串聯彈性驅動器及機器人關節的製作方法

2023-09-22 03:42:00

本實用新型屬於機器人技術領域，具體地來說，是一種串聯彈性驅動器及機器人關節。

背景技術：

機器人是自動執行工作的機器裝置。隨著人工智慧技術的發展，機器人有了長足的進步，其功能日益豐富。機器人可以協助或取代人類的工作，極大地提高了生活質量和生產效率，避免人工操作的危險，因而越來越多地被應用於各個領域。

機器人一般由執行機構、驅動器、檢測裝置和控制系統和複雜機械等組成。其中，驅動器是驅使機器人發出動作的動力機構，是機器人關節不可或缺的關鍵部件。

目前的驅動器由於其設計結構所限，結構尺寸過於龐大，導致機器人關節整體尺寸偏大，對機器人的應用場合形成了很大的限制。同時，其結構尺寸偏大造成傳動效率低下，傳動可靠性較差。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種串聯彈性驅動器，通過緊湊的結構實現了可靠的機械傳動。

本實用新型的目的通過以下技術方案來實現：

一種串聯彈性驅動器，包括電機驅動組、傳動組與驅動器輸出組，其中：

所述電機驅動組的輸出端與所述傳動組的輸入端連接；

所述傳動組包括形成繩傳動關係的主動迴轉機構、從動迴轉機構及柔索，所述主動迴轉機構可在所述電機驅動組驅動下實現旋轉運動，所述主動迴轉機構的旋轉中心軸與所述從動迴轉機構的旋轉中心軸垂直，所述柔索分別緊繞於所述主動迴轉機構與所述從動迴轉機構的迴轉表面上；

所述驅動器輸出組的輸入端與所述從動迴轉機構連接，可在所述從動迴轉機構的驅動下實現旋轉運動，所述驅動器輸出組的輸出端設有用於連接外部執行件的連接部；

所述串聯彈性驅動器還包括第一傳感器、第二傳感器；

所述第一傳感器用於測量所述傳動組輸入端的角位移與角速度；

所述第二傳感器用於測量所述驅動器輸出組的角位移與角速度。

作為上述技術方案的改進，所述主動迴轉機構與所述從動迴轉機構之間設有柔索支撐軸，所述柔索支撐軸的中心軸與所述從動迴轉機構的中心軸平行，所述柔索張緊於所述柔索支撐軸外表面。

作為上述技術方案的進一步改進，所述柔索支撐軸上設有支撐軸承，所述柔索張緊於所述支撐軸承外表面。

作為上述技術方案的進一步改進，所述驅動器輸出組包括驅動彈簧與驅動器輸出杆，所述驅動彈簧兩端分別連接所述從動迴轉機構與所述驅動器輸出杆，所述驅動器輸出杆上設有所述連接部。

作為上述技術方案的進一步改進，所述驅動彈簧為弧形彈簧、盤式彈簧、扭轉彈簧、直線彈簧中的一種。

作為上述技術方案的進一步改進，所述從動迴轉機構包括一體轉動的從動轉輪與彈簧支架，所述彈簧支架與所述驅動彈簧連接。

作為上述技術方案的進一步改進，所述主動迴轉機構包括繞線筒及繞線筒支架，所述繞線筒的迴轉軸端與所述電機驅動組的輸出端連接，所述柔索緊繞於所述繞線筒的迴轉表面上。

作為上述技術方案的進一步改進，所述柔索上設有用於張緊所述柔索的張緊輪。

作為上述技術方案的進一步改進，所述電機驅動組的輸出端通過齒輪傳動組與所述第一編碼器連接。

一種機器人關節，包括第一關節部及第二關節部，所述第一關節部包括串聯彈性驅動器及外殼，所述串聯彈性驅動器包括電機驅動組、傳動組與驅動器輸出組：

所述電機驅動組的輸出端與所述傳動組的輸入端連接，所述電機驅動組的輸出端設有第一編碼器；

所述傳動組包括形成繩傳動關係的主動迴轉機構、從動迴轉機構及柔索，所述主動迴轉機構可在所述電機驅動組驅動下實現旋轉運動，所述主動迴轉機構的旋轉中心軸與所述從動迴轉機構的旋轉中心軸垂直，所述柔索分別緊繞於所述主動迴轉機構與所述從動迴轉機構的迴轉表面上；

所述驅動器輸出組的輸入端與所述從動迴轉機構連接，可在所述從動迴轉機構的驅動下實現旋轉運動，所述驅動器輸出組的輸出端設有用於連接所述第二關節部的連接部，所述驅動器輸出組上設有第二編碼器。

本實用新型的有益效果是：通過設置具有垂直布置的主動迴轉機構與從動迴轉機構的傳動組，進而形成繩傳動關係，有效地減小了傳動組的空間尺寸，同時通過設置編碼器控制其傳動精度，進而設置包括具有串聯彈性驅動器的第一關節部及第二關節部，提供了一種結構緊湊、傳動可靠的串聯彈性驅動器及機器人關節。

為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本實用新型實施例1提供的串聯彈性驅動器的整體結構透視圖；

圖2是本實用新型實施例1提供的串聯彈性驅動器的第一局部透視圖；

圖3是本實用新型實施例1提供的串聯彈性驅動器的第二局部透視圖；

圖4是本實用新型實施例1提供的串聯彈性驅動器的第三局部透視圖；

圖5是本實用新型實施例1提供的機器人關節的結構示意圖。主要元件符號說明：

10000-機器人關節，1001-第一關節部，1000-串聯彈性驅動器，0100-電機驅動組，0110-驅動電機，0120-電機支架，0130-減速器，0140-聯軸器，0200-傳動組，0210-主動迴轉機構，0211-繞線筒，0212-繞線筒支架，0220-從動迴轉機構，0221-從動轉輪，0222-彈簧支架，0230-柔索，0240-柔索支撐軸，0241-支撐軸承，0300-驅動器輸出組，0310-驅動彈簧，0320-驅動器輸出杆，0321-連接部，0400-第一編碼器，0500-第二編碼器，0600-齒輪傳動組，0610-主動齒輪，0620-從動齒輪，0700-帶傳動組，0710-主動帶輪，0720-傳動帶，0730-從動帶輪，2001-第二關節部。

具體實施方式

為了便於理解本實用新型，下面將參照相關附圖對串聯彈性驅動器進行更全面的描述。附圖中給出了串聯彈性驅動器的優選實施例。但是，串聯彈性驅動器可以通過許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對串聯彈性驅動器的公開內容更加透徹全面。

需要說明的是，當元件被稱為「固定於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是「連接」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。相反，當元件被稱作「直接在」另一元件「上」時，不存在中間元件。本文所使用的術語「垂直的」、「水平的」、「左」、「右」以及類似的表述只是為了說明的目的。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本實用新型的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在串聯彈性驅動器的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本實用新型。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

實施例1

請參閱圖1，串聯彈性驅動器1000包括電機驅動組0100、傳動組0200、驅動器輸出組0300、第一傳感器0400、第二傳感器0500，其中：

電機驅動組0100的輸出端與傳動組0200的輸入端連接。具體而言，電機驅動組0100包括驅動電機0110與用於固定驅動電機0110的電機支架0120。

在一個較佳的實施例中，驅動電機0110輸出軸端還設有減速器0130。減速器0130可降低驅動電機0110的輸出轉速，同時增加驅動電機0110的輸出轉矩，使串聯彈性驅動器1000在低轉速高轉矩場合下具有良好的應用效果。

第一傳感器0400用於測量傳動組0200輸入端的角位移與角速度，實現對傳動組0200輸入端狀態的精確測量，進而輸出反饋信號，實現精確控制。由於傳動組0200輸入端與電機驅動組0100的角位移與角速度具有一致性與同步性，換言之，第一傳感器0400對對電機驅動組0100的角位移與角速度的精確測量，亦屬於對傳動組0200輸入端的角位移與角速度進行測量的一種實施方式。

在一個較佳的實施例中，第一傳感器0400設於電機驅動組0100的輸出端。電機驅動組0100的輸出端通過齒輪傳動組0600與第一編碼器0400連接。齒輪傳動組0600包括相互嚙合的主動齒輪0610與從動齒輪0620，主動齒輪0610連接於電機驅動組0100的輸出端，從動齒輪0620連接於第一編碼器0400的輸入端。

由此，驅動電機0110帶動主動齒輪0610旋轉，主動齒輪0610驅動從動齒輪0620旋轉，從而將驅動電機0110的運動狀態傳遞予第一編碼器0400，實現第一編碼器0400對驅動電機0110的測量。

在另一個實施例中，第一傳感器0400亦可直接設於傳動組0200的輸入端上。

請結合參閱圖2及圖3，傳動組0200包括形成繩傳動關係的主動迴轉機構0210、從動迴轉機構0220及柔索0230，主動迴轉機構0210可在電機驅動組0100的驅動下實現旋轉運動，主動迴轉機構0210的旋轉中心軸與從動迴轉機構0220的旋轉中心軸垂直，柔索0230分別緊繞於主動迴轉機構0210與從動迴轉機構0220的迴轉表面上。

具體而言，柔索0230十分柔軟，只能承受張力。當其保持張緊狀態時，其上只會發生沿其本身的拉伸力。當主動迴轉機構0210發生旋轉運動時，其與緊繞於其上的柔索0230之間的作用力將對柔索0230施加拉伸力。由此，柔索0230對從動迴轉機構0220施加拉伸力，使從動迴轉機構0220旋轉。

在此結構下，主動迴轉機構0210與從動迴轉機構0220的空間排布十分緊湊，避免過長的傳動鏈導致的尺寸龐大問題。同時，柔索0230始終保持張緊，有效地保證了傳動過程的可靠性與配合精度。

進一步地，主動迴轉機構0210包括繞線筒0211及繞線筒支架0212，繞線筒0211的迴轉軸端與電機驅動組0100的輸出端連接，柔索0230緊繞於繞線筒0211的迴轉表面上。

在一個較佳的實施例中，繞線筒0211通過聯軸器0140與減速器0130的輸出端連接，在電機驅動組0100的驅動下可在繞線筒支架0212上實現旋轉運動，其旋轉軸沿豎直方向。柔索0230在繞線筒0211上互不重疊地繞有多圈，

進一步地，主動迴轉機構0210與從動迴轉機構0220之間設有柔索支撐軸0240，柔索支撐軸0240的中心軸與從動迴轉機構0220的中心軸平行，柔索0230張緊於柔索支撐軸0240外表面。由此，主動迴轉機構0210與從動迴轉機構0220的空間排布關係更為穩定，進一步地改善了其緊湊程度與傳動精度。

進一步地，從動迴轉機構0220包括一體轉動的從動轉輪0221與彈簧支架0222，彈簧支架0222與驅動彈簧0310連接。由此，從動迴轉機構0220通過彈簧支架0222作用於驅動彈簧0310，進而實現對驅動器輸出組0300的傳動。

進一步地，柔索支撐軸0240上設有支撐軸承0241，柔索0230張緊於支撐軸承0241外表面。支撐軸承0241能夠承受源於柔索0230的作用力，降低柔索0230與柔索支撐軸0240的摩擦損害，改善柔索0230與柔索支撐軸0240的使用壽命。此外，支撐軸承0241能夠自動調整傳動過程的配合誤差，提高繩傳動的傳動精度。

進一步地，柔索0230上設有用於張緊柔索0230的張緊輪，使柔索0230始終保持張緊狀態，避免其出現鬆動脫落而影響傳動精度。

驅動器輸出組0300的輸入端與從動迴轉機構0220連接，可在從動迴轉機構0220的驅動下實現旋轉運動。驅動器輸出組0300的輸出端設有用於連接外部執行件的連接部0321，以實現串聯彈性驅動器1000對外的運動和動力傳遞。

請參閱圖4，第二傳感器0500用於測量驅動器輸出組0300的角位移與角速度。具體而言，驅動器輸出組0300上設有第二編碼器0500。進而，第二編碼器0500輸出反饋信號，同時結合第一編碼器0400的反饋信號，串聯彈性驅動器1000可精確實現其本身的反饋調節，保證其傳動過程的可靠性。

在一個較佳的實施例中，驅動器輸出組0300通過帶傳動組0700與第二編碼器0500連接。

具體而言，帶傳動組0700包括主動帶輪0710、傳動帶0720與從動帶輪0730，主動帶輪0710的軸端與驅動器輸出組0300連接，傳動帶0720包覆於主動帶輪0710與從動帶輪0730的圓周表面上，從動帶輪0730的軸端與第二編碼器0500的輸入端連接。

由此，驅動器輸出組0300的運動狀態可傳遞予第二編碼器0500，使第二編碼器0500得以進行精確測量。

進一步地，帶傳動組0700上設有用於張緊傳動帶0720的張緊輪，使傳動帶0720保持張緊，避免其鬆動脫落。

驅動器輸出組0300包括驅動彈簧0310與驅動器輸出杆0320，驅動彈簧0310兩端分別連接從動迴轉機構0220與驅動器輸出杆0320，驅動器輸出杆0320上設有連接部0321。

具體而言，從動迴轉機構0220旋轉而使驅動彈簧0310發生變形。此時，驅動彈簧0310上形成彈性力，並將之施加於驅動器輸出杆0320，使驅動器輸出杆0320發生旋轉運動。進而，驅動器輸出杆0320通過連接部0321帶動外接執行件旋轉，實現串聯彈性驅動器1000的驅動功能。

驅動彈簧0310為弧形彈簧、盤式彈簧、扭轉彈簧、直線彈簧中的一種，其數量可為正整數個。

在本實施例中，驅動彈簧0310為弧形彈簧，其數量為2個並呈對稱分布。弧形彈簧的外形輪廓為弧形，其與彈簧支架0222具有同軸關係。由此，彈簧支架0222轉動時壓迫弧形彈簧，使之變形而驅動驅動器輸出杆0320旋轉。在此結構下，串聯彈性驅動器1000的空間結構得以進一步壓縮，十分緊湊小巧。

請參閱圖5，機器人關節10000包括第一關節部1001及第二關節部2001。第一關節部1001包括串聯彈性驅動器1000及包覆於串聯彈性驅動器1000外部的外殼，串聯彈性驅動器1000通過連接部0321與第二關節部2001連接。

由此，第一關節部1001通過串聯彈性驅動器1000驅動第二關節部2001旋轉，從而實現機器人關節10000的轉動功能。具體而言，電機驅動組0100通過傳動組0200驅動驅動器輸出組0300旋轉。驅動器輸出杆0320隨之旋轉，進而通過連接部0321帶動第二關節部2001旋轉。

由於串聯彈性驅動器1000結構緊湊，第一關節部1001的結構尺寸大為縮減。在較短的傳動鏈中，第一關節部1001與第二關節部2001的連接結構穩定、傳動誤差較小，使機器人關節10000具有結構緊湊、傳動可靠的優點。

在這裡示出和描述的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制，因此，示例性實施例的其他示例可以具有不同的值。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本實用新型範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。因此，本實用新型的保護範圍應以所附權利要求為準。