具有弹性响应的扭转传递元件
阅读：1025发布：2020-08-16
专利汇可以提供具有弹性响应的扭转传递元件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 关于扭转 弹簧 的构造，扭转弹簧可以特别地用作接头，接头适于利用弹性响应来传递扭转致动。，下面是具有弹性响应的扭转传递元件专利的具体信息内容。
1.一种具有弹性响应、用于在致动元件与被致动的元件之间传递扭转应力的传递元件，所述传递元件包括：实心块主体(1)；用于所述致动元件和所述被致动的元件的附接件，所述附接件形成于所述主体中或者与所述主体相关联，并在沿着所述扭转应力的中心轴线(X)对准的相对的位置；以及形成于所述主体(1)中的分布的贯通凹部(2,3)，所述凹部(2,3)相对于所述中心轴线(X)以平行关系、大致根据平面(A)平行地并且叠加地展开，并且间隔开所述实心块主体的多个板状区段(11,111)，所述区段彼此平行并且与所述中心轴线(X)平行。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述凹部(2,3)关于与所述平面(A)正交并且经过所述轴线(X)的平面以对称方式分布，并且也关于与所述平面(A)正交并且在沿着所述中心轴线测量的所述主体(1)的伸长部中点交叉的平面基本上对称。
3.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述凹部交替地在所述主体(1)的两侧之一(1a,1b)上闭合，所述主体(1)的两侧(1a,1b)沿着所述中心轴线(X)彼此相对并且对应于所述致动元件和所述被致动元件的相应附接件，以便限定蛇形部分，所述蛇形部分包括所述板状区段(11)，所述板状区段(11)由所述凹部(2,3)的厚度间隔开并且由接合部(11)连接，所述接合部(11)在所述相对侧部(1a,1b)上限定所述凹部的闭合件。
4.根据权利要求3所述的元件，其中，所述主体(1)是平行六面体。
5.根据权利要求3所述的元件，其中，所述主体(1)是圆柱形。
6.根据权利要求5所述的元件，其中，随着所述区段的位置远离所述中心轴线(X)，所述板状区段(11)的厚度逐渐增加。
7.根据权利要求5或6所述的元件，其中，由于在所述圆柱形主体中形成的用于将所述蛇形部分与所述主体的轴向端部分离的相应横向切口(106,107)，所述附接件(104,105)为圆盘形，所述横向切口(106,107)留有相应连接桥，所述连接桥将所述蛇形部分连接到所述圆盘形附接件。
8.根据权利要求7所述的元件，其中，所述桥处于直径相对位置。
9.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，通过从一体式块切下材料而形成所述凹部。
具有弹性响应的扭转传递元件
技术领域
[0002] 本发明有关于一种扭转弹簧的新构造，其能特别地用作链节，链节适于通过弹性响应来传递扭转致动。
背景技术
[0003] 在机器人领域中，并且特别地在可穿戴机器人领域中，常常使用弹性致动器([2],[3],[4],[5])，弹性元件布置于致动器与被致动的机械元件[1]之间。例如，如在美国专利US5910720中所描述，由于多种原因，特别地在机器人中使用这种类型的致动。其明确地意味着一系列优点，这些优点可以总结为以下几点：
[0004] -在整个频谱上的低出射阻抗；
[0006] -减少能量消耗；
[0008] -高功率/质量比；
[0009] -在冲击情况下的固有柔性。
[0010] 这些类型的致动器可以是线性的或旋转的。可以利用弹性线性或扭转元件(通常为弹簧或者包括弹簧的组装装置)来实施两种类型的致动器。
[0011] 当实施这种类型的致动器时关键因素之一在于选择和构造或者弹性元件。
[0012] 主要规格根据致动器用于的具体应用不同，表征将用于弹性致动器中的弹性元件，这些主要规格为：
[0013] -刚性；
[0014] -最大可允许的负载；
[0015] -可允许的旋转或移位；
[0016] -重量；
[0017] -总尺寸(形状)。
[0019] 一般而言，可以通过使用以下元件之一来获得扭转弹性元件：
[0020] -金属线螺旋扭转弹簧；
[0022] -盘旋扭转弹簧；
[0023] -以扭转响应转换线性弹簧作用的机构；
[0024] -扭转响应定制元件；
[0025] 使用线螺旋扭转弹簧意味着以下问题：
[0026] -关于机器人应用设置的要求的低刚性；
[0028] -难以获得双向响应。为了获得能在两个旋转方向上作用的元件，需要形成一种机构，这种机构设有至少两个弹簧，因而导致复杂性、质量和尺寸增加；
[0029] -在运动期间在线圈之间的接触；
[0030] -由于弹簧杠杆臂存在造成的显著总体积。
[0033] 然而，不同于金属线弹簧，这些弹簧具有优先旋转方向并且这使得它们不适用于预期要在两个旋转方向上施加扭矩和需要在两个方向上相同扭转响应的应用。
[0035] 通过在组装的装置中使用线性弹簧，组装装置将弹簧的线性响应转变为扭转输出响应，可以获得具有所希望的刚性和可传递的扭矩特征的双向响应。与这种类型的解决方案有关的缺陷主要在于实施整个组件所需的较大总尺寸。
[0036] 已知始于合适机械加工的金属元件形成的扭转弹簧的已知示例中，目的在于赋予元件所希望的性质，公开于[6]中的扭转弹簧是用于步行康复的弹性致动器。在致动器中使用的弹性元件从板状钢主体获得，其中，形成两个盘旋凹部。元件表现出与滞后、限制可施加的负载的线圈之间的接触以及在利用FEM分析模拟的刚性与实际刚性之间存在相对较高差异有关的某些问题。
[0037] 在[7]中是与上文所描述的实施例类似的实施例。弹性元件的形状大体上类似于先前的弹性元件，但具有增加的扭转刚性，并且试图克服匝之间的接触和滞后的问题。文献[8]公开了类似于先前的弹簧、用于上肢康复的液体弹性致动器中所用的弹簧。
[0038] 通过对钢元件进行机械加工获得的另一类型的扭转弹簧描述于[9]中；在此情况下，金属盘被挖空以便获得层状线圈形状的辐条，这些辐条联结轮毂和外边沿。这种圆盘形元件具有高直径/高度比。可施加的最大扭矩受到线圈之间发生接触的限制。
[0039] 专利公告WO2008US61560公开了一种扭转元件，其中，通过用S形元件联结两个平行凸缘而获得弹性响应。用于联结两个凸缘的元件是折叠并且固定到元件上以在该系统中输入和输出扭矩的杆。根据在US20070698811中示出的简化的变型，在用于输入和输出扭矩的凸缘之间的连接通过使用直杆和并非S形的杆而实现。这些是需要组装多个零件的复杂系统，因此意味着各种复杂情况。在这些元件之间的连接必须是稳定的并且无游隙，从而避免不重复或者与所希望的模式不同的扭矩转移模式(角/扭矩特征)，并且意外的应力发生可能给该结构造成损坏。此外，对所有元件的机械加工应极为准确从而在组装之后避免残余应力发生，这可能会修改弹性元件的特征或者减小其阻力。
[0040] 同样，前文提到的专利US5910720示出了扭转弹簧，扭转弹簧被形成为具有十字形截面的元件，并且因此将板用作基本扭矩转移元件。然而，十字形表示基本上“并行”工作的板构造，因此为了获得高可传递的扭矩/刚度比，即高可传递扭矩但有限刚性(高可变形性)，需要使用很薄的板(过大应力)或者目标纵向尺寸增加(过大总尺寸)。
[0041] 另一种已知的扭转响应元件公开于专利公告EP1244817中。在此情况下，通过在负责输入元件与输出元件之间传递扭矩的圆柱形环上形成一系列凹部来获得扭转性质，凹部以径向展开部限定多个区段，这些区段根据经过枢转轴线的径向平面展开。整个装置被实现为多个零件，零件需要刚性并且精确的相互连接。此外，在径向方向上实现凹部需要在环主体上执行多个切口，由于需要主体与切割工具之间的对换和相互放置而造成构造复杂性。而且，传递部段布置于环状主体中，它们保持从扭转轴线移位，并且因此它们倾向于变得挠曲变形，实现了在可传递的扭矩与刚性之间的令人不满意的比例。
发明内容
[0042] 本发明的目的在于提供一种紧凑扭转弹性元件，这种扭转弹性元件具有不受旋转方向影响的线性角和/或扭矩特征，并且实现起来比较简单，从而允许避免在其零件之间不希望的接触，具有与其应当连接的元件形成接口连接的较强能力，并且能够实现相对于其重量和总尺寸较高的可传递的扭矩。
[0044] 参考附图，通过仅以非限制性示例给出的本发明的实施例的下文的描述，根据本发明的扭转弹簧的特征和优点将更加显然，在附图中：
[0045] -图1以轴测图示出了本发明的概念结构，其也表示第一和基本实施例；
[0046] -图2以轴测图示出了根据本发明的弹簧的第二实施例；
[0047] -图3是图2的弹簧的侧视图；
[0048] -图4是沿着图3的线IV-IV所截取的弹簧的截面图；以及
[0049] -图5是沿着图4的线V-V所截取的弹簧的截面图。
具体实施方式
[0050] 参考上述图，以典型金属元件表示根据本发明的弹性元件，由于合适的机械加工，典型金属元件呈现具有所希望的刚度和可传递的扭矩性质的特征。通常，始于实心块一体式主体，去掉材料以便获得凹部的分布，如在下文中所描述。
[0051] 特别地，现仅参考图1，在此情况下，主体1是平行六面体形状，并且具有轴线x，轴线x在中央横穿主体并且表示意图使用主体本身(在致动器与负载之间)传递的扭矩或扭转力矩的中心轴线。这个轴线将物理地定义为如下的线：联结形成于主体中或者与主体相关联的两个相对的附接件(在此情况下未示出)，以将主体联接到致动器和被致动的元件(未表示)。借助于合适轴承执行连接，隔离主体与不同于扭转应力的任何应力。对应于附接件的侧部的相对侧部以1a和1b指示。
[0052] 根据本发明，主体1具有凹部2、3，凹部2、3大致根据平面A相对于轴线x以平行关系展开，在主体是平行六面体形状的情况下，它们也可以被认为相对于彼此以及相对于平行六面体的侧面平行、在旁边。优选地，凹部2、3的分布相对于正交于平面A并且经过轴线X的平面对称，并且也从尺寸的观点而言，相对于正交于平面A并且与主体1的中点(相对于沿着扭转轴线X的伸长部预期为中点)交叉的平面基本上对称。
[0053] 仍参考优选方案，凹部2、3是贯通凹部，即，在三个侧部上敞开，其中，对于各种平行和叠加的凹部而言，闭合侧不时地并且交替地在附接表面1a和1b的任一个上。凹部2是在侧部1a闭合的类型的凹部，而凹部3是在相对侧上闭合的类型。实际上，由于这种构造，主体1呈现蛇形展开形状，在正交于平面A和两个面1a、1b截取的情况下，由凹部2、3的厚度(在正交于平面A的方向上测量)间隔开的板状区段11确定。由12表示在侧部1a、1b上闭合凹部的区段11之间的接合部。
[0054] 所造成的扭转行为明确地类似于板的扭转行为，板的长度等同于各种板状区段11的长度(沿着X的大小)之和，但差异在于接合部12相对于等同板加强了该结构。响应的另一个差异在于在使用单个板制成的假设等同弹簧中，材料完全跨在扭转轴线上，而在蛇形的情况下，最外围板状区段呈非纯扭转应力的状态并且它们造成更为刚性的总体响应。
[0055] 所获得结构的紧凑性，特别是在轴向方向上，是非常重要的优点，可以通过调整各种几何参数，诸如特别地区段11的厚度、即其高度方向上的尺寸，即其在正交于X的平面A上的大小，以及长度方向上的尺寸，即平行于X的平面A上的大小来优化所希望的刚度。特别地，元件的刚性随着厚度和高度增加而增加并且随着整个结构的轴向长度增加而减小。
[0056] 显然，用于获得所希望的特征的基本变型在于所用的材料；最合适的材料为机械构造中常用的金属。它们包括钢、铝合金和钛合金。主要地，它们可以根据所选材料的杨氏模数确定，杨氏模数是用于获得元件的所希望的刚性特征的基本参数。除了所希望的刚性之外，待使用的材料选择直接根据弹簧应能承载的负载量和待获得的尺寸紧凑程度。在板状区段11之间的肘形接合部12表示张力集中区域；材料阻力越高，在两个连续区段之间的凹部就越窄，并且元件的总厚度(如所提到的那样，厚度预期为在正交于平面A的方向上的尺寸)就越小。
[0057] 参考图2至图5，根据本发明的扭转弹簧的第二实施例提供圆柱形主体10，而不是平行六面体主体。然而，具有凹部102、103和板状区段111的蛇形构造完全类似于先前的蛇形构造，而且在此情况下包括彼此平行并且平行于轴线X的板状区段，除了区段显然并不像先前的情况那样具有均匀高度，而是由于主体的圆形弯曲度，随着它们远离轴线X移动，它们在这种大小方面减小。
[0058] 此外，在此实施例中，区段111的厚度并不恒定，而是(图4和图5)其对于最外围区段而言逐渐增加，目的在于协调由于扭转而造成的材料中的张力。实际上，由于扭转应力的性质，外围区段必须承受更大的具体应力，并且也如上文所提到的那样，它们相对于中心区段具有更小高度。
[0059] 此实施例还包括两个凸缘附接件104、105，分别在侧部101a、101b上，由于两个横向切口106、107而在同一实心块主体中获得，两个横向切口106、107在圆柱101上，特别地分离实际蛇形的部分与圆柱的端部，形成两个圆盘形部分，两个圆盘形部分然后合适地机械加工为使它们适应所需机械接合部。横向切口在完全切割圆柱部段之前停止，在蛇形部分与圆盘之间留下相应连接桥。有利地，这些桥在直径相对位置。
[0060] 具体而言，在马氏体时效处理的钢筋( r W720，杨氏模数：193GPa；屈服应力：1815MPa)上通过线电腐蚀能获得凹部和缺口。与凹部的尺寸和整个元件的部段的尺寸相容，通过切屑移除机械加工能实现机械加工。因此获得的具有线性并且无滞后现象的角-1度/扭矩特征的弹簧，适于实现100N·m·rad 的扭转刚性和至少30N·m的可传递的扭矩。
[0061] 蛇形元件的端部可以以各种方式形成，各种方式适于允许可变形元件与各种类型的机械元件形成接口连接，显然根据本领域技术人员能实施的方式。能使用的接合部/固定元件可包括具有螺钉的凸缘接合部、轴/毂接合部、带缺口的轮廓、键、凸片、径向销、花键元件等。
[0062] 因此，本发明允许克服实施扭转弹性元件的困难，扭转弹性元件是紧凑的、牢固的并且相对较轻，并且其同时允许以高变形性传递高扭矩，特别地由于具有彼此平行并且与扭矩中心轴线平行的凹部(和区段)的布置。实现为单件避免了在使用期间在可移动零件之间任何不希望的接触，并且这些元件也易于与其应连接的零件形成接口连接。
[0063] 使用根据本发明的扭转弹簧能实现的其它优点包括：
[0064] 尺寸易于参数化，目的是为了获得具有所希望特征的弹簧；
[0065] 能将弹簧端部设计成在弹簧与待连接到弹簧的元件之间使用各种固定方法；
[0066] 能获得对轴的直接机械加工，因此使得其固有地具有弹性。
[0067] 这种弹簧主要应用于机器人并且特别地可穿戴机器人领域中。弹簧的尺寸、刚性和可传递的扭矩特征和其与其它元件形成接口连接的高能力使得本发明适用于获得用于可穿戴机器人和一般而言机器人的弹性致动器。实际上，在这些应用中，使用具有有限重量和总尺寸的致动器是至关重要的，同时满足传递相对较高扭矩和力的需要。根据本发明的弹性致动器，连同所有元件，可以直接组装到机器人上。然而，弹簧的适用性并不限于机器人领域，而是也可以扩展到需要使用具有给定刚性和可传递扭矩特征的扭转弹簧的所有领域。
[0068] 参考本发明的优选实施例描述了本发明。然而，本文提供了属于权利要求的保护范围内的相同发明构思的其它实施例。
[0069] 参考文献
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