一種混合控制的柔性關節的製作方法
2023-08-08 05:25:31 1
一種混合控制的柔性關節的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種混合控制的柔性關節，包括：帶有諧波傳動減速器的電機；與所述諧波傳動減速器的輸出軸相連的扭簧；受所述扭簧驅動的旋轉機構；用於測試旋轉機構扭矩的測量機構；所述測量機構由用於測量電機轉軸轉角的電機編碼器，以及用於測量旋轉機構轉角的絕對式角度傳感器構成。通過電機編碼器和絕對式角度傳感器來得到扭簧的扭轉角度，將扭轉角度乘以扭簧的彈性係數即可得到力矩，該測量機構結構簡單且成本較低；通過限位索或者限位塊來限制外環和內環的相對旋轉角度，從而保護了扭簧，提高關節的可靠性。
【專利說明】一種混合控制的柔性關節
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人【技術領域】，具體涉及一種混合控制的柔性關節。
【背景技術】
[0002]經過近60年的發展，工業機器人的技術已經比較成熟，並在眾多領域得到了廣泛的應用。但目前工業機器人的智能化程度偏低，在實際工業生產中，工業機器人與操作人員必須物理隔離，這樣可以保證生產過程中操作人員的人身安全，卻無法通過人機協作提高作業效率，阻礙了工業機器人在中小企業以及高端裝配中的推廣應用。近些年，以KUKA、ABB和BAXTER為代表的機器人公司，已經立足全新一代工業機器人交互方式的研發，人機協作已經成為新一代工業機器人智能化的目標和代表。因此，提高機器人的智能化水平，實現機器人與人協助的安全性，對我國機器人產業的發展具有重要的戰略意義。
[0003]設計一種具有順從性的柔性關節是提升機器人智能化水平和實現人機安全交互的物理基礎。1995年，Gill Pratt等人發表論文「Series Elastic Actuator」(串聯彈性驅動關節)之後，提出了在執行器輸出端與負載之間串聯一個彈簧，通過檢測兩者的轉動角度差(或位置差)，乘以彈簧的彈性係數，便可得到施加在負載上的力矩，這種方式較好地實現了關節的力矩控制。其中，串聯的彈簧還能作為抵抗外部衝擊的濾波器，因此在抗擊外部衝擊時具有一定的優勢。這種串聯彈性關節在MIT實驗室的雙足機器人和六自由度機械臂中得到了應用。
[0004]時隔20年，當人們又開始把目光聚焦在柔性關節時，需要面臨兩個問題:第一、由於串聯彈性驅動器需要檢測兩個部位的角度差，通常會採用兩個角度傳感器，使得結構設計比較複雜，成本較高；第二、通過控制力或力矩來實現關節的位置軌跡跟蹤，這比沒有串聯彈簧時的控制要難得多。
[0005]如申請公布號為CN102632509A的專利文獻公開了一種具有力反饋控制的彈性驅動模塊化關節，它包括關節傳動裝置和力信號檢測裝置兩部分，其中力信號檢測裝置由彈性扭簧、第一絕對式角度傳感器和第二絕對式角度傳感器組成；第一絕對式角度傳感器由第一轉子和第一定子組成，第一轉子通過波形墊圈和卡簧固定在輸出軸上，第一定子經過安裝扣固定在關節外殼上，第二絕對式角度傳感器由第二轉子和第二定子組成，第二轉子通過端蓋法蘭固定在輸出端蓋上，第二定子經套筒固定在關節法蘭上。通過兩個絕對式角度傳感器能測量出彈性扭簧的角度差，但是這會使得結構設計比較複雜，成本較高；且彈性扭簧沒有限位裝置，如果扭矩超出限定範圍，會導致扭簧過度扭轉，極大的影響了測量的精度。
【發明內容】
[0006]針對上述問題，本發明提供了一種混合控制的柔性關節。這種柔性關節結合了實際應用的需求，解決了現有柔性關節設計複雜、成本高和沒有限位裝置的問題。
[0007]本發明採取的技術方案如下:[0008]一種混合控制的柔性關節，包括:
[0009]帶有諧波傳動減速器的電機；
[0010]與所述諧波傳動減速器的輸出軸相連的扭簧；
[0011]受所述扭簧驅動的旋轉機構；
[0012]用於測試旋轉機構扭矩的測量機構；
[0013]所述測量機構由用於測量電機轉軸轉角的電機編碼器，以及用於測量旋轉機構轉角的絕對式角度傳感器構成。
[0014]所述諧波傳動減速器包括波發生器、剛輪、柔輪，所述柔輪連接有輸出軸。
[0015]所述絕對式角度傳感器包括相互配合的傳感器轉子和傳感器定子，傳感器定子固定在電機殼體上，傳感器轉子固定在旋轉機構上。
[0016]作為優選，所述扭簧包括:
[0017]外環，與電機殼體的內壁轉動配合；
[0018]內環，與所述諧波傳動減速器的輸出軸固定；
[0019]若干彈性體，固定在外環和內環之間，所述彈性體沿內環周沿均勻分布，彈性體為往復折彎的帶狀。扭簧可以為關節提高了柔順和存儲能量的機制，而往復折彎的帶狀的彈性體加工、安裝方便，在扭簧內外環相互轉動時，可靠性好、精度高。
[0020]所述旋轉機構包括傳動盤，所述傳動盤與所述外環固定。扭簧通過轉動盤來驅動旋轉機構。
[0021]作為優選，所述外環和內環之間設有用於限定極限轉角的限位索。限位索有一定的長度，在外環和內環轉動到一定位置時，限位索被拉直從而限制外環和內環進一步相對轉動，防止扭矩過大時對扭簧產生破壞，從而起到限位保護的作用。
[0022]作為優選，所述殼體內壁設有延伸至外環和內環之間的限位塊。在外環和內環轉動到一定位置時，彈性體與限位塊接觸，從而限制外環和內環進一步相對轉動。
[0023]作為優選，所述限位塊上套設有緩衝套。起到緩衝作用，保護彈性體和限位塊。
[0024]作為優選，電機轉軸遠離旋轉機構的一端為穿出電機殼體的延伸段；
[0025]所述電機編碼器包括:
[0026]第一基座,與電機殼體相互固定,且處在延伸段的外圍；
[0027]第一定子，固定在第一基座上；
[0028]第一轉子，固定在電機轉軸上，與所述第一定子相配合。
[0029]作為優選，電機定子上安裝有霍爾傳感器。該霍爾傳感器用於電機內部的電流換相。
[0030]本發明的有益效果是:通過由用於測量電機轉軸轉角的電機編碼器，以及用於測量旋轉機構轉角的絕對式角度傳感器來得到扭簧的扭轉角度，將扭轉角度乘以扭簧的彈性係數即可得到力矩，該測量機構結構簡單且成本較低；通過限位索或者限位塊來限制外環和內環的相對旋轉角度，從而保護了扭簧，提高關節的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明混合控制的柔性關節的剖視圖；
[0032]圖2是本發明混合控制的柔性關節的結構示意圖；[0033]圖3是具有限位索的平面扭簧的結構示意圖；
[0034]圖4是具有限位塊的平面扭簧的結構示意圖。
[0035]1.傳感器定子，2.傳感器轉子，3.傳動盤，4.第一軸承，5.扭簧，6.定位軸承，
7.輸出軸，8.十字交叉滾子軸承，9.輸出法蘭盤，10.柔輪，11.剛輪，12.波發生器，13.電機定子，14.電機轉子，15.霍爾傳感器，16.第二軸承，17.第一定子，18.電機轉軸，19.第一轉子，20.第一基座，21.端蓋，22.彈性體，23.限位索，24.內環，25.外環，26.緩衝套，27.限位塊，28.絕對式角度傳感器，29.電機編碼器，30.電機殼體。
【具體實施方式】
[0036]如圖1、2所示，一種混合控制的柔性關節，包括:
[0037]帶有諧波傳動減速器的電機；
[0038]與諧波傳動減速器的輸出軸7相連的扭簧5 ；
[0039]受扭簧5驅動的旋轉機構；
[0040]由用於測量電機轉軸18轉角的電機編碼器29，以及用於測量旋轉機構轉角的絕對式角度傳感器28構成的測量機構。
[0041]電機包括電機轉軸18、電機殼體30、安裝在電機轉軸上的電機轉子14以及與電機轉子相互配合的電機定子13,且電機定子13上安裝有霍爾傳感器15。電機轉軸18通過端蓋21中的第二軸承16和傳動盤3中的第一軸承4保證與電機外殼30的同軸性。
[0042]諧波傳動減速器包括波發生器12、與電機殼體30固定的剛輪11、柔輪10，柔輪10通過輸出法蘭盤9與輸出軸7連接。電機轉軸18轉動時，通過波發生器12和柔輪10，將轉動經輸出法蘭盤9傳遞到輸出軸7上，輸出法蘭9和輸出軸7通過十字交叉滾子軸承8與電機殼體30轉動配合。
[0043]扭簧5包括:
[0044]與電機殼體30的內壁轉動配合的外環25 ；
[0045]與諧波傳動減速器的輸出軸7固定的內環24 ；
[0046]固定在外環和內環之間的三個彈性體22，且彈性體沿內環周沿均勻分布，彈性體為往復折彎的帶狀。扭簧可以為關節提高了柔順和存儲能量的機制，而往復折彎的帶狀的彈性體加工、安裝方便，扭簧內、外環相互轉動時，可靠性好、精度高。如圖3所示，外環25和內環24之間設有用於限定極限轉角的限位索23。限位索有一定的長度，在外環和內環轉動到一定位置時，限位索被拉直從而限制外環和內環進一步相對轉動，防止扭矩過大時對扭簧產生破壞，從而起到限位保護的作用。除了限位索還可以在殼體內壁設置延伸至外環和內環之間的限位塊27，且限位塊上套設有緩衝套26，見圖4。在外環和內環轉動到一定位置時，彈性體與限位塊接觸，從而限制外環和內環進一步相對轉動，而緩衝套起到緩衝作用，保護彈性體和限位塊。
[0047]旋轉機構包括傳動盤3，傳動盤3與外環25固定，且傳動盤和外環通過定位軸承與電機殼體30轉動配合。絕對式角度傳感器28包括相互配合的傳感器轉子2和傳感器定子I，傳感器定子I固定在電機殼體30上，傳感器轉子2固定在旋轉機構的傳動盤3上。當旋轉機構旋轉時，絕對式角度傳感器的傳感器轉子2和傳感器定子I發生相對運動，從而測得旋轉機構旋轉的角度。[0048]電機轉軸18遠離旋轉機構的一端為穿出電機殼體的延伸段，電機編碼器29包括:
[0049]第一基座20,與電機殼體30相互固定,且處在延伸段的外圍；
[0050]第一定子17,固定在第一基座上；
[0051]第一轉子19，固定在電機轉軸上，與第一定子相配合。
[0052]當電機轉軸18旋轉時，電機編碼器的第一定子17和第一轉子19發生相對運動，從而測得電機轉軸的旋轉角度。
[0053]實際工作時，通過安裝在旋轉機構端的絕對式角度傳感器28能檢測旋轉機構實際轉動的角度，通過將其信號作為整個關節輸出角度的反饋，可以實現高精度的位置閉環控制，相比於通過嵌入力或力矩控制來實現位置控制，這種控制方法更加簡單，精度更高，響應更快。通過電機編碼器29和絕對式角度傳感器28可以測得扭簧扭轉的角度，該角度乘以扭簧的彈性係數，即可得到旋轉機構實際施加的力矩。本發明中的柔性關節實現了力和位置的混合控制，不僅使結構設計和維護變得更加容易，而且還降低了成本，提高了系統穩定性。
【權利要求】
1.一種混合控制的柔性關節，包括: 帶有諧波傳動減速器的電機； 與所述諧波傳動減速器的輸出軸相連的扭簧； 受所述扭簧驅動的旋轉機構； 用於測試旋轉機構扭矩的測量機構； 其特徵在於，所述測量機構由用於測量電機轉軸轉角的電機編碼器，以及用於測量旋轉機構轉角的絕對式角度傳感器構成。
2.根據權利要求1所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，所述絕對式角度傳感器包括相互配合的傳感器轉子和傳感器定子，傳感器定子固定在電機殼體上，傳感器轉子固定在旋轉機構上。
3.根據權利要求1所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，所述扭簧包括: 外環，與電機殼體的內壁轉動配合； 內環，與所述諧波傳動減速器的輸出軸固定； 若干彈性體，固定在外環和內環之間，所述彈性體沿內環周沿均勻分布，彈性體為往復折彎的帶狀。
4.根據權利要求3所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，所述旋轉機構包括傳動盤，所述傳動盤與所述外環固定。
5.根據權利要求3所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，所述外環和內環之間設有用於限定極限轉角的限位索。
6.根據權利要求3所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，所述殼體內壁設有延伸至外環和內環之間的限位塊。
7.根據權利要求6所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，所述限位塊上套設有緩衝套。
8.根據權利要求1所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，電機轉軸遠離旋轉機構的一端為穿出電機殼體的延伸段； 所述電機編碼器包括: 第一基座，與電機殼體相互固定，且處在延伸段的外圍； 第一定子，固定在第一基座上； 第一轉子，固定在電機轉軸上，與所述第一定子相配合。
9.根據權利要求1所述的混合控制的柔性關節，其特徵在於，電機定子上安裝有霍爾傳感器。
【文檔編號】B25J9/18GK103817694SQ201410070478
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】朱秋國, 熊蓉 申請人:浙江大學