ES2962506T3

ES2962506T3 - Actuador torsional elástico en serie

Info

Publication number: ES2962506T3
Application number: ES19715747T
Authority: ES
Inventors: Bongsu Kim; James Douglas Debacker Jr
Original assignee: Roboligent Inc
Current assignee: Roboligent Inc
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: EP4275848A2; US20230219236A1; CN112041129A; WO2019190921A1; EP3774205B1; EP4275848A3; KR102651944B1; KR20200136460A; US20190299421A1; CA3093391A1; CN112041129B; JP7401517B2; JP2021520303A; EP3774205A1; JP2024023597A; AU2019242550A1; US11623348B2; EP3774205C0

Abstract

Un actuador elástico en serie de tipo giratorio (SEA) para uso en aplicaciones robóticas. El SEA incluye un motor, un conjunto de transmisión de engranajes, un conjunto de resorte y sensores. En un ejemplo, una articulación robótica puede incluir el SEA así como dos enlaces acoplados entre sí en el conjunto de articulación. Los dos enlaces pueden designarse como enlaces de entrada y de salida. Cada eslabón puede tener un cuerpo de alojamiento de articulación que puede estar conectado concéntricamente mediante un cojinete de articulación de modo que giren libremente uno contra el otro. El marco de la carcasa del SEA puede fijarse en el cuerpo de la carcasa de la articulación del eslabón de entrada, mientras que el soporte de salida del conjunto de resorte del SEA puede acoplarse concéntricamente con el cuerpo de la carcasa de la articulación del eslabón de salida. La rotación del rotor del motor provoca la rotación del enlace de salida con respecto al enlace de entrada más la deflexión del resorte del conjunto de resorte. Cuando se aplica una fuerza o par externo entre los dos eslabones, una acción de control de un bucle de control puede causar una rotación y una fuerza motriz del motor que conducen a la deflexión del conjunto de resorte para equilibrarse con la fuerza/par externo y la fuerza de inercia. de masas corporales que se mueven junto con los enlaces. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Actuador torsional elástico en serie

REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD(ES) RELACIONADA(S)

[0001] Esta solicitud reivindica prioridad de la solicitud provisional de EE. UU. n.° 62/649,034, presentada el 28 de marzo de 2018 y titulada "TORSIONAL SERIES ELASTIC ACTUATOR".

ANTECEDENTES

[0002] A menos que se indique lo contrario en el presente documento, los materiales descritos en esta sección no forman parte del estado de la técnica con respecto a las reivindicaciones de esta solicitud y no se admiten como estado de la técnica por su inclusión en esta sección.

[0003] Los robots son máquinas automatizadas que en muchos casos consisten en segmentos móviles del cuerpo alimentados por actuadores como motores de CC, CA, actuadores hidráulicos y neumáticos. En muchas aplicaciones, los robots están diseñados y controlados para realizar tareas en función de la posición, la trayectoria o la velocidad de sus segmentos de cuerpo. Por lo general, los actuadores están equipados con transmisiones de engranajes para reducir su velocidad de salida y aumentar la fuerza de salida adecuada para determinadas tareas. Los sensores que detectan la posición o la velocidad de la salida de los actuadores generalmente se instalan para proporcionar señales de retroalimentación a los dispositivos informáticos que controlan el movimiento de los actuadores.

[0004] En otras aplicaciones, se requiere que los robots ejerzan una fuerza precisa o una fuerza de rotación en el entorno o se desea que realicen tareas basadas en la fuerza para mejorar la estabilidad, la seguridad o la eficiencia. Por ejemplo, cuando se ponen en contacto físicamente con un entorno rígido, los robots controlados por posición tienen una alta probabilidad de volverse inestables, mientras que los robots controlados por fuerza no lo hacen. Cuando interactúan o chocan con humanos, los robots controlados por la fuerza son más seguros porque cumplen con la interacción física. Cuando ayudan al movimiento humano, los robots controlados por la fuerza pueden proporcionar una interacción más natural porque el cuerpo humano está impulsado por músculos que son actuadores controlados por la fuerza.

[0005] Los actuadores orientados al control de posición con reducción de engranajes generalmente están limitados para controlar la fuerza de salida con precisión sin retroalimentación de fuerza en sus bucles de control debido a las no linealidades de la fuerza en la etapa de reducción de engranajes, como la fricción y la fricción estática. El actuador elástico en serie (SEA), una configuración de actuador equipada con elementos compatibles para la detección de fuerza, puede lograr un alto rendimiento en el control de la fuerza con varios beneficios que incluyen estabilidad inherente, tolerancia a impactos y seguridad. Un SEA consta de un actuador, un conjunto de transmisión de engranajes, un elemento elástico (por ejemplo, un resorte o un conjunto de resortes) y sensores. Se utilizan uno o más sensores en un SEA para detectar la deflexión del elemento elástico. El elemento elástico suele ser un resorte o un conjunto de resortes cuya deflexión es proporcional a la fuerza que se le aplica. El elemento elástico o resorte(s) con el/los sensor(es) está(n) dispuesto(s) en serie con el actuador contra la salida del SEA y sirve como sensor de fuerza. Un bucle de control de retroalimentación en un ordenador de control que usa la señal de retroalimentación de fuerza controla la fuerza de salida del SEA. Esta invención incluye un actuador elástico rotatorio en serie que puede controlar una fuerza (par) de rotación precisa. La publicación CN 202622819 U describe un engranaje de dirección de robot con características conformes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0006] La descripción detallada se describe con referencia a las figuras adjuntas. En las figuras, el/los dígito(s) más a la izquierda de un número de referencia identifica(n) la figura en la que aparece el número de referencia por primera vez. El uso de los mismos números de referencia en diferentes figuras indica componentes o características similares o idénticas.

FIG. 1 ilustra un ejemplo de un actuador elástico rotatorio en serie (SEA) según algunas implementaciones. FIG. 2 ilustra un ejemplo de conjunto de junta robótico con el SEA según algunas implementaciones.

FIG. 3 ilustra un ejemplo de conjunto de junta robótico sin el SEA según algunas implementaciones.

FIG. 4 ilustra una vista en sección transversal de un ejemplo de SEA con un conjunto de junta robótico según algunas implementaciones.

FIG. 5 ilustra una vista en sección transversal de un ejemplo de SEA que excluye el conjunto de junta robótico según algunas implementaciones.

FIG. 6 ilustra otro ejemplo de vista en sección transversal de un SEA sin un conjunto de junta adjunto según algunas implementaciones.

FIG. 7 ilustra aún otro ejemplo de vista en sección transversal de un SEA sin un conjunto de junta adjunto según algunas implementaciones.

FIG. 8 ilustra un ejemplo de conjunto de resorte que puede incorporarse en un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 9 ilustra un mecanismo interno dentro del conjunto de resorte del SEA según algunas implementaciones. FIG. 10 ilustra un ejemplo de punta de herramienta que está diseñada para tensar la cuerda en el mecanismo interno del conjunto de resorte según algunas implementaciones.

FIG. 11 ilustra un ejemplo de resorte en forma de disco del conjunto de resorte del SEA según algunas implementaciones.

FIG. 12 ilustra un ejemplo de una vista superior de un resorte en forma de disco del conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 13 ilustra otro ejemplo de resorte en forma de disco del conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 14 ilustra otro ejemplo de resorte en forma de disco del conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 15 ilustra un ejemplo de mecanismo interno y un resorte de torsión inferior de un resorte en forma de disco de un conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 16 ilustra un ejemplo de disposición del conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 17 ilustra otro ejemplo de disposición del conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 18 ilustra una vista lateral del conjunto de resorte de un SEA con el espaciador 314 retirado según algunas implementaciones.

FIG. 19 ilustra un ejemplo de vista en despiece de un conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones.

FIG. 20 ilustra un ejemplo de porción de un resorte en forma de disco bajo tensión según algunas implementaciones.

FIG. 21 ilustra un ejemplo de porción de un resorte en forma de disco bajo tensión según algunas implementaciones.

FIG. 22 ilustra otro ejemplo de vista en despiece de un conjunto de junta robótico con el SEA 10 según algunas implementaciones.

FIG. 23 ilustra un ejemplo de vista de un SEA con una cubierta protectora en un conjunto de resorte según algunas implementaciones.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0007] La materia para la que se solicita protección se define en las reivindicaciones adjuntas. En el presente documento se describen implementaciones y formas de realización de ejemplos de conjuntos de actuadores para aplicaciones robóticas e incluye un actuador elástico en serie (SEA) de tipo rotatorio. El SEA incluye un motor, un conjunto de transmisión de engranajes, un conjunto de resorte y sensores. Las partes estacionarias del motor y la transmisión de engranajes se fijan comúnmente en un marco de carcasa s Ea . La salida giratoria del motor está conectada a la parte de entrada de la transmisión de engranajes, y la parte de salida de la transmisión de engranajes está acoplada con el soporte de entrada del conjunto de resorte.

[0008] El conjunto de resorte puede incluir dos resortes en forma de disco, un mecanismo interno y un sensor de posición rotatorio. El resorte de disco puede incluir segmentos de soporte interior y exterior circulares que son concéntricos y un conjunto de espirales elásticamente deformables que conectan los segmentos de soporte interior y exterior. Dos segmentos de soporte exteriores de dos resortes pueden acoplarse entre sí a través de un espaciador. Los dos segmentos de soporte interiores de un resorte y el otro resorte pueden designarse como los soportes de entrada y salida del conjunto de resorte, respectivamente. El mecanismo interno puede ubicarse entre las dos capas de resortes y configurarse para amplificar la deflexión del conjunto de resorte entre el soporte de entrada y salida. El sensor de posición rotatorio puede estar acoplado con el mecanismo interno para leer la deflexión amplificada. La lectura del sensor de la desviación del resorte puede convertirse en un valor de par y comunicarse de nuevo a un bucle de control.

[0009] En una junta robótica, puede haber dos enlaces acoplados entre sí a través de un conjunto de junta. Los dos enlaces pueden designarse como enlaces de entrada y salida. Cada enlace puede tener un cuerpo de carcasa de junta que puede estar conectado concéntricamente a través de un cojinete de junta de modo que giren libremente uno contra el otro. El marco de carcasa del SEA puede fijarse en el cuerpo de carcasa de la junta del enlace de entrada mientras que el soporte de salida del conjunto de resorte del SEA puede acoplarse concéntricamente con el cuerpo de carcasa de la junta del enlace de salida. La rotación del rotor del motor con respecto al estator del motor provoca la rotación del enlace de salida con respecto al enlace de entrada más la deflexión del resorte, si la hubiera. Cuando se aplica un par o fuerza externa entre los dos enlaces, una acción de control de un bucle de control puede provocar una rotación y una fuerza motriz del motor que conducen a la deflexión del conjunto de resorte para equilibrarse con el par/fuerza externa y la fuerza de inercia de masas corporales que se mueven junto con los enlaces.

[0010] En referencia a los dibujos, la fig. 1 muestra un ejemplo de forma de realización de un actuador elástico en serie rotatorio (SEA) 10. El<s>E<a>rotatorio incluye un motor 100, un conjunto de transmisión de engranajes 200, un conjunto de resorte 300 con un sensor (por ejemplo, un codificador absoluto) 334 y otro sensor (por ejemplo, un codificador absoluto). Los componentes adicionales y las características detalladas del SEA 10 se analizan con más detalle en los siguientes párrafos asociados con figuras adicionales.

[0011] El motor 100 puede ser un motor de corriente continua (CC) de tipo rotatorio, un motor de corriente alterna (CA), un motor hidráulico o un motor neumático, entre otras posibilidades. Por ejemplo, el tipo de motor puede ser un motor de CC sin escobillas que puede necesitar un sensor adicional (por ejemplo, un sensor de efecto Hall o un codificador de cuadratura) para la conmutación. El motor puede incluir una parte estacionaria (estator), una parte giratoria (rotor) y un eje de salida del motor que está unido al rotor. El motor genera movimiento de rotación y fuerza motriz en el eje del motor.

[0012] El conjunto de transmisión de engranajes 200 puede incluir un conjunto de componentes de transmisión de engranajes y un marco de carcasa SEA donde se fija una parte estacionaria del conjunto de transmisión de engranajes. El estator del motor 100 también puede estar comúnmente conectado a tierra en el marco de la carcasa SEA. En un ejemplo de conjunto de junta robótico, el marco de carcasa SEA puede estar conectado a tierra en un enlace de robot. El conjunto de transmisión por engranajes puede tener una entrada, una salida y partes estacionarias. Por ejemplo, en algunos casos, la transmisión de engranajes puede ser una unidad armónica (Harmonic Drive) que consta de un generador de ondas, una estría flexible y una estría circular. En una configuración preferida en esta invención, el generador de ondas, la estría flexible y la estría circular pueden asignarse como partes de entrada, salida y estacionarias del conjunto de transmisión de engranajes, respectivamente. El eje de salida del motor puede acoplarse a la parte de entrada del conjunto de transmisión de engranajes 200 y proporcionar movimiento de rotación y fuerza motriz a la transmisión de engranajes. La parte de salida del conjunto de transmisión de engranajes 200 puede acoplarse con una parte de salida de transmisión. El número de vueltas de la parte de salida de la transmisión de engranajes 200 puede reducirse del número de vueltas de la parte de entrada de la transmisión de engranajes 200 por el factor de la relación de reducción de engranajes mientras que una fuerza motriz aplicada a la parte de entrada de la transmisión de engranajes 200 del motor 100 puede amplificarse en la parte de salida de la transmisión de engranajes 200 mediante el factor de la relación de reducción de engranajes.

[0013] El sensor 250 puede ser un codificador absoluto o un potenciómetro e incluir un eje rotatorio que está conectado a la parte de salida de transmisión de la transmisión de engranajes 200 a través de una correa de distribución, entre otras posibilidades. El sensor 250 puede medir el ángulo de rotación de la salida del conjunto de transmisión de engranajes.

[0014] El conjunto de resorte 300 puede incluir dos resortes de torsión 360, un espaciador y un mecanismo interno con un sensor 334. Cada uno de los dos resortes de torsión 360 incluye un segmento de soporte interior circular 364, un segmento de soporte exterior circular 366, y un conjunto de espirales elásticamente deformables 362 que conectan los segmentos interior y exterior. Los dos resortes están acoplados entre sí a través del espaciador y el mecanismo interno reside entre los dos resortes. Hay un soporte de entrada en un resorte y un soporte de salida en el otro resorte del conjunto 300. El soporte de entrada del conjunto de resorte 300 puede acoplarse con la parte de salida de transmisión del conjunto de transmisión de engranajes 200 y el soporte de salida del conjunto de resorte 300 puede estar conectado a otro enlace de robot. El mecanismo interno con el sensor 334 (por ejemplo, codificador absoluto) detecta la deflexión rotacional del conjunto de resorte 300 entre el soporte de entrada y salida. La deflexión de los resortes puede ser proporcional al par aplicado entre el soporte de entrada y salida del conjunto de resortes y, por lo tanto, la señal medida del sensor 334 puede convertirse en el par medido aplicado al conjunto de resortes. El par medido puede retroalimentarse a un bucle de control de retroalimentación que puede controlar el motor 100 para producir el par deseado en el soporte de salida del conjunto de resorte. Cuando se aplica un par externo equivalente a un par deseado en el bucle de control al soporte de salida del conjunto de resorte, la acción de control en el motor que provoca el movimiento de rotación y la fuerza de la salida de la transmisión de engranajes puede desviar el conjunto de resorte para generar el par deseado equilibrado con el par externo. Por otro lado, la posición de rotación o la velocidad del soporte de salida del conjunto de resorte también puede controlarse mediante un bucle de control de retroalimentación que controla el movimiento de rotación del motor 100 usando una señal de retroalimentación de posición de un sensor de conmutación en el motor 100 o el sensor 250. La posición angular del soporte de salida del conjunto de resorte puede ser la suma de la posición angular de la parte de salida de la transmisión de engranajes y el ángulo de deflexión del conjunto de resorte 300. La posición angular de la parte de salida de la transmisión de engranajes puede medirse directamente mediante el sensor 250 o convertirse a partir del ángulo del motor de múltiples vueltas.

[0015] La FIG. 2 muestra un ejemplo de un conjunto de junta robótico que puede incluir un SEA 10, un enlace de entrada 40 y un enlace de salida 50. El marco de carcasa SEA del SEA 10 puede unirse al cuerpo de carcasa de la junta 42 del enlace 40, mientras que el soporte de salida del conjunto de resorte 300 del SEA 10 está acoplado con el cuerpo de carcasa de la junta 52 del enlace de salida 50 a través de una junta. En la junta, se puede fijar una pista exterior de un cojinete de la junta (por ejemplo, un cojinete de rodillos cruzados) en el cuerpo de carcasa de la junta 42 del enlace de entrada. Un lado de un eje perforado que se asienta sobre la pista interior del cojinete de la junta puede acoplarse con el cuerpo de la carcasa de la junta 52 del enlace de salida 50, mientras que el otro lado del eje perforado puede acoplarse con el soporte de salida del conjunto de resorte 300 del SEA 10. El SEA 10 genera un par motor que se transfiere al enlace de salida 50. El enlace de salida puede girar relativamente con respecto al enlace 40 alrededor del eje 30 y puede ejercer fuerza sobre el entorno.

[0016] La FIG. 3 muestra un ejemplo del conjunto de junta robótico sin el SEA 10. El eje perforado 60 está unido a la pista interior de un cojinete de junta cuya pista exterior está unida al cuerpo de carcasa de la junta 42. La sección de soporte superior 64 del eje perforado 60 puede acoplarse con el soporte de salida del conjunto de resorte 300 del SEA 10. El otro lado del eje perforado 60 está acoplado con el cuerpo de carcasa de la junta 52 del enlace 50. El eje perforado puede tener un orificio pasante 68 para cables de energía eléctrica o líneas de sensor para pasar a través de la junta. Una porción extruida 66 en el eje interior 60 puede servir como tope duro con una porción extruida 48 en el cuerpo de carcasa de la junta del enlace 40 para limitar el ángulo de rotación del enlace 50 con respecto al enlace 40.

[0017] La FIG. 4 muestra una vista en sección transversal de un ejemplo de forma de realización del SEA 10 con un conjunto de junta. Como se ha mencionado anteriormente, el SEA 10 incluye un motor 100, un conjunto de transmisión de engranajes 200 y un conjunto de resorte 300. El marco de la carcasa SEA 211 del SEA 10 está unido al cuerpo de la carcasa de la junta 42 y el conjunto de resorte 300 se coloca dentro del cuerpo de carcasa de la junta 42. El soporte de salida del conjunto de resorte 300 del SEA 10 está acoplado con la sección de soporte superior 64 en la FIG. 3 del eje perforado 60, cuyo soporte del otro lado está acoplado con el otro cuerpo de la carcasa de la junta 52. Una sección central redonda del eje perforado 60 está montada en la pista interior del cojinete de la junta 62, cuya pista exterior está fijada en el cuerpo de la carcasa de la junta 42. El cojinete de la junta 62 es preferiblemente un cojinete de rodillos cruzados que soporta cargas en todas las direcciones del enlace 50 en la FIG. 3, permitiendo únicamente la rotación libre con respecto al eje 30 en la FIG. 2. Por lo tanto, el soporte de salida del conjunto de resorte 300, el eje perforado 60 y el cuerpo de carcasa de la junta 52 están conectados de forma rígida y giran juntos con respecto a la carcasa de la junta 42. En relación con el cuerpo de carcasa de la junta 42 o el marco de la carcasa SEA 211, el ángulo de rotación del cuerpo de la carcasa de la junta 52 es la suma de la parte de salida de la transmisión 240 y la deflexión rotacional del conjunto de resorte 300 entre el soporte de entrada y salida. Con la fuerza motriz adecuadamente controlada del motor 100, la deflexión rotacional del conjunto de resorte 300 puede ser proporcional al par aplicado al cuerpo de la carcasa de la junta 52 con respecto al cuerpo de la carcasa 42.

[0018] Más específicamente, la FIG. 5 muestra una vista en sección transversal en otro plano del SEA 10 sin el conjunto de junta. Si bien la parte estacionaria del motor 100 puede estar unida a una base de motor 106, el eje del motor 104 está rígidamente acoplado con la parte de entrada de la transmisión de engranajes, el generador de ondas 222 de un Harmonic Drive, a través de un acoplador de eje 234 y una abrazadera de acoplador 232. El acoplador de eje 234 se fija con el generador de ondas 222. El acoplador de eje 234 que se desliza sobre el eje del motor 104 tiene una circunferencia exterior que se estrecha con varias ranuras en dirección axial donde la abrazadera de acoplador en forma de anillo 232 que tiene una porción hembra donde se asienta la circunferencia que se estrecha. Al apretar un conjunto de tornillos que conectan el acoplador del eje 234 y la abrazadera del acoplador 232 en dirección axial, se contrae la circunferencia exterior que se estrecha del acoplador de eje 234 y se establece una conexión rígida entre el acoplador de eje 234 y el eje del motor 104.

[0019] La estría circular 226 de un Harmonic Drive, una parte estacionaria de la transmisión de engranajes, está fijada al marco de la carcasa SEA 211. La estría flexible 224, una parte de salida de la transmisión de engranajes, está unida al soporte de entrada del conjunto de resorte 300 a través del la parte de salida de la transmisión 240 que está conectada a tierra en el marco de la carcasa SEA 211 a través de un cojinete 212. El cojinete 212 es preferiblemente un cojinete de sección delgada de contacto de cuatro puntos o un cojinete de rodillos cruzados y puede estar asegurado por una tapa de cojinete interior 214 a la parte de salida de la transmisión 240 y por una tapa de cojinete exterior 216 al marco de la carcasa SEA 211. Los componentes del Harmonic Drive se ensamblan de una manera común donde la parte de la circunferencia dentada de la estría flexible 224 se acopla con la parte dentada de la circunferencia interior de la estría circular 226 mientras que el anillo exterior del generador de ondas 222 se desliza dentro de la circunferencia interior de la estría flexible 224.

[0020] Aún en referencia a la FIG. 5, la parte de salida de transmisión 240 puede incluir una polea de correa de distribución 244 ensamblada concéntricamente que puede acoplarse con el sensor 250 a través de una polea de entrada de sensor 258 y una correa de distribución 248. El sensor 250 puede fijarse en el marco de la carcasa SEA 211 a través de un soporte de sensor 254. El sensor 250 es preferiblemente un codificador absoluto o potenciómetro y puede usarse para leer la posición angular absoluta del enlace 50 en la FIG. 3 con respecto al enlace 40 en la FIG. 3. A continuación se describen más detalles con respecto al conjunto de resorte 300 en relación con las FIGs. 8-19.

[0021] La FIG. 6 ilustra una vista en sección transversal de otro ejemplo de forma de realización del SEA 10A sin un conjunto de junta unido. Similar al ejemplo de SEA 10 de las FIGs. 4 y 5 anteriores, el SEA 10A incluye la parte estacionaria (estator) 102A unida a una carcasa de motor 106A, el rotor de motor 104A está colocado concéntricamente dentro del estator que está unido a un soporte de rotor del motor 232A. El soporte del rotor del motor 232A está acoplado con la carcasa del motor a través de un cojinete 107A, de modo que el rotor del motor 104A y el soporte del rotor 232A giren libremente con respecto al estator 102A. Un lado del soporte del rotor 232A está fijado a un eje del motor 234A que está acoplado con la parte de entrada de la transmisión de engranajes, el generador de ondas 222A de un Harmonic Drive. Un sensor sin contacto 105A (por ejemplo, un codificador de cuadratura o un codificador absoluto) que consta de un rotor circular y una parte estacionaria puede montarse en el otro lado del soporte del rotor 232A. Mientras que la parte estacionaria del sensor 105A está unida a una extensión de la carcasa del motor 106A, el rotor circular del sensor 105A está unido concéntricamente al soporte del rotor 232A. El sensor 105A puede usarse para la conmutación del motor y/o para detectar la posición del rotor del motor 104A y la parte de salida de la transmisión 240A.

[0022] La estría circular 226A de un Harmonic Drive, una parte estacionaria de la transmisión de engranajes, está fijada a un marco de carcasa SEA 211A donde está unida la carcasa del motor 106A. La estría flexible 224A, una parte de salida de la transmisión de engranajes, está unida al soporte de entrada del conjunto de resorte 300 en la FIG. 5 a través de la parte de salida de transmisión 240A que está conectada a tierra en el marco de carcasa SEA 211A a través del cojinete 212A. El cojinete 212A es preferiblemente un cojinete de sección delgada de contacto de cuatro puntos o un cojinete de rodillos transversales y puede estar asegurado por una tapa de cojinete interior 214A a la parte de salida de transmisión 240A y por una tapa de cojinete exterior 216A al marco de carcasa SEA 211A. El eje del motor 234A puede extenderse y conectarse al orificio central de la parte de salida de la transmisión 240A a través de un cojinete 109A para soportar el soporte del rotor 232A de manera más segura contra el estator del motor 102A. Los componentes del Harmonic Drive se ensamblan de manera común donde la parte de la circunferencia dentada de la estría flexible 224A se acopla con la parte dentada de la circunferencia interior de la estría circular 226A mientras que el anillo exterior del generador de ondas 222A se desliza hacia la circunferencia interior de la estría flexible 224A.

[0023] La parte de salida de transmisión 240A puede incluir una polea de correa de distribución 244A ensamblada concéntricamente que puede acoplarse con el sensor 250 en la FIG. 5 a través de una polea de entrada del sensor y una correa de distribución. El sensor 250 puede fijarse en el marco de carcasa s Ea 211A. El sensor 250 puede ser un potenciómetro o codificador absoluto y puede usarse para leer la posición angular absoluta del enlace 50 en la FIG. 3 con respecto al enlace 40 en la F<i>G. 3.

[0024] La FIG. 7 ilustra otra vista más en sección transversal del otro ejemplo de forma de realización del SEA 10B sin un conjunto de junta unido. Mientras que la parte estacionaria (estator) 102B del motor 100B está unida a una carcasa de motor 106B, el rotor de motor 104B está colocado concéntricamente dentro del estator que está unido a un soporte de rotor del motor 232B. El soporte de rotor del motor 232B está acoplado con la carcasa del motor a través de dos cojinetes, 107B y 109B, de manera que el rotor del motor 104B y el soporte del rotor 232B giran libremente con respecto al estator 102B. Un extremo del soporte del rotor 232B está fijado a la parte de entrada de la transmisión de engranajes, el generador de ondas 222B de un Harmonic Drive. El extremo del soporte del rotor 232B que se desliza en un orificio central del generador de ondas 222B puede tener un orificio cilíndrico que se estrecha con varias ranuras en dirección axial donde se asienta un cilindro cónico 234B, una contraparte macho del orificio cilíndrico cónico. Al apretar un conjunto de tornillos que conectan el soporte del rotor 232B y el cilindro cónico 234B en dirección axial, el orificio cilíndrico cónico sobresale hacia la pared del orificio central del generador de ondas 222B y crea una conexión rígida entre el soporte del rotor 232B y el generador de ondas 222B. Un sensor sin contacto 105B (por ejemplo, un codificador de cuadratura o un codificador absoluto) que consta de un rotor circular y una parte estacionaria puede montarse en el otro lado del soporte del rotor 232B. Mientras que la parte estacionaria del sensor 105B está unida a una extensión de la carcasa del motor 106B, el rotor circular del sensor 105B está unido concéntricamente al soporte del rotor 232B. El sensor 105B puede usarse para la conmutación del motor y/o para detectar la posición del rotor del motor 104B y la parte de salida de la transmisión 240B.

[0025] La estría circular 226B de un Harmonic Drive, una parte estacionaria de la transmisión de engranajes, está fijada a un marco de carcasa SEA 211B donde está unida la carcasa del motor 106B. La estría flexible 224B, una parte de salida de la transmisión de engranajes, está unida al soporte de entrada del conjunto de resorte 300 en la FIG. 5 a través de la parte de salida de la transmisión 240B que está conectada a tierra en el marco de la carcasa SEA 211B a través del cojinete 212B. El cojinete 212B es preferiblemente un cojinete de sección delgada de cuatro puntos de contacto o un cojinete de rodillos cruzados y puede estar asegurado por una tapa de cojinete interior 214B a la parte de salida de transmisión 240B y por una tapa de cojinete exterior 216B al marco de carcasa SEA 211B. Los componentes del Harmonic Drive se ensamblan de manera común, donde la parte de la circunferencia dentada de la estría flexible 224B se acopla con la parte dentada de la circunferencia interior de la estría circular 226B mientras que el anillo exterior del generador de ondas 222B se desliza hacia la circunferencia interior de la estría flexible 224B.

[0026] La parte de salida de transmisión 240B puede incluir una polea de correa de distribución 244B ensamblada concéntricamente que puede acoplarse con el sensor 250 en la FIG. 5 a través de una polea de entrada del sensor y una correa de distribución. El sensor 250 puede fijarse en el marco de carcasa SE<a>211B.

El sensor 250 es preferiblemente un potenciómetro o codificador absoluto y puede usarse para leer la posición angular absoluta del enlace 50 en la FIG. 3 con respecto al enlace 40 en la F<i>G. 3.

[0027] La FIG. 8 muestra un ejemplo de forma de realización del conjunto de resorte 300 que incluye dos resortes torsionales 360 planos y de forma circular, un espaciador 314 y un mecanismo interno 320, que se muestran en la FIG. 9 expuesta más adelante, con un sensor 334 que detecta la deflexión de los resortes. Los resortes torsionales planos y de forma circular 360 consisten en un segmento de soporte interior circular 364, un segmento de soporte exterior circular 366 y un conjunto de espirales elásticamente deformables 362 que conectan los segmentos interior y exterior. Los segmentos de soporte interior 364 y exterior 366 son concéntricos. Los segmentos exteriores 366 de los dos resortes están apilados concéntricamente y acoplados rígidamente entre sí a través del espaciador 314. El mecanismo interno 320, que se muestra en la FIG. 9 a continuación, para la detección de la deflexión del resorte, está ubicado entre los dos resortes 360 y acoplado con el sensor 334. Los segmentos de soporte interno 364 de los dos resortes 360 se designan como los soportes de entrada y salida del conjunto de resorte 300, respectivamente. El segmento de soporte interno 364 en el lado del sensor 334 puede ser preferiblemente un soporte de salida del conjunto de resorte 300 debido a la conveniencia de enrutar el cable para el sensor 334.

[0028] La FIG. 9 ilustra el mecanismo interno 320 del conjunto de resorte 300 que puede incluir un brazo de base 356, un brazo oscilante 322, una cuerda 342 y poleas 344. Por ejemplo, el mecanismo interno 320 puede estar situado dentro de la cavidad interior del espaciador 314 dentro del conjunto de resorte 300. La parte central 357 del brazo de base 356 se puede fijar a la superficie interior del segmento de soporte interno 364 de un resorte 360. Dos brazos del brazo de base 356 pueden sobresalir por encima de la superficie del resorte no más allá del diámetro interno del segmento de soporte exterior 366 del resorte 360 en la FiG. 6. En ambos extremos de los brazos, dos poleas 344 pueden estar conectadas al brazo de base 356 a través de cojinetes para rotación libre. Una parte estacionaria del sensor 334 que aparece en la FIG. 6 puede unirse a la parte central 357 del brazo de base de forma concéntrica al segmento de soporte interno 364 del resorte 360 en la FIG. 6, que tiene un expositor de un eje rotatorio 336, como entrada de sensor, del sensor 334 fuera del brazo de base. La parte central 327 del brazo oscilante 322 se puede fijar a la superficie interior del segmento de soporte interior 364 en el otro resorte de la FIG. 6. Dos brazos del brazo oscilante 322 pueden extenderse por encima de la otra superficie del resorte no más allá del diámetro interior del segmento de soporte exterior 366 del otro resorte 360. Las secciones finales de los dos brazos del brazo oscilante 322 pueden tener la forma de un arco circular cuyo centro puede coincidir con el centro del segmento de soporte interno 364 del resorte 360. El brazo de base 356 y el brazo oscilante 322 pueden estar configurados de modo que las secciones finales de los dos brazos del brazo oscilante 322 puedan colocarse en el mismo lado contra los brazos estirados del brazo de base y nivelado con las dos poleas del brazo de base, sin tener contacto físico durante su rotación relativa con respecto al eje 310 que conecta dos puntos centrales de los dos resortes 360.

[0029] Aún en referencia a la FIG. 9, la cuerda 342 (por ejemplo, cuerda de Vectran o Kevlar) cuyo extremo puede unirse al extremo de un brazo del brazo oscilante 322 discurre a través del arco circular 329 del brazo del brazo oscilante 322 y la polea 344 en el brazo de base 356, envuelve el eje del sensor 336, pasa por la otra polea 344 en el brazo de base 356 y el arco circular 329 del otro brazo del brazo oscilante, y se fija en el extremo del otro brazo del brazo oscilante 322. En ambos extremos del brazo oscilante, cada extremo de la cuerda 342 se puede unir al cuerpo del brazo oscilante usando un par de tornillos. Durante la fijación, la cuerda puede estar correctamente tensada. Cuando el brazo oscilante 322 (o el segmento de soporte interno 364 del resorte 360) gira contra el brazo base (o el segmento de soporte interno 364 del otro resorte 360) durante una deflexión elástica de los resortes 360, la rotación relativa del brazo oscilante 322 puede amplificarse y suministrarse al eje rotatorio 336 del sensor 334. El factor de amplificación puede ser proporcional a la relación entre el radio del arco circular en el brazo oscilante y el radio del eje del sensor 336. La relación de la amplificación puede estar entre 1:5 y 1:30. En esta forma de realización, el mecanismo 320 tiene una relación de aproximadamente 1:16, lo que hace un total de una resolución de aproximadamente 18 bits en la detección de la deflexión del resorte cuando se combina con un codificador absoluto de 14 bits del sensor 334. Si el conjunto de resorte 360 tiene una rigidez de 400 Nm/rad, el mecanismo 320 con una resolución de 18 bits puede detectar aproximadamente 0,01 Nm de cambio en el par aplicado al conjunto de resorte. En otros ejemplos, el mecanismo 320 puede tener una relación en el intervalo de aproximadamente 1:8 a 1:24 y el conjunto de resorte 360 puede tener una rigidez en el intervalo de aproximadamente 200 Nm/rad a aproximadamente 600 Nm/rad. En algunos casos específicos, el mecanismo 320 puede tener una rigidez en el intervalo de aproximadamente 200 Nm/rad a aproximadamente 900 Nm/rad.

[0030] Como descripción detallada de la cuerda tensora, la FIG. 10 muestra una punta de herramienta 400 que está diseñada para tensar la cuerda 342 en la FIG. 9 durante el proceso de montaje. Teniendo un extremo de la cuerda 342 fijado con dos tornillos 394 en el extremo de un brazo del brazo oscilante 322 en la FIG. 9, el otro extremo de la cuerda se puede apretar y fijar al extremo del otro brazo del brazo oscilante 322 utilizando la punta de la herramienta 400 y dos tornillos 394, que se muestran en la FIG. 9 anterior. La punta de la herramienta 400 puede tener una pequeña porción cilíndrica 410 y una porción cilíndrica grande en un solo cuerpo que están dispuestas en dirección axial concéntricamente. En el cilindro grande, puede haber un orificio abierto 422 para una llave hexagonal o equivalente y una o más ranuras 426 en el extremo del cilindro donde se puede atrapar la cuerda 342. La porción cilindrica pequeña tiene un orificio pasante concéntrico para el tomillo 394. En el proceso de enrutamiento de la cuerda 342 alrededor del mecanismo 320, que se muestra en la FIG. 9 anterior, en el extremo del otro brazo del brazo oscilante 322, el tornillo exterior 394 que está más cerca del arco circular 329 se aprieta de manera floja para que haya un espacio entre la cabeza del tornillo y el cuerpo del brazo oscilante. Otro tornillo 394 insertado en el orificio 412 desde el lado del orificio hexagonal 422 se aprieta suavemente al cuerpo del brazo oscilante, de modo que la punta de la herramienta 400 se acople al cuerpo del brazo oscilante en el lugar del tornillo interior 394. La cuerda 342 envuelve entonces el tornillo exterior debajo de la cabeza del tornillo y alrededor de la porción cilíndrica pequeña 410 y se fija en la ranura 426. El hecho de enredar la cuerda 342 alrededor del cilindro pequeño 410 girando la punta de la herramienta 400 con una llave hexagonal o equivalente insertada en el orificio 422 tensa la cuerda. Durante el proceso de tensado, la fricción en la superficie coincidente entre la punta de la herramienta y el cuerpo del brazo oscilante evita que la punta de la herramienta 400 gire en la dirección de desenredado. Una vez que la cuerda 342 está tensada, el tornillo exterior 394 se aprieta firmemente para sujetar la cuerda 342 al cuerpo del brazo oscilante 322. Para una fijación segura, se puede retirar la punta de la herramienta 400 y otro tornillo 394 puede volver a fijar el extremo de la cuerda que cuelga después de la primera fijación.

[0031] Como descripción del resorte 360 en la FIG. 6 y en las FIGs. 11-14, se muestran los detalles de ejemplos de formas de realización de un resorte 360 en forma de disco. Como se ha mencionado anteriormente, el resorte 360 puede incluir un segmento de soporte interior circular 364, un segmento de soporte exterior circular 366 y un conjunto de espirales deformables 362 que conectan los segmentos de soporte interior y exterior. El segmento de soporte interior 364 y el segmento de soporte exterior 366 tienen forma de aros circulares concéntricos. En los segmentos de soporte interior 364 y exterior 366, puede haber varios orificios pasantes y orificios para tornillos para conectar las otras partes. El diámetro 373 y el grosor 371 del resorte 360 pueden depender de la rigidez rotacional prevista, el par máximo permitido, la forma de la espiral deformable y la resistencia del material. Por ejemplo, las espirales deformables 362 se pueden formar a partir de materiales de aleación de acero. En las FIGs. 11 y 12, el resorte 360 tiene aproximadamente 76 milímetros (mm) de diámetro y aproximadamente 5 mm de grosor, tiene aproximadamente 800 Nm/rad de rigidez y aproximadamente 35 Nm de par máximo permitido con un factor de seguridad de más de 2 basado en el límite elástico de los materiales preferidos (por ejemplo, acero martensítico C300 o acero inoxidable 17-4 con condición H-900). Por lo tanto, el conjunto de resorte 300 en la FIG. 8 que incluye una conexión en serie de dos resortes 360 tiene aproximadamente 400 Nm/rad de rigidez y alrededor de 35 Nm de par máximo permitido.

[0032] Como otro ejemplo de forma de realización del resorte 360, con cambios en la forma de las espirales, el resorte 360A de la FIG. 13 tiene el mismo diámetro exterior y grosor, pero tiene una rigidez de aproximadamente 1000 Nm/rad y alrededor de 50 Nm de par máximo permitido con un factor de seguridad de más de 2 para los mismos materiales anteriores. Por lo tanto, el conjunto de resorte 300 de la FIG. 8 que incluye una conexión en serie con los dos resortes 360A tiene aproximadamente 500 Nm/rad de rigidez y aproximadamente 50 Nm de par máximo permitido. Otra variación en el diseño del resorte es el grosor que es proporcional a la rigidez del resorte en la misma configuración. Por ejemplo, si un resorte que tiene el mismo contorno que el resorte 360A tiene aproximadamente 6 milímetros de grosor, el resorte tiene aproximadamente 1200 Nm/rad de rigidez y alrededor de 60 Nm de par máximo permitido, lo que lleva a aproximadamente 600 Nm/rad de rigidez para el conjunto de resorte 300 en la FIG. 8. Por lo tanto, en algunos ejemplos, el resorte puede tener un diámetro de entre 60 mm y 90 mm y un grosor de entre 2 mm y 8 mm. En estos ejemplos, la rigidez del resorte puede variar entre 200 Nm/rad y 1200 Nm/rad y entre 25 Nm y 60 Nm de par máximo permitido. En otros casos, la rigidez del resorte puede variar entre 400 Nm/rad y 1800 Nm/rad y entre 20 Nm y 100 Nm de par máximo permitido.

[0033] Las espirales 362 tienen una sección gruesa interior 363 cerca del segmento de soporte interior 364, una sección delgada media 365 y una sección gruesa exterior 367 cerca del segmento de soporte exterior 366. Cuando el grosor se mide en perpendicular a la línea central entre las dos estrías de borde de la espiral, la relación de grosor entre la parte más gruesa de la sección gruesa interna 363, la parte más delgada de la sección delgada central 365 y la parte más gruesa de la sección gruesa externa 367 es de alrededor de 10:1:9 para el resorte 360 en la FIG. 12 y alrededor de 9:1:8 para el resorte 360A en la FIG. 13. Además, el grosor más delgado de la sección delgada central 365 es de alrededor de 1,36 mm para el resorte 360 en la FIG. 12 y alrededor de 1,47 mm para el resorte 360A en la Fig. 13. En algunos ejemplos, la sección delgada central puede estar entre 1,00 mm y 1,70 mm para el resorte 360 o 360A. Las espirales 362 que parten del segmento de soporte interior 364 pueden circular alrededor del segmento de soporte interior 364 mientras se acercan continuamente al segmento de soporte exterior 366. Las espirales están configuradas para dar la mayor vuelta posible (más de medio círculo en el resorte 360 y 360A) sin tocarse entre sí y tomar una parte importante del área interior entre los segmentos de soporte interior 364 y exterior 366 para minimizar el diámetro 373 y el grosor 371 del resorte 360 en la FIG. 13 con la rigidez dada y el par máximo permitido. Las estrías de las espirales están configuradas para que la deformación de las espirales pueda ocurrir uniformemente en todo el cuerpo de la espiral sin concentración de tensión durante un esfuerzo de par entre los segmentos de soporte interior 364 y exterior 366. La curvatura de la esquina aguda interna 375 y la esquina aguda externa 376 puede diseñarse para evitar la concentración de tensión.

[0034] La FIG. 14 ilustra otro ejemplo de resorte en forma de disco del conjunto de resorte 300 de un SEA 10 según algunas implementaciones. Como otro ejemplo de forma de realización del resorte 360B, con cambios en la forma de las espirales y el número de espirales, el resorte 360B de la FIG. 14 tiene un diámetro exterior menor, pero el mismo grosor que los resortes 360 y/o 360A. Por ejemplo, el diámetro del resorte 360B puede ser de 66 mm y el grosor puede ser de 5 mm, pero tiene una rigidez de aproximadamente 820 Nm/rad y alrededor de aproximadamente 30 Nm de par máximo permitido con un factor de seguridad de más de 2 para los mismos materiales que los resortes 360 y/o 360A indicados anteriormente.

[0035] Debe entenderse que, si bien los resortes 360, 360A y 360B descritos anteriormente son tres ejemplos de resortes que se pueden usar junto con el SEA 10, también se pueden usar otras disposiciones de los resortes 360. Por ejemplo, puede usarse un resorte que tenga cinco o más espirales deformables.

[0036] La FIG. 15 ilustra un ejemplo de mecanismo interno 320 y un resorte de torsión inferior 360 de un resorte en forma de disco de un conjunto de resorte de un SEA según algunas implementaciones. El resorte 360 puede incluir un segmento de soporte interior circular 364, un segmento de soporte exterior circular 366 y un conjunto de espirales deformables 362 que conectan los segmentos de soporte interior y exterior. El mecanismo interno 320 puede incluir un brazo de base 356, un brazo oscilante 322, una cuerda 342 y poleas 344. Como se muestra, el mecanismo interno 320 está situado sobre el resorte inferior 360 dentro de la cavidad interior creada por el espaciador 314. En el ejemplo actual, en ambos extremos de los brazos, puede haber dos poleas 344 conectadas al brazo de base 356 a través de cojinetes para rotación libre. Nuevamente, la FIG. 10 muestra una punta de herramienta 400 que está diseñada para tensar la cuerda 342 fijada por los tornillos 394 en el extremo de cada brazo del brazo oscilante 322.

[0037] Las FIGs. 16 y 17 ilustran ejemplos de disposiciones del conjunto de resorte 300A y 300B de un SEA 10 según algunas implementaciones. En el conjunto de resorte 300A, las espirales 362 tanto del resorte superior como del inferior 360 están dispuestas en la misma dirección. Sin embargo, los resortes 360 están desplazados 90 grados entre sí, de modo que las espirales 362 también están desplazadas 90 grados. En el conjunto de resorte 300B, los resortes superior e inferior están alineados a lo largo de los ejes X e Y (por ejemplo, no desplazados entre sí), pero las espirales 362 están dispuestas en direcciones opuestas.

[0038] Debe entenderse que, si bien los conjuntos de resortes 300A y 300B descritos anteriormente son dos ejemplos de conjuntos que se pueden usar junto con el SEA 10, también se pueden usar otras disposiciones del conjunto de resortes 300. Por ejemplo, el conjunto de resortes 300 puede tener un par de resortes coincidentes 360 que pueden colocarse en la misma dirección con las espirales alineadas a lo largo de los ejes X e Y. En otro ejemplo, el conjunto de resorte 300 puede utilizar dos resortes diferentes, como el resorte 300A y 300B.

[0039] La FIG. 18 ilustra una vista lateral del conjunto de resorte 300 de un SEA 10 con el espaciador 314 retirado según algunas implementaciones. En el ejemplo actual, el conjunto de resorte 300 incluye dos resortes de torsión planos y de forma circular 360 y un mecanismo interno 320 con un sensor 334 que detecta la deflexión de los resortes 360. Como se muestra, los dos resortes están apilados concéntricamente y desplazados entre sí en la dirección Z. Los dos resortes 360 también están acoplados entre sí de forma rígida mediante sujeciones 393 que se extienden a través de ambos resortes 360 y el espaciador 314, como se ilustra con respecto a la FIG.

19 a continuación. En general, el mecanismo interno 320 ubicado entre los dos resortes 360 está configurado para detectar la deflexión de los resortes 360 con el sensor 334. En algunos casos, puede haber un brazo oscilante 322 del mecanismo interno 320 situado dentro de la cavidad interior del espaciador 314.

[0040] La FIG. 19 ilustra un ejemplo de vista en despiece de un conjunto de resorte 300 de un SEA 10 según algunas implementaciones. El conjunto de resorte 300 que incluye dos resortes de torsión planos y de forma circular 360, un espaciador 314 y un mecanismo interno 320 con un sensor 334 que detecta la deflexión de los resortes. Cada uno de los resortes torsionales de forma plana y circular 360 consta de un segmento de soporte interior circular 364, un segmento de soporte exterior circular 366 y un conjunto de espirales elásticamente deformables 362 que conectan los segmentos interior y exterior. Los segmentos exteriores 366 de los dos resortes están apilados concéntricamente y acoplados de forma rígida entre sí a través del espaciador 314. El mecanismo interno 320 para la detección de la deflexión del resorte está ubicado entre los dos resortes 360 y acoplado con el sensor 334. Los segmentos de soporte internos 364 de los dos resortes 360 se designan como soportes de entrada y salida del conjunto de resorte 300, respectivamente. El segmento de soporte interno 364 en el lado del sensor 334 pueden ser preferiblemente soportes de salida del conjunto de resorte 300 debido a la conveniencia de enrutar el cable para el sensor 334. En el ejemplo actual, los resortes 360 están alineados de tal manera que los conjuntos respectivos de las espirales elásticamente deformables 362 discurren en dirección opuesta. Sin embargo, en otras implementaciones, los resortes 360 están alineados de manera que los respectivos conjuntos de espirales elásticamente deformables 362 discurren en la misma dirección o están apilados.

[0041] En algunos casos, el mecanismo interno 320 del conjunto de resorte 300 puede incluir un brazo de base 356, un brazo oscilante 322 y poleas 344. Por ejemplo, el mecanismo interno 320 puede estar situado dentro de la cavidad interior del espaciador 314, como se muestra, dentro del conjunto de resorte 300. El brazo de base 356 se puede fijar a la superficie interior del segmento de soporte interno de los resortes 360. Dos brazos del brazo de base 356 pueden sobresalir por encima de la superficie del resorte no más allá del diámetro interno del segmento de soporte exterior del resorte 360. En ambos extremos de los brazos, dos poleas 344 pueden estar conectadas al brazo de base 356 a través de cojinetes para rotación libre. Una parte estacionaria del sensor 334 se puede unir al brazo de base de forma concéntrica al segmento de soporte interno del resorte 360.

[0042] Cuando el brazo oscilante 322 gira contra el brazo de base 356 durante una deflexión elástica de los resortes 360, la rotación relativa del brazo oscilante 322 puede amplificarse y suministrarse al eje rotatorio 336 del sensor 334. El factor de amplificación puede ser proporcional a la relación entre el radio del arco circular en el brazo oscilante y el radio del eje del sensor 336. La relación de la amplificación puede estar entre 1:5 y 1:30. En algunos casos, el mecanismo 320 tiene una relación de aproximadamente 1:16, lo que hace un total de una resolución de aproximadamente 18 bits en la detección de la deflexión del resorte cuando se combina con un codificador absoluto de 14 bits del sensor 334. Por ejemplo, si el conjunto de resorte 360 tiene 400 Nm/rad de rigidez, el mecanismo 320 con una resolución de 18 bits puede detectar aproximadamente 0,01 Nm de cambio en el par aplicado al conjunto de resorte. En otros ejemplos, el mecanismo 320 puede tener una relación en el intervalo de aproximadamente 1:8 a 1:24 y el conjunto de resorte 360 puede tener una rigidez en el intervalo de aproximadamente 200 Nm/rad a aproximadamente 900 Nm/rad.

[0043] Como se ha mencionado anteriormente, los resortes 360 pueden incluir un segmento de soporte interior circular 364, un segmento de soporte exterior circular 366 y un conjunto de espirales deformables 362 que conectan los segmentos de soporte interior y exterior. El segmento de soporte interior 364 y el segmento de soporte exterior 366 tienen forma de aros circulares concéntricos. En los segmentos de soporte interior 364 y exterior 366, puede haber varios orificios pasantes y orificios para tornillos para conectar las otras partes. El diámetro 373 y el grosor 371 del resorte 360 pueden depender de la rigidez rotacional prevista, el par máximo permitido, la forma de la espiral deformable y la resistencia del material.

[0044] Las FIGs. 20 y 21 ilustran un ejemplo de porción de un resorte 360 en forma de disco bajo tensión de acuerdo con algunas implementaciones. Por ejemplo, el radio mínimo 372 de la esquina aguda 375 en la Fig. 12 no puede ser inferior a 0,6 mm y el radio mínimo 374 en la FIG. 21 de la esquina aguda 376 en la Fig. 13 puede no ser inferior a 0,57 mm. Como resultado, las espirales 362 pueden deformarse sólo elásticamente dentro de un par máximo permitido previsto. Por ejemplo, cuando se aplica un par de 30 Nm, la tensión (en von Mises) a lo largo de las espirales del resorte 360 en la Fig. 12 y el resorte 360A en la Fig. 20 no superan aproximadamente 460 MPa y aproximadamente 410 MPa, respectivamente. En este ejemplo específico, hay cuatro espirales deformables. Puede adoptarse un número diferente de espirales, pero puede cambiar la forma de la espiral para una rigidez dada y un par máximo permitido.

[0045] Aún en referencia a la FIG. 12, cuando se aplica un par máximo permitido entre el segmento de soporte interior 364 y exterior 366, múltiples puntos en los cuerpos de las espirales pueden interferir entre sí y servir como un tope duro. Cuando un par excesivo gira el segmento de soporte interior 364 en sentido antihorario con respecto al segmento de soporte exterior 366, en los cuatro canales estrechos exteriores 381, la sección delgada central 365 de una espiral 362 sobresale y puede interferir con la sección gruesa exterior 367 de la otra espiral 362. La anchura de los canales estrechos exteriores es de alrededor de 0,7 mm para el resorte 360 en la Fig. 12 y alrededor de 0,8 mm para el resorte 360A en la Fig. 13. De manera similar, cuando se aplica un par excesivo en la dirección inversa, en los cuatro canales estrechos internos 383, la sección delgada central 365 de una espiral 362 se contrae hacia adentro y puede interferir con la sección gruesa interna 363 de la otra espiral 362 evitando una deformación excesiva de las espirales. La anchura de los canales estrechos interiores es de aproximadamente 0,8 mm para el resorte 360 y de aproximadamente 0,9 mm para el resorte 360A. Estas interferencias provocan un aumento no lineal de la rigidez del resorte 360 y sirven como tope duro para evitar una deformación excesiva del resorte si se aplica un par máximo permitido superior al previsto. En algunos ejemplos, los canales estrechos exteriores pueden tener entre 0,5 mm y 0,9 mm y los canales estrechos interiores pueden tener entre 0,6 mm y 1,1 mm para el resorte 360 o 360A.

[0046] La FIG. 22 ilustra otro ejemplo de vista en despiece de un conjunto de junta robótico con el SEA 10 según algunas implementaciones. El marco de carcasa SEA del SEA 10 puede unirse al cuerpo de carcasa de la junta 42 del enlace 40 mientras que el soporte de salida del conjunto de resorte 300 del SEA 10 está acoplado con la sección de soporte superior 64 del cuerpo de carcasa de la junta 52 del enlace de salida 50 a través del cojinete de junta 62. En la junta, se puede fijar una pista exterior de un cojinete de junta (por ejemplo, un cojinete de rodillos cruzados) en el cuerpo de carcasa de la junta 42 del enlace de entrada. Un lado de un eje perforado que se asienta sobre la pista interior del cojinete de la junta puede acoplarse con el cuerpo de la carcasa de la junta 52 del enlace de salida 50, mientras que el otro lado del eje perforado puede acoplarse con el soporte de salida del conjunto de resorte 300 del SEA 10. El SEA 10 genera un par motor que se transfiere al enlace de salida 50. El enlace de salida puede girar relativamente con respecto al enlace 40 alrededor del eje 30 y puede ejercer fuerza sobre el entorno.

[0047] La FIG. 23 ilustra un ejemplo de vista de un SEA 10 con una cubierta protectora en un conjunto de resorte según algunas implementaciones. En el ejemplo actual, el SEA 10 rotatorio incluye un motor 100, un conjunto de transmisión de engranajes 200 y un conjunto de resorte 300 con un sensor (por ejemplo, un codificador absoluto) 334. Los componentes adicionales y las características detalladas del SEA 10 se analizan con más detalle en los siguientes párrafos en relación con figuras adicionales.

[0048] Mientras que las FIGs. 1-23 muestran varias vistas, ejemplos e implementaciones, debe entenderse que las características de las FIGs. 1-23 pueden ser aplicables a cualquiera de las implementaciones ilustradas. Además, términos como "aproximadamente", "alrededor de" y "sustancialmente" son términos relativos e indican que, aunque dos valores pueden no ser idénticos, su diferencia es tal que el aparato o método todavía proporciona el resultado indicado o deseado, o que el funcionamiento de un dispositivo o método no se ve afectado negativamente hasta el punto en que no pueda realizar su propósito previsto. Como ejemplo, pero sin carácter limitativo, si se menciona una altura de "aproximadamente X mm", una altura menor o mayor sigue siendo de "aproximadamente X mm" si aún se puede realizar la función deseada o aún se puede lograr el resultado deseado.

[0049] Aunque el objeto se ha descrito en un lenguaje específico de las características estructurales, debe entenderse que el objeto definido en las reivindicaciones anexas no se limita necesariamente a las características específicas descritas. Más bien, las características específicas se describen como formas ilustrativas de implementación de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Actuador elástico rotatorio en serie (SEA) (10) que comprende:

un conjunto de transmisión de engranajes (200);

un motor (100) acoplado al conjunto de transmisión de engranajes (200), siendo el motor (100) para suministrar un par o potencia a la transmisión de engranajes;

un conjunto de resorte (300) acoplado a la transmisión de engranajes, incluyendo el conjunto de resorte: un primer resorte de torsión (360) que incluye un primer conjunto de espirales elásticamente deformables (362); y

un segundo resorte de torsión (360) que incluye un segundo conjunto de espirales elásticamente deformables (362), estando el primer resorte de torsión acoplado al segundo resorte de torsión a través de un espaciador; estando el actuador elástico rotatorio en seriecaracterizado por que

un mecanismo interno (320) que reside entre el primer resorte torsional (360) y el segundo resorte torsional (360), estando configurado el mecanismo interno para detectar una deflexión rotacional del conjunto de resorte (300) y proporcionar la deflexión rotacional como un valor de entrada de par medido a un controlador del motor (100), donde

el mecanismo interno (320) incluye:

un brazo base (356);

un sensor (334);

un brazo oscilante (322) acoplado de forma móvil al brazo base (356) y conformado como un arco circular, incluyendo el brazo oscilante un primer brazo y un segundo brazo;

una primera polea (344) acoplada a un primer extremo del brazo base (356);

una segunda polea (344) acoplada a un segundo extremo del brazo base (356), siendo el segundo extremo opuesto al primero; y

una cuerda (342) acoplaba el primer brazo del brazo oscilante y el segundo brazo del brazo oscilante y se tensa alrededor de la primera polea, la segunda polea, y un eje rotatorio del sensor.

2. SEA (10) según la reivindicación 1, donde el conjunto de transmisión de engranajes (200) es un Harmonic Drive que incluye un generador de ondas, una estría flexible y una estría circular.

3. SEA (10) según la reivindicación 1 o 2, donde el mecanismo interno (320) también incluye al menos un primer tornillo (394) acoplado al primer brazo y al menos un segundo tornillo (394) acoplado al segundo brazo, siendo el al menos un primer tornillo y el al menos un segundo tornillo para tensar la cuerda (342).

4. SEA (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, donde un factor de amplificación de una rotación relativa del brazo oscilante (322) es proporcional a una relación entre un radio del arco circular en el brazo oscilante (322) y un radio del eje rotatorio del sensor (334).

5. SEA (10) según la reivindicación 4, donde el factor de amplificación de la rotación relativa del brazo oscilante (322) está entre 1:5 y 1:30.

6. SEA (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el conjunto de resorte (300) tiene una rigidez entre aproximadamente 200 Nm/rad y aproximadamente 900 Nm/rad.

7. SEA (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo, además:

un enlace de salida (50) acoplado a una carcasa de junta (52) a través de una junta giratoria y al conjunto de resorte (300), de manera que el conjunto de resorte (300) y el enlace de salida (52) giran juntos contra la junta giratoria;

un marco de carcasa asociado con el conjunto de transmisión de engranajes; y

un enlace de entrada (40) acoplado al marco de la carcasa.

8. SEA (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el valor de entrada de par medido se basa, al menos en parte, en una carga en un enlace de salida del SEA.

9. SEA (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer resorte torsional (360) incluye un primer soporte interior circular (364) y un primer soporte exterior circular (366);

un segundo resorte torsional (360) incluye un segundo soporte interior circular (364) y un segundo soporte exterior circular (366), estando acoplado el primer soporte exterior circular al segundo soporte exterior circular a través del espaciador; y donde cada una de las espirales elásticamente deformables (362) incluye un segmento grueso interno acoplado al soporte interior circular (364), un segmento grueso externo acoplado al soporte exterior circular (366), y una sección fina intermedia conectada entre el segmento grueso interior y el segmento grueso exterior.

10. SEA (10) según la reivindicación 9, donde un grosor relativo del segmento grueso interior con respecto a la sección delgada media está en una relación entre 11:1 y 8:1 y un grosor relativo de la sección delgada media con respecto al segmento grueso exterior está en una relación entre 1:10 y 1:7.

11. SEA (10) según la reivindicación 9 o 10, donde el muelle de torsión tiene una rigidez de entre 400 Nm/rad y 1800 Nm/rad.

12. SEA (10) según cualquiera de las reivindicaciones 9-11, donde el conjunto de espirales elásticamente deformables (362) incluye al menos dos espirales individuales y cada una de las espirales elásticamente deformables evita que al menos otra espiral elásticamente deformable experimente una sobredeformación durante el uso.