CN114714391B - 一种变刚度一体化关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体公开了一种变刚度一体化关节，包括外壳，所述外壳内固定设置无框电子定子，所述无框电机定子内配合设置有无框电机转子，所述无框电机转子内孔固定设置有转筒，所述转筒的一端连接谐波减速器的输入端，所述谐波减速器的输出端连接刚性输出端，所述刚性输出端上设置有一通轴，所述通轴一端穿过所述转筒并延伸出部分，所述外壳内还设置有柔性输出机构，所述通轴延伸出转筒的一端连接柔性输出机构的输入端。本发明的优点是关节具有两个输出端，一端为刚性输出端，另一端为柔性输出端，其可以应用于人与机器人的协作工作，柔性的输出端能使人与机器人交互的过程中降低受伤的风险。

Description

一种变刚度一体化关节

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种变刚度一体化关节。

背景技术

人-机器人协作是下一代机器人的发展趋势，要求机器人嵌入与人类安全互动的能力，而没有任何受伤的风险。现代自动化和制造也更喜欢人类和机器人一起工作，并共享工作空间，以提高适应性、灵活性和效率。目前市面上的大多数工业机器人往往配备刚性执行器，具有高精度、高速、工作量大等优点。然而，这种基于位置控制的刚性执行器对人体和环境具有内在的危险。虽然研究了许多采用轨迹规划和阻抗控制等控制方法来实现避撞或保证碰撞安全，但由于可能存在传感器故障、数据传输延迟、电机动力学慢等，其功能不可靠。在这种情况下，较小的额外位移会对环境产生很大的力，从而导致不安全的碰撞和破坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种变刚度一体化关节。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种变刚度一体化关节，包括外壳，所述外壳内固定设置无框电机定子，所述无框电机定子内配合设置有无框电机转子，所述无框电机转子内孔固定设置有转筒，所述转筒的一端连接谐波减速器的输入端，所述谐波减速器的输出端连接刚性输出端，所述刚性输出端上设置有一通轴，所述通轴一端穿过所述转筒并延伸出部分，所述外壳内还设置有柔性输出机构，所述通轴延伸出转筒的一端连接柔性输出机构的输入端。

具体地，所述的外壳内固定设置有法兰盘，所述无框电机定子通过法兰盘与外壳固定连接。

具体地，所述的外壳内还设置有刹车机构，所述刹车机构包括刹车盘，所述刹车盘固定在转筒上，所述刹车盘上开设有多个弧形槽，所述外壳内设置有固定架，所述固定架上设置有插销式抱闸，所述插销式抱闸的位置与弧形槽的位置对应。

具体地，所述刹车盘上设置有电机转速磁编码，所述通轴上设置有支架，所述支架上设置输出轴磁编码器。

具体地，所述柔性输出机构包括外环和内环，所述外环的内侧设置有多个限位器，所述内环的外部设置有多个支撑架，多个所述限位器和多个所述支撑架交错设置，相邻所述支撑架之间均设置有一限位器；相邻所述支撑架之间还设置有弧形的限位轴，所述限位器具有内腔，所述限位轴活动穿过所述限位器，且限位轴位于限位器内的部分设置有挡环，所述挡环两侧的限位轴上均套设有SMA记忆合金弹簧，所述SMA记忆合金弹簧限位在限位器内。

具体地，所述的内环固定在通轴上。

具体地，所述的外环上固定设置有输出法兰。

具体地，所述的限位器和支撑架的个数均为偶数个。

具体地，所述支撑架抵在外环的内壁上滑动配合。

具体地，所述的限位器内设置有两个隔板将限位器的内腔分为三个区域，其中所述挡环位于中间的区域内，所述限位轴穿过两个所述隔板，且两个所述SMA记忆合金弹簧的一端分别固定在两侧的区域内，另一端伸长时可以伸入中间的区域内。

本发明具有以下优点：本发明的关节具有两个输出端，一端为刚性输出端，另一端为柔性输出端，其可以应用于人与机器人的协作工作，柔性的输出端能使人与机器人交互的过程中降低受伤的风险。

本发明的柔性输出端可以通过控制SMA记忆合金弹簧的通电数量来改变输出的刚度，可以在使用的过程中根据需求来进行控制，达到精确控制的效果。

附图说明

图1 为本发明的关节剖视结构示意图；

图2 为本发明的柔性输出机构结构示意图；

图3 为本发明的刹车盘结构示意图；

图4 为本发明的刹车机构结构示意图；

图中：1-外壳，2-无框电机定子，3-无框电机转子，4-转筒，5-通轴，6-谐波减速器，7-刹车盘，71-弧形槽，8-电机转速磁编码，9-输出轴磁编码器，10-固定架，11-柔性输出机构，111-内环，112-外环，113-限位器，114-限位轴，115-挡环，116-支撑架，117-SMA记忆合金弹簧，118-隔板，12-输出法兰，13-插销式抱闸，14-法兰盘，15-支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～4所示，一种变刚度一体化关节，包括外壳1，所述外壳1内固定设置无框电机定子2，所述无框电机定子2内配合设置有无框电机转子3，所述无框电机转子3内孔固定设置有转筒4，所述转筒4的一端连接谐波减速器6的输入端，所述谐波减速器6的输出端连接刚性输出端，所述刚性输出端上设置有一通轴5，所述通轴5一端穿过所述转筒4并延伸出部分，所述外壳1内还设置有柔性输出机构11，所述通轴5延伸出转筒4的一端连接柔性输出机构11的输入端。本实施例中将无框电机定子2固定在外壳1内，外壳1为筒状结构，并在无框电机定子2内装配无框电机转子3，无框电机定子2与无框电机转子3配合形成动力输出装置，其中无框电机转子3具有内孔，在无框电机转子3的内孔内固定一转筒4作为输出轴，转筒4为中空的结构，谐波减速器6也设置在外壳1内，且谐波减速器6套设在转筒4的外部，动力输出装置的动力经过转筒4输入到谐波减速器6进行减速，经过谐波减速器6减速后的动力传输给刚性输出端，这样就能刚性输出动力，本实施例中刚性输出端位于外壳1的一侧，柔性输出端位于外壳1的另一侧，这样关节的一端输出刚性动力，另一端输出柔性动力，刚性输出端的通轴5穿过转筒4并与柔性输出机构11连接，通轴5作为柔性输出机构11的动力来源，通轴5与转筒4之间可以相对转动，通轴5为中空结构，可以用于走线，采用本实施例的结构能减小关节的尺寸，且利用通轴5的中空结构可用于布线，空间的利用率达到最大化，结构紧凑；关节的两端分别为刚性输出端和柔性输出端，在使用时可以根据需求进行切换，特别是在人-机器人协作的领域，要求机器人嵌入与人类安全互动的能力，而没有任何受伤的风险。现代自动化和制造也更喜欢人类和机器人一起工作，并共享工作空间，以提高适应性、灵活性和效率。目前市面上的大多数工业机器人往往配备刚性执行器，具有高精度、高速、工作量大等优点。然而，这种基于位置控制的刚性执行器对人体和环境具有内在的危险。虽然研究了许多采用轨迹规划和阻抗控制等控制方法来实现避撞或保证碰撞安全，但由于可能存在传感器故障、数据传输延迟、电机动力学慢等，其功能不可靠。在这种情况下，较小的额外位移会对环境产生很大的力，从而导致不安全的碰撞和破坏，本实施例中的柔性输出端就能解决不安全碰撞的问题。

进一步的，所述的外壳1内固定设置有法兰盘14，所述无框电机定子2通过法兰盘14与外壳1固定连接。本实施例中在外壳1内通过螺栓固定法兰盘14，然后通过螺栓将无框电机定子2固定在法兰盘14上使无框电机定子2安装在外壳1上，使其与外壳1的相对位置不变。

进一步的，所述的外壳1内还设置有刹车机构，所述刹车机构包括刹车盘7，所述刹车盘7固定在转筒4上，所述刹车盘7上开设有多个弧形槽71，所述外壳1内设置有固定架10，所述固定架10上设置有插销式抱闸13，所述插销式抱闸13的位置与弧形槽71的位置对应。本实施例中在转筒4上固定刹车盘7，刹车盘7位于无框电机定子2远离谐波减速器6的一侧，其上圆周阵列设置有多个弧形槽71，转筒4转动时带动刹车盘7转动，然后在需要刹车时通过控制固定在固定架10上的插销式抱闸13工作，插销式抱闸13工作时使其插销伸出，插销伸出时插入刹车盘7的弧形槽71内就能使刹车盘7停止转动，插销缩回就能正常工作，在固定架10上还固定有电路板，用于控制关节的转动。

进一步的，所述刹车盘7上设置有电机转速磁编码8，所述通轴5上设置有支架15，所述支架15上设置输出轴磁编码器9。本实施例中还在刹车盘7上安装电机转速磁编码8，在通轴5上固定一支架15，支架15用于安装输出轴磁编码器9，电机转速磁编码8与输出轴磁编码器9的位置对应，且都在同一平面内，这样电机转速磁编码8与输出轴磁编码器9配合就能检测关节的输出转速，形成闭环控制。这样刹车盘既能实现刹车又能用于安装编码器，弧形槽71设置在刹车盘7的外围，刹车盘7的中部为内凹的结构，电机转速磁编码8安装在刹车盘7内凹的结构内，采用这样的安装方式结构紧凑。

进一步的，所述柔性输出机构11包括外环112和内环111，所述外环112的内侧设置有多个限位器113，所述内环111的外部设置有多个支撑架116，多个所述限位器113和多个所述支撑架116交错设置，相邻所述支撑架116之间均设置有一限位器113；相邻所述支撑架116之间还设置有弧形的限位轴114，所述限位器113具有内腔，所述限位轴114活动穿过所述限位器113，且限位轴114位于限位器113内的部分设置有挡环115，所述挡环115两侧的限位轴114上均套设有SMA记忆合金弹簧117，所述SMA记忆合金弹簧117限位在限位器113内。本实施例中的柔性输出机构11用于输出柔性的动力，内环111固定在通轴5上，作为柔性输出机构11的动力输入端，外环112作为柔性输出机构11的动力输出端，在内环111的外侧设置支撑架116，在外环112的内侧设置限位器113，本实施例中限位器113和支撑架116均优选设置6个，限位轴114可以是一段弧形轴，也可以是一个完整的圆环，其固定在支撑架116上，只要满足相邻的支撑架116之间具有限位轴114就行，限位轴114穿过限位器113，并在限位轴114上设置一个挡环115，在挡环115两侧的限位轴114上均套设SMA记忆合金弹簧117，SMA记忆合金弹簧117限位在限位器113内，这样在SMA记忆合金弹簧117不通电时SMA记忆合金弹簧117处于伸长的状态，SMA记忆合金弹簧117的一端抵在限位器113的内壁上，另一端低在挡环115上，这样通轴5转动时带动内环111转动，内环111转动带动支撑架116转动，支撑架116转动带动限位轴114转动，限位轴114转动时由于有SMA记忆合金弹簧117的限制，限位轴114转动带动挡环115压在SMA记忆合金弹簧117上使动力通过SMA记忆合金弹簧117传递给限位器113，再通过限位器113带动外环112输出柔性的动力，在这一过程中挡环115低压在SMA记忆合金弹簧117上时不会马上带动外环112转动，而是会使SMA记忆合金弹簧117先压缩，这样就形成了缓冲，实现柔性的动力的输出，本实施例中的柔性输出机构11可以控制输出的刚度，通过控制限位器113内的SMA记忆合金弹簧117通电个数来改变输出刚性，SMA记忆合金弹簧117在通电后会收缩，这样抵压在挡环115上的SMA记忆合金弹簧117的个数会减少，由此改变柔性输出机构11的输出刚度，在控制时可以分别通过控制180度对角两组SMA记忆合金弹簧117通电，120度分布的三组SMA记忆合金弹簧117通电，60度分布的六组SMA记忆合金弹簧117通电，来改变输出刚性。当60度分布的六组均通电后，挡环115与限位器113接触，输出为刚性输出，通过上述的控制可以改变输出的刚度，使用时可以根据需求来进行控制。

进一步的，所述的外环112上固定设置有输出法兰12，本实施例中在外环112上设置输出法兰12来输出动力，执行机构可以安装在输出法兰12上。

进一步的，所述的限位器113和支撑架116的个数均为偶数个。本实施例中限位器113和支撑架116均优选设置6个。

进一步的，所述支撑架116抵在外环112的内壁上滑动配合。本实施例中内环111和外环112同轴设置，在柔性输出的过程中外环112和内环111会相对转动，为了使内环111和外环112在相对转动时其同轴度稳定，使内环111的支撑架116抵压在外环112的内壁上，这样内环111与外环112相对转动时支撑架116与外环112的内壁滑动配合，这样就能使内环111和外环112始终保持同轴。

进一步的，所述的限位器113内设置有两个隔板118将限位器113的内腔分为三个区域，其中所述挡环115位于中间的区域内，所述限位轴114穿过两个所述隔板118，且两个所述SMA记忆合金弹簧117的一端分别固定在两侧的区域内，另一端伸长时可以伸入中间的区域内。本实施中SMA记忆合金弹簧117的一端可以固定在限位器113的内壁上，与挡环115抵接的一端为自由端，在SMA记忆合金弹簧117通电时SMA记忆合金弹簧117可以缩回到位于限位器113两侧的区域内，这样不会影响输出的刚度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种变刚度一体化关节，其特征在于：包括外壳（1），所述外壳（1）内固定设置无框电机定子（2），所述无框电机定子（2）内配合设置有无框电机转子（3），所述无框电机转子（3）内孔固定设置有转筒（4），所述转筒（4）的一端连接谐波减速器（6）的输入端，所述谐波减速器（6）的输出端连接刚性输出端，所述刚性输出端上设置有一通轴（5），所述通轴（5）一端穿过所述转筒（4）并延伸出部分，所述外壳（1）内还设置有柔性输出机构（11），所述通轴（5）延伸出转筒（4）的一端连接柔性输出机构（11）的输入端，所述柔性输出机构（11）包括外环（112）和内环（111），所述外环（112）的内侧设置有多个限位器（113），所述内环（111）的外部设置有多个支撑架（116），多个所述限位器（113）和多个所述支撑架（116）交错设置，相邻所述支撑架（116）之间均设置有一限位器（113）；相邻所述支撑架（116）之间还设置有弧形的限位轴（114），所述限位器（113）具有内腔，所述限位轴（114）活动穿过所述限位器（113），且限位轴（114）位于限位器（113）内的部分设置有挡环（115），所述挡环（115）两侧的限位轴（114）上均套设有SMA记忆合金弹簧（117），所述SMA记忆合金弹簧（117）限位在限位器（113）内，所述的内环（111）固定在通轴（5）上，所述的外环（112）上固定设置有输出法兰（12），所述的限位器（113）和支撑架（116）的个数均为偶数个，所述支撑架（116）抵在外环（112）的内壁上滑动配合，所述的限位器（113）内设置有两个隔板（118）将限位器（113）的内腔分为三个区域，其中所述挡环（115）位于中间的区域内，所述限位轴（114）穿过两个所述隔板（118），且两个所述SMA记忆合金弹簧（117）的一端分别固定在两侧的区域内，另一端伸长时可以伸入中间的区域内。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度一体化关节，其特征在于：所述的外壳（1）内固定设置有法兰盘（14），所述无框电机定子（2）通过法兰盘（14）与外壳（1）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种变刚度一体化关节，其特征在于：所述的外壳（1）内还设置有刹车机构，所述刹车机构包括刹车盘（7），所述刹车盘（7）固定在转筒（4）上，所述刹车盘（7）上开设有多个弧形槽（71），所述外壳（1）内设置有固定架（10），所述固定架（10）上设置有插销式抱闸（13），所述插销式抱闸（13）的位置与弧形槽的位置对应。

4.根据权利要求3所述的一种变刚度一体化关节，其特征在于：所述刹车盘（7）上设置有电机转速磁编码（8），所述通轴（5）上设置有支架（15），所述支架（15）上设置输出轴磁编码器（9）。

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