CN203738798U - 一种混合控制的柔性关节 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种混合控制的柔性关节，包括：带有谐波传动减速器的电机；与所述谐波传动减速器的输出轴相连的扭簧；受所述扭簧驱动的旋转机构；用于测试旋转机构扭矩的测量机构；所述测量机构由用于测量电机转轴转角的电机编码器，以及用于测量旋转机构转角的绝对式角度传感器构成。通过电机编码器和绝对式角度传感器来得到扭簧的扭转角度，将扭转角度乘以扭簧的弹性系数即可得到力矩，该测量机构结构简单且成本较低；通过限位索或者限位块来限制外环和内环的相对旋转角度，从而保护了扭簧，提高关节的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种混合控制的柔性关节。
背景技术
经过近60年的发展，工业机器人的技术已经比较成熟，并在众多领域得到了广泛的应用。但目前工业机器人的智能化程度偏低，在实际工业生产中，工业机器人与操作人员必须物理隔离，这样可以保证生产过程中操作人员的人身安全，却无法通过人机协作提高作业效率，阻碍了工业机器人在中小企业以及高端装配中的推广应用。近些年，以KUKA、ABB和BAXTER为代表的机器人公司，已经立足全新一代工业机器人交互方式的研发，人机协作已经成为新一代工业机器人智能化的目标和代表。因此，提高机器人的智能化水平，实现机器人与人协助的安全性，对我国机器人产业的发展具有重要的战略意义。
设计一种具有顺从性的柔性关节是提升机器人智能化水平和实现人机安全交互的物理基础。1995年，Gill Pratt等人发表论文“Series ElasticActuator”（串联弹性驱动关节）之后，提出了在执行器输出端与负载之间串联一个弹簧，通过检测两者的转动角度差（或位置差），乘以弹簧的弹性系数，便可得到施加在负载上的力矩，这种方式较好地实现了关节的力矩控制。其中，串联的弹簧还能作为抵抗外部冲击的滤波器，因此在抗击外部冲击时具有一定的优势。这种串联弹性关节在MIT实验室的双足机器人和六自由度机械臂中得到了应用。
时隔20年，当人们又开始把目光聚焦在柔性关节时，需要面临两个问题：第一、由于串联弹性驱动器需要检测两个部位的角度差，通常会采用两个角度传感器，使得结构设计比较复杂，成本较高；第二、通过控制力或力矩来实现关节的位置轨迹跟踪，这比没有串联弹簧时的控制要难得多。
如申请公布号为CN102632509A的专利文献公开了一种具有力反馈控制的弹性驱动模块化关节，它包括关节传动装置和力信号检测装置两部分，其中力信号检测装置由弹性扭簧、第一绝对式角度传感器和第二绝对式角度传感器组成；第一绝对式角度传感器由第一转子和第一定子组成，第一转子通过波形垫圈和卡簧固定在输出轴上，第一定子经过安装扣固定在关节外壳上，第二绝对式角度传感器由第二转子和第二定子组成，第二转子通过端盖法兰固定在输出端盖上，第二定子经套筒固定在关节法兰上。通过两个绝对式角度传感器能测量出弹性扭簧的角度差，但是这会使得结构设计比较复杂，成本较高；且弹性扭簧没有限位装置，如果扭矩超出限定范围，会导致扭簧过度扭转，极大的影响了测量的精度。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提供了一种混合控制的柔性关节。这种柔性关节结合了实际应用的需求，解决了现有柔性关节设计复杂、成本高和没有限位装置的问题。
本实用新型采取的技术方案如下:
一种混合控制的柔性关节，包括：
带有谐波传动减速器的电机；
与所述谐波传动减速器的输出轴相连的扭簧；
受所述扭簧驱动的旋转机构；
用于测试旋转机构扭矩的测量机构；
所述测量机构由用于测量电机转轴转角的电机编码器，以及用于测量旋转机构转角的绝对式角度传感器构成。
所述谐波传动减速器包括波发生器、刚轮、柔轮，所述柔轮连接有输出轴。
所述绝对式角度传感器包括相互配合的传感器转子和传感器定子，传感器定子固定在电机壳体上，传感器转子固定在旋转机构上。
作为优选，所述扭簧包括：
外环，与电机壳体的内壁转动配合；
内环，与所述谐波传动减速器的输出轴固定；
若干弹性体，固定在外环和内环之间，所述弹性体沿内环周沿均匀分布，弹性体为往复折弯的带状。扭簧可以为关节提高了柔顺和存储能量的机制，而往复折弯的带状的弹性体加工、安装方便，在扭簧内外环相互转动时，可靠性好、精度高。
所述旋转机构包括传动盘，所述传动盘与所述外环固定。扭簧通过转动盘来驱动旋转机构。
作为优选，所述外环和内环之间设有用于限定极限转角的限位索。限位索有一定的长度，在外环和内环转动到一定位置时，限位索被拉直从而限制外环和内环进一步相对转动，防止扭矩过大时对扭簧产生破坏，从而起到限位保护的作用。
作为优选，所述壳体内壁设有延伸至外环和内环之间的限位块。在外环和内环转动到一定位置时，弹性体与限位块接触，从而限制外环和内环进一步相对转动。
作为优选，所述限位块上套设有缓冲套。起到缓冲作用，保护弹性体和限位块。
作为优选，电机转轴远离旋转机构的一端为穿出电机壳体的延伸段；
所述电机编码器包括：
第一基座，与电机壳体相互固定，且处在延伸段的外围；
第一定子，固定在第一基座上；
第一转子，固定在电机转轴上，与所述第一定子相配合。
作为优选，电机定子上安装有霍尔传感器。该霍尔传感器用于电机内部的电流换相。
本实用新型的有益效果是：通过由用于测量电机转轴转角的电机编码器，以及用于测量旋转机构转角的绝对式角度传感器来得到扭簧的扭转角度，将扭转角度乘以扭簧的弹性系数即可得到力矩，该测量机构结构简单且成本较低；通过限位索或者限位块来限制外环和内环的相对旋转角度，从而保护了扭簧，提高关节的可靠性。
附图说明
图1是本实用新型混合控制的柔性关节的剖视图；
图2是本实用新型混合控制的柔性关节的结构示意图；
图3是具有限位索的平面扭簧的结构示意图；
图4是具有限位块的平面扭簧的结构示意图。
1.传感器定子，2.传感器转子，3.传动盘，4.第一轴承，5.扭簧，6.定位轴承，7.输出轴，8.十字交叉滚子轴承，9.输出法兰盘，10.柔轮，11.刚轮，12.波发生器，13.电机定子，14.电机转子，15.霍尔传感器，16.第二轴承，17.第一定子，18.电机转轴，19.第一转子，20.第一基座，21.端盖，22.弹性体，23.限位索，24.内环，25.外环，26.缓冲套，27.限位块，28.绝对式角度传感器，29.电机编码器，30.电机壳体。
具体实施方式
如图1、2所示，一种混合控制的柔性关节，包括：
带有谐波传动减速器的电机；
与谐波传动减速器的输出轴7相连的扭簧5；
受扭簧5驱动的旋转机构；
由用于测量电机转轴18转角的电机编码器29，以及用于测量旋转机构转角的绝对式角度传感器28构成的测量机构。
电机包括电机转轴18、电机壳体30、安装在电机转轴上的电机转子14以及与电机转子相互配合的电机定子13，且电机定子13上安装有霍尔传感器15。电机转轴18通过端盖21中的第二轴承16和传动盘3中的第一轴承4保证与电机外壳30的同轴性。
谐波传动减速器包括波发生器12、与电机壳体30固定的刚轮11、柔轮10，柔轮10通过输出法兰盘9与输出轴7连接。电机转轴18转动时，通过波发生器12和柔轮10，将转动经输出法兰盘9传递到输出轴7上，输出法兰9和输出轴7通过十字交叉滚子轴承8与电机壳体30转动配合。
扭簧5包括：
与电机壳体30的内壁转动配合的外环25；
与谐波传动减速器的输出轴7固定的内环24；
固定在外环和内环之间的三个弹性体22，且弹性体沿内环周沿均匀分布，弹性体为往复折弯的带状。扭簧可以为关节提高了柔顺和存储能量的机制，而往复折弯的带状的弹性体加工、安装方便，扭簧内、外环相互转动时，可靠性好、精度高。如图3所示，外环25和内环24之间设有用于限定极限转角的限位索23。限位索有一定的长度，在外环和内环转动到一定位置时，限位索被拉直从而限制外环和内环进一步相对转动，防止扭矩过大时对扭簧产生破坏，从而起到限位保护的作用。除了限位索还可以在壳体内壁设置延伸至外环和内环之间的限位块27，且限位块上套设有缓冲套26，见图4。在外环和内环转动到一定位置时，弹性体与限位块接触，从而限制外环和内环进一步相对转动，而缓冲套起到缓冲作用，保护弹性体和限位块。
旋转机构包括传动盘3，传动盘3与外环25固定，且传动盘和外环通过定位轴承与电机壳体30转动配合。绝对式角度传感器28包括相互配合的传感器转子2和传感器定子1，传感器定子1固定在电机壳体30上，传感器转子2固定在旋转机构的传动盘3上。当旋转机构旋转时，绝对式角度传感器的传感器转子2和传感器定子1发生相对运动，从而测得旋转机构旋转的角度。
电机转轴18远离旋转机构的一端为穿出电机壳体的延伸段，电机编码器29包括：
第一基座20，与电机壳体30相互固定，且处在延伸段的外围；
第一定子17，固定在第一基座上；
第一转子19，固定在电机转轴上，与第一定子相配合。
当电机转轴18旋转时，电机编码器的第一定子17和第一转子19发生相对运动，从而测得电机转轴的旋转角度。
实际工作时，通过安装在旋转机构端的绝对式角度传感器28能检测旋转机构实际转动的角度，通过将其信号作为整个关节输出角度的反馈，可以实现高精度的位置闭环控制，相比于通过嵌入力或力矩控制来实现位置控制，这种控制方法更加简单，精度更高，响应更快。通过电机编码器29和绝对式角度传感器28可以测得扭簧扭转的角度，该角度乘以扭簧的弹性系数，即可得到旋转机构实际施加的力矩。本实用新型中的柔性关节实现了力和位置的混合控制，不仅使结构设计和维护变得更加容易，而且还降低了成本，提高了系统稳定性。
Claims (9)
1.一种混合控制的柔性关节，包括：
带有谐波传动减速器的电机；
与所述谐波传动减速器的输出轴相连的扭簧；
受所述扭簧驱动的旋转机构；
用于测试旋转机构扭矩的测量机构；
其特征在于，所述测量机构由用于测量电机转轴转角的电机编码器，以及用于测量旋转机构转角的绝对式角度传感器构成。
2.根据权利要求1所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，所述绝对式角度传感器包括相互配合的传感器转子和传感器定子，传感器定子固定在电机壳体上，传感器转子固定在旋转机构上。
3.根据权利要求1所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，所述扭簧包括：
外环，与电机壳体的内壁转动配合；
内环，与所述谐波传动减速器的输出轴固定；
若干弹性体，固定在外环和内环之间，所述弹性体沿内环周沿均匀分布，弹性体为往复折弯的带状。
4.根据权利要求3所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，所述旋转机构包括传动盘，所述传动盘与所述外环固定。
5.根据权利要求3所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，所述外环和内环之间设有用于限定极限转角的限位索。
6.根据权利要求3所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，所述壳体内壁设有延伸至外环和内环之间的限位块。
7.根据权利要求6所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，所述限位块上套设有缓冲套。
8.根据权利要求1所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，电机转轴远离旋转机构的一端为穿出电机壳体的延伸段；
所述电机编码器包括：
第一基座，与电机壳体相互固定，且处在延伸段的外围；
第一定子，固定在第一基座上；
第一转子，固定在电机转轴上，与所述第一定子相配合。
9.根据权利要求1所述的混合控制的柔性关节，其特征在于，电机定子上安装有霍尔传感器。
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