CN117245687A - 基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械手关节技术领域，具体涉及一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节及使用方法。该柔性直线机器人关节包括反向式行星滚柱丝杠副、空心臂力矩电机、绝对式角度编码器、线性异形弹簧、红外位置传感器和滑动导柱。其结构紧凑，安全性高。通过采用集成化设计思想，将线性异形弹簧嵌入直线机器人关节内部，使得柔性直线机器人关节结构紧凑，并增加了关节本质柔顺性，达到提高直线机器人关节安全性的目的，通过角度编码器和位移传感器进行闭环控制，将力控问题转化为位移问题，通过双位移传感器测量弹簧的形变量从而实现直线机器人关节的精准力控。在有力控的同时不用安装力传感器，较好地降低了直线机器人关节的成本。
Description
技术领域
本发明涉及机械手关节技术领域，具体涉及一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节及使用方法。
背景技术
人形机器人作为现代智能化程度的代表，因其具备人类部分运动和动作的能力，且可以替代人类完成很多重复性或者危险程度高的工作，因此其发展受到人们空前关注。然而，人形机器人在行走或者工作工程中，难免会与人或者环境物接触碰撞；若人形机器人不具有人类的柔顺性和力感知能力，将会对自身或者接触物产生极大的破坏，导致危险发生。
人形机器人关节主要由旋转机器人关节和直线机器人关节组成。而直线机器人关节为了实现力控制，在关节内部加入了拉压力传感器，尽管能很好地实现关节的力控制，但其存在成本较高、结构不够紧凑和刚性大等缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节的结构，该柔性直线机器人关节可通过在关节内部集成线性弹簧，增加关节的柔顺性，且通过双位移传感器加线性弹簧结构等效拉压力传感器，从而实现关节的精准力控且整体结构紧凑，同时降低关节的成本，提高人形机器人的安全性，使其像人类一样具有柔顺性和力感知能力。
本申请实施例提供了一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，包括：
反向式行星滚柱丝杠副，包括丝杆、滚柱、螺母、保持架和卡簧；所述丝杆由下至上依次包括丝杆下侧光轴段、丝杆齿段、丝杆螺纹段、丝杆齿段、丝杆滑动导柱固定段和丝杆上侧光轴段，所述丝杆下侧光轴段开有环形的第一沟槽，所述丝杆齿段与所述丝杆滑动导柱固定段之间开有环形的第二沟槽；所述滚柱包括滚柱光轴段、滚柱螺纹段和滚柱齿段；所述丝杆与所述螺母同轴安装，滚柱位于所述丝杆与所述螺母之间，并沿着丝杆圆周方向均匀分布；所述滚柱螺纹段与所述丝杆螺纹段啮合，所述滚柱齿段与所述丝杆齿段啮合；保持架设有两个，分别安装于滚柱两端的滚柱光轴段上，用于保持运动过程中滚柱位置，卡簧也设有两个，分别卡在丝杆的第一沟槽和第二沟槽处，用于限定保持架的轴向位移。
空心臂力矩电机，安装于螺母的外侧，可带动螺母转动。
关节壳体，包括关节上壳体、关节中壳体和关节下壳体，所述关节下壳体套设于空心臂力矩电机外侧，所述关节中壳体位于所述关节下壳体之上且位于螺母上端的外侧，所述关节上壳体位于所述关节中壳体之上。
关节输出端盘，贯穿设于所述关节上壳体上端中部，并与所述关节输出端盘上下滑动连接。
绝对式角度编码器，用于测量螺母转动角度，从而获得柔性直线机器人关节的输入角度。
线性异形弹簧，其刚度是线性的，采用中空结构，并通过在空心圆柱侧面挖除部分材料，使得线性异形弹簧的弹性性能更佳，线性异形弹簧套设于丝杆上侧光轴段外，其一端抵在丝杆滑动导柱固定段上端面，另一端抵住关节输出端盘下端，线性异形弹簧为柔性直线机器人关节的柔性输出装置。
红外位置传感器，用于测量线性异形弹簧的形变量。
滑动导柱，围绕所述线性异形弹簧圆周均匀分布，一端固定于丝杆滑动导柱固定段上，另一端穿过所述关节输出端盘下端并与所述关节输出端盘滑动连接，用于关节输出端盘的支撑及限位，使关节输出端盘只会有轴向运动。
作为本申请的一些实施例，为了进一步提高线性异形弹簧的弹性性能，基于粒子群算法优化挖除材料部分的形状及尺寸，使得线性异形弹簧的刚度呈现高度线性。
作为本申请的一些实施例，线性异形弹簧的材料选用合金弹簧钢，并通过采用3D打印方式加工而成，在打印成形后通过特殊热处理方式使其具有更好的弹性变形能力。
作为本申请的一些实施例，所述滚柱的数量为六根。
作为本申请的一些实施例，所述关节输出端盘通过滑动轴承可上下滑动的与所述关节输出端盘连接。
作为本申请的一些实施例，所述绝对式角度编码器包括绝对式角度编码器读数头和绝对式角度编码器刻度盘，所述绝对式角度编码器读数头通过螺钉安装于螺母的下端部，所述绝对式角度编码器刻度盘通过螺钉固定于关节下壳体内壁底端；绝对式角度编码器读数头随着螺母转动而记录柔性直线机器人关节的输入角度。
作为本申请的一些实施例，所述红外位置传感器包括红外位置传感底座和红外位置传感读数头，所述红外位置传感底座安装于关节输出端盘底面，红外位置传感读数头安装于丝杆滑动导柱固定段的上端面。
作为本申请的一些实施例，所述滑动导柱数量为四根。
一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节的使用方法，具体如下：
S1、空心臂力矩电机作为柔性直线机器人关节的动力输入，当空心臂力矩电机通电后，其带动反向式行星滚柱丝杠副的螺母旋转；由于螺母与滚柱存在螺旋升角差，从而螺母带动滚柱既做周向旋转运动，同时做轴向运动；由于滚柱与丝杆无螺旋升角差，滚柱与丝杆同步做轴向运动，且不产生轴向位移差；丝杆轴向运动通过线性异形弹簧传递至关节输出端盘，从而实现关节直线输出；
S2、当关节输出端盘有外部负载且柔性直线机器人关节运行时，线性异形弹簧产生压缩变形；通过红外位置传感器记录关节输出端盘的实际轴向位移量D1，绝对式角度编码器记录螺母的转动角度θ1，根据反向式行星滚柱丝杠副的参数将螺母的转动角度θ1转化为丝杆的理论轴向位移D2，从而获得线性异形弹簧的形变量为D0=D2-D1；将线性异形弹簧的刚度K乘以形变量D0，得到柔性直线机器人关节的轴向输出力，从而实现柔性直线机器人关节的实时力控。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）结构紧凑，安全性高。通过采用集成化设计思想，将线性异形弹簧嵌入直线机器人关节内部，使得柔性直线机器人关节结构紧凑，并增加了关节本质柔顺性，达到提高直线机器人关节安全性的目的。
（2）通过角度编码器和位移传感器进行闭环控制，将力控问题转化为位移问题，通过双位移传感器测量弹簧的形变量从而实现直线机器人关节的精准力控。在有力控的同时不用安装力传感器，较好地降低了直线机器人关节的成本。
（3）通过将柔性直线机器人关节的直线位移信号进行差分，从而获得关节的直线速度，从而实现机器人关节的速度控制。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节的剖面示意图。
图2本发明实施例丝杆结构示意图。
图3本发明实施例滚柱结构示意图。
图4本发明实施例线性异形弹簧结构示意图。
图5本发明实施例柔性直线机器人关节原理示意图。
附图中的标记为：1、关节输出端盘；2、滑动轴承；3、关节上壳体；4、滑动导柱；5、红外位置传感底座；6、线性异形弹簧；7、红外位置传感读数头；8、关节中壳体；9、保持架；10、卡簧；11、丝杆；111、丝杆下侧光轴段；112、丝杆齿段；113、丝杆螺纹段；114、丝杆滑动导柱固定段；115、丝杆上侧光轴段；116、第二沟槽；117、第一沟槽；12、滚柱；121、滚柱光轴段；122、滚柱螺纹段；123、滚柱齿段；13、螺母；14、空心臂力矩电机；15、绝对式角度编码器读数头；16、绝对式角度编码器刻度盘；17、关节下壳体。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。
实施例1：如图1所示，本实施例为一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，包括：
反向式行星滚柱丝杠副，包括丝杆11、滚柱12、螺母13、保持架9和卡簧10；如图2所示，所述丝杆11由下至上依次包括丝杆下侧光轴段111、丝杆齿段112、丝杆螺纹段113、丝杆齿段112、丝杆滑动导柱固定段114和丝杆上侧光轴段115,所述丝杆下侧光轴段111开有环形的第一沟槽117，所述丝杆齿段112与所述丝杆滑动导柱固定段114之间开有环形的第二沟槽116；如图3所示，所述滚柱12包括滚柱光轴段121、滚柱螺纹段122和滚柱齿段123；所述丝杆11与所述螺母13同轴安装，在本实施例中，滚柱12的数量为六根，位于所述丝杆11与所述螺母13之间，并沿着丝杆11圆周方向均匀分布；其中，所述滚柱螺纹段122与所述丝杆螺纹段113啮合，所述滚柱齿段123与所述丝杆齿段112啮合；保持架9设有两个，分别安装于滚柱12两端的滚柱光轴段121上，用于保持运动过程中滚柱12位置，卡簧10也设有两个，分别卡在丝杆11的第一沟槽117和第二沟槽116处，用于限定保持架9的轴向位移。反向式行星滚柱丝杠副为柔性直线机器人关节的传动装置。
空心臂力矩电机14，安装于螺母13的外侧，可带动螺母13转动。空心臂力矩电机14为柔性直线机器人关节的动力装置，空心臂力矩电机14转动，会带动螺母13同步转动。
关节壳体，包括关节上壳体3、关节中壳体8和关节下壳体17，所述关节下壳体17套设于空心臂力矩电机14外侧，所述关节中壳体8位于所述关节下壳体17之上且位于螺母13上端的外侧，所述关节上壳体3位于所述关节中壳体8之上。关节壳体用于保护柔性直线机器人关节内部结构。
关节输出端盘1，贯穿设于所述关节上壳体3上端中部，并通过滑动轴承2可上下滑动的与所述关节输出端盘1连接。
绝对式角度编码器，包括绝对式角度编码器读数头15和绝对式角度编码器刻度盘16，所述绝对式角度编码器读数头15通过螺钉安装于螺母13的下端部，所述绝对式角度编码器刻度盘16通过螺钉固定于关节下壳体17内壁底端；绝对式角度编码器读数头15随着螺母13转动而记录柔性直线机器人关节的输入角度。绝对式角度编码器为柔性直线机器人关节的输入角度测量装置。
线性异形弹簧6，如图4所示，其刚度是线性的。其采用中空结构，并通过在空心圆柱侧面挖除部分材料，使得线性异形弹簧6的弹性性能更佳。本实施例中，为了进一步提高线性异形弹簧6的弹性性能，基于粒子群算法优化挖除材料部分的形状及尺寸，使得线性异形弹簧6的刚度呈现高度线性。线性异形弹簧6的材料选用合金弹簧钢，并通过采用3D打印方式加工而成，在打印成形后通过特殊热处理方式使其具有更好的弹性变形能力。线性异形弹簧6套设于丝杆上侧光轴段115外，其一端抵在丝杆滑动导柱固定段114上端面，另一端抵住关节输出端盘1下端。线性异形弹簧6为柔性直线机器人关节的柔性输出装置。
红外位置传感器，包括红外位置传感底座5和红外位置传感读数头7，所述红外位置传感底座5安装于关节输出端盘1底面，红外位置传感读数头7安装于丝杆滑动导柱固定段114的上端面，当线性异形弹簧6产生形变时，通过红外位置传感器记录形变量。红外位置传感器为柔性直线机器人关节的输出直线位移测量装置。
滑动导柱4，本实施例中，滑动导柱4设有四根，围绕所述线性异形弹簧6圆周均匀分布，一端固定于丝杆滑动导柱固定段114上，另一端穿过所述关节输出端盘1下端并与所述关节输出端盘1滑动连接，用于关节输出端盘1的支撑及限位，使关节输出端盘1只会有轴向运动。
实施例2：如图5所示，本实施例为对于实施例1中一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节的使用方法，具体如下：
S1、空心臂力矩电机14作为柔性直线机器人关节的动力输入，当空心臂力矩电机14通电后，其带动反向式行星滚柱丝杠副的螺母13旋转；由于螺母13与滚柱12存在螺旋升角差，从而螺母13带动滚柱12既做周向旋转运动，同时做轴向运动；由于滚柱12与丝杆11无螺旋升角差，滚柱12与丝杆11同步做轴向运动，且不产生轴向位移差；丝杆11轴向运动通过线性异形弹簧6传递至关节输出端盘1，从而实现关节直线输出。
S2、当关节输出端盘1有外部负载，柔性直线机器人关节运行时，线性异形弹簧6产生压缩变形；通过红外位置传感器记录关节输出端盘1的实际轴向位移量D1，绝对式角度编码器记录螺母13的转动角度θ1，根据反向式行星滚柱丝杠副的参数将螺母13的转动角度θ1转化为丝杆11的理论轴向位移D2，从而获得线性异形弹簧6的形变量为D0=D2-D1；将线性异形弹簧6的刚度K乘以形变量D0，得到柔性直线机器人关节的轴向输出力，从而实现柔性直线机器人关节的实时力控。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
通过将柔性直线机器人关节的直线位移信号进行差分，从而获得关节的直线速度，从而实现机器人关节的速度控制。因此，本实施例中实现了对柔性直线机器人关节的力控制、速度控制和位移控制。
通过将线性异形弹簧6嵌入柔性直线机器人关节的内部，并通过力控制，增加了直线机器人关节的柔顺性，从而提高了直线机器人关节的安全性。
以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，其特征在于，包括：
反向式行星滚柱丝杠副，包括丝杆(11)、滚柱(12)、螺母(13)、保持架(9)和卡簧(10)；所述丝杆(11)由下至上依次包括丝杆下侧光轴段(111)、丝杆齿段(112)、丝杆螺纹段(113)、丝杆齿段(112)、丝杆滑动导柱固定段(114)和丝杆上侧光轴段(115)，所述丝杆下侧光轴段(111)开有环形的第一沟槽(117)，所述丝杆齿段(112)与所述丝杆滑动导柱固定段(114)之间开有环形的第二沟槽(116)；所述滚柱(12)包括滚柱光轴段(121)、滚柱螺纹段(122)和滚柱齿段(123)；所述丝杆(11)与所述螺母(13)同轴安装，滚柱(12)位于所述丝杆(11)与所述螺母(13)之间，并沿着丝杆(11)圆周方向均匀分布；所述滚柱螺纹段(122)与所述丝杆螺纹段(113)啮合，所述滚柱齿段(123)与所述丝杆齿段(112)啮合；保持架(9)设有两个，分别安装于滚柱(12)两端的滚柱光轴段(121)上，用于保持运动过程中滚柱(12)位置，卡簧(10)也设有两个，分别卡在丝杆(11)的第一沟槽(117)和第二沟槽(116)处，用于限定保持架(9)的轴向位移；
空心臂力矩电机(14)，安装于螺母(13)的外侧，可带动螺母(13)转动；
关节壳体，包括关节上壳体(3)、关节中壳体(8)和关节下壳体(17)，所述关节下壳体(17)套设于空心臂力矩电机(14)外侧，所述关节中壳体(8)位于所述关节下壳体(17)之上且位于螺母(13)上端的外侧，所述关节上壳体(3)位于所述关节中壳体(8)之上；
关节输出端盘(1)，贯穿设于所述关节上壳体(3)上端中部，并与所述关节输出端盘(1)上下滑动连接；
绝对式角度编码器，用于测量螺母(13)转动角度，从而获得柔性直线机器人关节的输入角度；
线性异形弹簧(6)，其刚度是线性的，采用中空结构，并通过在空心圆柱侧面挖除部分材料，线性异形弹簧(6)套设于丝杆上侧光轴段(115)外，其一端抵在丝杆滑动导柱固定段(114)上端面，另一端抵住关节输出端盘(1)下端；
红外位置传感器，用于测量线性异形弹簧(6)的形变量；
滑动导柱(4)，围绕所述线性异形弹簧(6)圆周均匀分布，一端固定于丝杆滑动导柱固定段(114)上，另一端穿过所述关节输出端盘(1)下端并与所述关节输出端盘(1)滑动连接，用于关节输出端盘(1)的支撑及限位，使关节输出端盘(1)只会有轴向运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，其特征在于，所述滚柱(12)的数量为六根。
3.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，其特征在于，所述关节输出端盘(1)通过滑动轴承(2)可上下滑动的与所述关节输出端盘(1)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，其特征在于，所述绝对式角度编码器包括绝对式角度编码器读数头(15)和绝对式角度编码器刻度盘(16)，所述绝对式角度编码器读数头(15)通过螺钉安装于螺母(13)的下端部，所述绝对式角度编码器刻度盘(16)通过螺钉固定于关节下壳体(17)内壁底端；绝对式角度编码器读数头(15)随着螺母(13)转动而记录柔性直线机器人关节的输入角度。
5.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，其特征在于，所述红外位置传感器包括红外位置传感底座(5)和红外位置传感读数头(7)，所述红外位置传感底座(5)安装于关节输出端盘(1)底面，红外位置传感读数头(7)安装于丝杆滑动导柱固定段(114)的上端面。
6.根据权利要求1所述的一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节，其特征在于，所述滑动导柱(4)数量为四根。
7.如权利要求1～6任一所述的一种基于行星滚柱丝杠副的柔性直线机器人关节的使用方法，其特征在于，具体如下：
S1、空心臂力矩电机(14)作为柔性直线机器人关节的动力输入，当空心臂力矩电机(14)通电后，其带动反向式行星滚柱丝杠副的螺母(13)旋转；由于螺母(13)与滚柱(12)存在螺旋升角差，从而螺母(13)带动滚柱(12)既做周向旋转运动，同时做轴向运动；由于滚柱(12)与丝杆(11)无螺旋升角差，滚柱(12)与丝杆(11)同步做轴向运动，且不产生轴向位移差；丝杆(11)轴向运动通过线性异形弹簧(6)传递至关节输出端盘(1)，从而实现关节直线输出；
S2、当关节输出端盘(1)有外部负载且柔性直线机器人关节运行时，线性异形弹簧(6)产生压缩变形；通过红外位置传感器记录关节输出端盘(1)的实际轴向位移量D1，绝对式角度编码器记录螺母(13)的转动角度θ1，根据反向式行星滚柱丝杠副的参数将螺母(13)的转动角度θ1转化为丝杆(11)的理论轴向位移D2，从而获得线性异形弹簧(6)的形变量为D0=D2-D1；将线性异形弹簧(6)的刚度K乘以形变量D0，得到柔性直线机器人关节的轴向输出力，从而实现柔性直线机器人关节的实时力控。
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| CN117245687B (zh) | 2024-02-27 |
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