CN113146674B - 大柔性串联式弹性单元及包括其的机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大柔性串联式弹性单元及包括其的机器人，所述大柔性串联式弹性单元用于与减速器末端输出齿轮和关节输出端连接，包括上连接件以及下连接件；上盖板，所述上盖板与所述下连接件之间填充并注塑形成橡胶块，所述上连接件与所述上盖板连接并锁定相对转动。本发明的大柔性的弹性单元，主要适用于机器人关节领域。能够缓冲机械臂关节的冲击载荷，同时可作为力矩传感器的扭转弹簧使用，从而能够提高关节的柔性，有利于人机协作。同时可以根据安装方式的不同在刚性和弹性间自由切换。扭矩‑转角具有良好的线性度，改变安装方式可以使弹性元件失去弹性。从而既能够确保用于获得较高精度，也可以适用于人机协作。
Description
技术领域
本发明涉及一种大柔性串联式弹性单元及包括其的机器人。
背景技术
在协作机器人领域，较高的安全性能和较强的人机交互能力是协作机器人的主要特点。协作机器人关节需要能够识别碰撞和拖动示教，这使得其力矩传感器需要具备较大的柔性即较小的扭转刚度，以便在碰撞和冲击作用时有较大的缓冲性能，提供给操作人员足够的安全性能。
市场上销售的工业机器人关节为了得到较高的精度往往没有弹性单元或者弹性单元扭转刚度很高，这使得机器人关节在运动中往往会存在冲击。无法保证协作的操作人员的安全性，使得机械臂往往需要与操作者隔离开来，无法实现人机协作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中机器人关节柔性不足，导致运动中产生碰撞和冲击时缓冲性能差，无法提供操作人员足够的安全性，导致无法实现人机协作的缺陷，提供一种大柔性串联式弹性单元及包括其的机器人。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种大柔性串联式弹性单元，其特点在于，所述大柔性串联式弹性单元用于与减速器末端输出齿轮和关节输出端连接，包括，
上连接件以及下连接件，所述上连接件与所述上连接件用于与减速器末端输出齿轮和关节输出端连接；
上盖板，所述上盖板与所述下连接件之间填充并注塑形成橡胶块，并使得所述上盖板与所述下连接件连接为一体，其中，所述上连接件与所述上盖板连接并锁定相对转动。
本发明的上连接件与上盖板限制为一同转动。在产生冲击的时候，上盖板与下连接件之间的橡胶块提供了柔性，可以使得上盖板与下连接件支架产生相对的旋转，从而使得上连接件和下连接件之间具有柔性缓冲空间。
本发明的大柔性串联式弹性单元，主要适用于机器人关节领域。能够缓冲机械臂关节的冲击载荷，同时可作为力矩传感器的扭转弹簧使用，从而能够提高关节的柔性，有利于人机协作。同时可以根据安装方式的不同在刚性和弹性间自由切换。扭矩-转角具有良好的线性度，改变安装方式可以使弹性元件失去弹性。从而既能够确保用于获得较高精度，也可以适用于人机协作。
较佳地，所述上盖板与所述上连接件之间通过沿着所述上盖板的外周设置的卡槽和卡块进行卡合，从而锁定所述上连接件与所述上盖板之间的相对转动。
较佳地，所述上盖板与所述上连接件之间为过盈配合。
较佳地，所述橡胶块形成于所述上盖板以及所述下连接件之间，且所述橡胶块的形状由所述上盖板以及所述下连接件约束而成。
较佳地，所述上连接件、所述下连接件、所述上盖板以及所述橡胶块均为环状，从而形成贯穿于所述大柔性串联式弹性单元的内部通道。环形结构的内环避让输出轴，使得输出轴可以穿过大柔性串联式弹性单元，用于与编码器相连接测试整个关节的位置，同时辅助测量弹性单元的扭转角。
较佳地，所述下连接件的内侧端面和所述上盖板的内侧端面均倾斜设置，其中，在从外环到内环的方向上，所述下连接件的内侧端面与所述上盖板的内侧端面之间的距离逐渐收窄。橡胶块的轮廓曲线与下连接件的内侧端面和上盖板的内侧端面的轮廓曲线一致，由此确保内环收窄的形状可以增加接触面积，同时确保与橡胶块的固定。
较佳地，所述下连接件的内侧环设有若干下凸柱，所述下凸柱上设置有下连接孔，所述上连接件的外侧环设置有若干上连接孔，所述上连接孔之间设置有上弧形孔，其中，所述下凸柱与所述上弧形孔位置相对应，并使得所述下连接孔露出于所述上弧形孔。关节输出端可以同时连接到上连接孔以及下连接孔，可以选择与下连接件连接或者不连接。当与上连接孔和下连接孔都连接的时候，这种连接方式使得大柔性串联式弹性单元内部的橡胶块被屏蔽，整个单元作用在关节内相当于一个刚性的连接件。在关节需要高精度的位置定位且不需要扭矩传感器时可以使用该连接方式，屏蔽关节的力矩模式，提高位置模式的精度。
较佳地，所述下连接件上设置有下弧形孔，所述下弧形孔位于所述下凸柱之间，所述上连接件上设置有上凸柱，所述上凸柱位于所述上弧形孔之间，其中，所述上凸柱与所述下弧形孔位置相对应，并使得所述上连接孔露出于所述下弧形孔。
较佳地，所述下连接件的外侧设置有方形凸起，所述方形凸起与减速器末端输出齿轮上的凹槽配合并连接。
较佳地，所述上连接件、所述下连接件以及所述上盖板均为金属材料。
一种机器人，其包括减速器末端输出齿轮和关节输出端，其特点在于，所述机器人还包括所述大柔性串联式弹性单元。
较佳地，所述关节输出端与所述上连接件连接；所述减速器末端输出齿轮与所述下连接件连接，其中，所述关节输出端在一柔性转态与所述下连接件不连接，并在一刚性状态与所述下连接件连接。
本发明的积极进步效果在于：本发明的大柔性的弹性单元，主要适用于机器人关节领域。能够缓冲机械臂关节的冲击载荷，同时可作为力矩传感器的扭转弹簧使用，从而能够提高关节的柔性，有利于人机协作。同时可以根据安装方式的不同在刚性和弹性间自由切换。扭矩-转角具有良好的线性度，改变安装方式可以使弹性元件失去弹性。从而既能够确保用于获得较高精度，也可以适用于人机协作。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的大柔性串联式弹性单元的分解结构示意图。
图2为本发明较佳实施例的大柔性串联式弹性单元的剖切结构示意图。
图3为本发明较佳实施例的橡胶块的截面示意图。
图4为本发明较佳实施例的大柔性串联式弹性单元的连接示意图。
图5为本发明较佳实施例的大柔性串联式弹性单元的柔性连接示意图。
图6为本发明较佳实施例的大柔性串联式弹性单元的刚性连接示意图。
图7为本发明较佳实施例的大柔性串联式弹性单元的的转矩-转角曲线。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1-图6所示，本实施例公开了一种大柔性串联式弹性单元，其中，本实施例的大柔性串联式弹性单元用于与减速器末端输出齿轮6和关节输出端5连接，包括上连接件1、下连接件2、上盖板3以及橡胶块4。
如图1和图2所示，本实施例的大柔性串联式弹性单元包括上连接件1以及下连接件2。如图4所示，本实施例的上连接件1与上连接件1用于与减速器末端输出齿轮6和关节输出端5连接。
如图1和图2所示，本实施例的大柔性串联式弹性单元包括上盖板3，上盖板3与下连接件2之间填充并注塑形成橡胶块4，并使得上盖板3与下连接件2连接为一体，其中，上连接件1与上盖板3连接并锁定相对转动。
本发明的上连接件1与上盖板3限制为一同转动。在产生冲击的时候，上盖板3与下连接件2之间的橡胶块4提供了柔性，可以使得上盖板3与下连接件2支架产生相对的旋转，从而使得上连接件1和下连接件2之间具有柔性缓冲空间。
本发明的大柔性串联式弹性单元，主要适用于机器人关节领域。能够缓冲机械臂关节的冲击载荷，同时可作为力矩传感器的扭转弹簧使用，从而能够提高关节的柔性，有利于人机协作。同时可以根据安装方式的不同在刚性和弹性间自由切换。如图7所示，本实施例的大柔性串联式弹性单元扭矩-转角具有良好的线性度，改变安装方式可以使弹性元件失去弹性。从而既能够确保用于获得较高精度，也可以适用于人机协作。
如图1所示，本实施例的大柔性串联式弹性单元包括上盖板3与上连接件1之间通过沿着上盖板3的外周设置的卡槽31和卡块14进行卡合，从而锁定上连接件1与上盖板3之间的相对转动。如图1和图2所示，本实施例的上盖板3与上连接件1之间为过盈配合。确保上盖板3与上连接件1在轴向方向上不会轻易脱离。
如图2和图3所示，本实施例的橡胶块4形成于上盖板3以及下连接件2之间，且橡胶块4的形状由上盖板3以及下连接件2约束而成。因此橡胶块4的截面形状即有上盖板3以及下连接件2的约束形状。填充的橡胶块4的横截面边线可以是以半径为自变量，高度的一半为因变量的二次函数。对应的下连接件2与上盖板3的边线也可以是关于直径和高度的二次函数。注塑时以下连接件2为模具，注塑后做硫化处理。
如图2和图3所示，本实施例的上连接件1、下连接件2、上盖板3以及橡胶块4均为环状，分别包括内环孔10、内环孔20、内环孔30以及内环孔40。从而形成贯穿于大柔性串联式弹性单元的内部通道。如图4所示，本实施例的环形结构的内环避让输出轴62，使得输出轴62可以穿过大柔性串联式弹性单元，用于与编码器相连接测试整个关节的位置，同时辅助测量弹性单元的扭转角。
如图2和图3所示，本实施例的下连接件2的内侧端面25和上盖板3的内侧端面均倾斜设置，其中，在从外环到内环的方向上，下连接件2的内侧端面25与上盖板3的内侧端面之间的距离逐渐收窄。橡胶块4的轮廓曲线与下连接件2的内侧端面25和上盖板3的内侧端面的轮廓曲线一致，由此确保内环收窄的形状可以增加接触面积，同时确保与橡胶块4的固定。
如图1所示，本实施例的下连接件2的内侧环设有若干下凸柱21，下凸柱21上设置有下连接孔22，上连接件1的外侧环设置有若干上连接孔12，上连接孔12之间设置有上弧形孔13，其中，下凸柱21与上弧形孔13位置相对应，并使得下连接孔22露出于上弧形孔13。关节输出端5可以同时连接到上连接孔12以及下连接孔22，可以选择与下连接件2连接或者不连接。当与上连接孔12和下连接孔22都连接的时候，这种连接方式使得大柔性串联式弹性单元内部的橡胶块4被屏蔽，整个单元作用在关节内相当于一个刚性的连接件。在关节需要高精度的位置定位且不需要扭矩传感器时可以使用该连接方式，屏蔽关节的力矩模式，提高位置模式的精度。
如图1所示，本实施例的下连接件2上设置有下弧形孔23，下弧形孔23位于下凸柱21之间，上连接件1上设置有上凸柱11，上凸柱11位于上弧形孔13之间，其中，上凸柱11与下弧形孔23位置相对应，并使得上连接孔12露出于下弧形孔23。上连接件1与下连接件2的螺纹线错位角可以设置为22.5°。
如图1所示，本实施例的下连接件2的外侧设置有方形凸起24，方形凸起24与减速器末端输出齿轮6上的凹槽61配合并连接。下连接件2的外围被容纳于减速器末端输出齿轮63的外围。
本实施例中，上连接件1、下连接件2以及上盖板3均为金属材料。
本实施例还包括一种机器人，其包括减速器末端输出齿轮6和关节输出端5，机器人还包括大柔性串联式弹性单元。
如图4和图5所示，本实施例关节输出端5与上连接件1通过螺钉7连接，其中，上连接孔12与对应位置的输出端过孔51通过螺钉7连接。减速器末端输出齿轮6与下连接件2连接，其中，如图5所示，关节输出端5在一柔性转态与下连接件2不连接，也就是对应于下连接孔22的输出端过孔51空出，不进行连接。在一刚性状态，下连接孔22与对应位置的输出端过孔51通过螺钉7连接。
综上所述：本发明的大柔性的弹性单元，主要适用于机器人关节领域。能够缓冲机械臂关节的冲击载荷，同时可作为力矩传感器的扭转弹簧使用，从而能够提高关节的柔性，有利于人机协作。同时可以根据安装方式的不同在刚性和弹性间自由切换。扭矩-转角具有良好的线性度，改变安装方式可以使弹性元件失去弹性。从而既能够确保用于获得较高精度，也可以适用于人机协作。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述大柔性串联式弹性单元用于与减速器末端输出齿轮和关节输出端连接，包括，
上连接件以及下连接件，所述上连接件与所述上连接件用于与减速器末端输出齿轮和关节输出端连接；
上盖板，所述上盖板与所述下连接件之间填充并注塑形成橡胶块，并使得所述上盖板与所述下连接件连接为一体，其中，所述上连接件与所述上盖板连接并锁定相对转动，所述下连接件的内侧环设有若干下凸柱，所述下凸柱上设置有下连接孔，所述上连接件的外侧环设置有若干上连接孔，所述上连接孔之间设置有上弧形孔，其中，所述下凸柱与所述上弧形孔位置相对应，并使得所述下连接孔露出于所述上弧形孔。
2.如权利要求1所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述上盖板与所述上连接件之间通过沿着所述上盖板的外周设置的卡槽和卡块进行卡合，从而锁定所述上连接件与所述上盖板之间的相对转动。
3.如权利要求2所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述上盖板与所述上连接件之间为过盈配合。
4.如权利要求1所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述橡胶块形成于所述上盖板以及所述下连接件之间，且所述橡胶块的形状由所述上盖板以及所述下连接件约束而成。
5.如权利要求1所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述上连接件、所述下连接件、所述上盖板以及所述橡胶块均为环状，从而形成贯穿于所述大柔性串联式弹性单元的内部通道。
6.如权利要求1所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述下连接件的内侧端面和所述上盖板的内侧端面均倾斜设置，其中，在从外环到内环的方向上，所述下连接件的内侧端面与所述上盖板的内侧端面之间的距离逐渐收窄。
7.如权利要求1所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述下连接件上设置有下弧形孔，所述下弧形孔位于所述下凸柱之间，所述上连接件上设置有上凸柱，所述上凸柱位于所述上弧形孔之间，其中，所述上凸柱与所述下弧形孔位置相对应，并使得所述上连接孔露出于所述下弧形孔。
8.如权利要求1所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述下连接件的外侧设置有方形凸起，所述方形凸起与减速器末端输出齿轮上的凹槽配合并连接。
9.如权利要求1-8任意一项所述的大柔性串联式弹性单元，其特征在于，所述上连接件、所述下连接件以及所述上盖板均为金属材料。
10.一种机器人，其包括减速器末端输出齿轮和关节输出端，其特征在于，所述机器人还包括如权利要求1-9任意一项所述的大柔性串联式弹性单元。
11.如权利要求10所述的机器人，其特征在于，所述关节输出端与所述上连接件连接；所述减速器末端输出齿轮与所述下连接件连接，其中，所述关节输出端在一柔性转态与所述下连接件不连接，并在一刚性状态与所述下连接件连接。
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