轉(zhuǎn)矩傳輸裝置、執(zhí)行器以及機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有能夠可變地調(diào)節(jié)剛度的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置、具有所述轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的執(zhí)行器以及機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人越來越多地應(yīng)用在與人的直接接觸中，無論是在病人照護(hù)還是在工業(yè)中。對(duì)這些應(yīng)用而言共同的是，對(duì)機(jī)器人的安全性提出了更高的要求。因此必須排除的是，當(dāng)人不經(jīng)意地由運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器人部件接觸時(shí)，人由于機(jī)器人遭受傷害。同樣在故障的情況中，尤其在可穿戴式機(jī)器人的區(qū)域中應(yīng)該排除的是，由于過大的力作用在人的關(guān)節(jié)上并且由此承受傷害。對(duì)此問題已知的解決方法是應(yīng)用具有可變剛度的執(zhí)行器。
[0003]為了獲得較高的定位精度，期望的是較高的機(jī)械剛度。但是如果機(jī)器人部件快速地運(yùn)動(dòng)，或者如果要配合人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，則為了獲得較高的安全性，理想的是柔性的機(jī)構(gòu)以及因此較低的剛度。對(duì)實(shí)現(xiàn)具有剛度可變的執(zhí)行器(variable stiffness actuator，簡(jiǎn)稱為VSA)而言已知兩種方法。
[0004]—方面，通過力或轉(zhuǎn)矩傳感器補(bǔ)充具有較高剛度的執(zhí)行器。借助于合適的調(diào)節(jié)器，這樣使得能模擬低于機(jī)械裝置的剛度。在此情況下，力傳感器測(cè)量存在于執(zhí)行器上的力或存在的轉(zhuǎn)矩。依據(jù)轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)偏移，使能模擬機(jī)械的彈簧。按存在轉(zhuǎn)矩的比例來調(diào)節(jié)偏移，其中比例因數(shù)與虛擬的彈簧剛度相對(duì)應(yīng)。此方法的缺點(diǎn)是缺失內(nèi)在的安全性，因?yàn)樵诠收锨闆r下，例如在力傳感器或調(diào)節(jié)器故障的情況下，執(zhí)行器固有的較高的剛度開始起作用。
[0005]第二種方法是執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，實(shí)施其剛度，以便于是僅以機(jī)械方式可變的。在此情況下，使用具有可變的力應(yīng)用的杠桿系統(tǒng)。執(zhí)行器例如經(jīng)由額外的機(jī)械元件與此力應(yīng)用連接，該機(jī)械元件包含彈簧作為中心機(jī)構(gòu)。為了改變彈簧的剛度，力應(yīng)用的桿臂是可調(diào)節(jié)的，例如借助于電馬達(dá)調(diào)節(jié)。所述方法的缺點(diǎn)是對(duì)于結(jié)構(gòu)需要相對(duì)大量的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所針對(duì)的目標(biāo)是，排除這些缺點(diǎn)并且提供具有可變剛度的執(zhí)行器。
[0007]以根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置以及根據(jù)權(quán)利要求10所述的執(zhí)行器和根據(jù)權(quán)利要求11所述的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)。在從屬權(quán)利要求和說明書中描述了本發(fā)明的有利的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置設(shè)有內(nèi)環(huán)、布置成可從中立位置沿著正旋轉(zhuǎn)方向或負(fù)旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)于內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)的外環(huán)、包括正接收波紋管和負(fù)接收波紋管的至少一對(duì)接收波紋管、至少一個(gè)氣體壓力彈簧和連接到至少一個(gè)氣體壓力彈簧的調(diào)節(jié)單元。接收波紋管以此方式布置在外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間，使得在內(nèi)環(huán)沿著正旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)的情況下正接收波紋管是可壓縮的，并且在內(nèi)環(huán)沿著負(fù)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)的情況下負(fù)接收波紋管是可壓縮的。額外地，接收波紋管還連接到至少一個(gè)氣體壓力彈簧以便于引導(dǎo)流體。在此情況下，優(yōu)選地使用液壓流體作為流體。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置以有利的方式具有很緊湊的尺寸并且與幾乎不可壓縮的液壓流體能夠提供很高的剛度。液壓力傳輸還包括較高的自阻尼，系統(tǒng)的固有振動(dòng)處于強(qiáng)烈的過阻尼并且僅在較高的頻率下出現(xiàn)。因此，系統(tǒng)的頻率特性在直至較高頻率時(shí)都是線性的，這意味著根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置具有較高的可調(diào)節(jié)性。
[0010]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的一種有利的改進(jìn)方案中，至少一個(gè)氣體壓力彈簧具有氣密密封的氣體壓力室和伸入氣體壓力室中的傳輸波紋管和伸入氣體壓力室中的調(diào)節(jié)波紋管。在此情況下，接收波紋管連接到傳輸波紋管以便于引導(dǎo)流體，并且調(diào)節(jié)單元連接到調(diào)節(jié)波紋管以便于引導(dǎo)流體。
[0011]因此以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的、緊湊的和更耐久的氣體壓力彈簧。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的另一種尤其有利的改進(jìn)方案中，調(diào)節(jié)單元包括貯存器和栗。在此情況下，具體地，栗是壓電式栗。壓電式栗還能夠設(shè)有止回閥，該止回閥設(shè)計(jì)成在故障情況下是自開啟的(正常打開)。
[0013]借助于貯存器和栗，以簡(jiǎn)單的和成本有效的部件提供液壓調(diào)節(jié)單元。以有利的方式，壓電式栗需要較小的結(jié)構(gòu)空間并且高效地工作。在故障情況下，例如在供電或控制信號(hào)故障的情況下，借助于止回閥將轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的剛度自動(dòng)地降低到最小值，這樣提供系統(tǒng)的安全狀態(tài):因此系統(tǒng)是內(nèi)在安全的。
[0014]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的另一種尤其有利的改進(jìn)方案中，轉(zhuǎn)矩傳輸裝置具有連接至調(diào)節(jié)單元的兩個(gè)氣體壓力彈簧。在此情況下，至少一個(gè)正接收波紋管連接至兩個(gè)氣體壓力彈簧中的一個(gè)以便于引導(dǎo)流體，且至少一個(gè)負(fù)接收波紋管連接至兩個(gè)氣體壓力彈簧中的另一個(gè)以便于引導(dǎo)流體。
[0015]因此，接收波紋管在壓縮運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)的兩種情況下均分別具有一個(gè)可用的氣體壓力彈簧。不僅以有利的方式影響接收波紋管的壓縮階段，而且以有利的方式影響張緊階段。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的另一種尤其有利的改進(jìn)方案中，調(diào)節(jié)單元對(duì)各個(gè)氣體壓力彈簧包括單獨(dú)的栗。
[0017]氣體壓力彈簧因此能夠彼此獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此有利地能夠根據(jù)方向以不同的方式設(shè)計(jì)和改變轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的剛度。壓縮階段能夠與張緊階段設(shè)計(jì)成不同的。
[0018]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的另一種尤其有利的改進(jìn)方案中，轉(zhuǎn)矩傳輸裝置包括兩對(duì)接收波紋管。
[0019]因此能夠更好地分配引入的力。單個(gè)的接收波紋管因此暴露至更小的負(fù)載。此外，在沒有額外的支撐元件的情況下改善了內(nèi)環(huán)的引導(dǎo)。
[0020]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的另一種尤其有利的改進(jìn)方案中，至少一個(gè)波紋管是金屬波紋管。
[0021]金屬波紋管是極其穩(wěn)健的，即使在高溫且在侵蝕性的環(huán)境條件的影響下。這賦予了轉(zhuǎn)矩傳輸裝置以耐久性和安全性。
[0022]在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的另一種尤其有利的改進(jìn)方案中，轉(zhuǎn)矩傳輸裝置大致具有帶有圓形表面區(qū)域的圓柱體的形狀。
[0023]因此，轉(zhuǎn)矩傳輸裝置具有的形狀使得能夠容易地接合到常用的伺服馬達(dá)的形狀上。伺服馬達(dá)和轉(zhuǎn)矩傳輸裝置一起僅占據(jù)比伺服馬達(dá)本身稍微多一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)空間。
[0024]因此，根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置在其所有的改進(jìn)方案中優(yōu)選地集成到執(zhí)行器中，該執(zhí)行器除了轉(zhuǎn)矩傳輸裝置以外還具有伺服馬達(dá)。伺服馬達(dá)包括轉(zhuǎn)子和定子。根據(jù)本發(fā)明，伺服馬達(dá)的定子不可旋轉(zhuǎn)地連接至轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的外環(huán)或內(nèi)環(huán)。
[0025]因此，有利地提供了具有可變剛度的執(zhí)行器。根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的優(yōu)點(diǎn)對(duì)作為組件的執(zhí)行器有利。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器優(yōu)選地集成在機(jī)器人中。在此情況下，執(zhí)行器連接至機(jī)器人的機(jī)械單元以便于傳輸力或傳輸轉(zhuǎn)矩。
[0027]機(jī)器人的機(jī)械單元能夠基于根據(jù)本發(fā)明的具有不同水平剛度的執(zhí)行器來操作。因此，機(jī)器人正好在與人的直接接觸中提供了較高的安全性。
【附圖說明】
[0028]借助于附圖以及下述的說明來更具體地闡釋本發(fā)明的示例性實(shí)施例。其中:
圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人；
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器；以及
圖3到圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置的不同的改進(jìn)方案。
【具體實(shí)施方式】
[0029]在圖1中顯示根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人26的示意性輪廓。根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人26具有執(zhí)行器1，該執(zhí)行器I連接至機(jī)械單元27以便于傳輸力地或以便于傳輸轉(zhuǎn)矩。由于執(zhí)行器I的運(yùn)行，機(jī)械單元27的位置是可改變的。機(jī)械單元27以此方式構(gòu)造，使得能轉(zhuǎn)化由執(zhí)行器I產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械單元27能夠例如完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、平移運(yùn)動(dòng)或兩種運(yùn)動(dòng)的組合。
[0030]在圖2中顯示根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器I的作為示例的示意性輪廓。執(zhí)行器I具有伺服馬達(dá)2和轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3。伺服馬達(dá)2包括轉(zhuǎn)子21和定子22。轉(zhuǎn)子21支撐在旋轉(zhuǎn)軸線23上以便于相對(duì)定子22旋轉(zhuǎn)。定子22能夠布置成圍繞轉(zhuǎn)子21，在圖1中示出了以此方式的布置。轉(zhuǎn)子21也能夠布置成圍繞定子22。依照本發(fā)明，定子22是支撐元件，并且轉(zhuǎn)子21是可移動(dòng)元件。根據(jù)本發(fā)明，定子22以不可旋轉(zhuǎn)的方式連接至轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3包括內(nèi)環(huán)5和布置成圍繞內(nèi)環(huán)5的外環(huán)4。外環(huán)4和內(nèi)環(huán)5相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線23布置成同軸的。外環(huán)4相對(duì)于內(nèi)環(huán)5能夠在旋轉(zhuǎn)軸線23上旋轉(zhuǎn)一定的扭轉(zhuǎn)角。在圖1中所示的示例中，將轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3的內(nèi)環(huán)5穩(wěn)固地夾緊，并且伺服馬達(dá)2的定子22緊固至轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3的外環(huán)4上以便于傳輸轉(zhuǎn)矩。因此，轉(zhuǎn)矩減小20能夠出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子21處。同樣可能的是，轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3的外環(huán)4穩(wěn)固地夾緊，并且伺服馬達(dá)2的定子22以不可旋轉(zhuǎn)的方式連接至轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3的內(nèi)環(huán)5。
[0032]在圖2到圖4中示例性地描繪出轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3的不同的變型實(shí)施例的輪廓。根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3除了外環(huán)4和內(nèi)環(huán)5以外包括至少一對(duì)接收波紋管9、10、氣體壓力彈簧13、調(diào)節(jié)單元和流體線路16。
[0033]在圖2到圖4中，分別顯示在每種情況下在中立位置25中的根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置3的內(nèi)環(huán)5。內(nèi)環(huán)5能夠相對(duì)于外環(huán)4沿著正旋轉(zhuǎn)方向17或沿著負(fù)旋轉(zhuǎn)方向18旋轉(zhuǎn)。
[0034]外環(huán)4具有至少兩個(gè)成型部24。各個(gè)成型部24伸入內(nèi)環(huán)5的凹部7中。在每種情況下在成型部24處均存在至少一個(gè)接觸件(德語中anstofi) 6。在各個(gè)凹部7處，內(nèi)環(huán)5在定位成與接觸件6相對(duì)的區(qū)域處具有支撐件8。在每種情況下，在內(nèi)環(huán)5的支撐件8和外環(huán)4的接觸件6之間分別布置有接收波紋管9、10。在每種情況下，接收波紋管9、10分別至少緊固至支撐件8。依照本發(fā)明，波紋管也能夠是液壓缸或諸如此類的，尤其是由金屬制成的波紋管。
[0035]所述至少一對(duì)接收波紋管9、10包括正接收波紋管9和負(fù)接收波紋管10。依照本發(fā)明，以此方式布置正接收波紋管9，使得在內(nèi)環(huán)5從中立位置25沿著正旋轉(zhuǎn)方向17改變的情況下，壓縮正接收波紋管。根據(jù)本發(fā)明，以此方式布置負(fù)接收波紋管10，使得在內(nèi)環(huán)5從中立位置25沿著負(fù)旋轉(zhuǎn)方向18改變的情況下，壓縮負(fù)接收波紋管。
[0036]根據(jù)本發(fā)明，接收波紋管9、10包括流體，