CN112648345A - 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、顶杆和弹性件，输出轴穿设于外壳组件并与外壳组件转动连接，圆柱凸轮套设于输出轴并与输出轴周向固定，圆柱凸轮的外周开设有曲线凹槽，顶杆的一端与曲线凹槽的内壁抵接，顶杆的另一端通过弹性件与外壳组件连接；当输出轴带动圆柱凸轮转动时，顶杆沿着内壁相对圆柱凸轮移动，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小时增大。在输出轴带动圆柱凸轮转动过程中，弹性件能够周期性的形变，以实现在每个角度都可以根据目标力矩与角度的关系曲线对弹性势能进行精确定量地补充和吸收。

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

电机都存在一个最佳工作区间，在这个区间内电机的综合性能达到最优。然而在实际使用中电机往往并不能一直在最佳工作区间内工作。这就需要对电机的输出力矩进行一定的补偿和调整，使其在目标功率过低时增加输出功率并将多余的能量以某些方式(例如弹性势能、重力势能)进行储存，而在目标功率过大时释放储存的能量以此来减少电机输出的功率。通过这种方式使电机尽量在最佳工作区间内工作。

对于许多电机的使用场景，电机输出的目标力矩往往遵从较为确定的周期性变化。例如：重力对机器人旋转关节造成的力矩在关节的每个角度都是一个可计算的确定值、动力外骨骼或动力假肢的关节力矩一般随着关节角度变化产生一条较为确定的曲线。这就需要电机产生一个周期变化的力矩。因而造成电机长时间无法在最佳工作区间内工作，以及对峰值力矩的要求过高。进而造成能耗增高，电机选型的重量、体积过大等问题。

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和机器人，能够在每个角度都可以根据目标力矩与角度的关系曲线对弹性势能进行精确定量地补充和吸收，输出轴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、顶杆和弹性件，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，所述圆柱凸轮套设于所述输出轴并与所述输出轴周向固定，所述圆柱凸轮的外周开设有曲线凹槽，所述顶杆的一端与所述曲线凹槽的内壁抵接，所述顶杆的另一端通过所述弹性件与所述外壳组件连接；当所述输出轴带动所述圆柱凸轮转动时，所述顶杆沿着所述内壁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小时增大。

一种实施方式中，所述曲线凹槽的内壁包括相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述顶杆的一端与所述第一侧壁和/或所述第二侧壁抵接。

一种实施方式中，所述顶杆包括弯折连接的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部远离所述第二连接部的一端与所述内壁抵接，所述第二连接部远离所述第一连接部的一端与所述弹性件连接。

一种实施方式中，所述可变力矩输出装置还包括滚动件，所述滚动件与所述第一连接部连接，所述滚动件与所述内壁滚动抵持。

一种实施方式中，所述外壳组件包括外壳本体和调节件，所述外壳本体开设有调节孔，所述调节件设于所述调节孔并与所述弹性件连接，所述调节件用于调节所述弹性件的变形程度。

一种实施方式中，所述曲线凹槽沿单螺旋线方向或双螺旋线方向延伸。

一种实施方式中，所述曲线凹槽为首尾连接的环形槽。

一种实施方式中，所述可变力矩输出装置还包括电机本体和行星轮结构，所述电机本体通过所述行星轮结构与所述输出轴连接，以驱动所述输出轴转动。

一种实施方式中，所述第一侧壁位于所述行星轮结构和所述第二侧壁之间，所述顶杆抵接于所述第一侧壁。

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实施方式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，通过设置顶杆和弹性件，顶杆与圆柱凸轮的曲线凹槽的内壁抵持，圆柱凸轮与输出轴周向固定，在输出轴带动圆柱凸轮转动过程中，顶杆发生周期性往复运动，使得弹性件能够周期性的形变，以实现在每个角度都可以根据目标力矩与角度的关系曲线对弹性势能进行精确定量地补充和吸收，输出轴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的可变力矩输出装置的部分结构示意图；

图4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、顶杆40和弹性件50。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套设于输出轴20并与输出轴20周向固定，圆柱凸轮30的外周开设有曲线凹槽301。顶杆40的一端与曲线凹槽301的内壁抵接，顶杆40的另一端通过弹性件50与外壳组件10连接。当输出轴20带动圆柱凸轮30转动时，顶杆40沿着内壁相对圆柱凸轮30移动，弹性件50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50的弹性势能增大时减小，在弹性件50的弹性势能减小时增大。

具体的，弹性件50优选为弹簧，顶杆40的材质可以为铜合金等金属材质，也可以为聚苯乙烯等硬质塑料。外壳组件10整体呈筒状，圆柱凸轮30、顶杆40、弹性件50以及部分输出轴20均位于外壳组件10内，使得可变力矩输出装置100的内部结构紧凑，有利于缩小整体结构尺寸。输出轴20通过轴承与外壳组件10转动连接，轴承可以为滚针轴承、滚珠轴承、滑动轴承等。优选的，圆柱凸轮30不仅与输出轴20周向固定连接，轴向方向上也固定连接。输出轴20的输出力矩的变化周期不仅限于360°，当进行往复运动时(即输出轴20在一个周期内具有正转和反转)，变化周期可大于360°。在一些实施例中，曲线凹槽301仅具有一小段，首尾不连通，此时变化周期也可小于360°。

目前通常采用外置弹簧来进行力矩的补偿，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。

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，通过设置顶杆40和弹性件50，顶杆40与圆柱凸轮30的曲线凹槽301的内壁抵持，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转动过程中，顶杆40发生周期性往复运动，使得弹性件50能够周期性的形变，以实现在每个角度都可以根据目标力矩与角度的关系曲线对弹性势能进行精确定量地补充和吸收，输出轴20在不同角度的位置分别能精确输出所需的力矩。

可以理解的是，输出轴20在所需输出力矩较小的角度时，圆柱凸轮30通过顶杆40压缩(或拉伸)弹性件50，将冗余的能量储存在弹性件50中，成为弹性件50的弹性势能，从而减少功耗。在所需输出力矩较大的角度，圆柱凸轮30远离弹性件50，弹性件50通过顶杆40将弹性势能转化为圆柱凸轮30的动能，以增大输出转矩，来满足工况的要求。

在电机选型过程中，往往需要参考设备的峰值力矩进行选型。而在设备的实际工作过程中往往只有很少的时间需要用到峰值力矩。而本发明提供的可变力矩输出装置100，可利用存储的弹性势能输出大于峰值力矩的实际力矩，进而在选型中减小电机的功率、体积和重量。

对于其它使用连杆或者凸轮进行补偿的机构，这些机构都是被设计在特定设备的结构中，体积较大，无法集成于电机内部与电机形成一个整体。现阶段的电机基本为通用性型，在需要进行周期变化负载运用时需要外部连接一部分补偿结构，容易造成了空间大，集成度不高，配合精度差和齿轮间隙影响大等问题。而且，外部结构连接在一定程度上会存在零部件的加工误差而形成的间隙，对于精度要求较高的应用场合比较难控制，同时制造费用相对较高。而本发明提供的可变力矩输出装置100，弹性件50、圆柱凸轮30以及顶杆40均设于外壳组件10的内部，集成度较高，占用的空间较小，也不存在精度差和齿轮间隙影响大的问题。

一种实施方式中，请参阅图2和图3，曲线凹槽301的内壁包括相对设置的第一侧壁3011和第二侧壁3012。顶杆40的一端与第一侧壁3011和/或第二侧壁3012抵接。具体的，内壁还包括底壁3013，底壁3013连接第一侧壁3011和第二侧壁3012。优选顶杆40与底壁3013具有间隔距离。在输出轴20转动的一个周期内，有三种情况：

情况一：顶杆40仅与第一侧壁3011抵接；

情况二：顶杆40仅与第二侧壁3012抵接；

情况三：顶杆40即有与第一侧壁3011抵接，也有与第二侧壁3012抵接。

可以理解的是，弹性件50的压缩和拉伸均能蓄能，举例而言，顶杆40抵持第一侧壁3011时，弹性件50呈压缩状态，则顶杆40抵持第二侧壁3012时，弹性件50为呈拉伸状态。而在输出轴20转动的一个周期内，可仅通过第一侧壁3011压缩弹性件50而蓄能，也可仅通过第二侧壁3012拉伸弹性件50而蓄能，还可既通过第一侧壁3011压缩弹性件50蓄能，也通过第二侧壁3012拉伸弹性件50蓄能。通过设置第一侧壁3011和/或第二侧壁3012与顶杆40抵持，有利于根据“目标扭矩与角度的关系曲线”设计圆柱凸轮30的曲线凹槽301，从而适应不同的工况。

具体的，可以根据“目标扭矩与角度的关系曲线”的不同使用不同曲线凹槽301的圆柱凸轮30，以此适应不同的工作情况。

一种实施方式中，请参阅图3，顶杆40包括弯折连接的第一连接部41和第二连接部42。第一连接部41远离第二连接部42的一端与内壁抵接，第二连接部42远离第一连接部41的一端与弹性件50连接。具体的，第一连接部41和第二连接部42整体呈“L”形。优选第一连接部41和第二连接部42为一体式结构。第一连接部41远离第二连接部42的一端与第一侧壁3011和/或第二侧壁3012连接，可以是间接连接，也可以为直接连接(滑动连接)。通过设置弯折连接的第一连接部41和第二连接部42，有利于充分利用内部空间，使得内部结构紧凑，实现可变力矩输出装置100的小型化设计。

一种实施方式中，请参阅图3，可变力矩输出装置100还包括滚动件60。滚动件60与第一连接部41连接，滚动件60与内壁滚动抵持。具体的，滚动件60优选为轴承。滚动件60的内圈与第一连接部41远离第二连接部42的一端固定连接，滚动件60的外圈与第一侧壁3011和/或第二侧壁3012连接，从而使得顶杆40与圆柱凸轮30滚动连接。可以理解的是，相对于第一连接部41与与第一侧壁3011和/或第二侧壁3012滑动连接所产生的滑动摩擦力，第一连接部41通过滚动件60与第一侧壁3011和/或第二侧壁3012滚动连接所产生的滚动摩擦力更小，且顶杆40和圆柱凸轮30的受损程度较小，寿命更长，有利于降低成本以及进一步降低耗损。

一种实施方式中，请参阅图3和图4，外壳组件10包括外壳本体11和调节件12.外壳本体11开设有调节孔111，调节件12设于调节孔111并与弹性件50连接。调节件12用于调节弹性件50的变形程度。具体的，外壳本体11内设有定位凸起112，定位凸起112形成定位槽1121，定位槽1121与调节孔111相通，弹性件50至少部分容置于定位槽1121中，弹性件50的径向变形被定位槽1121限制，弹性件50仅能轴向变形。同时，至少部分第二连接部42位于定位槽1121中，使得第二连接部42的运动方向与弹性件50轴线方向相同。可以理解的是，现有的补偿结构其储能和放能的大小不能根据当前角度的需要进行精确地控制。且其弹簧选型和结构在确定之后就很难再根据实际情况对弹簧的预紧力进行调节。难以满足对确定性周期力矩变化的精准的补偿。本发明提供的可变力矩输出装置100，通过改变调节件12在调节孔111内的深度位置，可以调节弹性件50的预紧力，从而可精准地控制储能和放能的大小(即调节圆柱凸轮30压缩弹性件50方向旋转时需要力矩的大小和圆柱凸轮30压缩弹性件50反方向旋转时弹性件50给予补偿力的大小)，有利于对输出力矩进行精准储能和补偿，在不同角度都能输出目标力矩。另外，当无需输出可变力矩时(即每个角度所需的力矩均相同)，则可通过调节孔111依次将调节件12和弹性件50取出。

一种实施方式中，请参阅图2，曲线凹槽301沿单螺旋线方向或双螺旋线方向延伸。通过设置曲线凹槽301沿单螺旋线方向或双螺旋线方向延伸，有利于输出轴20输出周期较长、变化复杂的目标力矩，从而适应多种工况。

一种实施方式中，请参阅图2，曲线凹槽301为首尾连接的环形槽。通过设置曲线凹槽301为首尾连接的环形槽，输出轴20能够输出变化周期为360°的变化力矩，有利于可变力矩输出装置100应用于机器人领域，尤其是机器人的360°转动关节。

一种实施方式中，请参与图1，可变力矩输出装置100还包括电机本体70和行星轮结构80。电机本体70通过行星轮结构80与输出轴20连接，以驱动输出轴20转动。具体的，电机本体70包括齿轮垫圈71、推力轴承72、轴端挡圈73、轴套74、线圈75、轴承76、转子77，齿轮垫圈71、推力轴承72、轴端挡圈73、轴套74、线圈75、轴承76、转子77依次连接。线圈75通电，以使线圈75和转子77相对转动，线圈75和行星轮结构80同步转动。行星轮结构80包括齿轮圈81、太阳轮82、行星齿轮83、行星齿轮轴84、行星支架85，其中行星支架85与输出轴20连接而同步转动，多个行星齿轮83均与太阳轮82啮合，并位于齿轮圈81内且与齿轮圈81啮合。太阳轮82与线圈75连接并与线圈75同步转动。通过设置行星轮结构80和电机本体70，行星轮结构80将电极本体输出的转速进行减速，使得输出轴20能够低速转动。可以理解的是，现阶段特别是机器人领域，需求结构紧凑稳定，对集成度要求比较高，所有功能构件全部集成于内部，可变力矩输出装置100内集成行星轮结构80和力矩补偿机构(圆柱凸轮30、弹性件50和顶杆40)将更符合现在市场的应用场景。

一种实施方式中，请参阅图2，第一侧壁3011位于行星轮结构80和第二侧壁3012之间，顶杆40抵接于第一侧壁3011。可以理解的是，现阶段的电机输出端经过齿轮减速箱之后会有一定的齿轮间隙，所以为了减少齿轮间隙的影响，需要增加一些预紧力等措施。本发明提供的可变力矩输出装置100，通过将顶杆40抵持于朝向行星轮结构80的第一侧壁3011，由于弹性件50压缩产生的弹力，可对行星轮结构80的齿轮进行预紧，从而消除齿轮回程间隙，有利于提高传动精度。

在其他实施例中，也可采用谐波减速、RV减速和多级齿轮减速结构等代替本实施方式的行星轮结构80。

一种实施方式中，请参与图2，输出轴20上设置有编码器(未图示)、扭矩或角度传感器(未图示)，以及内部还设有电路板(未图示)。传感器用于获取输出轴的力矩以及旋转的角度，编码器用于将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式。电路板可用于控制电机本体70运行。

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、顶杆和弹性件，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，所述圆柱凸轮套设于所述输出轴并与所述输出轴周向固定，所述圆柱凸轮的外周开设有曲线凹槽，所述顶杆的一端与所述曲线凹槽的内壁抵接，所述顶杆的另一端通过所述弹性件与所述外壳组件连接；当所述输出轴带动所述圆柱凸轮转动时，所述顶杆沿着所述内壁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小时增大。

2.如权利要求1所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述曲线凹槽的内壁包括相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述顶杆的一端与所述第一侧壁和/或所述第二侧壁抵接。

3.如权利要求1或2所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述顶杆包括弯折连接的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部远离所述第二连接部的一端与所述内壁抵接，所述第二连接部远离所述第一连接部的一端与所述弹性件连接。

4.如权利要求3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，所述滚动件与所述第一连接部连接，所述滚动件与所述内壁滚动抵持。

5.如权利要求1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调节件，所述外壳本体开设有调节孔，所述调节件设于所述调节孔并与所述弹性件连接，所述调节件用于调节所述弹性件的变形程度。

6.如权利要求1所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述曲线凹槽沿单螺旋线方向或双螺旋线方向延伸。

7.如权利要求1所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述曲线凹槽为首尾连接的环形槽。

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电机本体和行星轮结构，所述电机本体通过所述行星轮结构与所述输出轴连接，以驱动所述输出轴转动。

9.如权利要求8所述的可变力矩输出装置，其特征在于，所述第一侧壁位于所述行星轮结构和所述第二侧壁之间，所述顶杆抵接于所述第一侧壁。

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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