CN115958624A - 具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，包括电机、阻尼器和减速器，电机具有输出轴；阻尼器包括壳体、转动轴、转子和磁流变弹性体。壳体的一端与电机连接；转动轴位于壳体内。转动轴的输入端与输出轴连接；转子为环状且套设于转动轴外，转子位于壳体内且于壳体内壁间隔形成封闭的凹腔；磁流变弹性体填充于凹腔内；减速器包括波发生器、柔性轴承、柔轮和交叉滚子轴承，波发生器与转动轴的输出端连接；柔性轴承套设于波发生器外；柔轮套设于柔性轴承外且设有外齿，外齿沿柔轮的周向排列；交叉滚子轴承包括内圈和外圈，内圈设有与外齿配合的内齿且套设于柔轮外，内圈与壳体的另一端连接，外圈套设于内圈外并与内圈可转动连接。

Description

具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组

技术领域

本发明涉及机器人关节技术领域，特别涉及一种具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组。

背景技术

具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组是机器人的核心部件，通过模块化的关节模组，可实现快速搭建和故障关节更换。具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组的性能直接影响到机器人的运动性能，现有的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组通常采用电磁制动器抱闸或摩擦片制动，存在刚性冲击、抱闸定位效果不好、电机轴存在自由活动角度、关节启停有晃动以及摩擦产生大量热量的问题。

同时，传统机器人关节由于采用刚性制动，无法实现关节自适应控制，而且负载自重比低、功耗高，受到外界负载冲击时无缓冲减震，导致稳定性差、可靠性低。因此，亟需一种能柔性制动、无制动间隙、负载自重比大、功耗低、控制简单的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，该具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组具有智能缓冲和减震功能、具有高稳定性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，所述具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组包括：

电机，所述电机具有输出轴；

阻尼器，所述阻尼器包括：

壳体，所述壳体沿所述输出轴的轴向延伸，且一端与所述电机连接，所述壳体内设有励磁线圈；

转动轴，所述转动轴位于所述壳体内且沿轴向的两端分别为输入端和输出端，所述输入端与所述输出轴连接；

转子，所述转子为环状且套设于所述转动轴外，所述转子位于所述壳体内且与所述壳体内壁间隔形成封闭的凹腔；

磁流变弹性体，所述磁流变弹性体位于所述凹腔内；

减速器，所述减速器包括：

波发生器，所述波发生器与所述转动轴的所述输出端连接；

柔性轴承，所述柔性轴承套设于所述波发生器外；

柔轮，所述柔轮套设于所述柔性轴承外且所述柔轮的径向外侧设有外齿，所述外齿沿所述柔轮的周向排列；

交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承包括：

内圈，所述内圈套设于所述柔轮外并与所述壳体的另一端连接，所述内圈的径向内侧设有与所述外齿配合的内齿；以及

外圈，所述外圈套设于所述内圈外并与所述内圈可转动连接；

输出端法兰，所述输出端法兰与所述外圈和所述柔轮连接。

在一个实施例中，所述转子沿轴向的两侧分别设有多个套环，多个所述套环同轴且沿径向间隔设置；

所述壳体的内壁与所述转子的外表面形状互补且间隔设置。

在一个实施例中，所述壳体的内壁与所述转子的外表面的间隔距离范围为0.5mm-1mm。

在一个实施例中，所述壳体包括：

缸筒，所述缸筒沿轴向延伸，且所述缸筒的内壁与所述转子的径向外表面间隔设置；

两个端盖，两个所述端盖沿所述轴向包括依次连接外段、中段和内段，两个所述端盖的所述外段均为环状且分别与所述缸筒的两端连接，两个所述端盖的内段分别与所述转子沿轴向的外表面互补并间隔预设距离；

两组励磁线圈分别缠绕至两个端盖的所述中段且相对于所述转子沿轴向对称设置。

在一个实施例中，所述转子环套于所述转动轴沿轴向的中间部位；

所述具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组还包括传感器组件，所述传感器组件包括：

应变片，所述应变片与所述转动轴连接且位于所述转动轴沿轴向的中间部位；

滑环，所述滑环包括：

滑环转子，所述滑环转子环套于所述输出轴并与所述应变片电连接；

滑环定子，所述滑环定子连接至所述电机并环套于所述输出轴，所述滑环定子被设置成可操作地接收所述滑环转子和所述应变片的信息。

在一个实施例中，所述转动轴设有凹槽和线槽，所述凹槽由所述转动轴沿轴向的中间部位的外表面凹陷形成，所述线槽的一端与所述凹槽连通，另一端延伸至所述转动轴的输入端；

所述应变片安装于所述凹槽内并通过连接线与所述滑环转子连接，所述连接线位于所述线槽内。

在一个实施例中，所述电机的端面还设有凸台，所述凸台绕所述输出轴的周向延伸；

所述传感器组件还包括连接法兰，所述连接法兰位于所述电机和所述滑环定子之间并与所述电机和所述滑环定子连接，所述连接法兰和所述滑环定子均环套于所述凸台外周。

在一个实施例中，所述减速器包括输入端法兰，所述输入端法兰包括：

第一法兰，所述第一法兰位于所述壳体和交叉滚子轴承的所述外圈之间并与所述壳体和交叉滚子轴承的所述内圈连接；以及

第二法兰，所述第二法兰位于所述转动轴和所述波发生器之间并与所述转动轴和所述波发生器连接，所述第二法兰环设于所述第一法兰的环内。

在一个实施例中，所述输出端法兰和所述柔轮一体成型。

在一个实施例中，所述柔轮、所述输出端法兰和所述内圈均采用聚醚醚酮基复合材质。

在一个实施例中，所述波发生器和所述交叉滚子轴承的所述内圈均采用聚醚醚酮基复合材料。

在一个实施例中，所述聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维。

在一个实施例中，所述聚醚醚酮基复合材质中碳纤维含量为5％-30％。

在一个实施例中，所述聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维、石墨和聚四氟乙烯。

在一个实施例中，还包括：

信息采集与转换装置，所述信息采集与转换装置与所述滑环定子电连接，并可接受所述应变片的信息；

控制器，所述控制器与所述信息采集与转换装置和所述励磁线圈电连接，并可接受所信息采集与转子装置的信号，还可以控制所述励磁线圈的电流。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明的一个实施例的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组的组装图。

图2是1所示实施例中具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组的爆炸图。

图3是图1所示实施例中阻尼器的组装图。

图4是图3所示实施例中阻尼器的爆炸图。

图5是图4所示实施例中前端盖的立体图。

图6是图5所示实施例中前端盖的剖视图。

图7是图4所示实施例中转动轴的立体图。

图8是图4所示实施例中转子的剖视图。

图9和图10是图1所示实施例中减速器的立体图。

图11和图12是图9所示实施例中减速器的爆炸图。

图13是图1所示实施例中滑环转子的立体图。

附图标记：100、具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组；1、电机；11、输出轴；12、凸台；13、编码器；2、阻尼器；21、前端盖；211、外段；212、中段；213、内段；214、环形板体；215、套圈；216、容纳槽；22、缸筒；23、后端盖；24、转动轴；241、凹槽；242、线槽；25、转子；251、套筒；252、转子本体；253、套环；3、减速器；31、输入端法兰；311、第一法兰；312、第二法兰；313、第一环；314、第二环；315、凹陷区；32、波发生器；33、柔性轴承；34、柔轮；341、外齿；35、交叉滚子轴承；351、外圈；352、钢轮；353、钢轮筒；354、内齿；36、输出端法兰；4、传感器模组；41、连接法兰；42、滑环定子；43、滑环转子；44、铜线环道；45、碳刷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了便于更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

以下将结合附图对本发明的各实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明涉及一种具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100，该具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100可实现柔性制动且具有减震效果，下面结合附图对本发明的一个实施例的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100进行详细描述。

如图1和图2所示，该具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100包括电机1、阻尼器2和减速器3。

电机1具有输出轴11，电机1用于驱动具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100运动。此外，电机1的端面还设由凸出的凸台12，该凸台12绕输出轴11的周向延伸并形成环状，凸台12用于定位安装传感器模组4。电机1外部还设有编码器13，该编码器13用于检测电机1的实时输出力矩。

传感器模组4用于感应阻尼器2的转动轴的力矩变化，并将信号反馈至控制器，控制器可通过控制电流源以调节激励线圈通过的电流大小，从而实现对机器人关节的智能缓冲减震、柔性制动。

具体来说，如图2和图13所示，传感器模组4包括连接法兰41、滑环和应变片。其中，连接法兰41为环状且环套于凸台12外，并与电机1的端面通过螺栓连接。滑环包括滑环定子42和滑环转子43。滑环定子42为环状并套设于凸台12外，滑环定子42与连接法兰41固定连接并设有多个铜线环道44，多个铜线环道44为绕输出轴11的轴线延伸的弧形并位于远离电机1的一面。滑环转子43套设于输出轴11外并可随着输出轴11而转动，滑环转子43与滑环定子42相对设置，且滑环转子43与滑环定子42相对的一面设有多个碳刷45，在转子25过程中，多个碳刷45始终与多个铜线环道44接触，即环状转子25通过多个碳刷45和多个铜线环道44将信息传递至外部的信号采集与转换装置。

滑环定子42与滑环转子43之间的轴向安装距离小于3mm，两者组装后的整体轴向尺寸小于6mm。

此外，滑环转子43与应变片通过连接线连接，应变片安装于阻尼器2的转动轴24的外表面或嵌设与转动轴24靠近外表面的位置，用于采集转动轴24的扭矩信息。应变片采集的信息可传递至滑环转子43，滑环转子43通过滑环定子42将信息传递至外部的信号采集与转换装置。

此外，滑环定子42和滑环转子43的外径尺寸明显小于连接法兰41的外径，方便与阻尼器2的前端盖21装配，下文会详述。

阻尼器2的内部为对称结构，用于柔性制动和缓冲减震效果。具体地，如图3-图8所示，阻尼器2包括壳体以及位于壳体内的转动轴24、转子25和磁流变弹性体。

壳体包括缸筒22和两个端盖，缸筒22为筒状且沿转动轴24的轴向延伸，缸筒22沿轴向的两端开口。两个端盖分别覆盖缸筒22沿轴向的两端开口处并与缸筒22沿轴向的两端连接。两个端盖均为环形，且靠近电机1的一个端盖为前端盖21，远离电机1的一个端盖为后端盖23。前端盖21的边缘处与连接法兰41固定通过螺栓固定连接，即前端盖21通过连接法兰41固定至电机1上。

前端盖21靠近电机1的一面设有容纳槽216，该容纳槽216由前端盖21的靠近电机的一面凹陷延伸，用于容纳滑环。滑环安装于容纳槽216内，可缩小具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100的轴向尺寸，减少滑环占用额外的空间，从而使得具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100结构更加紧凑。

转动轴24的轴线与输出轴11的轴线重叠且位于壳体内，转动轴24沿轴向方向的两端分别为输入端和输出端。输入端位于前端盖21的环内且与前端盖21通过轴承可转动连接，输入端与输出轴11通过键连接。输出端位于后端盖23的环内且与后端盖23通过轴承可转动连接。

进一步地，转动轴24设有凹槽241和线槽242。凹槽241由转动轴24沿轴向的中间部位的外表面凹陷形成，凹槽241用于安装应变片。此外，凹槽241的深度与应变片的厚度基本相同，即应变片的外表面与转动轴24的外表面基本平齐。线槽242的一端与凹槽241连通，另一端延伸至转动轴24的输入端，线槽242用于容纳应变片的连接线，即连接线的一端与滑环转子43电连接，另一端穿过线槽242并于应变片电连接。应变片可通过焊接或胶粘贴固定在凹槽241内壁或转动轴的中间表面，不限制应变片与转动轴24的具体连接方式。

应变片可用于感应转动轴24的扭矩，并通过连接线将该感应的扭矩信息传递至外部的信号采集装置。具体来说，具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100还包括显示装置、控制器、加速度传感器和控制电离源。其中，信号采集与转换装置与应变片和显示装置分别电连接，控制器与信号采集与转换装置、控制电流源和加速度传感器电连接或信号连接，控制电流源与两组励磁线圈电连接。

加速度传感器检测用于检测关节运动信号，并将关节运动信号传递至控制器中。控制器根据关节运动信号调节控制电流源，使阻尼器2输出一个期望阻尼力。应变片可检测阻尼器2的转动轴24上的力矩，并实时传递至信号采集与转换装置。信号采集和转换装置将信号处理后反馈至控制器。控制器根据比较反馈力矩信号和期望阻尼力矩，控制电流源调节通过励磁线圈的电流大小，从而控制阻尼器提供足够阻尼力。

转子25套设于转动轴24的中间部件。转动轴24在转动过程中，其沿轴向的中间部位应力变化最为明显，应变片贴合于转动轴24的中间部位可有效感应转动轴24的微小的扭矩变化，进而判断需要输出的转速。对于航天机器人或医用机器人来说，某些场合需要非常灵活且平稳，例如手术用机器人对病人进行处理时，不仅需要快速灵活，而且更需要平缓温度。而具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100是机器人的最重要的传动部位，所以需要更加的灵活和平稳。本发明将应变片安装于转动轴24，可以有效感应转动轴24的扭矩，而且本发明的阻尼器2通过磁流变弹性体的变形实现柔性制动，以方便关节处智能缓冲减震、柔性制动。

转子25为环状且位于壳体内部，转子25套设于转动轴24的中间部位。转子25与壳体内部间隔形成封闭的凹腔，该凹腔内填充磁流变弹性体。

具体来说，转子25包括套筒251、转子本体252和两组套环253，其中套筒251为筒状且环套于转动轴24的径向外侧，套筒251与转动轴24通过键连接。此外，套筒251沿轴向的尺寸大于转子本体252沿轴向的尺寸，以增加与转动轴24的接触面积，可使得转子25与转动轴24稳定连接。转子本体252为具有一定厚度的环状板体且环套于套筒251的外侧，转子本体252的径向外表面与缸筒22内壁间隔预设距离。

两组套环253同轴且间隔设置，位于径向内测的一组套环253与套筒251间隔设置。每组套环253分别包括两个相对于转子本体252轴向对称的套环253，每个套环253均为绕转子本体252的周向延伸的环状。

前端盖21和后端盖23分别包括依次相连的外段211、中段212和内段213。其中，前端盖21和后端盖22的外段211为环形板状，前端盖21的外段211与缸筒22的前端连接，后端盖23的外段211与缸筒22的后端连接。

前端盖21和后端盖23的中段212分别位于各自的外段211和内段213之间，且前端盖21的中段212和后端盖23的中段212相对于转子25对称设置。中段212的外径小于外段211的外径和内段213的外径。两组励磁线圈分别缠绕于前端盖21和后端盖23的中段212，两组励磁线圈通电后，可产生变幻的磁场。

内段213包括环形板体214和连接至环形板体214的三层套圈215，环形板体214与中段212远离外段211的一端连接。三层套圈215同轴设置且分别与内段213远离中段212的一面连接，三层套圈沿径向间隔设置。位于径向内测的一层套圈215位于套筒251和套环253之间，该套圈的径向外表面分别与套筒251和该套环253沿径向间隔设置。此外，该套圈215的轴向外表面与转子本体252沿轴向间隔设置。另外两层套圈215分别与两个套环253沿径向交叠且间隔设置。

前端盖21和后端盖23的内段213的三层套圈215分别与转子25沿轴向的两侧互补且彼此间隔设置。而转子本体252的径向外表面与缸筒22内壁间隔设置，凹腔的内壁一部分由内段213的外表面和转子25的外表面以及缸筒22的内壁组成。凹腔内填充磁流变弹性体，磁流变弹性体具有磁流变效应，即磁流变弹性体的流变学特性根据两组励磁线圈的磁场强度而变成固体状态，固态的磁流变弹性体体积增大，可以增加转子25的外表面与磁流变弹性体之间的摩擦力，磁流变弹性的形变过程可使得转子25的外表面与磁流变弹性体之间摩擦逐渐增大，进而可以稳定地减缓转子25和转动轴24的转速，实现柔性制动，防止转动轴24减速过程中出现振动现象。

本发明的转子25设置两组套环253，可以增加凹腔的工作区面积，增加转子25的外表面与壳体内壁的接触面积。和现有技术的T型结构相比，在不进行隔磁处理情况下，本发明的磁流变弹性体的磁感应强度可增加20％，可有效提高阻尼器2产生阻尼力大小。应理解，也可以阻尼力根据需要设置更多个套环253，不限制套环253的数量。

此外，内段213的径向外侧和缸筒22内壁之间以及内段213的径向内侧和套筒251之间均设有多个环形的密封元件，密封元件可以防止磁流变弹性体从内段213泄露至缸筒22外部。密封元件包括但不限于O型密封圈、旋转格莱封、多级密封圈、密封螺钉或橡胶螺塞等。

此外，作为优选方案，壳体内壁与转子25的外表面间隔距离为0.5mm-1mm，即凹腔的宽度范围为0.5mm-1mm。经过实验发现，凹腔的宽度优选范围为0.5mm-1mm，有效工作区产生的总磁通量较大。例如，凹腔的宽度为0.5mm时，有效工作区的总磁通量1.12T；凹腔的宽度为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm和1mm时，有效工作区的总磁通量1.0T；凹腔的宽度为1.1mm，有效工作区的总磁通量0.98T；凹腔的宽度为1.2mm时，有效工作区的总磁通量0.97T。

减速器3包括输入端法兰31、波发生器32、柔性轴承33、柔轮34、交叉滚子轴承35和输出端法兰36。

输入端法兰31包括同轴设置的第一法兰311和第二法兰312。其中，第一法兰311为阶梯圆环结构且位于壳体和交叉滚子轴承35的外圈351之间，并与壳体的后端盖23和交叉滚子轴承35的内圈通过螺栓连接。具体来说，第一法兰311的边缘处设有多个U型槽，多个U型槽沿第一法兰311的轴线间隔排列且每个多个U型槽内设有通孔，而后端盖23设有与多个通孔配合的螺纹孔，通过螺栓或圆柱销可将第一法兰311与后端盖23连接。此外，第一法兰311背离后端盖23的一面设有凹陷区315，该凹陷区315靠近第一法兰311的径向内测，交叉滚子轴承35的内圈通过螺栓与该凹陷区315的底壁连接。

第二法兰312位于第一法兰311的环内，且与第一法兰311的内环间隔设置，第二法兰312用于连接转动轴24和波发生器32连接。具体地，第二法兰312沿轴向包括依次连接的第一环313和第二环314。其中，第一环313面对转动轴24的输出端且外径与转动轴24的外径相同，第二环314通过螺栓与转动轴24的输出端连接。第二环314面对波发生器32并通过螺栓与波发生器32连接，第二环314的外径略微大于第一环313的外径，第二环314的厚度小于第一环313的厚度。

波发生器32沿径向的外轮廓为椭圆形，波发生器32通过第二法兰312与转动轴24的输出端连接，转动轴24可通过第二法兰312带动波发生器32转动，即电机1通过阻尼器2带动减速器3运作。此外，第二法兰312可作为波发生器32和柔性轴承33的安装定位器。

柔性轴承33具有一定的形变且环套于波发生器32的径向外侧，即柔性轴承33环套于波发生器32后，其形状变成与波发生器32类似。柔性轴承33可随着波发生器32转动而转动，波发生器32转动过程中可导致柔性轴承33的内外圈351发生变形。

柔轮34为环状且套设于柔性轴承33的径向外侧，柔轮34具有一定的柔性且设有多个外齿341，多个外齿341位于柔轮34的径向外表面且沿柔轮34的周向轴向排列。波发生器32转动时，可通过柔性轴承33驱动柔轮34有节奏地转动。

柔轮34远离阻尼器2的一端与输出端法兰36连接，柔轮34与输出端法兰36一体成型。输出端法兰36为环形板状，柔轮34从输出端法兰36的径向内测沿垂直于输出端法兰36的方向延伸。

交叉滚子轴承35包括内圈和外圈351。内圈通过螺栓与第一法兰311连接且环套于柔轮34外侧。具体地，内圈包括环状的钢轮352和钢轮筒353，钢轮352和钢轮筒353通过螺栓固定连接。钢轮352通过螺栓与第一法兰311的的凹陷区315底壁连接。钢轮352的径向内表面设有多个内齿354，多个内齿354沿钢轮352的周向排列。波发生器32转动过程中可导致柔性轴承33的外轮廓发生变形，同时迫使柔轮34在椭圆的长轴方向与钢轮352的内齿354完全啮合，在短轴方向完全分离，其余各处的内齿354视柔轮34回转位置的不同，处于啮入或啮出状态。柔轮34随着波发生器32转动过程中，其中一个外齿341从与钢轮352的一个内齿354啮合到再一次与钢轮352上的这个内齿354相啮合时，柔轮34恰好旋转一周，实现减速功能。交叉滚子轴承35的内圈与阻尼器2固定连接，波发生器32逆时针转动时，柔轮34可作顺时针转动，带动输出端法兰36做相对低速转动。即柔轮34随着波发生器32转动的过程中，柔轮34的外齿341与钢轮352的内齿354在啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，产生错齿运动，继而减小柔轮34的运动速度。

外圈351套设于内圈外并通过多个圆柱体滚子与内圈可转动连接，外圈351可相对于内圈转动，还可以相对于内圈沿轴向运动，进而允许机器人关节灵活运作，进一步防止减速过程中出现振动现象。此外，外圈351还通过螺栓与输出端法兰36连接，柔轮34减速转动过程中，可带动输出端法兰36和外圈351减速转动。

作为优选方案，钢轮352、柔轮34和输出端法兰36均采用聚醚醚酮基复合材质。聚醚醚酮为芳香族结晶型热塑性高分子材料，具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能。

本发明的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100需要不断的运动以及减速，而减速器3中的柔轮34和钢轮352也处于不断摩擦和变形中，所以需具有较大的耐磨性和强度。本发明将聚醚醚酮基复合材质应用于减速器3中的钢轮352、柔轮34和输出端法兰36中，可使得柔轮34、钢轮352和输出端法兰36具有较大的耐磨性，不仅可以延长具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100的使用寿命，还可以增加机器人的承载力。此外，聚醚醚酮基复合材质可通过注塑形成钢轮352、柔轮34或输出端法兰36，加工方便且成本低。

进一步地，柔性轴承33、交叉滚子轴承35的外圈351以及波发生器32可分别采用聚醚醚酮基复合材质，也可以其中一个或两个搭配采用聚醚醚酮基复合材质，以进一步减速器3的使用寿命。

优选地，聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维。碳纤维优选含量范围5％-30％。最优选地，碳纤维含量30％。

以聚醚醚酮溶脂550G为例，聚醚醚酮纯树脂的弯曲强度可达到170MPa，拉伸强度100MPa，热导率0.29W/m-1·K-1，弹性模量为4.2GPa。其中，加入碳纤维含量5％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到190MPa，拉伸强度可达到140MPa、弹性模量达到5GPa。加入碳纤维含量10％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到250MPa，拉伸强度可达到180MPa，热导率可达到0.95W/m-1·K-1、弹性模量达到9GPa。加入碳纤维含量20％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到310MPa，拉伸强度可达到205MPa，热导率可达到0.95W/m-1·K-1，弹性模量达到16GPa。加入碳纤维含量30％后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到370MPa，拉伸强度可达到250MPa，热导率可达到0.95W/m-1·K-1，弹性模量达到22GPa。

聚醚醚酮填充碳纤维的增强级塑料具有较高的弹性模量、机械强度、抗蠕变性、耐磨性和抗动态疲劳性，使得减速器3具有较好的使用寿命和负载能力，提高减速器3的传动精度。同时，碳纤维的加入显著的提升了材料的耐磨性、高温下的机械强度和热导率，具有较高的热变形温度，高温下也能保持一定的强度，增加减速器3的适应性。另外，聚醚醚酮填充碳纤维密度小、材质轻，还可抗辐射和腐蚀，可适应各种真空、高辐射、腐蚀等恶劣环境。

作为另一种优选方案，聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维、石墨和聚四氟乙烯。

以聚醚醚酮溶脂770G为例，聚醚醚酮纯树脂的弯曲强度为165MPa，拉伸强度为100MPa，热导率为0.29W/m-1·K-1，弹性模量为4.1GPa。加入10％碳纤维、10％石墨和10％聚四氟乙烯后，聚醚醚酮基复合材质的弯曲强度可达到230MPa，拉伸强度可达到140MPa，热导率可达到0.87W/m-1·K-1，弹性模量达到11.5GPa。

由此可见，聚醚醚酮与10％碳纤维、10％石墨和10％聚四氟乙烯复合，比单纯的聚醚醚酮纯树脂具有更好的机械性能，更低的摩擦系数，在高速低载和无油润滑的情况下，也能保持良好的自润滑性能。应理解，碳纤维、石墨和聚四氟乙烯的含量也可以根据实践需求调整。

此外，减速器3可实现正逆两个运动过程。正运动过程中，电机1通过转动轴24带动波发生器32转动，柔轮34和输出端法兰36可作减速对外传动动力。减速器3可降低电机1的转速，并放大输入力矩，此时，阻尼器2不工作，仅传递电机1输出，实现关节的旋转运动。

逆运动过程，柔轮34和输出端法兰36受外力负载变为输入端，波发生器32受到柔轮34传动可驱动转动轴24运动，逆运动过程实现对外界施加负载力矩的等减速比缩小，此时，阻尼器2可提供黏滞力距，对转动轴24进行制动，实现关节的缓冲减振以及制动。

电机1通过阻尼器2的转动轴带动减速器3工作，减速器3的柔轮34和输出端法兰36作为输出端输出转动位移和力矩。电机1停止工作时，阻尼器2工作实现对关节的缓冲制动。

此外，电机1、传感器模组4的连接法兰41、阻尼器2中的前端盖21、缸筒22和后端盖23及减速器3中的输出端法兰36的第一法兰311通过一组长螺栓连接固定。

传感器模组4、阻尼器2、减速器3均可独立使用，便于实现机器人关节的快速搭建和故障模组更换。

本发明的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100工作过程：电机1通电，电机1的输出轴11转动并带动阻尼器2的转动轴24转动，阻尼器2的转动轴24带动减速器3的波发生器32转动，波发生器32转动过程中可使柔性轴承33发生变形，柔轮34随着柔性轴承33同步变形，柔轮34的外齿341通过与钢轮352的内齿354啮合产生转动，并带动输出端法兰36以相对低速转动。电机1断电后，关节受到外界不同载荷冲击作用，加速度传感器接收关节运动信号并传递至控制器，控制器可控制电流源以改变励磁线圈的电流大小，转子25转过时切割磁感线运动提供阻尼力。传感器模组4检测到转动轴24的力矩信号变化，并将该信号传递至信号采集与转换装置，信号采集与转换装置将该信号处理后反馈给控制器。控制器比较反馈力矩信号和期望阻尼力，调节励磁线圈的电流大小，使得阻尼器2所产生黏滞力足以克服外界的扭矩，实现对关节的缓冲减震、柔性制动，并达到实时智能调控的作用。

电机1工作时，通过阻尼器2的转动轴24带动减速器3工作。电机1停止工作时，阻尼器2的激励线圈通电，并使得磁流变弹性体提供阻尼力矩实现柔性制动、智能缓冲减震效果。

本发明提供的一种具有智能柔性缓冲功能的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100，该具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100集电机1、传感器模组4、阻尼器2及减速器3于一体，其中，传感器模组4能实时采集转动轴24的力矩信号，并可将该力矩信号传递给信号采集与转换装置，信号采集与转换装置可将该力矩信号反馈至控制器。控制器比较转动轴的力矩信号和期望阻尼力矩，利用控制电流源调节通过励磁线圈的电流大小，达到提供足够阻尼力制动的效果，实现了对关节内部的智能控制。阻尼器2可实现对关节的柔性制动，提高了具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100的传动稳定性，同时也减少了关节自身的磨损。

本发明的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组100在受到外界负载冲击时，可吸收抑制冲量、减缓振动，实现对关节的柔性制动。同时利用减速器3逆运动过程缩小外界输入负载力矩的特点，实现了阻尼器2的轻量化，使关节结构尺寸紧凑，满足了需要大阻尼、小体积的应用场合。

阻尼器2和减速器3可独立使用和调换，可适用于各种机器人关节使用，特别适用于航空航天领域。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，包括：

电机，所述电机具有输出轴；

阻尼器，所述阻尼器包括：

壳体，所述壳体沿所述输出轴的轴向延伸，且一端与所述电机连接，所述壳体内设有励磁线圈；

转动轴，所述转动轴位于所述壳体内且沿轴向的两端分别为输入端和输出端，所述输入端与所述输出轴连接；

转子，所述转子为环状且套设于所述转动轴外，所述转子位于所述壳体内且与所述壳体内壁间隔形成封闭的凹腔；

磁流变弹性体，所述磁流变弹性体位于所述凹腔内；

减速器，所述减速器包括：

波发生器，所述波发生器与所述转动轴的所述输出端连接；

柔性轴承，所述柔性轴承套设于所述波发生器外；

柔轮，所述柔轮套设于所述柔性轴承外且所述柔轮的径向外侧设有外齿，所述外齿沿所述柔轮的周向排列；

交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承包括：

内圈，所述内圈套设于所述柔轮外并与所述壳体的另一端连接，所述内圈的径向内侧设有与所述外齿配合的内齿；以及

外圈，所述外圈套设于所述内圈外并与所述内圈可转动连接；

输出端法兰，所述输出端法兰与所述外圈和所述柔轮连接。

2.根据权利要求1所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述转子沿轴向的两侧分别设有多个套环，多个所述套环同轴且沿径向间隔设置；

所述壳体的内壁与所述转子的外表面形状互补且间隔设置。

3.根据权利要求2所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述壳体的内壁与所述转子的外表面的间隔距离范围为0.5mm-1mm。

4.根据权利要求2所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述壳体包括：

缸筒，所述缸筒沿轴向延伸，且所述缸筒的内壁与所述转子的径向外表面间隔设置；

两个端盖，两个所述端盖沿所述轴向包括依次连接外段、中段和内段，两个所述端盖的所述外段均为环状且分别与所述缸筒的两端连接，两个所述端盖的内段分别与所述转子沿轴向的外表面互补并间隔预设距离；

两组所述励磁线圈分别缠绕至两个端盖的所述中段且相对于所述转子沿轴向对称设置。

5.根据权利要求1所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述转子环套于所述转动轴沿轴向的中间部位；

所述具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组还包括传感器组件，所述传感器组件包括：

应变片，所述应变片与所述转动轴连接且位于所述转动轴沿轴向的中间部位；

滑环，所述滑环包括：

滑环转子，所述滑环转子环套于所述输出轴并与所述应变片电连接；

滑环定子，所述滑环定子连接至所述电机并环套于所述输出轴，所述滑环定子被设置成可操作地接收所述滑环转子和所述应变片的信息。

6.根据权利要求5所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述转动轴设有凹槽和线槽，所述凹槽由所述转动轴沿轴向的中间部位的外表面凹陷形成，所述线槽的一端与所述凹槽连通，另一端延伸至所述转动轴的输入端；

所述应变片安装于所述凹槽内并通过连接线与所述滑环转子连接，所述连接线位于所述线槽内。

7.根据权利要求5所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述电机的端面还设有凸台，所述凸台绕所述输出轴的周向延伸；

所述传感器组件还包括连接法兰，所述连接法兰位于所述电机和所述滑环定子之间并与所述电机和所述滑环定子连接，所述连接法兰和所述滑环定子均环套于所述凸台外周。

8.根据权利要求1所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述减速器包括输入端法兰，所述输入端法兰包括：

第一法兰，所述第一法兰位于所述壳体和交叉滚子轴承的所述外圈之间并与所述壳体和交叉滚子轴承的所述内圈连接；以及

第二法兰，所述第二法兰位于所述转动轴和所述波发生器之间并与所述转动轴和所述波发生器连接，所述第二法兰环设于所述第一法兰的环内。

9.根据权利要求1所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述输出端法兰和所述柔轮一体成型。

10.根据权利要求1所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述柔轮、所述输出端法兰和所述内圈均采用聚醚醚酮基复合材质。

11.根据权利要求10所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述波发生器和所述交叉滚子轴承的所述内圈均采用聚醚醚酮基复合材料。

12.根据权利要求10所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维。

13.根据权利要求10所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述聚醚醚酮基复合材质中碳纤维含量为5％-30％。

14.根据权利要求10所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，所述聚醚醚酮基复合材质包括碳纤维、石墨和聚四氟乙烯。

15.根据权利要求5所述的具有智能柔性缓冲功能的机器人传动关节模组，其特征在于，还包括：

信息采集与转换装置，所述信息采集与转换装置与所述滑环定子电连接，并可接受所述应变片的信息；

控制器，所述控制器与所述信息采集与转换装置和所述励磁线圈电连接，并可接受所信息采集与转子装置的信号，还可以控制所述励磁线圈的电流。

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