电机外壳内侧的电机定子、通过高速轴承与电机外壳相接的电机内轴以及固定在电机内轴上的电机转子；
电机内轴的一端与固定支架之间安装有编码器，能够测量电机内轴的转角；
电机内轴的另一端与减速器的减速器输入端动力连接，减速器的本体与电机前端法兰固定连接，所述减速器的减速器输出端构成所述动力输出端。
4.根据权利要求3所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其特征在于：减速器输出端通过压盖固定在所述壳体上。
5.根据权利要求1所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其特征在于：四个所述应变片均布在薄壁结构的外周，且与薄壁结构的轴线斜交成45°或者135°；四个应变片组成惠斯通电桥。
6.根据权利要求1所述的带应变片扭矩反馈的一体化关节，其特征在于：所述薄壁结构的厚度δ由以下公式计算得到：
δ＝T/(2πGγR2)
其中，T——薄壁结构输出的最大扭矩值；
G——薄壁结构材料的剪切模量；
γ——应变片的应变量程；
π——圆周率，值为3.14；
R——薄壁结构的截面中线的半径。
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