CN112405514A - 谐波减速机和机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种谐波减速机和机器人，谐波减速机包括谐波减速机主体、多组应变片和连接电路；谐波减速机主体包括柔轮和谐波发生器，所述谐波发生器用于驱动所述柔轮转动；多组应变片绕所述柔轮的轴线环形均布于所述柔轮上，用于感应所述柔轮的应力变形；每组所述应变片中包括至少一个应变片；连接电路电连接所述多组应变片，为所述多组应变片提供工作电能并传输所述应变片的感应信号。本申请谐波减速机，通过将应变片绕轴线环形均匀布置于柔轮上，从而通过感应柔轮的应力变形来检测谐波减速机的输出或输入扭矩，无需对减速机进行改造即可实现对减速机在复杂受力条件下的精准检测。

Description

谐波减速机和机器人

技术领域

本申请涉及传动检测和自动化设备技术领域，特别涉及一种谐波减速机和机器人。

背景技术

机器人领域中，对于关节力或者末端力的测量，可以用于碰撞检测、柔性控制、拖拽示教、力控制、力位复合控制等。碰撞检测是协作机器人必备的一项特性，需要通过检测关节力矩来判断机器人是否发生碰撞，以此实现机器人碰撞停机，提高安全性。协作机器人普遍具备柔性控制的特性，用以拖拽示教等功能。谐波减速机常设于机器人的关节处，用以通过柔轮带动机械臂摆动。

相关方案中，使用强柔轮代替谐波减速机原有的刚轮，然后在强柔轮上设置应变片来检测强柔轮上产生的力矩，这种方法需要对谐波减速机进行改造。

发明内容

为解决上述要对谐波减速机进行改造才能检测力矩的问题，本申请提供一种不需要对谐波减速机进行改造就能够在复杂受力形变情况下较为均匀、准确地检测减速机力矩的谐波减速机。

一种谐波减速机，包括谐波减速机主体、多组应变片和连接电路；谐波减速机主体包括柔轮和谐波发生器，所述谐波发生器用于驱动所述柔轮转动；多组应变片绕所述柔轮的轴线环形均布于所述柔轮上，用于感应所述柔轮的应力变形；每组所述应变片中包括至少一个应变片；连接电路电连接所述多组应变片，为所述多组应变片提供工作电能并传输所述应变片的感应信号。

进一步地，还包括卡尔曼滤波模块；

所述卡尔曼滤波模块通过所述连接电路电连接所述多组应变片，用于对所述多组应变片反馈的信号进行滤波以消除干扰。

进一步地，每组所述应变片包括由至少一个应变片和电阻电连接而形成的桥式电路。

进一步地，所述应变片有三组；每组所述应变片中包括两个应变片。

进一步地，所述柔轮的端面上开设有凹槽，所述多组应变片固定于所述凹槽中。

进一步地，所述凹槽是环绕所述柔轮的轴线的环形凹槽。

进一步地，所述凹槽位于所述柔轮的动力输出端的端面上。

进一步地，所述连接电路设于柔性电路板中；

所述多组应变片封装于所述柔性电路板内部。

进一步地，所述柔性电路板包括相互电连接的环形部和柄形部；所述多组应变片位于所述环形部中；

所述环形部呈环形，固定于所述柔轮端面上的凹槽中；

所述柄形部的一端固定在所述环形部的边缘上，另一端穿设于所述凹槽外周凸缘上开设的通孔或缺口中。

本申请还提供一种机器人，包括至少两个相互铰接的机械臂和以上任一项所述的谐波减速机；

所述谐波减速机设置在所述机械臂的铰接处，用于驱动所述机械臂摆动。

由上述技术方案可知，本申请至少具有如下优点和积极效果：

本申请提供了一种谐波减速机，通过将应变片绕轴线环形均匀布置于柔轮上，从而通过感应柔轮的应力变形来检测谐波减速机的输出或输入扭矩，无需对减速机进行改造即可实现对减速机在复杂受力条件下的精准检测。

附图说明

图1是本申请一实施例中柔性电路板安装于谐波减速机主体的立体结构示意图。

图2是本申请一实施例中谐波减速机主体的立体结构示意图。

图3是本申请一实施例中应变片封装于柔性电路板内的主视示意图。

图4是由四个电阻连接而成的桥式电路示意图。

图5是本申请一实施例中机器人相互铰接的第一机械臂和第二机械臂立体结构示意图。

图6是本申请一实施例中谐波减速机安装于第一机械臂的立体结构示意图。

附图标记说明如下：

1、谐波减速机主体；11、柔轮；111、凹槽；112、凸缘；12、谐波发生器；

2、应变片；

3、柔性电路板；31、环形部；32、柄形部；

4、第一机械臂；

5、第二机械臂。

具体实施方式

体现本申请特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本申请能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本申请的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

柔性控制的必要基本条件是实现力矩反馈。传统工业机器人方面，也有一定程度的碰撞检测功能。在打磨等应用方面，需要实现末端力控。也有间接地对力/力矩信息获取的需求。

关节力矩检测技术大致有三种：1、通过电流估算关节力矩，优点是成本低，无需对硬件进行改造升级；缺点是受电机，减速机，摩擦力等模型的影响，精度过低，检测噪声大；2、通过加装模块式的力矩传感器，优点是精度高，检测噪声小；缺点是成本高，关节传动链体积变大；3、机器人末端加装多维(比如3D或6D等)力矩传感器，优点是可以简单实现末端柔性控制和力控；缺点是无法实现机器人结构件的碰撞检测功能，成本也比较高。

虽然有使用应变片检测扭矩的相关方案，但是其方案需要对谐波减速机进行结构改造，改变了原本刚轮的特性使之成为所谓的强柔轮，以此来构造均匀受力形变体。然后，将应变片贴装在强柔轮上，通过应变片检测强柔轮上产生的力矩。

参照图1，本申请实施例提供一种谐波减速机，包括谐波减速机主体1、多组应变片、连接电路和卡尔曼滤波模块。多组应变片绕谐波减速机主体1的柔轮11的轴线环形均布于柔轮11上，从而可感应柔轮11的应力变形。连接电路电连接多组应变片和卡尔曼滤波模块，为多组应变片提供工作电能并传输应变片的感应信号。卡尔曼滤波模块对多组应变片反馈的信号进行滤波以消除干扰。

本方案通过布局冗余对称的应变片电路组将应变片绕轴线环形均匀布置于柔轮11上，从而通过感应柔轮11的应力变形来检测谐波减速机的输出或输入扭矩，无需对减速机进行改造即可实现对减速机在复杂受力条件下的精准检测。

参照图2，谐波减速机主体1包括刚轮(图中未示出)、柔轮11和谐波发生器12。

刚轮固定设置，刚轮设有内齿轮。柔轮11的外周设有与内齿轮相啮合的外齿轮，谐波发生器12在动力装置的带动下可驱动柔轮11相对于刚轮转动。从而，可对动力装置的输入进行变速并通过柔轮11输出扭矩以带动其他机构动作。

柔轮11的动力输出端的端面上开设有凹槽111。

凹槽111呈圆环形或圆形。环形或圆形的凹槽111可与柔轮11处于同一轴线上。凹槽111外周的凸缘112设有通孔或缺口(图中未示出)。

凹槽111可以是柔轮11原本具有的凹槽111，从而利用柔轮11的现有结构设计，避免对柔轮11进行改造。

继续参照图1和图3，连接电路设于柔性电路板3中。柔性电路板3包括环形部31和柄形部32。

环形部31呈环形，与柔轮11上的凹槽111相适应，以便于贴合固定到凹槽111中。多组应变片2封装于环形部31的内部，并与连接电路电性连接。其中，多组应变片2封装到环形部31中，也即应变片2是密封固定于环形部31中的，从而可以避免被油脂、灰尘等污染而影响使用性能。

环形部31是柔性的，所以环形部31贴合固定在柔轮11上后能够随柔轮11的形变而产生相应的形变，进而应变片2能够根据形变感应柔轮11上的应力。

环形部31贴合固定于凹槽111的底部，且与柔轮11大致在同一轴线上。环形部31在凹槽111内沿柔轮11的轴线方向凸出的距离小于凸缘112沿柔轮轴线方向凸出的距离，也即，环形部31不凸出于柔轮11的表面之外，避免与其他部件发生刮擦或摩擦而损坏，保证应力感应的可靠性，延长使用寿命。

柄形部32呈长条形。柄形部32的一端固定于环形部31的边缘上。柄形部32中的电路与环形部31中的电路线性连接，从而可通过柄形部32将应变片2的感应信号传输出来。

柄形部32自内向外穿过凹槽111外周凸缘112上开设的通孔或缺口而使另一端伸出于凸缘112的外侧，进而将应变片2的感应信号输出。

在一些实施例中，柔性电路板3也可以不设置柄形部32，仅包括环形部31。在环形部31中集成无线信号发射模块，将感应信号转换为无线信号通过无线的形式发送出来。

在一些实施例中，不考虑摩擦对应变片和柔性电路板的影响的情况下，应变片和柔性电路板也可以设置在柔轮11上凹槽111之外的其他位置。

参照图4，可通过桥式电路将一个或多个应变片2连接为一组。例如，其中的电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4中的每个电阻均可替换为应变片。任意一个或多个电阻替换成应变片后，其余电阻保留设置，以保证其桥式电路结构的完整。也可根据需要，将图示桥式电路中的四个电阻全部替换成应变片，从而形成一个具有四个应变片的应变片组。

继续参照图3，环形部31中可设置多组应变片2。多组应变片2绕环形的圆心点对称布局，以应对谐波发生器12在转动至不同角度的时，柔轮11形变位置不同的情况。

具体地，本实施例中，将应变片2设置成三组。每组包含两个应变片2，以补偿非线性部分，提高线性度。三组应变片2均匀分布于环形的环形部31中，也即，在环形部31中，每隔120°布置一组应变片2。三组应变片2在空间上呈120°对称，从而消除干扰。

在一些实施例中，不考虑油脂、灰尘等对应变片2的污染的情况下，自然也不必将应变片2封装于柔性电路板中。可将多组应变片2直接均匀地布置在环绕柔轮11上的环形区域内，该环形区域的轴线与柔轮11的轴线大致重合，也能达到精准检测的效果。

柔轮11在复杂受力条件下，受力形变不均匀，对应变片2的应力检测干扰比较大。以上将多组应变片2环绕轴线均匀地布置在环绕柔轮11上的方案，通过布局冗余对称电路来应对减速机不同转动角度时柔轮11形变位置不均匀的情况，进而减少干扰。

每组应变片2由一个桥式电路连接成，可发出一个检测信号。多组应变片2发出对应数量的检测信号，可通过卡尔曼滤波的方式，对信号进行滤波，从而可消除应变片2受到的干扰。卡尔曼滤波模块中，将多个桥式电路输出电压与测量扭矩进行线性建模，建立扰动模型，并通过离散卡尔曼迭代进行测量扭矩的误差消除。

参照图5和图6，本申请还提供一种机器人。机器人包括至少相互铰接的第一机械臂4和第二机械臂5，以及以上实施例中的谐波减速机。

谐波减速机设置在第一机械臂4和第二机械臂5的铰接处。谐波减速机的刚轮固定连接第一机械臂4。谐波减速机的柔轮11的输出端固定连接第二机械臂5。从而，柔轮11转动可带动第二机械臂5相对于第一机械臂4摆动。

基于以上结构设置，本申请技术方案力矩检测精度高，传动链体积基本不变，能够实现对机器人结构件的碰撞检测、柔性控制等。

本申请内部设有谐波减速机的机器人的一个工作过程如下：

第一机械臂4内设置的动力装置带动谐波减速机的谐波发生器12动作。谐波发生器12驱动柔轮11的外齿与刚轮的内齿啮合并产生转动。柔轮11输出的是经过减速之后的旋转动力，柔轮11的输出端带动第二机械臂5摆动。

柔轮11输出力矩时，其本身会产生少量变形。柔轮11变形导致贴合于凹槽111中的环形部31变形，进而封装在环形部31内部的应变片2根据变形量而产生应力信号。应变片2产生的应力信号通过环形部31中的电路和柄形部32中的电路输出。外部设备可根据输出的应力信号计算出当前力矩大小，进而根据力矩大小判断是否机器人手臂是否发生碰撞或者对机器人进行柔性控制等。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离本申请的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种谐波减速机，其特征在于，包括：

谐波减速机主体，包括柔轮和谐波发生器，所述谐波发生器用于驱动所述柔轮转动；

多组应变片，绕所述柔轮的轴线环形均布于所述柔轮上，用于感应所述柔轮的应力变形；每组所述应变片中包括至少一个应变片；

连接电路，电连接所述多组应变片，为所述多组应变片提供工作电能并传输所述应变片的感应信号。

2.根据权利要求1所述的谐波减速机，其特征在于，还包括卡尔曼滤波模块；

所述卡尔曼滤波模块通过所述连接电路电连接所述多组应变片，用于对所述多组应变片反馈的信号进行滤波以消除干扰。

3.根据权利要求1所述的谐波减速机，其特征在于，每组所述应变片包括由至少一个应变片和电阻电连接而形成的桥式电路。

4.根据权利要求1所述的谐波减速机，其特征在于，所述应变片有三组；每组所述应变片中包括两个应变片。

5.根据权利要求1所述的谐波减速机，其特征在于，所述柔轮的端面上开设有凹槽，所述多组应变片固定于所述凹槽中。

6.根据权利要求5所述的谐波减速机，其特征在于，所述凹槽是环绕所述柔轮的轴线的环形凹槽。

7.根据权利要求5所述的谐波减速机，其特征在于，所述凹槽位于所述柔轮的动力输出端的端面上。

8.根据权利要求1所述的谐波减速机，其特征在于，所述连接电路设于柔性电路板中；

所述多组应变片封装于所述柔性电路板内部。

9.根据权利要求8所述的谐波减速机，其特征在于，所述柔性电路板包括相互电连接的环形部和柄形部；所述多组应变片位于所述环形部中；

所述环形部呈环形，固定于所述柔轮端面上的凹槽中；

所述柄形部的一端固定在所述环形部的边缘上，另一端穿设于所述凹槽外周凸缘上开设的通孔或缺口中。

10.一种机器人，其特征在于，包括至少两个相互铰接的机械臂和权利要求1～9任一项所述的谐波减速机；

所述谐波减速机设置在所述机械臂的铰接处，用于驱动所述机械臂摆动。

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