本發(fā)明涉及機(jī)器人運動部件之間的連接，尤其涉及一種用于串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)的平面扭簧與方法。

背景技術(shù)：

近幾年來,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展日趨成熟,并在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在工業(yè)中地位尤為明顯。但目前工業(yè)機(jī)器大都需考慮安全問題,工業(yè)機(jī)器人需要劃分一定的工作區(qū)間以保證與人類的安全距離。這種方式雖保證了生產(chǎn)過程中操作人員的人身安全,但卻無法通過人機(jī)協(xié)作提高作業(yè)的效率。因此,如何實現(xiàn)機(jī)器人與人之間的安全協(xié)作,是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)研究的重要方向，也是實現(xiàn)機(jī)器人智能化以及機(jī)器人走進(jìn)人類生活的重要前提。

機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計中，關(guān)節(jié)設(shè)計主要采用剛性的設(shè)計方法,采用電機(jī)與減速器直接剛性連接執(zhí)行部件。這種關(guān)節(jié)設(shè)計缺乏柔性單元，使得機(jī)器人關(guān)節(jié)容易受到外部沖擊而損壞，更重要的是容易造成人類受傷，增加了安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，用于串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)的平面扭簧與方法。解決了現(xiàn)有平面扭簧最大相對旋轉(zhuǎn)角度較小，容易受徑向或軸向載荷發(fā)生離心偏移的問題。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種用于串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)的平面扭簧，包括內(nèi)環(huán)4、外環(huán)1以及若干固定在內(nèi)環(huán)4與外環(huán)1之間的波浪形彈性體單元3；

所述波浪形彈性體單元3沿圓周均勻分布，每個彈性單元由若干個半圓弧依次串聯(lián)構(gòu)成。波浪形彈性體單元3的寬度方向垂直于內(nèi)環(huán)4和外環(huán)1的圓周平面。

每個波浪形彈性體單元3除了首尾連接部分為劣弧，其余部分均由多個160°～180°的半圓弧相切相連。

波浪形彈性體單元3，由外環(huán)1至內(nèi)環(huán)4延伸方向逐漸增厚。

波浪形彈性體單元3由外環(huán)1至內(nèi)環(huán)4延伸方向厚度相等。

波浪形彈性體單元3的厚度是中間薄、兩端厚；即由波浪形彈性體單元3的中間分別向外環(huán)1至內(nèi)環(huán)4延伸方向逐漸增厚。

外環(huán)1的周圍分布有若干個用于連接負(fù)載的負(fù)載螺栓孔2；內(nèi)環(huán)4的周圍分布有若干個用于連接減速器的減速器螺栓孔5。

波浪形彈性體單元3數(shù)量(輪輻數(shù))一般為3至9個，每個波浪形彈性體單元3內(nèi)的半圓弧數(shù)量為3至5個；當(dāng)然，為適應(yīng)不同工況下對扭簧性能的要求，其數(shù)量及其厚度可根據(jù)具體要求而定。

安裝時外環(huán)1通過負(fù)載螺栓孔2與負(fù)載固定、內(nèi)環(huán)4通過減速器螺栓孔5與減速器輸出端固定；

運行時電機(jī)經(jīng)過減速器帶動內(nèi)環(huán)4轉(zhuǎn)動，內(nèi)環(huán)4與外環(huán)1之間波浪形彈性體單元3發(fā)生彈性形變，并帶動連接在外環(huán)1上的負(fù)載運動。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明波浪形彈性體單元3沿圓周均勻分布，每個彈性單元由若干個半圓弧依次串聯(lián)構(gòu)成；波浪形彈性體單元3的寬度方向垂直于內(nèi)環(huán)4和外環(huán)1的圓周平面。這種結(jié)構(gòu)的扭簧在承受較大扭矩的情況下，具有較大的內(nèi)環(huán)與外環(huán)的相對扭轉(zhuǎn)角度，并且在一環(huán)固定，另一環(huán)受到徑向力或者軸向力的時候，偏心的幅度很小，從而使得串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)獲得較好的柔順性的同時，也提高了控制精度以及減小了控制難度。

本發(fā)明的波浪形彈性體單元3結(jié)構(gòu)緊湊，所使用的彈性單元曲線圓弧簡單，便于模型的構(gòu)建，也便于加工，不僅滿足了串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)對大轉(zhuǎn)角的使用設(shè)計需求,也通過減小軸向與徑向的位移偏心量來提高控制精度以及減小控制難度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)的平面扭簧的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1平面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖4為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖5為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖三。

圖6為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖四。

圖7為現(xiàn)有技術(shù)扭簧平面結(jié)構(gòu)示意圖五。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明用于串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)的平面扭簧，包括內(nèi)環(huán)4、外環(huán)1以及若干固定在內(nèi)環(huán)4與外環(huán)1之間的波浪形彈性體單元3；

所述波浪形彈性體單元3沿圓周均勻分布，每個彈性單元由若干個半圓弧依次串聯(lián)構(gòu)成。波浪形彈性體單元3的寬度方向垂直于內(nèi)環(huán)4和外環(huán)1的圓周平面。每個波浪形彈性體單元3除了首尾連接部分為劣弧，其余部分均由多個160°～180°的半圓弧相切相連。

在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中,可以根據(jù)不同工況下對扭簧性能的要求調(diào)整波浪形彈性體單元3寬度、半圓弧數(shù)量、單元數(shù)量和簧片的厚度。

本發(fā)明的平面扭簧結(jié)構(gòu)緊湊,所使用的彈性單元曲線圓弧簡單,便于模型的構(gòu)建，也便于加工，不僅滿足了串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)對大轉(zhuǎn)角的使用設(shè)計需求,也通過減小軸向與徑向的位移偏心量來提高控制精度以及減小控制難度。

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的效果,下面通過兩個對比實驗與本實施例進(jìn)行對比。

使用仿真軟件針對具有不同結(jié)構(gòu)形式的彈性體單元的平面扭簧做結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，其中,兩個對比例與實施例的內(nèi)環(huán)、外環(huán)的尺寸和材料完全相同,彈性體單元的材料和厚度完全相同。

仿真所選用的材料為maragingsteel300,其物理參數(shù)設(shè)定如下：

密度：8.00g/cm³

楊氏模量:210gpa

最終拉伸強(qiáng)度:1.966gpa

屈服拉伸強(qiáng)度：1/897gpa

剪切模量：77gpa

體積模量：140gpa

實驗一：

仿真時固定平面扭簧的外環(huán),然后在內(nèi)環(huán)上施加一相同的外力矩,從而計算出平面扭簧在相同扭矩下的最大變形角度。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)的平面扭簧在試驗中與圖3至圖7中各結(jié)構(gòu)平面扭簧在30nm的相同轉(zhuǎn)矩仿真中得到的內(nèi)外圈扭轉(zhuǎn)角度如表1所示。

表1：

表1所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)與其他現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)相比，具有較小的體積，浙江消耗較少的材料，而且能實現(xiàn)較大范圍的轉(zhuǎn)角，符合串聯(lián)彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)對其具有較大柔順性的要求。

下面選取轉(zhuǎn)角較大的作對比：本發(fā)明、圖6、圖7結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行試驗二。

試驗二：

仿真時候固定平面扭簧的外環(huán)，分別對內(nèi)環(huán)施加不同方向軸向力以及徑向力，計算出在相同外力情況下內(nèi)環(huán)與外環(huán)的圓心偏移距離。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)的平面扭簧在試驗中與圖6、圖7結(jié)構(gòu)中的平面扭簧分別在100n的徑向力或軸向力下的內(nèi)環(huán)外環(huán)圓心偏移距離如表2所示。

表2：

如表2所示，本發(fā)明在承受徑向以及軸向的載荷下，偏移量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖6或者圖7結(jié)構(gòu)的扭簧，而且圖6結(jié)構(gòu)的扭簧在不同方向徑向力下還會呈現(xiàn)出不同的偏移量，這樣會大大的減小了控制精度以及增加了控制難度。本發(fā)明的扭簧在承受徑向或軸向載荷的條件下能表現(xiàn)出來的這種小形變性的優(yōu)異的性能，能在面對不確定外界受力因素下，提高了末端執(zhí)行器控制精度并且降低了控制難度。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。