一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)，包括：帶有諧波傳動減速器的電機(jī)；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(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；用于測試旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扭矩的測量機(jī)構(gòu)；所述測量機(jī)構(gòu)由用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的電機(jī)編碼器，以及用于測量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的絕對式角度傳感器構(gòu)成。通過電機(jī)編碼器和絕對式角度傳感器來得到扭簧的扭轉(zhuǎn)角度，將扭轉(zhuǎn)角度乘以扭簧的彈性系數(shù)即可得到力矩，該測量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單且成本較低；通過限位索或者限位塊來限制外環(huán)和內(nèi)環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度，從而保護(hù)了扭簧，提高關(guān)節(jié)的可靠性。
【專利說明】一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過近60年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前工業(yè)機(jī)器人的智能化程度偏低，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人與操作人員必須物理隔離，這樣可以保證生產(chǎn)過程中操作人員的人身安全，卻無法通過人機(jī)協(xié)作提高作業(yè)效率，阻礙了工業(yè)機(jī)器人在中小企業(yè)以及高端裝配中的推廣應(yīng)用。近些年，以KUKA、ABB和BAXTER為代表的機(jī)器人公司，已經(jīng)立足全新一代工業(yè)機(jī)器人交互方式的研發(fā)，人機(jī)協(xié)作已經(jīng)成為新一代工業(yè)機(jī)器人智能化的目標(biāo)和代表。因此，提高機(jī)器人的智能化水平，實現(xiàn)機(jī)器人與人協(xié)助的安全性，對我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。
[0003]設(shè)計一種具有順從性的柔性關(guān)節(jié)是提升機(jī)器人智能化水平和實現(xiàn)人機(jī)安全交互的物理基礎(chǔ)。1995年，Gill Pratt等人發(fā)表論文“Series Elastic Actuator”(串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié))之后，提出了在執(zhí)行器輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)一個彈簧，通過檢測兩者的轉(zhuǎn)動角度差(或位置差)，乘以彈簧的彈性系數(shù)，便可得到施加在負(fù)載上的力矩，這種方式較好地實現(xiàn)了關(guān)節(jié)的力矩控制。其中，串聯(lián)的彈簧還能作為抵抗外部沖擊的濾波器，因此在抗擊外部沖擊時具有一定的優(yōu)勢。這種串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)在MIT實驗室的雙足機(jī)器人和六自由度機(jī)械臂中得到了應(yīng)用。
[0004]時隔20年，當(dāng)人們又開始把目光聚焦在柔性關(guān)節(jié)時，需要面臨兩個問題:第一、由于串聯(lián)彈性驅(qū)動器需要檢測兩個部位的角度差，通常會采用兩個角度傳感器，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，成本較高；第二、通過控制力或力矩來實現(xiàn)關(guān)節(jié)的位置軌跡跟蹤，這比沒有串聯(lián)彈簧時的控制要難得多。
[0005]如申請公布號為CN102632509A的專利文獻(xiàn)公開了一種具有力反饋控制的彈性驅(qū)動模塊化關(guān)節(jié)，它包括關(guān)節(jié)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(zhuǎn)子和第一定子組成，第一轉(zhuǎn)子通過波形墊圈和卡簧固定在輸出軸上，第一定子經(jīng)過安裝扣固定在關(guān)節(jié)外殼上，第二絕對式角度傳感器由第二轉(zhuǎn)子和第二定子組成，第二轉(zhuǎn)子通過端蓋法蘭固定在輸出端蓋上，第二定子經(jīng)套筒固定在關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，成本較高；且彈性扭簧沒有限位裝置，如果扭矩超出限定范圍，會導(dǎo)致扭簧過度扭轉(zhuǎn)，極大的影響了測量的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明提供了一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)。這種柔性關(guān)節(jié)結(jié)合了實際應(yīng)用的需求，解決了現(xiàn)有柔性關(guān)節(jié)設(shè)計復(fù)雜、成本高和沒有限位裝置的問題。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:[0008]一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)，包括:
[0009]帶有諧波傳動減速器的電機(jī)；
[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(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；
[0012]用于測試旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扭矩的測量機(jī)構(gòu)；
[0013]所述測量機(jī)構(gòu)由用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的電機(jī)編碼器，以及用于測量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的絕對式角度傳感器構(gòu)成。
[0014]所述諧波傳動減速器包括波發(fā)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(zhuǎn)子和傳感器定子，傳感器定子固定在電機(jī)殼體上，傳感器轉(zhuǎn)子固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。
[0016]作為優(yōu)選，所述扭簧包括:
[0017]外環(huán)，與電機(jī)殼體的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動配合；
[0018]內(nèi)環(huán)，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(huán)和內(nèi)環(huán)之間，所述彈性體沿內(nèi)環(huán)周沿均勻分布，彈性體為往復(fù)折彎的帶狀。扭簧可以為關(guān)節(jié)提高了柔順和存儲能量的機(jī)制，而往復(fù)折彎的帶狀的彈性體加工、安裝方便，在扭簧內(nèi)外環(huán)相互轉(zhuǎn)動時，可靠性好、精度高。
[0020]所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括傳動盤，所述傳動盤與所述外環(huán)固定。扭簧通過轉(zhuǎn)動盤來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
[0021]作為優(yōu)選，所述外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間設(shè)有用于限定極限轉(zhuǎn)角的限位索。限位索有一定的長度，在外環(huán)和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動到一定位置時，限位索被拉直從而限制外環(huán)和內(nèi)環(huán)進(jìn)一步相對轉(zhuǎn)動，防止扭矩過大時對扭簧產(chǎn)生破壞，從而起到限位保護(hù)的作用。
[0022]作為優(yōu)選，所述殼體內(nèi)壁設(shè)有延伸至外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的限位塊。在外環(huán)和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動到一定位置時，彈性體與限位塊接觸，從而限制外環(huán)和內(nèi)環(huán)進(jìn)一步相對轉(zhuǎn)動。
[0023]作為優(yōu)選，所述限位塊上套設(shè)有緩沖套。起到緩沖作用，保護(hù)彈性體和限位塊。
[0024]作為優(yōu)選，電機(jī)轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一端為穿出電機(jī)殼體的延伸段；
[0025]所述電機(jī)編碼器包括:
[0026]第一基座,與電機(jī)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(zhuǎn)子，固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，與所述第一定子相配合。
[0029]作為優(yōu)選，電機(jī)定子上安裝有霍爾傳感器。該霍爾傳感器用于電機(jī)內(nèi)部的電流換相。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:通過由用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的電機(jī)編碼器，以及用于測量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的絕對式角度傳感器來得到扭簧的扭轉(zhuǎn)角度，將扭轉(zhuǎn)角度乘以扭簧的彈性系數(shù)即可得到力矩，該測量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單且成本較低；通過限位索或者限位塊來限制外環(huán)和內(nèi)環(huán)的相對旋轉(zhuǎn)角度，從而保護(hù)了扭簧，提高關(guān)節(jié)的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明混合控制的柔性關(guān)節(jié)的剖視圖；
[0032]圖2是本發(fā)明混合控制的柔性關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0033]圖3是具有限位索的平面扭簧的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖4是具有限位塊的平面扭簧的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]1.傳感器定子，2.傳感器轉(zhuǎn)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(fā)生器，13.電機(jī)定子，14.電機(jī)轉(zhuǎn)子，15.霍爾傳感器，16.第二軸承，17.第一定子，18.電機(jī)轉(zhuǎn)軸，19.第一轉(zhuǎn)子，20.第一基座，21.端蓋，22.彈性體，23.限位索，24.內(nèi)環(huán)，25.外環(huán)，26.緩沖套，27.限位塊，28.絕對式角度傳感器，29.電機(jī)編碼器，30.電機(jī)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(guān)節(jié)，包括:
[0037]帶有諧波傳動減速器的電機(jī)；
[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(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；
[0040]由用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸18轉(zhuǎn)角的電機(jī)編碼器29，以及用于測量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的絕對式角度傳感器28構(gòu)成的測量機(jī)構(gòu)。
[0041]電機(jī)包括電機(jī)轉(zhuǎn)軸18、電機(jī)殼體30、安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)子14以及與電機(jī)轉(zhuǎn)子相互配合的電機(jī)定子13,且電機(jī)定子13上安裝有霍爾傳感器15。電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)外殼30的同軸性。
[0042]諧波傳動減速器包括波發(fā)生器12、與電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)軸18轉(zhuǎn)動時，通過波發(fā)生器12和柔輪10，將轉(zhuǎn)動經(jīng)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(jī)殼體30轉(zhuǎn)動配合。
[0043]扭簧5包括:
[0044]與電機(jī)殼體30的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動配合的外環(huán)25 ；
[0045]與諧波傳動減速器的輸出軸7固定的內(nèi)環(huán)24 ；
[0046]固定在外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的三個彈性體22，且彈性體沿內(nèi)環(huán)周沿均勻分布，彈性體為往復(fù)折彎的帶狀。扭簧可以為關(guān)節(jié)提高了柔順和存儲能量的機(jī)制，而往復(fù)折彎的帶狀的彈性體加工、安裝方便，扭簧內(nèi)、外環(huán)相互轉(zhuǎn)動時，可靠性好、精度高。如圖3所示，外環(huán)25和內(nèi)環(huán)24之間設(shè)有用于限定極限轉(zhuǎn)角的限位索23。限位索有一定的長度，在外環(huán)和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動到一定位置時，限位索被拉直從而限制外環(huán)和內(nèi)環(huán)進(jìn)一步相對轉(zhuǎn)動，防止扭矩過大時對扭簧產(chǎn)生破壞，從而起到限位保護(hù)的作用。除了限位索還可以在殼體內(nèi)壁設(shè)置延伸至外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的限位塊27，且限位塊上套設(shè)有緩沖套26，見圖4。在外環(huán)和內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動到一定位置時，彈性體與限位塊接觸，從而限制外環(huán)和內(nèi)環(huán)進(jìn)一步相對轉(zhuǎn)動，而緩沖套起到緩沖作用，保護(hù)彈性體和限位塊。
[0047]旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括傳動盤3，傳動盤3與外環(huán)25固定，且傳動盤和外環(huán)通過定位軸承與電機(jī)殼體30轉(zhuǎn)動配合。絕對式角度傳感器28包括相互配合的傳感器轉(zhuǎn)子2和傳感器定子I，傳感器定子I固定在電機(jī)殼體30上，傳感器轉(zhuǎn)子2固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動盤3上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時，絕對式角度傳感器的傳感器轉(zhuǎn)子2和傳感器定子I發(fā)生相對運動，從而測得旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的角度。[0048]電機(jī)轉(zhuǎn)軸18遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一端為穿出電機(jī)殼體的延伸段，電機(jī)編碼器29包括:
[0049]第一基座20,與電機(jī)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(zhuǎn)子19，固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，與第一定子相配合。
[0052]當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸18旋轉(zhuǎn)時，電機(jī)編碼器的第一定子17和第一轉(zhuǎn)子19發(fā)生相對運動，從而測得電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。
[0053]實際工作時，通過安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)端的絕對式角度傳感器28能檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實際轉(zhuǎn)動的角度，通過將其信號作為整個關(guān)節(jié)輸出角度的反饋，可以實現(xiàn)高精度的位置閉環(huán)控制，相比于通過嵌入力或力矩控制來實現(xiàn)位置控制，這種控制方法更加簡單，精度更高，響應(yīng)更快。通過電機(jī)編碼器29和絕對式角度傳感器28可以測得扭簧扭轉(zhuǎn)的角度，該角度乘以扭簧的彈性系數(shù)，即可得到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實際施加的力矩。本發(fā)明中的柔性關(guān)節(jié)實現(xiàn)了力和位置的混合控制，不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計和維護(hù)變得更加容易，而且還降低了成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種混合控制的柔性關(guān)節(jié)，包括: 帶有諧波傳動減速器的電機(jī)； 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(qū)動的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)； 用于測試旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)扭矩的測量機(jī)構(gòu)； 其特征在于，所述測量機(jī)構(gòu)由用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角的電機(jī)編碼器，以及用于測量旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角的絕對式角度傳感器構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，所述絕對式角度傳感器包括相互配合的傳感器轉(zhuǎn)子和傳感器定子，傳感器定子固定在電機(jī)殼體上，傳感器轉(zhuǎn)子固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，所述扭簧包括: 外環(huán)，與電機(jī)殼體的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動配合； 內(nèi)環(huán)，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(huán)和內(nèi)環(huán)之間，所述彈性體沿內(nèi)環(huán)周沿均勻分布，彈性體為往復(fù)折彎的帶狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括傳動盤，所述傳動盤與所述外環(huán)固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，所述外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間設(shè)有用于限定極限轉(zhuǎn)角的限位索。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，所述殼體內(nèi)壁設(shè)有延伸至外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的限位塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，所述限位塊上套設(shè)有緩沖套。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，電機(jī)轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一端為穿出電機(jī)殼體的延伸段； 所述電機(jī)編碼器包括: 第一基座，與電機(jī)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(zhuǎn)子，固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，與所述第一定子相配合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合控制的柔性關(guān)節(jié)，其特征在于，電機(jī)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(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】朱秋國, 熊蓉 申請人:浙江大學(xué)