[发明专利]一种用于机器人系统的柔性执行器及机器人系统

说明书

技术领域

本发明属于机器人系统领域。

背景技术

如业界所知，功率传输是机器人系统机械臂设计中的主要设计要点和难点所在。现存的移动式操作装置（操作臂）中所采用的传动方式为直接驱动或者依靠级联传动。举例来说，一般移动式操作装置（操作臂），靠近腕部的肘关节、腕关节以及机械抓等部位的运动控制都是由直接驱动来完成的；而肩关节和其他肘关节一般靠级联传动。驱动方式的改进不仅是创新的突破点，它也是增加自由度所带来的必要改变。级联传动的机械臂有其固有失效隐患。传动机构中不合理的压力分布也是电机及其支持组件所带来的动态冲击载荷，是导致电机过热及失效的原因之一。

为了减少关键性驱动关节的功率需求，研究者都相继探索着一些新的实施策略和方法。这包括远距离驱动传动技术和主动力补偿装置等。

基于远距离驱动传动技术，可将更大更重的电机放置在机械臂系统底部。机械动力则依靠传动部分将其传输到机器人远距离机械臂当中，如机械臂的肩部或抓手驱动部分。远距离驱动传动技术要求传动部分不仅要求其能有效传输功率，还需要其降低自身成本，并能够较方便地在关节之间合理布线。其中一个远距离传动方案即为“并联传动技术”。在该技术中，高强度不锈钢驱动链条绕在底座中的电机上，通过关节上的从动链轮将驱动力传递给相应驱动关节。虽然该传动机构价格便宜、重量轻，并且安全可靠，但是它也会在关节中引入机械复杂度，尤其当链条发生九十度平面外旋转（扭转）的时候。

主动力补偿装置策略可以大大减少（约50%-70%）机械臂装置的尺寸和功率要求。这一技术需运用平衡块和杠杆装置。但是，该技术会增加机器人重量，并降低其表现性能。更好的一种方法是使用平衡力补偿弹簧。运用弹簧平衡力补偿方法虽然需要体积较大的弹簧，但传动装置可以将弹簧部分放置在机器人底部。不幸的是，要把该技术在三自由度肩部关节中实现是更为复杂的事情。为了在不同载荷下能够实现被动平衡，需要力补偿装置自动调整其几何结构，从而有效地改变弹簧刚度，继而使其对负载的弹性支撑作用如在水下受浮力作用般，需要很少或者不需要进一步的功率驱动。这一技术的实现成本低并且节省功率。它不仅可以大大减少电机尺寸，同时还降低执行器组件成本。但是，当负载突然从操作装置（操作臂）中移除，而弹簧突然被松开的时候，由于其积攒的能量被瞬间释放，故对该机构安全性分析的要求较高。因此该设计结构更为复杂，因此也更趋于笨重，更易于失效。

由此可见，目前机器人系统机械臂设计技术中存在着各种各样的不足，急需提出一种能够在保持高负载能力的基础上实现更为紧凑的机械结构、降低机械复杂度的新型技术方案。

同时，目前现有机器人系统设计技术中，整个机器人系统的机械性能仍有待于进一步提高，特别是对于机器人系统设计而言极其关键的强度自重比和功率自重比指标，目前的技术仍无法做的很高。以目前电力驱动机器人操纵能力的技术发展水平来看，即便如德国航空航天中心（DLR）的轻量型机械臂，其强度自重比也只能达到略高于1.0的水平，因此仍存在着很大的提升空间。

以上这些存在的问题，就需要对制约机器人系统机械臂设计的关键部件执行器进行改进。本发明即实现了这一目标。

本发明的执行器是在柔性执行器的基础上产生的。柔性执行器给机器人力量控制带来了很多利处。这些好处包括更好的安全性、力量保真度，低阻抗，低摩擦，以及良好的控制带宽。柔性执行器的创新性设计理念与传统的“刚性越大越好”一般设计理念背道而驰。在齿轮系以及驱动负载之间刻意放置一个柔性部件，以减少执行器的刚度，这还使得执行器具有固有的抗震能力，高度力量保真度，以及非常低的阻抗。这些特性在机器人领域很多应用中都是令人向往的，述及的应用包括双腿行走机器人，用于放大人体行为动作的外骨骼式机器人，机械臂，触觉接触面上，以及自适应悬挂系统等。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中机器人系统中机械臂设计技术的缺陷，提供一种能够使机器人系统在保持高负载能力的基础上实现更为紧凑的机械结构、降低机械复杂度以及显著提高系统强度自重比和功率自重比的用于机器人系统的柔性执行器以及相应的机器人系统。