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一種用于柔順關(guān)節(jié)的雙層平面扭簧的制作方法

文檔序號(hào):11150461閱讀:952來(lái)源:國(guó)知局
一種用于柔順關(guān)節(jié)的雙層平面扭簧的制造方法與工藝
本發(fā)明屬于機(jī)器人
技術(shù)領(lǐng)域
,具體涉及用于柔順關(guān)節(jié)帶預(yù)緊的雙層平面扭簧。
背景技術(shù)
:隨著服務(wù)型機(jī)器人的迅速發(fā)展,機(jī)器人與人類(lèi)的關(guān)系越來(lái)越緊密,機(jī)器人系統(tǒng)與人和環(huán)境之間是否具有良好的交互性成了人們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)中,關(guān)節(jié)一般采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),生產(chǎn)生活中往往需要隔欄與外部進(jìn)行物理隔離,從而防止關(guān)節(jié)受到外部沖擊而損壞和機(jī)器人對(duì)人的傷害。近幾年,人們開(kāi)始著手機(jī)器人關(guān)節(jié)柔順設(shè)計(jì)方法的研究,提出了利用阻抗控制、串聯(lián)彈性元件、被動(dòng)或主動(dòng)變剛度控制、基于力或位置混合控制驅(qū)動(dòng)等方法,使得機(jī)器人可以在外部沖擊情況下免受破壞,提高機(jī)器人與人和環(huán)境的交互安全性。實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐表明,串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)的方法成本最低,使用最穩(wěn)定可靠。在串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)方法中,哈爾濱工程大學(xué)王立權(quán)等人開(kāi)發(fā)了彈性驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(專(zhuān)利號(hào)CN102152319A)、雙串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器等驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(專(zhuān)利號(hào)CN101318331),均采用了傳統(tǒng)的螺旋彈簧。浙江大學(xué)朱秋國(guó)、熊蓉等人開(kāi)發(fā)了專(zhuān)利號(hào)CN102632508A和CN103817694A的適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的平面扭簧,在專(zhuān)利號(hào)CN103817694A中使用了單片平面扭簧,開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)平面扭簧的先例,改變了傳統(tǒng)的扭簧模式,解決了傳統(tǒng)彈簧占用空間大等問(wèn)題,適用于升級(jí)現(xiàn)有的服務(wù)機(jī)器人和機(jī)械臂關(guān)節(jié),有助于促進(jìn)機(jī)器人的更新?lián)Q代。但是現(xiàn)有的平面扭簧仍然存在最大外力扭矩相對(duì)較小,最大相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)較小等問(wèn)題,因此現(xiàn)有的平面扭簧仍然不能完全滿(mǎn)足服務(wù)機(jī)器人柔順關(guān)節(jié)的使用要求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:針對(duì)上述問(wèn)題,本發(fā)明提供一種用于柔順關(guān)節(jié)的雙層平面扭簧,解決現(xiàn)有平面扭簧最大外力扭矩偏小、最大相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度較小、變形曲線回程欠合理等問(wèn)題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:本發(fā)明由花鍵軸、第一平面扭簧、中間墊圈和第二平面扭簧和輸出件組成;所述的第一平面扭簧和第二平面扭簧的結(jié)構(gòu)完全相同,均包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)和彈性體單元;m個(gè)彈性體單元沿圓周均布,3≤m≤6;所述的彈性體單元具有n個(gè)弧形段,n為大于2的奇數(shù);相鄰弧形段凹凸方向相反,且端部的兩個(gè)弧形段均外凸;相鄰弧形段之間通過(guò)連接段連接;所述的外環(huán)內(nèi)側(cè)壁設(shè)有沿圓周均布的m個(gè)第一凸臺(tái);第一凸臺(tái)開(kāi)設(shè)有外環(huán)安裝孔;每個(gè)第一凸臺(tái)與對(duì)應(yīng)一個(gè)彈性體單元的一端端部弧形段固連;所述的內(nèi)環(huán)設(shè)有一體成型且沿圓周均布的m根懸臂梁,每根懸臂梁與對(duì)應(yīng)一個(gè)彈性體單元的另一端端部弧形段連接;內(nèi)環(huán)中心處開(kāi)設(shè)有花鍵孔;第一平面扭簧和第二平面扭簧的外環(huán)相對(duì)端之間設(shè)置中間墊圈;所述中間墊圈的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有沿圓周均布的m個(gè)第二凸臺(tái);所述的第二凸臺(tái)開(kāi)設(shè)有墊圈安裝孔;花鍵軸與第一平面扭簧和第二平面扭簧的花鍵孔均連接;第一平面扭簧的外環(huán)安裝孔與中間墊圈對(duì)應(yīng)位置處的墊圈安裝孔及第二平面扭簧對(duì)應(yīng)位置處的外環(huán)安裝孔通過(guò)輸出件上對(duì)應(yīng)位置處的一根輸出軸連接。作為優(yōu)選,第一平面扭簧和第二平面扭簧的花鍵孔相位相差1~5°,彈性體單元具有預(yù)緊扭矩。作為優(yōu)選,m=4。作為優(yōu)選,n=7。作為優(yōu)選,每根懸臂梁與對(duì)應(yīng)一個(gè)第一凸臺(tái)之間通過(guò)限位索連接。作為優(yōu)選,其中一根懸臂梁與對(duì)應(yīng)第一凸臺(tái)之間通過(guò)限位索連接。本發(fā)明的有益效果:1、工作時(shí)輸出件的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)將扭矩傳至彈性體單元,或輸入驅(qū)動(dòng)扭矩傳至花鍵及彈性體單元,均會(huì)對(duì)彈性體單元加載,從而輸入和負(fù)載的任意一方轉(zhuǎn)動(dòng)均可以直接帶動(dòng)另一方的運(yùn)動(dòng);其中,各個(gè)彈性體單元產(chǎn)生串聯(lián)彈性變形,經(jīng)彈性變形的緩沖和蓄能后,再將轉(zhuǎn)化后的扭矩傳遞到輸入或負(fù)載。2、通過(guò)兩片平面扭簧以一定的角度預(yù)緊,使得本發(fā)明整體變形曲線回程更加合理,便于控制;彈性體單元采用多個(gè)循環(huán)往復(fù)的弧形段使得扭轉(zhuǎn)變形中不會(huì)產(chǎn)生變形抵消而只會(huì)疊加,使極限扭轉(zhuǎn)角度更大;通過(guò)限位索來(lái)限制內(nèi)環(huán)和外環(huán)的不被過(guò)度扭轉(zhuǎn),防止扭矩過(guò)大對(duì)平面扭簧產(chǎn)生破壞,提高了可靠性。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明中花鍵軸、第一平面扭簧、中間墊圈和第二平面扭簧裝配后的立體圖;圖2是本發(fā)明的爆炸圖;圖3是本發(fā)明中第一平面扭簧或第二平面扭簧的示意圖;圖4是本發(fā)明的中間墊圈示意圖;圖5是本發(fā)明中花鍵軸的立體圖;圖6是對(duì)比例中平面扭簧的示意圖。圖中:1、花鍵軸,2、第一平面扭簧,3、中間墊圈,4、第二平面扭簧,5、外環(huán),6、花鍵孔,7、內(nèi)環(huán),8、懸臂梁,9、外環(huán)安裝孔,10、彈性體單元,11、輸出軸,12、墊圈安裝孔,13、限位索。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。如圖1、2、3、4和5所示,一種用于柔順關(guān)節(jié)的雙層平面扭簧,由花鍵軸1、第一平面扭簧2、中間墊圈3和第二平面扭簧4和輸出件11組成。第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的結(jié)構(gòu)完全相同,均包括內(nèi)環(huán)7、外環(huán)5、彈性體單元10和限位索13;四個(gè)彈性體單元沿圓周均布;彈性體單元具有七個(gè)弧形段;相鄰弧形段凹凸方向相反,且端部的兩個(gè)弧形段均外凸;相鄰弧形段之間通過(guò)連接段連接;外環(huán)5內(nèi)側(cè)壁設(shè)有沿圓周均布的四個(gè)第一凸臺(tái);第一凸臺(tái)開(kāi)設(shè)有外環(huán)安裝孔9;每個(gè)第一凸臺(tái)與對(duì)應(yīng)一個(gè)彈性體單元的一端端部弧形段固連;內(nèi)環(huán)7設(shè)有一體成型且沿圓周均布的四根懸臂梁8,每根懸臂梁與對(duì)應(yīng)一個(gè)彈性體單元的另一端端部弧形段連接,且其中一根懸臂梁與對(duì)應(yīng)第一凸臺(tái)之間通過(guò)限位索連接;外環(huán)與內(nèi)環(huán)的相對(duì)轉(zhuǎn)角達(dá)到一定位置時(shí),限位索被拉直從而限制外環(huán)與內(nèi)環(huán)進(jìn)一步相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而限定彈性體單元的極限轉(zhuǎn)角,防止扭矩過(guò)大時(shí)對(duì)彈性體單元產(chǎn)生破壞。內(nèi)環(huán)7中心處開(kāi)設(shè)有花鍵孔6;第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的外環(huán)5相對(duì)端之間設(shè)置中間墊圈3;第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的花鍵孔6相位相差1~5°;中間墊圈3的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有沿圓周均布的四個(gè)第二凸臺(tái);第二凸臺(tái)開(kāi)設(shè)有墊圈安裝孔12;花鍵軸1與第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的花鍵孔6均連接;第一平面扭簧2的外環(huán)安裝孔9與中間墊圈3對(duì)應(yīng)位置處的墊圈安裝孔12及第二平面扭簧4對(duì)應(yīng)位置處的外環(huán)安裝孔9通過(guò)輸出件11上對(duì)應(yīng)位置處的一根輸出軸連接,使得彈性體單元具有預(yù)緊扭矩。裝配后使用時(shí),花鍵軸一端與減速機(jī)的輸出端固定,花鍵軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),彈性體單元10和輸出件11也隨之轉(zhuǎn)動(dòng),從而使四個(gè)彈性體單元10產(chǎn)生串聯(lián)彈性變形。在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中,可以根據(jù)扭矩的要求調(diào)整彈性體單元和外環(huán)上均布的外環(huán)安裝孔數(shù)目。除此之外,可以通過(guò)改變材料或者彈性體單元弧形段的厚度及各類(lèi)半徑尺寸以滿(mǎn)足不同尺寸關(guān)節(jié)安裝和設(shè)計(jì)的要求。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊,相對(duì)于普通單片平面扭簧更加穩(wěn)定易于控制,且最大外力扭矩較大,最大相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度較大,能滿(mǎn)足更多的機(jī)器人柔順關(guān)節(jié)減速器對(duì)平面扭簧的選型要求。下面通過(guò)ansysworkbench15.0有限元分析,從而對(duì)比本實(shí)施例與對(duì)比例的效果。圖6為對(duì)比例的結(jié)構(gòu)示意圖,對(duì)比例是申請(qǐng)公布號(hào)為CN103836101A的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)的最佳實(shí)施例平面扭簧,該對(duì)比例平面扭簧與本實(shí)施例外環(huán)外徑大小相等,選用的材料是maragingsteel1300。本實(shí)施例仿真所選取外環(huán)外徑為50mm,第一平面扭簧2和第二平面扭簧4的花鍵孔相位錯(cuò)開(kāi)2°,選用的材料是50CrV,50CrV的物理參數(shù)如下:屈服強(qiáng)度:1.127e+009N/m2彈性模量:2.07e+011N/m2泊松比:0.29質(zhì)量密度:7840kg/m3抗剪模量:3.189e+008N/m2給輸出件11施加不同大小的外力矩,從而仿真出第一平面扭簧2和第二平面扭簧4所能承受的最大外力扭矩和該扭矩作用下的最大變形角度。本實(shí)施例中雙層平面扭簧和對(duì)比例的對(duì)比結(jié)果如下表1,其中最大扭矩是彈性體單元10斷裂前所能承受的最大扭矩;最大變形角度是達(dá)到最大扭矩時(shí)內(nèi)環(huán)與外環(huán)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。表1名稱(chēng)實(shí)施例對(duì)比例最大扭矩35N.M9.89N.M最大變形角度4.68°3.55°由表1和常規(guī)技術(shù)可知,通過(guò)仿真軟件得到本實(shí)施例的雙層平面扭簧所能承受的最大扭矩與最大變形角度,確實(shí)優(yōu)于以往其它傳統(tǒng)扭簧及平面扭簧。以上所述僅僅是本發(fā)明的應(yīng)用于特定柔順關(guān)節(jié)減速器的實(shí)例,可以通過(guò)改變彈性體單元和懸臂梁的數(shù)目和尺寸來(lái)得到不同的最大扭矩和最大變形角度來(lái)滿(mǎn)足不同的需求,并非因此而限制本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍,凡是運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換,直接或間接應(yīng)用在其他相關(guān)領(lǐng)域,均同理在本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 
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