CN114526291A - 模块化串联弹性驱动器 - Google Patents

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CN114526291A CN202210210776.0A CN202210210776A CN114526291A CN 114526291 A CN114526291 A CN 114526291A CN 202210210776 A CN202210210776 A CN 202210210776A CN 114526291 A CN114526291 A CN 114526291A
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driving force
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张庆超
祝汉歧
李鹏
刘志超
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Beijing Siling Robot Technology Co ltd
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Abstract

本公开提供一种模块化串联弹性驱动器，其包括：驱动装置，所述驱动装置用于产生驱动力；谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述驱动装置，以便接收所述驱动装置的驱动力；输出轴，所述输出轴用于向外输出驱动力；以及弹性部件，所述弹性部件串联于所述谐波减速器和输出轴之间，所述谐波减速器的驱动力通过所述弹性部件被传递至所述输出轴，并通过输出轴向外输出驱动力；其中，所述谐波减速器的驱动力能够使得弹性部件产生弹性形变。

Description

模块化串联弹性驱动器
技术领域
本公开涉及一种模块化串联弹性驱动器。
背景技术
近年来，机器人技术取得长足发展，尤其是仿人机器人、服务机器人、康复机器人、协作机器人等具有柔性关节的机器人的研究发展迅速。
机器人关节(驱动器)可以分为刚性关节(驱动器)和柔性关节。刚性关节的传动部分全部由刚性零件连接而成，可以实现机器人关节位置的快速精确运动；但由于缺少弹性元件，在碰撞等冲击载荷下容易造成操作对象或机器人本身零部件损坏。具有力感知功能的刚性机器人关节往往需要价格昂贵的力传感器。机器人柔性关节具有柔顺和仿生驱动的特性，是实现机器人智能交互的有效方案，受到越来越多研究人员的青睐。串联弹性驱动器是机器人柔性关节中的一种，目前已有大量将串联弹性驱动器用于机器人柔性关节的研究。
串联弹性驱动器需要将弹性体集成到机器人关节中，提高了机器人关节的复杂度，难以与机器人连杆进行高效的空间结构配置。专利CN108721009A公布了一种由直筒电机、减速器、平面扭簧和锥齿轮传动构成的串联弹性驱动器，可用于下肢外骨骼机器人的开发。该串联弹性驱动器为了实现电机、减速器和平面扭簧和关节自由度的合理空间配置，必须采用锥齿轮改变运动传递方向，增加了设计和制造的复杂度。专利CN109620652A公布了一种电机和减速器平行布置的串联弹性驱动器，电机和减速器之间通过齿轮传动，减速器通过弹性体连接后端连杆。该串联弹性驱动器同样空间结构复杂，模块化程度低。
发明内容
为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种模块化串联弹性驱动器。
根据本公开的一个方面，提供了一种模块化串联弹性驱动器，其包括：
驱动装置，所述驱动装置用于产生驱动力；
谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述驱动装置，以便接收所述驱动装置的驱动力；
输出轴，所述输出轴用于向外输出驱动力；以及
弹性部件，所述弹性部件串联于所述谐波减速器和输出轴之间，所述谐波减速器的驱动力通过所述弹性部件被传递至所述输出轴，并通过输出轴向外输出驱动力；其中，所述谐波减速器的驱动力能够使得弹性部件产生弹性形变。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述谐波减速器包括波发生器，所述波发生器与所述驱动装置连接，以接收所述驱动装置所产生的驱动力。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述谐波减速器包括柔轮和刚轮，所述柔轮和刚轮中的一者被固定，所述柔轮和刚轮中的另一者连接于所述弹性部件。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述弹性部件通过输出端外壳连接于所述输出轴。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述输出端外壳通过交叉滚子轴承可转动地支撑于轴承座，其中，所述轴承座与所述谐波减速器的刚轮固定。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述柔轮通过连接轴连接于所述弹性部件，其中，所述轴承座通过轴承可转动地支撑于所述连接轴。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，还包括动力端外壳，所述动力端外壳至少部分环绕所述驱动装置设置，其中，所述动力端外壳与所述轴承座相固定。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述谐波减速器的刚轮位于所述轴承座与所述动力端外壳之间。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述驱动装置包括转动轴，所述转动轴可转动地设置于所述动力端外壳。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，还包括：编码器安装部，所述编码器安装部设置于所述动力端外壳，并使得所述驱动装置的至少部分位于所述动力端外壳与所述编码器安装部所形成的区域内。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述转动轴通过轴承可转动地设置于所述编码器安装部。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述编码器安装部设置有高速侧读数头，所述高速侧读数头根据安装于所述转动轴的所述高速编码器的码盘的位置获得所述转动轴的位置。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，还包括盖部件，所述盖部件设置于所述编码器安装部，并使得所述驱动装置位于所述动力端外壳与所述盖部件所形成的区域内。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，还包括中空轴，所述中空轴连接于所述弹性部件，并且至少部分穿过所述谐波减速器以及驱动装置。
根据本公开的至少一个实施方式的模块化串联弹性驱动器，所述中空轴设置有低速编码器码盘，所述输出轴设置有低速编码器读数头，所述低速编码器读数头根据所述低速编码器码盘的位置，获得所述弹性部件的状态。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的一个实施方式的模块化串联弹性驱动器的结构示意图。
图2是根据本公开的一个实施方式的弹性部件的结构示意图。
图中附图标记具体为：
100 模块化串联弹性驱动器
110 驱动装置
111 定子
112 转子
113 转动轴
120 谐波减速器
121 柔轮
122 刚轮
123 波发生器
130 输出轴
140 弹性部件
150 动力端外壳
160 编码器安装部
170 高速侧读数头
180 高速编码器码盘
190 盖部件
200 交叉滚子轴承
210 轴承座
220 连接轴
230 中空轴
240 低速编码器码盘
250 低速编码器读数头
260 内压板
270 输出端外壳
280 外压板
290 支撑轴承
300 轴承压板。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
图1是根据本公开的一个实施方式的模块化串联弹性驱动器100的结构示意图。
如图1所示，本公开提供一种模块化串联弹性驱动器100，其包括：驱动装置110，谐波减速器120，输出轴130以及弹性部件140等部件。
所述驱动装置110用于提供驱动力；本公开中，所述驱动装置110包括定子111、转子112和转动轴113，所述定子111设置于所述动力端外壳150，例如通过胶粘的方式将所述定子111固定于所述动力端外壳150。
所述转子设置于转动轴113，并且与所述转动轴113同步转动，其中，所述转动轴113的一端通过轴承可转动地设置于所述动力端外壳150。
所述模块化串联弹性驱动器100还可以包括编码器安装部160，所述编码器安装部160设置于所述动力端外壳150，并使得所述驱动装置110的至少部分位于所述动力端外壳150与所述编码器安装部160所形成的区域内。
相应地，所述转动轴113的另一端通过轴承可转动地设置于所述编码器安装部160，从而使得所述转动轴113能够稳定地转动。
为实现对转动轴113的位置以及速度的测量，可以在所述编码器安装部160设置有高速侧读数头170，所述转动轴113的至少部分位于所述编码器安装部160的外部，并且位于所述编码器安装部160的外部的转动轴113设置有高速编码器码盘180，所述高速侧读数头170根据所述高速编码器码盘180的位置获得所述转动轴113的位置，并且进一步也能够获得转动轴113的转速等信息。
更优选地，所述的模块化串联弹性驱动器100还可以包括盖部件190，所述盖部件190设置于所述编码器安装部160，并使得所述驱动装置110位于所述动力端外壳150与所述盖部件190所形成的区域内。
所述谐波减速器120连接于所述驱动装置110，以便接收所述驱动装置110的驱动力，并且所述谐波减速器120能够将驱动装置110的运动减速，增大向外输出的力矩。
具体地，所述谐波减速器120包括柔轮121、刚轮122和波发生器123；所述波发生器123与所述驱动装置110连接，以接收所述驱动装置110所产生的驱动力；所述柔轮121和刚轮122中的一者被固定，所述柔轮121和刚轮122中的另一者连接于所述弹性部件140。
具体地，如图1所示，所述柔轮121被固定于所述弹性部件140，相应地，所述刚轮122被固定于所述动力端外壳150或者固定于轴承座210。
所述弹性部件140串联于所述谐波减速器120和输出轴130之间，所述谐波减速器120的驱动力通过所述弹性部件140被传递至所述输出轴130，并通过输出轴130向外输出驱动力，而且，被传递至所述弹性部件140的驱动力能够使得所述弹性部件140产生形变，由此降低了关节输入端和关节输出端之间的刚度，使关节表现出柔性特点。
更具体地，所述弹性部件140通过输出端外壳270连接于所述输出轴130。
本公开中，为使得所述输出轴130与输出端外壳270稳定地同步转动，所述输出端外壳270通过交叉滚子轴承200可转动地支撑于轴承座210，由此，通过交叉滚子轴承200约束关节输出端和输入端关于关节旋转方向以外的其他自由度；其中，所述轴承座210与所述谐波减速器120的刚轮122固定，也就是说，所述轴承座210、谐波减速器120的刚轮122以及动力端外壳150被固定在一起，当然，所述动力端外壳150也可以直接与所述轴承座210相固定；在一个实施例中，从位置上说，所述谐波减速器120的刚轮122位于所述轴承座210与所述动力端外壳150之间。
优选地，所述柔轮121通过连接轴220连接于所述弹性部件140，其中，所述轴承座210通过支撑轴承290可转动地支撑于所述连接轴220，换句话说，所述连接轴220被所述轴承座210支撑转动。
本公开中，所述的模块化串联弹性驱动器100还可以包括中空轴230，所述中空轴230连接于所述弹性部件140，并且至少部分穿过所述谐波减速器120以及驱动装置110，以使得线缆能够从所述中空轴230穿过。
更优选地，所述中空轴230设置有低速编码器码盘240，所述输出轴130设置有低速编码器读数头250，所述低速编码器读数头250根据所述低速编码器码盘240的位置，获得所述弹性部件140的状态，所述弹性部件140的状态包括所述弹性部件140形变等信息，并且，利用低速编码器的相对位移量即弹性元件的基部141和卷绕部142之间的相对位置，并能够根据该相对位移量结合弹性元件的刚度估算模块化串联弹性驱动器所受力矩，使得模块化串联弹性驱动器具有力矩检测功能，从而无需使用扭矩传感器。
本公开中，所述交叉滚子轴承200的位置被完全限制，其中，所述轴承座210的外壁面形成有第一限位部，并通过轴承座210的第一限位部限制所述交叉滚子轴承200的内环的一端的位置；并且，所述轴承座210上设置有内压板260，所述内压板260用于限制所述交叉滚子轴承200的内环的另一端的位置。
而且，所述输出端外壳270的内壁面形成有第二限位部，并通过所述输出端外壳270的第二限位部用于限制交叉滚子轴承200的外环的一端的位置，相应地，所述输出端外壳270设置有外压板280，并且通过所述外压板280限制所述交叉滚子轴承200的外环的另一端的位置。
另一方面，所述支撑轴承290的位置也可以被完全限制，其中，所述轴承座210的内壁面形成有第三限位部，并通过轴承座210的第三限位部限制所述支撑轴承290的外环的一端的位置；所述内压板260用于限制所述支撑轴承290的外环的另一端的位置。
所述连接轴220的外壁面形成有第四限位部，并通过所述连接轴220的第四限位部用于限制支撑轴承290的内环的一端的位置；相应地，所述连接轴220设置有轴承压板300，所述轴承压板300限制所述支撑轴承290的内环的另一端的位置。
图2是根据本公开的一个实施方式的弹性部件的结构示意图。
如图2所示，本公开的弹性部件可以通过平面扭簧实现，具体地，所述弹性部件包括基部141以及设置于所述基部141的卷绕部142，其中，所述基部141形成为所述弹性部件的输入端，即所述基部141通过螺钉连接于所述连接轴220；所述卷绕部142形成为所述弹性部件的输出部，即所述卷绕部142通过销钉固定于所述输出端外壳270。
优选地，所述卷绕部142的数量为至少一个，例如，如图2所示，所述卷绕部142的数量为两个，所述卷绕部142卷绕于所述基部141的外部，并且通过所述卷绕部142的形变使得弹性部件具有弹簧的作用。
考虑到未来越来越多的机器人需要经常与人交互，机器人与环境交互过程中具有力反馈、碰撞检测、缓冲冲击等功能，机器人柔性关节是实现上述功能的核心部件。
因此，本发明提供一种平面扭簧结合谐波减速器和盘式无框电机为主要驱动元件的模块化串联弹性驱动器，模块化设计有利于机器人关节实现轻量化、小型化，提高机器人关节的稳定性。
本公开中，模块化串联弹性驱动器所受力矩M＝kθs；
其中，k为弹性部件的刚度，θs为低速编码器测量得到的弹性元件的基部和卷绕部之间在力矩作用下发生的角位移。
当弹性部件140的基部141和卷绕部142发生相对位移时，模块化串联弹性驱动器输入端与输出端具有以下位置关系：
Figure BDA0003533160230000091
其中，θJ为模块化串联弹性驱动器输入端和输出端的相对角位移，θm为高速编码器测量得到的驱动装置的转动轴的角位移。N为谐波减速器的减速比。
由此，本公开的模块化串联弹性驱动器主要零部件都具有扁平结构，可以实现紧凑、模块化、轻量化、小型化设计，功率密度高，提高设计的可靠性；而且，模块化串联弹性驱动器的模块化设计的外形可以简化机器人关节和连杆的连接。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种模块化串联弹性驱动器，其特征在于，包括：
驱动装置，所述驱动装置用于产生驱动力；
谐波减速器，所述谐波减速器连接于所述驱动装置，以便接收所述驱动装置的驱动力；
输出轴，所述输出轴用于向外输出驱动力；以及
弹性部件，所述弹性部件串联于所述谐波减速器和输出轴之间，所述谐波减速器的驱动力通过所述弹性部件被传递至所述输出轴，并通过输出轴向外输出驱动力；其中，所述谐波减速器的驱动力能够使得弹性部件产生弹性形变。
2.如权利要求1所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述谐波减速器包括波发生器，所述波发生器与所述驱动装置连接，以接收所述驱动装置所产生的驱动力。
3.如权利要求2所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述谐波减速器包括柔轮和刚轮，所述柔轮和刚轮中的一者被固定，所述柔轮和刚轮中的另一者连接于所述弹性部件。
4.如权利要求3所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述弹性部件通过输出端外壳连接于所述输出轴。
5.如权利要求4所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述输出端外壳通过交叉滚子轴承可转动地支撑于轴承座，其中，所述轴承座与所述谐波减速器的刚轮固定。
6.如权利要求5所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述柔轮通过连接轴连接于所述弹性部件，其中，所述轴承座通过轴承可转动地支撑于所述连接轴。
7.如权利要求5所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，还包括动力端外壳，所述动力端外壳至少部分环绕所述驱动装置设置，其中，所述动力端外壳与所述轴承座相固定。
8.如权利要求7所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述谐波减速器的刚轮位于所述轴承座与所述动力端外壳之间。
9.如权利要求7所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，所述驱动装置包括转动轴，所述转动轴可转动地设置于所述动力端外壳。
10.如权利要求9所述的模块化串联弹性驱动器，其特征在于，还包括：编码器安装部，所述编码器安装部设置于所述动力端外壳，并使得所述驱动装置的至少部分位于所述动力端外壳与所述编码器安装部所形成的区域内；
可选地，所述转动轴通过轴承可转动地设置于所述编码器安装部；
可选地，所述编码器安装部设置有高速侧读数头，所述高速侧读数头根据安装于所述转动轴的所述高速编码器的码盘的位置获得所述转动轴的位置；
可选地，还包括盖部件，所述盖部件设置于所述编码器安装部，并使得所述驱动装置位于所述动力端外壳与所述盖部件所形成的区域内；
可选地，还包括中空轴，所述中空轴连接于所述弹性部件，并且至少部分穿过所述谐波减速器以及驱动装置；
可选地，所述中空轴设置有低速编码器码盘，所述输出轴设置有低速编码器读数头，所述低速编码器读数头根据所述低速编码器码盘的位置，获得所述弹性部件的状态。
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