CN112643710B - 可变力矩输出装置和机器人 - Google Patents

Abstract

一种可变力矩输出装置和机器人，可变力矩输出装置包括外壳组件、输出轴、圆柱凸轮和弹性件，输出轴穿设于外壳组件并与外壳组件转动连接，圆柱凸轮套设在输出轴上，且圆柱凸轮与输出轴周向固定，弹性件的一端与外壳组件连接，弹性件的另一端与圆柱凸轮滑动连接；当输出轴带动圆柱凸轮转动时，弹性件相对圆柱凸轮移动，弹性件的弹性势能发生周期性变化，以使输出轴的输出力矩在弹性件的弹性势能增大时减小，在弹性件的弹性势能减少时增大。通过设置圆柱凸轮和弹性件，圆柱凸轮与输出轴周向固定，在输出轴带动圆柱凸轮转动的过程中，弹性件沿着圆柱凸轮的定制轮廓移动并发生周期性的形变，从而使得输出轴在不同角度的位置分别能精确输出所需的力矩。

Description

可变力矩输出装置和机器人

技术领域

本发明属于机械工业领域，尤其涉及一种可变力矩输出装置和具有该可变力矩输出装置的机器人。

背景技术

现有电机最优工况下输出扭矩会有一个最优值，特定细分下，经过减速器或电机直接输出轴一周范围内其扭矩是不变的。有些场合比如机器人关节等有自身重力的影响，对电机的输出力矩在每个角度的要求是不一样的，即输出端连接的构件的受力情况会随旋转角度的变化而变化。如果每个角度都按照最大力矩来算，会造成能量冗余，不仅能耗高，同时整体重量会增加。

现有技术采用的基本都是直接通过弹簧蓄能，其力矩变化单一线性，只能够解决部分重力补偿，不能满足在特定角度下的精确力矩输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种可变力矩输出装置，能够在不同角度的位置分别能精确输出所需的力矩。

为实现本发明的目的，本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种可变力矩输出装置，可变力矩输出装置包括外壳组件、输出轴、圆柱凸轮和弹性件，所述输出轴穿设于所述外壳组件并与所述外壳组件转动连接，所述圆柱凸轮套设在所述输出轴上，且所述圆柱凸轮与所述输出轴周向固定，所述弹性件的一端与所述外壳组件连接，所述弹性件的另一端与所述圆柱凸轮滑动连接；当所述输出轴带动所述圆柱凸轮转动时，所述弹性件相对所述圆柱凸轮移动，所述弹性件的弹性势能发生周期性变化，以使所述输出轴的输出力矩在所述弹性件的弹性势能增大时减小，在所述弹性件的弹性势能减少时增大。

一种实施方式中，所述圆柱凸轮包括第一端面，所述第一端面具有预设的轮廓部，所述轮廓部呈凹凸不平的结构，所述弹性件沿所述轮廓部相对所述圆柱凸轮移动。

一种实施方式中，所述轮廓部包括曲线轮廓和/或曲线凹槽。

一种实施方式中，所述弹性件包括依次连接的第一连接部、固定部和第二连接部，所述第一连接部远离所述固定部的一端与所述第一端面连接，所述固定部与所述外壳组件转动连接，所述第二连接部与所述外壳组件抵接。

一种实施方式中，所述外壳组件包括外壳本体和固定件，所述固定件与所述外壳本体连接，所述固定部绕设在所述固定件的外周并与所述固定件转动连接。

一种实施方式中，所述外壳组件还包括调节件，所述调节件与所述外壳本体连接，所述调节件位于所述第二连接部背向所述第一连接部的一侧，并与所述第二连接部抵接，所述调节件用于调节所述第二连接部与所述第一端面的距离。

一种实施方式中，所述外壳本体朝向所述第一端面的表面开设有安装槽，所述弹性件的固定部和第二连接部均容置于所述安装槽，所述安装槽的侧壁开设有第一通孔，所述固定件容置于所述第一通孔，所述固定件的至少部分位于所述安装槽内。

一种实施方式中，所述可变力矩输出装置还包括滚动件，所述滚动件与所述弹性件连接，且所述滚动件与所述第一端面滚动抵持。

一种实施方式中，所述可变力矩输出装置还包括电机本体，所述电机本体与所述输出轴连接，所述电机本体用于驱动所述输出轴转动，所述第一端面为所述圆柱凸轮背向所述电机本体的表面。

第二方面，本发明还提供了一种机器人，机器人包括第一方面任一项所述的可变力矩输出装置。

本发明提供的可变力矩输出装置，通过设置圆柱凸轮和弹性件，圆柱凸轮与输出轴周向固定，在输出轴带动圆柱凸轮转动的过程中，弹性件沿着圆柱凸轮的定制轮廓移动并发生周期性的形变，在所需力矩较小的位置，弹性件被圆柱凸轮压缩而将冗余的能量转化为弹性势能，在所需力矩较大的位置，弹性件的弹性势能释放使得输出轴的输出力矩大于额定力矩以满足使用要求，从而在不同角度的位置分别能精确输出所需的力矩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种实施方式的可变力矩输出装置的爆炸结构示意图；

图2是一种实施方式的可变力矩输出装置的剖视结构示意图；

图3是图2的弹性件的立体结构示意图；

图4是图2的可变力矩输出装置的部分结构示意图；

图5是图2的外壳本体的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种可变力矩输出装置100，可变力矩输出装置100优选应用于机器人。可变力矩输出装置100包括外壳组件10、输出轴20、圆柱凸轮30和弹性件40。输出轴20穿设于外壳组件10并与外壳组件10转动连接。圆柱凸轮30套设在输出轴20上，且圆柱凸轮30与输出轴20周向固定。弹性件40的一端与外壳组件10连接，弹性件40的另一端与圆柱凸轮30滑动连接。当输出轴20带动圆柱凸轮30转动时，弹性件40相对圆柱凸轮30移动，弹性件40的弹性势能发生周期性变化，以使输出轴20的输出力矩在弹性件40的弹性势能增大时减小，在弹性件40的弹性势能减少时增大。

具体的，外壳组件10整体形成容纳空间101，弹性件40、圆柱凸轮30以及部分输出轴20均位于容纳空间101中。将弹性件40设置在容纳空间101内，有利于缩小可变力矩输出装置100的整体结构尺寸。外壳组件10设置有轴承61，轴承61可以为滚针轴承、滚珠轴承、滑动轴承等。输出轴20与轴承61的内圈配合连接，从而达到输出轴20与外壳组件10转动连接的目的。可以理解的是，以机器人关节为例，机器人关节连接有机械臂，由于机械臂的重力的影响，输出轴20在某些角度需要具备较大输出力矩，来克服机械臂重力等因素，否则可能会由于输出力矩不足而导致运动停止。因此，为了顺利驱动机械臂，输出轴20的额定力矩通常大于等于要求的最大输出力矩。但与此同时，输出轴20在某些角度时，机械臂的重力具有辅助运动的效果，此时并不需要较大的输出力矩，较小的力矩也能够满足这些角度的运动要求，额定力矩过大容易造成能量冗余，非常浪费能源。市面上通常采用外置弹簧来解决这个问题，采用外置弹簧时仅具有弹簧变形量作为变量，其输出力矩的变化为单一线性，只能补偿部分重力，输出力矩不能在各个角度都满足运动要求且不发生能量冗余，精确度不高，不适用于需要特定角度输出特定力矩的场合。而且，由于是弹簧外置，整体结构尺寸较大，不适用于空间小的场合(如机器人关节等)。

为了解决能量冗余，在需要较大力矩的位置能满足要求，较小力矩的位置能够节省能耗，本发明提供的可变力矩输出装置100，通过设置圆柱凸轮30和弹性件40，圆柱凸轮30与输出轴20周向固定，在输出轴20带动圆柱凸轮30转动的过程中，弹性件40沿着圆柱凸轮30的定制轮廓移动并发生周期性的形变，在所需力矩较小的位置，圆柱凸轮30靠近弹性件40，弹性件40被圆柱凸轮30压缩而将冗余的能量转化为弹性势能，在所需力矩较大的位置，圆柱凸轮30远离弹性件40，弹性件40的弹性势能释放使得输出轴20的输出力矩大于额定力矩以满足使用要求，从而在不同角度的位置分别能精确输出所需的力矩，使电机在每个角度的工况基本一致，达到最佳的运行状态。

一种实施方式中，请参阅图2，圆柱凸轮30包括第一端面301。第一端面301具有预设的轮廓部，轮廓部呈凹凸不平的结构，弹性件40沿轮廓部相对圆柱凸轮30移动。通过在圆柱凸轮30的第一端面301设置轮廓部，弹性件40沿轮廓部相对圆柱凸轮30移动，在所需力矩较小的位置通过轮廓部靠近弹性件40并压缩弹性件40将能量转化为弹性势能，从而避免能量冗余，在所需力矩较大的位置通过轮廓部远离弹性件40，弹性件40的弹性势能转化为圆柱凸轮30的动能，从而满足运动要求。

一种实施方式中，请参阅图2，轮廓部包括曲线轮廓和/或曲线凹槽。具体的，轮廓部可以为曲线轮廓，也可以为曲线凹槽，还可以为曲线轮廓和曲线凹槽的结合。可以理解的是，曲线轮廓或曲线凹槽的设计难度较低，以便于根据目标扭矩与角度的关系曲线设计曲线轮廓和曲线凹槽的形状，以满足弹性件40的周期形变规律，有利于在不同角度的位置分别精确输出所需的力矩，可实现力矩的周期变化。可选的，周期可以为180°、360°、540°等。当存在往复运动工况下，(即输出轴20存在正转和反转)，周期可选为大于360°。若轮廓部为首尾连接的结构，则周期优选为360°。

一种实施方式中，请参阅图2和图3，弹性件40包括依次连接的第一连接部41、固定部42和第二连接部43。第一连接部41远离固定部42的一端与第一端面301连接，固定部42与外壳组件10转动连接，第二连接部43与外壳组件10抵接。具体的，第一连接部41、固定部42和第二连接部43均为一体式结构，优选呈金属片状，有利于在保证结构强度的同时，具有较合适的弹性模量。第一连接部41和第二连接部43整体形成的夹角为锐角。第一连接部41远离固定部42的位置具有弯折结构411，弯折结构411的顶部与第一端面301连接，优选的，弯折结构411的顶部呈圆角的形状，如此设置，有利于降低第一连接部41与第一端面301的摩擦力，从而降低耗损。通过设置第一连接部41、固定部42和第二连接部43，便于弹性件40与外壳组件10连接的同时，与第一端面301滑动连接，同时，第二连接部43的设置，有利于调节弹性件40与圆柱凸轮30的弹力大小。

一些实施例中，弹性件40也可用推杆(未图示)和弹簧(未图示)来代替，同样可实现本发明的在在不同角度的位置分别精确输出所需的力矩的目的。

一种实施方式中，请参阅图2至图4，外壳组件10包括外壳本体11和固定件12，固定件12与外壳本体11连接。固定部42绕设在固定件12的外周并与固定件12转动连接。具体的，固定部42呈首尾不连接的环状，第一连接部41连接于固定部42的一端，第二连接部43连接于固定部42的另一端。固定件12优选为销轴，固定件12从外壳本体11的外部安装。固定件12与外壳本体11固定连接。固定部42环绕在固定部42的外周，从而与外壳本体11可相对转动。通过设置固定件12，以便于实现弹性件40与外壳组件10转动连接。

一种实施方式中，请参阅图2至图4，外壳组件10还包括调节件13，调节件13与外壳本体11连接。调节件13位于第二连接部43背向第一连接部41的一侧，并与第二连接部43抵接。调节件13用于调节第二连接部43与第一端面301的距离。具体的，调节件13优选为螺钉，调节件13与外壳组件10为螺纹连接。第二连接部43连接于调节件13的端面，可通过拧动调节件13使得调节件13将第二连接部43朝向第一端面301推动或使得调节件13远离第一端面301移动，使得第二连接部43由于弹性而跟随调节件13远离第一端面301移动。可以理解的是，在保持第一连接部41与第一端面301抵持的位置不变的同时，第二连接部43与第一端面301的距离越小，弹性件40的弹性势能越大；反之，第二连接部43与第一端面301的距离越大，弹性件40的弹性势能越小。弹性件40的弹性势能与圆柱凸轮30压缩弹性件40方向旋转时需要克服的力矩以及圆柱凸轮30压缩弹性件40反方向旋转时弹性件40给予的补偿力矩呈正比关系。通过设置调节件13，调节件13调节第二连接部43与第一端面301的距离，从而调节圆柱凸轮30压缩弹性件40方向旋转时需要力矩的大小和圆柱凸轮30压缩弹性件40反方向旋转时弹性件40给予补偿力的大小，有利于适应不同的工况。以机器人的关节为例，若需要在所连接的机械臂上增添一些部件，则可以适当通过调节件13缩小第二连接部43与第一端面301的距离，增大圆柱凸轮30压缩弹性件40方向旋转时需要力矩的大小和圆柱凸轮30压缩弹性件40反方向旋转时弹性件40给予补偿力的大小。

一种实施方式中，请参阅图1，可变力矩输出装置100还包括电机本体50。电机本体50与输出轴20连接，电机本体50用于驱动输出轴20转动。第一端面301为圆柱凸轮30背向电机本体50的表面。具体的，圆柱凸轮30还包括朝向电机本体50的第二端面302，第二端面302与第一端面301相背设置。一些实施例中，轮廓部也可设置于第二端面302。可以理解的是，由于第一端面301为圆柱凸轮30背向电机本体50的表面，在弹性件40的弹力作用下，圆柱凸轮30与输出轴20都有朝向电机本体50运动的趋势，有利于预紧输出轴20，在一定程度上可以减少电机本体50内部齿轮的回程间隙。

具体的，电机本体50与外壳本体11通过数个固定螺钉62连接固定。本实施例的输出轴20包括两部分，第一部分位于电机本体50上，由电机本体50直接输出转矩。第二部分则通过紧定螺钉63与第一部分固定连接，从而同步转动。

一种实施方式中，请参阅图4和图5，外壳本体11朝向第一端面301的表面开设有安装槽111。弹性件40的固定部42和第二连接部43均容置于安装槽111。安装槽111的侧壁开设有第一通孔112，固定件12容置于第一通孔112，固定件12的至少部分位于安装槽111内。具体的，安装槽111的底壁开设有第二通孔113，第二通孔113用于安装调节件13。通过设置安装槽111，使得可变力矩输出装置100的内部结构紧凑，以便于应用于所能提供的空间较小的场景。

一种实施方式中，请参阅图2，可变力矩输出装置100还包括滚动件(未图示)。滚动件与弹性件40连接，滚动件与第一端面301滚动抵持。具体的，滚动件优选为轴承和套筒。可以理解的是，弹性件40直接与第一端面301滑动连接，存在滑动摩擦力，损耗较大。通过设置滚动件，采用滚动摩擦代替滑动摩擦，有利于降低摩擦损耗。

请参阅图1，本发明实施例还提供了一种机器人，机器人可应用于机械加工装配，也可应用于生活，如扫地机器人等。机器人包括本发明提供的可变力矩输出装置100。具体的，机器人还可以包括机械臂(未图示)，可变力矩输出装置100与机械臂连接并控制机械臂运动。通过在机器人中加入本发明提供的可变力矩输出装置100，机器人的能量利用率较高。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种可变力矩输出装置，其特征在于，包括外壳组件、输出轴、圆柱凸轮和弹性件，所述输出轴穿设于所述外壳组件并与所述外壳组件转动连接，所述圆柱凸轮套设在所述输出轴上，且所述圆柱凸轮与所述输出轴周向固定，所述弹性件的一端与所述外壳组件连接，所述弹性件的另一端与所述圆柱凸轮滑动连接；当所述输出轴带动所述圆柱凸轮转动时，所述弹性件相对所述圆柱凸轮移动，所述弹性件的弹性势能发生周期性变化，以使所述输出轴的输出力矩在所述弹性件的弹性势能增大时减小，在所述弹性件的弹性势能减少时增大。

2.如权利要求1所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述圆柱凸轮包括第一端面，所述第一端面具有预设的轮廓部，所述轮廓部呈凹凸不平的结构，所述弹性件沿所述轮廓部相对所述圆柱凸轮移动。

3.如权利要求2所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述轮廓部包括曲线轮廓和/或曲线凹槽。

4.如权利要求2或3所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述弹性件包括依次连接的第一连接部、固定部和第二连接部，所述第一连接部远离所述固定部的一端与所述第一端面连接，所述固定部与所述外壳组件转动连接，所述第二连接部与所述外壳组件抵接。

5.如权利要求4所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述外壳组件包括外壳本体和固定件，所述固定件与所述外壳本体连接，所述固定部绕设在所述固定件的外周并与所述固定件转动连接。

6.如权利要求4所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述外壳组件还包括调节件，所述调节件与外壳本体连接，所述调节件位于所述第二连接部背向所述第一连接部的一侧，并与所述第二连接部抵接，所述调节件用于调节所述第二连接部与所述第一端面的距离。

7.如权利要求5所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述外壳本体朝向所述第一端面的表面开设有安装槽，所述弹性件的固定部和第二连接部均容置于所述安装槽，所述安装槽的侧壁开设有第一通孔，所述固定件容置于所述第一通孔，所述固定件的至少部分位于所述安装槽内。

8.如权利要求2所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述可变力矩输出装置还包括滚动件，所述滚动件与所述弹性件连接，且所述滚动件与所述第一端面滚动抵持。

9.如权利要求2所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述可变力矩输出装置还包括电机本体，所述电机本体与所述输出轴连接，所述电机本体用于驱动所述输出轴转动，所述第一端面为所述圆柱凸轮背向所述电机本体的表面。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的可变力矩输出装置。

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