CN104245247A - 用于串联式弹性致动器的弯曲元件及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测旋转力并响应于该旋转力而发生变形的弧形金属元件被应用到机器人***的致动器上。各实施例尤其涉及串联式弹性致动器(SEAs)。

Description

用于串联式弹性致动器的弯曲元件及相关方法

相关申请

本申请要求于2012年4月13日递交的美国专利申请号US13/446,564的权益和优先权，在此其全部公开内容均被援引纳入本文。

发明领域

本发明的各实施例总体涉及串联式弹性致动器(SEAs)，且尤其涉及制造成本低且在机器人操作过程中能量损耗最小化的串联式弹性致动器(SEAs)。

背景技术

机器人被设计用于操纵物体并与环境相互作用。安全地检测和控制机器人致动器施加到机器人元件和/或环境上的力避免了不必要的危害。传统地，刚性致动器已被用于产生可被力传感器测得的、大的力/扭矩。但由刚性致动器施加的力很难精确测量：传感器检测到的挠曲小误差可能导致大的力误差。因此，可能需要昂贵的高精度的力传感器与刚性致动器协同工作。此外，刚性致动器通常不能吸收震动荷载，从而限制了它们在机器人***中的应用。

串联式弹性致动器(SEAs)提供了更精确检测和控制机器人力的经济可行的方法。串联式弹性致动器(SEAs)通常在机器人齿轮箱与从动负载之间使用顺应元件，如图1所示，以降低致动器的刚性。由于串联式弹性致动器(SEA)具有相对高的顺应性，其在力/扭矩作用下的挠曲大且因此易于测量。因此基于位置挠曲、利用例如胡克定律的力计算精确度高。高顺应性的SEA降低了该致动器对SEA位置挠曲的小变化的敏感性；可应用反馈回路来精确控制致动器达到所期望的输出力/扭矩。

许多配置，包括扭簧、拉簧、平面弯曲元件和其它弹性元件已被用作串联式弹性致动器中的顺应元件。扭簧通常不具有足够的刚度；扭簧的挠曲可能较大并且由于大挠曲的力和变形量之间的非线性关系导致在力测量中的误差。此外，大变形量可显著增加库伦摩擦力和/或其它非守恒力，从而消耗额外的能量。拉簧因在弹簧端部区域处的滑移运动通常产生显著摩擦。平面弯曲元件能够提供所期望的刚度和元件挠曲度。但这些元件的制造方法通常昂贵且所施加的力可能是非均匀地分布于其上，导致元件的多个部分的永久变形或疲劳失效。

因此，设计这样的一种顺应性的串联式弹性致动器(SEA)仍然是一个挑战，即其制造成本低、能量损失(例如因摩擦)有限且达到所期望的刚度和可检测的位置挠曲之间的最佳平衡同时不超出材料的疲劳极限(或线性力范围)。

发明内容

在多个实施例中，本发明涉及很好适用于机器人用途的弧形金属弯曲元件，如用于检测在机器人元件(如关节)之间和/或在机器人与环境之间的力。该弧形弯曲元件在施加力的作用下可产生均匀的应力或变形并呈现低能耗。根据本文的弯曲元件可在长度上具有非均匀的横截面尺寸(通常为宽度)，从而所施加的力均匀地分布于其上。更具体地，弯曲元件的两个末端可具有较宽的横截面宽度，而弯曲元件的中间部段可具有较窄的横截面宽度。这两个端部区域可被夹紧在旋转的机器人元件(例如齿轮箱臂或关节输出机构)上。结果，在弯曲元件的端部区域处不发生滑移运动且因此显著降低了动摩擦。此外，由于仅弯曲元件上的两端部区域被附接至机器人元件，故在该弯曲元件的其它部分中不存在摩擦且因此也不存在能量损耗。如本文所述，可应用“单冲压”技术来制造弯曲元件，因此降低了制造成本；或者，可应用结合了多种制造工艺(如穿孔、压印加工和切断)的“级进模冲压”技术来制造弯曲元件来提高生产效率和经济性。

因此，一方面，本发明涉及机器人***中的致动器。在多个实施例中，该致动器包括用于驱动负载的马达、用于从马达向负载传递力的齿轮传动机构、用于检测力并响应于该力而发生变形的弧形金属元件。该弧形金属元件在施加力时的变形可以是沿其长度均匀的。该致动器还可包括限定出关节，例如弯曲关节或扭转关节的构件。该弧形金属元件可以是或包括对向角大于180°的C形开口环。在多个实施例中，弧形金属元件具有变化的横截面尺寸且该弧形元件终止于第一端部和第二端部，第一端部和第二端部中的每个均包括用于帮助夹紧该元件的机构(如通孔)。此外，弧形元件可被如此构造，以使得在第一和第二端部之间的部段是悬空的、不与任何其它构件接触。

机器人***内的致动器还可包括第二弧形金属元件，用于检测力并响应于该力而发生变形；这些元件可叠置。在一些实施例中，第二元件具有沿其长度变化的横截面尺寸并且也响应于力而发生均匀变形。

第二方面，本发明涉及一种弯曲元件，其包括单个平面弧形部段，其终止于第一和第二端部并限定出开口环。该元件被构造为响应于在对至少其中一个所述端部施加平面内的旋转力而基本在平面内的位移。每一端部可包括用于帮助夹紧该弯曲元件的机构(例如通孔)。该元件的开口环可对向大于180°的角。在多个实施例中，该弯曲元件基本由弹簧钢构成。在一些实施例中，弯曲元件的横截面尺寸在其长度上是非均匀的，以在位移过程中消除应力集中。该横截面尺寸可以从第一和第二端部向它们之间的中间部单调递减。在一个实施例中，该单调递减是60％。

第三方面，本发明涉及一种检测在机器人***内的从马达传递到负载的力的方法。该方法包括(i)响应于力而在弧形元件上产生变形；和(ii)至少部分基于该变形计算出力。在多个实施例中，弧形元件的变形沿其长度是均匀的。在一些实施例中，弧形元件具有长度和在整个长度上非均匀的横截面尺寸，借此在因所述力而产生位移期间消除应力集中。该横截面尺寸可从弧形元件的第一和第二端部向它们之间的中间部单调递减。在一个实施例中，该单调递减是60％。

如本文所用，术语“基本上”和“大约”是指±10％或±10°，且在一些实施例中指±5％或±5°。参见整个说明书中的“一个例子”、“某一例子”、“一个实施例”或“某一实施例”是指与该例子相关描述的特定特征、结构或特性被包含在本技术的至少一个例子中。因此，在整个说明书内的各个位置出现的短语“在一个例子中”、“在某一例子中”、“一个实施例”或“某一实施例”并不一定全部指代同一个例子。此外，特定的特征、结构、程序、步骤或特性可以按任何合适的方式被结合在本技术的一个或多个例子内。本文提供的标题仅仅是为了方便起见且并不旨在限制或诠释所要求保护技术的范围或含义。

附图说明

在附图中，相似的附图标记在不同视图中通常指代相同部件。且，附图无需按比例绘制，相反通常主要着眼于呈现本发明原理。在下面的说明中，参照所附的附图描述了本发明的各种实施例，其中：

图1示意性示出了应用在机器人***的致动器中的顺应元件；

图2A是布置在弯曲关节内的SEA弯曲元件的一个实施例的透视图；

图2B和2C是示出了在施加力/扭矩时分别缩小和增大的SEA弯曲元件的开口的平面图；

图3是描绘了SEA弯曲元件的沿其长度变化的横截面宽度的透视图；和

图4是描绘了SEA弯曲元件的沿其长度变化的横截面厚度的透视图。

具体实施方式

再次参见图1，其示出了机器人致动器100，该机器人致动器100具有串联联接的马达102、齿轮箱104、顺应元件(如串联式弹性致动器(SEA))106和输出负载108。齿轮箱104被构造成将来自关联马达102的运动通过顺应元件106转移为输出负载108的运动。负载108可以是任何合适的负载如机器人链节或关节。顺应元件106的位置挠曲可由位置传感器110测得。如果刚性常数(如弹簧常数或杨氏模量)已知，可确定出马达102所施加的力/扭矩。可采用力/扭矩反馈回路112，从而所期望的力/扭矩由马达102生成并经由顺应元件106传递。

图2A描绘出机器人***的一部分200，其包括根据本发明的实施例的弯曲关节210。在所示结构中，齿轮箱输出轴212通过顺应元件(如串联式弹性致动器弯曲元件(SEA弯曲元件))216将力/扭矩从马达(未示出)传递至弯曲关节输出机构214。该SEA弯曲元件216可被构造为平面弧形元件，其终止于两端部区域218、220以适配该弯曲关节210。该两端部区域218、220可彼此接触或在二者间具有开口222。端部区域218包括与齿轮箱-串联式弹性致动器臂(SEA臂)224的通孔对准的两个通孔，以助于二者之间的接合。齿轮箱-SEA臂的另一端固定至齿轮箱轴212。相似地，该SEA弯曲元件216的端部区域220具有有助于接合至弯曲关节输出机构214的通孔。该齿轮箱-SEA臂224和弯曲关节输出机构214可通过用于夹紧该SEA弯曲元件216的辅助机构接合该SEA弯曲元件216。该辅助机构可例如为定位螺钉、扣钉和/或有助于加紧固定机械连接的其它紧固装置。由于SEA弯曲元件216在该两端部区域218、220处被夹紧，在接合区域内不存在明显的滑移运动。结果，在被固定的SEA弯曲元件216与齿轮箱-SEA臂224之间和/或与弯曲关节输出机构214之间的摩擦是可忽略的且在弯曲关节210内的能量损失最小化。该SEA弯曲元件216可进一步被如此构造，即如所示出的，该SEA弯曲元件216的部段226(优选其大部分长度)不与其它的机器人构件接触，因此在弯曲过程中不产生摩擦。因此，该SEA弯曲元件216使得与从马达传递力/扭矩到负载即弯曲关节210相关的能量损耗最小化。该SEA弯曲元件216可以是对向角度大于180°的C形开口环。在一个实施例中，该C形开口环的对向角度介于270°和300°之间。

通过被夹紧的端部区域218、220将力/扭矩从马达传递到弯曲关节输出机构214导致该SEA弯曲元件216基本在平面内的挠曲。例如，当经受使关节210弯曲程度增加所施加的顺时针扭矩228时，该SEA弯曲元件216如此挠曲，即开口222缩小，如图2B所示。类似地，逆时针扭矩230使SEA弯曲元件216的开口222扩大，如图2C所示。该SEA弯曲元件216的位置挠曲可由位置传感器(未示出)测量。由于该SEA弯曲元件216的刚度仅由材料决定，则所施加的扭矩可基于测得的位置挠曲来计算。如果该SEA弯曲元件216由刚性材料(例如具有大的杨氏模量)制成，则必须使用高分辨率的位置传感器来精确检测所述挠曲，而需要用敏感度较低的位置传感器测量刚性较低材料的较大的挠曲。刚性材料可具有相对有限的、胡克定律可适用的线性范围；超出该线性范围，非线性的力-变形量关系可能需要复杂的计算来确定所施加的力/扭矩，且可能进一步导致弯曲元件的永久损伤。在一个实施例中，该SEA弯曲元件216由包含多种碳浓度的弹簧钢制成以产生高抗屈强度(通常大于60千磅每平方英寸(ksi))；这允许该SEA弯曲元件216在不超出其材料强度(即线性范围)的情况下发生大的位置挠曲，从而尽管显著弯曲，一旦撤掉所施加的力/扭矩，该SEA弯曲元件216也会恢复至其原始形状；即，该SEA弯曲元件216呈现低滞后性，例如约2％或更小。因此，该SEA弯曲元件216使所期望的刚度(例如3牛米每度(Nm/degree))与弯曲元件挠曲(例如5°)得到平衡，该弯曲元件挠曲可在不超出材料的疲劳极限(或具有线性的力-变形量关系的范围)的情况下轻松测得。具有适于机器人用途的合适刚性的并产生基本可测的位置挠曲的其它材料如碳纤维可被用于该SEA弯曲元件216并且落入本发明的范围内。

参见图3，该SEA弯曲元件300可在弯曲元件长度L上具有非均匀的横截面宽度W，以响应于所施加的力/扭矩沿该弯曲元件长度生成均匀分布的应力。该应力分布在图2B和2C中以250示意性示出，且如图所示，应力并未围绕该弯曲元件216集中在任何点。例如，在两端部区域314、316附近的横截面宽度W1和W2分别可以大于在SEA弯曲元件300中部的横截面宽度W3。在一个实施例中，两端部区域的横截面宽度W1和W2相等。在一些实施例中，横截面宽度W从两端部区域314、316向它们之间的中点单调递减。这种单调递减可以是基本对称的且例如在厚度W上呈现降到约60％(即W3/W1＝W3/W2＝0.6)。由于两个被夹紧的端部区域314、316经受最大的力且该力沿SEA弯曲元件300的长度降低，因此中间部段318经受最小的施加力。因此，具有在端部区域314、316处较宽横截面宽度而在中间部段318内较窄横截面宽度的SEA弯曲元件300的结构设计沿该SEA弯曲元件300的整个长度L产生均匀应变(因而应力)。沿SEA弯曲元件300的长度而变化的横截面宽度W有利地消除了在其上特定薄弱点处的应力集中并因此有效地最大化了该SEA弯曲元件300的寿命。在中间部段内减小横截面宽度降低了该SEA弯曲元件300的刚性，因此允许其大的位置挠曲(或较小的敏感度)。因此，该SEA弯曲元件300的减小的横截面宽度降低了***尺寸、重量和成本。

尽管SEA弯曲元件可具有沿其长度变化的横截面宽度W，但本发明并不限于任何特定的设计。本领域普通技术人员将理解，横截面宽度可以按任何方式改变，以沿该SEA弯曲元件的整个长度产生均匀变形或应力。例如，该横截面宽度可从该两端部区域314、316向中点318非线性减小；该减小可从两端部起是非对称的；且端部区域314的横截面宽度W1可与端部区域316的横截面宽度W2不同。

如图4所描绘，该两端部区域414、416的横截面厚度D₁和D₂可分别比该SEA弯曲元件400的中间部段418内的横截面厚度D₃厚。该SEA弯曲元件400的横截面厚度D可从该两端部区域414、416向它们之间的中间部段418单调递减或非线性递减。该递减可以是对称的或不对称的且该横截面厚度D₁和D₂可相同或不同。该SEA弯曲元件400可传递力/扭矩至连接的机器人构件(如弯曲关节输出机构)并响应于所施加力/扭矩沿长度L产生均匀分布的应力或变形。在其它实施例中，横截面宽度W和厚度D均沿SEA弯曲元件的长度变化。从两端部区域起的所述变化可以是对称的或不对称的。当在该两个被夹紧的端部区域上施加力/扭矩时，可利用变化的横截面宽度W和厚度D的任何组合来实现沿SEA弯曲元件的整个弯曲元件长度L的均匀分布的应变或应力。可有效消除SEA弯曲元件内的应力集中并因此产生均匀变形的任何结构设计均在本发明的范围内。

在一些实施例中，多个SEA弯曲元件216可彼此叠置以协同传递驱动力/扭矩。每层的变化的横截面宽度可以相同或不同。利用多层SEA的优点可包括例如降低多层SEA弯曲元件的整体刚度并因此增加可检测到的弯曲变形量同时保持每一SEA弯曲元件216的刚度。在一些实施例中，SEA弯曲元件216利用“单冲压”技术制造，借此利用冲压机在一块金属片上单步冲压出SEA弯曲元件216的设计尺寸；这种制造方法简单、快速并有成本效益。在其它实施例中，利用一组冲压站在金属片上同时执行多种操作如穿孔、压印加工、弯曲和切断的“级进模冲压”技术可被应用来有效且经济地形成SEA弯曲元件216。

本文中所用术语和表述被用作说明性而非局限性术语和表述，且在使用这些术语和表述时不打算排除与所示出和所描述的特征或其各部分的任何等同。此外，通过已经描述的本发明的某些实施例，对本领域技术人员来说显见的是，可使用包含本文所公开的概念的其它实施例而不脱离本发明的精神和范围。因此，无论从哪方面来看，所描述的实施例都被认为仅是说明性的而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种机器人***中的致动器，包括：

用于驱动负载的马达；

用于从该马达向该负载传递力的齿轮传动机构；和

用于检测该力并响应该力而发生变形的弧形金属元件。

2.根据权利要求1所述的致动器，还包括限定出关节的构件，其中所述关节是弯曲关节或扭转关节。

3.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述弧形金属元件包括对向角大于180°的C形开口环。

4.根据权利要求1所述的致动器，其中，在施加力时，所述弧形金属元件的变形沿其长度是均匀的。

5.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述弧形金属元件包括变化的横截面尺寸。

6.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述弧形金属元件终止于第一端部和第二端部，所述第一端部和第二端部中的每个均包括用于帮助夹紧该元件的机构。

7.根据权利要求6所述的致动器，其中，所述弧形金属元件被如此构造，以使得在第一端部和第二端部之间的部段是悬空的、不与任何其它构件接触。

8.根据权利要求1所述的致动器，还包括第二弧形金属元件，其用于检测力并响应于该力而发生变形，其中所述元件是叠置的。

9.根据权利要求8所述的致动器，其中，所述第二弧形金属元件具有沿其长度变化的横截面尺寸并且也响应于所述力而发生均匀变形。

10.一种弯曲元件，其包括单个平面弧形部段，其终止于第一端部和第二端部并限定出开口环，并且被构造为响应于对至少其中一个所述端部施加平面内的旋转力而基本在平面内位移。

11.根据权利要求10所述的弯曲元件，其中，所述开口环的对向角大于180°。

12.根据权利要求10所述的弯曲元件，其中，每个所述端部包括用于帮助夹紧所述弯曲元件的机构。

13.根据权利要求10所述的弯曲元件，其中，所述弧形部段具有长度和在所述长度上非均匀的横截面尺寸，以在位移期间消除应力集中。

14.根据权利要求13所述的弯曲元件，其中，所述横截面尺寸从所述第一端部和第二端部向它们之间的中间部单调递减。

15.根据权利要求14所述的弯曲元件，其中，单调递减是60％。

16.根据权利要求10所述的弯曲元件，其中，所述弯曲元件基本由弹簧钢构成。

17.一种检测在机器人***内的从马达传递到负载的力的方法，该方法包括：

响应于所述力而在弧形元件上产生变形；和

至少部分基于所述变形计算出该力。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述弧形元件的变形沿其长度是均匀的。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，该弧形元件具有长度和在所述长度上非均匀的横截面尺寸，借此在因所述力而产生位移期间消除应力集中。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，该横截面尺寸从该弧形元件的第一端部和第二端部向它们之间的中间部单调递减。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，该单调递减是60％。