CN113442124A - 一种串联弹性机器人关节及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于机器人技术领域的一种串联弹性机器人关节及其使用方法。串联弹性机器人关节包括动力输入模块和弹簧检测模块；II号轴承的外圈安装在编码器支架上，内圈支撑输入轴；第一编码器的定子和转子分别固定在编码器支架和输入轴上；旋转板和弹簧的外圈固定在输出轴上，耐磨环和弹簧的内圈固定在输入轴上；旋转板和输出轴之间通过销子配合；盖板固定在输出轴上；第二编码器的转子固定在旋转板上，定子固定在编码器支架上；输出轴固定在I号轴承的内圈上，外圈固定在输出法兰上，输出法兰固定在外框上。本发明不仅解决了关节紧凑和轻量化要求下弹簧形变检测的难题，而且实现了柔性精确力控的效果。

Description

一种串联弹性机器人关节及其使用方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种串联弹性机器人关节及其使用方法。
背景技术
机器人关节是机器人的重要组成部分，其性能的好坏直接影响机器人的性能。传统的机器人关节采用电机加减速器的结构设计方案，由于减速机的存在，一般只能实现位置、速度控制，或者通过控制算法实现精度非常低的力控。随着近年来机器人控制技术的发展，机器人关节精确力控正成为主流的控制技术。另外随着伺服驱动器、控制和传感器技术等机电技术的不断发展，机器人关节也呈现出模块化、小型化、一体化等特点，从而更好地实现机器人高精度、小体积、轻量化的要求。
对于机器人关节的输出参数，除传统的位置、速度等参数外，还对输出的力矩有更高的精度要求。传统机器人关节在设计过程中往往采用成品电机、减速器、编码器和驱动器等成熟器件来设计，电机的输出力矩一般与电流之间呈非线性的关系，而减速器又存在效率、回差、摩擦等一系列的问题，也会造成力矩经过减速器放大后输出力矩非线性的问题，所以精确力控就成为燃眉之急。另外机器人在行走的过程中往往伴随着冲击问题，实现力控的同时也需要机器人有一定的柔性，能吸收一定的冲击，所以可以加入弹簧使关节具有柔性，通过双编码器检测弹簧的变形就可以得到弹簧的扭矩。基于机器人关节模块化、小型化、轻量化的设计要求，怎么将弹簧和双编码检测系统设计得紧凑是本发明重点解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种串联弹性机器人关节及其使用方法。
一种串联弹性机器人关节，其特征在于，所述关节包括动力输入模块和弹簧检测模块；所述弹簧检测模块包括编码器支架、第一编码器、第二编码器、旋转板、耐磨环、弹簧、输出轴、I号轴承、盖板、销子、外框、II号轴承、输入轴和输出法兰；其中，II号轴承的外圈安装在编码器支架上，II号轴承的内圈支撑在输入轴上；第一编码器的第一编码器定子和第一编码器转子分别固定在编码器支架和输入轴上；旋转板和弹簧的外圈固定在输出轴上，耐磨环和弹簧的内圈固定在输入轴上；旋转板和输出轴之间通过销子配合并传递扭矩；盖板固定在输出轴上；旋转板的内圈与耐磨环之间设有间隙以相对转动并确保弹簧的内圈和外圈之间自由形变；第二编码器的第二编码器转子固定在旋转板上，第二编码器的第二编码器定子通过螺栓固定在编码器支架上；输出轴固定在I号轴承的内圈上，I号轴承的外圈固定在输出法兰上，输出法兰固定在外框上；
所述弹簧检测模块的第一编码器和第二编码器的信号接入到动力输入模块内部的驱动器里进行系统控制。
所述动力输入模块是电机或集成减速器的动力模块。
一种串联弹性机器人关节的使用方法，其特征在于，包括：选择码盘的精度和弹簧的刚度；将外框固定，往输出轴上加负载，弹簧的内圈与动力输入模块相对固定，弹簧的外圈与输出轴相对固定；动力输入模块将动力输入到输入轴上，由于I号轴承和II号轴承的支撑作用，弹簧的内圈和外圈绕着同一个轴系发生转动，弹簧在负载的作用下发生纯扭转变形；第一编码器检测到弹簧的内圈转过第一角度，第二编码器检测到弹簧的外圈转过第二角度，第一角度与第二角度的差值即为弹簧的实际变形量，实际变形量再与弹簧实际标定的刚度值相乘后得到输出轴实际输出的力矩，再将此力矩反馈到动力输入模块中进行伺服控制。
本发明的有益效果在于：
1、本发明装置高度集成了动力输入模块和弹簧检测模块，实现了机器人关节精确的位置、速度、力矩等参数的控制。在弹簧的检测模块中创造性地使用了双码盘的布局，不仅解决了机器人关节紧凑和轻量化要求下弹簧形变检测的难题，而且实现了机器人关节的柔性精确力控的效果，给未来机器人柔性力控带来前所未有的变革；
2、本发明可以根据机器人不同的需求场景形成系列化的设计；在机器人原型设计时可以快速实现原型机的搭建与迭代以及机器人的产品化。
附图说明
图1为本发明串联弹性机器人关节剖视图；
图中：1-动力输入模块、2-编码器支架、3-第一编码器转子、4-第一编码器定子、5-旋转板、6-耐磨环、7-弹簧、8-输出轴、9-I号轴承、10-盖板、11-销子、12-外框、13-第二编码器转子、14-第二编码器定子、15-II号轴承、16-输入轴和17-输出法兰；
图2为弹簧支撑模块立体装配图；
图3为本发明中的弹簧平面图；
图4为协作机械臂关节应用场景图；
图5为SCARA机械臂应用场景图；
图6为一体化集成关节在足式机器人上的应用场景图。
具体实施方式
本发明提出一种串联弹性机器人关节及其使用方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明采用分段式模块化结构设计方案，可按照功能分成两大部分：动力输入模块、弹簧检测模块等。动力输入模块1可以是电机或者是集成减速器的动力模块，作为整个关节的动力输入系统，内部包含驱动器，可以将弹簧检测模块的两个编码器信号接入到里面进行系统控制。该模块可以设计成标准的接口形式接入即可。
图1为本发明串联弹性机器人关节剖视图，图2为弹簧支撑模块立体装配图。动力输入模块1将动力输入到输入轴16上，输入轴16由II号轴承15的内圈支撑，II号轴承15的外圈安装在编码器支架2上，第一编码器定子4和第一编码器转子3分别固定在编码器支架2和输入轴16上。弹簧7的内圈和耐磨环6用螺钉安装在输入轴16上，弹簧7外圈与旋转板5和输出轴8安装在一起，并用销子11紧配合传递扭矩。旋转板5的内圈与耐磨环6之间设有微小间隙可相对转动，已确保弹簧7的内外圈之间能产生自由形变。第二编码器定子14和第二编码器转子13与编码器支架2和旋转板5用螺钉相对固定。输出轴8固定在I号轴承9的内圈上上，I号轴承9的外圈固定在输出法兰17上。输出法兰17固定在外框12上。盖板10固定在输出轴8上，与之一起转动。弹簧如图3所示。
当整个关节在使用的过程中，一般可以将外框12固定，往输出轴8上加负载。这时候弹簧7的内圈与动力输入模块1相对固定，弹簧7的外圈与输出轴8相对固定，由于I号轴承9和II号轴承15的支持作用，使得弹簧7的内外圈绕着同一个轴系发生转动，这时候弹簧7在负载的作用下发生纯扭转变形。第一编码器检测了弹簧内圈转过的角度θ1，第二编码器检测了弹簧外圈转过的角度θ2，θ1与θ2的差值即为弹簧的实际变形量，再乘以弹簧的实际标定的刚度值就能得到输出轴8实际输出的力矩，然后再反馈给动力输入模块进行伺服控制，即可精确控制末端的输出力矩。图4～6分别为串联弹性机器人关节在协作机械臂、SCARA机械臂和足式机器人上应用的场景图；
在本控制系统中，可根据不同的精度要求选择码盘的精度和弹簧的设计刚度。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种串联弹性机器人关节，其特征在于，所述关节包括动力输入模块(1)和弹簧检测模块；所述弹簧检测模块包括编码器支架(2)、第一编码器、第二编码器、旋转板(5)、耐磨环(6)、弹簧(7)、输出轴(8)、I号轴承(9)、盖板(10)、销子(11)、外框(12)、II号轴承(15)、输入轴(16)和输出法兰(17)；其中，II号轴承(15)的外圈安装在编码器支架(2)上，II号轴承(15)的内圈支撑在输入轴(16)上；第一编码器的第一编码器定子(4)和第一编码器转子(3)分别固定在编码器支架(2)和输入轴(16)上；旋转板(5)和弹簧(7)的外圈固定在输出轴(8)上，耐磨环(6)和弹簧(7)的内圈固定在输入轴(16)上；旋转板(5)和输出轴(8)之间通过销子(11)配合并传递扭矩；盖板(10)固定在输出轴(8)上；旋转板(5)的内圈与耐磨环(6)之间设有间隙以相对转动并确保弹簧(7)的内圈和外圈之间自由形变；第二编码器的第二编码器转子(13)固定在旋转板(5)上，第二编码器的第二编码器定子(14)通过螺栓固定在编码器支架(2)上；输出轴(8)固定在I号轴承(9)的内圈上，I号轴承(9)的外圈固定在输出法兰(17)上，输出法兰(17)固定在外框(12)上；
所述弹簧检测模块的第一编码器和第二编码器的信号接入到动力输入模块(1)内部的驱动器里进行系统控制。
2.根据权利要求1所述的串联弹性机器人关节，其特征在于，所述动力输入模块(1)是电机或集成减速器的动力模块。
3.一种权利要求1所述串联弹性机器人关节的使用方法，其特征在于，包括：选择码盘的精度和弹簧(7)的刚度；将外框(12)固定，往输出轴(8)上加负载，弹簧(7)的内圈与动力输入模块(1)相对固定，弹簧(7)的外圈与输出轴(8)相对固定；动力输入模块(1)将动力输入到输入轴(16)上，由于I号轴承(9)和II号轴承(15)的支撑作用，弹簧(7)的内圈和外圈绕着同一个轴系发生转动，弹簧(7)在负载的作用下发生纯扭转变形；第一编码器检测到弹簧(7)的内圈转过第一角度，第二编码器检测到弹簧(7)的外圈转过第二角度，第一角度与第二角度的差值即为弹簧(7)的实际变形量，实际变形量再与弹簧(7)实际标定的刚度值相乘后得到输出轴(8)实际输出的力矩，再将此力矩反馈到动力输入模块(1)中进行伺服控制。
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