CN112847425B - 一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组 - Google Patents

一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，包括电机外壳，电机外壳内设置有双轴电机，电机外壳底端连接有法兰盘，双轴电机安装在法兰盘上端面上；法兰盘下端面上安装有谐波减速器，双轴电机的下端轴穿过法兰盘与谐波减速器传动连接；谐波减速器底端安装有平面扭簧固定盘，平面扭簧固定盘底端安装有平面扭簧，谐波减速器通过平面扭簧固定盘与平面扭簧传动连接；双轴电机的上端轴上连接有抱闸固定件，电机外壳内壁上连接有抱闸，抱闸与抱闸固定件连接。本发明通过弧形弹性体传递连续且非突变的力矩到外圈，使得整个电机模组的输出力矩更平稳，使得机器人关节具有柔顺性，减少机器人关节产生刚性冲击。

Description

一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组
技术领域
本发明涉及机器人关节动力组件技术领域，特别是涉及一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组。
背景技术
近些年来，对于机器人的研究十分火热，相关的机器人技术也日益完善与成熟。机器人出现在了各行各业之中，并对人们的生活带来极大的便利。从前一些繁重重复性的工作都可以交给机器人来做，例如在工业常用的抓物机器人，工人助力机器人，还有康复行业用于对偏瘫患者进行康复训练的外骨骼机器人。
而传统的刚性驱动器有诸多弊端，如当电机模组受到冲击时整体的刚性组件无法很好的吸收冲击能量，容易造成减速器和电机的损坏，在电机模组设计中加入柔性单元能够保护机械结构。并且环境冲击对机器人控制系统来说，是极其短暂的阶跃信号，如果控制系统的带宽不高，难以响应这些冲击信号的，进而无法对环境的冲击做出控制，因此机器人在面对冲击时就会以刚性的状态去应对，因而无法有效的采取柔性控制。还有当输出端有较大负载时，进行间歇运动会使刚性驱动模组产生较大抖动。再比如在康复设备上当与人体相连，希望人受到的阻力小，机器人运动平顺不抖动，而刚性驱动模组产生的瞬间扭矩变化以及较大抖动与偏移都有可能损伤患者。因此，发展柔性驱动器具有显著的现实意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，解决了现有刚性驱动器实施过程中产生的较大刚性冲击、扭矩突变、无法应对环境冲击、无法承担具有一定负载下的间歇运动等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，包括电机外壳，所述电机外壳内设置有双轴电机，所述电机外壳底端固定连接有法兰盘，所述双轴电机固定安装在所述法兰盘上端面上；所述法兰盘下端面上安装有谐波减速器，所述双轴电机的下端轴穿过所述法兰盘与所述谐波减速器传动连接；所述谐波减速器底端安装有平面扭簧固定盘，所述平面扭簧固定盘底端安装有平面扭簧，所述谐波减速器通过所述平面扭簧固定盘与所述平面扭簧传动连接；所述双轴电机的上端轴上可拆卸连接有抱闸固定件，所述电机外壳内壁上固定连接有抱闸，所述抱闸与所述抱闸固定件连接。
优选的，所述谐波减速器包括由外到内依次设置的固定圈、外轮和内轮，所述内轮与所述外轮啮合，所述外轮与所述固定圈转动连接，所述固定圈与所述法兰盘固定连接；所述内轮中部开设有连接孔，所述连接孔孔壁上开设有槽口，所述双轴电机的下端轴上开设有键槽，所述键槽内安装有平键，所述平键与所述槽口相适配，所述下端轴通过所述平键与所述内轮传动连接。
优选的，所述平面扭簧固定盘远离所述谐波减速器的端面上固定连接有凸台，所述凸台上固定连接有底端轴，所述平面扭簧固定盘、所述凸台、所述底端轴同轴设置；所述平面扭簧固定盘靠近所述凸台的端面上沿所述凸台周向等间距开设有若干个沉头孔，所述平面扭簧固定盘通过沉头螺钉与所述外轮固定连接。
优选的，所述平面扭簧包括内圈和外圈，所述内圈和外圈之间等间距设置有若干个弧形弹性体组，所述内圈和所述外圈通过所述弧形弹性体组固定连接，所述内圈中部开设有通孔，所述底端轴与所述通孔相适配；所述内圈上沿所述通孔周向开设有若干个螺纹孔，所述内圈通过螺栓与所述凸台固定连接，所述外圈固定连接有输出端连接件。
优选的，所述弧形弹性体组的数量为四个，每所述弧形弹性体组包括两弧形弹性体，所述弧形弹性体对称设置。
优选的，所述弧形弹性体两端之间的连线与两所述弧形弹性体的对称轴之间的夹角为23°。
优选的，所述弧形弹性体由六段半径变化的相切圆弧组成，六段所述圆弧的半径由内到外的比值为1：2：1：1：2：1。
优选的，所述双轴电机的上端轴上开设有两方形槽，两所述方形槽之间的夹角为90°，所述抱闸固定件上开设有固定孔，所述固定孔与所述方形槽对应设置。
优选的，所述抱闸上设置有抱闸引线，所述抱闸引线末端伸出到所述电机外壳外部。
本发明公开了以下技术效果：本发明提供的适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，平面扭簧内圈被驱动时，弧形弹性体发生弹性形变，通过弧形弹性体传递连续且非突变的力矩到外圈，使得整个电机模组的输出力矩更平稳，使得机器人关节具有柔顺性，减少机器人关节产生刚性冲击。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明串联平面扭簧电机模组的立体结构示意图；
图2为本发明串联平面扭簧电机模组的截面示意图；
图3为双轴电机的结构示意图；
图4为法兰盘的结构示意图；
图5为谐波减速器的结构示意图；
图6为平面扭簧固定盘的结构示意图；
图7为平面扭簧的结构示意图；
图8为抱闸固定件的结构示意图；
图9为抱闸的结构示意图；
其中，双轴电机-1；键槽-1.1；方形槽-1.2；法兰盘-2；谐波减速器-3；固定圈-3.1；内轮-3.2；槽口-3.2.1；外轮-3.3；平面扭簧固定盘-4；沉头孔-4.1；凸台-4.2；底端轴-4.3；平面扭簧-5；内圈-5.1；弧形弹性体-5.2；外圈-5.3；抱闸固定件-6；抱闸-7；抱闸引线-7.1；电机外壳-8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，包括电机外壳8，所述电机外壳8内设置有双轴电机1，所述电机外壳8底端固定连接有法兰盘2，所述双轴电机1固定安装在所述法兰盘2上端面上；所述法兰盘2下端面上安装有谐波减速器3，所述双轴电机1的下端轴穿过所述法兰盘2与所述谐波减速器3传动连接；所述谐波减速器3底端安装有平面扭簧固定盘4，所述平面扭簧固定盘4底端安装有平面扭簧5，所述谐波减速器3通过所述平面扭簧固定盘4与所述平面扭簧5传动连接；所述双轴电机1的上端轴上可拆卸连接有抱闸固定件6，所述电机外壳8内壁上固定连接有抱闸7，所述抱闸7与所述抱闸固定件6连接。
进一步的，所述谐波减速器3包括由外到内依次设置的固定圈3.1、外轮3.3和内轮3.2，所述内轮3.2与所述外轮3.3啮合，所述外轮3.3与所述固定圈3.1转动连接，所述固定圈3.1与所述法兰盘2固定连接；所述内轮3.2中部开设有连接孔，所述连接孔孔壁上开设有槽口3.2.1，所述双轴电机1的下端轴上开设有键槽1.1，所述键槽1.1内安装有平键，所述平键与所述槽口3.2.1相适配，所述下端轴通过所述平键与所述内轮3.2传动连接。
进一步的，所述平面扭簧固定盘4远离所述谐波减速器3的端面上固定连接有凸台4.2，所述凸台4.2上固定连接有底端轴4.3，所述平面扭簧固定盘4、所述凸台4.2、所述底端轴4.3同轴设置；所述平面扭簧固定盘4靠近所述凸台4.2的端面上沿所述凸台4.2周向等间距开设有若干个沉头孔4.1，所述平面扭簧固定盘4通过沉头螺钉与所述外轮3.3固定连接。
进一步的，所述平面扭簧5包括内圈5.1和外圈5.3，所述内圈5.1和外圈5.3之间等间距设置有若干个弧形弹性体5.2组，所述内圈5.1和所述外圈5.3通过所述弧形弹性体5.2组固定连接，所述内圈5.1中部开设有通孔，所述底端轴4.3与所述通孔相适配；所述内圈5.1上沿所述通孔周向开设有若干个螺纹孔，所述内圈5.1通过螺栓与所述凸台4.2固定连接，所述外圈5.3固定连接有输出端连接件。
进一步的，所述弧形弹性体5.2组的数量为四个，每所述弧形弹性体5.2组包括两弧形弹性体5.2，所述弧形弹性体5.2对称设置。
进一步的，所述弧形弹性体5.2两端之间的连线与两所述弧形弹性体5.2的对称轴之间的夹角为23°。
进一步的，所述弧形弹性体5.2由六段半径变化的相切圆弧组成，六段所述圆弧的半径由内到外的比值为1：2：1：1：2：1。通过串联的六段圆弧，可以实现力的柔顺传导和控制，减小整个系统产生的刚性冲击。
进一步的，所述双轴电机1的上端轴上开设有两方形槽1.2，两所述方形槽1.2之间的夹角为90°，所述抱闸固定件6上开设有固定孔，所述固定孔与所述方形槽1.2对应设置，螺栓穿过固定孔伸入到方形槽1.2中实现抱闸固定件6与双轴电机1上端轴固定连接。
进一步的，所述抱闸7上设置有抱闸引线7.1，所述抱闸引线7.1末端伸出到所述电机外壳8外部。
本发明工作原理，双轴电机1转动通过电机轴传递扭矩到谐波减速器3内轮3.2和抱闸7，谐波减速器3工作，谐波减速器3外轮3.3输出扭矩带动平面扭簧固定盘4转动，带动平面扭簧5内圈5.1转动，弧形弹性体5.2弹性形变传递非突变扭矩到平面扭簧5外圈5.3，输出端连接件跟随平面扭簧5外圈5.3运动。抱闸7上端面与电机外壳8内壁固定连接，抱闸7下端面紧靠抱闸固定件6上端面并随其转动，通过抱闸引线7.1给出抱死信号，使抱闸7下端面停止运动，电机模组强制停止工作。
本发明提供的适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，通过平面扭簧5的设置，可以实现力的柔顺传导和控制。减小整个系统产生的刚性冲击，降低在加速度零位区域产生可能损坏双轴电机1和谐波减速器3的刚性冲击。相对于柔顺控制算法减少系统冲击的方法，本发明属于在机械结构上减少了刚性冲击，有利于延长零部件使用寿命，降低控制算法难度。而且在康复机器人领域，机器人拖动人体运动，本发明的应用可以有效吸收关节动能，起到缓冲运动的作用，使得人受到的阻力小，机器人运动平滑不抖动。再者，外部环境冲击对于机器人来说一般是短暂的阶跃信号，控制系统难以响应这些信号，机器人以刚性系统无法规避环境的冲击，极易损害机器人本体，使用本发明的串联平面扭簧电机模组能够有效保护机器人在应对环境冲击时不易损坏。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，其特征在于，包括电机外壳(8)，所述电机外壳(8)内设置有双轴电机(1)，所述电机外壳(8)底端固定连接有法兰盘(2)，所述双轴电机(1)固定安装在所述法兰盘(2)上端面上；所述法兰盘(2)下端面上安装有谐波减速器(3)，所述双轴电机(1)的下端轴穿过所述法兰盘(2)与所述谐波减速器(3)传动连接；所述谐波减速器(3)底端安装有平面扭簧固定盘(4)，所述平面扭簧固定盘(4)底端安装有平面扭簧(5)，所述谐波减速器(3)通过所述平面扭簧固定盘(4)与所述平面扭簧(5)传动连接；所述双轴电机(1)的上端轴上可拆卸连接有抱闸固定件(6)，所述电机外壳(8)内壁上固定连接有抱闸(7)，所述抱闸(7)与所述抱闸固定件(6)连接；
所述谐波减速器(3)包括由外到内依次设置的固定圈(3.1)、外轮(3.3)和内轮(3.2)，所述内轮(3.2)与所述外轮(3.3)啮合，所述外轮(3.3)与所述固定圈(3.1)转动连接，所述固定圈(3.1)与所述法兰盘(2)固定连接；所述内轮(3.2)中部开设有连接孔，所述连接孔孔壁上开设有槽口(3.2.1)，所述双轴电机(1)的下端轴上开设有键槽(1.1)，所述键槽(1.1)内安装有平键，所述平键与所述槽口(3.2.1)相适配，所述下端轴通过所述平键与所述内轮(3.2)传动连接；
所述平面扭簧固定盘(4)远离所述谐波减速器(3)的端面上固定连接有凸台(4.2)，所述凸台(4.2)上固定连接有底端轴(4.3)，所述平面扭簧固定盘(4)、所述凸台(4.2)、所述底端轴(4.3)同轴设置；所述平面扭簧固定盘(4)靠近所述凸台(4.2)的端面上沿所述凸台(4.2)周向等间距开设有若干个沉头孔(4.1)，所述平面扭簧固定盘(4)通过沉头螺钉与所述外轮(3.3)固定连接；
所述平面扭簧(5)包括内圈(5.1)和外圈(5.3)，所述内圈(5.1)和外圈(5.3)之间等间距设置有若干个弧形弹性体组，所述内圈(5.1)和所述外圈(5.3)通过所述弧形弹性体组固定连接，所述内圈(5.1)中部开设有通孔，所述底端轴(4.3)与所述通孔相适配；所述内圈(5.1)上沿所述通孔周向开设有若干个螺纹孔，所述内圈(5.1)通过螺栓与所述凸台(4.2)固定连接，所述外圈(5.3)固定连接有输出端连接件；
所述弧形弹性体组的数量为四个，每所述弧形弹性体组包括两弧形弹性体(5.2)，所述弧形弹性体(5.2)对称设置；
所述弧形弹性体(5.2)两端之间的连线与两所述弧形弹性体(5.2)的对称轴之间的夹角为23°；
所述弧形弹性体(5.2)由六段半径变化的相切圆弧组成，六段所述圆弧的半径由内到外的比值为1：2：1：1：2：1。
2.根据权利要求1所述的适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，其特征在于：所述双轴电机(1)的上端轴上开设有两方形槽(1.2)，两所述方形槽(1.2)之间的夹角为90°，所述抱闸固定件(6)上开设有固定孔，所述固定孔与所述方形槽(1.2)对应设置。
3.根据权利要求1所述的适用于机器人关节驱动的串联平面扭簧电机模组，其特征在于：所述抱闸(7)上设置有抱闸引线(7.1)，所述抱闸引线(7.1)末端伸出到所述电机外壳(8)外部。
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