CN203371555U - 力矩弹性传递模块和一体化柔性旋转关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种力矩弹性传递模块和一体化柔性旋转关节。力矩弹性传递模块包括壳体件和位于该壳体件内的轮辐件，壳体件形成为包括底壁和侧壁的筒状，侧壁的内周面上具有沿周向均布的四个扇形块，轮辐件具有中心圆筒和位于该中心圆筒周围且沿周向均布的四个连接板，每个连接板的末端与侧壁的内周壁之间具有间隙，四个扇形块和四个连接板交替设置，并且在相邻的扇形块和连接板之间具有弹性件以弹性地传递力矩。采用四个扇形块和四个连接板，使得力矩弹性传递模块的扇形块在结构上完全对称，可以提供更大的力矩，并减小了同等输出力矩条件下弹性件的刚度，便于弹性件的设计与选取，使力矩弹性传递模块的物理尺寸可以更易于微型化、集成化。

Description

力矩弹性传递模块和一体化柔性旋转关节

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及一种可以应用于机器人上的力矩弹性传递模块，以及包括该模块的一体化柔性旋转关节。

背景技术

按摩是一种非药物、无创伤、无毒副作用的自然疗法。实践证明，按摩不仅对骨伤科、内科、外科、妇科、儿科和五官科等许多疾病有较好的治疗效果，更具有保健强身、预防疾病、祛病延年的作用。同时，无服药之不便，无针刺之痛苦，容易为患者接受。然而，随着我国进入老龄化社会，按摩治疗日益增长的需求与专业按摩人员相对匮乏已经成为无法解决的供需矛盾。

为了解决上述矛盾，一方面，市场上涌现了不同种类的按摩仪或按摩椅等家用按摩设备，其原理为：人体的自身重量与按摩头充分接触，利用按摩设备主控器控制按摩头运动对人体产生被动的、规律的挤压力。通过人体自身感觉调整按摩的位置和深度，从而达到刺激血液循环、放松肌肉的目的，具有较高的安全性。但是，其运动模式无法定制、按摩力度不可控导致治疗效果有限；另一方面，科研人员将传统的工业机器人技术与主动推拿手法结合，开展了对按摩机器人原理样机的研究，并取得一定科研成果。目前，按摩机器人的原理样机均建立在工业机器人的基础上，虽然能够实现主动按摩的功能，但是按摩过程的安全性却难以保障，导致机器人很难进行临床应用。另外，目前按摩机器人构型很少采用仿人构型，即使有部分与人接触的配件采用仿人型设计，但机器人整体的友好性还是值得商榷，很难为受用者所接受。而且，现有的按摩机器人常采用机械与电路孤立化设计，虽然在机械设计和加工方面有一定的优势，但是给安装、维修及调试带来了较大的不便，很难实现按摩机器人的产品化与市场化。综上所述，现有的按摩机器人尚不能真正实现临床化、市场化和产品化。

针对家用按摩设备主要存在以下2点不足：

1、被动式按摩，按摩效果因人而异；

2、手法单一，力度不可控，治疗作用微乎其微。

针对按摩机器人主要存在以下3点不足：

1、安全性

目前研制的按摩机器人无论采用哪种构型(串联、并联和龙门式)，均建立在工业机器人的基础上进行研发，在安全性方面也是采用工业机器人的保护措施，如采用如急停开关、安全磁力锁或在机器人末端添加力矩限制器等外部设备并配合阻抗控制策略实现主动按摩，从而解决安全性问题，虽然从一定程度上降低了机器人按摩的危险性，但并没有摆脱工业机器人应用范畴的壁垒，尤其在应用过程中受到冲击力时，受限于传感器的带宽与计算机的运算速度，其安全性很难得以保障，因此，现有的按摩机器人受到了受用群体尤其是老年人患者以及社会的质疑，难以真正实现服务机器人市场化进程。

2、友好性

现有的按摩机器人延续了工业机器人的设计思路，仅从手法的实现来设计机器人。因此，设计的机器人更类似于专用设备，使受用者在心理上和身体上无法真正的放松，导致按摩效果大打折扣。

3、不方便安装调试和维修

按摩机器人在长时间使用后，不可避免的要发生部件老化或损毁。因此，需要对老化或损毁的部件进行更换或维修。现有机器人通常采用机电分离式的模块化设计。在进行维修时，通常需要对电路和机器人机构分别拆卸，拆卸比较复杂，有时甚至由于拆卸不慎造成接口部分发生损坏的情况发生，导致机器人可更换性较差，维修不便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种力矩弹性传递模块以及包括该模块的一体化柔性旋转关节，该模块结构稳定，可以提供较大的柔性力矩。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种力矩弹性传递模块，包括壳体件和位于该壳体件内的轮辐件，其特征在于，所述壳体件形成为包括底壁和侧壁的筒状，所述侧壁的内周面上具有沿周向均布的四个扇形块，所述轮辐件具有中心圆筒和位于该中心圆筒周围且沿周向均布的四个连接板，每个连接板的末端与所述侧壁的内周壁之间具有间隙，所述四个扇形块和四个连接板交替设置，并且在相邻的扇形块和连接板之间具有弹性件以弹性地传递力矩。

优选地，相邻的扇形块和连接板上分别设置有导向柱，相邻的两个导向柱之间具有间隙，所述弹性件为螺旋弹簧且套设在相邻的两个导向柱上。

优选地，所述导向柱螺纹连接到相应的扇形块和连接板上。

优选地，所述侧壁上形成有多个安装孔，紧固件穿过该安装孔将每个扇形块固定于所述侧壁的内周面上。

优选地，所述底壁的中心具有中心孔。

本实用新型还提供一种一体化柔性旋转关节，包括壳体和位于该壳体内的关节主体，其特征在于，所述关节主体包括上述任意一项所述的力矩弹性传递模块。

优选地，所述关节主体包括电机，与电机的输出端相连的减速器，柔轮输出轴，与柔轮输出轴的一端相连的力矩检测模块，与柔轮输出轴的另一端相连的位置检测模块，以及关节输出轴，所述力矩弹性传递模块的壳体件与所述减速器的输出端和所述柔轮输出轴相连，所述力矩弹性传递模块的轮辐件与所述关节输出轴相连。

优选地，所述电机为具有中空的电机轴的无框无刷电机，所述减速器为谐波减速器，所述电机轴与所述谐波减速器的波发生器相连，所述谐波减速器的杯形柔轮与所述柔轮输出轴相连，该柔轮输出轴的另一端穿过所述电机轴并向外伸出以连接到所述位置检测模块。

优选地，所述柔轮输出轴为中空轴以供电线穿过。

优选地，所述力矩检测模块和位置检测模块均为增量式编码器。

通过上述结构，采用四个扇形块和四个连接板，如此设计使得力矩弹性传递模块的扇形块在结构上完全对称，可以提供更大的力矩，并减小了同等输出力矩条件下弹性件的刚度，便于弹性件的设计与选取，而且使力矩弹性传递模块的物理尺寸可以更易于微型化、集成化。

本实用新型的其他特征和优点将在具体实施方式部分详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1所示为柔性按摩机器人的一种实施例的立体示意图。

图2所示为基座1的一种实施例。

图3所示为固定套16的一种实施例

图4所示为第一躯干31的一种实施例

图5所示为第一关节21、固定套16和第一躯干31之间的一种连接结构的剖视示意图。

图6所示为第二躯干32的一种实施例。

图7所示为第一躯干31、第二关节22和第二躯干32之间的一种连接结构的立体示意图。

图8所示为第一躯干31、第二关节22和第二躯干32之间的一种连接结构的剖视示意图。

图9所示为第二躯干32、第三关节23和第三躯干33之间的一种连接结构的立体示意图。

图10所示为第二躯干32、第三关节23和第三躯干33之间的一种连接结构的剖视示意图。

图11所示为第三躯干33、第四关节24和第四躯干34之间的一种连接结构的立体示意图。

图12所示为第三躯干33、第四关节24和第四躯干34之间的一种连接结构的剖视示意图。

图13所示为连杆4的一种实施例的示意图。

图14所示为按摩手5的一种实施例的示意图。

图15所示为一体化柔性旋转关节的一种实施例的剖视示意图。

图16所示为主壳体的一种实施例的立体示意图。

图17所示为次壳体的一种实施例的剖视示意图.

图18所示为电机驱动部分的一种实施例的立体示意图。

图19所示为电机驱动部分的一种实施例的剖视示意图。

图20所示为力矩弹性传递模块的一种实施例的立体示意图。图21所示为力矩弹性传递模块的一种实施例的剖视示意图。

图21所示为力矩弹性传递模块的一种实施例的剖视示意图。

图22所示为关节输出轴的一种实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，为了描述的方便，使用了一些方位词，例如上下左右等，这些方位词主要是根据相应视图的方向进行定义的。另外，还使用了内外等方位词，这些方位词主要是依据产品的内外进行定义的。

按摩机器人

图1所示为柔性按摩机器人的一种实施例的立体示意图。如图1所示，柔性按摩机器人主要包括基座1和安装于基座1上的机械臂2，该机械臂2包括依次连接的第一关节21、第一躯干31、第二关节22、第二躯干32、第三关节23、第三躯干33、第四关节24和第四躯干34，所述第一关节21通过固定套16安装于所述基座1上，第一关节21和第三关节23的关节输出轴的旋转轴线沿着所述机械臂2的长度方向，第二关节22和第四关节24的旋转轴线的关节输出轴的旋转轴线垂直于所述机械臂2的长度方向，并且每个关节中都具有通过弹性件传递力矩的力矩弹性传递模块。

在上述柔性按摩机器人中，共具有四个关节和四个躯干，并且第一关节和第三关节的关节输出轴的旋转轴线沿着所述机械臂的长度方向，第二关节和第四关节的旋转轴线的关节输出轴的旋转轴线垂直于所述机械臂的长度方向，因此机械臂共具有四个自由度，与人体手臂自由度分配一致，能够完成推拿等多种按摩手法。另外，机械臂的机构尺寸也可以设计成与人体手臂尺寸大小相符，脱离了工业机器人范畴，使受用者更易于接受。

此外，上述柔性按摩机器人一方面从关节的角度出发，通过在关节处添加力矩弹性传递模块，使机械臂自身具有内在的被动柔性，在与受用者接触时或受到外部冲击时产生缓冲，从而有效地保护受用者；另一方面利用阻抗控制技术使机械臂对非结构化(未知)环境产生主动柔顺，使机器人可以安全地在工作空间内完成按摩动作。综上两方面特性使柔性按摩机器人从根本上解决了安全性的问题。

下面，将结合附图通过实施例的方式对柔性按摩机器人的各个组成部分进行详细说明。

基座

图2所示为基座1的一种实施例。如图2所示，基座1主要包括底板11和侧板12，二者之间连接有肋板13以增加强度。底板11和侧板12大致上彼此垂直设置。为了提高基座1的稳固性和刚度，可以使用平行设置的两块肋板13。另外，在侧板12的上部具有一个通孔14和多个T形槽15(图中显示为四个)。第一关节21可以通过插入所述通孔14中的固定套16(见图3)以及紧固件固定于所述侧板12上。例如，紧固件可以采用T形螺栓，其与侧板12上的T形槽15配合，以便将第一关节21安装固定于侧板12上。具体的连接方式将在下文中详细说明。

固定套、第一关节和第一躯干

第一关节21可以通过多种方式安装到基座1上。作为一种实施例，第一关节21可以通过插入基座1通孔14中的固定套16以及紧固件安装到基座1上。

图3所示为固定套16的一种实施例。如图3所示，固定套16包括法兰盘161，该法兰盘161的左端可以插入到基座1的通孔14中，紧固件例如T形螺栓的头部可以配合在基座1的T形槽中，其杆部则可以穿过法兰盘161上的安装孔，然后通过螺母紧固。

固定套16上还可以形成有多个定位销孔162和螺纹孔163，第一关节21可以插入到固定套16中，然后通过穿过定位销孔162的定位销和穿过螺纹孔163的螺钉等将其保持并固定于定位套16中。

通过这种方式，可以使第一关节21的重心尽可能地靠近基座1的侧板12，从而可以优化侧板12的受力情况。

第一关节21的具体结构将在下文中详细说明。

图4所示为第一躯干31的一种实施例。如图4所示，第一躯干31主要包括主体部311，位于主体部上侧的上关节安装部312，以及位于主体部下侧的下关节安装部313，所述上关节安装部312优选形成为凹腔，所述第一关节21的一部分可以容纳并保持在该凹腔内。

所述凹腔的底壁的中心形成有非圆孔314，例如正六边形孔，该非圆孔314可以与所述第一关节21的关节输出轴形状配合以传递力矩，所述非圆孔314的周围具有多个安装孔，紧固件可以穿过该多个安装孔连接到所述第一关节21的关节输出轴上。

所述主体部311的横截面优选为方形，并且侧壁上形成有减重孔315，一方面可以增加该主体部的刚度，又可以有效减小其重量和转动惯量，使得机械臂更容易控制。所述下关节安装部313形成为两个安装孔，该两个安装孔分别位于所述主体部311的相对的两个侧壁的下部。

图5所示为第一关节21、固定套16和第一躯干31之间的一种连接结构的剖视示意图。

如图5所示，第一关节21插入固定套16中，并通过插入定位销孔162中的定位销和插入螺纹孔163中的螺钉等紧固件予以固定。第一躯干31的形成为凹腔的上关节安装部从下面套装到固定套16和第一关节21上，固定套16和凹腔之间设置有轴承，另外在第一关节21和凹腔之间同样设置有轴承，以便第一躯干31可以相对于固定套16旋转。第一关节21的关节输出轴的末端则可以与所述凹腔底壁上的非圆孔314形状配合以传递力矩，同时，可以使用螺钉等紧固件通过非圆孔314周围的安装孔紧固到关节输出轴上，以便将关节输出轴与第一躯干31固定在一起，以防止二者分离。

通过上述结构，第一关节21和固定套16插入并容纳在第一躯干31的凹腔内，由此可以使第一躯干的重心尽可能地靠近第一关节21，可以增强机械臂的整体刚度。

第一躯干和第二躯干通过第二关节相连

第一躯干31和第二躯干32通过第二关节22相连。

图6所示为第二躯干32的一种实施例。如图6所示，第二躯干32包括主体部321，位于主体部上侧的上关节安装部322，以及位于主体部下侧的下关节安装部323，所述上关节安装部322形成为具有侧壁和底壁的上安装筒，所述第二关节22的一部分容纳并保持在该上安装筒内。上安装筒上可以形成有减重孔325。

所述上安装筒的底壁的中心形成有非圆孔324，该非圆孔与所述第二关节22的关节输出轴形状配合以传递力矩，所述非圆孔324的周围具有多个安装孔，紧固件可以穿过该多个安装孔连接到所述第二关节22的关节输出轴上。

所述下关节安装部323形成为下安装筒，第三关节33的一部分可以容纳并保持在该下安装筒内。所述主体部321可以形成为相对的两块连接板，该两块连接板连接于所述上关节安装部322和下关节安装部323之间。上安装筒和下安装筒的轴线大致垂直。

图7所示为第一躯干31、第二关节22和第二躯干32之间的一种连接结构的立体示意图。图8所示为第一躯干31、第二关节22和第二躯干32之间的一种连接结构的剖视示意图。

如图7和图8所示，第二关节22插入第二躯干32的上关节安装部(上安装筒)322中，二者之间具有轴承。第二关节22的关节输出轴形状配合地插入到安装筒底壁上的非圆孔324内以传递力矩，同时，螺钉等紧固件可以穿过非圆孔324周围的安装孔连接到关节输出轴上，以便将第二关节22牢固地保持并固定在第二躯干32中。

第一躯干31的一个下关节安装部(固定环)313可以直接套在第二关节22上(图8的右侧)，并通过固定盖318和紧固件固定。为了安装方便以及使结构稳固，在第二躯干32的安装筒的底壁的外侧可以同时固定有一个随动轴316，然后将第一躯干31的另一个固定环通过轴承压盖317和轴承等安装到该随动轴316上。

第二躯干和第三躯干通过第三关节相连

图9所示为第二躯干32、第三关节23和第三躯干33之间的一种连接结构的立体示意图。图10所示为第二躯干32、第三关节23和第三躯干33之间的一种连接结构的剖视示意图。

如图9和图10所示，第三关节23插入第二躯干32的下关节安装部(下安装筒)322中，并通过紧固件保持固定。第三躯干33与第一躯干31的结构基本相同，其形成为凹腔的上关节安装部套装到第二躯干32的下关节安装部上，二者之间具有轴承。第三关节23的关节输出轴形状配合地插入到第三躯干33的凹腔底壁上的非圆孔内以传递力矩，同时，螺钉等紧固件可以穿过非圆孔周围的安装孔连接到关节输出轴上，以便将第三关节23牢固地保持并固定在第三躯干33中。

第三躯干与第一躯干结构基本相同，不再赘述。在此需要说明的是，第三躯干和第一躯干结构基本相同，是指二者的主要结构相同，例如，其同样具有主体部，位于主体部上侧的上关节安装部，以及位于主体部下侧的下关节安装部，所述上关节安装部优选形成为凹腔，该凹腔的底壁的中心可以形成有非圆孔。主体部的横截面优选为方形，并且侧壁上形成有减重孔。下关节安装部可以形成为两个安装孔，该两个安装孔分别位于所述主体部的相对的两个侧壁的下部。当然，根据具体的设计需要，可以允许二者在上述主要结构之外的一些细节上存在区别，例如减重孔的位置、数量和形状，各部分的尺寸比例等等。

第三躯干和第四躯干通过第四关节相连

图11所示为第三躯干33、第四关节24和第四躯干34之间的一种连接结构的立体示意图。图12所示为第三躯干33、第四关节24和第四躯干34之间的一种连接结构的剖视示意图。

第三躯干33与第一躯干31结构基本相同，第四躯干34与第二躯干32结构基本相同。参见上文描述，这里所述的结构基本相同同样是指主要结构相同，但允许存在设计细节的差别。第三躯干33与第四躯干34通过第四关节24连接的方式类似于第一躯干31和第二躯干32通过第二关节22的连接方式，不再赘述。

此外，如图11和图12所示，在第四躯干34的末端可以通过螺钉等紧固件连接有一个连杆4，在连杆4的末端可以连接有按摩手5。

末端连杆和按摩手

图13所示为连杆4的一种实施例的示意图。图14所示为按摩手5的一种实施例的示意图。

如图13和图14所示，连杆4可以连接到第四躯干34的底部，用以增加机械臂的长度，使得整个机械臂的长度接近正常人体手臂的长度。按摩手5则可以通过连接座51连接到连杆4的末端，用以执行按摩功能。按摩手5可以采用现有的各种按摩手，例如图示所示的三指式按摩手，可以采购自美国Barrett公司的BarrettHand的三指灵巧手。

一体化柔性旋转关节

在本实用新型的柔性按摩机器人中，使用了四个关节，分别为第一关节21、第二关节22、第三关节23和第四关节24。这些关节的结构基本相同，下面将针对该关节(亦可称之为“一体化柔性旋转关节”)进行详细说明。

图15所示为一体化柔性旋转关节的一种实施例的剖视示意图。如图15所示，该一体化柔性旋转关节主要包括壳体100和位于该壳体内的关节主体，该关节主体主要包括电机200，与电机的输出端相连的减速器300，与减速器的输出端相连的力矩弹性传递模块400，与力矩弹性传递模块的壳体件相连的柔轮输出轴500，与力矩弹性传递模块的轮辐件相连的关节输出轴600，与柔轮输出轴的一端相连的力矩检测模块700，与柔轮输出轴的另一端相连的位置检测模块800，以及电路板900。

下面将参照附图对上述各个单元进行详细说明。

壳体

如图15所示，壳体100主要包括主壳体110、次壳体120和端盖130，从而有利于壳体内部各种零部件的拆装。

电机200、位置检测模块800和电路板900主要位于主壳体110内，减速器300、力矩弹性传递模块400和力矩检测模块700则主要位于次壳体120内。端盖130用于封闭主壳体的外端。关节输出轴600从次壳体120的外端伸出。在一体化柔性旋转关节装配时，可以将电机200、减速器300、力矩弹性传递模块400等装配好后插入到主壳体110内，然后再套上次壳体120。主壳体110内端周向加工有1组通孔和1组阶梯沉头孔，通过螺钉等紧固件可以将主壳体110和刚轮固定座304连接。然后再套上次壳体120，次壳体120内端周向留有沉头通孔，螺钉等紧固件可以通过主壳体110上的通孔将次壳体120固定于刚轮固定座304，然后再固定上端盖130即可。

图16所示为主壳体的一种实施例的立体示意图。如图16所示，主壳体110的外轮廓大致形成为圆筒形，其内表面则形成有多个安装平面111以安装电路板。例如，作为一种实施例，本实用新型的一体化柔性旋转关节具有四块电路板900，分别为控制电源板、驱动电源板、控制电路板和驱动电路板，其中所述控制电源板为控制电路板提供电源，所述驱动电源板为所述驱动电路板提供电源。控制电源板和驱动电源板优选可以独立接地，从而可以避免供电时产生相互干扰。相应地，主壳体的内表面形成有四个安装平面111，其沿圆周方向等间隔分布，每块电路板安装于一个安装平面上，相邻的两个安装平面之间可以由小的平面予以过渡，因此，主壳体的内表面大致形成为八边形。

四块电路板900优选通过电线顺序地电连接在一起，从而构成一个整体单元，可以方便地内置于主壳体110内。为了降低关节重量和便于固定电路板，在主壳体的两端的外表面上分别加工有与四块电路板位置对应的四个平面112，从而可以通过螺钉等紧固件方便地将电路板固定到主壳体的内表面上。

另外，在主壳体的外端的外表面上的四个平面112中，可以在其中一个平面上安装线缆接口113，电机200可以通过该线缆接口与电路板900方便地电连接。

图17所示为次壳体的一种实施例的剖视示意图。如图17所示，次壳体120大致形成为圆筒形，其外端形成有缩口，从而可以轴向定位关节输出轴600。次壳体的内端周向形成有多个安装孔121，螺钉等紧固件穿过这些安装孔后可以将次壳体固定到刚轮固定座304上。

电机驱动部分

电机200作为动力源，为一体化柔性旋转关节提供力矩。电机优选采用无框无刷电机。

图18所示为电机驱动部分的一种实施例的立体示意图。图19所示为电机驱动部分的一种实施例的剖视示意图。具体地，如图18和图19所示，电机200主要包括定子201和转子202。在定子201的外面固定套接有电机外壳。为了拆装方便，电机外壳包括左外壳203和右外壳204两个部分，相互之间可以通过螺钉等紧固件连接在一起。优选地，左外壳和右外壳各自具有凸缘部205，螺钉等紧固件穿过该凸缘部将左右外壳连接在一起。凸缘部205优选形成为方形，以便与一体化柔性旋转关节的主壳体110内的四块电路板900相匹配，螺钉等紧固件连接于方形的凸缘部205的角部。在右外壳204的侧壁上可以具有出线口206，电机线通过该出线口引出以便连接到电路板900。

在电机的右外壳204的外端通过螺钉等紧固件连接有电机轴轴承座207，电机轴208通过轴承可转动地支撑在该电机轴轴承座207中。另外，在电机轴轴承座的外端中心处还通过螺钉等紧固件连接有柔轮输出轴轴承座209，柔轮输出轴500通过轴承可转动地支撑在该柔轮输出轴轴承座209上。柔轮输出轴500可转动地穿过电机轴208设置。

转子202位于定子201内部，在转子202的中心固定有电机轴208，转子带动该电机轴转动。电机轴优选为空心轴。

电机轴208的左端为直径扩大的扩径段，该扩径段通过螺钉等紧固件与减速器300相连(具体地，例如与谐波减速器的波发生器相连)，从而，电机轴的力矩可以通过谐波减速器的杯形柔轮输出。谐波减速器的刚轮通过螺钉等紧固件连接到刚轮固定座304上。刚轮固定座通过螺钉等紧固件连接到电机的左外壳的左端。同时，如上文所述，该刚轮固定座304可以固定连接到柔性一体化关节的主壳体110上。在刚轮固定座304的中心处同样通过螺钉等紧固件连接有电机轴轴承座，电机轴通过轴承可转动地支撑在该电机轴轴承座中。

谐波减速器300主要包括刚轮、杯形柔轮和波发生器。如上文所述，刚轮通过螺钉等紧固件连接到刚轮固定座304上，波发生器通过螺钉等紧固件连接到电机轴208的扩径段上，杯形柔轮位于波发生器和刚轮之间，用于输出力矩。

杯形柔轮通过螺钉等紧固件连接到力矩弹性传递模块400的壳体件上，用于带动壳体件转动。另外，壳体件可以通过轴承可转动地支撑在壳体件支撑轴承固定座406上，壳体件支撑轴承固定座406则可以通过螺钉等紧固件与刚轮固定座连接。

同时，杯形柔轮还通过螺钉等紧固件连接到柔轮输出轴上，从而可以将力矩同时传递给柔轮输出轴。

柔轮输出轴

如图15所示，柔轮输出轴500的右端穿过中空的电机轴向右伸出以连接到位置检测模块800的码盘，从而利用该位置检测模块可以检测到该柔轮输出轴相对于一体化柔性旋转关节的外壳100的相对转角。柔轮输出轴的左端向左延伸以连接到力矩检测模块700的码盘，从而利用该力矩检测模块可以检测到关节输出轴的输出力矩以及关节输出轴相对于该柔轮输出轴的相对转角。因此，将位置检测模块和力矩检测模块检测的相对转角相加，即可得出关节输出轴相对于一体化柔性旋转关节的外壳的相对转角，即可以由此来确定关节输出轴实际转过的角度。

柔轮输出轴的左端通过轴承可旋转地支撑在力矩弹性传递模块的轮辐件中，中部通过轴承可转动地支撑在柔轮输出轴轴承座中，右端同样通过轴承可转动地支撑在另一个柔轮输出轴轴承座中。

柔轮输出轴优选为中空轴，旋转关节所需的各种线缆可以方便地穿过该中空的柔轮输出轴。

力矩弹性传递模块

图20所示为力矩弹性传递模块的一种实施例的立体示意图。图21所示为力矩弹性传递模块的一种实施例的剖视示意图。力矩弹性传递模块400主要包括壳体件401、位于壳体内部的轮辐件402以及位于壳体件和轮辐件之间的弹性件403。通常，壳体件401用于接收力矩，并通过弹性件403将力矩传递给轮辐件402，轮辐件将力矩输出给关节输出轴600。

图21中的附图标记302表示谐波减速器中的杯形柔轮，其通过螺钉等紧固件与壳体件401相连，以便将力矩传递给壳体件401，带动壳体件401转动。附图标记406表示壳体件轴承安装座，其与壳体件401之间设置有轴承。

壳体件401大致形成为一端开口、另一端封闭的筒状。具体地，壳体件包括底壁和环绕该底壁设置的侧壁。底壁上可以设置有中心孔，以便于柔轮输出轴500穿过。

在壳体的侧壁的内表面上固定有沿圆周方向等间隔分布的四个扇形块404，例如可以通过螺钉等紧固件进行固定。轮辐件大致形成为十字形。具体地，轮辐件包括中心圆筒和形成于中心圆筒外表面上的四个连接板405，该四个连接板沿圆周方向均布于中心圆筒的外表面。中心圆筒一般与壳体底壁上的中心孔保持同心。每个连接板位于相邻的两个扇形块之间，即四个扇形块和四个连接板沿圆周方向交替设置。连接板与壳体的侧壁之间具有间隙，以便二者之间可以相对转动。在相邻的扇形块和连接板之间具有弹性件，因此，壳体件的力矩可以通过扇形块和弹性件弹性地传递给连接板，从而壳体件的转动将导致轮辐件转动。弹性件通常使用螺旋压缩弹簧。另外，由于使用了弹性件来传递力矩，可以缓冲轮辐件所受的反力矩，使得力矩弹性传递模块具有柔性，从而降低了对传感器带宽和计算机运算速度的要求，可以方便地在关节处进行力控制。

为了将弹性件稳固地保持在扇形块和连接板之间，优选地，在扇形块和连接板上分别固定有导向柱，例如直接通过螺纹连接，弹性件的两端分别套在导向柱上。套在弹性件内地两个导向柱之间具有间隙，一方面，可以使弹性件发挥弹性作用；另一方面，使弹性件的作用行程局限于间隙之间的距离，从而起到限位和保护弹性件的作用。

通过上述结构，优选地采用四个扇形块和四个连接板，如此设计使得力矩弹性传递模块的扇形块在结构上完全对称，可以提供更大的力矩，并减小了同等输出力矩条件下弹性件的刚度，便于弹性件的设计与选取，而且使力矩弹性传递模块的物理尺寸可以更易于微型化、集成化。

力矩检测模块和位置检测模块

如图15所示，力矩检测模块700用于检测力矩弹性传递模块所传递的力矩。优选地，力矩检测模块使用增量式编码器。

具体地，力矩检测模块主要包括基座、码盘和电路板。基座包括底板和形成于底板上表面上的三条支腿。底板可以通过螺钉等紧固件安装于力矩弹性传递模块中的轮辐件的连接板上。电路板可以通过螺钉等紧固件安装于三条支腿的末端，以便电路板与底板之间形成一定的空间，码盘则位于该空间内，并通过轴与力矩弹性传递模块中的壳体件保持同步。

因此，通过该增量式编码器，可以检测力矩弹性传递模块中的壳体件与轮辐件之间的相对转角。同时，根据该相对转角即可得出力矩弹性传递模块中的弹性件的弹性变形量，然后根据弹性件的刚度，即可计算出由弹性件所传递的力的大小，通过弹性件的安装位置即可计算出力矩弹性传递模块所传递的力矩大小。因此，通过该力矩检测模块，可以方便地检测力矩弹性传递模块所传递的力矩。

类似地，位置检测模块800也优选使用增量式编码器，用于检测柔轮输出轴实际转过的角度，不再赘述。

关节输出轴

图22所示为关节输出轴的一种实施例的示意图。如图22所示，关节输出轴600用于将一体化柔性旋转关节的力矩最终输出给外部单元，例如机械臂的下一个躯干。关节输出轴的外端601的外表面形成为多边形，例如六边形，从而可以方便地输出力矩。关节输出轴的内端具有安装法兰602，该安装法兰可以通过螺钉等紧固件连接到力矩弹性传递模块的轮辐件上，在传递大力矩时，该法兰可以使关节输出轴和轮辐件不产生相对运动。

关节输出轴的安装法兰上形成有多个减重孔，以减轻重量。另外，在安装法兰上形成有四组安装孔603，以便与轮辐件上的四个连接板固定连接。另外，由于关节输出轴承受较大力矩，因此每组安装孔可以包括径向对齐的两个安装孔，从而使力矩可以由两个紧固件共同传递，降低了紧固件所需的强度。

本实用新型上述的一体化旋转关节中设置了力矩弹性传递模块、扭矩检测模块和位置检测模块，能够缓冲作用在关节上的外部冲击力，并且测量一体化柔性旋转关节输出的力矩。扩大了所述一体化旋转关节的应用范围。本实用新型所述的一体化柔性旋转关节采用集机构、电路、传感于一体的模块化设计思路，通过该关节可以快速地构建出柔性按摩机器人的手臂或者腿部，具有很高的实用价值。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种力矩弹性传递模块，包括壳体件和位于该壳体件内的轮辐件，其特征在于，所述壳体件形成为包括底壁和侧壁的筒状，所述侧壁的内周面上具有沿周向均布的四个扇形块，所述轮辐件具有中心圆筒和位于该中心圆筒周围且沿周向均布的四个连接板，每个连接板的末端与所述侧壁的内周壁之间具有间隙，所述四个扇形块和四个连接板交替设置，并且在相邻的扇形块和连接板之间具有弹性件以弹性地传递力矩。

2.根据权利要求1所述的力矩弹性传递模块，其特征在于，相邻的扇形块和连接板上分别设置有导向柱，相邻的两个导向柱之间具有间隙，所述弹性件为螺旋弹簧且套设在相邻的两个导向柱上。

3.根据权利要求2所述的力矩弹性传递模块，其特征在于，所述导向柱螺纹连接到相应的扇形块和连接板上。

4.根据权利要求1所述的力矩弹性传递模块，其特征在于，所述侧壁上形成有多个安装孔，紧固件穿过该安装孔将每个扇形块固定于所述侧壁的内周面上。

5.根据权利要求1所述的力矩弹性传递模块，其特征在于，所述底壁的中心具有中心孔。

6.一种一体化柔性旋转关节，包括壳体和位于该壳体内的关节主体，其特征在于，所述关节主体包括根据权利要求1-5中任意一项所述的力矩弹性传递模块。

7.根据权利要求6所述的一体化柔性旋转关节，其特征在于，所述关节主体包括电机，与电机的输出端相连的减速器，柔轮输出轴，与柔轮输出轴的一端相连的力矩检测模块，与柔轮输出轴的另一端相连的位置检测模块，以及关节输出轴，所述力矩弹性传递模块的壳体件与所述减速器的输出端和所述柔轮输出轴相连，所述力矩弹性传递模块的轮辐件与所述关节输出轴相连。

8.根据权利要求7所述的一体化柔性旋转关节，其特征在于，所述电机为具有中空的电机轴的无框无刷电机，所述减速器为谐波减速器，所述电机轴与所述谐波减速器的波发生器相连，所述谐波减速器的杯形柔轮与所述柔轮输出轴相连，该柔轮输出轴的另一端穿过所述电机轴并向外伸出以连接到所述位置检测模块。

9.根据权利要求7所述的一体化柔性旋转关节，其特征在于，所述柔轮输出轴为中空轴以供电线穿过。

10.根据权利要求7所述的一体化柔性旋转关节，其特征在于，所述力矩检测模块和位置检测模块均为增量式编码器。

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