CN114012776A - 具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，与传统关节模组相比具有自锁解锁迅速、瞬时扭矩输出、柔顺性可控等优点。通过在行星齿轮系统中加入两组结构紧凑的磁流变轴承组件，利用磁流变液在磁场下毫秒级相变的特点，既可实现关节模组的快速自锁与解锁，满足稳定力矩保持及柔顺操作需求，又能通过能量存储及快速释放，满足瞬时力矩输出的任务需求。具体包含两组磁流变轴承组件，分别安装到行星齿轮内部和齿圈外侧，通过电磁线圈可独立控制每个磁流变轴承组件的状态，以实现快速自锁与解锁、能量的存储和快速释放等功能。本发明具有结构紧凑、高负重比等优点，可用于工业、救援、搬运等多种机器人领域关节模组的替换。

Description

具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种可用于工业、救援、搬运等多种机器人的具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组。

背景技术

作为机械臂动力和传动系统的核心部件，高负重比一体化柔性关节模组，对于救援机器人的精准和灵巧操作具有决定性的作用。由关节模组构建而成的机械臂，不仅要求实现破墙时瞬时扭矩输出、搬运时稳定的负重保持能力，而且需要完成诸如人体生命特征感知等柔顺性动作。

现有机器人关节，将电机、减速器、编码器、驱动器等组件集成到一个尺寸紧凑的空间里，但是目前所采用减速器均属于刚性减速器，恒定减速比导致无法同时实现高转速和大扭矩输出，也难以直接实现柔性驱动，限制了机器人的整体性能。虽然近年来直驱技术在机器人领域兴起，通过功率驱动技术实现了高转速和较大扭矩的共存，一定程度上提升了机器人关节的灵敏度、柔顺性以及工作带宽，但依然很难满足灾害救援机器人瞬时扭矩输出、稳定高负重运动以及柔顺操作的需求。

当前主流机器人关节模组多为刚性连接，柔顺性控制难以实现，同时恒定减速比不能实现高转速与大扭矩的共存输出。灾后救援中可能存在需要瞬时冲击来破门破墙、伤员长时间搬运等任务场景，而当前关节模组不能满足瞬时扭矩输出、自锁扭矩保持等需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：为了解决这一问题，本发明提供一种具有快速自锁与解锁、能量存储与快速释放的具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，将磁流变轴承组件与行星减速器进行综合一体化优化设计，以实现机器人关节的柔性控制、变速控制、高功重比和自锁、能量的存储及快速释放等多样化功能。磁流变轴承组件所使用的磁流变液是一种阻尼、剪切模量随外界磁场连续可控的智能液体材料，具有毫秒级快速响应、高功率密度等优点，这种材料可以实现高功重比，对关节柔顺控制、快速自锁与解锁、以及突破磁流变关节模组的性能瓶颈可以提供优异的解决方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种具有高负重比与灵活功率输出(具体指关节模组利用磁流变液粘度的变化实现关节模组扭矩及功率的可控输出。磁流变液材料在电磁场下具有阻尼、剪切模量随外界磁场连续变化的特性，可通过外界电磁线圈的实现扭矩和功率的连续性控制。)的多功能一体化关节模组，包括电机轴承、电机外壳、电机转子、电机定子、减速器输入轴、减速器左轴承、减速器左端盖、齿圈磁流变轴承组件、行星齿轮磁流变轴承组件、减速器右端盖、减速器右轴承、关节输出轴、太阳轮、行星齿轮、齿圈。

所述电机转子与减速器输入轴通过平键连接传递扭矩，减速器输入轴与太阳轮也是平键连接，关节输出轴、太阳轮、行星齿轮与齿圈构成了行星齿轮传动系统，两组磁流变轴承组件的协同控制实现传动比和扭矩可控输出。

进一步的，所述行星齿轮与行星齿轮磁流变轴承组件过盈配合，所述行星齿轮磁流变轴承组件由芯轴、轴承端盖、磁流变液、密封球轴承、线圈组成。所述轴承端盖和线圈分别安装在芯轴的两段轴肩处，以此进行轴向定位。

进一步的，所述磁流变轴承组件通过将磁流变液注入到密封球轴承中制成，通过电磁线圈可以控制磁流变轴承组件的开启和锁死状态。线圈不通电时，磁流变轴承组件可以自由转动，当给线圈通电时，磁流变液在电磁场下迅速转变为半固态，使磁流变轴承组件处于锁死状态。

进一步的，所述关节模组扭矩及功率输出连续可控。磁流变液材料在电磁场下具有阻尼、剪切模量随外界磁场连续变化的特性，可通过外界电磁线圈的实现扭矩和功率的连续性控制。

进一步的，所述关节模组具有快速自锁与解锁功能。当齿圈磁流变轴承组件和行星齿轮磁流变轴承组件的两组线圈同时得电时，两组磁流变轴承组件均处于锁死状态时，关节模组传动系统从而实现自锁，实现力矩保持功能；当两组线圈断电时，两组磁流变轴承组件恢复可转动状态，关节模组实现解锁。

进一步的，所述关节模组具有能量存储和快速释放的功能。当两组磁流变轴承组件处于解锁状态时，行星齿轮传动系统随电机转动，电机转子和行星齿轮传动系统的动能也随之增加，当电机转子和行星齿轮传动系统存储足够的动能时，此时给齿圈磁流变轴承组件的线圈通电，使齿圈磁流变轴承组件锁死，齿圈也会停止转动，电机转子和行星齿轮传动系统所存储的惯性势能将通过关节输出轴快速输出，达到瞬时扭矩输出的目的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明针对现有当前主流机器人关节模组多为刚性连接、柔顺性控制难以实现、不能满足瞬时扭矩输出、自锁扭矩保持等不足。提出一种具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，与传统关节模组相比具有自锁解锁迅速、瞬时扭矩输出、柔顺性可控等特点，可通过快速自锁与解锁，实现力矩保持等需求，又能进行能量存储及快速释放，满足破壁、开变形门等需要瞬时力矩的任务需求，可用于工业、救援、搬运等多种机器人领域关节模组的有效替换。

(2)本发明通过在行星齿轮系统中加入两组结构紧凑的磁流变轴承组件，利用磁流变液磁场下毫秒级相变的特点，既可实现关节模组的快速自锁与解锁，满足稳定力矩保持及柔顺操作需求，又能通过能量存储及快速释放，满足瞬时力矩输出的任务需求。具体包含两组磁流变轴承组件，分别安装到行星齿轮内部和齿圈外侧，通过电磁线圈可独立控制每个磁流变轴承组件的状态，以实现不同传动比切换、快速自锁与解锁、能量的存储和快速释放等功能。本发明结构紧凑，可用于工业、救援、搬运等多种机器人领域关节模组的替换。

附图说明

图1为本发明实施例结构的三维剖面图；

图2为本发明实施例结构的二维原理图；

图3为本发明实施例行星齿轮磁流变轴承组件的二维剖面图。

其中主要附图标记含义：1为电机轴承、2为电机外壳、3为电机转子、4为电机定子、5为减速器输入轴、6为减速器左轴承、7为减速器左端盖、8为齿圈磁流变轴承组件、9为行星齿轮磁流变轴承组件、10为减速器右端盖、11为减速器右轴承、12为关节输出轴、13为太阳轮、14为行星齿轮、15为齿圈、16为芯轴、17为轴承端盖、18为磁流变液、19为密封球轴承、20为线圈。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例做详细说明。

如图1所示，本发明具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，包括电机轴承1、电机外壳2、电机转子3、电机定子4、减速器输入轴5、减速器左轴承6、减速器左端盖7、齿圈磁流变轴承组件8、行星齿轮磁流变轴承组件9、减速器右端盖10、减速器右轴承11、关节输出轴12、太阳轮13、行星齿轮14和齿圈15；所述电机转子3与减速器输入轴5通过平键连接传递扭矩，减速器输入轴5与太阳轮13也是平键连接，关节输出轴12、太阳轮13、行星齿轮14与齿圈15构成了行星齿轮传动系统，两组磁流变轴承组件的协同控制实现传动比和扭矩可控输出。

电机结构位于整个关节模组的左端，电机外壳2与机械连接臂或者弯头进行连接安装，行星齿轮传动系统位于关节模组的右端，通过关节输出轴12进行输出。

关节模组的快速自锁与解锁，通过控制锁死齿圈磁流变轴承组件8、行星齿轮磁流变轴承组件9实现整个关节模组的自锁；解锁行星齿轮磁流变轴承组件9实现解锁，成为正常的行星减速器传递力矩；需要瞬时力矩输出的时候，先使齿圈磁流变轴承组件8、行星齿轮磁流变轴承组件9均处于解锁状态，电机正常旋转，动能储存于行星齿轮传动系统和电机转子中，之后锁死齿圈磁流变轴承组件8，实现瞬时力矩从关节输出轴12输出。

其中，所述行星齿轮14与行星齿轮磁流变轴承组件9过盈配合，所述行星齿轮磁流变轴承组件9由芯轴16、轴承端盖17、磁流变液18、密封球轴承19、线圈20组成。所述轴承端盖17和线圈20分别安装在芯轴16的两段轴肩处，以此进行轴向定位。

其中，齿圈磁流变轴承组件8、行星齿轮磁流变轴承组件9都具有开启和锁死两种状态，均可以通过控制各自电磁线圈的电流实现。具体实现方式，如图3所示，以行星齿轮磁流变轴承组件9为例说明，虚线方框和剪头表示线圈20得电时的磁场回路。行星齿轮磁流变轴承组件9是将磁流变液18注入到密封球轴承19中制成，当线圈20不通电时，行星齿轮磁流变轴承组件9可以自由转动，当给线圈20通电时，磁流变液在电磁场下迅速转变为半固态，使行星齿轮磁流变轴承组件9处于锁死状态。齿圈磁流变轴承组件8同理，当内部线圈通电、断电时可分别实现齿圈磁流变轴承组件8的锁死和开启。

其中，关节模组具有快速自锁与解锁功能，具体实现方式参加图2所示工作原理图。当齿圈磁流变轴承组件8和行星齿轮磁流变轴承组件9的两组线圈同时得电时，两组磁流变轴承组件均处于锁死状态时，关节模组传动系统从而实现自锁，实现力矩保持功能；当两组磁流变轴承组件的线圈断电时，两组磁流变轴承组件恢复可转动状态，关节模组可实现解锁。此外，所述关节模组扭矩及功率输出连续可控，利用磁流变液材料在电磁场下具有阻尼、剪切模量随外界磁场连续变化的特性，可通过线圈实现扭矩和功率的连续性控制。

关节模组还具有能量存储和快速释放的功能。当齿圈磁流变轴承组件8和行星齿轮磁流变轴承组件9均处于开启状态时，行星齿轮传动系统可随电机正常转动，电机转子和行星齿轮传动系统的动能和惯量也随之增加，当电机转子和行星齿轮传动系统存储足够的惯量时，此时给齿圈磁流变轴承组件8的线圈通电，使齿圈磁流变轴承组件8锁死，齿圈15也会停止转动，电机转子和行星齿轮传动系统所存储的惯性势能将通过关节输出轴12快速输出，达到瞬时扭矩输出的目的。

以上所述，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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，其特征在于，包括电机轴承(1)、电机外壳(2)、电机转子(3)、电机定子(4)、减速器输入轴(5)、减速器左轴承(6)、减速器左端盖(7)、齿圈磁流变轴承组件(8)、行星齿轮磁流变轴承组件(9)、减速器右端盖(10)、减速器右轴承(11)、关节输出轴(12)、太阳轮(13)、行星齿轮(14)和齿圈(15)；

所述电机转子(3)与减速器输入轴(5)通过平键连接传递扭矩，减速器输入轴(5)与太阳轮(13)也是平键连接；关节输出轴(12)、太阳轮(13)、行星齿轮(14)与齿圈(15)构成行星齿轮传动系统；在行星齿轮(14)中过盈配合装有行星齿轮磁流变轴承组件(9)；

在齿圈磁流变轴承组件(8)和行星齿轮磁流变轴承组件(9)的协同控制实现传动比和扭矩可控输出；

电机结构位于整个关节模组的一端，电机外壳(2)与机械连接臂或者弯头进行连接安装，行星齿轮传动系统位于关节模组的另一端，通过关节输出轴(12)进行输出；

关节模组的快速自锁与解锁，通过控制锁死齿圈磁流变轴承组件(8)和行星齿轮磁流变轴承组件(9)实现整个关节模组的自锁；解锁行星齿轮磁流变轴承组件(9)实现解锁，成为正常的行星减速器传递力矩；需要瞬时力矩输出的时候，先使齿圈磁流变轴承组件(8)和行星齿轮磁流变轴承组件(9)均处于解锁状态，电机正常旋转，动能储存于行星齿轮传动系统和电机转子(3)中，之后锁死齿圈磁流变轴承组件(8)，实现瞬时力矩从关节输出轴(12)输出。

2.根据权利要求1所述的具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，其特征在于：所述行星齿轮磁流变轴承组件(9)由芯轴(16)、轴承端盖(17)、磁流变液(18)、密封球轴承(19)和线圈(20)组成；所述轴承端盖(17)和线圈(20)分别安装在芯轴(16)的两段轴肩处，以此进行轴向定位；磁流变液(18)采用注射方式加入到密封球轴承(19)中。

3.根据权利要求2所述的具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，其特征在于：所述磁流变液(18)采用注射方式加入到密封球轴承(19)中，线圈(20)不通电时，行星齿轮磁流变轴承组件(9)自由转动，当给线圈(20)通电时，磁流变液(18)在电磁场下迅速转变为半固态，使行星齿轮磁流变轴承组件(9)处于锁死状态，因此通过线圈(20)控制行星齿轮磁流变轴承组件(9)的开启和锁死。

4.根据权利要求1所述的具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，其特征在于：所述关节模组具有快速自锁与解锁功能，当齿圈磁流变轴承组件(8)和行星齿轮磁流变轴承组件(9)的两组线圈得电时，齿圈磁流变轴承组件(8)和行星齿轮磁流变轴承组件(9)均处于锁死状态时，关节模组实现自锁从而具有力矩保持功能；当两组线圈断电时，齿圈磁流变轴承组件(8)和行星齿轮磁流变轴承组件(9)均恢复转动状态，所述关节模组实现解锁。

5.根据权利要求1所述的具有高负重比与灵活功率输出的多功能一体化关节模组，其特征在于：所述关节模组具有能量存储和快速释放的功能，关节模组处于解锁状态时，行星齿轮传动系统随电机转动，电机转子和行星齿轮传动系统的动能和惯量也随之增加，当电机转子和行星齿轮传动系统存储足够的惯量时，此时给齿圈磁流变轴承组件(8)的线圈通电，使齿圈磁流变轴承组件(8)锁死，齿圈也会停止转动，电机转子和行星齿轮传动系统所存储的惯性势能将通过关节输出轴(12)快速输出，达到瞬时力矩输出的目的。

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