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一种关节 机器人 串联弹性 驱动器

阅读：609发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种关节机器人串联弹性驱动器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于关节机器人领域，并公开了一种关节机器人串联弹性驱动器，包括动力部分、谐波减速器和输出部分，动力部分的舵机位于前外壳内部，并与所述谐波减速器连接；输出部分的平板弹簧由三个同心圆通过连接杆相互连接组成，连接杆两端连接部分发生弹性变形，该平板弹簧一侧与谐波减速器连接，另一侧通过支撑体与输出体连接；后外壳一端的凸台与谐波减速器连接，其内部与输出体通过支撑轴承进行固定。本发明将平板弹簧的变形部位从整体变形改为局部变形，能够有效增加平板弹簧的实际形变量，使得缓冲效果更加明显，并增加了平板弹簧在轴向上的稳定性；同时通过位置传感器分析弹簧形变量从而获得外界冲击力的大小，保证环境和关节机器人的安全。，下面是一种关节机器人串联弹性驱动器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，该串联弹性驱动器包括动力部分、谐波减速器和输出部分，其中：
所述动力部分包括前外壳(7)和舵机(8)，其中所述前外壳(7)为两端具有凸台的空心圆柱体结构，所述舵机(8)位于其空心圆柱体的内部，该前外壳(7)一端的凸台与上一关节连接，所述前外壳(7)另一端的凸台和所述舵机(8)分别与所述谐波减速器(5)连接，将动力送入所述输出部分；
所述输出部分包括后外壳(4)、平板弹簧(9)、支撑体(6)、输出体(1)和支撑轴承(3)，其中所述平板弹簧(9)由三个同心圆通过连接杆相互连接组成，所述连接杆两端连接部分比中间部分细，用于发生弹性变形，该平板弹簧(9)一侧与所述谐波减速器(5)连接，用于接收动力输入，其另一侧通过所述支撑体(6)与所述输出体(1)连接，用于将动力输出，所述后外壳(4)为一端具有凸台的空心圆柱体结构，其凸台与所述谐波减速器(5)连接，其空心圆柱体内部与所述输出体(1)通过支撑轴承(3)进行固定，所述输出体(1)与下一关节连接。
2.如权利要求1所述的关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，所述平板弹簧(9)的三个同心圆分为内圆、中间圆和外圆，其中所述内圆与所述支撑体(6)连接，所述外圆与所述谐波减速器(5)连接。
3.如权利要求1或2所述的关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，所述平板弹簧(9)的内圆与中间圆之间连接杆的数量优选为3个～8个。
4.如权利要求1～3任意一项所述的关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，所述平板弹簧(9)的中间圆与外圆之间连接杆的数量优选为3个～8个。
5.如权利要求1～4任意一项所述的关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，所述输出部分还包括位置传感器(2)，所述位置传感器(2)的两端分别与所述输出体(1)和后外壳(4)连接，用于收集所述平板弹簧(9)的径向旋转信息。

说明书全文

一种关节机器人 串联弹性 驱动器

技术领域

[0001] 本发明属于关节机器人领域，更具体地，涉及一种关节机器人串联弹性驱动器。

背景技术

[0002] 机械臂作为一种自动化执行结构，在工业生产、军事和服务领域发挥着越来越重要的作用。自世界上第一台机械臂开发至今，其设计目标都是要求机器人能够在有一定负载的情况下，在操作空间中实现精确的位置控制和速度控制。然而近几年来随着服务机器人的迅猛发展，更强调机械臂能够在非结构化环境中具备一定的柔性和安全特性。

[0003] 为解决机械臂缺乏柔性的问题，现有技术中对机器人的关节主要采用“电机-减速器-负载”的设计思路，利用减速器降低外界冲击时产生的作用力，机器人对外界环境的力感知需要在机器人关节或末端安装力传感器来实现。虽然这种方法能够使机器人具有一定的柔性，但是由于机械臂在结构实际上缺乏柔性元件，使得机器人在面对外部冲击时，仍然难以保证环境以及自身的安全。针对这一问题，有学者提出了串联弹性驱动器的方案，即在减速器和负载之间串联一个弹簧，使得机器人的关节结构变成“电机-减速器-弹簧-负载”，由于弹簧的存在，使得机器人在面对外界环境时，可以通过弹簧的形变起到一定的缓冲效果，从而实现机器人的“本质安全”的设计要求。

[0004] 目前串联弹性驱动器的弹簧主要采用螺旋弹簧或平板弹簧，其中螺旋弹簧因为体积大，浪费空间的原因应用较少，主要以平板弹簧为主。平板弹簧是在薄板上通过线切割或激光切割的方式加工出一些S型或C型的环路，使得弹簧在径向方向上具有一定的弹性。然而在实际应用中平板弹簧存在以下问题：弹簧实际形变量很小，缓冲效果不明显；为了保证能够变形，板的厚度需要很薄，这使得其在轴向上有一定的不稳定性；此外为了避免应力集中，弹簧的结构一般都比较复杂，造成制造成本较大。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种关节机器人串联弹性驱动器，其中对其关键组件如平板弹簧的结构及其具体设置方式进行研究和设计，同时对其整体结构布局重新做出针对性设计，相应可有效提高该串联弹性驱动器的缓冲效果，因而尤其适用于关节机器人的应用场合。

[0006] 为实现上述目的，本发明提出了一种关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，该串联弹性驱动器包括动力部分、谐波减速器和输出部分，其中：

[0007] 所述动力部分包括前外壳和舵机，其中所述前外壳为两端具有凸台的空心圆柱体结构，所述舵机位于其空心圆柱体的内部，该前外壳一端的凸台与上一关节连接，所述前外壳另一端的凸台和所述舵机分别与所述谐波减速器连接，将动力送入所述输出部分；

[0008] 所述输出部分包括后外壳、平板弹簧、支撑体、输出体和支撑轴承，其中所述平板弹簧由三个同心圆通过连接杆相互连接组成，所述连接杆两端连接部分比中间部分细，用于发生弹性变形，该平板弹簧一侧与所述谐波减速器连接，用于接收动力输入，其另一侧通过所述支撑体与所述输出体连接，用于将动力输出，所述后外壳为一端具有凸台的空心圆柱体结构，其凸台与所述谐波减速器连接，其空心圆柱体内部与所述输出体通过支撑轴承进行固定，所述输出体与下一关节连接。

[0009] 作为进一步优选地，所述平板弹簧的三个同心圆分为内圆、中间圆和外圆，其中所述内圆与所述支撑体连接，所述外圆与所述谐波减速器连接。

[0010] 作为进一步优选地，所述平板弹簧的内圆与中间圆之间连接杆的数量优选为3个～8个。

[0011] 作为进一步优选地，所述平板弹簧的中间圆与外圆之间连接杆的数量优选为3个～8个。

[0012] 作为进一步优选地，所述输出部分还包括位置传感器，所述位置传感器两端分别与所述输出体和后外壳连接，用于收集所述平板弹簧的径向旋转信息。

[0013] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0014] 1.本发明通过对平板弹簧的结构进行改进设计，将平板弹簧的变形部位从整体变形改为局部变形，并通过设置合适的连接杆数量，能够有效增加平板弹簧的实际形变量，使得缓冲效果更加明显；

[0015] 2.尤其是，本发明中平板弹簧的变形部位为连接杆两端较细的部位，其他部分不发生变形，在材料选择上不需要采用过薄的平板，因此增加了平板弹簧在轴向上的稳定性；

[0016] 3.同时，本发明通过设置位置传感器收集弹簧的弹性形变量，从而获得外界冲击力的大小，并以此来控制关节机器人的力度，保证环境和关节机器人的安全；

[0017] 4.此外，本发明涉及的平板弹簧结构简单，构建的串联弹性驱动器易于安装，因此在获得较好缓冲效果的同时能够降低生产制造成本，有利于推广应用。附图说明

[0018] 图1是本发明提供的关节机器人串联弹性驱动器的整体剖面图；

[0019] 图2是本发明实施例中平板弹簧的结构图；

[0020] 图3是本发明实施例中提供的平板弹簧连接杆的放大图。

[0021] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0022] 1：输出体，2：位置传感器，3：支撑轴承，4：后外壳，5：谐波减速器，6：支撑体，7：前外壳，8：舵机，9：平板弹簧。

具体实施方式

[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0024] 如图1所示，本发明提出了一种关节机器人串联弹性驱动器，其特征在于，该串联弹性驱动器包括动力部分、谐波减速器和输出部分，其中：

[0025] 所述动力部分包括前外壳7和舵机8，其中所述前外壳7为两端具有凸台的空心圆柱体结构，所述舵机8位于其空心圆柱体的内部用于提供动力，被该前外壳7包围保护，该前外壳7一端的凸台通过驱动器与上一关节连接，所述前外壳7另一端的凸台、所述舵机8分别与所述谐波减速器5连接，将动力送入所述输出部分；

[0026] 所述输出部分包括后外壳4、平板弹簧9、支撑体6、输出体1和支撑轴承3，其中，如图2和图3所示，所述平板弹簧9由三个同心圆通过连接杆相互连接组成，所述连接杆两端连接部分比中间部分细，用于发生弹性变形，该平板弹簧9一侧与所述谐波减速器5连接，用于接收动力输入，其另一侧通过所述支撑体6与所述输出体1连接，用于将动力输出；所述后外壳4为一端具有凸台的空心圆柱体结构，其凸台与所述谐波减速器5连接，其空心圆柱体内部与所述输出体1通过支撑轴承3进行固定，保护平板弹簧的同时限制该输出体1的轴向位移，所述输出体具有环状凸台结构用于与下一关节进行连接,将动力从所述串联弹性驱动器中输出，最终带动负载进行运动；

[0027] 更具体地，所述平板弹簧9采用无运动副机构设计原理，利用激光切割工艺进行加工，与常规结构相比，该平板弹簧9在变形上将变形部位从整体变形变成局部变形，仅两端连接部分发生弹性变形，不仅增加了其实际形变量，而且其主体部分不需要采用较薄的材料，在轴向上具有较高的稳定性。

[0028] 进一步，所述平板弹簧9的三个同心圆分为内圆、中间圆和外圆，其中所述内圆与所述支撑体6连接，所述外圆与所述谐波减速器5连接。

[0029] 进一步，所述平板弹簧9的内圆与中间圆之间连接杆的数量优选为3个～8个，并进一步优选为4个～6个。

[0030] 进一步，所述平板弹簧9的中间圆与外圆之间连接杆的数量优选为3个～8个，并进一步优选为4个～6个。

[0031] 进一步，所述输出部分还包括位置传感器2，所述位置传感器2的两端分别与所述输出体1和后外壳4连接，用于收集所述平板弹簧9的径向旋转信息，根据该位置传感器收集到的变形信息，反馈得到外界冲击的大小。

[0032] 本发明提供的关节机器人串联弹性驱动器的具体工作过程为：所述舵机8产生动力并通过所述谐波减速器5输入到所述弹簧9，然后弹簧9通过所述输出体1带动负载进行运动；若该串联弹性驱动器受到外界的冲击，弹簧9发生径向变形以进行缓冲，位置传感器2通过获得的弹簧9的形变信息得到外界冲击力的反馈，从而能够进一步做出相应的力控制。

[0033] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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