CN106239554B - 一种可变刚度的传导机构以及机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变刚度的传导机构，采用凸轮、滚子、翅片弹簧，以及力矩输出轴，力矩传导时滚子挤压翅片弹簧，力矩越大，挤压量越大，滚子就越向翅片弹簧根部移动，弹簧刚度变大，因此实现可变刚度的力矩传导机构。将该可变刚度的力矩传导机构应用于机器人关节时，机器人关节具有很大带宽，当受到外部冲击时能够吸收外部冲击能量，保护机器人关节不被损坏。另外，由于力矩输出轴的连接，可变刚度传导模块与输出端可位于关节主体的两侧，因此传导模块更换方便，有利于机器人的高装配精度。

Description

一种可变刚度的传导机构以及机器人关节

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种可变刚度的传导机构以及机器人关节。

背景技术

随着科技的不断发展，工业机器人开始走出工厂的流水线，走进人们的日常生活。刚度大、运动精确高，以及速度快是工业机器人的显著特点，也正是这些特点阻碍了人机共融的脚步。

人机共融对机器人提出了几点要求。首先，是机器人具有柔顺性，即能够实现位置速度控制并表现出一定的力的特性，从而使机器人像人一样智能地完成任务。其次，在机器人与外界环境交互过程中，如遇到外部力的冲击，需要吸收外部冲击的能量以保护机器人不收损害。再者，对于行走的机器人，如果能够吸收行走过程中的冲击能量并适时释放，这对于机器人节省能量有巨大的帮助。

机器人关节是一个机电一体化装置，包括关节主体与输出端，关节主体连接一段机械臂，输出端连接另一段机械臂或是执行件连接输出动力，主要作用是像电机一样输出驱动力(或是驱动力矩)。不同于电机，机器人关节包含减速机、位置传感器、力传感器、刹车等零部件，以及电路板等电子电路装置，这些器件使机器人关节更加智能地工作。实现机器人关节柔顺性的方法包括：

(1)单纯使用控制算法：就是编制柔顺控制算法实现机器人关节的柔顺性。

(2)使用串联弹性元件配合控制算法：就是在关节传动链中加入弹性元件，一般是弹簧，配合控制算法实现机器人关节的柔顺性。其示意图如图1，其中，100是关节主体，其内部包含电机、轴承、减速机、传感器等零部件；200是弹性元件，一般为弹簧；300是输出端，其与下一段机械臂或是执行件连接输出动力。

(3)关节配合变刚度传导模块：其结构示意图如图2，其结构同图1大致相同，不同的是传导部分不是单一的弹簧，还使用其他机械机构，构成一个刚度可以变化的传导模块201，例如申请号为CN201510762250.3的专利文献中公开的模块化变刚度关节。

单纯使用控制算法的方法虽然可以使柔顺控制算法简单，但是缺少缓冲外部载荷的功能，在有外部冲击载荷的情况下不能保护机器人。

使用串联弹性元件配合控制算法的方法虽然能够缓冲外部载荷，但是由于内部弹簧的刚度是无法发生变化的，造成整个关节传递链的带宽是一定的。

使用图2所示的关节配合变刚度机构的方法，因为变刚度传导机构夹在关节主体和输出端之间，虽然变刚度传导机构是模块化的，可以任意更换不同的变刚度传导机构，但是由于更换时需要拆卸关节，所以造成机器人的装配精度下降，影响机器人的性能。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种可变刚度的传导机构，包括力矩输入端、可变刚度传导模块以及力矩输出轴；

所述的可变刚度传导模块包括齿轮A、齿轮B、至少一个滚子，以及凸轮；齿轮A与齿轮B齿合；凸轮表面连接翅片弹簧；凸轮连接在力矩输出轴的一端；齿轮B沿轴向套接在凸轮表面，并且齿轮B的套接面与凸轮的曲面形成若干滑槽；滚子放置在所述滑槽内；

输入端的力矩通过齿轮A传给齿轮B，齿轮B转动，压紧滚子在滑槽内滚动挤压翅片弹簧并向翅片弹簧根部方向运动，力矩通过滚子传给凸轮，然后传至力矩输出轴。

力矩越大，挤压量越大，滚子就越向翅片弹簧根部运动，弹簧刚度变大。

为了调节滚子在所述滑槽中的初始位置，作为优选，所述的可变刚度传导模块还包括预压电机，用于产生预压力矩，该预压力矩通过齿轮A、齿轮B，使滚子在滑槽内滚动至一定位置，例如，挤压翅片弹簧至一定刚度。

作为优选，所述的凸轮和力矩输出轴采用花键连接。

上述可变刚度的传导机构可用于机器人关节，如图3所示，该机器人关节包括关节主体与输出端；

所述的关节主体包括电机、减速器；

所述的可变刚度的传导机构连接中，力矩输入端与减速器输出端连接，力矩输出轴的另一端连接所述的输出端(如上所述，力矩输出轴的一端连接凸轮)。

即，由于力矩输出轴的连接，如图3所示，可变刚度传导模块与输出端可位于关节主体的两侧，也就是说，可变刚度传导模块没有位于关节主体与输出端之间的限制，这样的设计有利于变刚度模块的更换等，提高了机器人的装配精度。

作为优选，所述的减速器为谐波减速器。

作为优选，所述的电机采用空心轴电机，电机的定子固定在机器人关节的外壳上，转子固定在空心轴外部，空心轴用轴承支撑。为了进行掉电保护，所述的电机设置刹车(制动器)，作为一种优选，所述刹车放在空心轴内部，刹车包括刹车定子和刹车转子两部分，刹车转子固定在空心轴的内部，刹车定子固定在端盘上，端盘和机器人关节的外壳相连，因此刹车定子相对于外壳是固定的。该刹车采用电磁制动，通电时，刹车转子和刹车定子分离，在电机的驱动力作用下，刹车转子跟随空心轴转动；断电时，刹车定子吸引刹车转子，两者抱合在一起，将空心轴锁住，电机则不能对外界输出力矩。这种设计起到掉电保护作用。从径向看，这种刹车位于电机的内部，即刹车电机径向布置，缩短了机器人关节的轴向长度。

综上所述，本发明采用凸轮、滚子、翅片弹簧，以及力矩输出轴，通过滚子翅片弹簧，实现了可变刚度的力矩传导机构，具有如下有益效果：

(1)结构简单，弹性原件和凸轮融为一体，降低了可变刚度的力矩传导机构的复杂程度。当力矩越大，挤压量越大，滚子就越向翅片弹簧根部移动，弹簧刚度变大，从而实现了力矩传导机构的可变刚度。

(2)将该可变刚度的力矩传导机构应用于机器人关节时，整个关节可以有很大的带宽，并且在有外部冲击的时候能够吸收外部冲击能量，保护机器人关节不被损坏。另外，由于力矩输出轴的连接，可变刚度传导模块与输出端可位于关节主体的两侧，因此该传导模块更换方便，更换该传导模块时无需拆卸关节主体，解决了现有力矩传导机构位于机器人关节与输出端时造成的更换力矩传导机构必须拆卸关节主体而导致的机器人的装配精度下降，影响机器人的性能的问题。

(3)作为优选，设置刹车用于电机掉电保护，并且当刹车位于电机的内部，即刹车电机径向布置，有利于缩短了机器人关节的轴向长度。

附图说明

图1是串联弹性元件配合控制算法实现机器人关节柔顺性的结构示意图；

图2是关节主体配合变刚度传导机构实现机器人关节柔顺性的结构示意图；

图3是本发明中后置可变刚度模块的机器人关节结构示意图；

图4是本发明实施例1中机器人关节结构的轴向剖面示意图；

图5是本发明实施例1机器人关节结构中可变刚度传导模块的径向剖面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1-5中的附图标记为：关节主体100，弹性元件200，传导模块201，输出端300，定子1，转子2，谐波减速器3，柔轮4，固定板5，连接件6，可变刚度传导模块7，预压电机8，齿轮9，齿轮10，凸轮11，力矩输出轴12，输出端13，传感器14，外壳15，刹车的定子16，传感器17，滚子18，翅片弹簧19，刹车的转子20，端盘21。

本实施例中，如图3所示，机器人关节包括关节主体100，位于该关节主体一侧的输出端300，以及位于该关节主体另一侧的可变刚度传导模块201。即，可变刚度传导模块置于关节主体与输出端的一端端部，而非位于关节主体与输出端之间。

如图4所示，从整体上，15部分是关节主体的外壳，其内部为关节主体结构，7框图内部是可变刚度传导模块结构，12是力矩输出轴，力矩输出轴连接输出端13，本实施例中，输出端13是力矩传感器。工作时，15连接机器人的一个臂，输出端13连接机器人的另一个臂。

关节主体包括电机与减速器。电机采用空心传动轴电机，包括定子1与转子2。减速器是谐波减速器3。定子1和外壳15连接在一起，转子2固定在空心传动轴外部，空心传动轴两端用轴承连接，轴承和外壳15连接起到支撑作用。空心传动轴和谐波减速器3的波发生器连接，谐波减速器和外壳15连接。柔轮4与固定板5连接。可变刚度传导模块7整体通过连接件6与固定板5连在一起。固定板5用轴承支撑，轴承和外壳15连接在一起。

如图4与5所示，可变刚度传导模块7包括齿轮9、齿轮10、滚子18，以及凸轮11。齿轮9与齿轮10齿合。凸轮11由弹性材料制成，并且凸轮11表面连接翅片弹簧。力矩输出轴12的一端通过花键连接到凸轮11，另一端通过螺栓连接输出端13。齿轮10沿轴向套接在凸轮11表面，并且齿轮10的套接面与凸轮的曲面形成若干滑槽，滚子放置在该滑槽内。

传动过程中，转子2相对于定子1运动产生力矩，空心传动轴将力矩传到谐波减速器3，柔轮4输出力矩，通过固定板5将力矩传送到可变刚度传导模块7中。可变刚度传导模块7中的该输入力矩通过齿轮A传给齿轮B，齿轮B转动压紧滚子18，滚子18在滑槽内滚动，从而挤压翅片弹簧19，力矩通过滚子18传给凸轮11，然后传至力矩输出轴12，通过力矩输出轴12传递至输出端13。力矩越大，挤压量越大，滚子18就越向翅片弹簧根部移动，弹簧刚度变大，从而实现刚度可变传导。

本实施例中，如图4所示，包括四个滚子18，每个滚子挤压一个翅片弹簧19。如图4所示，由于滚子被压紧滚动是双向运动，当向一个方向滚动时，其中两个滚子向其对应的翅片弹簧根部移动，当向另一个方向滚动时，另外两个滚子向其对应的翅片弹簧根部移动。

可变刚度传导模块中还包括预压电机8，其通过多个齿轮将动力力矩传送给齿轮10，调滚子18和凸轮11的相对位置，从而能够实现刚度调控，使整个关节可以有很大的带宽，并且在有外部冲击的时候能够吸收外部冲击能量，保护机器人关节不被损坏。

传感器14的外壳固定在外壳15上，内圈固定在空心传动轴上，用于测量电机转速。传感器17用于测量输出端的转速，其内圈通过连接件连接到外壳上，外圈通过连接件连到输出端的力矩传感器上，力矩传感器通过轴承连接到外壳上。

刹车设置在电机内部，其中刹车包括刹车定子16和刹车转子20两部分，刹车转子20固定在空心传动轴的内部，刹车定子16固定在端盘21上，端盘21和机器人关节的外壳15相连，所以刹车定子16是相对于外壳15固定的。刹车采用电磁制动，通电时，刹车转子20和刹车定子16分离，在电机的驱动力作用下，刹车转子20跟随空心传动轴转动；断电时，刹车定子16吸引刹车转子20，两者抱合在一起，将空心传动轴锁住，电机则不能对外界输出力矩，这种设计起到掉电保护作用。

本实施中，由于可变刚度传导模块7位于关节主体的后边，因此只要满足固定板5和力矩输出轴12上的连接方式和连接尺寸就可以重新设计新的可变刚度传导模块，直接连接到关节的后边而不用将整个关节从机械臂上拆下，这个过程不影响机械臂和关节的装配精度，并且促进新的可变刚度传导模块的产生，意义重大。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机器人关节，包括关节主体，位于所述关节主体一侧的关节输出端，以及可变刚度的传导机构，其特征是：所述的关节主体包括电机、减速器；

所述可变刚度的传导机构包括力矩输入端、可变刚度传导模块以及力矩输出轴；所述的可变刚度传导模块包括齿轮A、齿轮B、至少一个滚子，以及凸轮；齿轮A与齿轮B齿合；凸轮表面连接翅片弹簧；凸轮连接在力矩输出轴的一端；齿轮B沿轴向套接在凸轮表面，并且齿轮B的套接面与凸轮的曲面形成若干滑槽；滚子放置在所述滑槽内；

所述的可变刚度的传导机构连接中，力矩输入端与减速器输出端连接，力矩输出轴的另一端连接所述的关节输出端；所述的可变刚度传导模块还包括预压电机，用于产生力矩传递至齿轮B，齿轮B转动，从而调节滚子在滑槽中的初始位置；

力矩输入端的力矩通过齿轮A传给齿轮B，齿轮B转动，压紧滚子在滑槽内滚动挤压翅片弹簧并向翅片弹簧根部方向运动，力矩通过滚子传给凸轮，然后传至力矩输出轴；所述的凸轮和力矩输出轴采用花键连接；

所述可变刚度传导模块与关节输出端位于关节主体的两侧。

2.如权利要求1所述的机器人关节，其特征是：所述减速器为谐波减速器。

3.如权利要求1所述的机器人关节，其特征是：还包括刹车，所述的电机采用空心轴电机，刹车位于空心轴内部。

4.如权利要求1所述的机器人关节，其特征是：所述电机的定子固定在机器人关节的外壳上，转子固定在空心轴外部，空心轴用轴承支撑；刹车包括刹车定子和刹车转子两部分，刹车转子固定在空心轴的内部，刹车定子固定在端盘上，端盘和机器人关节的外壳相连；

通电时，刹车转子和刹车定子分离，在电机的驱动力作用下，刹车转子跟随空心轴转动；断电时，刹车定子吸引刹车转子，两者抱合在一起，将空心轴锁住。