CN112041129B - 转动型串联弹性致动器 - Google Patents

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Abstract

适于机器人应用的转动型串联弹性致动器(SEA)。SEA包括电机、齿轮传动组件、弹簧组件及传感器。在一个实例中，机器人接头包括SEA、和在接头组件处相互耦合的两个连杆。所述两个连杆被指定为输入连杆和输出连杆。每个连杆具有接头壳体，接头壳体通过接头轴承同心地连接，以使得每个连杆相对于彼此自由地转动。SEA的壳体框架固定在输入连杆的接头壳体处，SEA的弹簧组件的输出安装座与输出连杆的接头壳体同心地耦合。电机转子的转动使输出连杆相对输入连杆的转动叠加弹簧组件的弹簧形变。当在两个连杆之间施加外力或转矩时，控制回路的控制动作引起电动机的转动和起动力，使弹簧组件的形变平衡自和连杆一同移动的体质量产生的外力/转矩及惯性力。

Description

转动型串联弹性致动器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月28日所提交的申请号为62/649,034且题为《TORSIONALSERIES ELASTIC ACTUATOR》的美国临时专利申请的优先权，上述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本申请。
背景技术
除非本申请说明书另有指出，否则本部分中所描述的材料并非本申请权利要求的现有技术，并且本节中的结论也并不承认这些材料是现有技术。
在许多情况下，机器人是由多个可移动本体部分构成的自动化机器，而这些可移动本体部分由诸如直流电机、交流电机、液压致动器和气动致动器之类的致动器来驱动。在许多应用中，可对机器人进行设计与控制，借以根据机器人本体部分的位置、轨迹或速度执行任务。通常，致动器配备有齿轮传动装置，进而，对于给定的任务而言，可减小输出速度并增大输出力。同时，通常可安装用于检测致动器输出位置或速度的传感器，借以向控制致动器运动的计算设备提供反馈信号。
而在其他应用中，需要机器人对外界施加精确的力或转动力，或被寄希望于根据力来执行任务，以获得更为优益的稳定性、安全性或效率。例如，当与刚性环境进行物理接触时，位控机器人极有可能变得不稳定，而力控机器人则并非如此。而当与人进行互动或发生碰撞时，由于符合物理上的相互作用，所以力控机器人更为安全。而当辅助人类运动时，由于人类机体由作为肌肉的力控致动器提供能量，所以力控机器人可提供更为自然的互动。
由于齿轮减速阶段中的诸如摩擦力与静摩擦力等力是非线性的，因此使用齿轮减速的位控定向致动器通常会因其控制回路中缺少力量反馈而无法对输出力进行精确控制。串联弹性致动器(SEA)是一种配备有用于力量感测的兼容性元件的致动器结构，这种串联弹性致动器可在力量控制方面具有优异的性能并具有包括固有稳定性，耐冲击性及安全性在内的诸多优点。SEA由致动器、齿轮传动组件、弹性元件(例如弹簧或一组弹簧)和传感器构成。SEA中的一个或多个传感器用于检测弹性元件的变形。弹性元件通常是其形变与其上所施加力成比例的弹簧或一组弹簧。带有传感器的弹性元件或弹簧可与致动器进行串联，借以对抗SEA的输出并作为力传感器。使用力反馈信号的控制计算机中的反馈控制回路可对SEA的输出力进行控制。本发明包括能够控制精确的转动力(转矩)的转动串联弹性致动器。
附图说明
下面，将结合本发明说明书附图进行详细的描述。在本发明说明书附图中，附图标记的最左侧的数字表示此附图标记首次出现的附图。同时，不同说明书附图用相同的附图标记表示相同或相似的组件或部件。
图1示出了本发明某些实施方式的转动型串联弹性致动器(SEA)的示例。
图2示出了本发明某些实施方式中具有SEA的示例性机器人接头组件。
图3示出了本发明某些实施方式中未配备SEA 10的示例性机器人接头组件。
图4示出了本发明某些实施方式中具有机器人接头组件的示例性SEA的截面图。
图5示出了本发明某些实施方式中不包括机器人接头组件的示例性SEA的横截面图。
图6示出了本发明某些实施方式中未配备接头组件的SEA的另一示例截面图。
图7示出了本发明某些实施方式中未配备接头组件的SEA的又一示例截面图。
图8示出了本发明某些实施方式中可结合到SEA中的示意性弹簧组件。
图9示出了本发明某些实施方式中位于SEA的弹簧组件内的内部机构。
图10示出了本发明某些实施方式中被设计为在弹簧组件的内部机构中拧紧线材的工具头的示例。
图11示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的示例性盘状弹簧。
图12示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的盘状弹簧的俯视图的示例。
图13示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的另一示例性盘状弹簧。
图14示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的又一示例性盘状弹簧。
图15示出了本发明某些实施方式中示例性内部机构和SEA的弹簧组件的盘状弹簧的底部扭簧。
图16示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的示例布置。
图17示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的另一示例布置。
图18示出了本发明某些实施方式中去除了间隔件314的SEA的弹簧组件的侧视图。
图19示出了本发明某些实施方式中SEA的弹簧组件的示例分解图。
图20示出了本发明某些实施方式中处于应力下的盘状弹簧的示意性部件。
图21示出了本发明某些实施方式中处于应力下的盘状弹簧的示意性部件。
图22示出了本发明某些实施方式中具有SEA 10的机器人接头组件的另一示例分解图。
图23示出了本发明某些实施方式中弹簧组件上具有保护罩的SEA的示例图。
具体实施方式
本发明说明书描述了用于机器人应用的示例性致动器组件的实施方式与实施例并且包括转动型串联弹性致动器(SEA)。这种SEA包括：电机、齿轮传动组件、弹簧组件及传感器。电机的静止部和齿轮传动装置通常固定在SEA壳体框架上。电机的转动输出连接到齿轮传动装置的输入部，并且齿轮传动装置的输出部与弹簧组件的输入安装座相耦合。
弹簧组件可包括：两个盘状弹簧、内部机构和转动位置传感器。盘状弹簧可包括：以同心形式设置的圆形内部安装段和圆形外部安装段，以及连接内部安装段和外部安装段的一组可弹性变形螺线(spiral)。两个弹簧的两个外部安装段可经由间隔件与彼此耦合。可将一个弹簧和另一个弹簧的两个内部安装段分别被指定为弹簧组件的输入安装座和输出安装座。内部机构可位于两层弹簧之间，并且这种内部机构被配置为用以放大输入安装座和输出安装座之间弹簧组件的形变。转动位置传感器可与内部机构相耦合，借以读取经放大后的形变。而弹簧形变的传感器读数可转换为转矩值并回传至控制回路。
而在机器人接头处，可使两个连杆通过接头组件彼此联接。可将这两个连杆被指定为输入连杆和输出连杆。其中，每个连杆可具有接头壳体，这种接头壳体可通过接头轴承以同心的方式进行连接，进而使连杆彼此自由地进行转动。SEA的壳体框架可以固定在输入连杆的接头壳体上，而SEA的弹簧组件的输出安装座可按同心的方式与输出连杆的接头壳体相耦合。如果弹簧产生变形的话，电机转子相对于电机定子的转动可使输出连杆相对于输入连杆的转动与弹簧形变进行叠加。当在两个连杆之间施加外力或转矩时，控制回路的控制动作可能会产生转动以及电机的起动力，从而使弹簧组件所产生的形变平衡来自和连杆一同移动的体质量所产生的外力/转矩及惯性力。
请参考本申请说明书附图，图1示出了转动型串联弹性致动器(SEA)10的实施例。转动型SEA包括：电机100、齿轮传动组件200、带有传感器334(例如，绝对编码器)的弹簧组件300以及另一个传感器(例如，绝对编码器)。下文中，将结合其他说明书附图对SEA 10的其他零件和详细特征作出进一步论述。
电机100可以是转动型直流(DC)电机、交流(AC)电机、液压电机或气动电机等。例如，电机类型可以是可能需要附加传感器(例如，霍尔效应传感器或正交编码器)进行换向的无刷直流电机。电机可包括：静止部(定子)、转动部(转子)以及附接于转子的电机输出轴。上述电机在电机轴上产生转动和起动力。
齿轮传动组件200可以包括：一组齿轮传动装置零件；以及SEA壳体框架，在SEA壳体框架上固定有齿轮传动装置组的静止部。通常，电机100的定子也可以以SEA壳体框架为根基置放。在一个示意性的机器人接头组件中，SEA壳体框架可以以一个机器人连杆为根基置放。齿轮传动装置组可以具有输入部、输出部和静止部。例如，在某些情况下，齿轮传动装置可以是由波发生器、柔轮及刚轮构成的谐波驱动装置(Harmonic Drive)。在本发明的优选结构中，可分别将波发生器、柔轮及刚轮被指定为齿轮传动装置组的输入部、输出部及静止部。电机输出轴可与齿轮传动组件200的输入部相耦合，并且电机输出轴可将转动和起动力传递至齿轮传动装置。齿轮传动组件200的输出部可与传动输出部相耦合。齿轮传动装置200的输出部的匝数为齿轮传动装置200的输入部的匝数除以齿轮减速比，而由电机100向齿轮传动装置200的输入部施加的起动力在齿轮传动装置200的输出部按上述齿轮减速比产生倍增。
传感器250可以是绝对编码器或电位计，并且传感器250可包括转动轴，该转动轴通过同步带等方式连接到齿轮传动装置200的传动输出部。同时，这种传感器250可对齿轮传动组件输出的转动角度进行测量。
弹簧组件300可包括：两个扭簧360、间隔件和带有传感器334的内部机构。两个扭簧360中的每个扭簧包括：圆形内部安装段364、圆形外部安装段366以及连接内部安装段和外部安装段的一组可发生弹性变形的螺线362。两个弹簧通过间隔件相互耦合，并且内部机构位于两个弹簧之间。在弹簧组件300的一个弹簧上具有输入安装座，而在组件300的另一弹簧上具有输出安装座。弹簧组件300的输入安装座可与齿轮传动装置组200的传动输出部相耦合，且弹簧组件300的输出安装座可与另一个机器人连杆相连。带有传感器334(例如，绝对编码器)的内部机构检测输入安装座和输出安装座之间弹簧组件300的转动形变。弹簧的形变可以与在弹簧组件的输入安装座和输出安装座之间所施加的转矩成比例，因此传感器334的测量信号可以转换为所测得的施加于弹簧组件的转矩。所测得的转矩可以被反馈到反馈控制回路，该反馈控制回路可对电机100进行控制，借以在弹簧组件的输出安装座产生所期望的转矩。当在控制回路上将等于所期望转矩的外部转矩施加到弹簧组件的输出安装座时，电机上引起齿轮传动输出的转动和力的控制行为可能会使弹簧组件产生形变，进而产生所期望的与外部转矩相平衡的转矩。另一方面，弹簧组件的输出安装座的转动位置或速度也可以通过反馈控制回路进行控制，其中该反馈控制回路使用来自电机100或传感器250上换向传感器的位置反馈信号控制电机100的转动。弹簧组件的输出安装座的角位置可以是齿轮传动装置的输出部的角位置与弹簧组件300的形变角度之和。齿轮传动装置的输出部的角位置可以直接由传感器250进行测量或者由多匝电机角度进行转换。
图2示出了机器人接头组件的示例，该机器人接头组件可以包括：SEA 10、输入连杆40及输出连杆50。SEA 10的SEA壳体框架可附接到连杆40的接头壳体42，而SEA 10的弹簧组件300的输出安装座可通过接头与输出连杆50的接头壳体52相耦合。在接头处，可将接头轴承(例如，矫直辊轴承)的外圈固定在输入连杆的接头壳体42处。位于接头轴承的内圈上的带孔轴的一侧可与输出连杆50的接头壳体52相耦合，而带孔轴的另一侧可以与SEA 10的弹簧组件300的输出安装座相耦合。SEA 10产生传递到输出连杆50的动力转矩。进而，输出连杆可以相对于连杆40绕轴线30进行相对转动，并且可以向外界施加力。
图3示出了未配备SEA 10的机器人接头组件的示例。带孔轴60附接到接头轴承的内圈，而接头轴承的外圈附接到接头壳体42。带孔轴60的上安装部64可与SEA 10的弹簧组件300的输出安装座相耦合。带孔轴60的另一侧与连杆50的接头壳体52相耦合。带孔轴可具有通孔68，借以使电缆或传感器线穿过接头。带孔轴60处的突出部66可作为硬止挡件并与连杆40的接头壳体处的突出部48一同用于限制连杆50相对于连杆40的转动角度。
图4示出了具有接头组件的SEA 10的示例实施例的剖面图。如上所述，SEA 10包括：电机100、齿轮传动组件200和弹簧组件300。SEA 10的SEA壳体框架211附接到接头壳体42，并且弹簧组件300放置于接头壳体42内。接头内部SEA 10的弹簧组件300的输出安装座与带孔轴60的图3中上方安装座部64相耦合，而带孔轴60另一侧的安装座与另一接头壳体52相耦合。带孔轴60的圆形中间部装配在接头轴承62的内圈中，而接头轴承的外圈固定到接头壳体42上。其中，接头轴承62优选是矫直辊轴承，这种矫直辊轴承支撑来自图3中的连杆50的所有方向的载荷且仅允许相对于图2中的轴线30自由转动。因此，弹簧组件300的输出安装座、带孔轴60和接头壳体52可进行刚性连接并一同相对于接头壳体42进行转动。相对于接头壳体42或SEA壳体框架211而言，接头壳体52的转动角度是传动输出部240与弹簧组件300在输入安装座和输出安装座之间的转动形变的总和。利用来自电机100的适度控制的起动力，弹簧组件300的转动形变可与相对于接头壳体42施加到接头壳体52的转矩成比例。
更具体而言，图5示出了未配备接头组件的SEA 10的另一平面中的横截面图。虽然电机100的静止部可以附接到电机座106，但是电机轴104通过轴耦合件234和耦合件夹232刚性耦合于作为齿轮传动装置的输入部的谐波驱动装置的波发生器222。其中，轴耦合件234与波发生器222固定。在电机轴104上滑动的轴耦合件234具有逐渐变细的外周，上述外周在轴向方向中设置有若干个槽，其中环状耦合件夹232坐置于上述外周上，环状耦合件夹232具有外周逐渐变细的母凹部。通过拧紧在轴向上连接轴耦合件234和耦合件夹232的一组螺钉，可使轴耦合件234的逐渐变细的外周收缩，并且在轴耦合件234和电机轴104之间进行刚性连接。
作为齿轮传动装置的静止部的谐波驱动装置的刚轮226固定在SEA壳体框架211上。作为齿轮传动装置的输出部的柔轮224通过传动输出部240附接到弹簧组件300的输入安装座，这种传动输出部240通过轴承212以SEA壳体框架211为根基置放。轴承212优选是四点接触薄截面轴承或矫直辊轴承，同时，轴承212可通过内部轴承盖214固定到传动输出部240并可通过外部轴承盖216固定到SEA壳体框架211。可按常见的方法组装谐波驱动装置的零件，其中，柔轮224的齿状外周部与刚轮226的内周的齿状部相互配合，而波发生器222的外环滑入柔轮224的内周中。
仍然参照图5，传动输出部240可以包括同心组装的同步带轮244，这种同步带轮可经由传感器输入滑轮258和同步带248与传感器250相耦合。传感器250可通过传感器保持架254固定于SEA壳体框架211上。其中，传感器250优选是绝对编码器或电位计，并且这种传感器可用于读取图3中的连杆50相对于图3中的连杆40的绝对角度位置。下文中，将参照图8至图19对弹簧组件300作出进一步阐释。
图6为未配备接头组件的SEA 10A的另一示例实施例的剖面图。与上述图4与图5中示意性SEA 10相似，这种SEA 10A包括附接到电机壳体106A的静止部(定子)102A，而电机转子104A以同心的方式放置在与电机转子保持架232A附接的定子的内部。电机转子保持架232A经由轴承107A与电机壳体相耦合，进而使电机转子104A和电机转子保持架232A可相对于定子102A自由地进行转动。电机转子保持架232A的一侧固定至电机轴234A，该电机轴234A耦合于作为齿轮传动装置的输入部的谐波驱动装置的波发生器222A。可将由圆形转子和静止部构成的非接触式传感器105A(例如，正交编码器或绝对编码器)组装到电机转子保持架232A的另一侧。当将传感器105A的静止部附接到电机壳体106A的延伸部时，传感器105A的圆形转子同心地结合到转子保持架232A。传感器105A可以用于电机换向和/或感测电机转子104A和传动输出部240A的位置。
作为齿轮传动装置的静止部的谐波驱动装置的刚轮226A固定到SEA壳体框架211A，电机壳体106A附接在SEA壳体框架211A上。作为齿轮传动装置的输出部的柔轮224A通过传动输出部240A附接到图5中的弹簧组件300的输入安装座，其中传动输出部240A借助于轴承212A以SEA壳体框架211A为根基置放。轴承212A优选是四点接触薄截面轴承或矫直辊轴承，且轴承212A可通过内部轴承盖214A固定到传动输出部240A并通过外部轴承盖216A固定到SEA壳体框架211A。电机轴234A可以延伸并通过轴承109A连接到传动输出部240A的中心孔，借以使转子保持架232A更为牢固地抵住电机定子102A。可按常见的方法组装谐波驱动装置的零件，可使柔轮224A的齿状外周部与刚轮226A的内周的齿状部相互配合，并使波发生器222A的外环滑入柔轮224A的内周中。
传动输出部240A可包括以同心方式组装的同步带轮244A，这种同步带轮可通过传感器输入滑轮和同步带与图5中的传感器250相耦合。传感器250可以固定在SEA壳体框架211A上。传感器250优选是绝对编码器或电位计，并且这种传感器可用于读取图3中的连杆50相对于图3中的连杆40的绝对角度位置。
图7示出了未配备接头组件的SEA 10B的另一示例实施例的又一剖面图。在将电机100B的静止部102B(定子)附接于电机壳体106B时，可按同心的方式将电机转子104B配置在与电机转子保持架232B附接的定子内部。电机转子保持架232B经由两个轴承(即，轴承107B和轴承109B)与电机壳体相耦合，借以使电机转子104B和转子保持架232B可相对于定子102B自由地进行转动。转子保持架232B的一端固定到齿轮传动装置的输入部，即，谐波驱动装置的波发生器222B。在波发生器222B的中心孔内滑动的转子保持架232B的一端具有逐渐变细的圆柱孔，这种逐渐变细的圆柱孔在轴向方向上具有若干个凹槽，其中作为逐渐变细的圆柱孔的公配对件的逐渐变细的圆柱234B坐置于所述圆柱孔上。拧紧在轴向上连接转子保持架232B和逐渐变细的圆柱234B的一组螺钉，借以使逐渐变细的圆柱孔在波发生器222B的中心孔的壁上鼓起，并在转子保持架232B和波发生器222B之间形成刚性连接。进而，可将由圆形转子和静止部构成的非接触式传感器105B(例如，正交编码器或绝对编码器)组装到转子保持架232B的另一侧。当传感器105B的静止部附接至电机壳体106B的延伸部时，传感器105B的圆形转子同心地结合至转子保持架232B。传感器105B可以用于电机换向和/或用于感测电机转子104B和传动输出部240B的位置。
作为齿轮传动装置的静止部，谐波驱动装置的刚轮226B固定在SEA壳体框架211B上，电机壳体106B附接在该SEA壳体框架上。而作为齿轮传动装置的输出部，柔轮224B通过传动输出部240B附接到图5中的弹簧组件300的输入安装座，其中传动输出部240B借助于轴承212B以SEA壳体框架211B为根基置放。轴承212B优选是四点接触薄截面轴承或矫直辊轴承，且轴承212B可通过内部轴承盖214B固定到传动输出部240B并通过外部轴承盖216B固定到SEA壳体框架211B。谐波驱动装置的零件以常见的方式进行组装，其中柔轮224B的齿状圆周部与刚轮226B的内周的齿状部配合，而波发生器222B的外环滑入柔轮224B的内周中。
传动输出部240B可以包括同心组装的同步带轮244B，这种同步带轮可通过传感器输入滑轮和同步带与图5所示出的传感器250相耦合。传感器250可以固定在SEA壳体框架211B处。传感器250优选是绝对编码器或电位计，并且这种传感器可用于读取图3中的连杆50相对于图3中的连杆40的绝对角位置。
图8示出了弹簧组件300的示意性实施例，这种弹簧组件300包括：两个平面且呈圆形的扭簧360、间隔件314以及如图9所示的具有用于测试弹簧形变量的传感器334的内部机构320。平面且呈圆形的扭簧360包括：圆形内部安装段364、圆形外部安装段366以及连接内部安装段和外部安装段的一组可弹性变形的螺线362。内部安装段364和外部安装段366是同心的。两个弹簧的外部段366以同心的方式进行堆叠并且通过间隔件314相互刚性附接。在下面的图9中，用于检测弹簧形变的内部机构320位于两个弹簧360之间，并且内部机构320与传感器334相耦合。两个弹簧360的内部安装段364分别被指定为弹簧组件300的输入安装座和输出安装座。为了便于对传感器334的电缆进行布线，传感器334侧面的内部安装段364优选是弹簧组件300的输出安装座。
图9示出了弹簧组件300的内部机构320，该内部机构320可以包括：基臂356、摆臂322、线材342和滑轮344。例如，内部机构320可位于弹簧组件300中的间隔件314的内部空腔中。基臂356的中心部357可以固定到一个弹簧360的内部安装段364的内表面。基臂356的两个臂可以在弹簧表面上方延伸，而不超过图6中的弹簧360的外部安装段366的内径。而在臂的两端，两个滑轮344可以通过轴承连接到基臂356，以进行自由转动。图6中所出现的传感器334的静止部可与图6中弹簧360的内部安装段364同心地附接到基臂的中心部357，使得传感器334的转动轴336的曝光器(exposer)作为传感器输入位于基臂外侧。摆臂322的中心部327可固定到图6中的另一个弹簧上内部安装段364的内表面。摆臂322的两个臂可以在另一个弹簧表面上方延伸，但并不超过另一个弹簧360的外部安装段366的内径。摆臂322的两个臂的端部可形成为弧形，且此弧形的中心可以与弹簧360的内部安装段364的中心重合。可以对基臂356和摆臂322进行配置，借以使摆臂322的两个臂的端部位于抵住基臂的伸展臂的同一侧并使两个臂的端部和基臂上的两个滑轮齐平，但相对于连接两个弹簧360的两个中心点的轴线310而言，两个臂在进行相对转动期间不发生物理接触。
仍请参考图9，线材342(例如，维克特纶(Vectran)线材或卡夫拉(Kevlar)线材)的末端可以附接到摆动臂322的一个臂的末端，所述线材342可穿过摆臂322的一个臂的弧形329以及基臂356上的一个滑轮344，继而缠绕感器轴336，再穿过基臂356上的另一个滑轮344以及摆臂322的另一个臂的弧形329，进而固定于摆臂322的另一个臂的末端。在摆动臂的两个末端，线材342的每个末端可以使用数个螺钉附接至摆动臂本体。在进行固定过程中，可适当地张紧上述线材。当摆臂322(或弹簧360的内部安装段364)在弹簧360发生弹性形变的过程中相对于基臂(或另一弹簧360的内部安装段364)进行转动时，摆臂322的相对转动得到放大并被传递到传感器334的转动轴336。其中，放大系数成比例于摆臂上弧形的半径与传感器轴336的半径的比率。上述放大系数介于1:5至1:30之间。在该实施例中，机构320的比率大约为1:16，进而，当与传感器334的14比特绝对编码器相结合时，在对弹簧形变进行检测时共有约18比特的分辨率。如果弹簧组件360的刚性为400Nm/rad，具有18比特分辨率的机构320可以检测到施加到弹簧组件大约0.01Nm的转矩变化。在其他示例中，机构320的比率大约介于1:8到1:24的范围内，而弹簧组件360的刚度大约在200Nm/rad到600Nm/rad的范围内。在一些特定实例中，机构320的刚度大约介于200Nm/rad至大约900Nm/rad的范围内。
为了对张紧的线材进行详述，图10示出了在组装过程中用于使图9中的线材342拧紧的工具头400。在于图9中两颗螺钉394使线材342的一端固定于摆动臂322的一个臂的末端的情况下，如图9所示，可使用工具头400和两颗螺钉394使线材的另一末端拧紧并将其固定至摆臂322中另一臂的末端。工具头400可具有在轴向上以同心的方式布置且一体成形的小柱体部410和大柱体部。在大柱体部上，存在适用于六角扳手或等效工具的开孔422，并且，在柱体的末端可以抓获线材342的地方存在一个或多个狭槽426。小柱体部具有用于螺钉394的同心通孔。如图9所示，在使线材342缠绕内部机构320布线的过程中，在摆臂322的另一臂的末端，较接近于弧形329的外侧螺钉394被以松弛的方式地拧紧，使得螺钉头部和摆臂本体之间存在间隙。从六角孔422侧插入孔412中的另一螺钉394被适度地拧紧到摆臂本体，借以使得工具头400在内侧螺钉394的部位处与摆臂本体相耦合。而后，可使线材342缠绕螺钉头部下方的外侧螺钉并缠绕小柱体部410，再将线材342固定在狭槽426中。通过利用插入在孔422中的六角扳手或等效工具转动工具头400，可使线材342围绕小柱体部410缠绕，进而张紧线材。而在张紧过程中，工具头和摆臂本体之间的配合表面处的摩擦力可防止工具头400沿松脱方向转动。而一旦使线材342张紧，便会牢固地拧紧外侧螺钉394，进而以将线材342固接到摆臂本体322。为了形成更为牢固的固接，可在进行第一次固接之后移除工具头400并使用另一螺钉394再次固接线材末端。
作为对图6中的弹簧360的描述，图11至图14示出了盘状弹簧360的示意性实施例的细节。如上所述，弹簧360可以包括：圆形内部安装段364、圆形外部安装段366以及连接于内部安装段与外部安装段的一组可变形螺线362。内部安装段364和外部安装段366成型为同心的圆箍。在内部安装段364和外部安装段366中，可具有若干个通孔与螺孔，借以与其它部件进行连接。弹簧360的直径373和厚度371可取决于预期的转动刚度、最大允许转矩、可变形螺线的形状以及材料的强度。例如，可变形螺线362可由钢合金材料形成。在如图11和图12中，弹簧360的直径约为76毫米(mm)、厚度约为5mm，基于优选材料(例如，具有H-900条件的马氏体时效钢C300或17-4不锈钢)的屈服强度，弹簧360的刚度约为800Nm/rad、最大允许转矩约为35Nm且安全系数大于2。因此，图8中具有串联的两个弹簧360的弹簧组件300的刚度大约为400Nm/rad，最大允许转矩约为35Nm。
作为弹簧360的另一示例实施例，随着螺线形状的变化，虽然图13中的弹簧360A具有相同的外径及厚度，但对于与上述相同的材料而言，弹簧360A的刚度约为1000Nm/rad、最大允许转矩约为50Nm且安全系数大于2。因此，包含有两个弹簧360A的串联连接的图8的弹簧组件300的刚度大约为500Nm/rad，且其最大允许转矩约为50Nm。弹簧设计的另一个变型是在相同的配置中使厚度与弹簧刚度成比例。例如，如果与弹簧360A具有相同轮廓的弹簧的厚度约为6毫米、刚度约为1200Nm/rad并且最大允许转矩约为60Nm，则使图8中的弹簧组件300具有约为600Nm/rad的刚度。因此，在某些示例中，弹簧的直径可以介于60mm至90mm之间，并且弹簧的厚度可介于2mm至8mm之间。而在这些示例中，弹簧的刚度大可在200Nm/rad与1200Nm/rad之间变化，且其最大允许转矩可在25Nm与60Nm之间变化。在其他情况下，弹簧的刚度可在400Nm/rad和1800Nm/rad之间变化，并且其最大允许转矩可在20Nm和100Nm之间变化。
螺线362具有靠近于内部安装段364的内部厚段363、中间薄段365以及靠近于外部安装段366的外部厚段367。当在螺线的两个边界齿轮之间在垂直于中心线的方向中对厚度进行测量时，对于图12中的弹簧360来说，内部厚段363的最厚部分、中间薄段365的最薄部分和外部厚段367的最厚部分之间的厚度比约为10:1:9；而对于图13中的弹簧360A来说，内部厚段363的最厚部分、中间薄段365的最薄部分和外部厚段367的最厚段部分之间的厚度比约为9:1:8。同时，对于图12中的弹簧360而言，中间薄段365的最薄厚度约为1.36mm；而对于图13中的弹簧360A来说，中间薄段365的最薄厚度约为1.47mm。在一些示例中，对于弹簧360或弹簧306A而言，中间薄段可介于1.00mm和1.70mm之间。从内部安装段364开始的螺线362可以环绕内部安装段364，同时持续地接近外部安装段366。这些螺线配置为尽可能地进行环绕(在弹簧360和弹簧360A中超过半圈)而不彼此接触，并且这些螺线可配置为占据内部安装段364和外部安装段366之间的内部区域的主要部分，借以在给定刚度及最大允许转矩的情况下最大化地减小图13中的弹簧360的直径373和厚度371。可对螺线的齿轮进行配置，借以在于内部安装段364与外部安装段366之间施加转矩的过程中使螺线的形变均匀地产生在螺线上并不产生应力集中。同时，可对内锐角375和外锐角376的曲率进行设计，借以避免应力集中。
图14示出了本发明某些实施方式中SEA 10的弹簧组件300的盘状弹簧的另一实施例。作为弹簧360B的另一实施例，图14所示的弹簧360B在螺线形状和螺线数量上发生了变化，其中图14所示的弹簧360B具有更小的外径，但其厚度与弹簧360和/或弹簧360A的厚度相同。例如，弹簧360B的直径可以是66mm，厚度可以是5mm，但对于与上述弹簧360和/或弹簧360A相同的材料而言，刚度约为820Nm/rad、最大允许转矩约为30Nm且安全系数大于2。
应该理解的是，尽管以上讨论的弹簧360、弹簧360A和弹簧360B是可以与SEA 10结合使用的三个示例性弹簧，但是也可以使用弹簧360的其他布置。例如，可以使用具有五个或更多可变形螺线的弹簧。
图15示出了根据某些实施方式中SEA的弹簧组件的示例性内部机构320和盘状弹簧的底部扭簧360。弹簧360可以包括：圆形内部安装段364、圆形外部安装段366以及连接内部安装段和外部安装段的一组可变形的螺线362。内部机构320可包括：基臂356、摆臂322、线材342和滑轮344。如图所示，在由间隔件314形成的内部空腔内，内部机构320位于底部弹簧360上方。在本实例中，在臂的两端，两个滑轮344可以通过轴承连接到基臂356，借以进行自由转动。再者，图10示出了工具头400，工具头400被设计为可在摆臂322的每个臂的末端处拧紧通过螺钉394固定的线材342。
图16和17示出了根据本发明一些实施方式的SEA 10的弹簧组件300A和弹簧组件300B的示意性结构。在弹簧组件300A中，顶部弹簧360的螺线362和底部弹簧360的螺线362均沿相同方向布置。然而，各弹簧360相对于彼此产生90度偏移，这使得螺线362也产生了90度偏移。在弹簧组件300B中，顶部弹簧和底部弹簧沿X和Y轴对准(例如，彼此之间不产生偏移)，但是螺线362沿相反的方向布置。
应该理解的是，尽管上面所讨论的弹簧组件300A和300B是可与SEA 10结合使用的两个示意性组件，但弹簧组件300也可以使用其他结构。例如，弹簧组件300可以具有一对设置于相同方向中定位的匹配的弹簧360，其中可使螺线对准X轴和Y轴。而在另一个示例中，弹簧组件300可以利用两个不同的弹簧，例如弹簧300A和弹簧300B。
图18示出了某些实施方式中移除了间隔件314的SEA 10的弹簧组件300的侧视图。在本实例中，弹簧组件300包括两个平面且呈圆形的扭簧360以及带有传感器334的内部机构320，其中传感器334可检测弹簧360的形变。如图所示，两个弹簧以同心的方式进行堆叠并且于Z方向上彼此偏移。如以下图19所示，两个弹簧360还经由贯穿弹簧360和间隔件314的紧固件393刚性地相互耦合。通常，位于两个弹簧360之间的内部机构320被配置为利用传感器334检测弹簧360的形变。在某些情况下，内部机构320的摆臂322可被定位在间隔件314的内部空腔中。
图19示出了某些实施方式中SEA 10的弹簧组件300的示例分解图。弹簧组件300包括：两个平面且呈圆形的扭簧360、间隔件314以及内部机构320，内部机构320带有用于检测弹簧形变的传感器334。平面且呈圆形的扭簧360中的每一个都由圆形内部安装段364、圆形外部安装段366以及连接内部安装段和外部安装段的一组可弹性变形的螺线362组成。两个弹簧的外部安装段366以同心的方式进行堆叠并且通过间隔件314刚性地相互耦合。用于检测弹簧形变的内部机构320位于两个弹簧360之间并与传感器334相耦合。两个弹簧360的内部安装段364被分别指定为弹簧组件300的输入安装座和输出安装座。为了便于对传感器334的电缆进行布线，优选将传感器334侧面的内部安装段364作为弹簧组件300的输出安装座。在当前示例中，可将弹簧360对准，使得各组弹性可变形螺线362沿相反的方向延伸。然而，在其他实施方式中，也可将弹簧360对准，使得各组可弹性变形的螺线362在相同的方向中延伸或进行堆叠。
在某些情况下，弹簧组件300的内部机构320可包括：基臂356，摆臂322和滑轮344。例如，内部机构320可以定位在间隔件314的内部空腔内，如图所示，内部机构320可以定位在弹簧组件300内。基臂356可以固定到弹簧360的内部安装段的内表面。基臂356的两个臂可以在弹簧表面上方伸出，但不超过弹簧360的外部安装段的内径。两个滑轮344可以通过轴承在基臂的两端处连接到基臂356，以便自由转动。传感器334的静止部可以与弹簧360的内部安装段以同心的方式附接到基臂。
当摆臂322在弹簧360发生弹性形变期间相对于基臂356进行转动时，摆臂322的相对转动可以被放大并传递到传感器334的转动轴336。其中，放大系数可以成比例于摆臂处的弧形的半径与传感器轴336的半径之间的比率。上述放大比率可介于1:5至1:30之间。在某些情况下，当机构320与传感器334的14位绝对编码器进行组合时，机构320的比率大约为1:16，从而在检测弹簧形变时机构320总共具有大约18位分辨率。例如，如果弹簧组件360的刚度为400Nm/rad，具有18位分辨率的机构320可以检测到施加到弹簧组件中大约为0.01Nm的转矩变化。在其他示例中，机构320的比率可介于约1:8至1:24的范围内，并且弹簧组件360的刚度可介于约200Nm/rad至大约900Nm/rad的范围内。
如上所述，弹簧360可包括：圆形内部安装段364、圆形外部安装段366、以及连接内部安装段和外部安装段的一组可变形螺线362。内部安装段364和外部安装段366成形为同心的圆箍。在内部安装段364和外部安装段366中，可存在用于连接其他部件的多个通孔和螺钉孔。弹簧360的直径373和厚度371可以取决于预期的转动刚度、最大允许转矩、可变形螺线的形状以及材料的强度。
图20和图21示出了某些实施方式中处于应力下的盘状弹簧360的示意性部件。例如，图12中的尖角375的最小半径372可以不小于0.6mm，而图13中的尖角376的图21中的最小半径374可以不小于0.57mm。因此，螺线362可仅在预期的最大允许转矩内发生弹性形变。例如，当施加30Nm的转矩时，沿图12中的弹簧360的螺线的应力(以冯·米塞斯为单位)不超过约460MPa，而沿图20中的弹簧360A的螺线的应力(以冯·米塞斯为单位)不超过约410MPa。在此特定示例中，可使用四个可变形螺线。其中，可采用不同数量的螺线，但对于给定的刚度和最大允许转矩，可以改变螺线的形状。
仍请参考图12，当在内部安装段364和外部安装段366之间施加最大允许转矩时，在螺线体处的多个点可能彼此干扰并且用作硬止动。当过大的转矩使内部安装段364相对于外部安装段366逆时针转动时，在四个外部窄通道381处，一个螺线362的中间薄段365会鼓起，并且这可能干扰到另一个螺线362的外部厚段367。对于图12中的弹簧360而言，外部窄通道的宽度约为0.7毫米；而对于图13中的弹簧360A而言，外部窄通道的宽度约为0.8毫米。与之相似的，当反向施加过大的转矩时，在四个内部窄通道383中，一个螺线362的中间薄段365向内收缩并且可能干扰到另一螺线362的内部厚段363，从而防止螺线发生过度变形。对于弹簧360而言，内部狭窄通道的宽度约为0.8mm；而对于弹簧360A而言，内部狭窄通道的宽度约为0.9mm。如果施加的压力大于预期的最大允许转矩，则这些干扰使弹簧360的刚度非线性地增大并用作防止弹簧过度变形的硬止动。在一些示例中，对于弹簧360或弹簧306A而言，外部窄通道可介于0.5mm至0.9mm之间，而内部窄通道可介于0.6mm至1.1mm之间。
图22示出了根据某些实施方式的具有SEA 10的机器人接头组件的另一示例分解图。SEA 10的SEA壳体框架可以附接到连杆40的接头壳体本体42，而SEA 10的弹簧组件300的输出安装座可通过接头轴承62与输出连杆50的接头壳体52的上安装部64相耦合。在接头处，接头轴承(例如，矫直辊轴承)的外圈可以固定在输入连杆的接头壳体42处。坐置于接头轴承的内圈上的带孔轴的一侧可以与输出连杆50的接头壳体52相耦合，而带孔轴的另一侧可以与SEA 10的弹簧组件300的输出安装座相耦合。SEA 10可产生传递到输出连杆50的起动力转矩。输出连杆可以相对于连杆40绕轴线30进行相对转动，并且可以向外界施力。
图23示出了某些实施方式中弹簧组件上具有保护盖的SEA 10的示例图。在当前示例中，转动型SEA 10包括：电机100、齿轮传动组件200以及带有传感器334(例如，绝对编码器)的弹簧组件300。以下段落将结合其他说明书附图对这种SEA 10的其他零件及细节特征进行进一步论述。
尽管图1至图23示出了各种视图、示例和实施方式，但应当理解的是，图1至图23中的所示出的部件可适用于所示的任意一种实施方式。此外，诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的术语是相对用于，这些术语表示：尽管两个值可能是不同的，但它们的区别在于该设备或方法仍可提供所指示的结果或所需的结果，或者设备或方法的操作不会受到无法实现其预期目的的不利影响。作为示例而非限制，如果列举了“约为X mm”的高度，则若仍可执行期望的功能或仍可以实现期望的结果，那么更低的高度或更高的高度仍然是“约为X mm”。
虽然已经用特定于结构特征的语言对本发明主题进行了描述，但是应当理解的是，所附权利要求书中定义的主题不必限于所描述的特定特征。同时，这些特定特征仅作为实现权利要求的示意性方式来进行描述。

Claims (19)

1.一种转动型串联弹性致动器，包括：
齿轮传动组件；
电机，所述电机与所述齿轮传动组件相耦合，所述电机用于将转矩或动力传送至所述齿轮传动组件；以及
弹簧组件，所述弹簧组件与所述齿轮传动组件相耦合，所述弹簧组件包括：
第一扭簧，所述第一扭簧包括第一组可弹性变形的螺线；
第二扭簧，所述第二扭簧包括第二组可弹性变形的螺线，所述第一扭簧通过间隔件与所述第二扭簧相耦合；以及
内部机构，所述内部机构位于所述第一扭簧和所述第二扭簧之间，所述内部机构被配置为检测所述弹簧组件的转动形变并将所述转动形变作为测得的转矩输入值提供给所述电机的控制器，所述内部机构包括：
基臂；
传感器；
摆臂，所述摆臂可移动地与所述基臂相耦合，所述摆臂的形状为弧形，并且所述摆臂包括第一臂和第二臂；
第一滑轮，所述第一滑轮与所述基臂的第一端相耦合；
第二滑轮，所述第二滑轮与所述基臂的第二端相耦合，
所述第二端与所述第一端是相反的；以及
线材，所述线材与所述摆臂的所述第一臂和所述摆臂的所述第二臂相耦合，并且所述线材绕所述第一滑轮、所述第二滑轮、以及所述传感器的转动轴张紧。
2.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述齿轮传动组件是谐波驱动装置，所述谐波驱动装置包括：波发生器、柔轮、以及刚轮。
3.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述内部机构还包括与所述第一臂相耦合的至少一个第一螺钉、以及与所述第二臂相耦合的至少一个第二螺钉，所述至少一个第一螺钉与所述至少一个第二螺钉用于拧紧所述线材。
4.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述摆臂的相对转动的放大系数成比例于所述摆臂处的所述弧形的半径与所述传感器的所述转动轴的半径之间的比率。
5.根据权利要求4所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述摆臂的相对转动的放大系数介于1:5与1:30之间。
6.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述测得的转矩输入值至少部分地基于所述串联弹性致动器的输出连杆上的负载。
7.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述弹簧组件的刚度在大约200Nm/rad至大约900Nm/rad之间。
8.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，进一步包括：
输出连杆，所述输出连杆通过转动接头与接头壳体相耦合并且所述输出连杆与所述弹簧组件相耦合，使得所述弹簧组件与所述输出连杆一同相对于所述转动接头转动；
壳体框架，所述壳体框架与所述齿轮传动组件相关联；以及
输入连杆，所述输入连杆与所述壳体框架相耦合。
9.根据权利要求1所述的转动型串联弹性致动器，其中：
第一扭簧还包括：
圆形内部安装座；以及
圆形外部安装座；以及
所述第一组可弹性变形的螺线中的每一个可弹性变形的螺线包括与所述圆形内部安装座相耦合的内部厚段、与所述圆形外部安装座相耦合的外部厚段、以及连接在所述内部厚段与所述外部厚段之间的中间薄段。
10.根据权利要求9所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述内部厚段与所述中间薄段的相对厚度的比率介于11:1与8:1之间，并且所述中间薄段与所述外部厚段的相对厚度的比率介于1:10与1:7之间。
11.根据权利要求9所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述扭簧的刚度介于400Nm/rad与1800Nm/rad之间。
12.根据权利要求9所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述扭簧的最大允许转矩介于20Nm与100Nm之间。
13.根据权利要求9所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述一组可弹性变形的螺线包括至少两个单独的螺线。
14.根据权利要求9所述的转动型串联弹性致动器，其中，所述一组可弹性变形的螺线包括至少两个单独的螺线，并且所述可弹性变形的螺线中的每一个防止至少一个其他可弹性变形的螺线在使用中经受过度的形变。
15.一种用于转动型串联弹性致动器的弹簧组件，所述弹簧组件包括：
第一扭簧，所述第一扭簧包括第一组可弹性变形的螺线、第一圆形内部安装座、以及第一圆形外部安装座；
第二扭簧，所述第二扭簧包括第二组可弹性变形的螺线、第二圆形内部安装座、以及第二圆形外部安装座，所述第一圆形外部安装座通过间隔件与所述第二圆形外部安装座相耦合；以及
内部机构，所述内部机构位于所述第一扭簧与所述第二扭簧之间，所述内部机构包括：
基臂，其包括第一端和第二端，所述第二端与所述第一端是相反的；
传感器，所述传感器对所述弹簧组件的转动形变进行检测并将所述转动形变作为测得的转矩输入值提供给电机控制器；
摆臂，所述摆臂可移动地与所述基臂相耦合，所述摆臂的形状为弧形，并且所述摆臂包括第一臂和第二臂；
第一滑轮，所述第一滑轮与所述基臂的所述第一端相耦合；
第二滑轮，所述第二滑轮与所述基臂的所述第二端相耦合；以及
线材，所述线材与所述摆臂的所述第一臂和所述摆臂的所述第二臂相耦合，并且所述线材绕所述第一滑轮、所述第二滑轮、以及所述传感器的转动轴张紧。
16.根据权利要求15所述的弹簧组件，其中，所述第一扭簧同心地对准于所述第二扭簧。
17.根据权利要求15所述的弹簧组件，其中：
所述第一臂和所述第二臂的形状为弧形；
所述第一滑轮被配置为相对于所述基臂自由转动；以及
所述第二滑轮被配置为相对于所述基臂自由转动。
18.根据权利要求16所述的弹簧组件，其中，
所述摆臂以所述第一圆形内部安装座为根基置放；
所述基臂以所述第二圆形内部安装座为根基置放；
所述传感器为转动传感器，所述转动传感器具有静止部，所述静止部以所述第二圆形内部安装座为根基置放，使得所述传感器的所述转动轴置于所述第一扭簧与所述第二扭簧之间，并且所述传感器的所述转动轴同心地对准于所述第一圆形内部安装座与所述第二圆形内部安装座；以及
所述摆臂和所述基臂面向彼此，并且所述摆臂和所述基臂被配置为响应于施加在所述第一圆形内部安装座与所述第二圆形内部安装座之间的转矩，所述摆臂和所述基臂相对于彼此且与所述第一圆形内部安装座和所述第二圆形内部安装座一同进行相对转动。
19.根据权利要求16所述的弹簧组件，其中，所述线材先绕所述第一滑轮、然后绕所述传感器的所述转动轴、再然后绕所述第二滑轮张紧。
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